에폭시수지와 노말부탄올 계의 인화점 측정

Theories and Applications of Chem. Eng., 2003, Vol. 9, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제9권 제1호 2003년

하동명*, 최용찬, 김승종, 이성진1

세명대학교 안전공학과, 1세명대학교 교양학부

(hadm@semyung.ac.kr*)

Measurement of Flash Points of Epoxy Resin and n-Butanol System

Dong-Myeong Ha*, Yong-Chan Choi, Sung-Jong Kim and Sung-jin Lee1

Dept. of Safety Engineering, Semyung Univ., Jecheon 390-711, Korea

1School of Liberal Arts, Semyung Univ., Jecheon 390-711, Korea

(hadm@semyung.ac.kr*)

1. 서 론

인화점은 산업현장에서 사용되는 물질의 화재 및 폭발의 잠재적 위험성을 결정하는데 사용되는 중요한 연소 특성치 가운데 하나이다. 인화점은 안전과 수송 등의 규제를 위해 가연성물질의 구분에 대해 정부나 산업에서 안전, 환경 및 보건의 모든 조직에서 실질적으로 사용되고 있다. 공정 상에서 가연성물질의 생산, 처리, 수송, 저장할 때 취급 부주의로 화재 및 폭발이 야기될 수 있다. 따라서 가연성물질의 안전한 취급을 위해서는 이들 물질의 중요한 기초적인 안전특성 자료인 인화점(flash point)에 대한 지식을 필요로 한다[1, 2].

인화점 측정 방법으로는 ASTM D56의 Tag 밀폐식[3], ASTM D1310의 Tag 개방식[3], ASTM D92의 Cleveland 개방식[4], ASTM D93 Pensky-Martens 밀폐식[5], ASTM D3278 Setaflash 밀폐식[6], ASTM D 3828의 Small Scale 밀폐식[7] 등이 있다. 또한 柳生昭三[8]이 고안한 밀폐식 인화점 측정 장치가 있다. 이 가운데 ASTM D93 Pensky-Martens 밀폐식은 인화점이 396℃이하의 가연성액체 혹은 유화제 등에 이용되고 있다.

최근 산업이 다양화됨에 따라 코팅(coating) 기술 역시 많은 산업분야에 응용되고 있다. 이에 따른 화재 및 폭발이 수반되는 경우가 종종 있는데도 불구하고 이를 예방하기 위한 용매, Resin 그리고 보호코팅제에 대한 화재 및 폭발 특성 연구는 적은 편이다.

특히 Resin 혼합물은 내약품성과 접착성, 강인성, 고온특성이 좋으며, 이러한 장점으로 인하여 도료, 건축, 토목, 전기, 전자, 기타 산업에 많이 이용되어지고 있다. 산업현장에서 널리 사용되고 있는 Resin 혼합물의 인화점 측정을 하고자 한다. 앞으로 본 연구를 바탕으로 Resin 혼합물의 인화점 예측 방법에 도움을 주고, 실험에서 얻고자 하는 다른 Resin 혼합물의 인화점 측정에 활용될 수 있는 자료로 제공하고자 한다.

2. 실 험

2-1. 실험방법

본 실험에 사용된 실험장치는 Pensky-Martens Closed Cup(ASTM-D93)장치로서 용매형태의 왁스들과 현탁액, 윤활류, 연료의 평가에 주로 사용된다. 그것은 교반기와 함께 제공되고, 다양한 액체의 인화점 측정을 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 본 연구에서의 실험 절차는 다음과 같다.

1)시료컵에 규정된 시료(혼합물)을 65ml넣고, 가열 공조기 안에 장착

2)스위치를 on으로 하고, 가열 속도는 5~6℃/min으로 하며, 교반기는 140~150회/min       으로 한다.

3)시험 온도가 되면 Flame관에 붙은 화염 조정나사를 조절하여 화염의 크기를 조절한다.

4)밀폐계 안의 시료(혼합물) 증기에 Flash가 일어날 때까지 1℃상승 시마다 반복

측정한다.

5) ASTM 규정에 맞추어 실험하였으며, 이들 시약을 각각 몰비(mole fraction)로

혼합용제를 제조하여 실험에 사용하였다.

2-2. 실험재료

본 실험에서는 산업현장에서 널리 사용되고 있는 노말프로판올과 물을 대상으로 하였으며, 각 시료는 순정화학(純正化學)주식회사의 시약 순도 99%이상을 사용하였고, 고분자 물질은 Dow Chemical Company의 제품 D.E.R. 331 Epoxy Resin을 사용하였다. 이 에폭시 수지는 Bisphenol A형으로써 대표적인 에폭시 형태이고, 특성으로는 약한 에폭시 냄새가 나는 무색에서 연황색 액체이다. 제조 방법은 BPA(Bisphenol A)와 ECH(Epichlorohydrine)을 반응시켜 제조한다. 고분자량의 동족체(homologue)들은 다음의 구조를 갖는다.

여기서 D.E.R. 331의 경우에는 n이 0.15의 값을 갖는다.

분자량이 증가하면, i부분에 다른 반응기 -OH기-가 생긴다. 이 관능기는 촉매가 있을 경우 anhydride, 유기산 amino 수지, phenolic 수지와 고온에서 반응을 하거나 가교반응을 주기위해서 epoxide기와도 반응을 한다.일반적으로 이 Type의 수지는 벤젠핵(Bisphenol A)이 있기 때문에 자유회전이 힘들다. 성상에 따라 액상과 반고상, 고상, 그리고 반응성 희석재를 첨가한 희석형과 용제를 첨가한 용제형이 있다.

이것이 내약품성과 접착성 강인성 고온특성을 좋게 한다. 또한 분자내에 Ether기를 가지고 있어 내약품성이 우수하고, 가소성이 있다. 친수성의 수산기와 소수성의 탄화수소기가 규칙적으로 배열되어 있어 접착성이 우수하다.

이 시료의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다[9].

Table 1. Physical properties of epoxy resin

Material name	Bisphenol A/Epichlorohydrin Resin
CAS number	025085-99-8
Flash point(PMCC)	252℃
Density(at 25℃)	1.16(g/ml)
Viscosity(at 25℃)	11,000～14,000 cps
Equivalent epoxide weight	182-192(g/eq)

3. 결과 및 고찰

Resin의 용매로 널리 사용되고 있는 부탄올의 첨가에 의한 인화점 측정을 하여 그 결과를 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Experimental data of lower flash points for

n-butanol(X1)+epoxy resin(X2) system

Weight fraction		Flash point (℃)
X1	X2	Exp.
0.100 0.643 0.433 0.318 0.231 0.162 0.116 0.074 0.051 0.020 0.000	0.000 0.357 0.567 0.682 0.769 0.838 0.884 0.926 0.949 0.980 1.000	31* 25* 26* 28* 27* 26 29 36 38 58 254

* Partial miscible

Table 2를 살펴보면 n-butanol+resin계는 resin의 질량 조성이 약 0.8%이하에서 n-butanol과 부분 혼합하여 나타났고, 그 이상의 질량 조성에서는 완전 혼합되어 존재한다. 또한 resin의 질량 조성이 0.95%이상에서 급속한 하부인화점의 증가를 볼 수 있다. 이들 현상은 산업 현장 어디서나 널리 쓰이는 에폭시 수지의 화재 및 폭발을 방지하는 중요한 자료로 사용될 뿐만 아니라 화학 공정상에 안전을 확보하는 기초 자료로 이용될 것으로 사료된다.

4. 결론

1) n-butanol+resin계는 resin의 질량 조성이 약 0.8%이하에서 n-butanol과 부분 혼합하여      나타났다.

2) n-butanol+resin계에 대한 resin의 질량 조성이 0.95%이상에서 급속한 하부인화점의      상승을 보였다.

참 고 문 헌

1. Lee, S.K. and Ha, D.M.: “Newest Chemical Engineering Safety Engineering”,

Donghwagisul Press, Seoul(1997).

2. Crowl, D.A. and Louvarl, J.F., 　Chemical Process Safety : fundamentals with

applications　, Englewood Cliffs, New York, Prentice-Hall(1990).

3. American Society for Testing Materials: Annual Book of ASTM Standards,

Vol. 05.01(1999).

4. American Society for Testing Materials: Annual Book of ASTM Standards,

Vol. 05.01(1999).

5. American Society for Testing Materials: Annual Book of ASTM Standards,

Vol. 05.01(1999).

6. American Society for Testing Materials: Annual Book of ASTM Standards,

Vol. 06.01(1999).

7. American Society for Testing Materials: Annual Book of ASTM Standards,

Vol. 05.02(1999).

8. 柳生昭三: 安全工學, 24(3), 152(1985).

9. Dow Chemical Co. Ltd. : Dow Epoxy Resins Product Stewardship Manual,

Safe Handling and Storage, #296-00312, D.E.R. 331(2001).