KR100528391B1

KR100528391B1 - 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 및 조성물

Info

Publication number: KR100528391B1
Application number: KR10-2003-0022692A
Authority: KR
Inventors: 이춘규; 전경진
Original assignee: 주식회사 쎄코텍
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2005-11-16
Also published as: KR20040088704A

Abstract

본 발명은 현무암섬유, 벤토나이트, 규산소다, 폴리비닐 아세테이트 에멀젼을 일정비율로 조성하고, 이를 패널 또는 시트형태로 만들어 방화문의 심재 또는 각종 건축물의 내/외장재나 심재로 사용하여 단열과 내화 및 차염성능을 발휘하도록 한 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 및 조성물에 관한 것으로서, 그 구성은 소정의 길이로 절단된 현무암섬유 80∼93.5중량%, 무기결합제로 벤토나이트 4∼12중량%, 보조결합제로 규산소다 2∼4중량%, 유기결합제로 폴리비닐 아세테이트 에멀젼 0.5∼4중량%로 이루어진 것이다.

Description

현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 및 조성물{Adiabatic refractory and composition with basalt fiber main raw material}

본 발명은 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 및 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 현무암섬유, 벤토나이트, 규산소다, 폴리비닐 아세테이트 에멀젼을 일정비율로 조성하고, 이를 패널 또는 시트형태로 만들어 방화문의 심재 또는 각종 건축물의 내/외장재나 심재로 사용하여 단열과 내화 및 차염성능을 발휘하도록 한 것이다.

종래의 방화문 심재 또는 각종 건축물의 심재로 사용되는 내화재료는 허니콤 또는 우레탄 품을 삽입하거나, 유리섬유, 암면 등과 구조적으로 조합하여 이루어져 있다. 그러나, 이러한 소재는 인체에 대한 유해성 및 단열 특성에 있어서 많은 문제점을 발생시키고 있으며, 또한 점차적으로 내화규격이 강화되고 있는 시점에 있어서 충분한 내화성능이 발휘되지 못하는 문제점이 있다.

또 다른 형태로서 난연제 등의 무기질 첨거제를 첨가한 우레탄, 폴리이미드 및 폴리스텔렌 발포수지 등을 단독 심재로 하여 방화문을 제조한 경우 화재발생시 착화점이 낮아 차염 및 단열효과가 크지 않고 유독가스의 발생으로 인하여 인명피해를 초래하는 치명적인 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로서, 현무암을 용융하고 방사하여 만들어진 현무암섬유를 주원료로 하고 나머지는 벤토나이트, 규산소다, 폴리비닐 아세테이트 에멀젼을 일정비율로 혼합하여 패널 또는 시트형태로 형성시켜 방화문의 심재 또는 각종 건축물의 내/외장재나 심재로 사용함으로서, 인체에 유해하지 않고, 작업시 분진발생이 없으며, 내열과 단열이 우수하고, 화재발생시 유독가스발생이 적으며, 원적외선이 다량 방출되고, 흡음율이 좋은 단열 내화제 및 조성물을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 조성물은, 소정의 길이로 절단된 현무암섬유 80∼93.5중량%, 무기결합제로 벤토나이트 4∼12중량%, 보조결합제로 규산소다 2∼4중량%, 유기결합제로 폴리비닐 아세테이트 에멀젼 0.5∼4중량%로 이루어진 것이다.

그리고, 상기 현무암섬유는 직경 4∼10 미크론의 제1섬유 80∼90중량% : 직경 25∼70 미크론의 제2섬유 10∼20중량%의 비율로 혼합하여 된 것이고, 상기 벤토나이트는 화산재나 응회암이 분해해서된 몬모릴로나이트의 분말이 주성분으로 7∼12중량%인 것이 바람직하다.

또한, 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제는 소정의 길이로 절단된 현무암섬유 80∼93.5중량%, 무기결합제로 벤토나이트 4∼12중량%, 보조결합제로 규산소다 2∼4중량%, 유기결합제로 폴리비닐 아세테이트 에멀젼 0.5∼4중량%의 비율로 혼합하여 소정의 두께와 면적을 갖도록 시트 또는 패널형태로 제조하여 된 것이다.

또, 상기 현무암섬유는 직경 4∼10 미크론의 제1섬유 80∼90중량% : 직경 25∼70 미크론의 제2섬유 10∼20중량%의 비율로 혼합하여 된 것이고, 상기 벤토나이트는 화산재나 응회암이 분해해서된 몬모릴로나이트의 분말이 주성분으로 7∼12중량%인 것이 바람직하며, 상기 시트형태의 내화제를 방화용도어에 사용하도록 허니콤 또는 골판지형태로 형성시켜 된 것이고, 상기 패널형태의 내화제를 건축물의 내/외장 마감재로 사용하도록 원하는 형상으로 절단하여 된 것을 된 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 조성물 및 내화제에서, 무기결합제로 사용되는 벤토나이트를 4∼12중량% 사용하는 이유는, 4중량% 이하를 사용하면 결합력이 떨어져서 단열 내화제로서의 재 기능을 나타내기가 어렵고, 12중량% 이상을 사용하면 결합력은 증가하나 단열 및 내화성능이 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서 벤토나이트는 4∼12중량%를 사용해야하며, 결합력을 보다 증가시키려면, 바람직하게는 7∼12중량%를 사용함이 좋다.

보조결합제로 사용되는 규산소다(Na₂O, nSiO₂)는 일반적으로 물 유리라 불리는 것으로서, 규산(SiO₂₎과 산화나트륨(소다 : Na₂O)의 혼합물이고, 산기 규산소다의 역할은 현무암섬유와 벤토나이트사이의 결합력을 높이고 본 발명에 따라 제조되는 단열 내화제의 표면을 매끄럽게 한다.

한편, 상기 규산소다의 사용량을 2∼4중량% 사용하는 이유는, 2중량% 이하를 사용하면 현무암섬유와 벤토나이트 간의 결합력이 저하됨은 물론, 본 발명에 따라 제조되는 단열 내화제의 표면이 거칠어지는 문제점이 발생하고, 4중량% 이상을 사용하면 단열 내화제의 표면은 매끄러워지나 급속히 결합되는 문제점이 발생하여 충분한 작업시간 확보가 어렵다. 따라서 규산소다의 사용량은 2∼4중량%를 사용함이 바람직하다.

또, 유기결합제로 사용되는 폴리비닐 아세테이트 에멀젼은, 단열 내화제의 강도를 높임과 동시에 단열 내화제의 외부충격이 발생했을 때에 현무암섬유의 이탈을 방지하고 내진동성을 높이는 역할을 하는 바, 그 사용량을 0.5∼4중량%로 하는 이유는, 0.5중량% 이하를 사용하게 되면 단열 내화제가 필요로 하는 물성을 얻을 수가 없고, 4중량% 이상을 사용하면 단열 내화제의 내열성 및 내화성능이 떨어지는 문제점이 있다.

그리고, 본 발명의 단열 내화제 조성물에서 주원료로 사용되는 현무암섬유는 대한민국 특허출원 제2002-14449호에 제시된 장치에 의하여 제조된 것으로서, 이를 도1을 참조하여 간단하게 설명하면 다음과 같다.

현무암섬유를 제조하기 위한 장치는 현무암(10)을 분쇄시키는 분쇄기(20)와, 상기 분쇄기(20)에서 분쇄된 현무암 쇄석(12)을 저장하여 정량 배출시키는 사일로(40)와, 상기 사일로(40)에서 현무암 쇄석(12)을 공급받는 용융로(50)와, 상기 용융로(50)의 현무암 쇄석(12)을 가열하여 용용시키는 버너(60)와, 상기 용융로(50)의 일측에 형성된 용융물 이동통로(53)를 통해 용융된 현무암을 받아 섬유를 형성시키는 섬유형성기(70) 및, 상기 섬유형성기(70)에서 배출된 현무암섬유를 권취시키는 권취기(86)로 이루어진다. 그리고, 이 장치는 상기 섬유형성기(70)에서 배출된 섬유를 가열하여 서냉시키는 가열기(80)가 더 포함된다.

또한, 이 장치는 상기 섬유형성기(70)에서 배출된 섬유의 표면에 표면처리제를 도포시키는 도포기(82)와, 상기 도포기(82)에서 배출된 섬유를 건조시키는 건조기(84)가 더 포함된다. 또한, 상기 용융물 이동통로(53)는 상기 용융로(50)의 일측에 형성되어 현무암 용융물을 오버플로우시키는 수직벽(55)과 연결 설치된다. 상기에서 사용되는 표면처리제는 현무암 섬유의 제조에 통상적으로 사용되는 아크릴에멀전 또는 에폭시에멀전 등으로 이루어지면 충분하다.

상기한 현무암섬유 제조장치를 이용하여 현무암섬유를 제조하기 위해서는, 현무암을 20㎜ 이하의 굵기로 된 현무암 쇄석으로 분쇄하여 공급하고, 상기 현무암 쇄석을 1,440℃ ∼ 1,480℃에서 용융하며, 상기에서 용융된 현무암을 1,380℃ ∼ 1,480℃로 유지시키면서 인발하고, 상기 섬유를 960℃ ∼ 1,150℃로 서서히 냉각하며, 상기 섬유사의 표면에 표면처리제를 도포한 다음, 상기 섬유에 도포 된 표면처리제를 건조하고 권취한다. 상기에서 사용된 현무암은 SiO₂ 47 ∼ 56 중량%, Al₂O₃ 14 ∼ 19 중량%, FeO + Fe₂O₃ 7.0 ∼ 13.5 중량%, CaO 8 ∼ 11 중량%, MgO 3.5 ∼ 10.0 중량%, K₂O + Na₂O 2.5 ∼ 6.0 중량%, TiO₂ 2.0 중량% 이하의 조성을 갖는다.

상기와 같이하여 제조된 현무암섬유는 자연의 암석인 현무암에서 뽑아낸 것으로 환경 친화적이고, 직경이 아주 미세하여 단열성이 뛰어나며, 산 및 알칼리에 대한 저항성이 매우 우수하고, 또, 사용온도범위가 -260℃∼900℃임으로 단열이 이루어지며, 흡음력이 좋고, 인체에 유익한 다량의 원적외선이 방출되는 특징을 가지고 있다.

하기 표1에서는 현무암섬유와 E-유리섬유의 특징을 비교표로 나타내었다.

〔표 1〕

항목	현무암	유리섬유	항목	현무암	유리섬유
인장강도(Gpa)	2.8∼4.8	2.8∼3.4	내화학성
신율(%)	3	5	강산(2N HCL)에 넣었을 때의 잔존율(%)	98	62
200℃(%)	95	92	강알칼리(2N NaOH)에 넣었을 때의 잔존율(%)	97	93
400℃(%)	82	62	사용온도(℃)	-260∼900℃
탄성계수(Gpa)	89	73	흡수성	1%	10%
흡음률	0.8∼0.99		비중	2.8	2.57
열전도도(Kcal/m²℃)	0.028∼0.036	0.034∼0.04	원적외선방사율	0.92

상기 표1에서 강산 및 강알칼리에 넣었을 때의 잔존율(%)은 현무암과 유리섬유를 강산이나 강알칼리에 넣기 전의 양을 각각 100으로 하였을 때 강산이나 강알칼리에 넣고 일정 시간이 경과하였을 때 남아 있는 양을 말한다.한편, 현무암 화이버는 생태학적으로 유해한 작업복의 석면과 유리섬유, 천연-합성섬유의 효과적인 대용품으로 사용할 수 있으며, 현무암의 섬유와 현무암 실을 기본으로 하고 제품의 물리적 특성은 다른 어떤 섬유의 재료로 만들어진 것 보다 더 월등하다.

상기의 물리적 특성을 갖는 현무암 화이버의 적용분야는 건설, 농업, 발전시설, 기계공업, 자동차공업, 조선 등의 다양한 분야에서 흡음재, 단열재, 내열재, 필터제품, 보강재 등으로 널리 사용되고, 원예용 배지에도 사용되고 있다.

상술한 바와 같은 현무암 화이버 즉 현무암섬유를 본 발명에 따른 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 및 조성물에서 80∼93.5중량% 사용하는 이유는, 80중량% 이하를 사용하게 되면 상기의 물리적 특성이 저하되고, 93.5중량% 이상을 사용하게 되면 상기의 물리적 특성은 유지할 수 있으나 타 성분(벤토나이트, 규산소다, 폴리비닐 아세테이트 에멀젼)을 상대적으로 적게 사용해야 함으로 본 발명에 따른 단열 내화제를 형성시키는데 어려움이 있다.

그리고, 상기 현무암섬유는 직경 4∼10 미크론의 제1섬유 80∼90중량% : 직경 25∼70 미크론의 제2섬유 10∼20중량%의 비율로 혼합하여 된 것으로서, 상기 제1섬유(단섬유)는 용융된 현무암을 조대섬유로 인발하여 압축 가열공기로 세게 불어서 만든 짧은 미세한 섬유로 구성된 것으로 섬유 굵기에 따라 microfine, ultrafine, superfine, fine, thickened 등으로 구분된다.

또, 제2섬유(장섬유)는 용융된 현무암을 고속으로 인발하여 감은 실이며, 꼬임을 가한 것을 얀(yarn)이라고 하고, 꼬임을 가하지 않고 파라멘트를 합한 것을 로빙(roving)이라고 하며, 천 형태로 만든 것을 직물(fabric)이라고 한다. 상기 제2섬유는 뛰어난 내 알칼리성, 내열성 등으로 주로 섬유보강용으로 콘크리트나 플라스틱에 쓰이며, 또한 구조물의 보수보강용 섬유로 쓰이며, 높은 내열성 및 원적외선 방사율로 인하여 벽지, 내장재 등으로 쓰이고 있다.

이상과 같은 특성을 갖는 주원료인 현무암섬유 80∼93.5중량%, 무기결합제로 벤토나이트 4∼12중량%, 보조결합제로 규산소다 2∼4중량%, 유기결합제로 폴리비닐 아세테이트 에멀젼 0.5∼4중량%를 혼합하여 그를 형성기를 이용하여 도 2와 같은 시트형태로 제조하거나, 또는 도 3과 같은 패널형태로 제조하여 목적하는 곳에 사용하면 된다.

이하 본 발명을 현무암섬유를 주원료로 하여 제조된 단열 내화제를 방화문의 심재로 사용하여 내화성능을 시험한 결과를 하시 실시예에 나타내었다.

실시예1

본 발명에서 제시한 조성으로 제조된 단열 내화제의 내화성능을 확인하기 위하여 KSF 2268에서 제시된 내화시험을 방화문 성능 인정기관인 방재시험연구원에서 실시하였다.

본 발명에서 제시한 조성으로 제조된 방화보드를 기존의 방화문의 심재로 삽입하여 만든 시험체를 시험체틀에 설치하여 가열면적이 3m x 3m인 수직 가열로에 고정시킨 후 가열로내에 설치한 열전대 9개에서 측정된 온도의 평균값이 KSF 2268의 시험방법에서 규정한 표준가열온도곡선(표2)에 맞도록 시험체의 한쪽 면에 1시간동안 가열하였다.

〔표 2〕

가열온도곡선

한편, 가열시험시 시험체에 대한 가열온도는 하기 표3에 나타내었다. 그리고, 시험체의 이면온도는 하기 표4에 나타내었다. 하기 표3과 표4에서 보이듯이 한쪽 면의 가열온도가 최고 924℃까지 상승하였지만 이면의 최고온도가 64℃이었다. 국제규격인 ISO3008에서 규정하는 이면온도의 평균온도 260℃이내, 최고온도 180℃이내의 규정치보다 훨씬 낮은 온도에서 단열 및 화염차단이 가능하여 방화문의 심재로서 사용가능 함을 입증 받았다.

〔표 3〕

가열온도 측정결과 및 시간·온도 면적표

TIME (Mins)	KSF2268FURNACETEMP. (Deg C)	ACTUALFURNACETEMP. (Deg c)	AREA UNDERSRANDARDCURVE (Deg C.Min)	AREA UNDERACTUALCURVE (Deg C.Min)	DIFFERENCE (%)	TOLERANCE(+ or -) (%)
01234567891012141618202224262830354045505560	20100220330110540600640665685705730750770785795705715725735740760880895905915925	28127235310432524608647673692726746764785797809820830839847854870885896907916924	45831	46300	1.02	10.00

〔표 4〕

이면온도 측정결과(하기에서 CHAN11∼CHAN15는 방화문의 위치이며, 방화문의 상측 귀퉁이 부위, 하측 귀퉁이 부위 및 중앙 부위를 각각 나타낸다)

TIME(mins)	CHAN11	CHAN12	CHAN13	CHAN14	CHAN15	AVERAGE(deg)	MAXIMUM(deg)
0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.0026.0028.0030.0032.0034.0036.0038.0040.0042.0044.0046.0048.0050.0052.0054.0056.0058.0060.00	454445681012131416182023262627272830313232333333343534	6677689111314161922273034373739414344454748494949515153	46657811131720232731353941434647485052535455575959626264	5556668101315182124283235374039414244454446474847504951	567877891214161821252930333535373839394041414242444345	5666678101315172023263033353737394042424344454646484849	66787811131720232731353941434647485052535455575959626264

실시예2

본 발명에서 제시된 조성으로 제조된 단열 내화보드의 난연성을 측정하기 위하여 KSF 2271의 건축물의 내장 재료 및 구조의 난연성 시험방법에 따라 한국건자재시험연구원에서 가열로에서 가열후 시험체의 표면상태을 보는 표면시험 및 가열로에 시험체를 삽입하고 가열후 노내온도상승이 얼마나 증가하는 가를 측정하는 기재시험을 실시하였다.

그 실험결과를 하기 표5에 나타내었다. 그 결과를 보면 표면시험에서 변형이나 균열이 없고, 잔염이나 발연계수가 0임을 알 수 있고, 기재시험에서 노내온도 상승이 최고가 12℃이므로 규정치(50℃)보다 훨신 낮음을 볼 수 있어서 KSF-2271의 난연성 1급에 해당됨을 알 수 있었다.

〔표 5〕

난연성 실험결과

시험항목				결과			시험방법
				1	2	3
난연성(1급)	표면시험	전체 두께에 걸친 응용		없음	없음	없음
		방화상 해로운 변형		없음	없음	없음
		뒷면의 균열(㎜)		0	0	0
		잔연(초)		0	0	0
		발언계수(C_A)		0	0	0
		온도시간면적(C·min)	3분이내	0	0	0
			3분이후	0	0	0
	기재시험	온도차(°C)		+12	+10	+12

상술한 바와 같은 본 발명은 인체에 유해하지 않고, 작업시 분진발생이 없으며, 내열과 단열이 우수하고, 화재발생시 유독가스발생이 적으며, 원적외선이 다량 방출되고, 흡음율이 좋은 현무암섬유를 주원료로 하고 나머지는 벤토나이트, 규산소다, 폴리비닐 아세테이트 에멀젼을 일정비율로 혼합하여 패널 또는 시트형태로 형성시켜 사용함으로서, 방화문의 심재 또는 각종 건축물의 내/외장재나 심재로 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 사용되는 현무암섬유를 제조하는 장치를 전체적으로 나타낸 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 현무암섬유를 주원료로 하여 제조된 시트 형태의 단열 내화제를 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 현무암섬유를 주원료로 하여 제조된 패널 형태의 단열 내화제를 나타낸 사시도.

※도면의 주요부분에 대한 부호 설명※

10 : 현무암 12 : 쇄석

20 : 분쇄기 40 : 사일로

50 : 용융로 53 : 이동통로

55 : 수직벽 60 : 버너

70 : 섬유형성기 80 : 가열기

82 : 도포기 84 : 건조기

86 : 권취기

Claims

직경 4∼10 미크론의 제1섬유 80∼90중량%와 직경 25∼70 미크론의 제2섬유 10∼20중량%의 비율로 혼합하여 된 현무암섬유 80∼93.5중량%, 무기결합제로 벤토나이트 4∼12중량%, 보조결합제로 규산소다 2∼4중량%, 유기결합제로 폴리비닐 아세테이트 에멀젼 0.5∼4중량%인 것을 특징으로 하는 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 조성물.
삭제
제1항에 있어서, 상기 벤토나이트는 7∼12중량%임을 특징으로 하는 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제 조성물.
직경 4∼10 미크론의 제1섬유 80∼90중량%와 직경 25∼70 미크론의 제2섬유 10∼20중량%의 비율로 혼합하여 된 현무암섬유 80∼93.5중량%, 무기결합제로 벤토나이트 4∼12중량%, 보조결합제로 규산소다 2∼4중량%, 유기결합제로 폴리비닐 아세테이트 에멀젼 0.5∼4중량%의 비율로 혼합하여 시트 또는 패널형태로 제조된 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제.
삭제
제4항에 있어서, 상기 벤토나이트는 7∼12중량%임을 특징으로 하는 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제.
제4항에 있어서, 상기 시트형태의 내화제를 방화용도어의 심재로 사용하도록 허니콤 또는 골판지형태로 형성시켜 된 것을 특징으로 하는 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제.
제4항에 있어서, 상기 패널형태의 내화제를 건축물의 내/외장 마감재로 사용하도록 원하는 크기와 형상으로 절단하여 된 것을 된 것을 특징으로 하는 현무암섬유를 주원료로 한 단열 내화제.