노블락형 에폭시수지계 중성자 차폐재의 열적 특성연구

조 수 행, 도 재 범, 노 성 기, 박 현 수

한국원자력연구소

A Study on the Thermal Characteristics of  Novolac Type

Epoxy Resin based Neutron Shielding Materials

Soo Haeng Cho, Jae Bum Do, Seung Gy Ro, Hyun Soo Park

Korea Atomic Energy Research Institute, Taejeon 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 재료가 절실히 요망된다. 중성자는 거의 같은 질량의 수소원자와의 충돌에 의하여 에너지가 흡수되면서 효과적으로 감속되기 때문에 수소원자수밀도가 높은 고분자물질이 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[1-2].

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 열적 특성을 고찰하였다. 또한 본 연구에서는 알킬 그리시딜 에테르로 개질한 비스페놀A형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-201)와 수소 첨가된 비스페놀A형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-301)의 열적 특성과 비교·평가하였다.

2. 실   험

2-1. 실험재료

기본물질로 사용된 액상의 프리 폴리머인 에폭시수지는 페놀-노블락계 저점도형수지이다. 경화제로는 변성 지방족아민 및 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-501	29	11	57	3
KNS-601	26.5	13.5	57	3

2-3. 분석

중성자 차폐재의 특성시험으로 열안정성시험, 열전도도시험 및 열팽창시험을 행하였다. 열안정성시험은 ASTM E537에 의해 5℃/min로 상온에서 800℃까지 TG-DTA 측정, 열전도도시험은 ISO 8894-1에 의해 QTM-500으로 열전도도를 측정, 열팽창시험은 ASTM D696에 의해 DuPont 2100으로 열팽창계수를 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 열안정성

페놀-노블락형 에폭시수지와 경화제로 변성 지방족아민으로 제조된 중성자 차폐재, KNS-501, 경화제로 변성 방향족아민으로 제조된 중성자 차폐재, KNS-601의 TGA 분석결과를 Fig. 1과 Table 2에 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 페놀-노블락형 에폭시수지계 차페재들이 개질 및 수소 첨가된 비스페놀A형 에폭시수지계 차폐재들보다 열안정성이 우수함을 나타내었다. 또한 Table 2에서 보는 바와 같이 페놀-노블락형 에폭시수지가 기본물질인 중성자 차폐재들이 열분해온도가 높게 나타났고, 무게감소도 낮게 나타났다[3].

Table 2. Thermal stabilities of shielding materials

Description	Shielding material
	KNS-201	KNS-301	KNS-501	KNS-601
Onset temp.(℃)	257	263	280	291
Weight loss(%) at 800 ℃	46.4	50.4	39.1	35.0

3-2. 열전도도

제조된 중성자 차폐재들의 열전도도 측정결과를 Table 3에 나타내었다. Table 3에서 보는 바와 같이 페놀-노블락형 에폭시수지계 차폐재의 열전도도값이 개질 및 수소 첨가된 에폭시수지계 차폐재보다 크게 나타났으며, 또한 외국에서 사용후핵연료 수송용기에 널리 사용되는 중성자 차폐재, NS-4-FR보다 크게 나타났다.

Table 3. Thermal conductivities of shielding materials

Description	Shielding material
	KNS-201	KNS-301	KNS-501	KNS-601
Thermal conductivity (W/m·K)	1.006	0.952	1.072	1.142
Reference[4]	Bisco Products NS-4-FR(Fire Resistant Shielding): 0.65

3-3. 열치수안정성

제조된 중성자 차폐재들의 열팽창계수 측정결과를 Table 4에 나타내었다. Table 4에서 보는 바와 같이 페놀-노블락형 에폭시수지계 차폐재의 열팽창계수값이 개질 및 수소 첨가된 에폭시수지계 차폐재보다 낮게 나타났으며, 또한 외국산 중성자 차폐재, NS-4-FR보다 낮게 나타나 열치수안정성이 우수함을 나타내었다[4].

Table 4. Thermal expansion coefficients of shielding materials

Description	Shielding material
	KNS-201	KNS-301	KNS-501	KNS-601
Thermal expansion coefficient(x10-6 ℃-1)(50∼180 ℃)	1.259	1.215	1.009	0.767
Reference[4]	Bisco Products NS-4-FR(Fire Resistant Shielding): 1.97

3-4. 내연성

제조된 중성자 차폐재들의 내연성 시험결과를 Table 5에 나타내었다. Table 5에서 보는 바와 같이 각 차폐재들의 평균연소길이(average extent of burning, AEB)는 모두 5 mm 이하였고, 평균연소시간(average time of burning, ATB)은 5초 이하였다. 한국공업규격 KS M3015, 열경화성 플라스틱 일반 시험방법에 따르면 연소길이가 25 mm 이하인 물질을 불연성물질, 그리고 25 mm 이상 100 mm 이하인 물질을 자기소화성 물질로 구분하고 있다. 따라서 Table 5에 나타난 수치들에서 알 수 있듯이 시험된 차폐재들은 모두 불연성 물질로 간주될 수 있었다.

Table 5. Burning test of shielding materials

Description	Shielding material
	KNS-201	KNS-301	KNS-501	KNS-601
ATB(sec)	< 5	< 5	< 5	< 5
AEB(mm)	< 5	< 5	< 5	< 5
Reference[4]	Bisco Products NS-4-FR: ATB; <5, AEB; < 5

3-5. 연소특성

미국 NRC 규정에 의한 화재조건(800 ℃, 30분)에서 중성자 차폐재의 연소특성을 평가하기 위하여 중성자 차폐재 시편들의 800 ℃ 분위기에서 시간에 따른 시편의 내부온도변화를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 중성자 차폐재들의 내부 최고온도가 모두 800 ℃ 이하로 나타났으며, 특히 노블락형 에폭시수지계 중성자 차폐재가 개질 및 수소 첨가된 에폭시수지계 중성자 차폐재보다 내부 최고온도가 낮게 나타났다. 본 연구에서 시제조한 중성자 차페재들의 연소특성시험에서 내부 최고온도가 800 ℃ 이하로 나타났는데, 이는 화재사고시 열원으로 작용할 수 없다는 것을 의미한다.

4. 결  론

1) 페놀-노블락형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-201, KNS-301)는 개질 및 수첨된 비스페놀-A형 에폭시수지계 중성자 차폐재(KNS-201, KNS-301)보다 열적 특성이 우수한 것으로 나타났으며, 또한 외국산 중성자 차폐재보다 우수한 것으로 나타났다.

2) 페놀-노블락형 에폭시수지를 기본물질로 하고 경화제로 변성 방향족아민으로 제조된 중성자 차폐재(KNS-601)의 열적 특성이 경화제로 변성 지방족아민으로 제조된 중성자 차폐재(KNS-501)보다 우수한 것으로 나타났다.

참 고 문 헌

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

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

3. Cho, S. H., Hong, S. S., Do, J. B., Ro, S. G. and Park, H. S.: Theories        and Applications of Chem. Eng., 3, 697(1997)

4. Technical Bulletin, Bisco Products, Inc., (1986)