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가스 장벽이 있는 경질우레탄폼단열재 폴리이소시아누레이트의 장기 열 저항

출처: https://web.ornl.gov/sci/buildings/conf-archive/2004%20B9%20papers/054_Mukhopadhyaya.pdf

 

 

가스 장벽 또는 불침투성 표면이 있는 폐쇄 셀 폴리이소시아누레이트(폴리이소) 폼 단열재는 다양한 건물 외피에 사용됩니다. 폴리이소시아누레이트 단열재 보드의 양면에 있는 불침투성 가스 장벽은 단열재의 장기 열 저항(LTTR)을 더 높은 수준으로 유지하도록 설계되었습니다. 최근 캐나다 건설연구소(IRC)/국립연구위원회(NRC)의 연구진은 캐나다 폴리이소시아누레이트 협의회와 연계하여 폴리이소 폼 단열재의 설계 LTTR 값을 불침투성 표면으로 정량화하는 데 도움이 되는 표준시험 방법론을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이 논문은 실험실 테스트, 현장 관찰 및 수치 모델링에서 성택된 결과를 제시합니다. 이러한 결과들 사이의 비교는 불침투성 표면 폴리이소 폼 단열재의 열 노화 정도가 제품마다 다를 수 있음을 나타냅니다. 불완전 표면 폴리이소 단열재의 장기 열 행동의 예측을 돕기 위해 수치 모델링에 측면 및 수직 확산의 결합 개념이 도입되었습니다. 그러나 실험 결과와 수치 모델링 결과의 비교는 가로 방향 대 정규(L/N) 확산 비율이 얇은 슬라이스와 같은 전체 두께 보드에 대해서는 동일하지 않음을 나타냅니다.

 

 

1. 서론

 

    폐쇄 셀 폼 단열재는 주로 폼 제조시 발포제로 사용되는 가스의 열전도율이 낮기 때문에 단위 두께당 높은 열 저항성을 제공합니다. 폐쇄 셀 폼 단열재의 노화는 외부 공기의 내부 확산 및 발포제 가스의 외부 확산으로 인해 발생할 수 있습니다. 따라서 폐쇄 셀 발포 단열재의 장기 열 성능은 각각 공기와 발포제의 내부 및 외부 확산 속도와 작용에 크게 좌우됩니다.

 

    가장 널리 사용되는 폐쇄 셀 폼 단열재 중 하나는 폴리이소시아누레이트(일반적으로 폴리이소라 함)입니다. 폴리이소 제품은 경질보드 형태의 표면으로 만들어집니다. 이러한 표면은 투과성이나 불투과성일 수 있습니다. 폴리이소 경질 보드의 표면에 불침투성 표면재를 사용하는 것은 발포 단열재의 장기 열저항(LTTR) 특성을 향상시키는 것을 목표로합니다. 폼 제품의 LTTR은 실험실 환경에서 5년 동안 저장한 후 측정한 값으로 CAN/ULC S770-98의 폐쇄 셀 단열 폼의 장기 열저항 결정을 위한 표준에 정의되어 있습니다.

 

    이 표준은 단열재 노화의 가속화에 기초한 LTTR 예측을 위한 수단을 제공합니다. 그러나 이 표준시험 절차는 폴리이소 경질보드 단열재 불침투성 면의 LTTR 값을 추정하는 데 현시점에서는 적합하지 않습니다. 블침투성 면 폴리이소 준불연 단열재의 LTTR 문제를 해결하기 위해, 캐나다 플라스틱 연구소(CPIA)와 연계하여 캐나다 국립연구소(NRC)의 건설연구소(IRC)에서 공동 연구 프로젝트로 수행되었습니다.

 

    이 자료는 앞에서 언급한 프로젝트, 연구 활동 및 실험실 시험, 현장시험 및 수치 모델링에서 얻은 선택된 결과의 목적과 목표를 제시합니다.

 

2. 연구 배경

 

    폐쇄 셀 폼 단열재의 수명동안, 고분자량 발포제 가스는 셀 외부로 확산되거나 고분자 매트릭스로 용해되는 동시에, 외부 환경으로부터 비교적 가벼운 공기 성분(질소 또는 산소)이 폐쇄 셀 안으로 들어가기 시작합니다. 발포제는 폼 안에 공기 확산 속도보다 일반적으로 1~2배 정도 낮은 속도로 확산될 것입니다. 이러한 현상의 결과는 일정 기간 동안 폼의 열저항(, 노화)를 지속적으로 감소시켜 장기적 평형 값으로 안정시킵니다. 이러한 노화의 속도는 사용된 폴리머의 유형, 폼 구조, 온도, 발포제의 화학적 조성 및 초기 셀 가스 압력에 의존합니다.

 

    상업적으로 이용 가능한 폴리이소 및 폴리우레탄 불침투성 단열재에 대한 제한된 수의 장기 성능 연구가 자료에 수록되어 있습니다. 폴리이소에 대한 5년간의 노화 연구 결과는 Sherman(1979)에 의해 기록되었습니다. 5년 연구에서와 동일한 폴리이소 시험 재료를 사용하여 11년의 노화 연구 결과가 Hagan and Miller(1990)에 의해 보고되었습니다. Sherman(1980)은 폴리우레탄에 대한 10년의 노화 연구도 수행했습니다.

 

    시간의 함수로 폴리머 폼의 열저항을 감소시키는 복잡한 다양한 내부 및 외부 가스 확산은 Norton(1967)이 개발한 복잡 다양한 모델로 1960년대 간단한 등온에 의해 처음으로 묘사되었습니다. Norton의 접근 방식과 관련된 많은 제한 사항은, 단순화된 가정으로부터 비롯되었으며, 이후 1980년대 초 MIT의 연구자들에 의해 다루어졌습니다. 또한 IRC/NRC의 연구원들은 1980년대 후반과 1990년대 초반에 NortonMIT의 기본 접근법뿐만 아니라 표면재가 있는 폐쇄 셀 폼 단열재에 적용되는 추정 기법을 포함한 많은 개선된 모델을 개발하기 위해 연구했습니다. 이 모델을 분산 매개변수 연속체(Distributed Parameter Continuum, DIPAC) 모델이라고합니다.

 

    앞에서 언급한 모델에는 가스확산 계수, 다양한 단계에서 셀 가스 구성의 정확한 결정, 발포 폴리머에서 발포제 가스 저장/용해성의 적절한 특성, 가스 및 발포 폴리머의 다양한 구성 요소의 열전도성, 다양한 열전달 방법, 셀 가스 압력 분배, 온도 프로파일 등과 같은 광범위한 입력 매개변수가 필요합니다. 특정 단열재에 대한 모든 데이터를 얻는 데는 시간과 비용이 많이 듭니다. 더욱이 이것들은 실험실에서 측정하는 것은 본질적으로 어렵습니다.

 

    따라서 이러한 상황에서 폐쇄 셀 폼 단열재의 LTTR(장기 열전도율)을 신뢰할 수 있게 평가하려면 실험실 실험, 현장 관찰 및 모델링 결과를 통합해야합니다. 이것은 다음 단원에 설명된 바와 같이 이 지속적인 연구에서 채택된 접근 방식입니다.

 

3. 목표와 목적

 

    이 프로젝트의 광범위한 목표는 불침투성 표면재가 있는 폴리이소 폼 단열재의 LTTR을 예측하는 데 사용할 수 있는 포괄적 테스트 절차 개발에 기여하는 것입니다. 보다 구체적으로 (1) 시료에 대한 실험실 및 현장시험과 (2) 수치 모델링 도구(DIPAC)를 사용한 시험 관측/데이터 분석의 두 가지 주요 과제가 이 프로젝트에 관여하고 있습니다. 상기 두 가지 과제로부터 결과를 조합함으로써, 불투과성 표면재와 폴리이소의 LTTR 특성을 추정하기 위해 적용될 수 있는 방법론이 개발될 수 있음이 예상됩니다.

 

4. 고려된 자재

 

    이 연구에서 3개의 폴리이소 경질우레탄폼 단열재(제품 A, B C)가 고려되었으며, 발포제 또는 제조 공정 관점에서 서로 다른 3개의 다른 북미 공급원으로부터 얻어졌습니다. 그러나 이들 제품은 표1에 주어진 바와 같이 매우 유사한 물리적 특성을 갖습니다. 모든 경우에 1.2m×2.4m이며, 제조일로부터 약 7일 후에 실험실로 전달되었습니다.

[재료의 물리적 설명]

 

5. 실험 프로그램

 

    테스트 프로그램과 모델링 작업은 서로 보완하도록 설계되었습니다. 실험실 및 현장 테스트는 전체 두께 및 얇은 시편에서 수행되었습니다. 얇은 시편은 실험실에서만 노화 및 시험하는 반면, 전체 두께 시편은 실험실과 현장에서 모두 노화 및 시험하였습니다.

 

 1) 실험실 테스트

 

     시편의 두 가지 유형은 세 제품 모두에 대한 실험실 테스트에서 고려되었습니다. 테스트는 전체 두께 시편(1) 및 얇은 두께 시편(2)에서 수행되었습니다. 아래 표와 그림은 시편에 대한 크기 및 기타 관련 정보를 설명합니다. 전체 두께와 얇은 시편 모두 아래에 설명과 같이 실험실에서 노화되었습니다.

 

[실험실 테스트 시편의 디테일]


[얇은 시편(시험1)]

 

[얇은 시편(시험2)]

 

  (1) 전체 두께 시편의 노화

 

       전체 두께(25mm)의 시편(610mm×610mm)은 보드의 다양한 위치에서 각 제품에 대해 3개의 다른 보드에서 6개의 전체 두께 시편을 절단했습니다. 이 시편의 초기 열전달 특성은 실험실에 도착한 후 10일 이내에 실험실에서 열 유량계 장치에 의한 정상상태 열전달 특성을 ASTM C518 시험방법에 따른 열유량계 장치를 사용하여 결정되었습니다. 이 시편은 24±250±5% RH(상대습도)의 실험실 환경에 노출되었으며, 12개월 이상 노출된 후에 다시 테스트되었습니다.

 

  (2) 얇은 시편의 노화

 

       4세트의 시험은 3가지 제품 각각에 대해 얇은 시편으로 테스트를 수행하였습니다. 상기 표에서 볼 수 있듯이, 이 테스트는 테스트 1, 테스트 2, 테스트 3 및 테스트 4로 식별됩니다. 시험편의 디테일은 상기의 표와 그림에 나와있습니다.

 

       테스트 1에서, 2개의 6mm 두께 시편은 보드의 각 표면(그림 1a)(4)에서 잘라내고 에폭시 코팅 유리 기판(그림 1b)에 놓았습니다. 각 시편의 가장자리를 호일 표면을 통해서만 폴리이소 폼의 노화를 촉진시키기 위해 에폭시 코팅으로 밀봉하였습니다. 4개의 시편 중 2개는 노출된 표면이 손상되지 않은 반면, 다른 2개는 가장자리에서 약 25mm의 표면에 약 2mm 폭의 갈라짐이 있었습니다(그림 1a).

 

       표면 상에서 갈라짐의 존재는 2차 확산 패턴, 즉 면 표면에 평행한 확산을 나타냅니다.

 

       테스트 2의 경우, 모든 얇은 시편은 폴리이소 보드 코어에서 가져왔습니다(그림 2a). 당연히 이 폼 시편은 어떠한 표면재도 없었습니다. 시편 중 2개는 6mm이고, 다른 2개는 12mm입니다. 6mm 두께의 코어 시편은 유리판상에서 한쪽 측면을 노화시키고 에폭시 코팅(그림 2b)으로 가장자리를 밀봉했습니다. 그러나 12mm 두께의 코어 시편은 두 가지 주요 표면, 즉 양 측면 노화(그림 2b)에 대한 아무런 처리없이 테스트되고 있었습니다.

 

       테스트 3 및 테스트 4는 각각 테스트 1 및 테스트 2의 반복 시험이었습니다. 얇은 시편을 실험실에서 노출시키고 ASTM C518에 따른 열유량계 장치를 사용하여 노화의 다른 단계에서 열전달 특성을 테스트했습니다. 또한 모델 벤치마킹에 대해 특수 시험은 본 자료에서 보고하지 않은 얇은 시료에 대해 실시하였으며, 재료 두께와 온도의 함수로 열저항(R-)을 정의하였습니다.

 

 2) IRC/NRC 시험용 목합에서 현장시험

 

     장기성능 평가는 현장노출 테스트를 통해 정해야합니다. 이 연구 프로그램에서, 3개 모두 전체 규격 폴리이소 보드는 오타와의 IRC/NRC 캠퍼스의 특수 제작 시험장에 설치되었습니다. 테스트 목합의 실내 환경을 제어하고 외부 날씨 데이터도 제공했습니다. 제품 A와 제품 B의 전체 크기 보드는 테스트 목합의 동쪽 벽에 설치되었고 제품 B와 제품 C 보드는 서쪽 벽에 설치되었습니다. 이러한 방식으로 3가지 폴리이소 제품 모두의 현장 성능을 모니터링할 수 있으며, 벽 방향(동쪽 또는 서쪽)으로 인한 성능 차이를 확인할 수 있습니다. 4개의 단열보드 각각에는 2개의 열흐름 센서가 부착되었습니다. 현장 테스트 및 계측에 대한 자세한 설명은 이전 자료에서 확인할 수 있습니다.