출처: https://isoproject.com.ua/wp-content/uploads/2020/03/Aged-Thermal-Conductivity-Huntsman.pdf
3. 실험
4개의 다른 경질우레탄폼 단열재 생산업체가 생산한 8개의 경질우레탄폼 단열재가 이 연구에 사용되었습니다. 모든 경질우레탄폼 단열재는 펜탄을 발포제로 사용했습니다. 확산 오픈 외장을 가진 6개의 경질우레탄폼 단열재와 확산 밀폐 표면을 가진 2개의 경질우레탄폼 단열재가 있습니다. 확산 오픈 경질우레탄폼 단열재의 두께는 30mm에서 120mm까지이며, 확산 밀폐 경질우레탄폼 단열재는 30~50mm입니다. 열전도율 측정(EN13165에 따름)은 생산업체에서 직접 수행했습니다. 헌츠맨(Huntsman)은 새롭고 오래된 경질우레탄폼 단열재 샘플의 셀 가스 분석과 확산 계수 결정을 수행했습니다. Agesim이라고 하는 Huntsman 열전도율 노화 실험 소프트웨어는 실험적으로 측정된 단기 열전도율 대 시간 곡선을 맞추고 25년 열전도율을 예측하는 데 사용되었습니다. Agesim뿐만 아니라 셀 가스(cell-gas) 분석 기술이 아래에 설명되어 있습니다.
1) 셀 가스 분석(cell-gas analysis)
셀 가스 함량은 수정된 가스 크로마토그래프(색층 분석장치, chromatograph)를 사용하여 정량적으로 분석되었습니다. 작은 폼 실린더(직경 0.9cm, 길이 2~3cm)를 코르크 보어(bore)를 사용하여 단열재 샘플에 구멍을 뚫었습니다. 이 실린더는 특수 장치에 의해 분쇄 및 접지되어 분사 시스템으로 빠져 나가는 가스를 수집합니다. 이 장치는 경질우레탄폼 단열재 셀에 존재하는 모든 발포제를 기화시키기 위해 100℃에서 예열되었습니다. 이 짧은 분쇄 기간 동안 경질우레탄폼 단열재에 흡수된 발포제는 방출되지 않습니다.
가스 크로마토그래프에 대한 후속 주입은 모든 가스의 정량적이고 정성적인 분석을 가능하게 합니다. 보정은 모든 관련 가스에 대해 잘 정의된 양의 유지 시간 및 반응 영역을 측정함으로써 수행됩니다. 원래 폼 단열재 실린더의 무게, 밀도 및 폐쇄 셀 함량을 기반으로 가스 조성은 중량 % 또는 셀가스 압력으로 표현될 수 있습니다.
2) 열전도율 노화 실험: Agesim
앞에서 논의한 바와 같이, 시간 경과에 따른 셀 가스 조성의 변화와 가스 열전도율(열 노화)의 관련 변화는 매우 복잡한 현상입니다. 기체마다 다른 확산 속도(CO2>공기>발포제)를 가지고 있으며, 이것은 또한 경질우레탄폼 단열재 형태와 온도에 의존할 것입니다. 게다가, 발포제는 응축을 거쳐 폼 구조에 부분적으로 용해될 수 있습니다. 경질우레탄폼 단열재의 시간과 위치의 함수로서 셀 가스 구성과 가스 열전도율(k-가스)의 정확한 계산은 Agesim이라고 불리는 Huntsman 열전도율 노화 소프트웨어 내에서 이루어집니다.
계산의 첫 번째 단계는 주어진 경질우레탄폼 단열재에 대한 초기 셀 가스 구성을 정의하는 것입니다. 이것은 공식을 기반으로 계산할 수 있으며, 더 나은 방법은 위에서 설명한 셀 가스 분석 기술을 기반으로 측정할 수 있습니다. 초기 가스 열전도율은 Wassiljewa 방정식을 기반으로 계산됩니다(가스 상호작용 매개 변수의 Lindsay-Bromley 계산).
초기 셀 가스 조성을 정의한 후 여러 노화 모듈을 사용할 수 있습니다. 직사각형 경질우레탄폼 단열재의 경우, 1차원(1D) 및 3차원(3D) 노화 중에서 선택할 수 있습니다. 3D 노화는 Fick의 법칙에 대한 분석 해법을 기반으로합니다. 확산은 균일한 온도에서 직사각형 블록에서 3방향으로 일어납니다. 3개의 직교 방향 각각에서 균일한 유효 확산 계수를 선택해야합니다. 6개의 면 각각에서, 확산 폐쇄 표면이 가능합니다. 출력은 블록의 특정 위치에 대한 시간 함수로서 셀 가스 압력과 k-가스로 구성됩니다.
1D 노화에서 경질우레탄폼 단열재는 모든 가스에 대해 잘 정의된 온도 및 확산 계수를 갖는 작은 요소로 나뉩니다. 경질우레탄폼 단열재가 온도 기울기를 받으면, 이 요소의 온도에 따라 각 요소에서 확산 계수가 달라집니다. 표면이 확산 장벽의 역할을 하는 경우, 표면에 있는 각 가스의 정확한 확산 계수도 지정할 수 있습니다.
응축은 또한 온도에 따라 각 요소에 대해 평가합니다. 각 시간 단계에서 모든 요소는 인접 요소와 함께 확산됩니다. 각 시간 단계에 후, 기체–액체 평형이 먼저 재평가 되고, 이어서 k-가스가 계산됩니다. 이 절차(확산–응축-k-가스)는 전체 관심 기간이 적용될 때까지 반복됩니다. 주요 출력은 한 쪽에는 시간의 함수로서(위치 평균) 셀 가스 압력과 k-가스의 그래프와 특정 시간에 위치의 함수로서 셀 가스 압력과 k-가스로 구성됩니다.
3D 노화와 비교하여 이 1D 노화는 특히 온도 기울기를 받는 경질우레탄폼 단열재 또는 확산을 상당히 지연시키는 면/외피가 있는 폼에 대해 보다 현실적인 계산을 제공합니다. 반면에, 1D는 한 방향으로 발생하는 확산 과정으로 제한되며, 일부 입력 매개 변수(Deff 및 스킨 두께/외피)는 결정하기 쉽지 않습니다. 이 자료에서는 3D 노화만 사용되었고, 다른 최근 자료에서는 1D가 사용되었습니다.
3) 효과적인 확산계수 결정
효과적인 확산 계수(Deff)와 그 온도 의존성은 성공적인 열전도율 노화 실험을 얻기 위한 매우 중요한 입력 매개 변수입니다. 셀 가스 분석을 필요로 하는 두 가지 기본 방법은 확산 계수를 결정하기 위해 Huntsman 폴리우레탄에서 사용됩니다. 첫 번째 방법에서는 비교적 얇은 열전도율 블록(20×20×2cm)을 잘 제어된 온도에서 노화시킵니다.
가스가 평형 값에 도달하기 전에 셀 가스 분석을 수행하면 Agesim을 통해 공기 및 CO2의 Deff를 쉽게 결정할 수 있습니다. 이 방법은 매우 느리게 확산되기 때문에 발포제의 Deff를 결정하는 데 적합하지 않습니다. 대신 작은 실린더는 일정한 온도에서 주어진 시간 동안 노화되고 셀 가스 분석이 수행됩니다. 이 실린더의 특정 형상을 고려하여 발포제의 Deff가 계산됩니다. Deff의 온도 의존성은 일반적으로 23℃와 70℃에서 적어도 두 개의 온도에서 Deff를 측정한 후 Arrhenius 유형의 방정식으로 설명됩니다.
4. 결과
1) 고정 증분법
이전에 설명했듯이, ‘고정 증분법’은 먼저 10℃에서 초기 열전도율을 측정해야합니다. 이 결과는 아래 그래프1에 나와있습니다.
그래프1[연구에 사용된 8개의 다른 경질우레탄폼단열재의 초기 열전도율]
관련된 8개 경질우레탄폼 단열재의 초기 열전도율 값은 20~24mW/m·K 사이였으며, 평균 초기 열전도율은 22mW/m·K보다 약간 높았습니다. 이 모든 단열재는 n-펜탄 발포제를 사용했으며, 3개의 펜탄 중 가장 낮은 열전도율을 갖는 것으로 알려진 싸이크로펜탄으로 발포한 것은 없었다는 점에 유의해야합니다. 그래프1에서 단열재는 외피의 확산 오픈/밀폐 특성과 mm 두께를 기반으로 합니다. 여기서부터는 동일한 용어가 사용됩니다.
이러한 초기 열전도율 값에 고정 증분을 추가하기 전에 정상상태 테스트를 확인해야합니다. 70℃에서 20mm 경질우레탄폼 단열재의 3주 노화 후 측정된 열전도율 증가는 그래프2에 나와있습니다.
그래프2[정상상태 테스트 중에 열전도율 증가]
이 정상상태 테스트 중 열전도율 증가는 펜탄의 경우 6.0mW/m·K 이상이 되어서는 안됩니다. 그래프2에서 볼 수 있듯이, 8개 경질우레탄폼 단열재 중 어느 것도 한계값에 가까울 정도로 열전도율 증가를 보이지 않았습니다. 또한 다른 경질우레탄폼 단열재 생산업체에 의해 제조되고 측정된 열전도율도 매우 유사하다는 것도 상당히 주목할 만합니다. 초기 열전도율 값에 고정 증분을 추가하는 것은 8개 경질우레탄폼 단열재 모두에 허용됩니다. 그것은 그래프3에서 보여줍니다.
그래프3 [초기 열전도율 값+고정 증분]
가장 높은 고정 증분은 두께가 80mm(펜탄의 경우 5.8mW/m·K) 미만인 확산 오픈 제품에 사용되는 반면, 100mm 및 120mm 확산 오픈 제품은 고정 증분(각각 4.8 및 3.8mW/m·K)이 약간 감소했습니다. 이것은 경질우레탄폼 단열재 두께가 증가함에 따라 확산 과정이 느려질 것이라는 사실에 근거합니다. 가스 변화가 가장자리에서만 발생하는 확산 폐쇄 제품의 경우 고정 증분이 매우 낮습니다. 초기 열전도율 값에 고정 증분을 추가한 후, 결과 열전도율 값은 확산 오픈 경질우레탄폼 단열재의 경우 25~30mW/m·K 범위, 확산 폐쇄형 경질우레탄폼 단열재의 경우 23~25mW/m·K 범위입니다.
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