출처: https:tk//uwspace.uwaterloo.ca/bitstream/handle/10012/8455/Adeosun_David.PDF.pdf?%09sequence=5
Ⅱ. 문헌 검토
1. 폴리우레탄폼 생산
‘폴리우레탄’이라는 이름은 우레탄 고리에 의해 결합되는 분자 사슬로 만들어진 중합체로 구성된 여러 종류의 폼을 말합니다. 폴리우레탄폼은 연질이거나 경질일 수 있지만, 일반적으로 밀도가 낮아서 많은 적용에서 경량입니다. 연질폼은 제조공정 동안 폼에 포함된 가스 기포에 의해 형성된 오픈 셀(open-cells)로 주로 구성됩니다. 공기는 쉽게 폼을 통과하고 부드럽고 탄력이 있으며 연질 재료를 만들 수 있습니다. 반면, 경질폼의 셀은 대부분 폐쇄되어 재료가 경질이고 탄력성이 떨어집니다. 생산 공정 중에 오픈 셀과 폐쇄 셀의 비율을 제어함으로써 폼의 특성을 조작할 수 있어 재료의 다양성이 향상됩니다. 폴리 추가 반응은 아래의 식에 제시되어 있습니다.
여기서 R′는 일반적으로 폴리에스테르 또는 폴리에테르 사슬입니다. 물 또는 아민이 사슬 연장제로 첨가될 수 있습니다. 경질우레탄폼을 제조하는 동안, 촉매, 계면활성제, 산화방지제 및 착색제와 같은 화학 첨가제가 원하는 등급의 폼을 생성하기 위해 기본 화합물에 첨가됩니다. 이들 첨가제는 폼에 특이적이고 바람직한 성질을 부여하기 위해 혼입됩니다. 또한 난연제(FR)를 사용하여 제품의 화재성능과 안정성을 향상시킵니다.
사용된 모든 FR 물질 조합과는 무관하게, 그러나 폴리우레탄폼의 기본 화학 조성의 세부 사항은 또한 가연성 특성 및 화재와 관련될 때 독성 연기를 발생시키는 성향과 직접적으로 연관되어 있습니다. 따라서 실제로 폼의 연소(화염) 특성은 몇 가지 수단 중 하나(기본 화학 배합을 변화시킴으로써)에 의해 난연제 첨가를 통해 또는 생산 동안 다른 첨가제의 변형을 통해 변경될 수 있습니다. 현재의 맥락에서 그 중요성 때문에, 난연제 첨가물은 다음 절에서 구체적으로 언급됩니다.
2. 경질우레탄폼에서 난연제의 작용
난연제 또는 화재 지연제라는 용어는 종종 막연하게 사용하기 때문에 쉽게 잘못 해석될 수 있습니다. 이 연구에서 이 용어는 ASTM E 176과 일치하는 방식으로 사용됩니다. 난연제는 “가연성 물질에 첨가되어 화재에 노출될 때 결과 물질의 점화 및 연소를 지연시키는 화학 물질”입니다. 난연성 첨가제는 폼의 연소 특성을 변경하고 최종 제품의 가연성을 줄이기 위해 생산 과정에서 경질우레탄폼에 포함됩니다. 시간이 지남에 따라 난연 화학의 발전의 결과, 시장에는 175가지 이상의 난연제가 있으며, 무기, 유기–인, 할로겐화 유기 및 질소 기반 화합물의 네 가지 주요 화학 그룹으로 특정지을 수 있습니다.
이들 난연제는 기본 폼에 분자적으로 혼합되거나 결합되는지에 따라 각각 지정된 첨가 난연제와 반응성 난연제로 2개의 카테고리로 분류됩니다. 첨가 난연제 물질은 최종 중합체 생성물에 분산되지만, 폴리우레탄 중합체 사슬에 화학적으로 결합하지 않습니다. 결과적으로 이들은 처리된 제품의 수명 동안 중합체에서 빠져 나갈 수 있으며, 이에 따라 시간 경과에 따른 난연 특성을 감소시킵니다. 반면 반응성 난연제는 다른 단량체와 공중합될 수 있고 중합체 구조 내에서 화학적으로 결합할 수 있는 단량체입니다. 이들의 경우, 처리된 제품의 사용 수명 동안 난연성의 손실이 일반적으로 제한됩니다.
개별 난연제는 여러 메커니즘으로 작동하여 재료의 화재를 늦추거나 방지할 수 있습니다. 예를 들어, 화학적 범주에 걸쳐 일반화하기는 어렵지만, 대부분 무기질 난연제는 흡열반응이 따라서 분해되어 수증기 및/또는 이산화탄소를 방출하며, 이 두가지 모두는 연소를 억제합니다. 화염으로부터 일부 열은 이러한 반응에 흡수되고 잔류물은 또한 반응 영역으로부터 열을 전도하여 화재의 소멸에 더 기여합니다. 일부 난연제는 주요 연소 근본적인 종의 형성을 억제하고 이에 불꽃의 움직이는 화학적 반응을 억제하기 위해 화학적으로 작용합니다. 여전히 다른 난연제는 연기 억제제로 작용하고 숯 형성을 촉진합니다.
비용, 기본 폼 재료 및 그 적용, 최종 재료의 요구되는 안전 수준과 같은 요인에 따라 다양한 첨가제 및 난연제 접근 방식의 다양한 조합이 사용되어 왔습니다. 각 접근법은 다른 결과를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 폴리머 베이스의 변형과 숯 형성 첨가제의 사용으로 표면 숯 형성을 유도하는 것은 일반적인 관행이며 종종 경질우레탄폼 생산에 유리합니다.
숯의 생성은 모체 폼에서 난연제(FR) 농도와 선형 관계를 갖는다는 것이 입증되었습니다. 숯을 생성하는 난연성 경질우레탄폼은 대부분의 연료로 에너지의 직접적인 피드백으로부터 원래의 재료를 보호하는 경향이 있습니다. 원래의 재료로 열의 흐름은 숯 층 두께에 따라 감소하고, 분해 속도는 숯의 특성에 따라 감소합니다. 숯 층 아래에서, 점진적인 화학 열분해가 계속될 수 있습니다. 이것은 숯으로 에너지 피드백에 의해 발생하는 열 및 질량 이동에 의해 영향을 받고 열분해된 가스 생성물의 지속적인 방출을 초래할 것입니다.
[준불연 경질우레탄폼단열재에 사용되는 AL 표면재]
숯 층이 두꺼워짐에 따라, 그 모양 및 흐름에 대한 저항으로 균열을 일으켜 원래 재료의 열분해와 추가적인 열분해 제품 또는 심지어 가스 연료 재료의 뜨거운 연소 구역 제품으로 방출될 수 있습니다. 독성 측면에서, 두꺼운 숯을 형성하는 경질우레탄폼의 연소는 대부분의 조건에서 일산화탄소를 생성하는 경향이 있지만, 실험실 열분해 조건 하에서, 일부 두꺼은 숯을 형성하는 폼의 연소 동안 발생된 가스의 독성이 증가할 수 있다는 것도 입증되었습니다. 따라서 재료 구성, 난연성 수준 및 위험 가능성 사이에 상당한 상충 관계가 있습니다.
다른 맥락에서, 많은 일반적인 난연제는 환경 및 건강에 미치는 영향에 대한 우려도 커지고 있습니다. 원칙적으로 모든 난연제는 제조, 중합체에 포함 및 이후 연소 과정에서 환경으로 분해 생성물을 방출하기 때문에 환경적으로 관련이 있습니다. 이러한 제품의 건강 영향과 환경 손상의 잠재적인 범위는 난연제의 화학적 성질과 적용되는 기질의 화학적 성질에 따라 결정됩니다. 난연제 화합물 자체가 독성이 강하여 사용 중 또는 폐기 후 제품에서 방출될 수 있는 경우가 있습니다.
예를 들어, 두 고리식 인산염 에스테르 기반 난연제를 함유하는 경질우레탄폼에 대한 실험실 연구에서, 두 고리식 인산염 화합물은 연소 중에 생성되었습니다. 결과적으로 이 난연제를 함유한 경질우레탄폼은 상업적으로 사용할 수 없게 되었습니다. 이러한 연구와 특정 난연제 첨가제의 가능한 환경 또는 독성학적 영향에 대한 최근에 식견은 경질우레탄폼의 연소 독성학에 대한 보다 심층적인 연구에 상당한 관심을 불러 일으켰습니다.
경질우레탄폼을 위한 난연제 첨가제 규정 요건이 없기 때문에, 난연제의 선택은 전적으로 제품 제조업체에 맡겨져있습니다. 그러나 전반적으로 환경 및 건강 문제를 제기하지 않는 우레탄폼에 적합한 난연제 그룹은 거의 없습니다. 따라서 난연성 화합물의 다양한 조합을 함유하는 새로운 폼 배합의 시험은 난연성 첨가제와 화재 동안 경질우레탄폼으로부터 연기 및 연소 가스의 발생을 이해하기 위해 필수적이 되었습니다.
폼 난연 첨가제에 대한 이용 가능한 선택에 대한 현재의 이해 및 각각의 가능한 문제점에 대한 이해를 돕기 위해, 본 연구의 일부로 검토된 세 가지 주요 난연제 시스템의 작용 모드는 다음 세 가지에서 논의됩니다. 제4장의 난연제(질소계 화합물), 특히 멜라민의 첨가제는 연질 우레탄폼에 더 적합하며, 따라서 본 연구의 범위를 벗어납니다.
[준불연 경질우레탄폼 단열재 생산]