http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2015.27.5.241
단열재의 무게변화와 열전도도와의 상관관계에 관한 실험적 연구
Experimental Study of the Relationship between Weight Variation and Thermal Conductivity in Polyurethane Foam
이효진(Hyo-Jin Lee)† 한밭대학교 설비공학과
Department of Building and Plant Engineering, Hanbat National University, Daejeon, 305-719, Korea (Received February 2, 2015; revision received February 26, 2015; Accepted: February 27, 2015)
Abstract Cellular foamed insulation such as polyurethane foam ages and degrades the thermal conductivity. Aging of foam is a result from the diffusion of gases, initially consisting of CO2 but eventually replaced by air from the environment.
The variation of the cell gas content with time is primarily influenced by the increase of thermal conductivity of the cellular foam. The weight of foam also changes as the gas diffuses and exchanges. In this study, a weight measurement method has been proposed to evaluate the effective diffusion coefficients of CO2 and Air, DCO2 = 7.08504E-11 and Dair = 4.86086E-12, respectively and are compared with the gas analysis method.
Key words Closed-cell(독립셀), Polyurethane Foam(우레탄폼), Ageing(에이징), Thermal Conductivity(열전도도), Effective Diffusion Coefficient(유효확산계수)
†Corresponding author, E-mail: [email protected]
기호설명
Deff ：유효확산계수 [m2/s]
L ：특성길이 [m]
m ：무게 [kg]
M ：분자량
P ：압력 [Pa]
：무차원압력
R ：만능 기체 상수, 8.314 [J/mol K]
t ：시간 [sec]
T ：온도 [K]
V ：체적 [m3] 하첨자
env ：대기조건
i ：원소
o ：초기 값
1. 서 론
압출스티로폼이나 우레탄폼에서 발포 시 발생되는 가스에 의해 폼이 형성되고, 이후 발포 가스는 확산에
의해 대기로 빠져나간다. 또한 대기 중의 공기가 셀 내 부로 확산되어 유입되는 현상이 발생된다. 이와 같이 셀 내부의 가스성분 변화로 인하여 단열재의 열전도도 가 시간에 따라 변화가 발생하게 된다. 이는 제작 후 6 개월 내에 급격한 변화가 일어나며, 이때 전체 성능변 화의 70～80%가 발생하게 된다.
독립셀 구조를 갖는 단열재의 열적 성능을 분석하는 기법은 다양한 방법으로 수행되고 있으나, 그 절차와 분석방법이 매우 전문적인 지식과 정밀한 분석을 요구 하고 있다. 특히 셀의 크기가 수 mm에서 μm까지 매우 미세한 크기를 갖고 있으며, 이 셀 내부에 함유된 가 스의 성분분석을 하기 위해서는 가스 포집과 분석기법 이 매우 정교하지 않으면 분석이 매우 어렵다. 또한 포 집된 가스의 양이 매우 적어 분석기기의 선정에서도 상당한 주의를 요구하고 있다.
Svanström and Ramäns(1)는 폴리머 폼을 원통형 커터 를 이용하여 직경이 0.02 m이고 길이가 0.060 m가 되 도록 잘라낸 후 셀을 분쇄하기 위하여 칼날을 장착한 분쇄기로 조각을(Chopping) 내어 셀 가스를 포집한다.
포집된 셀 가스는 1차로 G/C(Gas Chromatography)로 분 석하고, G/C로 분석이 어려운 미세한 잔류 가스는 다
- Before crushing
- After chopping by the way of knife
- After grinding in this experiment
Fig. 1 Comparison of results among the different grinding methods.
(1) (2) (3) (4)
Fig. 2 Specimen of polyurethane foams; (1) sample as it is, (2) 1-Hole punched (3) 2-Hole punched, (4) 3-Hole punched.
시 MS(Mass Spectrometer)로 분석하였다. 본 분석기법 으로 매우 정밀하게 측정할 수는 있지만 매 단계마다 상당한 주의를 필요로 한다.
Nazelle(2)는 길이가 0.006∼0.012 m이고 직경이 0.009 m인 실린더 모양의 시편을 질라낸다. 이때 길이는 40 kg/m3과 30 kg/m3의 폼 밀도에 따라 결정된다. 시편은 금속 플러그를 축 방향으로 스크루처럼 회전시키면서 분쇄를 하게 된다. 셀의 기공부피비가 대략 30배 가량 으로 압축시키면 약 0.0005 m 두께의 디스크로 만들어 지는데, 이를 축 방향으로 회전시키면서 분쇄하게 된 다. 포집된 셀 가스는 G/C(Gas Chromatograph)를 이용 하여 분석하였다.
여기서 사용된 분쇄방법은 Svanström이 사용한 것과 유사하나, 높은 압축으로 고형 폴리머에 흡착될 수 있 는 발포제를 제거할 수 있는 장점을 갖고 있다.
본 연구에서는 기존의 단열재 내의 가스 분석을 하 는 상기 두 개의 전형적인 분석기법과는 달리 Fig. 1에 비교한 방법과 같이 마찰 분쇄 법을 활용하여 폼에 형 성된 거의 모든 셀이 분쇄되도록 하였다.(3) 이를 이용 한 셀 내부의 가스를 분석하였고, 이 결과를 이용하여, 본 연구에서 실시한 무게 변화에 따른 내부 가스 상태 를 분석하는데 활용하였다.
본 연구에서는 분석적 전문지식이 없이도 독립셀 구조를 갖는 우레탄폼의 가스변화로 야기되는 폼의 무 게변화를 측정하였고, 변화된 무게가 열전도도의 변화 와 어떤 상관관계가 있는지 분석하였다. 이러한 결과 는 앞서 발표된 논문(3)에서 측정된 내부 가스의 변화 와 비교하여 시간에 따른 무게변화의 원인을 밝히고, 또한 열전도도의 변화에 어떠한 영향을 미치는지 분석 하였다.
2. 실험장치 및 방법
본 연구는 셀 내부의 가스가 들어오고 나가면서 변 화하는 가스의 무게 변화를 활용하여 단열재의 열전도 도 변화와의 상관관계를 분석하고자 하였다. 본 실험 은 제작 후 단열재가 발포 시 발생한 반응열이 완전히 식어 주변온도와 같은 상태가 되는 약 24시간 후부터
시편의 무게변화를 측정하기 시작하였다. 사용된 저울 은 1/1000그램 단위 까지 측정이 가능한 일본 AND사 의 전자저울인 FA-200 모델을 사용하였다.
열전도도는 ANTER사(모델; QUICKLINE-30)의 0.015
～0.2 W/mK를 측정할 수 있는 니들 프로브(Needle Probe)를 이용한 열전도도 측정 장치를 사용하였다. 시 료제작의 크기는 0.2×0.2×0.075 m3로 총 7개의 시편을 제작하였다. 준비된 시편 내부 셀의 가스 확산이 제작 시 형성된 외피(skin)의 영향을 알아보기 위하여, Fig.
2에 보는 바와 같이 외피를 제거하지 않은 것과, 상하 면을 제거한 것, 좌우 2개 면을 제거한 것, 상하좌우를 모두 벗겨낸 것, 그리고 중심에서 직경이 0.015 m 크 기의 상하로 관통하는 구멍을 1개, 2개, 3개를 낸 것 등 총 7개의 각기 다른 상태의 시편을 준비하였다. 이는 시편의 두께가 0.075 m로 비교적 두껍기 때문에 시편의 상태에 따른 확산의 영향 정도를 파악하기 위하여 실 시하였다. 실험은 무게 변화를 열전도도와 같은 시간 에 측정하여 같은 조건에서의 상관관계를 분석할 수 있도록 하였다. 측정의 오차를 줄이기 위하여 매 3회에
Fig. 3 Experimental result on weight and thermal conductivity ratio with time for 7 different specimen ;(a) full face, (b) up and down side face-off, (c) two sides face-off, (d) all face-off, (e) 1-Hole punched, (f) 2- Hole punched, (g) 3-Hole punched.
걸쳐 무게와 열전도도를 측정하고, 이를 평균한 값을 측정치로 사용하였다. 단열재 발포가스인 이산화탄소 의 확산이 통상적으로 처음 2주간에 급격히 발생하고, 이후 서서히 외부의 공기가 장기간에 걸쳐 유입돼 들 러오는 것을 고려하여 2주 동안은 매일 측정하고, 이 후 측정 간격을 점차로 늘려가는 형식으로 약 3년 6개 월(총 1200일) 동안 실험을 수행 하였다.
3. 실험결과 및 고찰 3.1 무게변화 실험결과
Fig 3은 측정된 무게를 시간에 따른 변화를 나타낸 결과를 보여주고 있다. 모든 형태의 실험에서 초기에 무게비가 급속히 감소하다가 다시 상승하는 형상을 보
Days (a)
Days (b)
Fig. 4 Long-term (a) gas pressure variation and (b) thermal conductivity prediction results by gas analysis method.(1)
여주고 있다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 초기에 발포 시 생성된 이산화탄소가 셀 내부에서 대기 중으로 급속히 확산되어 가기 때문이고, 이후 다시 상승으로 나 타나는 것은 대기 중의 공기가 내부로 확산되어 들어 오기 때문이다. 이러한 결과는 Fig. 4에 가스분석법(3)을 통하여 얻은 결과에서 나타난 것과 일치하고 있음을 알 수 있다. 즉 발포 우레탄의 가스 확산은 이산화탄소, 공기(N2, O2), R-141b순으로 발생하고 있음을 확인하였 고, 이러한 특징적인 가스 확산특성으로 인하여 단순 히 무게만을 측정하여서도 대략적인 가스의 확산정도 를 예측할 수 있다.
Fig. 3은 무게측정법을 이용한 실험에서 시편의 형상 에 따른 영향을 알아보기 위하여 총 7개의 변화를 주 었다. 초기 급속하게 무게변화율이 가장 크게 보인 것 은 겉면의 일부 또는 전부를 제거한 Fig. 3(a)∼Fig.
3(d)보다는 내부를 관통하여 구멍을 낸 Fig. 3(e)∼Fig.
3(g)의 변화율이 확연히 크게 나타나고 있다. 이는 가 스의 확산은 셀의 중심에서 나오는 효과가 훨씬 크다
는 것을 보여 주고 있다.
즉 대부분의 연구(1-3)에서 셀 가스를 채취할 때 중앙 에서 관통하는 구멍을 내어 분석을 실시하고, 구멍이 있는 시편에서 추 후 일정한 시간이 경과한 후 또 다른 구멍을 내어 샘플 가스를 채취하는 방식을 취하기 때 문에 상당한 실험적인 오차를 유발할 수 있음을 나타 낸다. 이러한 실험적인 오차를 줄이기 위해서는 한 번의 시료 채취후 손상된 시편은 폐기하고 새로운 시편을 사 용하여 시료를 채취해야 실험의 오차를 최소화 할 수 있다. 그러나 이는 매번 시료 채취를 하기 위해 엄청난 양의 시편을 제작해야하는 부담을 야기한다.
무게 변화의 형태는 시편 형상의 상태에 관계없이 일정한 패턴을 보여주고 있다. 모든 시편에서 초기에 어느 정도 무게의 감소현상이 나타나고, 다시 무게가 상승하고 있다, 이는 Fig, 4에서 가스변화법에서 와 같 이 초기에 CO2의 가스 분압의 감소에 이어서 공기(N2, O2)분압의 상승으로 진행되고 있는데, 이러한 현상이 무게의 변화에서도 감소와 상승으로 이어지는 패턴을 보여주고 있다.
열전도도에서도 Fig. 4에서 시간에 따라 지속적으로 상승하고 있는데, 이러한 결과는 무게 변화법에 의하 여 측정한 Fig, 3의 결과와 일치함을 알 수 있다. 결론 적으로 무게의 변화만으로도 실제 열전도의 변화 예측 이 가능함을 보여주고 있다.
3.2 유효확산계수의 비교
본 무게 변화를 이용한 분석 실험 결과의 정확도를 알아보기 위하여 가스 분석법과 비교를 하였다. Fig. 4 에서 가스 분석법으로 측정된 분압을 다시 무게로 다 음 식을 활용하여 환산 하였다.
(1)
식(1)에 의하여 구한 결과는 Fig. 5에 보는바와 같다.
Fig. 5(a)에서 무게가 감소하는 것은 Fig. 3과 Fig. 4 에 나타난 무게감소와 압력감소 현상인 CO2의 급격한 대기로의 확산현상이 나타난 결과이다. Fig. 5의 결과 로부터 CO2 가스의 유출과 공기가 유입되는 현상이 분 리되어 거의 순차적으로 진행이 이루어지고 있으며, 그 결과가 무게 측정법으로 측정된 Fig. 6에 보여주고 있는 무게의 변화가 초기에 감소하다가(CO2가 대기로 확산) Fig. 5(b)와 Fig. 6에서 공기가 셀 내부로 유입되 면서 다시 무게가 상승하고, 이후 다시 서서히 감소하 게 되는데 이는 발포제인 R-141b가 장시간에 걸쳐 대 기 중으로 확산되어 나가고 있음을 의미한다. 이러한 현상은 Fig. 1에서 각 가스의 분압변화가 Fig, 3, Fig. 5
(a) CO2
(b)O2, N2
Fig. 5 Weight variation of the polyurethane foam with the gas analysis method.
Fig. 6 Weight variation with scaled age for full skinned foam.
및 Fig 6에서의 무게 변화의 추세와 매우 일치함을 보 여주고 있다.
Fig. 5(a), (b)를 이용한 CO2와 N2 및 O2의 확산 계 수를 구하고, Fig. 3의 무게 측정법을 이용하여 각 각 의 가스 확산계수를 구하였다. Fig. 5의 가스 분석법에
서 확산계수는 다음 식(2)에서 구할 수 있다.(2)
∞
(2)
식(2)에서 유효 확산계수, Deff에 관하여 다시 쓰면 다음과 같다.
∞
(3)
Fig. 7(a)의 CO2 시간에 대한 분압의 기울기에 관한 선 형회귀분석(Linear Regression Analysis) 결과 DCO2 값이 1.92437E-10 m2/s를 얻었고, Dair(N2+O2) 값은 2.8311E-11 m2/s가 구해졌다. 또한 무게 변화 유효 확산 계수와 비 교하기 위하여 식(4)(4)을 활용하였다.
본 연구 결과와 기존 방법을 이용한 결과를 비교한 결 과를 Table 1에 요약하였다.
Table 1 Effective diffusion coefficients of CO2 and air by two different Analysis
Gas Method(3)
Weight Method
Gas Method(5) CO2 1.9234E-10 7.08504E-11 5.0E-11
Air 2.8311E-11 4.86086E-12 2.1E-12
∆
∆
(4)무게 법에 의한 분석결과가 가스 분석법에 의한 방 법과 비교하여 약간 적게 나온 것은 가스분석법은 완 전 분쇄하는 방식으로 데이터 분석을 하기 때문이다.
즉, CO2의 유입과 유출 규모가 개략적인 무게 법과 비 교할 때 가스 법은 Φ0.035 m×L0.075 m정도의 시편을 블록형태의 우레탄 폼에서 잘라내는 순간부터 이미 대 기로의 확산이 진행되기 때문에 이러한 결과가 발생한 것으로 여겨진다. 무게 법에서 발생될 CO2와 Air의 유 입과 유출 시점에 대한 불확실도 에서도 이와 같은 편 차가 발생할 수 있을 것이라 생각된다.
4. 결 론
본 연구는 기존의 가스분석법의 복잡한 분석 절차 를 보다 단순하고 개략적인 독립셀 구조의 단열재를
(a) (b)
Fig. 7 Effective diffusion coefficient of (a) CO2 and (b) air with the results of the gas analysis method.
분석하기 위하여 무게변화만을 측정한 실험기법을 도 입하였다. 이를 통한 다음의 결과를 얻었다.
(1) 무게변화 측정 시 내부를 관통하는 샘플 채취방식 이 가장 큰 가스 확산 정도를 나타내었다. 즉 정밀 가스 실험에서 큰 오차를 유발할 수 있음을 증명 하였다.
(2) 정밀가스 분석법과 무게변화 측정법실험 결과 이 산화탄소와 공기의 확산 경향이 매우 유사함을 확 인 하였다.
(3) 발포가스의 변화에 따른 무게변화를 직접 실험을 통 하여 분석하였고 이에 대한 결과를 이용하여 유효 확산 계수를 구하였다. 기존의 결과와 비교해볼 때 매우 근사한 값을 얻을 수 있었다.
(4) 무게변화를 이용한 열전도도 변화가 가스분석에 의 한 결과와 정성적․정량적 결과가 매우 일치함을 나타내었다. 이러한 결과로 무게변화만으로도 열 전도도 변화를 개략적으로 판단할 수 있음을 확인 하였다.
후 기
이 논문은 2014년도 한밭대학교 교내학술연구비의 지원을 받았음.
References
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4. Booth, J. R. and Holstein, T. J., 1993, Determination of effective diffusion coefficients of Nitrogen in extru- ded polystyrene foam by gravimetric sorption, J. Ther- mal Insulation and Building Envelopes, Vol 16, pp.
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