극저온 열 처리 강화 폴리우레탄 폼의 기계적 특성 연구

Abstract

LNG선은 –163℃의 극저온(Cryogenic) 상태에서 LNG를 운반하여야 하며 LNG선 화물창은 운영 중 파도에 의한 슬로싱(Sloshing) 하중과, LNG 도입 및 배출 시 상온과 극저온 간의 온도차에서 의해 발생하는 열화에 노출된다. 이러한 환경 때문에 LNG선 화물창의 단열재로써 폴리우레탄 폼과 유리섬유가 복합된 강화 폴리우레탄 폼을 적용하고 있다. 본 논문은 극저온 열 처리 강화 폴리우레탄 폼의 기계적 특성에 관한 연구로써 첫째, LNG선 화물창 운영 환경을 고려한 두 가지 극저온 열 처리를 수행하였고 둘째, 미시구조 분석을 통해 기공의 극저온 파괴 및 변형 메커니즘을 규명하였으며 셋째, 강화 폴리우레탄 폼의 성능 저하를 예측할 수 있는 혼합기공(Mixed cell) 모델을 제시하였으며 실험검증을 통해 타당성을 확인하였다. 이와 관련하여, 운항 중 LNG 도입 및 배출과 파손에 의한 LNG 누수를 모사하기 위해 극저온 열 처리인 극저온 반복 열 충격(Cryogenic cyclic thermal shock)과 액화질소 담금(Immersion in LN2)을 수행하였으며, 기계적 특성을 규명하기 위하여 유리섬유 방향 별 압축 및 굽힘 시험을 각각 수행하였다. 이론적 연구에서 강화 폴리우레탄 폼의 탄성거동모델인 폐기공(Closed cell) 모델과 혼합기공(Mixed cell) 모델을 제시하였으며, 이를 통해 탄성계수와 탄성붕괴응력을 예측하였다. 미시구조 분석인 기공률 측정과 미시구조사진 촬영을 통해 이론적 예측식에 적용하였다. 본 연구를 통해 강화 폴리우레탄 폼의 극저온에 의한 성능저하를 규명하고, 탄성계수와 탄성붕괴응력 예측식을 제시하였다. 이는 운영환경을 고려한 LNG선 화물창 보냉시스템 설계를 위한 재료거동학적 해석 방법 연구에 기여할 것으로 기대된다.