에폭시수지계 중성자 차폐재의 열적 안정성에 관한 연구

조 수 행, 정 명 수, 도 재 범, 노 성 기, 박 현 수

한국원자력연구소

A Study on the Thermal Stability of Epoxy Resin-Type

Based Neutron Shielding Materials

Soo Haeng Cho, Myeong Soo Jeong, Jae Bum Do, Seung Gy Ro,

Hyun Soo Park

Korea Atomic Energy Research Institute, Taejon 305-353, Korea

1. 서   론

방사성물질의 수송 및 저장용기 등으로 부터 발생되는 중성자는 (n,□)반응에 의한 2차 감마선을 발생시켜 인체에 장애를 주기 때문에 중성자를 안전하게 차폐할 고성능 차폐재료가 개발되고 있으며, 최근에는 기본물질이 고분자물질로 된 중성자 차폐재들이 미국, 일본 등지에서 개발 중에 있다[1]. 고분자물질을 기본소재로 많이 사용되고 있으며, 이에 열중성자 포획단면적이 큰 붕소 혹은 붕소화합물, 리튬화합물 등이 첨가되며, 또한 각종 성능향상제가 첨가되어 제조되는 중성자 차폐재는 그 종류가 매우 다양하다[2-3].

기계적 및 전기적성질, 내약품성, 내후성 및 내부식성 등이 우수한 비스페놀A형 에폭시수지보다 반응성 및 내열성이 더욱 우수한 노블락형 에폭시수지와 경화제에 수산화알루미늄, 탄화붕소 등의 첨가제를 혼합하여 중성자 차폐재를 제조하여, 이들의 고온 분위기하에서 열적 안정성을 고찰하였다. 또한 본 연구에서는 부틸 그리시딜 에테르로 개질한 비스페놀A형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-102)와 수소 첨가된 비스페놀A형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-106)의 열적 안정성과 비교·평가하였다.

2. 실   험

2-1. 실험재료

기본물질로 사용된 액상의 프리 폴리머인 에폭시수지는 페놀-노블락계 저점도형수지이다. 경화제로는 변성 방향족아민을 사용하였다. 저속 혹은 열중성자에 대해 차폐효과가 큰 탄화붕소(B4C)를 첨가하였으며, 차폐재에 유독가스를 발생시키지 않으면서, 난연성을 부여하고 자기소화성을 촉진시키는 것으로 알려져 있으며, 결정수형으로 약 35% 의 물을 함유하고 있어, 고속중성자를 열중성자로 감속시키는 작용을 하는 수산화알루미늄을 첨가하였다.

2-2. 실험장치 및 방법

본 연구에 사용한 실험장치는 중성자 차폐재 제조의 기본물질인 액상 에폭시수지와 경화제, 분말형태의 수산화알루미늄, 탄화붕소 등의 첨가제들을 균일하게 혼합하기 위하여 Dispermat VL-C형의 진공혼합기를 사용하였다. 혼합시에는 정해진 무게비율로 각 시료들을 준비하여 액상의 프리 폴리머인 에폭시수지와 경화제를 당량비율로 혼합한 후, 소포제와 분말시료들을 진공혼합기에 넣어 일정시간 동안 진공하에 혼합하였다. 각종의 시편틀에 액상의 혼합물을 넣고 상온에서 경화시켜서 특성시험에 알맞는 시편을 제작하였다.

본 연구에서는 반응성, 내열성, 가공의 용이성 및 중성자 차폐재의 특성을 고려하여 중성자 차폐재의 조성비를 Table 1에서 나타낸 바와 같이 조절하였다.

Table 1. Composition of shielding materials

Shielding material	Composition(wt.%)
	Resin	Hardener	Al(OH)3	B4C
KNS-102	27.5	10.5	59	3
KNS-106	27.5	10.5	59	3
KNS-611	26.5	11.5	59	3

2-3. 분석

중성자 차폐재의 열적 장기내구성(안정성)시험은 열노화시험기(DAT-300)의 고온 분위기(130 ℃)에서 6 rpm의 속도로 30, 50, 70, 100일 경과 후의 인장강도, 굴곡강도, 열전도도, 열팽창, 무게변화 및 중성자 차폐재의 주요 구성원소인 수소(H)함량의 변화를 측정하였다. 인장강도시험은 KS M3015에 따라서 Zwick Model 1446로 crosshead 속도를 5 mm/min로 일정하게 유지하면서 인장강도를 측정하였으며, 시편은 KS M3015의 규격에 의해 제작하였다. 굴곡강도시험은 KS M3015에 따라서 Zwick Model 1446로 시험속도를 2 mm/min로 일정하게 유지하며 굴곡강도를 측정하였으며, 시편은 크기는 10 mm(W) x 80 mm(L) x  4 mm(T)이었다. 열전도도시험은 ISO 8894-1에 의해 QTM-500으로 열전도도를 측정, 열팽창시험은 ASTM D696에 의해 Seiko TMA/SS6000으로 열팽창계수를 측정하였다. 주요 구성원소인 수소의 장시간 가열분위기 후의 변화량을 측정키 위한 수소원소 분석은 CE EA-1110 Elemental Analyzer로 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 인장강도에 대한 영향

고온분위기는 고분자의 주쇄절단, 측쇄절단 및 분해기체의 발생과 불포화결합의 생성이 경쟁적으로 일어나 분자의 구조가 바뀌게 된다. 따라서 장시간의 고온분위기가 중성자 차폐재의 인장강도에 미치는 영향을 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 고온분위기에서 가열시간이 증가함에 따라 KNS-102와 KNS-611 차폐재의 인장강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 반면에 KNS-106 차폐재는 감소하는 경향을 나타내었다. 가열시간의 증가에 따라 인장강도의 증가는 인장강도가 큰 망상구조를 이루는 가교결합수가 증가하기 때문으로 해석할 수 있다.

3-2. 굴곡강도에 대한 영향

장시간의 고온분위기가 중성자 차폐재의 굴곡강도에 미치는 영향을 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 가열시간의 증가에 따라 KNS-102와 KNS-611 차폐재의 굴곡강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 반면에 KNS-106 차폐재는 감소하는 경향을 나타내었다.

3-3. 열전도도에 대한 영향

장시간의 고온분위기가 중성자 차폐재의 열전도도에 미치는 영향을 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 페놀-노블락형 에폭시수지계 차폐재, KNS-611은 가열시간의 증가에 따라 열전도도값은 증가하는 경향을 보였으며, 개질 및 수소 첨가된 비스페놀A형 에폭시수지계 차폐재, KNS-102와 KNS-106은 감소하는 경향을 나타내었다.

3-4. 열치수안정성에 대한 영향

고온분위기가 중성자 차폐재의 열팽창계수값에 미치는 영향을 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 가열시간의 증가에 따라 페놀-노블락형 에폭시수지계 차폐재, KNS-611와 개질 및 수소 첨가된 에폭시수지계 차폐재, KNS-102, KNS-106의 열팽창계수값이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 가열시간의 증가에 따라 각 차폐재들의 열치수안정성이 우수함을 나타내는 것이다.

3-5. 무게변화에 대한 영향

장시간의 고온분위기가 중성자 차폐재의 무게변화에 미치는 영향을 Table 2에 나타내었다. Table 2에서 보는 바와 같이 고온분위기의 가열시간이 중성자 차폐재의 무게에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로부터 차폐재에 함유된 붕소 등의 첨가물들이 장시간의 고온분위기에 큰 손실이 없다고 판단된다.

Table 2. Effects of heating period on weight of resin-type shielding materials

Heating period (day)	Shielding materials (weight(g))
	KNS-102			KNS-106			KNS-611
0	98.8590	118.3436	94.3350	116.0007	120.2141	103.8554	133.2950	118.9500	120.6030
30	98.6698			115.7843			133.2387
50		118.0921			119.9330			118.7127
100			94.0344			103.4958			120.5522

3-6. 수소함량의 변화에 대한 영향

장시간의 고온분위기가 중성자 차폐재의 수소함량에 미치는 영향을 Table 3에 나타내었다. Table 3에서 보는 바와 같이 고온분위기의 가열시간이 중성자 차폐재의 수소함량의 변화에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 중성자 차폐재의 중성자 차폐성능에는 거의 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

Table 3. Effects of heating period on the hydrogen content of shielding                 materials

Heating period (day)	Shielding material (hydrogen content(wt.%))
	KNS-102	KNS-106	KNS-611
0	5.9	6.6	5.2
30	5.9	6.5	5.2
50	5.8	6.4	5.2
70	5.8	6.3	5.2
100	5.8	6.3	5.1

4. 결  론

1) 페놀-노블락형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-611)와 개질된 비스페놀A형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-102)는 고온분위기하에서 가열시간의 증가에 따라 인장강도 및 굴곡강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 수소 첨가된 비스페놀A형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-106)는 감소하는 경향을 나타내었다.

2) 중성자 차폐재, KNS-611의 열전도도는 고온분위기하에서 가열시간의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, KNS-102와 KNS-106의 열전도도는 가열시간의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 반면 중성자 차폐재, KNS-102, KNS-106 및 KNS-611의 열팽창계수값은 가열시간의 증가에 따라 적게 나타났다.

3) 고온분위기하에서 가열시간의 증가는 중성자 차폐재, KNS-102, KNS-106 및 KNS-611의 무게변화 및 수소함량의 변화에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

참 고 문 헌

1. Blakely, K. A., Gaffney, M. F. and Shaffer, P. T. B.: Trans. Am. Nucl.        Soc., 34, 199(1980).

2. Taniuchi, H., Iida, T., Matsuda, F. and Nagahama, H.: IAEA-SM-286/135,     123(1987).

3. Iida, T., Taniuchi, H. and Fujisawa, K.: RAMTRANS, 2, 79(1991).