경질 우레탄 폼에서 대체 발포제 및 발포제별 특성
Ⅱ. 특수한 기술과 변환을 위한 조건
1. 경질 우레탄 폼에서 대체 발포제
1) 서론
국제 몬트리올 의정서 협약과 국가별 CFCs와 HCFCs의 생산, 소비, 무역의 통제로 아시아 플루오르카본 시장은 주요한 변화로 이제 더 친환경적인 대체안의 사용을 향해 움직이고 있습니다. 경질 우레탄 폼은 주로 냉장고와 냉동고, 건물, 냉장수송용 컨테이너 및 LNG(액체 천연가스)운송 선박의 단열재로 사용됩니다. 또한 경질 우레탄 폼은 파이프와 탱크 단열 그리고 구명 재료 등에서 그 사용을 찾을 수 있습니다(예를 들어, 부표, 갑판 부목, 보트). 경질 우레탄 폼 가공 및 품질에서 프레온(CFCs)과 HCFCs의 좋은 특성을 가지고 있기 때문에 폴리우레탄 (polyurethane)과 폴리이소시아누레이트(poltisocyanurate) 단열재산업에서 수 년 동안 발포제로 사용하였습니다. 이 문서에서는 간단하게 현재 널리 사용되는 발포제 HCFCs와 비교하여 환경에 미치는 영향, 열 저항효율과 폼의 특성 및 경질 우레탄 폼의 대체 발포제에 대해 설명합니다.
2) 발포제 특성
[표1] 발포제 특성(UNEP, 2007: 99)
|
발포제 |
CFC-11 |
HCFC-22 |
HCFC-141b |
HCFC-142b |
HFC-134a |
HFC-152a |
|
화학식 |
CCl3F |
CHClF2 |
CH3CCl2F |
CH3CClF2 |
CH2FCF3 |
CH3CHF2 |
|
분자량 |
137 |
86 |
117.0 |
100 |
102 |
66 |
|
비등점 |
24 |
-41 |
32.0 |
-10 |
-27 |
-25 |
|
가연한계 |
– |
– |
7.3~16.0 |
6.7~14.9 |
– |
3.9~16.9 |
|
ODP |
1.0 |
0.055 |
0.11 |
0.065 |
0 |
0 |
|
GWP |
4000 |
1700 |
630 |
2000 |
1300 |
140 |
|
열전도율 |
7.4 |
9.9 |
8.8 |
8.4 |
12.4 |
14.3 (25℃) |
|
발포제 |
HFC-245fa |
HFC-365mfc |
N-pentane |
I-pentane |
C-pentane |
CO2 |
|
화학식 |
CF3CH2CHF2 |
CF3CH2CF2CH3 |
C5H12 |
C5H12 |
C5H10 |
CO2 |
|
분자량 |
134 |
148 |
72.1 |
72.1 |
70.1 |
44.0 |
|
비등점 |
15.3 |
40.2 |
36.0 |
28.0 |
49.3 |
-139 |
|
가연한계 |
– |
3.8~13.3 |
1.4~8.0 |
1.4~7.6 |
1.4~7.6 |
– |
|
ODP |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
GWP |
820 |
840 |
〈25 |
〈25 |
〈25 |
1 |
|
열전도율 |
12.5(24℃) |
10.6(24℃) |
14.0 |
13.0 |
11.0 |
14.5 |
[표1]은 경질 우레탄 폼에서 자주 사용되는 CFCs, HCFCs, HFCs, 펜탄 이성질체 그리고 CO2를 포함하는 발포제의 특성을 요약하였습니다. 경질 우레탄 폼에서 사용되는 발포제는 요구하는 특성 치수에 적합해야 합니다. 예를 들어, 이는 비점보다 낮은 50℃ 액체이어야 폴리우레탄(polyurethane)의 원료 폴리올(polyol) 또는 이소시아네이트(isocyanate)에 용해됩니다. – 폴리우레탄 매트릭스에 아직 불용해성.바람직하게 발포제는 발포체의 스트러트(struts) 및 세포막을 통한 낮은 확산 속도 그리고 불연성, 무독성 및 환경 무해와 낮은 열전도성을 가지고 있습니다. 가용성 및 생산 비용도 고려되어야합니다.
[경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 생산을 위한 원액펌프]
[시클로펜탄을 포함하여 노즐에서 고압으로 믹싱되어 분사되는
경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 원액]
[경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 발포 후
폼의 안정화를 위한 라미네이팅기]
[경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 절단설비]
[반응열을 냉각하여 경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드)의
안정성을 유지하기 위한 쿨링설비]
[경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 포장]
3) 발포제 사용
(1) CFCs
완전 할로겐화 클로로 플루오르 카본은 탄소, 불소 및 염소가 포함되어 있습니다. 이러한 발포제는 ODP (오존파괴지수)가 알려져 있으며, 방출되는 제품의 생산은 모든 선진국에서 단계적으로 폐지되고 있습니다.
(2) HCFC-141b
업계는 CFC 발포제에서 HFC 발포제로 전환되는 동안 선택의 발포제로 1,1-dichloro-1-fluoroethane (HCFC-141b)을 사용하고, 이 발포제는 CFC-11와 유사한 절연 특성이 있습니다. HCFC-141b는 몬트 리올 의정서에서 오존층 파괴물질로 분류되어 단계적으로 폐지되고 있습니다. 대류권에서 OH 활성 산소와 HCFC의 반응은 CFC보다 성층권에서 농도와 빠르기 때문에, 오존파괴지수(ODP)가 상당히 낮으나 zero는 아닙니다.
(3) HFCs
플루오르 카본은 탄소, 불소와 수소를 포함하고 있으며 염소나 브롬은 포함되어 있지 않습니다.(즉, 완전한 불소화 및 하이드로 플루오르 제품) HFCs 발포제는 성층권의 오존을 파괴하지 않으며 생산 제품은 몬트리올 의정서에서 금지되어있지 않습니다. CFC와는 대조적으로 이 새로운 대체 플루오르 카본은 전형적으로 zero ODP(오존파괴지수)를 가지고 있지만, 여전히 탄화수소에 비해 상당히 높은 GWP (지구온난화지수)를 가지고 있습니다. 분자에서 그 이상의 불소원자는 OH 활성 산소와 함께 반응 속도가 낮기 때문에 적외선 흡수 C-F 그룹의 수가 증가합니다.
(4) 펜탄(pentane)
zero ODP(오존파괴지수)를 고려하고 무시할만한 GWP(지구온난화지수)의 펜탄(pantane) 이성질체와 같은 할로겐 탄화수소들은 적합한 비점 범위에서 더 환경친화적인 발포제로 선택되었습니다. 펜탄(pent-ane)의 대기 수명은 몇 일로 HFCs의 몇 년보다 훨씬 짧습니다.
[경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 생산]
[경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 시공]
[그림1] 대륙별 사용하는 발포제 종류(BASF)
[그림1]은 세계적으로 발포제의 사용을 보여줍니다. 일반적으로 사용되는 경질 우레탄 폼 발포제는 HFC -245fa, HFC-365mfc/-227, HFC-134a, 펜탄(pentane), 포름산 메틸, 포름산, 물 그리고 HCFC-141b 등으로 각 대륙에서 선도적이고 지배적인 발포제가 다르게 존재하고 유사하게 포함됩니다.
아메리카 대륙에서 경질 우레탄 폼에 발포제로 대체품은 선도적으로 HFC-245fa입니다. HFC-245fa는 HCFC-141b와 유사한 단열성을 가지고 있으며, 상대적으로 낮은 지구온난화지수(GWP)와 비 가연성의 특징이 있습니다. 그래서 경질 우레탄 폼에서 HFC-245fa 발포제는 현재 장비의 많은 수정을 필요로 하지 않고적용할 수 있습니다.
서유럽에서 환경문제는 대부분 논의주제 대상이고 대중과 정부에서 끊임없는 관심입니다. 특히 오존 문제와 지구온난화 문제가 지속 가능한 발전개념으로 안전하게 보호할 수 있는 개념으로 해결해야 할 가장 중요한 문제입니다. 이것은 점점 더 많은 기업이 탄화수소, 암모니아 그리고 이산화탄소와 같은 대체 기술과 제품을 사용하는 것으로 짐작할 수 있습니다.(즉 제품은 할로겐을 포함하지 않습니다.)
아시아 태평양지역(현재 오직 HFC 및 HC를 사용하는 일본, 호주 그리고 뉴질랜드를 제외하고)에서는 HCFC-141b는 여전히 경질 우레탄 폼의 주된 발포제입니다. 또한 소수의 제조업체에서는 비용과 가용성 때문에 HFC-365mfc와 조합하여 사용합니다. 가속화 된 HCFC-141b 단계적 폐지 계획(2013년 동결, 2030년 내에 전체 단계적 폐지)은 아시아 상황에 따라 대체 발포제의 선택을 추진하고 있습니다.
[드럼으로 입고되는 발포제 HCFC-141b]
[경질 우레탄 폼의 주원료인 폴리올 원액]
4) 경질 우레탄 폼의 열전도율(W/m·K)
경질 우레탄 폼에 대한 선형 열전도율 λF의 계수:
λF = λP + λG + λR + λC
λP = 셀 구조의 열전도
λG = 셀 가스의 열전도
λR = 방사능을 통한 열전달
λC = 대류을 통한 열전달
[경질 우레탄 폼의 셀구조]
경질 우레탄 폼은 일반적으로 단열재로 사용됩니다. 발포 가스의 낮은 열전도율은 발포된 폼에서 단열특성을 제공하기 때문에 필요합니다. 경질 우레탄 폼에 대한 열전도 λF 계수는 여러 가지 요인 즉, λP(셀구조의열전도), λG(셀 가스의 열전도), λR(방사능을 통한 열전달), λC(대류을 통한 열전달)으로 구성되어있습니다. λG(셀 가스의 열전도)는 경질 우레탄 폼의 열전도율의 50~60%를 차지하고 있지만, 유일한 결정적인요인으로 발포제의 열전도도를 생각해서는 안 됩니다.
많은 매개변수 λG(셀 가스의 열전도)는 셀 가스(일반적으로 기체상태 발포제, 공기 그리고 CO2) 의 조성을포함하여 온도와 폼(폴리우레탄 모체에서 가스 용해와 폴리우레탄 모체를 통한 가스 확산속도)의 노화에영향을 미칩니다.
새로운 발포제에 적합하도록 폴리우레탄 조성물을 조절하고 세포가스에 시클로펜탄(cyclopen-tane) 또는 HFC-CO2의 비율을 최적화하여 낮은 경질 우레탄 폼의 열전도율(0.019W/m·K)를 목표로 하여 현재 달성되었으며, 심지어 개선되었습니다.
[시클로펜탄 발포설비와 경질 우레탄 폼 단열재 생산라인]
현재 국내 경질 우레탄 폼 단열재에 사용되는 발포제는 HCFC-141b로 이는 환경규제물질로 점차적으로폐지대상으로 2020년에는 완전히 국내에서 사용이 금지됩니다. 국내에서 다음 세대의 발포제는 아마도친환경발포제인 펜탄(pentane)일 것으로 생각됩니다.
펜탄(pentane)은 친환경발포제로 ODP(오존파괴지수) 0, GWP(지구완난화지수)〈25인 발포제입니다.
[시클로펜탄으로 생산된 경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드)]
5) 발포제의 특성 비교
|
발포제 |
k-factor |
성능 |
취급 |
난연성 |
환경 |
|
HCFC-141b |
● |
● |
● |
● |
×(ODP) ▲(GWP) |
|
HFC-134a |
▲ |
▲ (발포과정) |
▲ |
● |
●(ODP) ▲(GWP) |
|
HFC-245fa |
● |
● (빠른 크림시간) |
▲ |
● |
●(ODP) ▲(GWP) |
|
펜탄(pentane) |
● |
● (낮은 난연성) |
▲ |
● |
●(ODP) ●(GWP) |
|
물(CO2) |
× |
▲ (낮은 난연성) |
● |
× |
● |
[표2] 발포제의 특성 비교
[표2]에서 나타난 바와 같이 발포제로 HCFC-141b를 사용한 경질 우레탄 폼은 k-factor와 같이 높은열저항이 측정되고, 기계적 성능, 취급이 쉽고 좋은 난연성을 비롯한 우수한 특성을 갖습 니다.
그러나 환경에 미치는 영향(상대적으로 낮은 ODP, 그러나 높은 GWP) 때문에 HCFC-141b는 단계적으로폐지될 예정입니다.
HFC-245fa는 좋은 k-factor와 물리적 특성 그리고 난연성을 가지고 있습니다. 그러나 낮은 비점 (15.3℃,일반적으로 실온보다 낮음)의 결과로 빠른 크림타임과 생산에 높은 수준을 요구합니다. 그러나 그것의 잠재적인 환경영향(상대적으로 높은 GWP)은 여전히 우려가 됩니다. CFCs와 HCFCs와는반대로 경질 우레탄 폼에 발포제로 사용되는 펜탄(pentane)은 환경에 미치는 영향 이 없습니다.
그러나 펜탄(pentane)은 가연성이고 농도 한계에 도달하여 공기와 혼합하면 폭발할 수 있습니다. 이것은처리과정 동안 사용 장소에서 안전 조치를 취해야 된다는 것을 의미합니다. 따라서 발포된 경질 우레탄 폼은난연성능이 약간 낮습니다. 펜탄(pentane)로 발포한 경질 우레탄 폼의 난연성 향상은 추가의 난연제또는발포 배합물의 적절한 조정으로 해결할 수 있습니다.
[경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 생산 라인]
[경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 시클로펜탄시스템과
원료 각각의 메타링펌프]
6) 시클로펜탄(cyclopentane) 우레탄 폼의 특성
경질 우레탄 폼에서 대체 가능한 발포제 시클로펜탄에 대한 예를 들어보겠습니다. 시클로펜탄은 높은 비점에도 불구하고 경질 발포폼에서 높은 기체 생산량을 갖습니다. 6~10% 시클로펜탄은 통상적으로 수지시스템에 첨가됩니다. 얻어진 발포폼은 19.0mW/m·K의 초기 열전도율과 23.5mW/m·K의 장기 열전도율을 갖습니다.용도에 따라서 냉장고에는 30~34kg/m3 밀도를 그리고 40~80kg/m3의 밀도는 샌드위치패널(조립식판넬)에 적용합니다.
◎ 시클로펜탄(cyclopentane) 폼의 특성
➀ 수지시스템에서 6~10% 시클로펜탄 – 초기 열전도율, k-factor: 19.0mW/m·K
– 장기 열전도율, k-factor: 23.5mW/m·K
– 치수 안정성
➁ 밀도: 30~34kg/m3(냉장고)
➂ 밀도: 40~80kg/m3(샌드위치패널)
[시클로펜탄시스템경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드)
및 샌드위치패널 생산라인]
7) 시클로펜탄(cyclopentane) 발포폼의 잠재적인 경제적 영향
시클로펜탄(cyclopentane) 발포폼의 잠재적인 경제적 관점에서 시클로펜탄은 다른 펜탄 이성 질체보다가격이 싸고 HCFC-141b의 3/4 가격으로 비용 측면에서 매우 매력적입니다. 이것은 HFC 발포제 가격보다훨씬 낮습니다. 그러나 펜탄의 인화성으로 상대적으로 높은 자본을 필요로 합니다. 예를 들면 장비와 공정변경, 폭발 한계감지기, 접지, 자기 결합 및 방폭 모터 등입니다. 또한 펜탄과 폴리올 시스템의 저장과 운송은 국가 규정을 준수해야합니다
◎ 시클로펜탄의 경제적 특성은
➀ 시클로펜탄의 비용은 HCFC-141b의 3/4입니다. 다른 펜탄 이성질체보다 적은 비용
➁ 자본 투자
– 장비 및 공정 변경: 폭발 한계감지기, 접지, 자기 결합, 방폭 모터 등
– 탄화수소에 대한 저장시스템
– VOC(휘발성 유기화합물) 규제
8) 결론
이 자료는 일반적으로 사용되는 단점과 장점을 설명하고 발포제를 변경하기 위한 기본 참조를 제공합니다.환경친화적인 발포제로 전환을 위한 의사결정에서 과정에서 제조업체는 발포폼의 가연성 평가요구, 생산공정능력 등 일반적인 특성을 고려하고 필요한 안전장비에 대한 투자와 비용효과를 살펴야합니다. 시스템재료는 발포제를 생산하는 데 사용되는 원료의 용해성과 호환성에 맞게 변경할 필요가 있습니다.
[시클로펜탄시스템으로 생산된
경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 거게도현장 시공]