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4-04. 단열재의 종류 및 특징 - 마. 폴리우레탄폼, 수성연질폼, 우레아폼, PUR, PIR

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By. 2014.02.16 00:20

폴리우레탄폼, 수성연질폼, 우레아폼, PUR, PIR

 

폴리우레탄의 사용처에서 단열재가 차지하는 것은 매우 작은 편에 속한다. 폴리우레탄은 인간이 발견한 화학소재 증 가장 그 응용의 범위가 넓은 소재 중 하나인데, 의류부터 시작해서, 안경테, 카메라몸체, 가구, 신발, 건설자재(단열,방수,몰딩), 심지어 우주공학과 모형, 피규어 분야까지 그 사용범위가 깊고 넓다. 아직도 수많은 폴리우레탄 응용제품이 새롭게 개발되고 있고, 앞으로도 그러할 것이다.

 

건축분야에서는 절연재로써 그 역할을 하고 있는데, 밀도가 비교적 낮은 제품은 이른바 보드형태 또는 스프레이 형태의 단열재로 사용되고 있고, 밀도와 강도가 높은 제품은 알루미늄창호의 절연재로도 사용되고 있다.

 

제품을 분류하자면 아래 그림과 같다.

 

종류.jpg

 

 

우선 우리나라의 KS M 3809 경질폴리우레탄폼 단열재 (THERMAL INSULATION MATERIAL MADE OF RIGID URETHANE FOAM)의 기준을 따르고 있는데 이 기준에서 경질 폴리우레탄 폼은 1종과 2종으로 나누어 지고 있고, 그 구분은 아래 그림과 같다.

 

M3809_2002 (1)_Page_02_s.jpg

 

 

즉, 1종은 표면에 아무것도 없는 누드폼이고 2종은 패브릭(천) 또는 알루미늄박막으로 표면이 처리된 것을 의미한다. 이 종류가 밀도에 따라서 1호~3호까지 구분되어 진다.

 

또한 각 종류별 성능 기준치는 같은 규정에 의해 다음과 같다.

 

   

 

M3809_2002 (1)_Page_04_s.jpg


 

 

경질폴리우레탄폼 단열재에 표면이 있는 것은 그 제조 과정상 필요한 필수적인 것으로써 오히려 1종처럼 누드로 만드는 것이, 표면이 붙어 있는 결과물에서 표면을 제거하는 후속 공정이 따라야 하므로, 2종보다 1종이 더 비싸다. 그러므로 현재 우리나라 시장에서는 2종의 판매가 주종을 이루고 있다.

 

 

CAM00445_s.jpg

<경질폴리우레탄폼 1종>

 

 

 

 

CAM00447.jpg

<경질폴리우레탄폼 2종>

 

 

 

2종 중에는 아래와 같이 알루미늄으로 싸여진 제품도 있다.

 

 

PUR-AL.jpg

 

 

    

우리나라에서는 경질폴리우레탄폼이라는 단일이름으로 불리우고 있지만, 이 우레탄폼은 크게 PUR(polyurethane)과 PIR(polyisocyanurate)로 나뉜다.

PUR과 PIR은 비록 같은 통칭으로 불리우고 있고, 같은 PU계열이기는 하나, 분자구조가 다른 물질이다.

아래에 자세히 나오겠지만, PIR은 기존 PUR의 특성에 난연성을 높이려고 개발한 제품이다.

그러므로, 이 글에서는 폴리우레탄폼의 일반적 특성부터 설명하고 PIR만 별도로 나누어 특징을 열거하는 방법으로 서술하도록 한다.

 

시장에는 경질폼, 연질폼 등으로도 나뉘어져 있는데, 본질적으로는 모두 PU 계열이다. 연질폼은 자동차시트, 신발밑창 등에 많이 사용된다.

 

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어려운 원재료의 이름 또는 화학변화에 대한 내용은 이 글을 보시는 분과 상관없을 것으로 판단되므로 언급하지 않도록 하겠다.

 

그럼에도 불구하고, 정의를 제대로 알고 싶은 분을 위해서 위키의 링크를 적는다.

아래는 한글로 된 폴리우레탄의 위키내용이다.

http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8F%B4%EB%A6%AC%EC%9A%B0%EB%A0%88%ED%83%84

 

아래 링크는 비록 영문이기는 하나, 항상 그렇듯이 매우 잘 정리가 잘 되어져 있다.

http://en.wikipedia.org/wiki/Polyurethane

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폴리우레탄은 주원료 두 개와 몇 개의 첨가제를 반응시켜 발포를 한 결과이며, 발포의 과정은 아래 그림에서 잘 볼 수 있다.

 

발포는 현장발포와 공장발포로 나뉘어 지는데, 우리가 흔히 보는 보드형식의 단열재는 모두 공장제작이다.

 

How-is-it-made.jpg

 

 

<폴리우레탄의 발포과정, 출처:http://brufma.co.uk/what-is-pirpur/>

 

 

폴리우레탄폼(경질우레탄보드)의 사용처

 

아래 사진은 폴리우레탄의 전자현미경 사진이다.

 

1-s2.0-S0141391002000344-gr1.jpg

 

 

<폴리우레탄폼의 현미경사진, 출처 : http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391002000344>

 

 

사진에서 보다시피 Close Cell 이긴 하나 완전체는 아니기 때문에 흡수과 투습이 작게나마 기록된다. (Close Cell 비율이 90% 이상)

 

아래 표는 비드법, 압출법, 폴리우레탄폼의 KS규격에 명기된 흡수율과 투습성능을 서로 비교하기 쉽게 표로 만들어 놓은 것이고, 투습성능은 다시 Sd값으로 변환시켜 놓았다.

   

  <?XML:NAMESPACE PREFIX = O />

밀도

(kg/㎥)

흡수량

(g/100cm2)

투습성능

(ng/m2·s·Pa)

Sd값

(두께 100mm)

비드법1호

30

1.0이하

146 이하

5.372 이상

비드법2호

25

208 이하

3.772 이상

비드법3호

20

250 이하

3.136 이상

비드법4호

15

1.5이하

292 이하

2.688 이상

압출법특호

35

-

 

146 이하

5.372 이상

압출법1호

30

압출법2호

25

압출법3호

20

폴리우레탄폼 1종1호

45

3.0이하

145 이하

5.408 이상

폴리우레탄폼 1종2호

35

185 이하

4.24 이상

폴리우레탄폼 1종3호

25

225이하

3.484 이상

폴리우레탄폼 2종1호

45

40 이하

19.608 이상

폴리우레탄폼 2종2호

35

폴리우레탄폼 2종3호

25

 

표에서 알 수 있듯이 폴리우레탄품은 투습은 어렵고, 흡수량은 비드법보다 좀 더 높다. (시험성적서 결과를 보면 한계값의 절반 이하로만 나타난다. 보통 0.5~1.5g/100cm2 내외) 경질우레탄보드도 비드법과 마찬가지로 물이 직접 닿는 부위에의 사용은 불가능하다.

 

아래 그림은 EN 12087 규정에 의해 28일간의 흡수율을 측정한 그래프이다. 28일 후 체적의 약 1.3% 흡수를 하는 것을 볼 수 있고, 1m x 1m x 0.1m 의 폴리우레탄 단열재에 약 1.3kg의 물이 흡수된다는 뜻이므로 작은 양은 아니다.

 

purwaterabsober.jpg

 

 

<폴리우레탄폼의 흡수율시험, 출처 : Thermal insulation materials made of rigid polyurethane foam, Bing>

 

다만, 폴리우레탄폼 2종의 경우 표면의 마감재 때문에 흡수량이 측정되지 않는데, 이 것이 표면에 부직포 등이 붙어 있기 때문이다. 숫자상의 결과는 흡수량이 없으나, 결국 측면의 노출부위로 흡수가 되기 때문에 물이 직접 닿는 곳에 사용될 수 없는 것은 동일할 것이다.

 

비록 밀도가 매우 높게 올라가면 흡수율이 극히 낮아져 무시할 정도가 될 것으로 예상되나, 가격이 급격히 올라가게 되므로 결국 XPS 와의 가격경쟁력이 없어지므로 의미가 없어진다. 그러므로 현재까지 물과 직접 접하는 부위의 단열은 XPS외에는 별 다른 대안이 없다.

 

 

경질폴리우레탄폼 스프레이폼의 목조건축물 사용 가능성

 

Sd값이 100m를 넘어가게 되므로 완전불투습 자재로써, 목조건축물에는 사용될 수 없다. 특히 투습성이 좋지 않은 OSB와 역시 투습성능이 없는 경질폴리우레탄폼과의 상성은 매우 좋지 않다. 

이는 경질폴리우레탄 스프레이폼이 경화한 후에 (온도에 따라 다르지만) 미세하게 수축을 하게 되고, 시간이 지나면 접착력이 약한 부분이 벌어지게 되는데 이 틈으로 들어간 수분은 재료의 불투습성 때문에 빠져나오지 못하게 되므로 구조체의 손상으로 이어질 수 있기 때문이다. 또한 현재 목조주택에 사용되는 다른 제품과 비교해 볼 때 가격경쟁력도 많이 낮다.

 

 

폴리우레탄 스프레이 방수제

 

경질폴리우레탄을 지붕(주로 체육관 등) 외부에 뿌려 단열성능을 높이고, 방수성능을 가지게 하는 공법이 있다. 경질폴리우레탄스프레이 후에 우레아폼 등으로 마감과 함께 UV코팅 처리를 하게 된다. 방수제로 사용되는 폴리우레탄은 폼의 발포율을 줄여서 흡수율을 낮춘 제품이 사용되며, 상부 코팅이 주로 방수성능을 담당한다.

 

   

foam_diagram.gif

<폴리우레탄방수, 출처 : http://www.sunvekroofing.com/foam_roofing.htm>

 

 

 

x-0222_s.jpg

 

 

<폴리우레탄방수, 출처 : http://commercialroofinglosangeles.wordpress.com/tag/spray-foam/>

 

 

표면의 코팅은 강도를 높이고, 방수성능 향상의 목적으로 혼용된다.

다만, 이 때 주의할 사항은 폴리우레탄폼의 작업온도가 5~55도로 정해져 있는데 철판지붕의 온도는 여름에 대부분 이 온도를 넘어가게 되며, 한 겨울에는 천공복사에 의해 매우 낮은 온도를 유지할 수 있다. 그러므로 현장의 표면 온도에 주의하여 사용되어야 한다. 또한 공기 중의 습기와 반응하여 경화하므로 상대습도 85% 이상인 외부에서의 작업도 허용되지 않는다. 조기경화로 인해 원하는 성능이 나오지 않기 때문이다. 우리나라 여름철에 상대습도가 85%를 넘는 날은 매우 많으므로 주의해야 할 부분이다.

허용온도나 습도를 벗어나면, 제대로 된 흡착이 되지 않고, 수축/팽창율이 허용치를 벗어나면서 하자의 직접적 원인이 될 수 있다.

 

이를 정리하면 다음과 같다.

 

폴리우레탄폼 작업 불가 환경

밀폐된 공간

용접 등 인화의 원인이 될 수 있는 작업이 진행되는 공간

4℃ 이하

55℃ 이상

상대습도 85% 이상

 

 

창호 틈새의 폴리우레탄 충진

 

현장에서 기밀성/단열성 향상을 목적으로 창호틈새를 폴리우레탄으로 충진하는 것을 많이 볼 수 있는데, 이는 그리 좋은 방법은 아니다. 기밀성능 편에서도 언급을 했지만, 경질폴리우레탄폼은 완전히 경화한 후에도 수축을 하기 때문에 결국 언젠가는 접착면이 탈락을 하게 되고 이 틈으로 누기가 발생되면서 하자가 따라 온다. 그러므로 충진의 효과를 100% 내기 위해서는 반드시 전용 기밀테잎으로 마감을 해주어야 한다.

또한 작업의 순서에도 주의 해야 한다. 창호의 한쪽면에 기밀테잎을 미리 붙혀 놓으면 추후 폼을 충진하면서 이 기밀테잎을 밀면서 부풀어 오르게 되므로 후속 작업에 난항을 겪게 된다. 그러므로 반드시 충진을 먼저 한 후, 내외부 기밀테잎을 붙혀야 한다.

작업 순서를 그림으로 표현하면 다음과 같다.

 

 

창호의 기밀.JPG

<창호의 폴리우레탄과 기밀테잎 작업순서>

 

 

*최근에 경화되지 않는 연질폴리우레탄 스프레이도 나오므로 창호 틈새 등의 충진은 연질폴리우레탄폼을 이용하는 것이 여러모로 유리하다.

 

그리고, 폴리우레탄은 발포시 최소 80℃ 이상의 발열반응이 나타나므로 PVC창틀에 사용할 경우 PVC의 변형도 올 수 있으므로 넓은 틈에 다량의 폼을 동시에 채우는 일은 지양해야 한다.

 

 

 

폴리우레탄폼의 단열성능 경시변화

 

폴리우레탄의 단열성능은 상기 KS규정에 나와있지만, 단열성을 제대로 논하기 위해서는 두가지 관점에서 이야기가 되어야 하는데, 첫 번째는 역시 경시변화이다.

 

압출법단열재와 마찬가지로 폴리우레탄폼 단열재도 내부의 단열가스가 공기와 서서히 치환되면서 단열성능이 떨어지는 일이 발생한다.

단열재별 실험시작 후 365일이 경과한 시점의 단열성능 변화는 다음과 같다.

 

단열재경년변화.jpg

 

 

<단열재별 경년변화, 출처 : 건축단열재의 장기 경년변화에 따른 열전도율 변화에 관한 실험연구 II, 최현중외 4인, 대한건축학회 학술발표논문집, 2003>

 

 

연구에 따르면 경질우레탄폼은 비록 압출법보온판의 변화에는 미치지 못하나 약 21%의 단열성능 하락이 관측되었다.

 

폴리우레탄보드의 시험성적서를 보면 KS에 의한 표준값과는 다르게 대게 0.018~0.019 W/mK를 보이는데, 이 것이 약 1년정도 경과하면 KS에서 정한 값으로 변화가 있다는 뜻이니 패시브하우스를 제대로 계산하기 위해서는 시험성적서가 아닌 KS값으로 에너지해석을 하면 추후에도 무리가 없을 것이다.

법적으로는 시험성적서의 결과를 따를 수 있게 되어 있기 때문에, 스스로 열전도율을 높혀서 계산하지 않는 한 불행히도 업체에서 이 연구결과를 반영할 의무를 없다.

 

이 경년변화에 대한 내용은 해외문헌에서도 볼 수 있다.

 

 

폴리우레탄경년변화2.jpg

<폴리우레탄보드의 열전도율 경년변화, 출처 : Thermal insulation materials made of rigid polyurethane foam, Bing>

 

 

아래 발포제별 특성에서 다시 언급하겠지만, 국내 논문의 시작점은 0.019W/mK 이나, 해외문헌은 0.022W/mK에서 시작되는데, 이는 내부 단열가스의 종류가 달라서 생기는 차이이며, 본질적으로 다른 제품은 아니다. 여기서도 초기값에 비해 약 17% 정도 단열성능이 저하됨을 할 수 있다.

 

이런 이유로 협회에서 인증을 받는 건물에 경질폴리우레탄 단열재를 사용했다면, 시험성적서와는 상관없이 열전도율을 시험성적성 보다 20% 높힌 약 0.024 W/㎡K 로 계산을 한다. 경질폴리우레탄보드를 사용하고자 하시는 분들은 참고하시길 바란다.

    

폴리우레탄의 발포제별 단열특성

 

폴리우레탄의 단열성능은 내부에 담고 있는 기체가 약 50%를 넘는 비율로 성능을 결정한다. 나머지 50%는 분자의 구조와 원재료의 특성인데 이는 거의 동일하다. 즉, 내부에 어떤 가스가 채워져 있는가가 폴리우레탄의 단열성능을 좌우한다고 이야기할 수 있는 것이다.

 

구성표.jpg

 

 

<폴리우레탄폼의 단열성능 결정인자, 출처 : 미쯔이화학 카달로그>

 

 

이 가스는 별도로 주입하는 것이 아니라, 발포를 위한 가스가 우레탄이 발포되면서 내부에 머물러 단열성능을 높이는 역할을 하고 있다.

아래 표는 대표적 발포제별 열전도율을 표기한 표이다.

 

 

끓 는 점 (℃)

기체

열전도율

(mW/mk @ 10℃)

공기중

인화 

한계농도

(vol.%)

ODP

(오존파괴

지수)

GWP

(지구

온난화지수)

CFC-11

24

7.4

none

1.0

1000

HCFC -141b

32

9.7

5.6

~17.7

0.11

713

시클로

펜탄

49

11

1.5~8.7

0

25이하

HFC -245fa

15.3

14(40℃)

none

0

1020

CO2

-79

16.3

none

0

1

 

 

 

현재 우리나라는 냉장고를 제외하고 모두 HCFC-141b를 발포제로 사용하고 있는데, 비교적 열전도율이 낮아 단열성능이 높게 측정된다.

그러나, 문제는 상기 표 오른쪽의 오존파괴지수(ODP, HCFC-11과 상대비교한 값)와 지구온난화지수(GWP, CO2와 상대비교한 값)이다. 이 두가지 값 때문에 CFC-11의 사용이 전세계적으로 금지되어져 있고, HCFC-141b도 선진국은 이미 사용금지에 들어갔으나, 우리나라는 개도국의 지위로 아직까지 시장에서 대부분 사용되고 있다.

 

하지만, 올해(2013년) 녹색건축물인증기준이 변경되면서, 이 두가지 지수의 기준이 선진국 수준으로 강화될 전망이다. 즉, 지구온난화지수(ODP)는 0.1이하, 지구온난화지수(GWP)는 100 이하인 단열재를 사용해야 만 단열재 항목을 통과할 수 있다.

물론 이 부문의 점수를 받지 않더라도 다른 부문에서 점수를 획득하면 되므로, 매우 격한 변화를 기대하기는 어려우나, 폴리우레탄단열재 시장의 미묘한 변화가 예상된다.

 

** 패시브하우스가 환경친화를 동시에 지향한다고 전제한다면 현재 우리나라에서 사용되는 경질우레탄보드를 패시브하우스에 사용하기는 조금 남부끄러운 일일 수 있다.

 

현재 유력한 대안은 냉장고용 폴리우레탄발포제로 사용되는 시클로펜탄인데, 이를 사용하면 열전도율이 올라가는 것도 고려해야 하지만, 이 가스가 매우 다루기 어려워(폭발가능성이 올라감) 제조회사에서는 이를 위한 설비 투자가 추가로 있어야 하고, 이를 위해서는 설비가격이 결국 제품가격에 반영되어야 하므로 그리 쉬운 문제는 아닐 것 같다. (완성된 제품은 폭발하지 않는다. - 노파심)

 

** 냉장고는 글로벌 수출을 고려해야 하기 때문에, 일찌감치 선진국 규제를 피하고자 시클로펜탄을 발포제로 사용해 왔다.

 

문제는 이 시클로펜탄의 열전도율이 CFC-141b 보다 높아 단열재의 열전도율이 약 20% 정도 상승된다는 것이다. 즉, 환경친화를 고려하여 발포가스를 변경하면 지금까지의 매우 낮은 열전도율을 우위로 한 마케팅이 어려워 질 수 있다는 이야기이므로 폴리우레탄업계에서는 깊은 고민일 수 밖에 없다.

 

다음 후보는 CO2이다. CO2는 표에서 보다시피 시클로펜탄보다 열전도율이 높다. 그러므로 이를 발포제로 사용하는 것은 경질폴리우레탄폼의 열전도율을 더욱 높이는 결과를 초래하기 때문에 업계로써는 난색을 보일 수 밖에 없다. 그러나, 시클로펜탄보다 더 환경친화적 제품에 가까워질 수는 있다.

 

 

 

경질폴리우레탄폼의 난연성

 

이른바 경질폴리우레탄폼 중에서 PUR로 분류되는 제품은 난연제를 첨가한다고 하더라도 난연성이 있다고 말할 수 없다. 이 난연부분은 아래 PIR에서 추가적으로 설명된다.

시험성적서 중 아래와 같은 내용을 가진 제품이 있으나, 가스유해성시험을 통과하는 것은 모두 PIR 뿐이다. 그러므로 시험성적서에 있는 시험체명이 그냥 “폴리우레탄폼”이라고 적혀 있더라도 이는 폴리우레탄폼 중 PIR에 대한 시험성적서라고 이해해야 한다.

그러므로, PUR은 내단열재로 사용되어서는 안된다.

 

 

 

난연3급_시험성적서0001_Page_1.jpg

 

 

 

 

경질폴리우레탄폼의 외단열 가능성

 

외단열미장마감공법은 자재의 변형이 거의 없어야 하는 것이 중요한 요구사항이다. 이른바 온도에 의한 신축율이 높거나, 휨 특성이 크다면 외단열미장마감공법에 사용되어서는 안된다. 폴리우레탄폼은 밀도가 높을수록 신축율이 적어지고, 휘어지려는 특성이 작아져 높은 밀도일수록 사용가능성이 높아지는데, 경질폴리우레탄폼 중 PUR은 PIR에 비해 성능이 떨어진다.

그러므로 PUR을 외단열미장마감공법에 사용하기 위해서는 밀도가 50kg/㎥은 넘어야 할 것으로 예상하고 있으며, PIR은 30kg/㎥을 넘기면 사용될 수 있을 것으로 보고 있다. 이는 ETAG-004 규정에 의해 외단열미장마감공법에 사용 가능한 경질폴리우레탄폼은 PIR 중 밀도 30kg/㎥ 이상이어야 한다는데 근거한 추론이다.

 

PUR이 50kg/㎥을 넘기면 가격이 많이 올라가기 때문에 결국 PUR을 외단열미장마감공법에 사용할 일은 없을 것으로 보고 있다.

PIR을 외단열미장마감공법에 사용할 경우 허용크기는 1,000 x 500mm 이내이다.

 

 

    

수성연질(폴리우레탄 스프레이)폼

 

수성연질폴리우레탄폼은 재료의 비율을 조절하여 발포율을 매우 높힌 제품으로, 밀도가 낮은 반면(약 10kg/㎥이내)에 큰 체적으로 부풀어 오르고, 경화 후에도 일정한 탄성을 유지하고 있는 것이 특징이며, 경질폴리우레탄폼과는 다르게 Open Cell 구조로 되어져 있다.

 

수성연질폼에 “수성”이라는 이름이 붙은 것은 폴리우레탄을 생성하는데 있어서 발포가스를 CFC계열이나 펜탄계열을 사용하는게 아니라, 물(H2O)를 발포제로 사용한다. 하지만 엄밀히 이야기하면 물로 발포되는 것이 아니라, 물이 원료와 화학반응을 일으켜 생성되는 CO2를 발포제로 사용한다고 설명되는게 맞다.

 

foam-insulation.jpg

 

 

<수성연질폴리우레탄폼, 출처 : http://www.ci.bellaire.tx.us/index.aspx?NID=917>

 

상기 발포제별 특성표에서 볼 수 있듯이 CO2는 ODP와 GWP 지수면에서 매우 우수하다. 또한 물을 매개로한 발포를 하기 때문에 위험도도 매우 낮다.

이 물을 매개로 한 CO2발포는 그 첨가제의 비율로 발포율을 조절해서, 고밀도발포를 하면 수성경질우레탄폼이 되고, 저밀도발포를 하면 수성연질우레탄폼이라고 불린다. (우리나라는 “우레탄”이라고 하는 명칭이 친환경이미지를 만드는데 걸림돌이라고 판단을 하셨는지, 대부분의 제조회사에서 “수성연질폼”으로 불리우기를 희망하고 있다.)

 

모든 특징은 경질폴리우레탄폼과 같으나, 상기 가스 특성표에서 보다시피, 폼의 단열성을 대부분 결정하는 발포가스가 CO2를 사용하는데, 가스 자체의 열전도율이 많이 높기도 하지만, Open Cell 구조라서 CO2는 빠른 시간 내에 공기와 쉽게 치환된다. 즉, 공기로 단열성을 가지게 되므로 기타 무기질단열재와 거의 같은 0.038~0.04W/mK 정도의 높은 값을 갖는다.

 

또한 CO2가스가 방출되므로 밀폐된 공간에서의 작업은 (당연하겠지만) 해서는 안되며 복장도 확실히 갖추어야 한다. (경질폴리우레탄 스프레이폼의 현장발포는 인화가 되는 휘발성물질을 용제로 사용하기 때문에 밀폐된 공간에서의 작업을 더더욱 불가능하다.)

 

만약 경질폴리우레탄폼의 발포가스가 ODP 지수 등의 규제로 인해 CO2를 사용하게 된다면 수성폴리우레탄폼과 밀도 외에는 다를 바가 없게 되어 (Close Cell 이라 할지라도) 열전도율은 지금 보다 많이 올라가게 되므로, 폴리우레탄폼 제조사의 고민이 깊어 질 수 밖에 없다. 여기에 가스의 누출로 인한 경년변화까지를 고려한다면 더욱 그러하다.

 

** 수성연질폴리우레탄 스프레이폼은 Open Cell로써 발포와 동시에 이미 공기와 치환이 되므로 경년변화가 없다.

 

수성폴리우레탄폼은 열전도율은 높고, 가격은 경질우레탄폼과 거의 같으므로 시장에서는 크게 환영받지 못하고 있으나, 녹색건축물 등에서 요구하는 조건을 따지게 되면 시장은 확대될 것으로 전망하고 있다.

 

** 정리하자면 현재의 CFC-141b (9.7 mW/mK) 의 사용에서 시클로펜탄 (11 mW/mK)으로 넘어가느냐, CO2 (16.3 mW/mK)으로 넘어가느냐의 문제인데, 예상되기로는 현재의 매우 낮은 열전도율로 시장의 확대를 열어온 우레탄업계의 입장에서 비록 더 환경친화적이긴 하지만 열전도율면에서 매우 불리한 CO2로 넘어가는 것은 어려울 것으로 전망된다. 물론 다른 대체 발포제의 대한 연구도 계속되고 있으므로 섣부른 예상은 아직 이르다.

 

** 우리나라 경질폴리우레탄폼의 열전도율이 대게 0.018~0.019 W/mK이지만, 유럽에서 생산되는 경질폴리우레탄폼의 열전도율이 대게 0.024~0.028 W/mK을 나타낸 다는 것은 이미 유럽에서 CFC-141b를 사용하지 않는다는 것을 알 수 있다.

 

 

수성폴리우레탄 스프레이폼의 목조 건축물 사용 가능성

 

수성연질폴리우레탄 스프레이 폼은 Open Cell 구조로써 목조건축물에 당연히 사용될 수 있을 것으로 판단되나, 불행히도 국내 어느 회사에도 투습성(Sd값)에 대한 시험성적서를 받을 수 없었다. 그러므로 아직까지는 판단을 유보한다.

 

 

수성연질폴리우레탄폼의 난연성

 

시험성적서로는 난연3급에 해당한다. 업계에서는 경질폴리우레탄폼과는 다르게 유해가스가 전혀 나오지 않는다고 이야기하고 있다, 그러나 유기화합물의 특성상 불가능하며, 이에 대한 증거로써 아래 수성연질우레탄폼의 난연3급에 해당하는 가스유해성시험과 독성가스 시험성적서를 첨부한다.

 

20130523200625_00002_e.jpg

 

 

<수성연질폴리우레탄폼의 가스유해성시험성적서>

 

 

 

20130523200625_00001_e.jpg

<수성연질폴리우레탄폼의 독성가스지수 시험성적서>

 

 

 

참고로 독성지수는 전체 가스 중 기준치에 대한 발생량의 비율을 나타낸 것으로써 기준치보다 높으면 1.0 보다 큰 숫자로 표기된다. 일부 회사에서 주장하듯 “전혀 안나오고” 있지 않다. 

또한 1.0보다 낮다고 해서 완전히 안전한 것도 물론 아니다. 유기단열재는 항상 화재에 대한 고려를 해야 한다. 그러므로 목조주택에 이를 사용할 경우에는 화재 확산을 막도록 석고보드를 반드시 두겹이상 사용해야 한다.

 (사실 무기단열재를 사용해도 화재시 구조체의 안전을 위해 석고보드 두겹의 시공은 필수적이다.) 목구조가 내화구조로 인정받은 것을 보면 9.5t 석고보드 두장을 사용한 결과로 인정받은 것을 인지해야 한다.

 

 

 

PIR

 

PIR은 Polyisocyanurate 에 배합재료를 달리해서 분자구조를 더욱 안전화시킨 폴리우레탄폼이다.

 (개인적으로는 PUR과 PIR을 모두 폴리우레탄폼이라고 부르는 게 이해가 되지 않는다. 특성이 다르므로 업계에서는 미래 시장을 위해 다른 이름으로 정해야 하는 것이 맞지 않을까 하는 생각인데, 화학분야는 전혀 모르고 있고, 또 안다고 하더라도 명칭은 전문가의 영역이라 뭔가 이유가 있어서 같은 이름으로 부르고 있다고 생각할 뿐이다. 그래도 만약 이름을 달리한다면 “폴리이소시안우레이트”는 너무 길어 결코 외우지 못하므로 “폴리이소시안폼” 또는 “개량폴리우레탄폼”이라고 하는 것은 어떨까 한다. - 관계자분께서는 애교로 보아주셨으면 한다. )

 

이 소재를 좀 더 자세히 알고 싶은 분을 위해 영문이기는 하나 링크를 옮긴다.

http://en.wikipedia.org/wiki/Polyisocyanurate

 

PIR과 PUR의 분자구조 차이는 아래와 같다.

 

nPIR보드 카다로그_1.jpg

 

 

<PUR의 분자구조>

 

 

 

 

nPIR보드 카다로그_2.jpg

<PIR의 분자구조>

 

 

보면 PIR이 환형의 안정적 형태를 취하고 있어 난연성, 온도변형성 등에서 PUR보다 나은 결과를 보여준다고 한다. 열전도율도 동일한 가스를 사용하더라도 더 낮게 측정된다. (약 0.002 W/mK 정도 차이) 이는 참고한 문서에서도 언급되고 있지는 않지만 환형구조의 특성상 열전달 경로가 길어져 열전도율도 더 낮은 것이 아닌가 추측한다.

 

** 분자구조가 안정적이라서 제품 안정적라하니... 화학의 세계도 참으로 아름답고 신비스러운 면이 있는 것 같다.

 

이 PIR은 최근 몇몇 국내 회사에서도 마케팅에 공을 들이고 있는 것을 쉽게 찾아 볼 수 있다.

그러나, 역시 동일한 회사에서 PUR도 만들고 있고, PUR의 사용이 아직은 많으므로 강력하게 PUR을 비판하고 있지는 않고 있다.

 

어찌되었건 여러 가지 면에서 PUR보다는 특성이 우수하다. 물론 가격도 더 비싸다.

 

PIR의 특성 중 중요한 것은 난연성의 향상이며, 열에 의한 변형율도 적다. 그러므로 외단열미장마감공법으로 사용될 수 있으나, 역시 유기질이므로 독일 규정에 의하면 다른 유기질과 마찬가지로 22m를 넘는 높이의 건물에는 사용될 수 없다.

난연3급이지만, 수성연질폴리우레탄폼과 마찬가지로 유해가스가 완전히 안나오는 것은 아니니 역시 사용에 주의해야 한다.

 

가장 큰 문제는 난연등급의 시험성적서를 제시하고 실제 현장에 들어오는 제품은 난연이 아닌 제품을 납품하는 회사도 있으니 개탄할 일<http://knnews.kr/news/articleView.php?idxno=625164>이다. 무조건 싼 것만을 찾는 이 현상이 언제까지 지속될 것이지 궁금할 뿐이다. 다 함께 망하는 최단의 지름길로 달려가고 있다는 생각뿐이다.

 

그리고, PIR은 그 특성상 발포에 더 높은 온도를 필요로 해서 사실상 현장발포가 불가능하다.  그러므로 현장에서 스프레이폼으로 발포 사용하는 모든 폴리우레탄폼은 PUR이라고 보아야 한다. 이는 현장폼이 모두 난연 등급을 받지 못한 제품임을 뜻한다.

 

 

우레아폼

 

우레아폼은 우레탄폼과는 완전히 다른 물질이다. 이 물질은 수지계열이며 정식 명칭은 우레아-포름알데히드폼(Urea-formaldehyde foam) 이다. “포름알데히드”라는 명칭은 많이 들어보았을 것이다.

 

이 폼은 1970년 이전에 서양에서 많이 사용을 하였으나, 수축이 심하고 경화 후에 부서져 내리는 많은 문제를 야기해서 사용이 중단되었다. 물론 그 뒤로 수축율을 2~4%로 줄인 제품이 개발되었으나, 가장 큰 문제는 발포시 다량의 포름알데히드를 방출했다는 것이다. 그러므로 제품의 개선을 떠나서 이제는 주거시설에 우레아폼을 사용하는 것은 금지되어 있다.

 

최근에는 이 대체품으로 멜라민수지가 개발되어져 있다.

 

이 모든 내용은 위키사전<http://en.wikipedia.org/wiki/Urea-formaldehyde>에 있는 내용을 그대로 옮긴 것이다. 아래 사진은 1970년대 이전의 우레아폼을 사용한 목조주택의 내부를 해체한 사진이다. 폼이 모두 수축되어 부서진 것을 볼 수 있다.

 

Urea-formaldehyde_insulation.jpg

 

 

<우레아품의 사용한 주택의 내부, 출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Urea-formaldehyde_insulation.jpg>

 

 

발포 과정이나 결과를 육안으로 보면 경질폴리우레탄과 거의 흡사하여 구분하기 어려우나, 경화 후 만져보면 경질폴리우레탄 보다 더 경질이고, 그래서 쉽게 부서지는 것이 다르다.

 

앞서 이야기를 했듯이 체육관 지붕 등의 단열/방수 방법으로 경질폴리우레탄폼을 뿌리고 그 위에 방수성능과 경도를 높이는 코팅제로 우레아폼을 사용하는 경우가 있는데, 포름알데히드는 대표적인 발암물질이므로 다량의 포름알데히드를 방출하는 우레아폼의 작업시 작업자는 반드시 방독면을 쓰고 작업을 해야 하며, 비록 법적 규제를 받지는 않지만 도심지에서의 작업은 금해야 한다.

 

이에 대한 내용은 아래 링크에서도 확인할 수 있다.

http://buildipedia.com/knowledgebase/division-07-thermal-and-moisture-protection/07-20-00-thermal-protection/07-21-00-thermal-insulation/urea-formaldehyde-foam-insulation-material

 

<출처 : 한국패시브건축협회, www.phiko.kr>

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