Low thermal conductivity, low density and low flammability are required for thermal insulations. Many types of foams are used for thermal insulation in building, frozen food industries and LNG containment systems. Among many foams, phenolic foams are preferred for thermal insulation for building and vehicle due to its lower flammability and lower gas generation to any other polymer insulation foams. However, it takes long time to manufacture large size phenolic foams and the environmental regulation limits the use of blowing agents. Therefore, urethane foams and polystyrene foams are widely used in spite of their high flammability and toxic gas generation because conventional phenolic foams usually have higher thermal conductivity than expected, although it has very low thermal flammability.
In this work, a foaming method for the resole-type phenolic foams was developed using microwave and air instead of blowing agents, and its thermal and mechanical properties were measured. From the measured results, it was found that the phenolic foams developed had low thermal conductivity and low density suitable for insulation foams.
최근 높은 단열 성능과 낮은 밀도를 가진 단열재가 건축, 액화천연가스(LNG) 운반선, 냉동 산업, 우주 산업 등에 널리 요구됨에 따라 고분자 단열재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 높은 생산 속도와 단열 성능을 가진 다양한 형태의 고분자 단열재가 개발되었다.
단열재 수요의 대부분을 차지하는 건축용 단열재는 실내의 냉·난방 시 에너지를 절약하기 위하여 사용되며, 에너지 가격의 상승 $CO_2$ 저감을 위해 일정 수준 이상의 단열 성능을 가진 단열재를 사용하여 의무적으로 시공해야 한다. 또한 시공 편의성을 위하여 낮은 밀도를 가져야 하며 높은 생산 속도를 가져야 한다. 이외에도 전동차 등에는 높은 단열 성능을 가진 단열재를 적용하여 단열층의 부피를 줄임으로써, 넓은 실내 공간을 확보하는 연구가 진행되고 있다. 생활 공간에 사용되는 이러한 단열재들은 화재가 발생하여 연소될 때 유해 가스 발생량을 최소화 하여 높은 안전성을 유지 하여야 한다.
최근 대체 연료로 각광 받고 있는 LNG는 자동차, 가정용 연료 등으로 널리 사용되고 있으며, LNG를 운송하기 위한 주 수단으로는 LNG 운송선이 사용된다. LNG는 적재량을 증가 시키기 위하여 액체 상태 (-163℃)로 운송되기 때문에 높은 단열 성능을 가진 밀폐 구조가 요구된다. 또한 차세대 동력원인 연료전지 등에 메탄 가스를 사용할 경우를 대비하여 높은 공간 효율을 가진 LNG 저장 장치가 요구되고 있으며, 이를 위해서는 높은 단열 성능을 가진 단열재에 대한 연구가 필수적이다.
고분자 단열재는 주로 고온에서 형태를 유지할 수 있는 열경화성 수지 (Thermosetting resin)로 제작되며, 단열 성능을 향상시키고 밀도를 낮추기 위하여 발포제를 이용한 발포 방법이 널리 이용되고 있다. 열경화성 수지와 발포제를 혼합한 뒤 경화제, 유연제, 난연성 향상제 등의 첨가제를 추가하여 상온 또는 고온 환경에서 경화함으로써, Fig. 1.1과 같이 발포제에 의해 무수히 많은 셀 (Cell)이 형성된 저밀도 고분자 발포폼을 제조할 수 있다.
일반적으로 폴리우레탄폼 (Polyurethane foam), 폴리스티렌폼 (Polystyrene foam)과 같은 저밀도 고분자 발포폼은 단열재로써 필요한 낮은 열전도율과 밀도, 저렴한 가격 조건에 적합하며 기계적 물성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 고분자 발포폼은 연소 시에 유독 가스 발생량이 많기 때문에 건축물 또는 전동차 등에 사용될 경우 화재 시 많은 인명 피해를 초래한다. 이를 해결하기 위하여 자기 발화 온도 (Self-ignition temperature)가 높고, 연소 시 유독 가스가 거의 발생하지 않는 페놀 수지 발포폼 (Phenolic foam)이 연구 되었으나, 열전도율이 높아 단열 성능이 떨어지며 제조 시간이 길어서 널리 이용되지 못하고 있다. 또한 저밀도 고분자 발포폼 제조 시 사용되는 발포제는 지구 온난화 가스를 발생시켜 그 사용이 제한됨에 따라 새로운 친환경 발포제를 사용한 발포폼이 개발되고 있으나 높은 가격과 낮은 단열 성능으로 인해 경쟁력이 떨어진다. 그러므로 발포폼 제조 시, 발포제의 사용을 최소화하여 환경 규제를 만족하고 제조 원가를 낮추며, 생산 시간을 줄이고 높은 단열 성능을 가진 고분자 재료와 발포 방법이 요구된다.
본 연구에서는, 높은 단열 성능을 가지며 유독 가스 발생량이 적은 페놀 수지를 이용하였고, 발포제를 사용하지 않으며 생산 시간을 줄일 수 있고 높은 단열 성능을 확보할 수 있는 발포 방법에 대한 연구를 진행하였다.
일반적으로 페놀 수지 발포폼은 열전도율이 높아 단열 성능이 떨어지며, 이는 페놀 수지의 경화 반응에서 발생하는 $H_2O$의 영향이 매우 크다. $H_2O$는 약 0.58 W/m K의 높은 열전도율을 가지고 있기 때문에 발포폼 내부에 $H_2O$가 있을 경우 단열 성능이 크게 떨어진다. $H_2O$를 제거하기 위해서는 경화 온도를 $H_2O$의 끓는점 이상으로 유지하여 증발시켜 제거할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
발포제를 사용하지 않고 저밀도 페놀 발포폼을 제조하기 위해서는 수지가 경화되기 전에 가스를 수지 내부에 균일하게 분산시켜 부피를 크게 해야 한다. 이를 위해서는 페놀 수지가 경화되어 고체 상태에 이르기 전에 수지 내부에 기체를 균일하게 분산시키고 가스가 수지에서 이탈하지 않도록 유지하는 방법에 대한 연구가 필요하다.
페놀 발포폼의 생산 시간을 줄이기 위해서는 페놀 수지의 경화 속도를 빠르게 해야 한다. 이를 위해서는 페놀 수지를 빠르게 경화하고 제조 공정에 적합한 경화제의 농도와 새로운 경화 방법에 대한 연구가 필요하다.
이러한 다양한 요구 조건을 동시에 만족시킬 수 있는 페놀 수지 발포 방법에 대한 연구는 매우 부족하여, 현재까지 연소 시 유독 가스 발생량이 많아 안전성이 떨어지는 폴리우레탄폼 또는 폴리스테렌폼이 널리 사용되고 있는 실정이다. 따라서 페놀 수지를 이용하고, 높은 단열 성능과 생산 속도를 가진 친환경 발포 방법이 개발된다면 기존의 고분자 발포폼을 대체하여 안전성을 크게 향상 시킬 수 있을 것이다.
