In this study, we investigated the relationship between nano-bubbles and rigid polyurethane foams (r-PUF). Two series of polyol and CO₂ nano-bubble applied polyol were prepared with two types of blowing agents to synthesize r-PUF. Visco-analyser and nano-particle tracking analysis (NTA) were employed to determine the optimal formation point of nano-bubble. Also, scanning electron microscope (SEM), ultimate tensile strength machine (UTM), electronic scale and portable calorimeter analysis were performed for the overall property evaluation of nano-bubble applied r-PUF. Nano-bubbles were found to have approximately 150 nm size by 3.08×10¹⁰/1 mL ratio. A comparison in the CO₂ nanobubble applied and general polyol applied r-PUF revealed that the former had 18.8% increased thermal conductivity, 50% decreased flexural strength and 16.1% increased compressed strength. Aforementioned results indicate that the average cell size and distribution uniformity decreases while the total amount of nano-bubble increases.

본 연구에서는 우레탄 발포 공정 내 수발포 공법 및 나노기포 기술의 융합연구를 수행하였다. 폴리올은 amine base polyol과 sucrose polyol을 혼합해 제조하였으며, 나노기포 제조장치를 통해 폴리올 내에 나노기포를 생성하였다. 폴리우레탄 폼 제조 시 일반 폴리올과 CO₂ 나노기포 폴리올의 함량을 달리하여 나노기포가 발포체의 물성에 미치는 영향을 연구하였다. 나노기포의 생성 효율 향상을 위해 회전식 점도계를 이용해 점도분석을 진행하였으며, 생성된 나노기포의 확인을 위해 나노입자 추적 분석(nanoparticle tracking analysis, NTA)를 분석하였다. 제조된 폴리우레탄 폼의 물성평가를 위해 SEM, 밀도, 열전도도, 압축 및 굴곡강도 분석을 진행하였다. 나노기포는 약 150 nm 크기의 기포가 1 mL당 약 3.08×10¹⁰개 생성된 것을 확인하였으며, 나노기포의 함량이 증가됨에 따라 셀 균일도 및 평균 셀 크기가 감소되는 경향을 보였다. CO₂ 나노기포 폴리올 적용 시, 일반 폴리올 대비 열전도도 18.8%, 굴곡강도 50%가 감소되었으며 압축강도가 16.1% 증가하는 것을 확인하였다.

Keywords: nano-bubble, polyol, water blown rigid polyurethane foam, nano-particle tracking analysis, ultimate tensile strength machine

폴리우레탄은 수산기(-OH)를 갖는 폴리올(polyol)과 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 이소시아네이트(isocyanate)의 반응에 의해 생성된다. 반응 시 첨가되는 발포제에 의하여 미셀의 생성, 기포성장 및 안정화 과정을 거쳐 셀 구조를 갖는 폼(foam) 형태로의 응용이 가능하다. 폴리우레탄 폼(polyurethane foam)은 사용 분야에 따라 경질, 연질, 탄성체등 다양한 물성 범위를 가진다. 그중 경질 우레탄 폼은 주로 CFC 또는 HCFC 계열 발포제를 사용한다. 발포 시 기화 반응에 의해 생성되는 발포가스는 독립된 기포 내에 충전되어 우수한 단열성 및 물성을 지녀 이중 보온관, 단열 건축재 또는 냉장 보관분야 등에 적용된다. 하지만, 상기 발포제는 고GWP(global warming potential) 및 ODP(ozone depletion potential)의 대상물질로, 국제기후변화 협약인 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)의 점진적 규제대상이다. 따라서, 이를 대체하는 발포기술의 개발이 요구되고 있다.¹ 특히, 친환경 발포제인 물과 이소시아네이트의 반응 시 생성되는 CO₂ 가스를 발포가스로 사용한 수발포 공법은 전반적인 우레탄 분야에서 널리 쓰이는 방법이다. 그러나 타 발포제인 사이클로펜테인이나 HFC 계열 등에 비해 상대적으로 높은 열전도도 및 미세 셀 형성에 난해한 문제가 있어, 단열 소재로 주로 사용하는 경질 폴리우레탄 폼 분야에서는 상용화된 사례가 미미하다.²
기존 수발포 공법의 단점을 개선하기 위한 선행연구로 Rogge 등은 수발포 폴리우레탄 폼 제조과정에서 에톡시화된 인슐린을 첨가하였을 시, 높은 물 용해도와 표면활성 특성으로 폼의 밀도 및 경도가 증가된다고 보고하였다.³ Lim 등은 발포제로서 물, HFC-365mfc 및 HFC-245fa을 적용하여 폴리우레탄 폼을 제조하였다. 제조된 폼의 열안정성 및 물성을 비교했을 시 HFC 계열에 비해 물을 첨가한 경우 고온에서 가장 큰 치수안정성과 유리전이온도를 보였으나, 큰 셀 크기와 CO₂의 높은 열전도도가 복합적으로 작용하여 높은 열전도 특성을 나타낸다는 결과를 제시하였다.⁴
이외에도, 유관분야에서는 나노기포를 소재에 적용시키는 연구가 진행되고 있다. 직경 1~999 nm의 나노기포는 액상에서 장기간 체류하는 성질, 용액의 용해도 이상으로 기체를 과포화시키는 성질 및 기포입자의 물리적 흡착효과 등의 다양한 특성을 지닌다. 이를 응용분야에 적용하는 연구 역시 다각도로 활발하게 진행되고 있다.⁵ 일례로 Park 등은 상추의 수경재배 시, 용해도 이상의 기체를 함유한 나노기포수(水)를 적용하여 잎 상추의 성장을 촉진시켰다. 그 결과, 나노기포수를 이용하여 재배한 잎 상추의 중량은 나노기포수를 이용하지 않은 상추에 비해 약 2배 증가되었다.⁶ Sung 등은 치아 근간 치료 등의 수술에 세척액으로 나노기포수를 사용하였을 경우, 나노기포가 갖는 용존 및 흡착 특성에 의해 인체친화성 및 세척 효율 향상을 보고하였다.⁷ Agarwal 등은 나노기포의 수처리분야 적용에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과 비표면적 증대로 질량 전달률이 극대화되어, 최소 동력으로 수질공정에의 처리효율이 증가하였다. 또한 나노기포는 생물반응조에서 호기성 및 혐기성 미생물의 활성을 향상시킬 수 있다고 보고하였다.⁸
본 연구에서는 폴리올에 나노기포를 첨가하여 폴리우레탄폼 제조 시 발현되는 나노기포의 효과에 대한 융합연구를 수행하였다. 폴리올에 기-액 혼합을 통해 CO₂ 나노기포를 생성 하였으며, 분산된 발포가스의 기포 포집 및 팽창에 의한 물리적 발포와 이소시아네이트와 물의 반응에 의한 화학적 발포를 동시 적용하였다. CO₂ 나노기포 생성 조건 및 확인을 위해 점도분석과 NTA 분석을 진행하였으며, CO₂ 나노기포 함유 폴리올의 비율을 달리하여 폼을 제조하였다. 추가적으로 SEM(scanning electron microscope), 밀도, 압축강도, 굴곡강도 및 열전도도 시험을 진행하여 CO₂ 나노기포가 폼에 미치는 영향을 고찰하였다.