이것 저것

수성연질폴리우레탄폼 스프레이와 관련하여 질문드립니다.

G 김동우 4 563 06.10 18:25
안녕하세요 저는 지금 석사학위과정을 하고 있습니다. 저는 수성연질우레탄이 환경적인 규제를 만족시키지만, 물성이 다른 발포제를 사용하는 경질에 비해 안좋은 물성을 지닌다는 것을 확인하였습니다. 그래서 수성연질폴리우레탄의 물성을 향상시켜보려고 하는데요. 우선, 수성연질우레탄폼에 대해 이해하기 쉽게 정리를 해주셔서 연구에 많은 도움이 되어 감사하다는 말씀 드리고 싶습니다.

수성연질폴리우레탄은 발포율을 높이기 위해서 경질폴리우레탄에 사용하는 것보다 폴리머 chain의 길이(큰 분자량)를 길게해서 flexible한 polyol을 사용한다는 것도 확인하였습니다. 그 중에서 궁금한 점은 아래와 같습니다.

Q1. 이전 게시글 (마. 폴리우레탄폼, 수성연질폼, 우레아폼 등.)에서 폴리우레탄의 분류에서, 수성연질 폴리우레탄(스프레이)이 경질폴리우레탄(스프레이)이 발포율이 좋다는게 스프레이를 뿌렸을 때, 제트 분사를 통해 뿌려지는게 훨씬 잘 뿌려진다는 것을 의미하는 것인가요?

Q2. 이걸 사용하는 이유가 사용되는 발포제의 종류에 따른 ODP지수에 의한 환경적인 이유도 있겠지만, 경질폴리우레탄(스프레이)이 발포율 성능 측면에서 현장에서 발포에 어려움을 보일정도로 많은 차이가 보여서 사용하게 되는 건가요? (결과적으로는 경질폼스프레이와 동일하게 분자량이 짧은 polyol을 polyisocyanate와 발포제 대신 물을 사용해 반응시킨다면 줄어든 물성을 보완할 수 있지 않을까 싶어서입니다. 물론 굳이 작은 분자량의 polyol을 써서 flexible하게 만들어 단열 스프레이를 제작한다는 건 그만한 이유가 있다고 생각해서 질문드립니다.)

Q3. 수성연질 폴리우레탄이 스프레이를 통해 현장에 적용되는 것에 대해 질문드립니다. 스프레이 안에는 polyurethane과 소량의 물이 이미 반응을 끝내서 생긴 CO2가 함께 들어있는 것인가요? 스프레이 안에 어떻게 구성되어서 발포되는건지 궁금합니다.
아래 사이트(7 page)를 참고해서 폴리우레탄이 CO2와 반응을 해서 생기는 것이 아니라 polyisocyanate의 말단에서 물과 반응을 해서 생긴다는 것을 알게 되었는데요. 만약 폴리우레탄과 물이 함께 들어있간다면, polyisocyanate는 반응을 끝내서 폴리머의 말단부분이 부족한 상황에서 물과의 반응이 잘 되지 않았다면 CO2가 잘 생기지 않아 발포가 잘 이루어지지 않았을 것이라 생각이 들어서입니다. 그래서 스프레이 하나를 만들때, polyisocynate + H2O + polyol을 동시에 빈 스프레이 통에 넣고 뚜껑을 밀폐해서 만드는 것인지요.

https://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-063-polymer-physics-spring-2007/assignments/polymer_foams.pdf

마지막으로는 질문이라기보다는 조언을 해주실수 있는지인데요... 제가 수성연질폴리우레탄 폼의 물성을 향상시키려는 방향은 아래와 같습니다.
아직 구체적인 방안은 찾고 있는 중이지만, complex modulus라는 물성을 조절하여 개선시키고자 합니다. 처음에는 뿌려질 때, shear가 가해지는 짧은 시간동안에는 viscoelastic "liquid" (viscous modulus) 를 높혀 flexible한 물성을 향상시켜 발포율을 높이고, 스프레이에서 발포된 폴리우레탄은 긴시간동안은 viscoelastic "solid" (elastic modulus) 를 높혀 mechanical property를 향상시키고자 합니다. 결과적으로는 첨가제를 넣는 방식을 통해 높은 분자량을 가진 polyol로 인한 긴 사슬 polyurethane에 branching을 시켜서 loss modulus를 낮춘다던지 하는 접근방식을 하게 될 것 같습니다만.... 혹시 이에 대해 배경지식을 가지고 계시다면 조언을 해주실 수 있으신지 궁금합니다.

제가 기본배경이 부족한 상황이라 기초적인 질문을 드려 수고를 끼쳐드린건 아닌가 싶습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

Comments

1 TBBlock 06.11 07:49
안녕하세요.

석사과정으로 폴리우레탄을 연구하신다니 반갑습니다.
질문하신 내용을 보니 아직 폴리우레탄을 직접 경험하진 않으신 것 같습니다.

저는 얼마 전까지 연구소에서 폴리우레탄으로 단열재 개발을 담당했었습니다.
 
아래 답변을 참고하시기 바랍니다.

Q1 발표율이 좋다는 의미?
  => 발포는 부풀어 오르는 것을 말합니다.
    발포율일 좋다는 의미는 최종 제품의 밀도가 낮다는 의미입니다.
 
Q2 사용의 목적?
  => 가장 큰 것은 환경규제 때문입니다.
    수성연질폼이 시장에 유통된 것은 불과 몇년 전부터 입니다.
    수성연질폼이 특별히 좋아서 사용하는 게 아닙니다.
    재료적인 물성은 예전 제품들이 월등히 좋았습니다.
 
Q3 발포가 이뤄지는 과정
  => 폴리우레탄은 기본적으로 주제 + 경화제 가 화학반응으로 우레탄 이 합성됩니다.
    이때 주제에 포함되어 있는 물이 경화제와 만나서 CO2 가 만들어 지게 됩니다.
 
 (번외)
  폴리우레탄 단열재의 가장 큰 장점은 열전도율이 다른 단열재보다 낮다는 것입니다.
  그런 단열성능은 발포제(blowing agent)때문에 생기게 되는데.. 이 발포제를 규제하기 시작했습니다. 그렇다보니.. 규제를 받기 않기 위해서 개발된 제품 중 하나가 수성연질폼입니다.

  사실 CO2 는 발포제로서는 그리 매력적이지 않습니다.
  다루기 어렵고.. 최종 제품의 품질도 떨어지고.. 제품 가격도 높아지고..

  그래서 수성연질폼을 만들때
  제품가격이 높아지기 때문에 원료를 덜 사용해야 하니 밀도를 낮게 만들고
  (제품밀도가 낮아지니.. 열전도율은 더 낮아지게 되고.. 그래서 반경질 제품도 개발되고)
 최종제품의 품질이 떨어지므로 (부스러지는 특성) 분자량이 큰 polyol을 이용해서 탄성을 부여합니다.
 열전도율이 다른 단열재보다 높기 때문에 첨가제 등으로 cell 을 작게 만듭니다.
1 TBBlock 06.11 20:07
답글 드린 부분에서 수정이 필요한 부분이 있었습니다.

제품 밀도가 낮아지면 열전도율은 높아집니다.
(답글에서는 열전도율이 낮아진다고 작성되었습니다.)
성능이 안 좋아진다는 말입니다.

그러면 수성연질폼은 비드법 단열재 혹은 글라스울과 비교해서 시공성만 장점이 있습니다.
어떤 분들은 준불연 난연성능이 있다고 말씀하실 수도 있겠습니다만..

실제는 그렇지 않습니다.

수성연질폼의 난연성능 시험성적서를 자세히 살펴보시면 모두다 복합체로 시험을 합니다.
표면에 석고보드를 붙여서 시험을 한다는 의미입니다.

그렇기 때문에 단열재 자체만으로는 준불연 성능이 없습니다.
G 김동우 06.13 00:09
답변 감사드립니다.

한 가지 더 궁금한 점이 있습니다.

스프레이에 있는 폴리우레탄이 물과 함께 분사될때, 폴리우레탄이 3차원의 네트워크를 형성하면서 경화된다고 알고 있는데요. 스프레이 안에서 이미 경화가 진행된 상태라 딱딱해져서 분사가 어려울텐데 어떻게 분사가 가능한건가요? 이는 경질도 마찬가지로 폴리우레탄이 반응하면서 3차원의 네트워크를 형성해서 딱딱해질텐데 어떻게 스프레이 폼의 형태로 분사가 가능한지 알고 싶습니다.

다시 한 번 기초적인 질문을 드린것 같아, 수고끼쳐드려 죄송합니다.
1 TBBlock 06.13 09:47
네..

https://www.youtube.com/watch?v=6f5DI8TwRAw
동영상을 보시면 스프레이 후 2~3초 후에 발포가 일어납니다.

네트워크 형성되는 시점은 발포가 일어나는 시점입니다.