복합소재용 내화 수지 기술의 발전: 할로겐 vs 비할로겐, 인투머선트, 충전 수지

내화 복합소재 수지 시장의 주요 공급업체 및 제품 동향

이 블로그는 2월 특집 기사 "중량 증가 없이 화재 견디기"의 후속입니다. 해당 기사 인터뷰에서 애쉬랜드(Ashland), 폴린트(Polynt), 스콧 베더(Scott Bader) 세 수지 공급업체가 언급되어 이들을 심층 취재했습니다.

주요 제품 포트폴리오

애쉬랜드의 대표적인 내화 복합소재 수지는 MODAR(Modified Acrylic Resin)로 비할로겐계입니다. 할로겐계인 헤트론(Hetron) 폴리에스터 또는 비닐에스터 제품도 제공합니다.

스콧 베더의 크레스타폴(Crestapol) 1212는 우레탄 아크릴레이트로 비할로겐계이며, "MODAR와 같은 영역에서 경쟁한다"고 장-파스칼 슈뢰더(Jean-Pascal Schroeder, 스콧 베더 북미 접착제 및 복합소재 기술 이사)는 말합니다. 크리스틱(Crestic) 폴리에스터 수지는 할로겐계와 비할로겐계 모두 제공됩니다.

폴린트-라이히홀드 그룹(Polynt-Reichhold Group)은 PCCR, CCP, 폴린트, 라이히홀드 4개 기존 수지 제조사를 통합했습니다. 내화 복합소재용 두 주요 제품은 라이히홀드의 DION 브롬화(브롬/Br은 할로겐) 수지 기술과 CCP가 개발한 인투머선트 기술 기반의 NORSODYNE 라미네이팅 수지/FIREBLOCK 젤코트입니다.

할로겐계 vs 비할로겐계: 성능과 환경 규제의 트레이드오프

"할로겐 화학은 다른 모든 것보다 월등히 우수하다"고 애쉬랜드 특수 수지 사업부 톰 존슨(Thom Johnson)은 말합니다. "브롬화 수지와 동등한 성능 지표를 달성하기는 정말 어렵다." 그는 브롬(Br)이 수지 첨가제로 매우 효과적이지만 분자량이 낮아 매립지에서 용출될 수 있다고 설명합니다. 많은 브롬 첨가제는 독성이 높아 더 이상 허용되지 않지만, "독성이 낮고 잘 작동하는 것도 있다"고 존슨은 덧붙입니다.

대안은 브롬을 수지 골격에 그래프팅해 브롬화 수지를 만드는 것으로, 분자량이 높습니다. "따라서 물에 녹지 않고 용출되지 않는다"며 "대사 관련 우려를 없애고 복합소재 부품에서 이동하지 않아 최종 부품에 독성이 없다"고 설명합니다. 이 브롬화 수지 화학이 애쉬랜드 헤트론 제품의 핵심입니다. "우리는 내화성만 충족하면 되는 다양한 산업에 6개 이상의 제품을 공급한다"고 존슨은 말합니다.

"연기는 안 된다?" 폴린트 컴포지트 USA의 릭 파우어(Rick Pauer, 응용 개발 매니저)는 "브롬화 수지는 연기와 독성 요건을 통과할 수 없다"고 설명합니다. 라이히홀드 제품군인 DION 수지는 브롬화 수지 기술 기반입니다. "하지만 이 유형의 수지는 항공기 내장재용 FST나 유럽 철도 표준 EN 45545를 통과할 수 없다"고 파우어는 지적합니다.

스콧 베더의 슈뢰더는 "복합소재의 연기 독성을 간단히 테스트하려면 불을 붙여 연기 색을 보라"고 제안합니다. "연기 색이 어두울수록 독성이 증가한다. 흰색 연기는 수증기가 많고 독성 연기가 적으며, 검은 연기는 매우 독한 연기가 있을 가능성이 높다."

슈뢰더는 스콧 베더가 유럽의 비할로겐 내화 솔루션 개발 및 촉진을 위한 핀파(Pinfa)의 북미 자매 그룹 핀파-NA(Pinfa-NA) 회원이라고 밝혔습니다. 이들은 정기적으로 워크숍을 개최하며, 작년에는 플라스틱 및 전기차 관련 세션도 여러 차례 진행했습니다.

인투머선트 수지 및 젤코트: 열팽창 차층으로 화재 차단

"우리의 초점은 인투머선트에 있다"고 폴린트의 파우어는 말합니다. 앞서 4월 특집 기사에서 설명했듯, 인투머선트는 열에 의해 활성화되어 팽창하고 다공성 탄소 차층을 형성해 하부 복합소재를 열적으로 단열하고 가연성 휘발성 물질 생성을 억제하는 물질입니다. "이 기술이 NORSODYNE 라미네이팅 수지와 FIREBLOCK 젤코트에 사용된다"며 "할로겐을 사용하지 않아 무독성이다. NORSODYNE은 ASTM E-84 연기 요건을 통과한다. 라미네이트가 두꺼울수록 성능이 더 좋다"고 설명합니다. 이는 인투머선트 첨가제가 더 많아 차층이 두꺼워지기 때문이며, NORSODYNE 단독 사용보다 FIREBLOCK 젤코트 병용 시 성능이 더 우수한 이유이기도 합니다.

충전 수지: ATH 고함량으로 저연·내화성 구현

브롬화 수지가 전체 시장을 지배하지만, 저연 내화 복합소재에 가장 많이 쓰이는 수지는 알루미나 삼수화물(ATH)로 고함량 충전된 아크릴계 시스템입니다. 애쉬랜드 MODAR와 스콧 베더 크레스타폴이 대표적입니다. 둘 다 스티렌(가연성)이 거의 없거나 없는 변성 아크릴 우레탄 폴리머입니다. "이 수지들은 수지 100부당 최대 170부의 ATH를 섬유 강화재와 함께 사용할 수 있다"며 "유기 수지 함량을 줄여 사실상 무기물에 근접한 소재를 만든다"고 슈뢰더는 설명합니다.

"MODAR는 저독성 연기와 우수한 내화성으로 좋은 기계적 물성을 제공한다"며 "낮은 점도 덕분에 고함량 ATH 충전이 가능하고, 인산염 및 인투머선트 첨가제도 사용할 수 있다"고 애쉬랜드 존슨은 말합니다. 일반적으로 고함량 ATH 수지는 점도가 높아 가공이 어렵고 경화 시 취약해지지만, 이 아크릴 수지들은 낮은 점도로 고충전에서도 가공성을 유지하며 폴리우레탄 수준의 인성을 가져 경화 후에도 취약해지지 않습니다.

아크릴 수지에 대한 보충 설명: MODAR와 크레스타폴은 열경화성이지만, 아크릴은 열가소성인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, 루사이트/플렉시글라스 상표명)부터 PMMA를 열경화성 수지와 반응시켜 만든 열경화성 메틸메타크릴레이트(MMA) 및 우레탄 아크릴레이트까지 광범위한 소재군을 포괄합니다.

참고로, 애쉬랜드와 스콧 베더는 유럽에서는 ATH가 사전 혼합된 수지만 판매하지만, 미국에서는 순수 수지를 판매하고 고객이 ATH 종류와 양을 조절할 수 있도록 혼합 비율 및 절차에 대한 기술 지원을 제공합니다.

ATH와 인퓨전 공정의 과제

파우어는 ATH 충전 수지로 인퓨전 시 어려움이 있다고 지적합니다. "일부 입자가 인퓨전 여과 없이 사용하기엔 너무 크다"며 "ATH 35-40% 이상 시스템은 인퓨전이 잘 안 된다"고 말합니다. 슈뢰더는 탄소 섬유도 ATH 충전 시스템 사용을 제한한다고 덧붙입니다. "탄소 섬유 필라멘트 번들이 유리 섬유보다 더 빽빽하게 포장되어 있어 젖힘이 너무 어렵다." 하지만 유리 섬유 직물에는 인퓨전 가능하며, "ATH 여과를 방지하기 위해 SAERTEX가 LEO용으로 개발한 개방 흐름형 보강재나 코마라(Chomarat)의 G-플로우 직물 같은 것을 사용해야 한다"고 조언합니다.

대중교통 적용 사례: BART 신형 전동차

대중교통 적용 사례로 샌프란시스코 BART(베이 에어리어 급행철도) 신형 전동차 775량 제조를 들 수 있습니다. 첫 차량이 2018년 운행 시작, 봄바디어(Bombardier)가 2022년까지 납품 완료 예정입니다.

파우어에 따르면 폴린트-라이히홀드의 NORSODYNE H-81269TF 인투머선트 라미네이팅 수지가 이 신형 차량 바닥 조립부의 유리섬유 강화 패널에 사용됩니다. 이 패널은 차량 하부 화재 보호와 통합된 HVAC 덕팅을 제공해 기존 비복합소재 설계 대비 바닥 조립부 중량과 두께를 줄였습니다.

슈뢰더는 스콧 베더도 신형 BART 차량 부품을 제작하는 복합소재 제조사와 크레스타폴 1212 인증을 진행 중이라고 밝혔습니다. "봄바디어가 우리 제품을 쓰지만 각 용도별로 인증받는다"고 설명합니다.

버스 적용: FIREBLOCK 젤코트로 Docket 90 충족

버스 용도로 폴린트는 FIREBLOCK 젤코트를 사용한 대안을 개발해 Docket 90 요건(ASTM E162 및 E662 시험 포함)을 충족시켰습니다. "고객들이 RTM으로 버스 부품을 만드는데 고함량 ATH 충전으로 문제가 생긴다"며 "부품 양면에 FIREBLOCK 2330PAWK745 젤코트를 코팅하면 기존 폴린트 RTM 수지를 쓰면서도 화염 및 연기 기준을 맞출 수 있다"고 파우어는 설명합니다.

전기차(EV) 시장: 배터리 트레이 내화성의 새로운 과제

EV 배터리 트레이는 내화 복합소재의 고성장 시장입니다. "탄소 섬유를 써야 높은 기계적 강도를 얻지만, 그러면 ATH를 못 쓴다"는 게 슈뢰더의 지적입니다. 전문가들은 배터리 에너지 밀도가 2배로 늘어날 것으로 예측하는데, 이는 주행거리 확보에 필수적입니다. "하지만 배터리 셀에 불이 나면 지금보다 더 큰 화재 진화 과제에 직면하게 된다"고 슈뢰더는 경고합니다.

미래 전망: 건축 시장과 새로운 소재 개발

"모든 분야에서 성장 중이지만 가장 흥미로운 시장은 건축 프로젝트"라며 애쉬랜드 존슨은 "아직 개발되지 않은 거대 시장이다. 복합소재로 대형 곡면과 경량 다층 건물이 가능해 세계 유수 건축가들이 관심을 보인다"고 말합니다. 파우어는 ACMA 건축 분과 핵심 멤버로 복합소재 건축 가이드라인(내화 규정 및 시험 대폭 포함) 발간에 기여했습니다.

슬라이드쇼 사례에서도 스콧 베더의 건축/건설 분야 개발 작업이 보이지만, 슈뢰더는 우려도 표합니다. "대형 상업 시장에서 내화 복합소재 제품은 견고한 가공성을 가져야 한다. 성형업체가 다루기 쉽지 않으면 시장에서 성공 못 한다." 모든 기업이 할로겐계 시스템 같은 성능을 무독성으로 구현하는 솔루션을 계속 찾고 있다고 덧붙입니다.

폴리푸르푸릴 알코올(PFA)은 어떨까? 페놀 수지와 동등한 성능을 내는 바이오 기반 수지로, SHD 컴포지트와 컴포지트 에볼루션(Composites Evolution)이 철도용으로 판매 중입니다. "PFA 우려점은 공정 중 물 제거다. 페놀처럼 축합 반응 폴리머라서"라며 슈뢰더는 설명합니다. "아마 그래서 현재 제품들이 인퓨전이 아닌 프리프레그 기반인 듯하다."

슈뢰더는 제조업체들이 단일 성분이 아닌 라미네이트+코팅 등 전체 시스템을 고려하는 추세라고 지적합니다. SAERTEX LEO SYSTEM이 예시입니다(4월 특집 기사 참조). "내화 수지에 인투머선트 젤코트와 테크노파이어(Tecnofire) 같은 베일을 조합해 높은 섬유 체적률을 구현한다."

"수지는 페놀계를 제외하면 항상 탄다"며 "페놀계 같은 내화성에 인퓨전 가능하고 탄소 섬유로 고섬유 체적률 구조물을 만들 수 있는 소재가 나오길 바란다"고 슈뢰더는 말합니다. 스콧 베더도 유망한 개발을 진행 중이나 아직 시장 출시 준비는 안 됐다고 합니다.

"수지 공급자로서 우리는 불의 연료이자 이를 견디는 기술 수단을 동시에 공급한다"며 애쉬랜드 존슨은 "도전은 높은 내화 성능 제품군과 화학, 무엇이 왜 잘 작동하는지 아는 지식과 시험 이력을 갖춘 포트폴리오를 보유하는 것"이라고 결론짓습니다. 이것이 이들 수지 공급업체가 제공하는 전문성입니다. 더 많은 정보나 전문가 연결은 ginger@compositesworld.com으로 문의 바랍니다.