2) 최신 동향 재료
가정된 선형 온도 의존 전도율은 대부분의 재료에 적합한 모델을 제공하지만, 일부 재료는 선형 추세를 따르지 않습니다. 폴리우레탄과 폴리이소시아누레이트와 같은 일부 폼 단열재 제품은 특정 온도 범위에서 일부 비정상적인 작용을 하는 것으로 보입니다. 아래 그림에서 폴리이소시아누레이트의 측정된 열전도율은 미네랄울단열재와 비교됩니다. 아래 그림에서와 같이, 미네랄울단열재는 선형 온도 의존 전도율을 따르지만, 폴리이소시아느레이트의 열전도율은 온도가 15℃ 이하로 떨어지면서 갑자기 증가하는 것으로 보입니다.
Grin et al(2014)에 의해 수행된 연구는 폴리이소시아누레이트 재료의 측정된 전도율을 고려한 대형 평면 지붕의 시험에서, 폴리이소시아누레이트의 전도율은 선전된 값에 비해 난방 시즌에 32~58% 더 높고 냉각 시즌에 16~37% 더 높을 수 있다고 계산되었습니다. 유사한 연구에서, 폴리이소시아누레이트 재료의 범위를 평가할 때 유사한 결과를 발견했습니다. 이러한 연구의 결과 분석에서는 이러한 유형의 영향의 특정 단열재에서 발생할 수 있는 이유는 자세히 언급되지 않고, 단지 그 효과가 발생하고 있던 것 뿐입니다.
Tseng에 의해 수행된 폴리우레탄폼의 온도 의존 열전도율에 대한 연구는 비정상적인 열 행동에 관한 재료 수준에서 더 심층적인 분석을 제공합니다. 이 연구에서 폴리우레탄폼의 전도율은 이론적으로 그리고 20K(-253℃)에서 300K(27℃)까지 측정을 통해 탐구됩니다.
이 보고서는 폴리우레탄의 열전달 구조를 높은 수준으로 분석하고, 폴리우레탄과 폴리이소시아누레이트의 온도 의존 전도율에서 발견되는 비선형 경향에 대한 통찰력을 제공합니다. 아래 그림은 20K(-253℃)~300K(27℃)의 온도 범위에서 측정된 폴리우레탄폼의 이론적 전도율입니다. 상기 그림 [폴리이소시아누레이트와 미네랄울단열재의 전도율 영향]에서 볼 수 있는 것과 유사하게, Tseng의 연구에서 측정한 폴리우레탄폼은 온도가 내려가면 전도율이 증가합니다. 이 경우 재료가 273(0℃) 아래로 떨어지기 시작합니다. 온도가 230K(-43℃)를 넘어 계속 떨어지면서 전도율 추세가 다시 선형화되고, 온도가 270K(-3℃)를 넘어서면서 전도율도 선형적으로 상승하는 것으로 보입니다.
Tseng는 또한 이러한 비선형 추세가 발생하는 재료 내에서 일어나는 일을 설명합니다. 폴리우레탄폼의 온도가 270K 미만으로 감소함에 따라 재료 내의 R141b 가스가 응축되기 시작하여 전도율이 증가합니다. 230K에서 가스는 완전히 응축되고 거기에서 온도가 감소함에 따라 선형 추세가 다시 일어나기 시작합니다. 또한 폴리우레탄 제조에 사용되는 가공 조건, 발포제 및 가스의 불확실성으로 인해 이 추세는 주어진 표본에서 다르게 발생할 수 있습니다. 현대 생산에서는 R141b 가스가 더 이상 사용되지 않습니다.
폴리우레탄의 경우 현재 HFC 발포제, 폴리이소시아누레이트 폼의 경우 펜탄 가스를 선호하여 중단되었습니다. 폴리이소시아누레이트와 같은 일부 발포 단열재는 저온에서 전도성이 증가하는 효과를 경험하고 있다는 것이 확인되었으며, 이는 현재 폴리이소시아누레이트에서 사용되는 일부 발포제들이 폴리우레탄폼 샘플에 대해 연구진들이 설명한 것과 유사한 현상을 겪고 있음을 시사합니다.
전반적으로 설계되는 모든 단열재 특성을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 선전(상수), 가정 선형 및 실제 측정 재료 전도성의 차이는 아래 그림에서 표시한 환경 조건에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 특히 대부분의 폴리이소시아누레이트 및 폴리우레탄폼의 경우처럼 제조 공정에 많은 불확실성이 있는 재료의 경우 측정된 온도 및 습도에 의존하는 열전도율에 대한 실험실 시험은 외피 설계에 사용하기 더 정확한 정보를 제공합니다.
본 연구에서는 다양한 환경 조건에 대한 전도율의 불일치를 보여주는 폼 기반 단열재에 초점을 맞추고 있습니다. 일반적으로 사용되는 폼 단열재에는 폴리우레탄과 폴리이소시아누레이트 등이 있습니다. 이 재료들은 환경 조건의 변화와 노화 영향에 각각 다르게 반응할 수 있는 이유를 찾기 위해 연구될 것입니다. 다음 단원에서는 이러한 폼의 세부 정보를 검토합니다.
(1) 폴리우레탄(PUR)
폴리우레탄폼은 단열재에서 보호 장비까지 많은 목적으로 사용되는 매우 다용도 재료입니다. 폴리우레탄폼에는 크게 두 가지 유형이 있는데, 오픈 셀과 폐쇄 셀입니다. 이러한 각 범주에는 재료의 종류와 기능에 대한 추가적인 차이가 있습니다. 이 연구의 초점은 폴리우레탄폼의 단열 성능에 초점을 맞춥니다. 평가될 단열 폴리우레탄의 두 가지 유형은 저밀도 반 경질 오픈 셀 셀 폼과 고밀도 경질 폐쇄 셀 폼입니다.
오픈 셀 폴리우레탄에서, 발포제로서 CO2를 사용하여 폼이 팽창되고, 폼이 팽창함에 따라 폼 내의 기포가 서로 개방도된 연결을 형성하여 CO2가 빠져나가 공기로 대체될 수 있습니다. 이는 발포제가 공기와 증기 모두를 투과할 수 있음을 의미합니다. 오픈 셀 단열재는 종종 저밀도 폼이라고하며, 일반적으로 8kg/m3로 생산되며 견고한 쿠션 구조를 가지고 있습니다.
저밀도 오픈 셀 폴리우레탄 폼은 일반적으로 9.76RSI/m(~3.5R/inch)를 제공합니다. 폐쇄 셀 폴리우레탄은 공기보다 내열성이 높은 HFC와 같은 발포제를 사용하여 팽창합니다. 발포제에 의한 폼 팽창의 특성으로 인해 보다 조밀한 폼이 생성되고 폼이 오픈 결합을 개발하는 것을 방지하여 가스가 폼 내부에 갇혀있습니다.
이는 오픈 셀 폼보다 열저항 값이 높은 재료를 생성하며, 냉매 제조사의 기술 자료에 따르면 두께 2″ 이후 증기뿐만 아니라 1″ 이후 공기에 불투과성입니다. 일반적으로 폐쇄 셀 단열재를 중밀도 또는 고밀도 폼이라고 합니다. 중밀도 폼(일반적으로 사용되는 폐쇄 셀 폼)은 밀도가 32kg/m³이고 열저항값은 18.2RSI/m(~6.5R/inch)입니다. 고밀도 폼은 일반적으로 더 큰 압축 강도가 필요한 경우에만 사용되며 48kg/m³ 이상의 밀도로 생성할 수 있습니다.
연구는 또한 스프레이 폼 단열재의 전체 두께와 미터당 장기 열저항 사이에 상관관계가 있다는 것을 보여줍니다. 이들은 일반적으로 가스 배출과 노화의 영향이 재료 표면에 발생하며, 이는 재료가 분무되는 두께가 클수록 시간이 지남에 따라 전체 열저항이 크다는 것을 의미합니다. 폼 중앙에 있는 재료가 노화의 영향을 덜 받음으로써 폼의 해당 부분이 더 높은 열저항을 오래 유지합니다.
(2) 폴리이소시아누레이트(PIR)
폴리우레탄폼과 유사한 성격의 폴리이소시아누레이트는 고효율 단열재로 사용할 수 있는 또 다른 다목적 폼입니다. 폴리이소시아누레이트(PIR) 제품은 모두 폴리우레탄과 유사하게 제조된 고밀도 폐쇄 셀 폼으로, 발포제를 사용하여 폴리머를 폼으로 팽창하여 현재 다양한 펜탄 가스 혼합물을 사용하고 있습니다.
폴리이소(PIR)은 추운 기후의 지붕 용도와 기존 벽의 외부 단열재에 가장 일반적으로 사용됩니다. 일반적으로 재료 두께당 열저항이 가장 높은 등급으로 광고되고 있으며, 일부 고효율 등급은 0.018~0.020W/mK로 광고되고 있습니다. 폴리우레탄과 폴리이소시아누레이트의 주요 차이점은 폴리이소시아누레이트는 일반적으로 보드로 제작되며, 대부분의 폴리우레탄은 스프레이로 사용됩니다.
폴리이소시아누레이트는 다른 발포 단열재보다 열전도율이 낮기 때문에 대형 상업용/산업용 지붕 프로젝트를 위한 일반적인 선택입니다. 폐쇄 셀 폴리우레탄과 유사하게, 이 재료는 폼 셀에 존재하는발포제로부터 열저항값의 대부분을 얻습니다. 폴리이소시아누레이트의 경우, 펜탄 가스는 제조 공장에서 사용되는 발포제인 경우가 많습니다. 펜탄 가스는 폼 셀에서 높은 열저항을 제공하지만, 낮은 온도에서 펜탄 발포제가 응축되어 재료의 전도성이 증가하기 때문에 추운 온도에서 폴리이소시아누레이트 폼의 성능이 더 나쁜 것으로 판명된 이유일 수 있습니다.
(3) 발포제
발포제는 발포 단열재의 제조 공정에 사용되어 화학 반응을 통해 폼을 팽창시키고, 폐쇄 셀 폼 내에서 열저항을 제공하며, 재료의 최종 생성물에 큰 영향을 미칩니다. 역사적으로 CFC와 HCFC 가스는 한때 발포제로 사용되었지만, 오존파괴 물질 사용을 금지한 1987년 “ODP 감소 몬트리올 의정서” 이후 이러한 발포제는 단계적으로 폐기되었습니다. 현재 펜탄 가스 또는 HFC 가스는 대부분의 폴리우레탄폼 단열재를 위한 발포제로 사용됩니다.
이 재료는 CFC나 HCFC의 오존층 파괴 영향과 동일하지는 않지만, 여전히 매우 높은 지구온난화 가능성을 가지고 있으며 현재 단계적으로 폐기되고 있습니다.
HFO 가스는 차세대 사용 가능한 발포제로 나타납니다. 제조업체에 따르면, 이 가스는 지구온난화 잠재력이 훨씬 낮으면서 HFC 가스와 같거나 더 나은 성능을 제공한다고 합니다. HFO 가스를 사용하는 것은 시간이 지남에 따라 폼 단열재의 가스 배출이 오존층에 미치는 영향과 지구 온난화에 대한 기여도를 감소시킬뿐만 아니라 HFC나 오래된 발포제만큼 큰 문제가 되지 않을 수 있다는 것을 의미합니다. HFO 바포제를 사용하여 재료에 대해 수행된 연구는 광범위한 수준에서 수행되지 않았으며, 특히 효과적인 전도성을 고려할 때 이러한 재료의 성능에 대한 지식의 차이가 있습니다.
HCFC의 단계적 중단 이후, 대부분의 폴리이소시아누레이트 제조사들은 발포제로서 펜탄 가스로 전환했습니다. 연구에 의해 수행된 최근 연구에서 입증되었듯이, 폴리이소시아누레이트 재료는 현재 온도 의존 전도율에서 가정된 선형 추세에 부합하지 않는 재료의 초점입니다. 반면 폴리우레탄 소재는 과거 연구에서 이러한 효과를 보여주었지만, 최근의 조사에 따르면 폴리우레탄 소재는 폴리이소시아누레이트 샘플에서 더 많이 발생합니다.
연구는 이것이 1997년 Tseng의 조사 날짜와 지난 5년에 폴리이소시아누레이트가 펜탄 가스로 전환한 HFC의 조사 사이에 사용된 발포제 변화와 관련이 있음을 시사합니다. 발포제가 진화함에 따라, 새로운 폼 소재에 대한 조사가 부족하기 때문에 노화 영향의 결과로 신소재의 작동 방식을 재검토하는 것이 중요합니다