3. 접근과 방법론
이 연구의 목적은 폼 단열재 샘플의 효과적인 전도성에 대한 철저한 이해와 함께 추운 기후에서 노화 및 풍화 현상이 재료 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것입니다. 이러한 결과를 얻기 위해 초기 측정과 4단계의 시험이 이루어졌습니다. 초기 측정 단계는 재료가 제조업체로부터 신규 제품 상태로 있을 때, 재료의 온도에 따른 전도성에 대한 통찰력을 제공합니다. 이러한 초기 측정 후, 별도의 샘플은 나열된 방법을 통해 추가 테스트를 거치게 됩니다.
1) 습도 수준에 노출되어 습도 의존 전도성을 결정 2) 재료의 수분 저장 특성을 평가하기 위해 완전 침수
3) 가속화된 노화를 실험하기 위해 온도 노출을 높임 4) 풍화 작용이 성능에 미치는 영향을 판단하기 위해 동결–해동 주기
이러한 시험 방법의 경우, 동일한 최초 스프레이된 폴리우레탄 샘플 또는 폴리이소시아누레이트 보드에서 별도의 샘플이 절단되었습니다. 이를 통해 각 테스트는 신규 샘플로 시작할 수 있으며, 주어진 재료의 모든 샘플이 동일한 근원에서 나오는지 확인함으로써 동일한 재료의 샘플간 차이를 최소화할 수 있습니다. 온도 및 습도 설정 지점과 관련된 테스트 방법의 경우 환경 설정 지점의 높은 정확도를 보장하기 위해 데이터 기록 습도 및 온도 센서를 챔버에 배치했습니다.
각 재료에는 세 가지 주요 테스트 순서가 있으며, 별도의 샘플로 수행됩니다. 이러한 시험 순서는 각 재료에 대해 측정된 전도율 값의 광범위한 범위를 제공합니다. 다음 공정은 각 재료 샘플에 대한 테스트 순서와 얻은 정보를 설명합니다.
1) 샘플1: 온도 의존 전도도 및 고온 노화
① 이 샘플의 온도 의존 전도도는 열유량계를 이용하여 측정합니다.
② 샘플을 고온에 노출시켜 노화를 가속화합니다.
③ 가속화된 노화 과정 내내 온도 의존적인 전도도를 측정합니다.
샘플 1의 결과는 다양한 온도 범위에서 단열재의 장기적 성능에 대한 이해를 제공합니다. 설정된 간격으로 측정한 결과를 통해 노화 영향의 비율을 관찰합니다.
2) 샘플2: 온도와 습도의 함수로서 효과적인 전도율
① 샘플을 건조시키고 온도병 전도도를 측정합니다.
② 샘플은 습도 증가에 노출됩니다. 질량과 온도에 따른 전도성은 샘플이 각 습도 설정 지점에 도달한 후에 측정됩니다.
③ 샘플은 완전히 물에 잠길 것입니다. 질량은 노출 후 일주일 후에 측정됩니다.
샘플2의 결과는 다양한 습도 수준에 걸쳐 일련의 온도 의존 전도도 측정을 제공합니다. 이러한 측정은 샘플의 유효 전도성을 계산하는 데 사용되는 3차원 표면 모델을 개발하는 데 사용될 것입니다.
3) 샘플3: 시간 경과에 따른 환경 풍화 영향 평가를 위한 동결–해동 주기
① 샘플은 150회의 동결–해동 주기에 노출됩니다. 온도 의존 전도성은 75 및 150 주기 후에 측정됩니다.
② 샘플은 습도 증가에 노출됩니다. 질량과 온도에 따른 전도성은 샘플이 각 습도 설정지점에 도달한 후 측정됩니다.
③ 샘플은 완전히 물에 잠길 것입니다. 질랴은 노출 후 일주일 후에 측정됩니다.
샘플3의 결과는 동결–해동 주기로 인한 재료 변형이 샘플의 성능에 어떻게 영향을 미치는지 나타낼 것입니다. 또한 샘플의 수분 저장 능력에 대한 동결–해동 주기의 영향을 결정하기 위해 샘플2와 비교할 수 있는 결과도 제공합니다. 조사된 자료는 다음 단원에서 자세히 논의합니다.
1) 재료 샘플
테스트에 사용된 재료 샘플에는 다양한 유형의 폴리우레탄(PU)과 폴리이소시아누레이트(PIR)가 포함됩니다. 재료의 종류는 일반적으로 사용되는 단열재 유형의 범위에 걸쳐 선택되었습니다. 이 연구에서는 총 6개의 재료를 완전하게 평가하였습니다. 이 6개 재료에는 폐쇄 셀 폴리우레탄, 2개의 오픈 셀 폴리우레탄 및 2개의 폐쇄 셀 폴리이소시아누레이트가 포함됩니다. 별도의 제조사로부터 폐쇄 셀 폴리우레탄 소재(PU-A, PU-B)는 열성능과 밀도가 비슷하며, 표준 중고밀도 폴리우레탄을 반영합니다.
2개의 오픈 셀 폴리우레탄 재료는 서로 매우 다릅니다. PU-C는 표준 저밀도 오픈 셀 폼 단열재를 반영하는 반면, PU-D 재료는 오픈 셀 폼에 대해 상대적으로 높은 밀도를 갖는 증기 투과성 외부 단열 외피막으로 작용하도록 광고되는 신규 오픈 셀 폼입니다.
오픈 셀 폼은 이론적으로 공기 주입보다는 오픈 셀이 공기로 채워져 노화 영향을 일부 피하지만, 노화와 풍화 현상이 이들 샘플에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것이 여전히 중요할 것입니다. 폴리이소시아누레이트 샘플 PI-A는 두께 제한이 있는 조립품에서 성능을 발휘 하도록 설계된 고성능 알루미늄 면 소재로 두께 25mm 시트로 제작되었습니다. 재료 PI-B는 50mm 시트로 제공되는 판지 면과 함께 표준 폴리이소시아누레이트 보드를 반영합니다. 아래 표는 조사 대상 재료의 광고 전도율과 밀도를 보여줍니다.
테스트의 경우, 동일한 재료의 표본을 같은 두께로 절단했습니다. 모든 샘플을 50mm 두께로 절단하는 것이 목표였지만, 일부 제조업체에서 제공한 샘플의 불규칙성으로 인해 일부 재료 샘플은 균일한 샘플을 얻기 위해 약간 더 얇게 절단했습니다. 또한 PI-A의 경우, 이 재료는 25mm 두께의 시트에서만 사용할 수 있었습니다. 아래 그림은 조사된 자료의 이미지를 보여줍니다.
2) 온도 의존 전도도
각 재료 샘플에 대해, 초기 단계는 열 유량계의 각 샘플을 테스트하는 것을 포함했으며, 이는 주어진 재료의 전도성이 설정된 평균 온도뿐만 아니라 설정된 온도 Δ에서 테스트될 수 있게 할 것입니다. 이 시험뿐만 아니라 다른 모든 시험 방법에 대해 취한 모든 전도성 측정에 대해 Netzch Germany에서 제조한 436개의 Lambda 모델 열 유량계 장비가 사용되었습니다. 이 장비는 온도 Δ를 제공하는 두 개의 열 플레이트를 사용하여 가능하며, 그 사이에 재료 샘플이 배치됩니다. 샘플 전도성은 일련의 평균 온도 설정 지점에 걸쳐 측정됩니다.
CAN/ULC-S770-15 “폐쇄된 셀 단열폼의 장기 열저항 측정을 위한 표준시험방법”에 따르면, 재료는 ASTM C518에 따라 평균 24℃(+/-2)의 온도와 22℃(+/-2)의 Δ에서 시험해야합니다. 캐나다 기후에서의 재료 성능을 완전히 이해하기 위해 샘플은 온도 의존 전도성을 결정하기 위해 Δ가 20℃인 –10Δ에서 30℃까지의 평균 온도 범위에서 테스트됩니다. 시험 장비의 냉각 전력에 대한 제한으로 인해 0℃이하의 평균 온도에서의 시험은 20℃에서 10℃로 감소한 온도 Δ로 진행되었습니다. 이러한 각 시험에서 열 유량계는 전도성 수치에서 ±1.0%의 정확도 범위에서 수행되었습니다.
이러한 측정은 각 샘플이 일반적으로 캐나다 기후에서 발견되는 다양한 온도에서 어떻게 수행되는지를 나타낼 것입니다. 이 부분의 시험을 통해 특정 샘플이 선형 온도 의존 전도성으로 동작할 것인지 또는 일부 연구에서 제안한 바와 같이 재료가 불규칙한 유효 전도성 경향을 경험할 것인지 여부를 결정할 것입니다. 그 측정은 지속적인 조사의 기준이 될 것입니다. 재료가 실험된 환경 풍화 작용을 거치면서, 이러한 재료들의 성능이 그들의 수명주기와 다양한 조건에서 어떻게 변화할 것인지 이해할 것입니다.
3) 습기 의존 전도성 테스트
습기 테스트를 시작하기 전에 온도와 습도가 제어되는 환경을 조성하기 위해 맞춤형 습도 챔버가 제작되었습니다. 이 챔버는 재료 샘플을 일정한 설정 환경에 노출시키는 데 사용됩니다. 챔버는 실리콘 씰링 아크릴 패널 박스로 구성되며, 설정된 온도 및 습도를 유지하기 위해 50mm의 견고한 XPS 단열 보드로 덮여있습니다. 챔버에는 챔버 내 습도 및 온도를 제어하는 다음과 같은 장비가 있습니다.
① 가습기: 증류수는 가득 찬 크레인 초음파실 가습기
② 제습기: Homasy Protable 22W 에어 드라이어
③ 열원: Sylvania 175W 적외선 열 램프
가습기와 제습기는 챔버 내의 습도가 설정점 이하로 떨어지거나 설정점 이상으로 증가함에 따라 가습기와 제습기를 별도로 활성화시키는 Inkbird 프로그래밍 가능한 디지털 습도 제어기에 의해 제어됩니다. 두 번째 잉크버드 프로그램이 가능한 배출구/온도조절기는 열원을 제어하여 챔버 내부의 온도를 일정하게 유지합니다. 이 장비를 사용하면 필요한 습도 수준을 달성하기 위해 챔버 내에서 비교적 안정적인 습도와 온도 수준을 별도로 유지할 수 있습니다. 장비의 제한으로 인해 상대 습도는 5% RH 범위에서 변동하고 온도는 ~4℃ 범위에서 변동합니다. 챔버의 내/외부는 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
재료의 습기에 의존하는 전도성을 결정하기 위한 목적으로, 이 챔버는 각 설정 포인트에서 최소 7일 동안 40%, 80%, 90%, 95% RH 및 25℃의 일정한 온도의 환경에 자재를 노출하는 데 사용되었습니다. 또한 이러한 습도 노출 테스트 이전에 샘플은 마이크로 프로세서 제어 기계 대류 오븐(~10~15% RH) 40℃에서 건조되었습니다. 이러한 샘플은 건조 상태로 가정된 재료에 대한 전도도와 질량 측정을 제공합니다.
재료들이 각 설정 지점에 맞춰진 후, 다양한 습도에서 걸쳐 습기 저장 용량을 결정하기 위해 무게를 측정한 다음 열 유량계의 측정 기간 동안 재료의 상태를 보존하기 위해 단열되지 않은 증기 침투 불가능한 래핑으로 포장했습니다.
일반적으로 수분의 저장 기능은 폼 재료, 특히 밀폐된 셀 재료는 매우 높은 수분에서만 더 많은 수분 함량을 흡수한다는 것을 보여줍니다. 이는 재료 성능에서 최소한의 차이를 보일 것으로 예상되는 80% 이하의 설정점과 비교하여, 높은 습도에서 유효 열전도율 및 수분 함량의 중요한 변화를 관찰하기 위해 80% RH 이상의 설정점에 초점을 맞추었습니다.