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PIR 폼의 계면활성제와 노화 단열값의 관계성 이해(1)

출처: https://www.pu-additives.com/product/pu-additives/downloads/relationship_surfactants_aged-insulation-value.pdf

 

건물의 에너지법규와 R-값을 평가하기 위한 시험방법론이 엄격해지면서 단열값의 향상은 PIR 산업의 가장 중요한 목표가 될 것입니다. 특히 PIR 산업은 5~10년 동안 폼의 성능을 강조하여, 해당 기간 동안 단열값이 어떻게 변하는지 평가합니다. 현재 장기 열저항(Long Term Thermal Resistance, LTTR) 시험방법은 이러한 분석을 지원하여 제조업체가 얇은 슬라이싱 폼으로 재료의 장기 성능을 더 잘 이해할 수 있도록하며, 따라서 노화 과정을 가속화합니다.

 

제조업체가 LTTR 테스트 결과를 고려할 때, 계면활성제가 이러한 결과에 미치는 영향을 가장 확실하게 고려해야한다고 생각합니다. 현재 계면활성제는 발포 폼의 핵 형성 과정에 기여함으로써 라미네이트 PIR 패널의 단열값을 향상시키는 도구로서 PIR 배합에 의해 가장 잘 알려져있습니다. 마찬가지로 중요하지만 일반적으로 인식되지 않는 것은 계면활성제가 표면 공극을 제거하고 부피의 크기 결함을 줄이고 단열 가스를 유지함으로써 폼의 최종 단열값에 영향을 줄 수 있는 도구라는 사실입니다.

 

이 자료에서 Evonik은 두 가지 항목에 중점을 둔 다양한 발포제에 대한 최적화된 계면활성제의 작은 세트의 영향을 조사하며, 폼 노화 공정에 대한 계면활성제의 영향 및 변화에 의해 발생된 초기 단열값에서 계면활성제의 이점은 노화된 단열값의 장점으로 해석될 것입니다.

 

1. 서론

 

    단열 및 에너지효율은 정치 및 과학 공동체 내에서 지속적으로 논의되는 주제입니다. 에너지절약을 위한 주요 기회 중 하나는 상업용 건물입니다. 따라서 단열재의 개선에 지속적으로 집중해야합니다.

 

    상업용 단열재 제품 영역에서 PIR 라미네이트 제품은 inch당 우수한 R-값으로 오랫동안 좋은 평판을 얻었습니다. 이러한 평판은 제조업체와 원자재 공급업체 모두에 의한 끊임없는 혁신과 적응을 통해 유지되었습니다. 그러나 경쟁이 치열해지고 에너지효율이 더욱 중요한 주제가됨에 따라 동일한 품질과 더 빠른 라인 속도로 저밀도 PIR 라미네이트 보드 생산에 대한 수요가 증가할 것입니다. 이러한 변화는 보다 중요한 처리 조건에서 작동으로 이어질 것입니다. 따라서 PIR 발포체에 대한 노화된 단열값의 끊임없는 주제를 연구 및 이해하는 데 지속적으로 제시합니다.

 

    PIR 폼은 시간이 지남에 따라 단열값을 잃기 때문에 노화 공정과 노화 성능을 향상시킬 수 있는 배합 변경 및 첨가제를 이해하는 것이 중요합니다. 첨가제의 영영 내에서, 계면활성제는 세포 구조 및 폼 특성에 크게 영향을 줄 수 있습니다. 또한 이전 연구에서 계면활성제가 PIR 폼의 성능에 필수적인 역할을 하며 주요 원재료를 변경할 때 고려해야 할 것이 특히 중요하다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 이 자료에서 EvonikPIR폼의 노화 성능에 계면활성제의 영향에 대해 자세히 살펴봅니다.

 

    이 연구와 토론의 초기 단게에서 계면활성제와 같은 첨가제가 LTTR 값에 미치는 영향에 대한 뚜렸한 가설이 있음이 확인되었습니다. 첫째, 만일 첨가제가 초기 k-요소를 감소시킨다면, 그것은 더 나은 노화값 또는 두 번째 값을 초래할 것이며, 첨가물의 기여도는 너무 낮아서 선택된 계면활성제에 관계 없이 LTTR 값은 동일한 값으로 나타납니다. 두 가지 가능한 가설 때문에 이 자료의 초점은 계면활성제의 어떤 특성이 더 나은 LTTR 값을 결정하는지를 결정하는 것입니다. 아래 결과에서 Evonik는 계면활성제가 다른 물리적 특성을 크게 손상시키지 않으면서 PIR 단열재의 LTTR 및 노화 과정에 영향을 줄 수 있음을 확인할 수 있었습니다.

 

2. 실험

 

 1) 배합

 

     시험을 단순화하기 위해, 무수프탈산 기반의 아로마 폴리에스테르 1개와 서로 다른 발포제인 n-pentane50:50 n-/iso-펜탄 2개를 평가 대상으로 선정하였습니다. 아래 표는 일반적인 공식을 보여줍니다.

 

     배합은 1.6~1.7 lb/ft³(25~27kgf/m³)의 최종 코어 밀도, 11초의 겔 타임(gel time) 14초의 택프리 타임(tack free time)을 목표로 합니다.

 

 2) 구조

 

     다양한 코어 형성 및 유화 특성을 갖는 소량의 계면활성제를 각각의 발포제 n-펜탄 및 n-/iso 펜탄으로 시험하였습니다.

 

   ① n-펜탄

 

       단열값 성능에 대한 구조의 영향을 이해하기 위해 다음 계면활성제를 사용했습니다.

[계면활성제 n-펜탄]

 

 

       n-펜탄은 n-/iso-펜탄보다 처리하기 쉽습니다. 따라서 매우 낮은 코어 생성 계면활성제가 포함되어 LTTR 값에 대한 열악한 코어 생성 PIR 계면활성제의 영향을 조사하였습니다.

 

   ② n-/iso-펜탄

 

       n-/iso-펜탄의 계면활성제 선택은 저비등 이소펜탄을 사용할 때 필요한 계면활성제에 대한 이전의 이해로 제한되었습니다. 코어 형성 가능성이 낮은 계면활성제는 LTTR 슬라이싱을 위한 폼 품질이 매우 나빠질 수 있습니다.

[계면활성제 n-/iso-펜탄]

 3) 고압기계 발포

 

     모든 폼은 캐논 모델 A-40 고압기계를 사용하여 Evonik IndustriesHopewell Virginia 실험실에서 제조되었습니다. 이 기계에서 폴리에스테르 혼합, 계면활성제 및 펜탄을 수지 탱크에 첨가한 다음, 헤드에서 이소시아네이트와 혼합하였습니다. 총 기계 토출량은 45 lb/min이고, A B측 압력은 모두 2000psi이며, AB는 모두 23.9로 유지되었습니다. 폼을 50로 가열된 500×500×50mm 몰드에 부었습니다. 밀폐된 몰드의 중앙에 재료을 주입하고 코너를 막지않고 몰드 내에서 흐르게 하였습니다. 이 과정을 사용하면 대부분의 폼에서 10% 이상의 과발포가 생성되었습니다.

 

 4) 물리적 특성 테스트

 

     평가된 각 계면활성제에 대해 다음 물리적 특성을 측정하였습니다: 초기 k-인자(계면활성제 당 3), 90k-인자(계면활성제 당 3), 초기 슬라이스 k-인자(계면활성제 당 2), 4k-인자(계면활성제 당 2), 8k-인자(계면활성제 당 2), 12k-인자(계면활성제 당 2), 코어 밀도(계면활성제 당 3), 압축강도(병렬 및 수직)(계면활성제 당 6) 및 폐쇄 셀 함량(계면활성제 당 3)

 

 5) 폼 외관

 

     고압기계에서 제조된 폼은 두 가지 방법을 사용하여 시각적 특성을 검사하였습니다. 첫째, 폼의 다양한 검사는 바닥 표면 품질, 벌크 결함 감소 및 셀 구조를 평가하였습니다. 이러한 모든 시각적 매개변수는 1-10의 스케일로 평가되었고, 10은 이상적인 폼입니다. 이러한 시각적 특성을 조사하여 벌크 결함 또는 셀 구조와 관련하여 열악한 성능이 SH화된 단열값을 악화시킬 수 있는지 여부를 확인했습니다. 둘째, 셀 크기의 감소가 LTTR 값의 개선을 초래하는지 여부를 결정하기 위해 포레칸 분석(Porescan analysis)을 수행하였습니다.

 

 6) 조정된 LTTR

 

     LTTR 샘플은 폼을 7일간 폼 노화를 시킨 다음, 샘플을 12×12×10mm로 자르고 및 계획함으로써 준비되었습니다. 세 가지 주요 이유로 인해 테스트 방법과 약간의 차이가 있습니다. 첫째, Evonik Industries는 샘플에서 전체 2.4×1.2×0.6m로 성형할 수 없기 때문에 성형된 샘플은 에지(edge) 영향을 크게 받았습니다. 둘째, 중앙에 주입한 몰드는 표면의 주입 구멍으로 인해 표면 슬라이스가 윗부분이 되는 것을 방지합니다.

 

     셋째, 많은 LTTR 샘플로 인해 다른 테스트 일정에 실시하였습니다. 노화된 샘플을 자른 직후 및 대략 73일 후에 테스트하는 대신 4, 8, 12주 후에 바로 샘플을 자른 후에 테스트했습니다. 이로부터 시료의 노화 속도가 선택한 계면활성제에 다라 달라지는지 여부를 결정하기 위해 노화 슬라이스 곡선이 개발되었습니다. 단열값인 LTTR 값을 추정하기 위해 Kslice aged56일에서 84일까지 선형 보간하였습니다. 최종 LTTR 값은 아래 방정식을 사용하여 계산되었습니다.