KR0172999B1 - 보강된 열 보호 시스템 - Google Patents

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KR0172999B1
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heat
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러빈 펠드만
에드워드 윌리엄 테일러
Original Assignee
러빈 펠드만
써멀 사이언스 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 고 열원으로부터 열을 차단하는 피복 조성물(106, 109, 113, 205, 305, 405, 503)을 고온의 고복사율을 갖는 개방 위브 직물(107, 111, 207, 307, 407, 507, 508)을 사용하여 보강하는 것에 관한 것이다. 이 피복 조성물은 흡열처리를 진행하므로써, 또는 팽윤되므로써, 바람직하게는 둘 모두를 진행하므로써 고도로 높은 온도에 대해 활성적으로 반응하는 물질을 함유한다. 상기 직물(107, 111, 207, 307, 407, 507, 508)은 흑연 또는 카르도-중합체 얀으로 제조되는 것이 바람직하다. 보강된 조성물은 기재(101, 203, 303)에 직접 도포될 수 있으며, 또는 자체-지지성 모양(401)으로 성형될 수 있으며, 이것은 기재에 도포되거나, 또는 그 자체로 구조단위물이 된다.

Description

[발명의 명칭]
보강된 열 보호 시스템
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 과열 및 화염에 대한 내성이 있는 시스템에 관한 것이다. 특히 중첩되어 있는 기재를 보호하는 시스템에 적용된다. 또한 상기 보호를 제공하는 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
열 및 화염으로부터 기재를 보호하고자 하는 경우로는, 예를 들면 석유 저장탱크, 화학 약품 제조 장치, 전기 케이블 트레이, 및 구조용 강재와 같은 정적 구조물을 화재가 번지는 것으로부터 보호하고 탱크 차 및 항공기 선실과 같은 수송 장치를 이와 동일한 위험으로부터 보호하는 것을 포함한다.
상기 장치들에 적용되는 수많은 열 보호 피복 조성물 및 시스템이 공지되어 있다. 그 조성물 중 몇몇은 적용시 그것의 낮은 열 전도성 및 두께에 의해서만 보호되는 발포된 수동식 절연 조성물이다. 이들은 발포 시멘트 및 발포 실리케이트를 포함한다. 본 발명은 이러한 시스템과는 무관하다.
기타 조성물은 활성 열 보호를 제공한다. 몇몇은 가열시 발포되어 기재위에 두꺼운 폐쇄 셀 보호 층을 형성한다. 이는 니엘슨 등의 미합중국 특허 제 2,680,077호 또는 카플란의 미합중국 특허 제 3,284,216호에 개시되어 있는 것과 같은 실리케이트 용액 또는 인산 암모늄 페인트 또는 조성물을 포함한다. 기타 활성 열 보호 조성물은 펠드만의 미합중국 특허 제 3,022,190호에 개시되어 있는 것과 같은 소정의 온도에서 승화하는 구성성분을 포함한다. 펠드만의 미합중국 특허 제 3,849,178호에 개시된 활성 열 보호 조성물은 특히 유용한데; 과잉의 열을 받았을 때 이들 조성물은 흡열반응의 상변화를 진행하며 팽창하여 연속적 다공성 매트릭스를 형성한다. 상기한 활성이란 팽창 또는 고도의 흡열반응이 따르는 변화의 진행 또는 둘 모두에 의한 과잉 열에 반응하는 열 보호 조성물을 가리키기 위해 사용된다. 또한 이 열 보호 피복 조성물을 적용하기 위해 다양한 방법 및 구조물이 사용되어 왔다. 가장 상용되는 접근법은 조성물을 추가 구조물없이 직접 기재위에 도포하는 것이다. 그러나, 많은 적용에 있어서 유리섬유 시이트 또는 와이어 메쉬와 같은 보강용 물질을 상기 피복 조성물내에 매립시켜 상기 조성물을 강화하는 폭발 또는 지진과 같은 과잉 진동의 조건하에서 또는 과잉의 화염 또는 열조건 하에서 크랙킹 및 기재가 떨어져 나가는 것을 방지하여 왔다. 보강은 특히 조성물의 두께가 약 1/4인치(4mm)를 넘거나 또는 조성물이 표준 화염 테스트에서 약 30분 이상에 정격될 때 중요하다는 것이 밝혀졌다. 이 접근법의 예로는 펠드만의 미합중국 특허 제 3,022,190호, 빌링등의 미합중국 특허 제 3,913,290호, 카플란의 미합중국 특허 제 3,195,777호 및 빌링 등의 미합중국 특허 제 4,069,075호에 개시되어 있다. 때로는 상기 조성물을 먼저 가요성 테이프 또는 가요성 와이어 메쉬와 같은 보강용 구조물에 도포하고 그 결합된 구조물을 기재에 적용한다. 이 접근법의 예로는 펠드만의 미합중국 특허 제 3,022,190호, 페들로우의 미합중국 특허 제 4,018,962호, 피터슨등의 미합중국 특허 제 4,064,359호, 캐슬의 미합중국 특허 제 4,276,332호, 프라이어등의 미합중국 특허 제 4,292,358호 및 펠드만의 미합중국 특허 제 4,493,945호에 개시되어 있다. 상기 마지막 언급된 시스템에서 보강용 구조물의 목적은 수득된 복합체의 강화 및, 비경화된 피복 조성물을 상기 기재위에서 직접 분무하거나, 다듬거나 페인팅하지 않고도 특정기재에 적용할 수 있다는 것이다.
전술한 방법 및 구조물중 어떤것에서도 다중 층을 기재에 도포하여 종종 추가의 보호를 제공한다.
그러나, 활성 열 보호 조성물 내에 보강 구조물을 사용하는 것이 아주 성공적이지는 않았었다. 활성 열 보호 조성물내에 매립시킨 유리섬유 시이트는 열에 의해 부서지기 쉬워서 그것이 매립된 조성물은 화염 조건하에서 크랙킹되거나 불량해질 수 있다는 것이 밝혀졌다. 금속 메쉬는 도포하기가 어렵다. 일반적으로 그것은 중첩 기재 위에 장착하기 위해서는 스터드를 필요로 하며 메쉬의 견고도는 성형 및 작동을 어렵게 한다. 또한 현재 공지된 시스템 및 방법은 요구되는 보호조성물의 주어진 중량에 대한 보호 정도에 있어서 효율적이 않다. 많은 용도에 있어서 중량 또는 부피는 극히 제한되므로 효율은 특히 중요하다.
[발명의 요약]
본 발명의 목적은 현재 공지된 시스템 및 방법보다 고열 조건에 대해 더욱 효율적인 보호를 제공하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 광범위한 용도에 적용될 수 있는 상기 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 적용이 용이하고 매우 효율이 높은 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 목적은 하기 설명 및 첨부한 도면에 따라 당업자라면 명백히 인식될 것이다.
본 발명은 일반적으로 활성 열 보호 조성물 및 그 조성물 내에 매립된 한층의 다공성 천을 포함하는 고열처리에 대한 보호용 시스템을 제공하는 것으로, 상기 천은, 정합성이 있는, 비자립성의 고온, 고복사율 물질을 포함한다.
상기 천은 내열성 탄소 백본을 구비한 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 그 물질은 흑연이거나 또는 파커등의 공유 특허 제 4,687,785호에 개시되고 청구된 일반적인 유형의 카르도(cardo) 중합체인 것이 바람직하다. 열 분해성 흑연이 특히 좋으나 이것은 비싸다.
상기 천은 1인치당 4 내지 200개의 개구로 이루어진 메쉬를 갖는 개방 위브인 것이 바람직하다. 바람직하게는 1yd2당 0.5oz 이상의 중량(17g/㎡), 가장 바람직하게는 1yd2당 1.0oz 이상의 중량(34g/㎡)을 갖는다. 또한 상기 천은 다중-섬유 얀으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 천은 상기 물질내에 형성된 구멍들을 갖는 연속적 또는 패쇄된 위브로서 형성될 수 있으나, 이러한 배열은 개방된 위브 물질을 사용하는 것에 비해 훨씬 나쁜 것으로 밝혀졌다.
구멍의 크기 및 천의 두께는 특정 시스템의 특징 및 시스템의 용도에 의해 결정된다. 상기 천은 과열 및 충격하에서 조성물의 크랙킹을 막기에 충분히 강해야 하며 구멍들은 그 구멍을 통해 비경화된 조성물이 새어나올 수 있을 만큼 충분히 커야 한다.
활성 열 보호 조성물은 열에 노출시, 피복물을 팽창시켜서 보호 블랭킷을 제공하는 성분을 포함할 수 있거나 또는 흡열 변화를 진행하여 기체를 생성하는 조성물을 포함할 수 있다. 본 원에 참고 인용된 펠드만의 미합중국 특허 제 3,849,178호에 개시된 바와 같이 팽창하며, 흡열 상 변화를 진행하는 조성물이 바람직하다.
몇몇 바람직한 실시태양에서는 탄소-백본 천을 활성 열 보호 조성물의 제 2 층으로 덮는다. 더 오랜 보호를 위해서 탄소-백본 천의 다른 조각을 상기 활성 열 보호 조성물의 제 2 층위에 도포하고, 마무리 층으로서 상기 활성 열 보호 조성물의 제 3 층을 천의 상기 다른 조각위에 도포한다.
본 발명의 시스템은 고온 및 고전단력과 같은 테스트 조건하에 유리 섬유-보강된 시스템보다 20-30% 정도 더 오랜 보호를 제공한다는 것이 밝혀졌다. 그러므로 상기 조성물의 물리적 특성을 손상시키지 않고도 같은 두께의 조성물로 더 큰 효과를 얻을 수 있다. 또한 조성물의 두께 및 중량은 열 보호를 손상시키지 않고도 감소시킬 수 있다.
한 실시태양에서는 상기 활성 열 보호 조성물의 제 1 층을 기재에 직접 도포하고 그 후 한층의 다공성 천 내에 압연 또는 가압시킨 후 그 조성물의 제 2 층을 도포하는 방식으로 상기 시스템을 사용한다. 조성물 및 다공성 천을 번갈아 도포하여 다중층을 형성시킬 수 있다.
또 다른 실시태양에서는 흑연 또는 카르도-중합체 천을 일정한 형태로 펼쳐놓고, 상기 조성물을 상기 천의 위브를 통해 연신되도록 상기 형성된 천 위에 도포한후, 경화된 조성물/천 복합체를 하나의 유니트로서 기재위에 도포한다. 이 실시태양에서 그 복합체 조성물은 천 내부에 일체형 간격을 이루는 전술한 펠드만의 미합중국 특허 제 4,493,945호에 개시된 형태인 것이 바람직하다. 이 방법은 펠드만의 미합중국 특허 제 4,493,945호의 것보다 더 가볍고 더 효율적인 구조를 만든다. 이 모든 실시예에서 상기 천은 활성 열 보호 조성물의 열-수용면 아래에 매립되는 것이 바람직하다.
또다른 방법은 활성 열 보호 조성물을 트러스-코어(truss-core) 흑연 또는 카르도-중합체 천의 내부에 도포하는 것이다. 트러스-코어 시스템과 같은 삼차원 천 시스템내에 충전제로서 활성 열 보호 조성물을 사용하는 것이 본 발명의 또다른 면이다. 이 실시태양에서는 고온, 고복사율의 천 트러스-코어 구조물의 바깥쪽 면을 열에 직접 노출시키거나 또는 열-수용면을 활성 열 보호 조성물의 마무리 피복물로 덮을 수 있다. 이러한 복합체는 스탠드-단독 구조 부재로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 면은 하기 기술된 바람직한 실시태양을 참고로 더욱 잘 이해될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
하기 도면들에 있어서, 제1도는 기재에 직접 도포된 본 발명의 열 보호 시스템에 의해 보호되는 기재의 개략적인 부분적 단면 투시도이다.
제2도는 표준 화염 테스트시 제1도의 시스템의 시간-온도 곡선을 나타내는 그래프이다.
제3도는 와이어 메쉬 보강재를 사용한, 제1도의 것과 같은 시스템의 시간-온도 곡선을 나타내는 그래프이다.
제4도는 유리섬유 보강재를 사용한, 제1도의 것과 같은 시스템의 시간-온도 곡선을 나타내는 그래프이다.
제5도는 본 발명의 열 보호 시스템에 의해 보호되는 관형 강철 구조적 부재의 단면도이다.
제6도는 본 발명의 열 보호 시스템에 의해 보호되는 빔의 단면도이다.
제7도는 기재에 적용하기 위한 본 발명의 예비-성형된, 자립성 시스템의 단면도이다.
제8도는 기재에 적용하기 위해 또는 스탠드-단독 구조 부재로서 본 발명의 트러스-코어 시스템의 단면도이다.
[바람직한 실시태양의 설명]
하기 실시예는 본 발명의 시스템 및 방법을 예시하였으며, 그 성능을 선행 공지된 시스템 및 방법과 비교하였다.
[실시예 1]
본 발명의 열 보호 시스템은 흡열 상 변화를 진행하며 팽창하여 연속 다공성 매트릭스를 형성하는 활성 열 보호 조성물을 강철 기재에 도포하므로써 제조된다. 이러한 조성물의 실시예는 다음과 같다:
상기 조성물이 점착성이 있는 동안 느슨한 위브 흑연 천으로 된 시이트를 표준 압연기로 조성물의 표면내로 압연시킨다. 상기 느슨한 흑연 천은 매우 가요성 및 정합성이 있으며 에지 위에서 드레이프된다. 상기 활성 열 보호 조성물의 제 2 층을 천 위에서 그 천을 덮도록 분무하였다. 상기 시스템을 경화하면 상기 흑연 섬유 대신 유리섬유 천 또는 금속 메쉬를 사용하여 제조된 유사한 시스템에 비해 우수한 내염성(耐炎性)을 제공한다.
[실시예 2]
제1도에 제시된 시스템을 사용하여 상기 시스템의 전형적인 테스트를 수행하였다. 제1도에 따르면 시스템(1)은 프라이머(103)이 도포되는 기재(101), 활성 열 보호 조성물의 피복물(105), 보강층(흑연 천)(107), 활성 열 보호 조성물의 제 2 피복물(109), 제 2 보강층(111), 및 활성 열 보호 조성물의 제 3 층(113)을 포함한다.
본 테스트에서는, 보강재로서 각각 느슨한 위브, 와이어 메쉬, 및 유리섬유를 사용하는 것 외에는 동일한 세 개의 샘플을 제조하였다. 흑연 천은 1yd2당 1.6oz(55g/㎡)의 중량 및 1인치당 6메쉬(1m당 약 236개의 개구) 위브를 갖는 느슨한 위브 스크림이다. 금속 메쉬는 1/2인치(1m당 약 80개의 개구), 19게이지의 아연 도금된 강철 직물이다. 유리섬유 천은 1yd2당 1.9oz(약 65g/㎡)의 중량을 갖는 직조된 1인치당 6메쉬(1m당 약 236개의 개구)의 천이다.
본 테스트에서의 활성 열 보호 조성물은 2성분 에폭시-계 열 활성화된 피복물인 바, 이것은 화염 또는 과열에 노출시, 연속 셀 매트릭스의 형성을 통한 약간의 부피 증가를 보이면서 일정한 온도에서 휘발하며, 열을 흡수하고 차단하여 기재물질을 보호한다. 상기 조성물은 다가작용성 알코올, 1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민, 에폭시 수지, 및 이황화물 고리와 경화성 말단 티올 기(폴리 설파이드)를 함유하는 비스-(에틸렌 옥시)메탄의 중합체를 포함한다. 이 조성물은 하기의 공칭 조성을 갖는다:
모든 테스트에서의 기재는 1 ft ×1 ft(0.3㎡) × 6.5mm 두께의 강철판이었다. 각 판의 이면에 4개의 열전쌍(C5-C8로 표시)을 장착하고, 판의 각 4분면의 중앙에 1개를 장착하였다. 상기 테스트 표본은 활성 열 보호 조성물내에 균일하게 매립된 두층의 구체적인 보강용 물질을 포함한다. 이것은 실시예에서는 흑연천으로서, 제1도에 보여진다; 금속 천 유리 섬유는 같은 방법으로 수행된다. 상기 활성 열 보호 조성물의 총 두께는 각각 18mm이다. 상기 테스트 표본을 화염 테스트 장치 내에서 테스트하기 전에 경화시켰다.
상기 테스트 장치는 약 325kilowatt/㎡ 및 900 내지 1100℃의 온도의 열 플럭스를 생성한다.
상기 테스트에 대한 제한 온도는 752℉(400℃)이며, 이는 석유 산업의 구조적 강철을 보호하는 분야에서 표준이 된다.
상기 세 시스템의 비교 성능을 제2도 내지 제4도에 제시하였다. 이 결과들은 놀라운 것이었다. 그 테스트 결과는 또한 하기 표 1에 요약되어 있다:
본 발명의 열 보호 시스템 및 방법은 당업자라면 다양한 변형이 가능할 것이다.
제5도에서와 같이, 실시예에 의하면 상기 기재는 관형 컬럼(203)으로서, 활성 열 보호 조서물(205)는 컬럼의 표면에 직접 도포되어 있으며 개방-위브 흑연 직물 보강물의 단일 조각(207)은 컬럼 주위에 걸쳐서 완전히 연신되어 조성물내에 매립되어 있다.
제6도에서와 같이, 상기 기재는 H-빔(303)이 될 수 있으며 상기 개방-위브 흑연 천(307)의 4조각이 플랜지의 외부 표면에 걸쳐 그리고 그것들의 에지 둘레에 연신되어 있다; 이 실시태양은 빔의 웨브내에서는 천 보강물질을 완전히 제거하였다. 활성 열 보호 조성물(305)을 상기 빔 주위, 흑연 천 위 및 아래에 완전히 도포하였다.
제7도에서와 같이, 펠드만의 미합중국 특허 제 4,493,945호에 개시된 유형의 예비-형성된, 자립성 구조는 상기 특허의 금속 메쉬 대신 본 발명의 흑연 또는 카르도-중합체를 사용하여 형성시킬 수 있다. 흑연 또는 카르도-중합체(407)를 상기 완성된 구조물의 리지에 일치하는 횡 그루브를 갖는 형태로 펼쳐놓았다. 그 천은 특히, 활성 열 보호 조성물(405)이 도포되는 경우 상기 형태의 모양에 쉽게 정합한다. 열 보호 조성물을 천의 위브를 통해 연신되도록 상기 천위에 분무하고, 그 조성물을 경화시켰다. 그후, 상기 조성물/천 복합 구조물을 하나의 유니트로서 상기 기재에 도포하였다.
제8도에서와 같이, 본 발명의 시스템은 또한 그 자체로서 구조적 부재가 될 수 있는 기타 자립성 구조물이 될 수 있다. 이 실시태양에서는 동일한 물질로 형성된 일체적으로 직조된 주름(508)에 의해 연결된 2매의 연속 위브 흑연 천(507)을 갖는 트러스-코어 직물을 사용한다. 상기 주름은 상기 물질에 대해 횡방향으로 나열된다. 주름 내로 활성 열 보호 조성물(503)이 압출에 의해 도입된다. 상기 조성물은 주름을 개방시키며 경화시 고열 조건에 대해 현저한 내성을 갖는 구조물을 형성한다.
본원에 언급한 활성 열 보호 조성물을 포함하여, 실시태양의 것들 또는 첨부된 특허 청구 범위내의 것들 중 다양한 기타 활성 열 보호 조성물을 사용할 수 있다. 점 접착, 핀으로 꽂는 것에 의해, 또는 그밖의 방법에 의해 상기 기재에 직접 접착시키는 것과 같은 기타 방법으로 흑연 또는 기타 탄소-백본의 저수소의 천을 적용할 수 있다. 이러한 변형은 단지 예시적인 것에 불과하다.

Claims (20)

  1. 활성 열 보호 조성물(105, 205, 305, 405) 및 상기 조성물내에 매립된 한층 이상의 다공성 천(107, 207, 307, 407)을 포함하는 고열 처리에 대한 보호 시스템에 있어서, 상기 조성물은 과도한 열에 노출시 흡열상 변화를 진행하고 팽창하여 연속적인 다공성 매트릭스를 형성하며, 상기 천은 흑연물질을 포함하며, 상기 시스템은 고열 및 고전단력의 조건에서 상기 천이 섬유유리 물질인 유사한 시스템에 비해 보호 기간이 20% 이상 연장되는 것을 특징으로 하는 고열 처리에 대한 보호 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 천은 직조된 다중 섬유 흑연 얀을 포함하는 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 천은 정합성이 있으며 비자립성인 시스템.
  4. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 천은 1인치당 개구가 4 내지 200개인 메쉬를 갖는 시스템.
  5. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 천은 과도한 열 및 충격하에서 상기 조성물의 크랙킹을 막기에 충분히 강하며 상기 개구를 통해 비경화된 조성물이 스며나오기에 충분히 큰 개구를 포함하는 시스템.
  6. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 에폭시 수지 및, 고열 조건에 노출시 흡열상 변화를 진행하는 성분을 포함하는 시스템.
  7. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 천은 1yd2당 0.5oz 이상의 중량을 갖는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 천은 1yd2당 1.0oz 이상의 중량을 갖는 시스템.
  9. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 열 보호 조성물은 고열 조건에 노출시 흡열상 변화를 진행하여 가스를 생성하는 1종 이상의 성분을 포함하는 시스템.
  10. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물이 기재에 도포되어 있는 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 조성물이 보호하고자 하는 기재에 직접 도포되어 있는 시스템.
  12. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 천 및 조성물이 자립성 구조물을 형성하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 구조물이 그 내부에 일체형 스페이서를 포함하는 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 조성물은 서로 이격되어 있는 두 조각의 천으로 형성된 구조물내에 봉입되어 있는 시스템.
  15. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 천은 상기 조성물과는 별개로 기재에 부착되어 있는 시스템.
  16. 과도한 열에 노출시 흡열상 변화를 진행하고 팽창하여 연속적인 다공성 매트릭스를 형성하는 활성열 보호 조성물(105, 205, 305)을 기재에 도포하는 단계 및 상기 조성물 내에 흑연 천(107, 207, 307)을 매립시키는 단계를 포함하며, 상기 단계들에 의해 형성된 보호 시스템은 고열 및 고전단력의 조건에서 상기 천이 섬유유리 물질인 유사한 시스템에 비해 보호 기간이 20% 이상 연장되는, 고열 조건으로부터 기재(101, 203, 303)를 보호하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 천을 비경화된 상기 조성물 층위에 놓고 이후에 제2의 활성 열 보호 조성물층으로 덮는 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 제2의 천조각을 상기 제2의 활성 열 보호 조성물 층위에 배치시키는 방법.
  19. 주름진 시이트(508)에 의해 연결된 2매의 천(507)으로 형성된 케이싱 및 상기 2매의 천 사이의 공간내에 활성 열 보호 조성물(503)을 포함하는 열 보호 구조물에 있어서, 상기 조성물은 2매의 천 사이의 공간을 채우며 과도한 열에 노출시 흡열상 변화를 진행하고 패창하여 연속적인 다공성 매트릭스를 형성하는 것을 특징으로 하는 열 보호 구조물.
  20. 제1항 내지 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 18mm 이상의 두께를 갖는 시스템.
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