경질 우레탄 폼 보드(우레탄단열재)와 같은 발포폼의 생산에 발포제의 적용
Ⅰ. 기술전환의 정책과 관련된 측면
1. 개요: 발포폼의 생산에 발포제의 적용
1) 서론
이 문서에서는 다양한 종류의 폼 생산에 발포제의 사용에 초점을 맞추고 있습니다. 경질의 압출법보온판 (XPS),경질 우레탄 폼(우레탄단열재) 및 연질 우레탄 폼 등으로 가전제품의 단열재, 연성 표면처리 된 라미네이트, 샌드위치패널(조립식판넬)과 복합재료, 경질 슬랩 스톡, 주입식 우레탄폼과 파이프 단열재입니다. CO2와 펜탄과 같은 천연발포제는 폼 생산의 모든 유형에서 사용되어 왔으며, 기술은 고품질의 제품을 생산하기위해 수년 동안 여러 대규모 제조에서 성공적으로 사용되어 왔습니다.
(1) 기본 용어 및 정의
건축 엔지니어링에 대한 단열 재료는 무기단열재(미네랄울과 발포유리)나 유기단열재(셀룰로오스 섬유,아마포나 마)로 세분할 수 있습니다. 독일 표준 DIN 7726에서 ‘폼’은 ‘원료 밀도는 모체(DIN, 1982)의 원료 밀도보다 낮으며 질량은 개방 또는 폐쇄 세포로 구성된다.’라고 정의되어 있습니다. 발포폼의모체는 유기 폴리머(수지 발포폼) 또는 무기물질(발포된 콘크리트, 발포유리)로 구성될 수 있습니다.
다음 문서는 경질 발포 폼, 연질발포폼 그리고 표면 일체 발포폼으로 분류 될 수 있는 유기중합체로 이루어지는플라스틱 폼에 대해 설명합니다. 경질 발포 폼 생산을 위해 기술적으로 우위에 있는 기본 폴리머는 폴리스티렌,폴리우레탄 그리고 폴리이소시아누레이트입니다. 또한 폴리올레핀과 포름알데히드수지는 경질 발포 폼 생산에일정한 역할을 합니다.
경질 발포 폼은 우수한 절연특성, 내습성 및 기계적강도 특성이 있습니다. 압력에 노출되는 경우 연질 발포 폼은 변형에 비교적 낮은 저항을 나타냅니다. 가장 일반적으로 연질 발포 폼을 제조하는 데 사용되는기본 중합체는폴리우레탄입니다.
독일 표준 DIN 7726은 화학적으로 균일한 구조적 발포폼을 완전한 표면 발포폼으로 정의하지만, 밀도는 지속적으로 외부에서 내부로 감소합니다. 그것은 부드러운 또는 다공성 코어와 거의 거친 외피를 특성으 로합니다.한 번 더, 가장 일반적으로 사용되는 기본 중합체는 폴리우레탄입니다.
[수원 영통 이의동 경질 우레탄 폼 보드(우레탄 단열재) 시공]
대표적으로 발포폼 구조를 달성하는 방법에는 두 가지가 있습니다.
➀ 발포제를 ‘화학물질’로 사용하여 중합공정 동안 직접 형성됩니다. 이것의 예로는 물 또는 카복실산 이 발포와 형성효과를 가지는 CO2를 형성하는 이소시아네이트와 함께 중첨가 과정 동안 반응하는 폴리 우레탄 발포과정입니다.
➁ 발포제를 ‘물리적’으로 첨가하여 액체 용액에서 중합공정에서 기화 또는 가스를 형성하기 위해 소정의 온도에서 분해됩니다.(CO2, N2) 적절한 물리적 발포제는 펜탄뿐만 아니라 프레온(CFCs), HCFCs, HFCs과 같은 휘발성 유기화합물(VOCs)을 포함합니다.
물리적인 발포제를 사용하면 많은 장점을 제공합니다.
➀ 부가적인 구성요소는 폼 모체를 결정합니다.
➁ 증발하는 발포제는 폴리우레탄 발포시 발열 중합반응을 식혀줍니다.
➂ 특정 발포제는 발포폼의 단열효과를 향상시키기 위해 셀가스로 사용할 수 있습니다.
상기 전술한 물리적 발포제의 장점으로 많은 응용프로그램에서 사용됩니다. 다음의 설명은 물리적 발포제의 사용에 따라서 초첨을 맞추었습니다.
[경질 우레탄 폼보드(우레탄단열재) 발포공정]
[경질 우레탄 폼 보드(우레탄단열재) HCFC-141b 발포제에 의한 발포]
(2) 발포제 사용 개요
전 세계적으로 다양한 발포제가 사용되고 있습니다. IPCC/TEAP 특별보고서에서 2015년 까지 오존 및기후(IPCC/TEAP, 2005)에 대한 예측은 대부분 주택단열 요구사항이 엄격하여 수요가 계속 증가할것으로 예측합니다. 그림1은 발포제 유형에 따른 순위 추세를 보여줍니다.(UNEP, 2007: 9)
[그림1] 경질 우레탄 폼에서 발포제 사용
그림2는 2005년까지 다양한 발포제 사용의 지역적 차이를 보여주며, 따라서 CFC/HCFC의 단계적인폐지에 대한 결론을 도출할 수 있고, 대체 발포제의 선택(UNEP, 2007: 10)에 지역적 동향을 알 수있습니다.
[그림2] 다양한 발포제의 지역 비교
[마곡지구 경질 우레탄 폼 보드(우레탄 단열재) 및 압출법보온판]
2) 발포폼의 다양한 유형에서 자연 발포제의 적용
발포폼의 다양한 유형은 아래에서 설명합니다.
(1) 압출법보온판(XPS폼)
압출법보온판(XPS, Extruded polystyrene)은 짧은 압출 발포로 알려져 있으며, 주로 구조 엔지니어링에 사용됩니다. 압출법보온판(XPS)과 직접 접촉하는 경우 압출법보온판(XPS)는 폐쇄 셀구조로 물을 흡수 하지 않습니다. 압출법보온판은 고내압, 부패 저항성이 있지만 자외선 방지용은 아닙니다. 압출법보온판을 적용하는 최대 온도는 약 75℃입니다(Anhörung, 2003).
경질의 압출법보온판은 연속 압출공정으로 제조됩니다. 폴리스티렌 펠렛(pellet)은 용융되어 발포제 없이 압출기에 공급됩니다. 그런 다음 발포제는 주입되고, 혼합물은 균일하고 폐쇄 셀 발포폼의 넓은 슬롯 노즐 을 통해 연속적으로 주입됩니다. 생산되는 압출법보온판은 20mm~200mm 두께로 생산됩니다. (국내 10mm~180mm)
1989/1990년까지 독일에서 압출법보온판에 CFC-12 발포제를 사용하였습니다(UBA, 1989). HCHC-142b 또는 HCHC-142b 혼합물 그리고 HCHC-22는 과도기 이후에 사용하였습니다. HCFC도 금지를 하였다면, CFC 대체제로 더 이상 발포제로 사용되지 않았을 것입니다. 지금 독일에서 압출법보온판은 모든 불화(fluorinated) 발포제 없이 생산됩니다.
구조공학에서 경질 압출법보온판은 지반 아래 또는 근처, 극한 조건에 노출되는 영역, 예를 들어 건물의 기초 플레이트 아래 또는 지하의 외부 벽 단열하기(절연 경계라고도 함)에서 외부 단열재로 종종 사용됩니 다. 다른 응용 분야는 약간 기울어져 있는 평면 지붕 또는 하나의 막으로 구성되어 있는 반전 지붕 및 비 통풍 평면 지붕을 포함합니다.
통상적으로 따뜻한 지붕의 구조물과는 대조적으로, 반전 지붕의 단열은 아래에 하지 않고, 방수막 위에 위치합니다. 특별한 유형의 적용은 열교 단열로 점점 더 중요해지고 있습니다. 오늘날, 독일의 구조 엔지 니어링 시장은 주로 CO2 또는 CO2의 조합 및 유기발포제로 형성된 압출법보온판을 제공하고 있습니다. (약 2~3% 메탄올)
[압출법보온판 시공]
통상적으로 따뜻한 지붕의 구조물과는 대조적으로, 반전 지붕의 단열은 아래에 하지 않고, 방수막 위에 위치합니다. 특별한 유형의 적용은 열교 단열로 점점 더 중요해지고 있습니다. 오늘날, 독일의 구조 엔지니어링 시장은 주로 CO2 또는 CO2의 조합 및 유기발포제로 형성된 압출법보온판을 제공하고 있습니다.(약 2~3% 메탄올)
경질우레탄폼단열재 발포제와는 대조적으로 압출법보온판 발포에 사용되는 CO2는 화학 반응의 결과가 아니지만 다른 발포제 등을 외부에서 첨가할 필요가 있습니다. CO2는 발포제를 압출 성형기에서 처리하기가 상대적으로 어렵습니다. 그것은 제조 과정에서 상이한 압력을 사용하기 때문에 이전 HCFC을 기초로 하는 기술과는 다른 기술이 필요합니다.
60~70mm의 얇은 압출법보온판(XPS)은 변환의 필요로 작은 기계에서 생산됩니다. 두께 80mm 이상인 압출법보온판의 제조를 위한 시스템 전환은 기술적으로 어렵습니다. 압출법보온판 제조업체의 추정으로 새로운 기계 설치비용의 30~50%로 존재하는 기계전환 비용이 있습니다. 이것은 제품 전체범위를 생성하고 2~3%의 유기발포제(에탄올)와 CO2의 조합을 사용하여 동일한 품질을 달성할 수 있습니다.
HFC 없는 압출법보온판 이외에, HFC-152a 그리고 CO2의 혼합 또는 HFC-134a를 발포한 압출법보온판을 다수의 제조업체는 제공합니다. 현재 구조적 엔지니어링에서 HFCs와 함께 발포한 압출법보온판의 사용은, 지정된 두께의 압출법보온판이 특히 낮은 열전도율을 나타내기 위한 경우에는 필요한 몇 가지 조건이 있습니다.
건축 및 건설 산업에서 사용되는 종래의 단열재 외에, 경질 압출법보온판은 특수한 용도에 사용됩니다. 이러한 특수한 제품은 유럽 압출법보온판 단열재 시장에서 10% 미만을 차지하고 있지만, 다양한 응용을 제공하고 있습니다. 이러한 특수한 압출법보온판(적용의 종류, 사용 수량)에 대한 통계 데이터를 사용할 수 없었습니다. 이것은 다음과 같은 범주로 나누어 볼 수 있습니다.
➀ 샌드위치패널(철판, 알루미늄 또는 목재 표면 피복재)
➁ 마루 및 라미네이트 바닥을 위한 밑받침
➂ 파이프 단열
샌드위치 요소는 종종 HFC 발포제를 함유하여 제조합니다. 이 응용프로그램에서 사용할 수 있는 HFCs는 HFC-152a 또는 HFC-134a이고, 하나의 개별물질 또는 CO2를 포함한 혼합물 또는 유기발포제(에탄올)입니다.
압출법보온판으로 만들어진 마루 밑받침과 충격소음 단열 재료는 오늘날 일반적으로 HFCs를 사용하지 않고 생산합니다. 압출법보온판 발포체는 대부분의 경우 부탄으로 발포됩니다.
냉매배관 단열재는 발포제는 HFC-134a를 거의 독점으로 사용하여 생산됩니다. 압출법보온판 파이프 단열은 –180℃~+75℃까지의 온도 범위에서 사용될 수 있습니다. 장시간 난방시스템은 75℃ 이상의 온도로 경질 압출법보온판으로 단열은 적합하지 않습니다.
[방습판용 압출법보온판 10mm)]
(2) 경질 우레탄 폼 단열재
경질 우레탄 폼 단열재는 폐쇄 셀(closed-cell)이고, 경질플라스틱 폼은 폴리우레탄으로 제조됩니다.경질 우레탄 폼은 우수한 단열성능을 가지고 있습니다. 독일 표준 DIN EN 13165(DIN, 2005)은 공장에서제조된 경질 우레탄 폼에 대한 품질 요구사항을 정의합니다. 건축 및 건설 산업에서 경질 우레탄 폼은 주로벽, 바닥(또한 바닥 난방시스템과 함께), 평면 지붕, 양쪽 박공지붕, 천장, 바닥을 단열하는 데 사용됩니다.
또한 경질 우레탄 폼의 다른 분야는 낮은 에너지 택단열에 적용됩니다.
경질 우레탄 폼은 서로 다른 다양한 형태로 사용할 수 있습니다.
➀ 장비의 단열 폼(온수저장탱크 또는 냉각 기구를 위한 저장기술)
➁ 연질의 표면 라미네이트(알루미늄, 호일과 같은 유연성의 표면재와 복합된 경질 우레탄 폼)
➂ 샌드위치패널(주로 철판으로 만들어진 표면재)
➃ 경질의 슬랩스톡(건물과 건설 산업 등 다양한 기술 적용을 위한 블록의 사용, 경질 우레탄 폼의 불연속생산, 또는 연속적인 경질 우레탄 폼의 생산 및 절단)
➄ 스프레이 폼(지붕 단열을 위해서 경질 우레탄 폼의 스프레이 또는 주입)
경질 우레탄 폼은 공정에서 CO2로 발포할 수 있습니다. 그것은 일반적으로 매우 빠르게 새로 형성된경질 우레탄 폼 셀 밖으로 확산되기 때문에, 이것은 발포체의 단열성능에 기여하지 않습니다. 따라서 높은단열성능을 필요로 하는 적용에서는 발포 셀에서 머무르는 ‘물리적’ 발포제가 공정에서 CO2가 화학발포제에 추가로 사용됩니다.
[국내 유일한 7콤포넌트로 친환경 발포제인 펜탄을 사용해
경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 및 샌드위치패널 제조]
[친환경 발포제인 펜탄을 사용해 생산된
경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드)]
과거에는 일반적으로 CFC-11을 경질 우레탄 폼의 일반적인 발포제로 사용했습니다. 오늘날 에는경질 우레탄 폼 발포제로 HCFC-141b 또는 HCFC-22/-141b를 혼합하여 유럽국가 이외 의 국가에서일부 경우에 대용으로 사용합니다. 경질 우레탄 폼에 대한 HFC를 기반으로 하는 발포제는 주로가연성을 억제하는 HFC-227a와 혼합한 HFC-365mfc 그리고 HFC-245fa가 있습니다.
독일의 상황은 다릅니다. 1995년 1월 이후, 할로겐화 된 CFC의 사용은 CFC/할론 금지 조례에 서금지되었습니다. 그 이후, 가장 일반적으로 독일에서 사용되는 경질 우레탄 폼 발포제로 할로겐탄화 수소 펜탄을 사용합니다. 가전제품에서 시클로펜탄(cyclopentane) 독점적으로 발포제로사용됩니다.
연질코팅의 경질 우레탄 폼 연속생산에서 펜탄은 모든 경우의 90% 이상을 사용합니다. HCFC와 같이 펜탄은 경질 우레탄 폼 발포 셀 안에 남아있어 단열성능에 기여합니다.
HCFC에서 펜탄으로의 변환은 폭발 방지장치 및 기타 기술적인 변화가 필요합니다. 경질 우레탄 폼 제조업체는 펜탄으로의 전환은 높은 투자비용을 수반한다고 주장합니다. 펜탄 발포제의 저렴한 가격 덕분에 높은 투자비용은 경질 우레탄 폼 생산량이 충분하면 바로 회수할수 있습니다.
1998년 이후, 샌드위치패널(조립식판넬) 제조 또한 변환과정이 진행되었습니다. 과거에는 HCFC를주로 적용하여 경질 우레탄 폼을 발포하였습니다. 2000년 이후 경질 우레탄 폼 발포체의 약 절반은 펜탄을 그리고 나머지 절반은 주로 CO2와 HFC-134a를 혼합하여 발포하였습니다. 경질 우레탄 폼에 HFC-134a는 남아있어, 경질 우레탄 폼의 밀도를 낮게 가능하고 따라서 무게가 경량이됩니다. 특정 성능인 단열성은 발포폼에서 상승됩니다.
유럽에서는 다른 국가의 계획과 건축 규정, 표준 및 승인을 합니다. 유럽 단일시장이 도입되었을 때,이러한 표준 및 승인을 조화롭게 진행하는 노력을 기울였습니다. 전체적인 목표는 재료 및 제품 구축을 위한 CE 라벨링 시스템의 도입이었습니다.
[친환경 발포제인시클로 펜탄으로 제조되는 경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드)]
[친환경 발포제인 시클로 펜탄으로 제조된 경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드)]
단열재의 가장 중요한 특성은 열전도율(열저항)입니다. 단열재는 내구성이 뛰어난 제품입니다. 그것은개략 20~50년 정도 지속할 것으로 예상합니다. 따라서 열전도율 값은 현실적으로 노화의 요인을 고려하여 얻어진 장기적인 열전도율 값이어 야 합니다. 독일/유럽 표준 DIN EN 13165(DIN, 2005)에서는 경질 우레탄 폼 발포체 단열재에 대한 열전도율을 결정하기 위한 방법을 정의하고 제품의 노화를 고려합니다.
상기에서 언급된 요구되는 표준 열전도율은 5mW/(m.K) 간격과 열전도율 그룹에서 등급을 나타냅니다. 경질 우레탄 폼 단열재는 일반적으로 WLG 025 또는 WLG 030입니다. WLG 025는 0.021~0.025W/(m.K)에서 계산된 열전도율 값 λ(R)을 포함합니다. WLG 030 표면의 계산된 열전도율 값 λ(R)은 0.026~0.030W/(m.K)입니다.
DIN EN 13164(DIN, 2001) 및 13165(DIN, 2005)에서는 1mW/(m.K) 간격으로 표시되는 열전도율 값λ(R)을 필요로 합니다. 이러한 새로운 분류 시스템이 시장에서 성공할 수 있을 것인지 의문 입니다.독일에서 아직 새로운 시스템은 시작하지 않았습니다. 0.025~0.030W/(m.K)의 λ(R) 값을 갖는경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 시장은 아직도 있습니다.
경질 우레탄 폼(우레탄보드)의 품질을 모니터링하는 독일협회(UEGPU)의 구성원들인 독일 시장에서 대표되는 제조업체는 현재 시스템을 사용하기로 결정하였습니다. 열전도율에 대한 ‘가짜’ 경쟁은 0.001W/(m.K)에 따라 차이가 있어 어떠한 의미도 없으며, 작은 차이 때문에 긴 수명 및 장기 노화작용에 주어진 값을보증할 수 없습니다.
경질 우레탄 폼 제조자가 제공한 정보에 따르면, 새로운 발포제/가스 HFC-365mfc의 열전도율 값 λ(R)은10.6mW/(m.K)으로, 이것은 사이클로펜탄과 HCFC-141b의 열전도율 값 사이에 있 습니다.HFC-245fa도 동일하게 적용됩니다. 따라서 이러한 발포제로 제조된 경질 우레탄 폼 (우레탄보드)은 22mW/(m.K)의 계산된 열전도율 값(λ)을 가질 것입니다. 현재 사용되는 분류 시스템에 의하면, 위에서 언급한모든 경질 발포체의 열전도율 값(λ)은 WLG025에 해당합니다.
이것은 경질 발포체의 열전도율 값은 그 자체로 발포제를 선택하기 위한 기준을 나타내지 않습니다. 발포제의 선택은 경질 우레탄 폼을 사용하는 응용 프로그램에 따라 다른 기술을 적용 합니다. 적용하는다양성에 따라 개별적으로 적용합니다.
[친환경 발포제 사이크로펜탄으로 생산된
경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드)로 시공되는 현장]
[친환경 발포제 사이크로펜탄과 같이 7콤포넌트로 생산되는
경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드) 제조공정]