복합소재가 제공해야 할 기계적 기능 목록은 잘 알려져 있고 깁니다: 강도, 강성, 인성, 내구성, 내후성, 내식성, 충격 저항, 내화성. 이 마지막 요건은 수년간 다뤄져 왔으나, 전기차(EV) 발전(지상과 공중 모두)과 철도, 해양, 건설 등 화재 안전에 민감한 시장으로의 진입 확대로 내화 성능 수요가 증가하고 있습니다.
소재 공급업체들이 이 시장 수요에 대응하고 있으나, 업계는 전통적 내화 솔루션만으로는 이 시장 요구를 충족할 수 없습니다. 예를 들어, 퓨란과 페놀 수지는 오랫동안 내화 복합소재 솔루션이었으나, 축합 반응으로 가교돼 가공이 어렵고 다공성 유발로 양호한 표면 마감을 위해 다중 공정 필요, 취성 경향이 있습니다. 한편, 내화성을 위해 수지에 첨가하는 수산화알루미늄(ATH)은 통상 20% 체적 충전 필요로 가공, 기계적 물성, 표면 마감에 악영향을 줍니다. 한때 매력적 대안이던 할로겐계 난연제는 REACH, RoHS 등 범유럽 규제로 금지됐습니다. 이에 복합소재 업계는 새 솔루션 연구개발을 지속합니다.
내화 소재는 화재 시 거주자 대피를 위한 충분한 시간과 보호도 제공해야 합니다. 가장 엄격한 적용에서는 불꽃 확산, 열 방출, 온도 전달, 유독 연기 생성 방지뿐 아니라 복합소재의 하중 지지 능력을 최장 60분간 유지해야 합니다.
일반적으로 무기 섬유(유리, 탄소, 현무암, 세라믹)와 무기 매트릭스 소재(세라믹/탄소, 금속, 폴리시알레이트/지오폴리머)는 타지 않으며 고온 견딥니다. 하지만 대부분 유기 섬유와 폴리머 매트릭스는 고온과 화재 노출 시 분해되며(그림 1), 가연성 가스와 유독 연기를 방출할 수 있습니다. 케블라(Kevlar) 파라아라미드와 노멕스(Nomex) 메타아라미드 유기 섬유는 본질적으로 내화 화학 구조를 가져 예외입니다.
복합소재 내화 성능은 착화, 자기 소화, 화염 전파, 관통, 열 방출, 연기 발생, 연기 독성 등 다양한 특성으로 측정합니다. 또 다른 빈번한 요건은 극한 산소 지수(LOI)로, 연소에 필요한 최소 산소 농도(부피 %) 측정하며 LOI가 높을수록 내화성 높음. 표준 시험은 산업별로 다르며, 소형 쿠폰부터 실사용 대표 풀스케일 구조물까지 시료 크기 범위 다양. 자세한 내용은 온라인 사이드바 "복합소재 내화성 측정 및 향상" 참조.
복합소재 내화 성능 향상 두 가지 주요 접근법: 매트릭스 및/또는 강화 섬유 내화성 높이기, 또는 보호 코팅 제공.
섬유는 붕사/붕산 혼합물, 강산 암모늄염 같은 난연제(FR) 처리 가능. 매트릭스 수지 내화성 향상 세 가지 기본 방법: FR 화합물을 폴리머 골격에 도입, FR 화합물/입자/나노소재를 수지에 혼합, 인투머선트를 매트릭스에 첨가. 인투머선트는 열에 의해 활성화되어 팽창하고 다공성 탄소 차층을 형성해 하부 복합소재를 열적으로 단열하고 가연성 휘발성 물질 생성을 억제. 코팅도 FR 첨가제나 인투머선트 사용 가능.
FR 첨가제는 복합소재 분해, 열 방출, 화염 전파 지연에 다중 메커니즘 활용 가능. 예: 첨가제가 흡열 반응으로 분해돼 복합소재 냉각, 물과 불연성 가스 생성으로 가연성 가스 농도 희석, 차층 형성 또는 기체 층 생성으로 산소 차단·질식. 종종 두 가지 이상 FR제를 시너지적으로 조합해 내화 성능 폭 확대: 예: 한 FR제는 열 방출 감소, 다음은 연기 감소, 세 번째는 차층 생성.
소재 공급업체 자어텍스(SAERTEX, 독일 자어벡)가 LEO 시리즈 내화 제품으로 시스템 접근법을 추구했습니다. 자사 논크림프 패브릭(NCF) 보강재, 내화 폼 코어, ATH 충전 또는 인투머선트 코팅 포함. 시리즈 첫 제품 LEO SYSTEM(2013년 출시)은 내화 처리된 자어텍스 직물에 내화 수지와 내화/인투머선트 젤코트 결합. "내화 성능과 기계적 성능 간 격차를 메우고 싶었다"며 요르크뷘커(Jörg Bünker, 자어텍스 LEO R&D/애플리케이션 서비스 책임자)는 설명합니다. "LEO SYSTEM으로 높은 섬유 함량 와 높은 내화 성능을 동시에 얻는다. ATH나 기타 충전제 없는 변성 직물과 비닐에스터 인퓨전 수지로 시작, 대신 액체 난연제로 처리. 모든 할로겐과 브로마이드 배제로 무독성 소재, 즉 무독성 연기나 흄 없음."
SAERTEX LEO SYSTEM은 독일 ICE 3세대 고속열차 66편 바닥재에 사용돼 기존 합판 패널 대비 중량 50% 절감(그림 2). 복합소재 패널 평균 2.4×1.2m 크기로 SAERfoam 코어, 유리섬유 NCF 스킨, LEO 인퓨전 비닐에스터 수지, 마감용 LEO 보호층 구성. 알란 하퍼 컴포지트(Alan Harper Composites, 영국 콘월)의 재사용 가능 실리콘 멤브레인 진공 인퓨전으로 SMT 몬타게테크닉(SMT Montagetechnik, 독일 포르스트)이 제작, 도이체반 독점 공급사로 66편 8량 열차용 25,000m² 패널 생산.
뷘커는 LEO SYSTEM 호평받았으나 "일부 고객이 에폭시, 폴리에스터, 열가소성 수지 사용 원해 LEO COATED FABRIC 개발"했다고 말합니다. 자어텍스는 직물 제조 후 인투머선트 코팅 적용. "섬유에 약간 침투해 복합소재와 좋은 결합 형성"하며 "일부 페인트처럼 마모되거나 긁혀 나가지 않는다. 화재 시 인투머선트 코팅이 폼 형성해 복합소재를 화염과 열에너지에서 단열. 연기나 유독 흄 없이 하중 지지 구조물 내화성 제공, 최고 요건 충족." LEO COATED FABRIC은 롤 공급돼 일반 인퓨전 직물처럼 사용. "주의할 점은 진공 백 바로 앞 최상층으로 쓰면 이 층을 통해 하부 라미네이트 층에 침투시킬 수 없다"는 것.
세 번째 제품 SAERcore LEO는 "양면에 초프드 스트랜드 매트(유리섬유)를 댄 특수 내화 변성 폴리프로필렌(PP) 코어 마이크로 샌드위치 소재"라며뷘커 설명. "이 소재 조합은 드레이프 쉽고 인퓨전 시 수지 흐름 양호." SAERcore LEO는 카운터몰드와 함께 몰딩 툴에 배치해 라이트 RTM 공정으로 성형. "몰드와 카운터몰드 간 캐비티로 부품 두께 조절 가능, 수지 함량도 사전 계산 가능." 다양한 밀도와 두께로 제공, 비닐에스터, 에폭시, 폴리에스터 수지와 사용 가능. "원하면 수지에 ATH 첨가해 내화 방식 결합 가능"하며 "폴리에스터 RTM 적용에 가장 많이 쓰였고, 테스트 검증된 스콧 베더 충전 수지와 젤코트 사용 제안."
세 가지 SAERTEX LEO 제품 모두 유럽 철도 적용 표준 EN 45545 통과, 지하철과 고속열차 최고 등급 HL3 클래스 포함. SAERcore LEO는 글로벌 철도 제품 공급사 BARAT 그룹(프랑스 생타냥)이 슈타들러(Stadler, 스위스 부스낭) SMILE 고속열차용 접근문 제작에 사용. 문은 복잡한 성형 영역을 FR 수지 RTM으로 단일 부품 성형.
SAERTEX LEO 제품은 건축 적용 ASTM E84도 통과, 카르부레스 시빌 웍스 스페인(Carbures Civil Works Spain, 스페인 푸에르토 데 산타 마리아)이 노먼 포스터 재단 본부(스페인 마드리드) 영감의 파빌리온 경량 지붕용 코어 패널 인퓨전에 사용. "이런 적용은 대형 평판 패널에 단열 요건이 해양 격벽 등과 유사해 30분, 60분 화재 노출 후 특정 온도 프로파일 요구되므로 SAERTEX COATED FABRIC에도 적합"하다고뷘커.
복합소재용 또 다른 내화 솔루션은 인투머선트 베일. 테크노파이어는 테크니컬 파이버 프로덕츠(TFP, 영국 번사이드 밀스, 미국 뉴욕 주 스케넥터디)가 습식 공정으로 만드는 인투머선트 부직포 제품군(그림 1). 롤 형태로 두께 0.4-10mm(가장 흔한 0.5-2.0mm), 최대 폭 50인치, 최소 0.25인치 폭 테이프로 슬릿 가능. 펄트루전, RTM, 진공 인퓨전 공정에 에폭시, 비닐에스터, 불포화 폴리에스터, 열가소성, 애쉬랜드(미국 오하이오 주 콜럼버스)와 폴린트(미국 일리노이 주 카펜터스빌) FR 변성 시스템 등 다양한 수지와 사용 가능.
"테크노파이어 소재가 190°C 도달하면 Z방향으로 단방향 팽창, 원래 두께의 최대 35배까지 확장"하며 TFP 사업 개발 어소시에이트 스콧 클로퍼(Scott Klopfer) 설명. "이 비가역적 팽창으로 단열 차층 형성. 테크노파이어는 화재 시 열과 화염에 노출될 부품 표면에 통상 사용." 화재 중 안정적으로 하부 구조물 보호하도록 특별 설계.
"소재 구성에 다양한 섬유와 입자 넣을 자유도 커서 용도별 조성 맞춤 가능"하며 "예: 테크노파이어 제조 중 ATH 분말 첨가해 균일 분산 가능." 이는 ATH를 매트릭스 수지에 첨가하는 전통 방식과 대비됩니다. "수지 점도 증가 유발 가능"하며 "성형 공정 중 ATH가 이동하거나 불균일하게 여과될 수 있다"며 "테크노파이어는 이런 문제 회피."
TFP는 2005년 테크노파이어 출시 이래 100개 이상 버전 개발, 10-15개 등급 상용 중. 하나는 에폭시 수지 미리 함침된 상태로 4×8피트 시트 공급(합판처럼). "베니어 타입 소재 필요 산업 위해 개발"하며 "최고 팽창률 중 하나." 금속 코팅 섬유로 전기 활성화되는 특허 버전도 있어 도전성 내화 복합소재 구현. "어떤 등급이든 테크노파이어는 복합소재의 통합 부분이 된다."
적용: 지붕 시스템, 창문·문 프레임, 강철 빔 커버, 모듈러 복합소재 주택 키트용 내장 내화 프로파일. "UL 10C 도어 어셈블리 양압 시험 45분, 90분 등급 문에도 사용, 화염과 고온 가스 실간 확산 방지. 시험 종료 후 고압 소방 호스로 쏴도 문이 제자리 유지해야 함."
폴리푸르푸릴 알코올(PFA)은 페놀 수지 성능에 더 나은 표면 가공성과 지속가능성 갖춘 열경화성 수지. 제조는 바이오매스(옥수수 심, 쌀·귀리 껍질, 사탕수수 폐기물 바가스)에서 유래한 헤미셀룰로오스로 시작해 푸란계 푸르푸릴 알코올로 변환 후 산 촉매나 온도로 중합해 PFA 만듦. "유리/페놀이 오랫동안 표준이었으나, 중량 감축 가속하려면 탄소섬유와 PFA 봐야"라며 가레스 데이비스(Gareth Davies, 프리프레그 공급사 컴포지트 에볼루션(Composites Evolution, 영국 체스터필드) 상업 매니저) 말함. 에보프레그(Evopreg) PFC 프리프레그는 PFA 수지와 아마, 유리, 아라미드, 현무암, 탄소섬유 등 보강재 결합, 항공기 내장재용 FAR 25.583 화염·연기·독성(FST) 시험과 EN 45545 HL3 철도 등급 통과.
PFA 프리프레그 제공 다른 회사는 SHD 컴포지트(SHD Composites, 영국 링컨셔 슬리포드). 2010년 어드밴스드 컴포지트 그룹 20년 공정 개발 엔지니어 스티브 도티(Steve Doughty) 설립. 슬로베니아와 미국 노스캐롤라이나 주 무어스빌에 공장 추가. 두 PFA 기반 페놀 수지 제품 FR308, PS200 제공.
항공기 내장재용 페놀 대체재로 개발된 FR308은 모든 항공기 FST 요건과 EN 45545 HL3 철도 통과. PS200은 유럽 항공안전청(EASA) 의무 항공기 배터리 내화 요건 충족, 이미 일반 항공기 제조사에서 사용 중. 리튬이온 배터리 열폭주 조건 재현 실험실 테스트에서 PS200 사용 프로토타입 배터리 박스 성능 입증. "내부 온도 1100°C 도달해도 외부 250°C 초과 안 하고 박스 연소나 분해 안 함"이라며 SHD 컴포지스 기술 이사 닉 스미스(Nick Smith). 여러 전기차 엔지니어링 회사와 자동차 및 기타 차량용 배터리 박스 협업 중.
PS200과 FR308 모두 에폭시처럼 다루기 쉽게 제조돼 통상 120-130°C에서 1시간 경화. 둘 다 영국 건축 내장재 소재 규격 BS 476 통과, 스미스는 상당한 신흥 시장이라고 봅니다.
스미스는 철도도 PFA 소재 급성장 시장이라며 "대형 프로젝트 입찰 중"이라고 덧붙입니다. 데이비스도 동의, 2018년 베를린 이노트랜스(InnoTrans) 전시회 여러 전시물 인용: 세계 최대 철도 차량 제조사 중국 중차(CRRC, 베이징)의 CETROVO 메트로 열차, 탄소섬유 복합소재 차체, 대차 프레임, 운전실 장비 캐비닛 탑재. 컴포지트 에볼루션은 복합소재 구조 제조사 베르첼라(Bercella, 이탈리아 바라노 데 메레가리)와 협력해 경량 철도 좌석 지지대 개발(그림 3). "금속이면 꽤 무거운 부품"이나 탄소섬유 에보프레그로 1m 부품 5kg 미만. "레일카당 좌석 지지대 수 곱하면 축하중 대폭 감소."
바이오 기반 PFA 프리프레그는 TRB 라이트웨이트 스트럭처스(TRB Lightweight Structures, 영국 헌팅던) 개발 CFRP 샌드위치 패널 도어 리프에도 적용. 접착 알루미늄 도어 리프 대비 35% 중량 절감(40→26kg), 부품 비용 동등. TRB 경량 도어 리프는 EN 45545 HL3 충족, 예상 40년 수명, 알루미늄 대비 우수한 피로 저항과 낮은 유지비, 더 가벼운 도어 작동 시스템으로 추가 중량·에너지 혜택.
컴포지트 에볼루션과 SHD 컴포지트도 FR 에폭시 제공하지만, 데이비스는 시험 데이터 측면에서 "PFA 기반 수지가 제공하는 완전한 FST 성능 제공 못 하며 더 비싸다"고 말함. 스미스는 FR 에폭시가 더 높은 인성 가지나 "PFA 수지가 페놀보다 인성 좋고 추가 개선 중. FST 에폭시 내화제는 화재 효과 지연시키지만 결국 타고 유독 연기 내뿜는다. PFA 탈 때 CO₂만 방출, 무독성 가스 없음."
PFA는 표면 마감에서도 기존 페놀 능가. "항공기 내장재에서 큰 이슈"라며 "제조사들은 재작업 없이 최초 양호한 부품 품질 원해. 역사적으로 내화 복합소재는 가공 어렵고 다공성으로 다중 표면 처리 필요. PFA 시스템은 광택 증가한 개선된 표면 마감 제공." 호라이즌 2020 프로젝트 인테어(IntAir)가 PFA 프리프레그 페놀 직접 대체로 성형 사이클 34% 단축, 수작업 마감 70% 감소, 최종 내장 부품 비용 58% 절감 확인.
유기 소재 완전히 배제하고 무기 섬유와 폴리머만으로 내화성 구현하는 새로운 복합소재 기술도 등장. 전통적으로 무기 폴리머는 비싸고/가공 어렵고, 일부는 취성/노치·충격 민감. 하지만 폴리실록세인, 폴리실란, 폴리시알레이트/지오폴리머를 수지에 블렌딩하거나 유기 폴리머 골격에 합성 가능, 무기 단량체도 마찬가지. 이 접근법이 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에폭시, 폴리비닐, 폴리에스터, 폴리아미드, 폴리우레탄 수지 내화 개발에 성공적 활용. 특히 지오폴리머가 현재 연구에서 잠재력 보임.
CFP 컴포지트(CFP Composites, 영국 솔리헐)는 초프드 탄소섬유와 무기 수지 결합해 FR.10 생산, 1500°C 7시간 내화 시험 통과하며 연기·가스 거의 미방출(그림 4). 소재는 경량 구조적 금속 대안: 2mm FR.10은 3kg/m² 미만, 5mm는 6kg/m² 미만. FR.10은 하중 하 구조 시험도 통과, 1200°C 직화염 2시간 견디며 관통 없음, 뒷면에 맨손 완전 접촉 가능할 만큼 단열. 1.3×0.8m 시트, 최대 20mm 두께 공급, 통상 패스너나 접착제로 쉽게 접합·본딩 가능.
FR.10 제조 공정은 초프드 섬유와 무기 수지를 물 배합 혼합. 이 혼합물 이형해 X, Y, Z 방향 섬유 구조 가진 완전 수지 함침 평면 및 넷셰이프 프리폼 초단시간 생산. 이걸 1000MT 프레스로 압축 성형해 평판이나 성형 부품 만듦. "폐기물 없이 경량 부품 매우 빠르게 생산"이라며 CFP 컴포지트 매니징 디렉터 사이먼 프라이스(Simon Price). 전 세계 특허, 이 공정으로 기존 복합소재 대비 저비용, 무기 조성으로 더 높은 내화 성능 구현. "건축/건설, 대형 선박, 오일·가스에서 복합소재 채택 양대 걸림돌은 비용과 내화 규제"라며 "금속이나 세라믹 대체 새 응용 열다."
또 다른 신솔루션은 펄트루전용 불연 프로파일 fi:resist. 피스코(FISCO GmbH, 독일 주스마르하우젠)가 2015년 독일 패스너 전문 피셔(Fischer, 발다흐탈)와 차량 내장 장비 생산 소르티모(Sortimo, 주스마르하우젠) 합작으로 설립. 2018년 유럽 해양 경량 응용 네트워크(E-LASS) 세미나 데이(6월 26일, 프랑스 포르니셰)에서 피스코 제품 매니저 데이비드 툴(David Thull)이 fi:resist 설명: 100% 무기 소재로 화염 노출 시 흄 미발생. 매트릭스와 유리섬유 각각 1000°C, 600°C까지 강도 유지. 높은 단열성, DIN 4102-1과 EN 13501-1 최고 등급 Class A1 건축 자재 요건 충족.
툴은 fi:resist로 내화 케이블 덕트 제작, 높은 구조 성능으로 지지대 적어 더 큰 스팬 가능. 다른 제안 적용: 선박 격벽, 데크, 선박 발코니 난간, 방화 롤러 도어. 향후 자동차·항공우주 확대 가능. fi:resist는 2016년 JEC 혁신상 건설·인프라 부문 수상.
나노클레이는 저비용 고내화 성능 잠재력으로 중요한 개발 영역. 차층 형성 촉진, 극미립 크기와 서브미크론 분산 능력으로 거시 첨가제 대비 소량 필요. 수지 시스템에 균일 분산 시 중량 5-10% 나노클레이로 최대 열방출 70% 감소. 그래핀 나노플레이틀릿(GNP)과 탄소나노튜브(CNT) 초기 연구도 긍정적 결과.
EU 지원 개발 프로그램 MAT4RAIL, FIBRESHIP 등이 신규 내화 소재와 복합소재 성능 향상 주요 마일스톤 추구 중이나, 다른 고잠재력 이니셔티브도 다수. 예:
(자세한 내용은 온라인 사이드바 "복합소재 내화성 측정 및 향상" 참조)
"다양한 고성능 소재 제공으로 내화성이 고객 주 이슈가 아니라 전체 프로젝트 니즈에 집중할 수 있게 하는 게 목표"라며 자어텍스뷘커. 복합소재 업계 전체가 그 목표로 잘 나아가고 있습니다.
참고문헌
"Flame Retardant Polymer Composites" by Mahadev Bar, R. Alagirusamy and Apurba Das, Department of Textile Technology, Indian Institute of Technology Delhi, New Delhi, India. Fibers and Polymers 2015, Vol.16, No.4, pp. 705-717.
"TR 18001 – A literature review of natural fibre composite fire properties" by Asanka Basnayake, Juan Hidalgo, Luigi Vandi and Michael Heitzmann, UQ Composites Group, University of Queensland, Australia. April 2018.
"Composites and fire: developments and new trends in flame-retardant additives" by Belén Redondo, Composites Department of AIMPLAS, Plastics Technology Centre, Valencia, Spain.
CompositesWorld 웨비나 "Enhancing Composite Fire Protection Using Advanced Nonwovens", TFP 발표, 2018년 1월 31일.
수지
유연성이 필요한 부품을 설계 중이고 소재를 선택해야 합니다. 익숙한 열가소성 엘라스토머 목록으로 먼저 갈 수 있지만, 열가소성 폴리우레탄 소재, 일반적으로 TPU로 알려진 것을 잊지 마세요. 애플리케이션 요구 사항에 따라 TPU가 최선의 선택일 수 있습니다. 열가소성 폴리우레탄은 우수한 내화학성과 내마모성을 가집니다. TPU란 무엇인가요? TPU는 높은 내마모성과 내화학성을 가진 탄성 열가소성 소재입니다. 대부분의 엘라스토머처럼 씰, 가스켓, 호스에 일반적으로 사용됩니다. 또한 마찰을 추가하거나 진동을 감쇠시키는 능력 때문에 오
3D 출력물은 외피(Shell)와 내부 채움(Infill) 두 영역으로 구성됩니다. 두 파라미터 설정이 기계적 강도, 표면 마감, 출력 시간, 비용을 결정합니다. 본문에서는 내부 채움인 인필에 집중합니다. 인필 비율(Infill Percentage) 인필은 부품 내부 공간을 채우는 소재 비율입니다. 슬라이서에서 0%(중공)~100%(완전 충진) 조절 가능. 동일 레이어 높이·폭 기준 최적 비율은 부품 용도에 따라 다릅니다. 10%: 비기능 프로토타입, 전시용 모델. 출력 시간 대폭 단축. 20% (기본값): 중저하중 범용 부
