2.2.1 폴리우레탄(Polyurethane)
폴리우레탄폼은 단열재에서 충전물에 이르기까지 다양한 용도로 사용되는 매우 다용도의 자재입니다. 폴리우레탄폼에는 크게 오픈 셀(open cell)과 폐쇄 셀(closed cell) 두 가지 유형으로 구분됩니다. 이러한 각 구분에는 재료의 유형과 기능에 대한 추가적인 차이가 있습니다. 이 연구의 초점은 폴리우레탄폼의 단열 성능에 있습니다. 평가될 단열 폴리우레탄의 두 가지 유형은 저밀도 반 강성 오픈 셀 폼과 고밀도 강성 폐쇄 셀 폼입니다.
오픈 셀 폴리우레탄폼에서 폼은 발포제로 CO₂를 사용하여 팽창하고, 폼이 팽창함에 따라 폼 내의 기포는 서로 개방된 연결을 형성하여 CO₂가 빠져나가 공기로 대체될 수 있습니다. 이는 폼이 공기와 증기 모두에 투과된다는 것을 의미합니다. 오픈 셀 단열재는 흔히 저밀도 폼이라고 불리며 일반적으로 8kg/m³으로 생산되며 견고한 쿠션 구조를 가지고 있습니다.
저밀도 오픈 셀 폴리우레탄폼은 일반적으로 9.76RSI/m(~3.5R/inch)를 제공합니다. 폐쇄 셀 폴리우레탄은 공기보다 내열성이 높은 HFC와 같은 발포제를 사용하여 팽창됩니다. 발포제를 사용한 폼 팽창의 특성을 통해 더 조밀한 폼이 생성되고 기포가 개방된 연결부를 형성하는 것을 방지하여 기포 내에 가스가 갇히게 됩니다.
이는 오픈 셀 폼보다 더 높은 열저항 값을 갖는 재료를 생성하며, 냉매 제조업체 기술 데이터에 따르면 1인치 두께 이후의 공기와 2인치 두께 이후의 증기에는 불투과성입니다. 일반적으로 폐쇄 셀 단열재는 중간 또는 고밀도 폼, 중간 밀도 폼(더 일반적으로 사용되는 폐쇄 셀 폼)이라고 하며 일반적으로 밀도 32kg/m³이고 열저항 값이 18.2RSI/m입니다. 고밀도 폼은 일반적으로 더 큰 압축 강도가 필요한 경우에만 사용되며 48kg/m³ 이상의 밀도로 생산할 수 있습니다.
연구에 따르면 스프레이 폼 단열재의 전체 두께와 미터당 장기 열저항 사이에는 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 그것은 가스 배출 및 노화의 영향이 일반적으로 재료 표면에서 발생한다고 설명하며, 재료가 두꺼워질수록 시간이 지남에 따라 전반적인 열저항이 높아진다는 의미입니다. 폼 중앙의 소재는 노화의 영향을 덜 받기 때문에 폼의 해당 부분은 더 오랫동안 더 높은 열저항을 유지합니다.
2.2.2 폴리이소시아누레이트(Polyisocyanurate, PIR)
폴리우레탄폼과 유사한 특성을 지닌 폴리이소시아누레이트는 고효율 단열재 역할을 할 수 있는 또 다른 다용도 폼입니다. 폴리이소시아누레이트 단열재는 모두 비교적 고밀도 폐쇄 셀 제품으로, 폴리우레탄과 유사하게 제조되며 발포제를 사용하여 고분자 재료를 폼으로 팽창시키고 현재 다양한 펜탄 가스 혼합물을 사용합니다. 폴리이소는 추운 기후의 지붕재 적용과 기존 벽의 외부 단열재에 가장 일반적으로 사용됩니다.
일반적으로 재료 두께당 가장 높은 열저항 등급으로 일부 고효율 제품의 열전도율은 0.018~0.020W/m·K로 알려집니다. 폴리우레탄과 폴리이소시아누레이트의 주요 차이점은 폴리이소시아누레이트는 일반적으로 대부분의 폴리우레탄이 분사되는 보드 단열재로 제조된다는 것입니다.
폴리이소시아누레이트는 다른 폼 단열재보다 열전도율이 낮아 대규모 상업용/산업용 지붕 건축에 일반적으로 선택됩니다. 폐쇄 셀 폴리우레탄과 유사하게 이 재료는 폼 셀에 존재하는 발포제로부터 열저항 값의 상당 부분을 얻습니다. 폴리이소시아누레이트의 경우 펜탄 가스가 제조 공정에서 발포제로 사용되는 경우가 많습니다. 펜탄 가스는 폼 셀에 높은 열저항을 제공하지만, 이 가스는 펜탄 발포제가 저온에서 응축되어 재료의 열전도율을 증가시킴으로써 폴리이소시아누레이트 폼이 추운 온도에서 성능이 저하되는 것으로 밝혀진 이유일 수 있다고 제안됩니다.
2.2.3 발포제(Blowing Agents)
발포제는 화학 반응을 통해 폼 재료를 팽창시키고, 폐쇄 셀 폼 내에 열저항을 제공하며 재료의 최종 제품에 큰 영향을 주기 위해 폼 단열재 제조 과정에서 사용됩니다. 역사적으로 CFC 및 HCFC 가스는 한때 발포제로 사용되었지만 오존 파괴 물질 및 지구 온난화 가능성 문제로 인해 이러한 발포제는 1987년 “ODP 감소 몬트리올 의정서” 이후 단계적으로 사용이 중단되어 오존층 파괴 물질의 사용을 금지했습니다.
현재 HFC(수소불화탄소) 가스는 대부분의 폴리우레탄폼 단열재에 발포제로 사용됩니다. 이 재료는 CFC나 HCFC와 같은 오존층 파괴 영향은 없지만 여전히 지구 온난화 가능성이 높기 때문에 현재 단계적으로 폐기되고 있습니다. HFO(수소 불화 올레핀) 가스는 차세대 발포제를 대표합니다. 제조업체에 따르면 이 가스는 지구 온난화 지수가 훨씬 낮으면서도 HFC 가스와 동등하거나 더 나은 성능을 제공합니다.
HFO(수소 불화 올레핀) 가스를 사용하면 시간이 지남에 따라 폼 단열재에서 배출되는 가스가 오존층에 미치는 영향과 지구 온난화에 대한 기여도 감소라는 측면에서 HFC 또는 기존 발포제만큼 큰 문제가 되지 않을 수 있습니다. 불행하게도 HFO 발포제를 사용한 재료에 대한 연구는 광범위한 수준에서 시행되지 않았으며 특히 유효 열전도율을 고려하면 이러한 재료의 성능에 대한 지식에 격차가 있습니다.
HCFC가 단계적으로 폐지된 후, 대부분의 폴리이소시아누레이트 제조업체는 새로운 방향으로 펜탄 가스 혼합물 쪽으로 이동했습니다. 최근 연구에서 입증된 바와 같이 폴리이소시아누레이트 재료는 현재 온도 의존 열전도율에서 가정된 선형 추세를 따르지 않는 재료의 초점입니다.
과거 연구에서 폴리우레탄 재료가 이러한 영향을 보여주었지만, 최근 조사에서는 이러한 현상이 폴리이소시아누레이트 샘플에서 더 널리 퍼져 있음이 밝혀졌습니다. 연구에 따르면 5년 동안에 사용된 발포제의 변화와 관련이 있을 수 있으며, 여기서 폴리우레탄은 HFC 쪽으로 이동하였고 폴리이소시아누레이트가 펜탄 가스로 이동했습니다. 발포제가 발전함에 따라 새로운 폼 재료에 대한 연구가 부족하기 때문에 노화 영향의 새로운 재료가 어떻게 작용하는지 재검토하는 것이 중요합니다.
2.3 재료 노화의 영향
폼 단열재의 유효 열전도율 영향이 조사됨에 따라 유효 열전도율에 대한 노화 영향 문제도 매우 중요해졌습니다. 시간이 지남에 따라 폼 단열재는 노화 과정 전반에 걸쳐 세 단계를 거치게 됩니다. 폼 재료의 노화 영향은 폐쇄 셀 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트 재료 모두에서 나타납니다. 열전도율에 가장 큰 영향을 미치는 노화 영향 중 하나는 단열성이 우수한 발포제의 확산과 재료에 수분을 전달할 수 있는 환경에서 공기를 주입하는 것입니다.
이 두 가지 영향은 제조 공정 직후부터 발생하기 시작하지만, 가스 이동 속도는 발포제 가스의 확산보다 외부 공기를 주입하는 경우 훨씬 빠릅니다. 외부 공기의 침투는 재료 수명의 첫 12년 동안 반면, 발포제 가스의 확산은 10~20년 동안 일어나는 것으로 나타났습니다. 이것은 아래 그림에서 보여주며, 처음에는 폼 재료의 열전도율이 급격히 증가한 다음(공기 침투 영향) 천천히 정체됩니다(발포제 가스 확산 영향이 완료됨).
이 노화 모델의 의미는 주어진 폼 단열재가 짧은 시간 동안 제조된 상태에 더 가까운 성능을 발휘하는 동시에 대부분의 수명 주기 동안 최종 열전도율에 더 가까운 수준에서 성능을 발휘한다는 것입니다.
