2.3.1 장기 열저항(Long Term Thermal Resistance, LTTR)
재료 노화의 영향이 조사됨에 따라 최종 유효 열전도율이 더욱 중요해졌습니다. 현재 장기 열저항 등급(LTTR)은 폼 단열재의 장기 열전도율 값을 알리는 데 사용되는 캐나다 표준값입니다. 재료의 LTTR은 CAN/ULC S770(2015) 표준에 실험실 환경에서 5년 보관 후 재료의 전도성으로 설명되어 있습니다. LTTR값은 노화 곡선의 마지막 영역에서 열전도율에 가까운 것으로 가정됩니다. CAN/ULC S770(2015) 표준은 얇은 슬라이스 적층 방법을 통해 가속된 속도로 폐쇄 셀 폼 단열재 샘플의 LTTR을 결정하기 위한 구조를 제공합니다.
재료 샘플의 두께가 점진적으로 감소하고 결과적으로 더 높은 표면적 대 부피 비율로 인해 단열 발포제 가스가 더 빠른 속도로 빠져나갈 수 있으며 원래 발포제 분자의 더 높은 비율이 공기로 대체됩니다. 이를 통해 샘플은 식1(여기서 t는 온도이고 L은 재료 두께)에 따라 더 짧은 기간 동안 5년 이상의 실험 노화를 겪을 수 있습니다.
(t1/t2) = (L1+L2)² —– 장기 노화 요소
현재 폼 단열재의 장기 열저항 등급을 결정하기 위해 제조업체는 24℃에서 노화된 재료에 대한 측정을 수행해야 합니다. 이 테스트 방법은 노화 후 실험실 환경에서 열저항을 나타낼 수 있지만 더 큰 온도 범위에 대한 유효 열전도율 곡선은 균일하게 영향을 받지 않을 수 있으며, 이는 폼 단열재의 실제 성능에 대한 불확실성 수준을 크게 증가시킵니다.
LTTR 방법의 또 다른 주요 문제는 발포제 가스의 확산만이 재료의 노화된 열전도율에 영향을 미친다고 가정하고 다양한 수분과 온도 범위와 같은 실험실 환경 외부로 노출될 수 있는 환경 조건과 동결 해동 주기 또는 기타 환경 조건에 의해 시간이 지남에 따라 폴리머가 저하되는 것을 무시한다는 것이며, 이는 얇은 슬라이스 방법에 반영되지 않습니다. 특히 얇은 슬라이스 방식을 통해 재료 두께를 줄이는 것이 아니라 열노출을 통해 고분자 열화를 실험했습니다.
고온뿐만 아니라 UV 노출 및 습기 노출을 통해 노화 후 구조 재료 특성에 노화 가속화가 미치는 영향을 확인하기 위해 폴리우레탄폼에 대한 추가 조사 연구가 수행되었습니다. 이 두 연구의 목적은 재료의 구조적 특성을 이해하는 것이지만, 이러한 동일한 유형의 노화가 재료의 열전도율에 미칠 수 있는 영향을 관찰하기 위해 이러한 연구의 구조를 가속 노화에 쉽게 적용할 수 있습니다. 다양한 노화 방법이 재료에 미치는 영향이 매우 다르기 때문에 재료가 열전도율과 관련하여 어떻게 영향을 받는지 연구하는 것이 중요할 수 있습니다.
2.3.2 노화 영향: 온도 상승
재료 노화의 영향은 시간이 지남에 따라 재료의 단열 값에 영향을 미칠 수 있는 중요한 문제입니다. 노화의 영향은 대부분의 단열재에서 천천히 발생하며, 노화가 폼 단열재에 미치는 영향을 이해하려면 노화 과정을 신속하게 진행해야 합니다. 폴리에스터 소재의 노화에 관한 연구에서는 재료를 보관하는 온도가 노화 과정에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
이 테스트는 단열재에만 국한되지 않지만 과제에 사용된 방법론은 다른 재료에도 적용될 수 있습니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 온도가 높을수록 열화 속도가 크게 증가하는 것으로 나타났습니다.
온도 외에도 고열 노출 및 UV 방사선을 포함한 다양한 방법을 통한 노화 가속화도 시간이 지남에 따라 다양한 방식으로 건축 재료에 영향을 미칩니다. Arrhenius 방정식을 사용하여 급속 노화 과정의 지속 시간이 표준 환경 조건에서 재료가 유사하게 노화되는 데 걸리는 시간과 상관관계가 있을 수 있다고 보고했습니다. 이를 알고, 폼 단열재 샘플은 장기간 표준 열보다 높은 온도에서 보관할 수 있으며, 나중에 표준 환경에서 동등한 수명을 결정할 수 있어 장기간 노화가 폼 단열재의 성능에 미치는 영향에 대한 결론을 도출할 수 있습니다.
2.3.3 노화 영향: 습도 노출
높은 습도는 단열재의 열저항에 부정적인 영향을 미칩니다. 단열재 내에 수분이 증가하면, 수분 함량으로 인해 재료의 평균 열저항이 감소하여 성능이 저하됩니다. 또한 과도한 습기는 건물 외피에 물 손상을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 곰팡이 성장을 촉진할 수 있는 환경을 제공할 수 있습니다. 일반적으로 습기 관련 문제가 발생할 위험을 줄이려면 건물 외피 설계를 통해 습기를 적절하게 처리하는 것이 중요합니다.
이론적으로 폐쇄 셀 재료는 방수 기능이 있는 폐쇄 셀 소재의 특성으로 인해 높은 습기에 의해 성능에 최소한의 영향을 받아야 합니다. 폼 단열재에 대한 높은 습기의 장기적인 영향을 조사한 연구에서 시간이 지남에 따라 이러한 폐쇄 셀 재료도 소량의 물을 흡수하는 것으로 나타났습니다.
상기 그림에는 폐쇄 셀 폼 재료인 폴리이소시아누레이트, 폴리우레탄, 발포폴리스티렌 및 압출법보온판을 포함한 단열재의 습윤 및 건조 열전도율에 대한 값이 표시되어 있습니다. 습기가 재료 내부로 더 자유롭게 이동할 수 있는 유리섬유와 같은 재료와 비교할 때 폐쇄 셀 재료는 건조 및 습윤 성능 사이에 큰 차이가 없지만 여전히 14%의 차이가 있음을 알 수 있으며, 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트 재료가 젖었을 때 열전도율이 증가합니다.
쇄 셀 재료라도 시간이 지남에 따라 습기의 영향을 받는다는 점을 이해하는 것이 매우 중요하며, 특히 재료가 많은 동결/해동 주기를 반복하여 폐쇄 셀 폼 재료를 더욱 빠르게 분해하여 최대 잠재적 습기 함유량이 증가할 수 있는 경우 더욱 그렇습니다. 재료 열 특성과 관련하여 높은 정확도가 필요한 외피 설계에서 시간이 지남에 따라 젖음으로 인해 성능이 저하되면 건물의 시스템 부하에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다.
2.3.4 노화 영향- 동결/해동 주기
폼 단열재의 습기 문제 조사 결과, 동결/해동 주기가 재료 샘플에 침투할 수 있는 습기의 양을 증가시키는 것으로 나타났습니다. 테스트에서 새로운 폴리우레탄 샘플은 중량의 1.2%에 불과한 수분 함량만을 흡수할 수 있으며 3개월 동안 함침한 후에도 매우 빠르게 건조될 수 있는 것으로 나타났습니다. 습한 환경에서 168번의 동결/해동 주기 후에 습기 함량은 재료 중량의 5.2%로 증가했으며 완전히 건조되지 않았습니다.
또한 폴리우레탄폼 재료가 동결/해동 주기를 거치기 때문에 물에 잠길 때 더 많은 수분이 재료에 흡수되는 것으로 밝혀졌습니다. 이 연구는 폼 소재가 더 많은 동결/해동 주기를 거치고 폴리머가 분해되어 세포가 더 많은 수분을 흡수할 수 있다는 것을 시사합니다. 수분 함량이 증가함에 따라 재료의 열전도율이 증가하므로 동결/해동 주기가 폼 재료의 수분 흡수 및 저장 능력에 미치는 영향은 매우 중요할 수 있습니다.
2.4 문헌 검토 요약
문헌 검토에서 논의된 연구를 통해 단열재의 유효 열전도율은 환경 조건과 노화 영향의 조합으로 인해 제시된 값과 다를 수 있다는 것이 분명해졌습니다. 폼 단열재 특히 발포제(폐쇄 셀 폼)를 함유한 폼 단열재의 성능에 대한 이러한 요소의 영향은 가정된 선형 온도 및 수분 의존 열전도율 행동에서 벗어나는 것으로 나타났습니다.
재료의 효과적인 성능이 화학적 변화에 따라 달라지는지 여부를 결정하려면 발포제가 진화함에 따라 새로운 재료를 계속 조사하는 것이 중요합니다. 과거 연구에서는 온도와 수분에 따른 열전도율을 모두 조사했지만 온도와 수분의 함수로서 유효 열전도율에 관한 실험 데이터는 거의 없습니다. 많은 조사에서는 고온 노출, 높은 수분에 대한 노출, 물에 침수 및 동결/해동 주기를 포함하여 폼 단열재에 대한 노화 및 환경 풍화의 영향을 조사합니다. 이러한 조사는 종종 재료의 구조적 특성에 초점을 맞추고 재료의 유효 열전도율에 관한 제한된 결과를 제공합니다.
장기 열저항을 결정하는 경우, 업계 표준 테스트에서는 표준 실험실 조건에서만 장기 열전도율을 측정해야 합니다(CAN/ULC S770). 연구에 따르면 이 장기 열저항 값은 열 성능에 영향을 미치는 여러 요소를 무시하는 표준화된 테스트 방법으로 인해 재료의 실제 장기 성능을 제대로 나타내지 못할 수 있습니다. 실험실 테스트를 통해 폼 단열재의 효과적인 성능에 대한 더 많은 조사를 통해 수명 주기 동안 재료의 성능을 훨씬 더 정확하게 이해할 수 있다는 것은 분명합니다.