폐쇄 셀 폼 단열재의 장기 열저항(1)
1. 개요
갇힌 발포제를 사용한 독립 셀 발포 단열재의 단열 효율은 건물 외장재의 밀폐된 구조에서 수명동안 시간에 따라 변합니다. 따라서 폐쇄 셀 폼 단열재의 장기 열저항(LTTR) 값은 건물 밀폐 설계자에게 큰 중요한 의미 가 있습니다. NRC-IRC 연구원은 지난 20년간 폐쇄 셀 발포 단열재의 노화 특성에 대한 다양한 측면에서 연구를 했습니다. 이 자료는 NRC-IRC에서 폐쇄 셀 발포 단열재의 노화와 북미 건설 산업에 대한 실질적인 영향에 대해 수행된 연구 활동에 대한 포괄적인 과학적 개요를 제공합니다.
2. 서론
지구상의 생명의 존재는 단열에 크게 의존합니다. 우리의 지구를 둘러싸고 있는 공기층은 근본적으로 우리의 행성이 우리를 거주 가능하게 하는 효과적인 단열 담요입니다. 일상 생활에서 단열 재료와 시스템과의 상호 작용은 반복되는 주제입니다.(보온병, 의류, 모포, 유리창, 건물 밀폐 등) 따라서 더 나은, 비용 효과적인 단열 재료/ 시스템을 찾고, 그 열적 행동에 대한 더 나은 이해를 개발해야 할 필요성이 지나치게 강조될 수는 없습니다. 에너지를 절약하기 위해 다양한 주거, 상업 및 산업 응용 분야에서 단열재를 사용하는 것은 개발도상국에서도 일반적인 관행입니다. 자연히 단열 재료의 높은 열저항(R-값)은 매우 바람직한 특성입니다. 즉각적인 에너지 절약은 자재 및 시스템의 장기간 내구성 향상은 물론, 효과적인 수분관리, 향상된 실내 쾌적성 및 향상된 화재방지 기능을 제공합니다. 그러나 이들 재료의 전반적인 단열 효과는 장기간 열저항 (LTTR) 또는 노화 특성에 따라 달라집니다. 폐쇄 셀 폼 단열재의 일반적인 행동 및 장기 열저항(LTTR)을 이해하기 위해서는 아래에 설명된 열전달의 기본 물리학을 검토하는 것이 도움이 됩니다.
1) 열전달의 기본 물리학
기존 단열재의 단열 능력을 제어하는 세 가지 기본 열전달 방법은 전도, 대류 및 복사입니다.
(1) 전도
전도는 단열 재료의 구성 입자가 물리적으로 접촉하고, 에너지가 이 접촉을 통해 전달될 때 발생합니다.
(2) 대류
대류 열전달은 단열 재료의 구성 입자(즉, 가스 또는 유체)를 이동시킴으로써, 에너지 전달의 결과로 발생합니다.
(3) 복사
복사는 고온의 방출 물체로부터 차가운 수용 표면으로 에너지를 전달하는 전자기파의 방출로 인해 발생하며, 전도 또는 대류와는 달리, 이 열전달은 두 물체 사이에 접촉 매체(즉, 진공)가 없을 때 발생할 수 있습니다.
2) 단열 성능
건축 환경에서 건설에 사용된 가장 기본적인 단열 형태는 건축의 두 개 사이에 ‘공기 공간’입니다. 열전달 방법에 대한 이해와 첨단 제조 기술의 출현으로 인해, 고성능 단열재의 개발은 상대적으로 느리지만 단열재의 열저항 R-값이 증가한다는 측면에서 안정적입니다. 건축된 건설 환경을 위해 고성능 단열재 및 시스템을 개발하기 위한 엄청난 잠재력은 여전히 존재하며, 이 개발의 기본은 공기 공간을 통한 열전달 방법의 기초 안에 있습니다.
[그림2]에서 볼 수 있듯이, 전형적인 공기 공간을 통한 열흐름은 주로 대류와 복사에 기인합니다.
그러나 공기층에 반사 표면을 도입하면, 열 흐름의 복사 성분을 최소 수준으로 줄일 수 있습니다. 또한 공기층 내부에 공기 흐름을 제한하는 일부 섬유 소재의 추가는 대류 열 흐름 현상을 거의 무시할 수 있습니다. 따라서 기존의 모든 단열재에서 열 흐름의 세 가지 주요 구성 요소는 [그림3]과 같이 공기 전도, 복사 및 고체 전도입니다.
[공기 공간을 가로지르는 열전달]
[기존 단열재의 열전달 방법]
고체 전도 및 복사 구성 요소는 단열 재료의 부피 밀도와 기능적으로 관련이 있습니다. 그러나 실용적인 목적으로 공기 전도는 독립적인 부품으로 취급되며, 이 부품을 효과적으로 줄임으로써 고성능 단열재를 개발할 수 있는 중요한 기회를 제공하며, 이는 폐쇄 셀 발포 단열재를 개발하는 기본 원칙 입니다.
3. 폐쇄 셀 단열은 무엇인가?
폐쇄 셀 폼 단열재의 기본 구조는 폴리머 매트릭스와 가스 충전 폐쇄 셀의 두 가지 주요 구성요소로 구성됩니다.
[폐쇄 셀 폼 단열재의 기본 구조]
캡슐형 기체 발포제는 폼의 제조 과정에서 중합체 매트릭스로 둘러싸인 폐쇄 셀을 채웁니다.
발포제의 열전도율은 일반적으로 공기보다 낮습니다. 실제로, 폐쇄 셀 내부에 발포제가 존재하면 [표1]에
표시된 바와 같이 독립 셀 발포 단열재에 사용되는 발포제 유형에 따라 열전도성의 공기 전도 구성 요소가
크게 감소합니다. 일반적으로 사용되는 발포제의 열전도율은 공기의 열전도율에 1/2보다 낮습니다.
[각 발포제의 열전도율]
일반적으로 독립 셀 폼 단열재는 다음과 같은 단열재 및 건축 자재로서 많은 바람직한 특성을 가지고 있습니다.
① 단위 두께 당 높은 열저항 값(R-값)
② 난연성
③ 내습성 및 발수성
④ 치수 안정성
⑤ 구멍에 효과적인 채움
⑥ 건축 접착제에서 흔히 발견되는 용제에 대한 내성
그러나 폐쇄 셀 발포 단열재의 열전도율은 폐쇄 셀 내부에 갇혀있는 발포제가 존재하기 때문에, 공기가 확산되어 발포제가 폐쇄 셀 밖으로 확산됨에 따라 시간이 지나면서 증가합니다.
[폐쇄 셀 폼 단열재의 노화]
이 확산(노화라고도 함)이 발생하는 속도는 발포 매트릭스의 성질, 세포의 구조 및 형상, 노출 조건, 재료의 밀도, 제조 공정, 단열재의 두께, 표면의 화학 조성 및 침투성에 따라 달라집니다. 이러한 단열재의 노화 과정은 제조 직후 매우 빠르고, 시간이 지남에 따라 느려지며, 일전 시간이 경과하면 거의 평형 상태에 이릅니다. 따라서 일반적인 섬유질 단열재와는 달리 열 설계 목적을 위해, 장기 열저항 (LTTR) 값은 폐쇄 셀 발포 단열재의 유효 열저항을 고려해야 합니다.
캐나다의 IRC 연구소는 20년 이상 독립 셀 폼 단열재의 LTTR 특성에 대한 다양한 측면을 연구하였습니다. 이러한 연구 활동과 기술적 과제에 대한 간략한 요약은 다음 단락에서 설명되어 있습니다.
[경질우레탄폼단열재 시공]