KR101000532B1 - 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수용성 인계 난연제 1∼3중량%; 알칼리 실리케이트 용액 15∼20중량%; 테트라메틸올메탄(TetraMethlolMethane) 48∼65중량%; 및 잔량의 물을 포함하는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물 및 상기 조성물로 제조되는 내화보드에 관한 것이다.

Description

다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물{Complex anti-fire coating composition with multi carbonation layer}
본 발명은 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물 및 상기 조성물로 제조되는 내화보드에 관한 것이다.
내화구조의 건축물은 인접화재로 인하여 연소될 우려가 적으며, 특히, 벽, 기둥, 들보 등의 주요 구조부(構造部)는 웬만한 화재가 발생하여 내부가 타더라도 내력상(耐力上) 지장이 없기 때문에 간단한 수리로 다시 사용할 수 있다. 이에 따라 국내 건축법 시행령에서는 벽, 기둥, 바닥, 보, 지붕, 계단 등 건축물의 주요 구조부에 대해서 개별적으로 내화구조의 기준을 규정하고 있다.
상기와 같은 건축물의 주요 구조부에 대하여 내화성을 부여하기 위한 소재로서 일반적으로 사용되는 것이 내화피복재이다.
포비성 내화피복재 조성물로는 유기 고분자와 암모늄 폴리포스페이트 및 다가 알코올을 이용한 형태의 조성물이 주종을 이루고 있다. 이러한 형태의 내화피복재 조성물은, 화재 발생에 따른 포비시 유독가스인 암모니아 가스가 부산물로 발생하고, 포비층이 탄화층으로 이루어져 있어 화재시 열풍에 의해 쉽게 부서질 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 이와 같은 내화성능의 한계로 인하여 용도가 한정적이다.
상기와 같은 포비성 내화피복재의 일예로서, 일본특허 공개평 5-86310호에는 발포제로서 폴리인산암모늄, 탄화재로서 멜라민, 그리고 바인더로서 변성에폭시 등을 이용한 발포성 내화피복재에 대한 피막 조성물이 개시되어 있다. 이러한 형태의 피복재는 피복재 조성물이 열을 받아 400℃ 부근에서 화학반응에 의하여 탄소층을 형성하도록 함으로써 열로부터 소재를 보호하는 형태의 피복재이다. 이러한 피복재는 발포성능은 우수하지만 도막이 발포되면서 다량의 암모니아 가스를 방출할 뿐만 아니라 발포층 자체가 아주 약한 탄화층으로 형성되어 있기 때문에 화재시 열풍에 의하여 발포층이 쉽게 부서지는 결점을 가지고 있다.
상기와 같은 유기형태의 내화피복재 이외에, 규산염을 주 바인더로 하는 형태의 무기질계 내화피복재도 있다. 이러한 피복제는 유기 형태의 내화피복재가 가지고 있는 문제점을 해결할 수 있으나, 바인더로 사용되는 규산염은 그 자체의 내열성이 부족하기 때문에 600℃ 이상의 고온 하에서는 발포 팽창한 도막이 용융되는 성질을 갖는다. 따라서 고온 하에서 장시간 동안 우수한 내열성능을 유지하려면 수천 미크론 이상의 두꺼운 피복층을 형성해야만 하는 단점이 있다. 또한, 유기 형태의 내화피복재에 비해 도막두께가 지나치게 두꺼워지고 시공 후 건조수축과정에서 도막에 균열이 발생하므로 도막의 박리 및 탈락 등 많은 문제들도 야기된다.
상기와 같은 무기질계 내화피복재의 일예로서, 대한민국 특허공개 제1989-0010138호는 액상 메탈실리케이트를 주바인더로 하는 발포성 내화무기질 방화재에 대한 기술을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 내화피복재의 경우 발포 단열성은 매우 우수하나 사용되는 메탈실리케이트의 내열성에 한계가 있어 약 600℃ 이상의 고온 하에서는 발포 도막층이 용융되어 아래로 흘러내리는 문제가 야기된다.
본 발명은, 화재 시 고온의 화염에 의해 다층 구조의 탄화층(Carbonaceous layer)을 형성하여 열을 차단하는 테트라메틸올메탄(TetraMethlolMethane)과 수용성 인계 난연제를 포함함으로써, 탄화층의 밀도가 증가되고, 그에 의해 산소의 유입이 차단되며, 수분도 공급되는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 600℃ 이상의 고온에서 다층의 허니컴형 구조를 형성하는 광물을 포함함으로써 탄화에 의한 포비층의 밀도를 증가시킴으로써, 우수한 차염성능 및 차열성능을 갖는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 상기 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물로 제조되는 내화보드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 수용성 인계 난연제 1∼3중량%; 알칼리 실리케이트 용액 15∼20중량%; 테트라메틸올메탄(TetraMethlolMethane) 48∼65중량%; 및 잔량의 물을 포함하는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기에서 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물은 층상 규산염 광물을 조성물 총중량에 대하여 10∼20중량% 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 사용하여 제조되는 내화보드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물은, 연소열에 의해 테트라메틸올메탄이 분해되면서 다층 구조의 탄화층(Carbonaceous layer)이 형성되어 열을 차단하고, 상기 탄화층 형성시 발생하는 이산화탄소가 수용성 인계 난연제와 반응하여 탄화층을 고정화 및 안정화시켜서 탄화층의 밀도를 높임으로써 산소의 유입을 차단하며, 상기 수용성 인계 난연제의 탈수에 의해 수분이 공급됨으로써 뛰어난 난연 효과를 제공한다.
또한, 600℃ 이상의 고온에서 다층의 허니컴형 구조를 형성하는 층상 규산염 광물을 포함함으로써 탄화에 의한 포비층의 밀도 및 효율이 증가되어 매우 우수한 차염 및 차열 성능을 제공한다.
그러므로, 상기의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물로 제조되는 내화보드도 우수한 차염 및 차열 성능을 제공한다.
도1은 본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물로 도포된 내화보드를 도시한 것이다[(a): 가열전, (b): 가열중, (c): 가열후].
도2는 본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물로 도포된 내화보드에 대한 차열 시험결과를 나타내는 그래프이다.
도3는 본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물로 도포된 내화보드에 대한 차열 시험에 있어서, 내화보드 후면의 온도분포를 나타낸 것이다.
본 발명은, 수용성 인계 난연제 1∼3중량%; 알칼리 실리케이트 용액 15∼20중량%; 테트라메틸올메탄(TetraMethlolMethane) 48∼65중량%; 및 잔량의 물을 포함하는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물에 관한 것이다.
상기에서 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물은 층상 규산염 광물을 조성물 총중량에 대하여 10∼20중량% 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물은 공지된 수용성 인계 난연제와 고온에서 포비 특성을 갖는 물유리로 알려진 알칼리 실리케이트에, 고온에서 연소되어 다층 구조의 탄화층을 형성하는 테트라메틸올메탄을 추가로 포함함으로써, 난연제 조성물의 특성을 유지하면서 인계 난연제의 난연효과를 상승시킨다.
또한, 다층 층상구조를 갖는 규산염 광물을 추가적으로 포함함으로써 난연효과를 더욱 상승시킨다.
본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물이 난연효과를 나타내는 메카니즘을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 즉, 본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물에 열이 가해지면 물유리인 알칼리 실리케이트 용액 및/또는 층상구조를 갖는 규산염 광물 등의 유리질 입자의 표면이 녹거나 연화되어 그 점성 유동에 의해 수용성 인계 난연제를 감싼다. 상기와 같이, 유리질 입자에 둘러싸인 수용성 인계 난연제가 열에 의해 분해되면 인계 난연제 중의 수분이 증발하게 된다. 이 상태가 안정화되면 고상의 상기 유리질 내에 수분의 증발에 의한 독립된 폐기공이 발생하게 된다. 또한 테트라메틸올메탄은 고온에서 열분해되어 역시 다층 구조의 탄화층을 형성하게 되는데, 이러한 다층 구조의 탄화층에 의한 연쇄상 구조의 기포가 생성 되어, 50 배 이상의 발포기능을 지닌 내화재를 형성한다. 또한, 상기 탄화층 형성시 발생하는 이산화탄소가 수용성 인계 난연제와 반응하여 탄화층을 고정화 및 안정화 시키고, 탄화층의 밀도를 증가시킴으로써 산소의 유입이 차단되며, 상기 수용성 인계 난연제의 탈수에 의해 수분이 공급된다. 따라서, 상기와 같은 작용에 의해 본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물은 뛰어난 난연 효과를 제공한다.
본 발명의 수용성 인계 난연제는 연소시 물을 생성하여 수증기로 변하면서 연소성 가스를 희석시키며, 연소점 주위의 온도를 낮추어 연소현상을 억제한다. 따라서, 상기 수용성 인계 난연제의 난연 메카니즘은 금속원자에 화학적으로 결합된 결정수에 기인하며, 이러한 결정수는 장시간의 가열 조건 하에서도 쉽게 방출되지 않는다. 상기 수용성 인계 난연제로는 이 분야에서 사용되고 있는 다양한 형태의 인계 화합물이 사용될 수 있으며, 특히 암모늄 폴리포스페이트 등이 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 수용성 인계 난연제는 조성물 총중량에 대하여 1∼3중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 수용성 인계 난연제가 1 중량% 미만으로 포함되면 원하는 난연효과를 얻을 수 없고, 3중량%를 초과하여 포함되면 다른 조성성분과 섞이지 않는 문제가 발생한다.
본 발명의 알칼리 실리케이트 용액은, 일반적으로 물유리로 칭하여지는 것으로서, 알칼리 금속 산화물 및 알칼리 토금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 제1 금속산화물과 비정질 실리카인 제2 금속산화물을 포함하며, 상기 제1 금속산화물에 대한 제2 금속산화물의 몰비가 2.5~4.0인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 몰비가 3.0~3.5인 것이 좋다. 몰비가 상기 범위를 벗어나면, 산화막 형성이 불완전하여 포비 성능이 저하되며, 차열 효과가 저하된다.
상기에서 알칼리 금속 산화물 및 알칼리 토금속 산화물로는 산화나트륨, 산화칼륨, 산화리튬, 산화칼슘, 산화바륨 등을 들 수 있다.
상기 알칼리 실리케이트 용액은 구입이 용이하고 가격이 저렴할 뿐 아니라, 무독성이고 저발연성 물질이기 때문에 본 발명의 조성물에 적합하다.
상기 알칼리 실리케이트 용액은 조성물 총 중량에 대하여 15∼20 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 실리케이트 용액이 15 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 상온에서 사용시 유리질의 형성이 어려워 부착경화가 안되는 단점이 있고, 20 중량%를 초과하여 포함되면,유리질의 형성이 강하게 이루어져 상온에서 수축에 의한 균열 및 화재 시 포비성이 약해지는 문제가 발생한다.
본 발명의 테트라메틸올메탄은 연소시 열에 의해 분해되면서 다층 구조의 탄화층(Carbonaceous layer)을 형성함으로써 열을 차단한다. 또한, 상기 탄화층 형성시 발생하는 이산화탄소가 수용성 인계 난연제와 반응하여 탄화층을 고정화 및 안정화시켜서 탄화층의 밀도를 높임으로써 산소의 유입을 차단한다.
테트라메틸올메탄은 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식1]
Figure 112010023559098-pat00001
상기 다층 구조의 탄화층에 형성되는 연쇄상 구조의 기포는 발포 층을 이룬다.
상기 테트라메틸올메탄은 조성물 총 중량에 대하여 48∼65 중량%로포함되며, 48 중량% 미만으로 포함되면 발포층이 적어 화염의 차단이나 화염에 의한 열의 차단 능력이 저하되고, 65 중량%를 초과하여 포함되면 탄화층이 지나치게 많이 형성되어 연쇄상 구조가 파괴되게 된다. 바람직하게는 52~58 중량%로 포함되는 것이 내화성에 유리하다.
본 발명의 층상 규산염 광물로는 600℃ 이상의 고온에서 허니컴 구조로 결정이 전이되는 발포율이 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 그 구성성분 중 SiO2의 함량이 전체 중량에 대하여 80 중량% 이상인 것이 좋다. 또한 층상 규산염 광물의 입자크기는 본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화재를 구성하는 다른 성분과의 혼용성에 영향을 미치지 않는 범위에서 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 입자크기가 0.001 mm∼0.005 mm인 것이 좋다.
상기 층상 규산염 광물은 조성물 총 중량에 대하여 10∼20 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 10 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 충격 저항성과 열 안정성이 저하되어 바람직하지 않고, 20 중량%를 초과하여 포함되면, 팽창계수의 증대로 발포층에 크랙이 발생하여 치수안정성에 문제가 발생한다.
본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물은 상기 성분들 이외에 무기질 섬유상 보강재, 천연 미네랄 첨가제 등을 더 포함할 수 있다. 상기와 같은 성분을 첨가함으로써 도막의 건조강도, 내열성 및 포비층의 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 천연섬유, 합성섬유, 종이 및 목재류로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 연소성 재질 또는 철재류를 포함하여 제조되는 기재의 일면, 양면 또는 표면 전체에, 상기 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 도포하여 제조되는 내화보드에 관한 것이다.
상기 내화보드에서 내화피복재 조성물로 형성되는 도막 두께는 5.0∼15 mm가 바람직하다. 상기 도막 두께가 5.0 mm 미만으로 형성되면 충분한 내화재의 기능을 발휘하기 어렵고, 15 mm를 초과하면 중량초과로 인하여 치수 안정성에 문제가 발생한다.
상기 내화보드는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 도포하고, 건조하여 제조할 수 있다.
본 발명의 내화보드는 내화패널의 제작에 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 내화보드를 2층 이상 적층하여 내화패널을 제조할 수 있으며, 이 경우 화원(火原)의 틈새 침입 방지를 위하여, 내화보드를 격자 배열하여 적층할 수도 있다.
본 발명의 내화보드는 가열 직후, 가열면의 표면이 발포되면서 연소를 억제시키며, 보호 대상물에 열이 전달되는 것을 차단 및 지연시키는 역할을 한다. 특히, 본 발명의 내화보드 후면은 가열 조건에 전혀 영향을 받지 않아 온도 및 형상 변화가 없으므로, 보호 대상물에 대한 내화효과도 매우 우수하다.
또한, 본 발명의 내화보드는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물이 할로겐계 화합물을 포함하지 않으므로, 가열 시 유해가스의 발생이 적고, 납, 카드뮴, 수은 및 크롬(VI) 등의 유해한 중금속을 전혀 포함하지 않으므로 친환경적인 특성을 갖는다.
상기 내화보드의 제조시 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 기재 표면에 적용하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 도포법, 스프레이법, 함침법 등에 의하여 적용이 가능하다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
실시예 1: 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물의 제조
알칼리 실리케이트 용액인 규산소다액[(주)영일화성, 액상 규산나트륨 3호(이산화규소:산화나트륨의 몰비=1:3.3)] 17 kg을 물 3 kg에 혼합하고 약 10분간 충분히 교반하여 액체 1을 제조하였다. 물 10kg에 테트라메틸올메탄(TetraMethlolMethane) 51kg을 서서히 투입하면서 30분간 혼합 교반하여 용해시켜서 액체 2를 제조하였다. 수용성 인계 난연제인 암모늄 폴리포스페이트 2 kg과 층상 규산염 광물 14 kg을 물 3kg과 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 상기 액체2와 슬러리를 혼합한 후 30분 동안 충분히 교반하고, 다시 액체 1을 첨가한 후 10분 동안 혼합 및 교반하여 100 kg의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 제조하였다.
실시예 2: 내화보드의 제조 및 내화성능 시험
(1) 내화보드의 제조
상기 실시예 1에서 제조된 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 500 × 500 mm 크기의 두께 10.0mm의 비중 1.0의 경량기포 콘크리트 심재 일면에 5.0 mm 두께로 도포한 후, 상온에서 30분 동안 건조하여 내화보드를 제작하였다(도1 (a) 참조).
(2) 내화성능 시험1
본 시험은 일반 건축물, 공장건축물, 위험물 저장 및 처리시설 등의 보, 기둥 등의 구조부분을 본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물로 마감하였을 때 얻어지는 내화성능 향상을 확인하기 위해 실시되었다. 내화성능은 대한민국 산업 표준(KS)에서 차열성능과 차염성능으로 구분하여 관리되고 있으며, 차열성능의 경우 초기의 온도(T0)에 대해 평균온도는 T0+140 ℃ 이내이어야 하며, 최고온도는 T0+180℃를 넘지 않아야 한다. 또한 목재의 경우 이면에 화염의 전파가 없어야 한다.
상기 (1)에서 제조된 내화보드를 토치 램프(torch lamp)를 사용하여 10cm 떨어진 지점에서 900∼1,190℃ 온도로 직접 가열하고(도1 (b) 참조), 가열면과 그 후면의 온도 변화 및 형상 변화(도2 및 도3 참조)를 관찰하여, 하기 표 1에 나타내었다.
내화보드
가열 면 후면 형상변화
To* 25.8 26.0
평균 온도 139.1 77.2 없음
최고 온도 186.1 95.9 없음
* To : 실험 시작 시 측정된 상온
상기 표1의 결과로부터, 본 발명의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물은 한국공업표준 규격에서 정한 내화성능(차열 및 차염성능)을 충분히 만족시키는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 초기 900℃ 이상으로 유지되는 표면온도 조건에서 상기 내화보드의 가열면은 실험 시작한 후 5분 이내에 발포 현상을 보였고(도1 참조), 시간 경과 후에도 가열면의 형상은 더 이상의 변화 없이 유지되었다. 또한, 상기 표1 및 도2에서 확인되는 바와 같이 차열 성능도 매우 우수하였다. 또한, 도3에서 확인되는 바와 같이, 가열면에 대비하여 그 후면은 100℃ 이하의 온도를 유지하였으며, 그 표면변화도 발견되지 않았다.

Claims (5)

  1. 수용성 인계 난연제 1∼3중량%; 알칼리 실리케이트 용액 15∼20중량%; 테트라메틸올메탄(TetraMethlolMethane) 48∼65중량%; 층상 규산염 광물 10∼20중량%; 및 잔량의 물을 포함하며,
    상기 층상 규산염 광물은 600℃ 이상의 고온에서 허니컴 구조로 결정이 전이되며, 구성성분 중 SiO2의 함량이 80 중량% 이상인 것임을 특징으로 하는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물.
  2. 삭제
  3. 청구항1에 있어서, 알칼리 실리케이트 용액은, 알칼리 금속 산화물 및 알칼리 토금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 제1 금속산화물과 이산화 규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 제2 금속산화물을 포함하며, 상기 제1 금속산화물에 대한 제2 금속산화물의 몰비가 2.5~4.0인 것을 특징으로 하는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물.
  4. 청구항1에 있어서, 상기 층상 규산염 광물은 0.001 mm ∼ 0.005 mm의 입자크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물.
  5. 천연섬유, 합성섬유, 종이 및 목재류로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 연소성 재질 또는 철재류를 포함하여 제조되는 기재의 일면, 양면 또는 표면 전체에, 청구항1의 다층 탄화층 구조의 복합 내화피복재 조성물을 도포하여 제조되는 내화보드.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH10110121A (ja) * 1996-10-08 1998-04-28 Kikusui Kagaku Kogyo Kk 耐火塗料

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