KR100846414B1 - 발포 내화 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포 시멘트질 조성물을 형성하기에 적합한 배합물, 발포 시멘트질 조성물 그자체, 수경성 결합제 폼을 형성하는 방법, 및 생성한 폼을 기판으로 이송 및 도포하는 방법에 관한 것이다. 펌핑가능한 시멘트질 슬러리를 형성하고, 이 슬러리를 공기와 같은 가스와 혼합시킨 다음 기계적으로 생성된 난류에 처리시켜 가스 기포를 생성하고 또 폼을 형성하며, 이것은 바람직하게는 슬러리에 존재하는 폴리비닐 알코올과 같은 폼 안정화제에 의해 안정화된다. 상기 폼을 예컨대 분무 도포, 바람직하게는 균일하게 피복시킬 기판상에 도포하기 위한 노즐이나 기타 적합한 분배지점으로 이송시킨다. 분배하기 전에, 경화지연제를 주입하며, 이것은 폼을 겔화시키며, 따라서 기판상의 생성물의 유지성을 향상시킨다. 분무물질은 기판에 접착되며 경화되어 기판상에 절연 피막을 형성한다. 본 발명은 또한 수화성 시멘트질 결합제, 기계적 폼 안정화제 및 경우에 따라 섬유상 성분, 경화 지연제 및 공기 연행제를 포함하고, 물, 가스 및 기계적 난류 첨가시 강철 구조 부재에 분무 도포될 수 있고 분무 도포후에는 발포된 상태로 부재에 접착된 다음 경화되는 건조 조성물에도 관한 것이다. 경화 후 폼은 부재상에 내화 및 내열성 접착 피막을 형성한다.

수경성 결합제, 폴리비닐 알코올, 경화지연제, 발포 내화 조성물

Description

발포 내화 조성물 및 그 제조방법{Foamed fireproofing composition and method}

본 발명은 발포 내화 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

강철 구조물을 건립함에 있어서, 두꺼운 무기 물질 피막을 흔히 금속성 구조요소에 도포하여 내화, 외관 향상 및 양호한 방음을 비롯한 다수의 목적을 달성하고 있다. 다양한 수법에 의해 수년간 상기 목적을 위해 몇개 유형의 배합물이 도포되어 왔으나, 지금까지 가장 성공적인 시스템은 소석고, 팽창 질석 또는 조각난 발포 폴리스티렌과 같은 경량 무기 골재재료로 주로 구성된 경화성 수성 혼합물을 강철 표면상에 분무하여 고습윤 팽화 셀룰로오스 섬유 및 유리 섬유와 같은 섬유성 재료 및 공기연행제의 혼합물의 밀도를 저하시켜 펌핑가능한 습윤 혼합물로 만드는 것이었다. 이러한 유형의 조성물은 브래그에 의해 미국특허 3,719,573호 및 3,839,059호에 기재되었으며, 가장 바람직한 적용 수법에 의해, 즉 상기 수성 혼합물을 펌핑하고 이것을 직접적으로 강철상에 1층으로 분무한다. 이러한 슬러리는 일반적으로 지상에서 제조되어 기판에 분무 도포될 적용 위치로 펌핑되어 간다. 흔히 적용 지점은 고층 건물의 경우 20층 또는 30층을 넘는다. 따라서, 슬러리의 펌핑성은 이들 배합물 및 제제에서 중요한 기준이다. 이들 슬러리는 다량의 물을 함유하여서 이들이 쉽게 아주 높은 곳 까지 펌핑되게해야하지만, 이들은 성분의 분리 또는 고착을 방지하고 기판을 특정 두께만큼 커버하는 일드(yield) 또는 커버력을 허용하기에 충분한 경점도(반죽질기, consistency)를 유지해야한다. 피막 혼합물은 도포하는 동안의 슬러리화된 상태 및 도포후의 건조상태 또는 "경화" 상태 모두 기판에 부착되어야한다. 또한 상기 혼합물은 다수의 피막의 절연값으로 부터 심각하게 방해될 수 있는 균열 형성을 초래할 수 있는 과도한 팽창이나 수축없이 경화되어야한다.

통상의 과정에서, 내화 혼합물은 건조 혼합물로서 도포 위치에 이송되고 혼합기내에서 적당량의 물을 첨가하여 펌핑가능한 슬러리를 형성한다. 이 슬러리는 임시 저장 장치로부터 도포 지점으로 펌핑되어 간다. 상기 성분들을 장거리로 펌핑할 때, 최종 목적지에 도달하기 전에 조기 경화가 생길 수 있다. 또한, 제조 및 도포 과정 사이에 많은 시간 차가 생길 수 있다. 따라서, 혼합물의 경화 시간은 일반적으로 경화지연제를 첨가하는 것에 의해 지연되어 적합한 적용 포트 수명(pot life)을 제공하게된다. 또한 알파-올레핀 술포네이트 및 나트륨 라우릴 술페이트와 같은 공기연행제를 사용하여 슬러리의 펌핑성을 보조할 수 있다.

또한, 경화 또는 양생하는 동안 및 이후에 분무성 내화 조성물의 프라이머 미처리 강철 기판 및 프라이머 처리 강철 기판에 대한 상대적으로 불량한 접착성 및 밀착성으로 인하여 작업자들은 경화 또는 양생되어 내화재료가 기판에 대하여 충분하게 접착 및 밀착되기 전 까지는 분무된 데크(deck) 바닥상에서 걷지 못하게 된다. 보다 자세하게는, 상기 데크는 콘크리트를 바닥에 붓거나 또는 지붕공사(절 연, HVAC 등)가 완료하기 전에 미완성 바닥 및/또는 지붕 데크상에는 분무될 수 없는데, 이는 데크상에서 생기는 활성이 데크의 수축과 내화성 저하를 유발하기 때문이다. 데크상에서 걷기 전에, 적합한 접착 및 밀착성을 얻기에 필요한 시간은 일반적으로 24시간 보다 더 길다.

또한, 특정 강철 기판은 수경성 접착제를 함유하는 조성물이 잘 접착되지 않거나 응집되지 않는 물질로써 프라이머 처리된다. 이러한 경우, 기판은 비용이 많이 들고 흔히 비효과적인 샌드블라스트 처리되어야하거나, 또는 상기 조성물이 더 잘 접착되고 응집되는 트리코트(tricoat)로써 다시 프라이머 처리 되어야 한다.

힐튼 등에 허여된 미국특허 4,904,503호는 경화 시간의 촉진을 개시하고 있으며 상술한 펌핑되고 분무된 내화 혼합물의 "일드(yield)"는 분무하기 전에 알룸과 같은 산성의 경화촉진제를 슬러리에 주입하는 것에 의해 얻을 수 있다. 가속되는 경화를 유발하기 전에 산성 물질은 혼합물내에 존재하는 탄산칼슘과 같은 염기성 물질과 반응하여 이산화탄소와 같은 가스를 생성한다. 발생한 가스는 슬러리를 팽창시키거나 발포시켜 밀도를 감소시키고 또 사용된 건조 내화재료의 중량당 경화 후의 내화재료의 부피를 증가시킨다. 이러한 "화학적으로 발포된", "고 일드" 분무 내화재료는 성공적으로 상품화되어 전세계에서 시판되고 있다.

건조 혼합물 중량당 도포된 내화성 물질의 "일드(yield)" 또는 부피는 제품의 상업적 성공에서 중요한 인자이다. 일드(yield)가 더 높을 수록, 사용자는 소정양의 배합물에 대하여 더욱 더 많은 커버력을 얻을 수 있다. 일드(yield)는 일반적으로 조성물의 건조 중량당 보드 피트(board feet)로서 공지 방법에 의해 산출한 다.

미국특허 3,963,507호는 메틸 셀룰로오스, 에틸 메틸 셀룰로오스 및 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스와 같은 수용성, 저점도 셀룰로오스 유도체; 고점도 셀룰로오스 유도체, 및 발포 촉진제인 폴리비닐 알코올을 특정 비율로 함유하는 발포성 모르타르를 개시하고 있다.

미국특허 4,518,652호는 폴리비닐 알코올 및 물을 포함하는 폼을 생산하고, 이 폼을 수성 시멘트질 슬러리에 도입하며, 이 슬러리를 종이 커버 시트 사이에 침적시키고 이 슬러리를 경화시키는 것에 의해 석고 벽판의 제조방법을 개시하고 있다. 아스팔트 및 왁스의 유제를 상기 시멘트질 슬러리에 첨가하여 내수성을 부여할 수도 있다.

미국특허 4,518,652호는 미리 생성시킨 폼을 석고 슬러리에 혼입시킨 다음 폼-슬러리 혼합물을 경화시키는 것에 의해 경량의 석고 벽판을 형성한다. 상기 폼은 폴리비닐 알코올을 물에 용해시킨 다음 이것을 고전단 발포 장치에 두는 것에 의해 형성한다.

경량 골재에 대한 필요성을 제거하거나 감소시키는 펌핑가능하고, 저밀도이며 고 일드(yield)의 분무성 내화 조성물을 제조한다면 바람직할 것이다.

고전단 발포 장치 등의 필요없이 도포 위치에서 용이하게 제조될 수 있으며 도포시 탁월한 일드(yield)를 내는 저밀도, 고 일드(yield), 펌핑가능하며 분무성 내화 조성물을 제조한다면 또한 바람직할 것이다.

조성물을 도포하면 그 조성물이 완전히 경화 또는 양생되기 전에도 기판에 대한 접착성 및 밀착성이 탁월한 펌핑가능한 분무성 내화 조성물을 제조한다면 또한 바람직할 것이다.

발명의 요약

본 발명은 발포 및 미발포 시멘트질 조성물을 형성하도록 개질된 배합물, 발포된 시멘트질 조성물 그 자체, 수경성 결합제 폼의 형성방법, 생성한 시멘트질 조성물을 기판으로 전달하여 도포하는 방법, 및 기판에 대한 접착력 및 밀착성이 향상된 시멘트질 조성물을 얻는 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명의 일 구체예로서, 펌핑가능한 시멘트질 슬러리는 발포되며, 경우에 따라 상기 슬러리는 공기와 같은 가스와 혼합된 다음 경우에 따라 기계적으로 생성된 난류에 처리되어 가스 기포를 생성하고 폼을 형성하며, 이것은 바람직하게는 슬러리에 존재하는 폴리비닐 알코올과 같은 폼 안정화제에 의해 안정화된다. 액체 라텍스와 같은 기판 접착성 및 밀착성 향상제를 부가할 수 있다. 발포되거나 발포되지 않은 조성물을 노즐 또는 기타 적합한 도포용 분배부로 보내며, 그로부터 예컨대 바람직하게는 균일하게 분무되는 것에 의해 피막 기판상에 도포된다. 분배하기 전에, 경화 촉진제를 바람직하게 주입하며, 이러한 촉진제는 폼을 겔화시키며, 그에 의해 기판상의 생성물의 유지성(hangability)을 향상시킨다. 분무 물질은 기판에 접착되고 경화되어 기판상에 절연 피막을 형성한다. 특히 바람직한 조성물은 약 1800 보드 피트/시간의 전형적인 상업적 도포 속도로 기판에 도포될 수 있는 고 일드(yield)의 내화재료를 제공할 수 있다.

본 발명은 수화성 시멘트질 결합제, 기계적 폼 안정화제 및/또는 기판 접착성 및 밀착성 향상제, 및 경우에 따라 섬유질 성분, 경화 지연제 및 공기연행제를 포함하는 건조 조성물에 관한 것이며, 상기 조성물은 물 첨가시, 및 경우에 따라 가스 및 기계적 난류 첨가시, 강철 구조부에 분무 도포될 수 있고 또 분무 도포 후 발포형태 또는 슬러리 상태 및 경화후에 부재에 접착될 수 있는 경화성 폼 또는 슬러리를 제공할 수 있다. 이러한 폼 또는 경화후의 슬러리는 부재상에 불꽃 및 열 보호 접착 피막을 형성한다.

기판 접착성 및 밀착성 향상제는 경화 또는 양생하는 동안 및 후에 기판에 대한 조성물의 접착성을 향상시킨다. 이러한 접착성은 경화 또는 양생하는 동안 형성된 결정과 기판 사이에 생긴 결합에 의해 생긴다. 기판 접착성 및 밀착성 향상제는 또한 경화 또는 양생하는 동안 및 후에 기판에 대한 조성물의 밀착성을 또한 향상시킨다. 이러한 물질의 존재는 주위온도가 거의 0℃ 이하일 때 조성물을 도포할 때 특히 유리할 수 있다. 이러한 조건하에서, 기판상에서 얼음 형성은 기판상에 존재하는 조성물의 능력에 부정적인 영향을 준다. 이것은 주위온도가 증가할 때 까지 도포를 지연시키거나 또는 주위온도를 인위적으로 증가시켜 얼음 형성을 피하게하는 것을 필요로한다. 본 발명의 기판 접착 및 밀착제를 사용하면, 조성물은 기판을 약 0℃ 이상으로 가열시킬 필요없이 효과적으로 도포될 수 있다.

발명의 상세한 설명

본 발명에서 시멘트질 슬러리를 형성하는데 유용한 적합한 수경성 결합제는 포트랜드 시멘트, 알루미늄 시멘트, 포졸란 시멘트, 구나이트, 황산칼슘 반수염(석 고, 비수화 및 수화 소석고) 및 이들의 혼합물을 포함하며, 그중에서 석고가 특히 바람직하다. 포트랜드 시멘트는 내습성이 중요하거나 또는 고밀도(예컨대 15-30 pcf, 보다 전형적으로 22-26 pcf) 피막이 필요로하는 교통이 빈번한 지역인 경우에 선택될 수 있는 결합제로 알려져 있다. 석고는 고밀도용으로 사용될 수 있는 반면에, 이것은 흔히 경밀도(약 5-19 pcf, 바람직하게는 약 10-15 pcf) 조성물에 흔히 사용된다. 바람직하게는 상기 결합제는 약 10 내지 98중량%의 양, 보다 바람직하게는 약 90 내지 약 95 중량%의 양으로 사용된다. 바람직하게는, 수경성 결합제는 미세하게 분리된 건조 분말 형태로 제공된다.

용어 "폼"은 본 명세서에서 본 발명에 따른 폼을 전달하고 분무하기에 충분하게 긴 한정된 정적 수명을 갖는 골재로 부터 박막에 의해 서로 분리된 기포 그룹을 의미하기 위해 사용된다.

본 발명에 따라 기계적으로 형성된 폼을 안정화시키기 위하여, 계면활성제, 단백질 화합물, 및/또는 물에 용해성, 혼화성 또는 분산성인 친수성 화합물 또는 중합체가 적합하다. 바람직한 폼 안정화제는 폴리비닐 알코올, 가장 바람직하게는 분말상 폴리비닐 알코올이다. 폼 안정화제로서 사용된 폴리비닐 알코올의 양은 소망하는 밀도의 폼을 궁극적으로 제조하기 위하여 바람직하게는 물의 약 1% 내지 12중량%, 보다 바람직하게는 약 2% 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 약 2% 내지 8중량%, 가장 바람직하게는 약 2-3중량%이다. 사용된 폴리비닐 알코올의 점도는 미발포 상태로 부터 발포 조성물의 부피 증가에 영향을 준다. 바람직한 폴리비닐 알코올은 특히 가수분해도(몰%)가 79 내지 90% 범위, 바람직하게는 약 88%, 에스테르 값 mg KOH/g이 140 그리고 잔류 아세틸 함량이 10.7 중량%인 부분적으로 가수분해된 등급이다. 적합한 폴리비닐 알코올의 예는 20℃ 및 물중의 5% 농도에서 점도가 8 Pa.s (4/88의 경우), 9 mPa.s (5/88의 경우), 12 mPa.s (8/88의 경우), 55 mPa.s (18/88의 경우)(특히 바람직하다), 75 mPa.s (23/88의 경우) 및 100 mPa.s (40/88의 경우)인 클라리엔트 제조의 Mowiol 등급, 4/88 내지 40/88; 및 Celanese Celvol 523S 및 523 SF이다. 폴리비닐 알코올은 분말 형태로 사용되는 가장 바람직하다. 상기 분말은 폴리비닐 알코올이 쉽게 물에 용해될 정도로 충분히 작은 입자로 구성되어야한다. 평균 80 내지 400 미크론 범위의 입자를 갖는 분말상 폴리비닐 알코올이 적합한 것으로 밝혀졌다. 당업자들은 상술한 것 이외에 시중의 어떤 폴리비닐 알코올 분말이 적합한지 쉽게 결정할 수 있을 것이다.

다른 적합한 폼 안정화제는 경수 또는 pH에 의해 영향을 받지 않고, 습윤력이 큰 유기 용매를 갖지 않는 범용의 비이온 플루오로 계면활성제인 Zonyl FS300을 비롯한 듀퐁이 시판하는 것과 같은 플루오로 계면활성제를 포함한다. 이들은 물의 약 0.005중량% 내지 약 0.5 중량%의 양으로 사용될 수 있다. 적합한 단백질 화합물은 가수분해된 단백질 기제 농축물을 포함한다. 단백질 화합물은 물의 약 2중량% 내지 약 5중량%의 양으로 사용될 수 있다. 적합한 친수성 화합물 또는 중합체는 변형된 녹말, 천연 탄수화물(검 또는 해초류 콜로이드), 셀룰로오스 에테르와 같은 반합성 중합체, 아크릴산 및 메타크릴산의 동종중합체 및 공중합체 유도체와 같은 히드로겔, 또는 폴리아크릴아미드 폴리아크릴레이트 공중합체 및 폴리비닐 아세테이트 및 스티렌화된 아크릴과 같은 분산액을 포함한다.

상술한 미국특허 4,904,503호에 기재되고 현재 상업적으로 사용되고 있는 화학적으로 발포되고, 펌핑되며 분무된 내화재료와 대조적으로, 본 발명의 폼은 기계적으로 만들어진다. 보드-제조 분야에서 공지된 고전단 혼합기와 같은 폼 생성 장치가 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 장치는 불필요하고 또 가스 기포를 생성하는데 효과적인 난류의 기계적 생성 및 그에 따른 폼의 생성은 현재의 내화재료를 펌프 및 분무하는데 통상적으로 사용되는 튜브나 호스에서 실시될 수 있으며, 상기 튜브나 호스는 생성한 폼을 기판에 궁극적으로 분무 도포하기 위한 노즐과 같은 분배부로 전달하기 위해 사용된다. 가스, 바람직하게는 압축 공기는 바람직하게는 호스 또는 튜브에 도입되며, 그곳에서 주입에 의해 슬러리가 존재한다. 본 발명의 일 구체예로서, 호스나 튜브에 가스를 도입하는 위치는 분배부 근처인데, 이는 가스 도입 이후 호스 또는 튜브 길이가 증가할수록 폼이 안정한 상태(다량의 가스 펄스없이 균일한 속도로 호스로부터 분배될 수 있는 것으로 정의됨)에 도달하는데 시간이 더 많이 걸린다. 안정 상태에 도달하는 것이 바람직한데, 그렇지 않으면 폼은 균일 스프레이 보다는 플러그로 분배부로 부터 배출된다. 펄스화된 분배는 폼이 기판에 균일하게 도포되는 것을 어렵게 만드는데, 이는 가스의 펄스가 기판에 분무될 수 있는 만큼 빨리 기판으로 부터 생성물을 흩날리게하는 경향이 있기 때문이다. 또한 도포지점에 비교적 가까운 가스 도입 위치는 폼이 전달되어야하는 호스의 길이를 최소화한다.

생성된 폼의 밀도는 슬러리의 유동비율 뿐만 아니라 호스 또는 튜브의 길이와 직경, 폼에 주입된 가스 압력과 가스 부피(cfm) 및 호스 또는 튜브내에 있는 슬 러리(및 폼)의 체류시간의 함수이다. 당업자들은 소망하는 최종 밀도의 생성물을 얻기 위하여 상술한 변수를 잘 조정할 수 있다. 예컨대, 1개의 적합한 계는 직경이 3/4 인치이고 공기 주입 속도가 70 psi에서 26 cfm인 50 피트 호스를 사용한다. 호스 또는 호스내에서 조성물의 체류 시간이 너무 짧으면, 충분한 발포가 이뤄지지 않는다. 호스 또는 호스내에서 조성물의 체류 시간이 너무 길면, 안정한 상태를 실현할 수 없고 상기 조성물은 출구로 부터 배출되는 플러그를 형성할 것이므로 상술한 바와 같이 균일한 방식으로 기판에 용이하게 분무 도포될 수 없다. 상기 목적은 충분한 길이와 직경의 호스를 제공하여 슬러리 상태로 호스에 들어가는 조성물이 가스와 함께 발포되어 조성물이 호스를 나가기 전에 안정한 상태에 도달하게 하는 것이다. 당업자들은 유동속도 뿐만아니라 호스의 길이와 직경 및 호스에 주입되는 가스 압력 및 가스 부피를 균형있게 제어하여 소망하는 폼 경점도(consistency) 및 밀도를 달성한다. 소정 호스 직경 및 소정 공기 압력에서, 보다 짧은 호스는 길이가 더 긴 튜브보다 평형 또는 안정상태에 도달하는 발포 생성물을 얻을 수 있음이 밝혀졌다. 예컨대 상기 폼은 0.5인치 직경의 25 피트 호스에서 30초내에 평형에 도달한 것에 비하여, 0.5 인치 직경의 150 피트 길이의 호스에서는 300초 이상 걸려 평형에 도달하였다. 유사하게, 3/4 인치 직경을 갖는 25 및 50 리트 길이의 호스에 있는 폼은 즉시 평형에 도달한 반면에, 3/4 인치 직경의 100 피트 길이의 호스는 55초 소요되었고 동일 직경의 150 피트 호스는 300초 이상 소요되었다.

적합한 호스 또는 튜브 길이는 1/2", 5/8", 3/4' 및 1인치 직경을 갖는 5 내 지 150 피트를 포함한다. 보다 짧은 길이의 호스는 길이가 더 긴 호스에 비하여 훨씬 빨리 평형 또는 안정상태에 도달하게 한다. 소정 배합물의 경우, 생성물의 밀도는 튜브가 코일상인지 직선상으로 배치되어 있는지에 상관없이 동일하였다. 본 발명의 이점은 통상적으로 이용되는 것에 비하여 더 경량의 호스를 사용하여 내화재료를 도포할 수 있어 사용자의 부담을 덜어주는 것입니다.

본 발명의 조성물은 섬유상 성분을 포함할 수 있다. 섬유상 성분은 유기 또는 무기일 수 있다. 바람직하게는, 상기 섬유상 성분은 고습윤 벌킹(bulking) 유기 섬유의 혼합물, 바람직하게는 미국특허 3,719,513호 및 3,839,059호에 기재된 셀룰로오스 섬유 및 강화력을 제공하는 무기 섬유, 바람직하게는 강철 또는 유리 섬유이다. 폴리프로필렌 섬유와 같은 중합성 강화 섬유도 또한 사용될 수 있다. 다른 적합한 성분은 실리카, 규조토, 팽창 퍼얼라이트, 팽창(exfoliated) 질석, 조각난 발포(expanded) 폴리스티렌, 알루미나, 그로그, 콜로리드성 실리카, 세라믹 섬유, 무기 섬유 및 이들의 조합물을 포함한다. 조성물중의 섬유상 성분의 전체 양은 바람직하게는 약 0% 내지 약 40중량% 범위이다. 특히 바람직한 조성물은 약 4% 내지 10 중량%의 고습윤 벌킹 셀룰로오스 섬유 및 약 0.0% 내지 약 1중량%의 유리 섬유를 포함하며, 약 1중량% 셀룰로오스 섬유 및 약 0.5중량%의 유리 섬유가 특히 바람직하다. 다른 임의의 첨가제는 메틸 셀룰로오스 또는 당업자에게 공지된 기타 적합한 증점제 또는 공기 안정화제 약 0.1 내지 약 5중량%, 화학적 공기연행제 약 0.1 내지 약 3중량%, 폴리비닐 아세테이트 0 내지 약 5중량%, 점토 약 1% 내지 약 5중량%, 탄산칼슘과 같은 가스 생성제 약 0% 내지 약 5중량%, 및 세균 형성을 억제하기 위한 살생물제를 포함한다. 필요한 경우, 임의 성분은 슬러리 전구체 또는 혼합물을 용이하게 형성하기 위해 수경성 결합제에 건조 상태로 첨가한다.

기판 접착성 및 밀착성 향상제는 본 발명의 조성물에 첨가될 수 있다. 유리하게는, 바람직한 기판 접착성 및 밀착성 향상제는 폴리비닐 알코올이며, 이것은 또한 조성물을 발포시키기 위하여 공기 및 기계적 난류의 부가가 이용되는 본 발명의 구체예에서 폼 안정화제로서 작용한다. 기판 접착성 및 밀착성 향상제로서 사용하기 적합한 유형 및 양의 폴리비닐 알코올은 폼 안정화제 부분에서 상기 기재한 바와 같다. 다른 기판 접착성 및 밀착성 향상제는 폴리에틸렌 글리콜; 폴리(비닐아세테이트); 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트)공중합체; 폴리(에틸아크릴레이트); 폴리(메타크릴)산; 녹말; 천연 증점제(예컨대 구아 검) 및 상술한 것의 혼합물을 포함한다.

본 발명의 조성물은 전형적으로 건조 혼합물로 도포 위치로 이송되며 적합한 양의 물을 첨가하면 슬러리로 형성되기 때문에, 제조 및 도포 공정은 많은 시간 또는 수일간의 차이가 생길 수 있으므로 혼합물의 경화시간을 일반적으로 지연시켜 허용될 만한 "포트 수명"을 제공한다. 이러한 지연작용은 궁극적인 기판에 도포시 소망하는 신속한 경화 시간과 상반되므로, 지연 및 촉진을 세심하게 균형잡는 것이 어렵다. 상기 혼합물이 조기에 경화된다면, 펌핑할 수 없고 의도한 용도에 쓸모없게 될 것이다. 따라서, 바람직하게는 지연제를 사용하여 조성물의 경화 시간을 지연시켜 조기 경화를 피한다. 적합한 지연제는 당분야에 통상적인 것이며 수경성 결합제의 중량을 기준하여 0.1% 내지 0.75%의 양의 무수 말레산, 나트륨 폴리아크 릴레이트 및 폴리아크릴산 배합물을 포함한다. 바람직한 지연제는 Goldbond High Strength Retarder란 상표명으로 시판되는 것과 같은 당해 분야에서 사용된 표준 단백질성 지연제이다. 지연제는 바람직하게는 건조 상태의 수경성 결합제에 첨가되는 것이 바람직하다.

대부분의 시판용의 경우, 촉진제의 유형 및 양은 경화시간을 약 4 내지 약 20시간에서 부터 약 5분 내지 15분에 이르기 까지 급속하게 전환시킨다. 이러한 경화시간을 제공하는데 필요한 양은 촉진제 및 지연제 및 결합제의 유형 및 양에 따라 다를 것이다. 일반적으로, 건조 내화재료의 중량을 기준하여 약 0.1% 내지 20 중량%의 무수 촉진제 범위의 양이 사용되며, 1 내지 5%가 바람직하다. 적합한 촉진제는 적용된 수경성 결합제의 경화를 촉진시키는 것으로 알려져 있다. 석고를 기본한 수경성 결합제의 경우, 적합한 촉진제는 황산알루미늄, 질산알루미늄, 질산제2철, 황산제2철, 염화제이철, 황산철, 황산칼륨, 황산, 탄산나트륨, 중탄산나트륨 및 아세트산을 포함한다. 황산알루미늄이 바람직한 촉진제이다. 이것은 용액으로 사용될 수 있다. 포트랜드 시멘트가 수경정 결합제이면, 유리한 경화 촉진제는 염화 칼슘, 포름산칼슘, 질산칼슘, 아질산칼슘, 알칼리 알루미네이트 및 물 유리와 같은 실리케이트와 같은 것이 사용될 수 있다.

황산알루미늄을 발포 조성물에 도입하는 것은 특히 폴리비닐 알코올을 폼 안정화제로서 포함하고 또 황산 칼슘 반수물을 수경성 결합제로서 포함하는 조성물에서 배합물의 미세구조를 변형하는 것에 의해 폼의 안정성을 제어하기 위해 사용될 수 있음이 또한 알려져있다. 특히, "더욱 안정한" 폼은 더욱 미세한 구조를 생성 하는 반면에, "덜 안정한" 폼은 더 거친 구조를 생성한다. 이렇게하여 형성된 기공 또는 포어의 크기는 중요할 수 있으며 또 황산칼슘 반수물과 물이 반응하여 황산칼슘 이수물을 형성하는 속도를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다. 황산알루미늄을 사용하여 상기 반응을 촉진시킴으로써 더욱 미세한 미세구조를 갖는 폼을 형성하는 것과 같은 생성된 폼의 안정성을 제어할 수 있다. 본질적으로, 황산알루미늄을 폼에 도입하면 결합제와 반응하여 경화를 유발시키게되어 폼의 미세구조를 "프리징(freezing)"시킨다. 바람직하게는 황산알루미늄은 그 내용이 본원 명세서에 참고문헌으로 포함된 미국특허 4,904,503호에 기재된 바와 같이 노즐을 사용하는 것과 같이, 기판상에 폼을 분무하기 위해 사용된 노즐 근처 또는 노즐에 도입된다.

황산알루미늄을 첨가할 때 폼 미세구조에서 얻을 수 있는 놀랄만한 결과는 도1 내지 도2를 참조하여 확인할 수 있다. 도1 및 도2는, 도1에 있는 폼은 알룸(명반)과 함께 분무 노즐에서 주사된 반면에, 도2의 폼은 알룸이 주입되지 않은 것을 제외하고는 동일한 조건하에서 제조된 폼을 도시한다. 도1의 폼은 도2의 폼보다 더 미세한 미세구조를 나타낸다.

폴리비닐 알코올과 같은 폼 안정화제를 포함한 혼합물중의 알룸과 같은 경화 촉진제 및 알파 올레핀 술포네이트와 같은 공기연행제의 도입은 또한 폼을 겔화시킨다. 폼의 경점도는 경화 촉진제가 도입되어 폼으로 분포되면서 "면도 크림" 경점도 수준에서 "점착성" 덩어리로 변화된다. 겔 형성은 경화 시간 전 및 경화시간 동안 특히 강철 빔 등과 같은 기판상에 유지(접착 또는 밀착) 유지하거나 "달려있 는" 생성물의 능력을 향상시킨다. 탄산칼슘과 같은 기본적인 물질을 부가하면 겔화를 향상시킨다. 경화 촉진제는 겔 형성과 수경성 결합제의 경화를 촉진시키는 역할을 한다.

도3을 참조하면, 본 발명에 따라 시멘트질 슬러리를 형성하기 위하여, 수경성 결합제, 경화 지연제, 폼 안정화제 및/또는 기판 접착성 및 밀착성 향상제 및 물을 호퍼(112)에서 섬유상 물질과 같은 임의 성분과 함께 혼합된다. 발포에 의해 제공되는 고유한 경량 측면에서 경량 골재는 필요하지 않다. 발포가 이용되지 않은 경우, 경량골재를 첨가할 수 있다. 적합한 경량 골재는 당업자들이 잘 알고 있으며 팽창 또는 비팽창 질석, 퍼얼라이트, 유리 비이드 및 조각난 폴리스티렌을 포함한다. 다양한 성분을 첨가하는 순서는 그리 중요하지 않다. 바람직하게는 상기 혼합은 도포 지점 또는 도포 지점 근처에서 실시되어 조성물의 조기 경화를 억제시키고 또 형성된 슬러리가 전달되어야하는 거리를 제한한다. 수경성 결합제, 지연제 및 기타 임의 성분과 같은 건조 물질을 호퍼(112) 또는 기타 적합한 혼합 용기에서 혼합한다. 물 및 폼 안정화제 및/또는 기판 접착성 및 밀착성 향상제를 함께 또는 별도로 첨가하여 시멘트질 슬러리를 형성한다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 분말상 폴리비닐 알코올이 폼 안정화제 및/또는 기판 접착성 및 밀착성 향상제이면, 분말상 폴리비닐 알코올을 건조상태의 수경성 결합제, 지연제 및 임의 성분과 혼합한다. 이어 물을 상기 건조 혼합물에 첨가하여 펌핑가능한 시멘트질 슬러리를 형성한다. 이렇게 형성한 슬러리는 바람직하게는 펌핑 오거(110)를 사용하여 펌핑에 의해 상술한 바와 같은 호스 또는 튜브(100)로 이송한다. 슬러리의 이송은 상업적으로 이용가능한 속도, 일반적으로 약 1800 보드 피트/시간이어야한다. Putzmeister S-5와 같은 다양한 속도의 동정익(rotor stator) 펌프가 상기 목적에 적합하다.

본 발명에 따라 가장 바람직한 건조 혼합 배합물은 물의 첨가시, 90-95% 스터코(회반죽), 1-3% 분말상 PVA(Mowiol 18-88 G-2 분말), 1% 셀룰로오스 섬유, 0.5% 유리 섬유, 0-2% 탄산칼슘, 0.25% 알파-올레핀 술포네이트, 0.1-0.3% 지연제 및 0-2% 포트랜드 시멘트를 포함하는 슬러리를 형성한다. 탄산칼슘을 포함하는 상기 배합물은 물의 첨가시 폼의 기계적 형성 및 분무 노즐에서 또는 분무 노즐 근처에서 알룸 부가에 의한 경화 촉진은 저 비용으로도 향상된 유지성(hangability)(강철 기판상에서 1-1.5 인치 두께)을 나타내는 저밀도 생성물(건조 밀도 9.3 pcf)을 초래한다. 포트랜드 시멘트와 같은 소량의 기본적 물질을 첨가하여 탄산과 반응하는 알룸에 의해 유발되는 이산화탄소 생성을 최소화하거나 예방할 수 있다. 포트랜드 시멘트는 혼합물의 pH를 증가시키고 산성 촉진제와 염기와의 반응을 억제한다. 상술한 바람직 내용은 생성물의 소망하는 최종 밀도에 따라 다양할 수 있다.

가스, 바람직하게는 공기를 바람직하게는 주입에 의해 압축기(22)와 소통되는 파이트 또는 튜브(21)를 갖는 호스에 도입한다. 충분한 가스를 도입하여 슬러리를 발포시키고 생성한 폼을 노즐(10)을 향하여 이송시킨다. 당업자들은 공기를 도입하여 기계적으로 슬러리를 발포시키고 생성한 폼을 이송시키는 것은 펌핑성을 향상시키기 위하여 개방된 시스템에 공기를 연행시키는 화학적 공기연행제를 사용하는 통상의 방법과는 상이하다는 것을 알 수 있을 것이다. 단일 위치에서 가스를 도입하는 것이 바람직하지만, 가스는 필요한 경우 호스를 따라 몇개 위치에서 도입될 수 있다.

폼이 호스로부터 분무됨에 따라 발생할 수 있는 펄싱을 감소시키거나 제거하기 위하여, 호스내 압력은 다수의 상이한 방법으로 제어할 수 있다. 호스내 압력을 제어하는 것은 분무 작업을 둔화시킬 수 있다. 압력은 또한 노즐(10) 밖으로 분무되는 속도를 제어하는데 이용될 수 있다. 또한, 생성물의 최종 밀도는 압력을 이용하여 제어될 수 있다. 가장 간단한 형태로, 압력 완화 밸브 등을 호스에 혼입시켜 가스(공기)를 호스로 부터 배출시켜 호스내 압력을 제어할 수 있다. 다른 더 바람직한 구체예로서, 다량의 부피(호스에 비교하여)를 규정하는 공기 분리 및 폼 유동 제어 인클로져(12)를 일렬로 배치시킴으로써 호스내 폼을 인클로져의 도입구에 공급하고 인클로저내의 출구 밖으로 밀어내어 호스의 길이를 따라 노즐로 보낸다. 인클로져는 그 속의 압력을 조절하기 위하여 제어되는 통기구를 가질 수 있다. 인클로져내로의 질량 유속은 슬러리를 호스로 펌핑하는 펌프에 의해 제어되며, 인클로져 밖으로의 질량 유속은 인클로져내의 압력에 의해 제어된다. 호스내로 폼을 이송하기 위해 이용된 가스의 속도는 높고, 이것은 폼을 효과적으로 분무하기 어렵게 만든다. 인클로져(12)는 폼을 이송하는 가스가 폼으로 부터 분리되게 하여 속도와 무관하게 폼의 유속을 제어한다.

도4를 참조하면, 폼을 이송하는 호스와 소통되는 도입구(14)를 갖는 인클로져(12) 및 상기 도입구(12)로 부터 공간을 두고 배치된 출구(16)가 도시되어 있다. 호스내에서 압축 공기에 의해 이송될 폼은 도입구(14)에서 인클로져(12)로 들어간 다. 폼/공기 혼합물이 인클로져(12)에 들어감에 따라서, 과량의(즉, 이송되는) 공기는 폼으로 부터 분리되고 폼은 인클로져(12)의 바닥으로 떨어져서 그 곳에서 인클로져(12)내의 압력에 의해 출구(16) 밖으로 보내져서 호스(18)를 거쳐 마지막으로 노즐(10) 밖으로 배출된다. 게이트 밸브와 같은 밸브(22)와 소통되는 공기 배출구(20)는 제어될 인클로져(12)내 압력이 소망하는 수준으로 제어되게한다. 상기 압력은 수동으로 또는 자동적으로 제어될 수 있다. 압력 게이지(19)는 인클로져(12) 압력을 나타낸다. 인클로져(12)내의 적합한 압력은 소망하는 유속 및 배출되는 호스 직경 및 길이에 따라서 약 10 내지 약 65 psi로 제어될 수 있다. 일 실시예에서는 약 40 psi의 압력이 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 이것은 폼이 출구(16) 밖으로 보내져서 호스(18)를 따라 이동하며 적합한 속도로 노즐(10) 밖으로 분무되게 하기에 충분한 압력인 것으로 밝혀졌다. 부가적 이점은 상기 폼은 압력하에 있기 때문에, 더 많은 공기가 폼내에 들어가게되어 부가적 공기 연행이 발생하는 점이다. 그 결과는 인클로져(12) 없이 분무된 동일 배합물에 비하여 훨씬 더 낮은 밀도의 생성물을 초래한다.

바람직하게는 인클로져(12)의 출구(16)로 부터 노즐(10) 까지의 호스의 길이는 약 15 내지 30 피트이다. 호스(18)의 직경은 적용의 용이함을 위하여 호스 유연성을 제공하도록 가능한한 적어야한다. 그러나, 직경이 감소됨에 따라서, 폼을 호스를 관통시키는데 더 많은 압력이 필요하고, 또 압력이 증가하에 따라서 분무는 노즐을 더 빨리 통과하게되는 경향이 있어, 바람직하지 않다. 1 내지 1.5 인치의 직경이 적합한 것으로 밝혀졌고, 인클로져(12)가 이용자를 방해하지 않도록 하기 위해 약 25 피트의 호스 길이가 특히 바람직하다. 예컨대, 이용자가 고층 건물에서 작업하는 경우, 바람직하게는 인클로져(12)는 이용자가 있는 동일 층에 위치하는 반면에, 슬러리를 혼합 및 펌핑하기 위한 혼합 및 펌핑 장치는 일반적으로 건축물의 1층에 위치한다.

본 시스템에서, 생성물에 함유될 공기의 양은 통상의 펌프 및 분무 내화 조성물 보다 실질적으로 더 크다. 일반적으로, 본 발명의 생성물에 함유된 공기의 양은 통상의 펌프 및 분무 내화 생성물에 함유된 양의 약 2배 이상이며 바람직하게는 약 4배 이상이다.

도1은 황산알루미늄이 폼에 주입된 본 발명의 일 구체예에 따른 폼의 미세구조의 전자현미경 사진,

도2는 황산알루미늄이 폼에 주입되지 않은 본 발명의 일 구체예에 따른 폼의 미세구조의 전자현미경 사진,

도3은 본 발명의 일 구체예에 따라서 성분들을 혼합, 발포하고 분배부로 전달하기에 적합한 장치의 개략도,

도4는 본 발명의 일 구체예에 따른 공기-분리 및 폼 유량 제어 엔클로져 (enclosure)의 개략도.

실시예 1-6

모든 경우에서, 물을 제외한 표 1에 수록된 모든 물질을 3분간 건조 배합하 여 균질 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 표준 패들 혼합기에 넣고 물을 첨가하였다. 이 조합물을 2분간 혼합하였다. 생성한 슬러리를 로터/스테이터형 펌프(Putzmeister S-5)의 펌프 호퍼에 부었다. 이 슬러리를 다른 위치로 펌핑하고, 그곳에서 호스내에 있는 슬러리에 공기를 주입하였다. 이 공기 주입은 슬러리를 3/4" 발포 호스의 30'내에 폼으로 만들었다.

표 1의 배합물 1 및 2에서, 폼은 37 psi로 압축된 공기 분리 및 폼 유동 조절 인클로져내로 들어갔다. 이어 폼은 인클로져 밖으로 보내졌고 1" 호스의 25' 및 표준 분무 노즐을 통과하였다. 폼이 분무 노즐을 통과함에 따라서 알룸을 상기 폼에 주입하였다.

배합물 3, 4, 5 및 6에서, 공기 분리 및 폼 유동 조절 인클로져는 사용되지 않았다. 표준 분무 노즐을 3/4" 호스의 30' 단부에 직접 부착하고, 그 곳에서 발포가 이루어졌다(상기 단락의 마지막 부분 참조). 배합물 1 및 2의 경우에서 처럼, 폼이 분무 노즐을 통과함에 따라서 폼에 알룸을 주입하였다.

표 1은 생성물의 최종 밀도를 도시한다. 배합물 6은 일차 수경성 결합제로서 포트랜드 시멘트를 함유하는 고밀도 생성물이다.

실시예 7

"쇼트크리트(shotcrete)"용(터널이나 광산의 벽을 밀봉함)으로 적합한 본 발명의 펌핑되고 분무된 폼의 예에서, 표 1의 배합물 6에 사용된 회반죽 및 지연제는 추가의 포트랜드 시멘트에 의해 교체된다. 배합물 6에 사용된 셀룰로오스 및 유리 섬유는 쇼트크리트용에 사용되는 통상의 강철 섬유에 의해 교체되며, 생성한 배합물은 알룸 대신 경화 촉진제인 나트륨 알루미네이트가 사용된 이외에는 상술한 실시예 1-6에서와 같이 가공하였다.

실시예 8

본 실시예는 폴리비닐 알코올의 기판 접착성 및 밀착성 향상 특징을 나타낸다. PVA를 석고계 상업용 내화 제품(샘플 1)에 첨가하였다. 사용된 배합물은 하기 표에 나타낸다:

상기 실험의 목적은 조성물에 대한 PVA 부가가 미처리 강철판 및 하도처리된 강철판에 대한 결합을 증가시키는지 여부를 결정하는 것이다. 결합은 시험방법 ASTM E 736을 이용하여 측정하였다. 상기 배합물을 사용하여 2개 시험을 실시하였다; 하나는 접착성 시험이고 다른 하나는 밀착성 시험이다. 샘플을 3일간 오븐 건조시켰다. 결과를 하기 표에 수록한다.

접착성 실패는 조성물이 기판으로 부터 분리될 때 생긴다. 밀착성 실패는 조성물이 내부적으로 파열될 때 생긴다. 상기 데이터는 2% PVA를 포함하는 샘플 1의 배합물에서 접착 및 밀착강도가 현저히 증가됨을 나타낸다.

Claims (17)

1. 수경성 결합제, 폼 안정화제 및 물을 포함하는 슬러리를 형성하고;

   상기 슬러리를 호스로 이송시키며;

   상기 호스내에 있는 슬러리에, 슬러리를 발포시켜 폼을 상기 호스를 통하여 이송시키는 유속 및 압력에서 상당량의 가스를 도입하는 것을 포함하는, 수경성 결합제 폼의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 수경성 결합제는 포트랜드 시멘트, 석고 및 포트랜드 시멘트와 석고의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 수경성 결합제는 석고인 방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 폼 안정화제는 폴리비닐 알코올인 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 슬러리는 경화 지연제를 더 포함하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 폼에 경화 촉진제를 도입시키는 것을 더 포함하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 폼에 황산알루미늄을 도입시키는 것을 더 포함하는 방법.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 수경성 결합제는 황산칼슘 반수물이고, 상기 폼 안정화제는 폴리비닐 알코올이며 또 상기 방법은 호스내의 폼에 황산알루미늄을 도입하는 것을 더 포함하는 방법.
10. 제4항에 있어서, 상기 폴리비닐 알코올은 분무 도포시 기판에 대한 상기 폼의 접착성 및 밀착성을 향상시키는 양으로 존재하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 슬러리는 기판 접착성 및 밀착성 향상제를 더 포함하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 기판 접착성 및 밀착성 향상제는 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리(비닐아세테이트), 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트)공중합체, 폴리(에틸아크릴레이트), 폴리(메타크릴)산, 녹말, 천연 증점제 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
13. 황산칼슘 반수물, 폴리비닐 알코올, 경화 지연제 및 물을 포함하는 배합물을 혼합하며, 이때 물의 양은 황산칼슘 반수물과 반응하여 황산칼슘 이수물을 형성하고 상기 혼합물이 펌핑가능한 슬러리를 형성하는 양이고;

    상기 슬러리를 호스로 이송시키며;

    상기 호스내의 슬러리에 공기를 도입하여 난류를 생성시켜 기계적으로 폼을 형성시키고;

    상기 호스를 통하여 폼을 이송시키며; 또

    상기 폼에 황산알루미늄을 도입하여 황산칼슘 이수물의 형성을 촉진시키는 것을 포함하는, 분무 도포용으로 효과적인 안정화된 폼의 형성 방법.
14. 삭제
15. 제13항에 있어서, 상기 배합물에 기판 접착성 및 밀착성 향상제를 혼합하는 것을 더 포함하는 방법.
16. 수경성 결합제, 폼 안정화제인 폴리비닐 알코올 및 경화지연제를 포함하며,

    물 및 가스와 혼합되면 강철판에 분무 도포할 수 있는 경화성 폼을 제공하며 또 분무 도포후에는 발포된 상태로 상기 기판에 접착된 다음 경화되는, 강철 기판에 분무 도포하기 위한 내화 슬러리 조성물.
17. 제16항에 있어서, 상기 폼 안정화제는 폴리비닐 알코올이며 또 기판에 대한 폼의 접착성 및 밀착성을 향상시키는 양으로 상기 조성물에 존재하는 내화 슬러리 조성물.

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