KR101137301B1 - 난연성 발포 폴리스티렌 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 난연성 발포 폴리스티렌 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발포 폴리스티렌 입자, 인조대리석 분말, 사이클로 포스파젠 올리고머 및 난연보조제를 포함하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 난연성 발포 폴리스티렌 조성물은 단열재의 기계적 물성 및 단열효율을 저해하지 않으면서도 난연도를 높일 수 있고, 화재 발생시 흡열반응을 유도하여 발화를 지연시키고, 연소시 열분해에 의해 수증기(H2O)를 발생시켜 기화된 가연성 라디칼이나 이온을 희석시켜 친환경적으로 난연작용을 일으키고, 챠르(char)를 쉽게 형성하여 유독가스 생성 및 화염의 전파를 막을 수 있는 효과가 있다.

Description

난연성 발포 폴리스티렌 조성물{Composition for flame retardant expanded polystyrene}
본 발명은 발포 폴리스티렌 단열재의 단열효율을 저해하지 않으면서도 기계적 물성의 저하 없이 화재 발생시 유독가스에 의한 인명피해와 화재 전파를 방지할 수 있는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 건축물의 벽체는 주로 콘크리트나 시멘트와 모래를 섞어 만든 벽돌 등으로 시공되며, 이러한 벽체에 단열재를 적층시킨 후, 다양한 마감재를 사용하여 실내의 벽체를 마감하게 된다. 이러한 단열재 중 발포 폴리스티렌(스티로폼)은 그 사용의 편리성과 우수한 단열효과 및 저렴한 가격으로 인하여 가장 널리 사용되고 있는 재료이다.
국내의 건물 내 벽체는 콘크리트 및 조적조 벽체 등과 같은 습식공법이 주류를 이루고 있다. 국내 시공 중인 내화벽체 중 콘크리트 및 조적조가 전체시장의 85% 정도이며 조립식 패널, 석고보드 등은 15% 정도이다. 습식공법은 구조물의 하중부하, 인건비 상승과 시공효율성, 감도 등으로 건축비의 증가요인이 되며 특히 단열재를 부착하여도 열손실이 많아 에너지 절약형의 친환경건축과는 거리가 멀다. 이러한 단점을 보완할 수 있는 조립식 내벽체의 재료로서 한국등록특허 제761,787호에는 폴리스티렌 비드 발포체를 금형에서 압축 성형하여 제조한 건축용 경량 단열블록(인슈블록)이 개시되어 있다. 인슈블록은 그 자체만으로 블록의 기계적 특성을 갖고 있으며 주택의 구조재로 사용되고 있으나, 모재인 발포 폴리스티렌은 열에 매우 취약하며 화재 발생시 초기에 융해되어 화재를 전파시키는 매개체 역할을 할 뿐만 아니라, 연소시 발생하는 유독가스로 인하여 심각한 인명 피해를 일으키는 문제점이 있다. 따라서 건축 재료의 특성상 일반화된 건자재로 사용하기 위하여 개발된 인슈블록의 난연화가 반드시 필요하며 기계적 물성의 저하가 최소화 되어야 한다.
한편, 종래에는 스티로폼의 난연성을 개선시켜 이들의 발화시간을 지연시키고 화염 전파가 더디게 진행되도록 하는 다양한 방법들이 제안되었다. 주로 사용되는 고분자의 난연화 방법에는 분자구조 변경을 통한 내열성 고분자의 제조(CPE, PVC 등), 난연 성분을 플라스틱 구조 내에 화학적으로 결합시키는 방법(반응형 난연제), 난연제를 고분자내에 물리적으로 첨가시키는 방법(첨가형 난연제), 난연제 코팅 또는 페인팅을 하거나 제품 디자인 변경을 통한 내열성 향상을 도모하는 방법 등이 있으며, 일반적인 난연화는 난연제를 첨가하는 것이 주를 이루고 있다. 예를 들어, 한국등록특허 제305,711호에는 발포 폴리스티렌 입자 표면에 할로겐화물, 인산화물 등의 난연제를 코팅하고 이를 발포 성형하여 제조된 난연 스티로폼 단열재가 개시되어 있고, 한국실용신안등록 제20-241745호에는 스티로폼 판재 양면에 알루미늄 시트, 직물 및 염화비닐의 3층구조로 이루어진 불연소재를 접착제로 부착한 난연 스티로폼 단열재가 개시되어 있으며, 한국공개특허 제2001-0072979호에는 브롬화 유기 화합물로 이루어진 난연제를 첨가하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 종래의 난연 스티로폼 단열재들은 비경제적일 뿐만 아니라, 할로겐을 포함하고 있어 환경규제에 적절히 대처할 수 없고 제조방법도 복잡하며 난연 효과도 충분하지 않은 문제점이 있었다.
또한, 종래의 난연성 폴리머 발포체 조성물은 어느 정도의 난연성이 확보되어 있기는 하지만 조성물의 함량이 높거나 조성물 자체가 발포체의 기계적 물성을 저하시키기 때문에 경량블록 등의 구조재로는 사용할 수 없다. 따라서 발포 모체와의 거대 상분리 현상이 없고 사용량을 낮출 수 있는 난연제 조성물이 요구되고 있으며, 경량 단열블록의 난연화 기술개발의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 상기 종래 문제점들을 해결하기 위하여, 종래에 사용되던 할로겐계 난연제 대신에 인조대리석 분말 및 사이클로 포스파젠 올리고머를 사용함으로써 발포 폴리스티렌의 환경친화적인 난연작용을 유도하고, 챠르(char)의 형성을 쉽게 하여 유독가스의 생성 및 화염의 전파를 효과적으로 막을 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 인조대리석 분말 및 사이클로 포스파젠 올리고머를 사용함으로써 발포 폴리스티렌의 기계적물성과 단열효율을 저해하지 않고, 화재 발생시 유독가스에 의한 인명피해와 화재 전파를 방지할 수 있는 경제적이고 환경친화적인 난연 발포 폴리스티렌 조성물을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 발포 폴리스티렌 입자, 인조대리석 분말, 사이클로 포스파젠 올리고머 및 난연보조제를 포함하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 발포 폴리스티렌 입자와 인조대리석 분말/사이클로 포스파젠 올리고머/난연보조제의 무게 혼합비는 1000 : 1 ~ 1000 : 800일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 발포 폴리스티렌 입자 100 중량부에 대하여 인조대리석 분말 9 ~ 50 중량부, 사이클로 포스파젠 올리고머 8 ~ 55 중량부 및 난연보조제 8 ~ 20 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 폴리스티렌 입자는 스티렌, 알킬 스티렌, 알파-알킬스티렌, 할로겐화 스티렌 및 비닐 톨루엔의 단량체의 중합체 또는 공중합체, 상기 스티렌계 단량체와 아크릴로니트릴, 부타디엔, 알킬아크릴레이트, 알킬메타아크릴레이트, 이소부틸렌, 염화비닐, 이소프렌 및 이들의 혼합물과의 공중합체, 스티렌-부타디엔의 블록 공중합 수지(SBR), 폴리스티렌 수지 블랜드, 내충격성 폴리스티렌 수지(HIPS) 및 개질 폴리스티렌 수지로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 사이클로 포스파젠 올리고머는 반복단위가 3 ~ 5인 화합물일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 난연보조제는 산화안티몬, 수산화마그네슘, 보론산아연, 폴리포스파젠, 암모늄 폴리포스페이트, 인계난연제(H-205 또는 H-201), 포스페이트류, 적인, 황토, 숯, 황산아연 및 팽창흑연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 발포 폴리스티렌 입자의 평균입경은 10 ~ 150 메쉬일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 인조대리석 분말의 평균입경은 100 ~ 500 메쉬일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 난연보조제의 평균입경은 250 ~ 350 메쉬일 수 있다.
본 발명에 따른 난연성 발포 폴리스티렌 조성물은 단열재의 기계적 물성 및 단열효율을 저해하지 않으면서도 난연도를 높일 수 있고, 난연제 조성물의 첨가 함량을 낮추및 모체와 난연제 조성물 사이의 상용성을 증진시켜적 량 단열구조재로서의 기능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 난연성 발포 폴리스티렌 조성물은 인조대리석 분말을 사용함으로써 화재 발생시 흡열반응을 유도하여 발화를 지연시키고, 연소시 열분해에 의해 수증기(H2O)를 발생시켜 기화된 가연성 라디칼이나 이온을 희석시켜 친환경적으로 난연작용을 일으키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 난연성 발포 폴리스티렌 조성물은 사이클로 포스파진 올리고머를 사용함으로써 폴리스티렌의 연소시 발생하는 가연성 라디칼을 소거하는 역할을 하면서 안정한 형태의 챠르(char)를 쉽게 형성하여 유독가스 생성 및 화염의 전파를 막을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 난연성 발포 폴리스티렌 조성물은 고가의 무기 난연제의 대체 물질로 인조대리석 분말을 난연화 물질로 사용하여 폐기물의 처리비용을 절감하고 재사용할 수 있으며, 할로겐이 전혀 포함되지 않아 환경 친화적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단열 블록 표면에 화염을 처리했을 때 시간에 따른 표면의 변화를 나타낸 사진이다.
발포 폴리스티렌으로 이루어진 단열재는 그 사용의 편리성과 우수한 단열효과 및 저렴한 가격으로 인하여 가장 널리 사용되고 있는 단열재이나, 열에 매우 취약하여 화재 발생시 초기에 융융되고 인화된 후 화염을 전파시키는 매개체 역할을 할 뿐만 아니라, 연소시 발생하는 유독가스로 인하여 심각한 인명 피해를 일으킨다.
이에 따라 본 발명자들은 건축용 경량 단열블록(인슈블록)의 친환경 난연화를 위하여 값싸게 얻을 수 있는 인조대리석 폐기물을 난연제로 사용함으로써 화재발생초기의 흡열반응을 유도하여 발화를 지연시키고, H2O를 발생시켜 기화된 가연성 라디칼이나 이온을 희석시킴으로써 친환경적 난연화를 유도하였다.
본 발명에서 ‘난연제’란 고분자 재료의 연소하기 쉬운 성질을 물리화학적으로 개선해 잘 타지 못하도록 첨가하는 물질로서, 발화를 낮춰주고, 연소의 확대를 막아주는 물질이다. 이러한 난연제는 원재료, 첨가물과의 혼합성이 좋아야 하고, 최종제품의 기계적인 성질에 영향을 주지 않아야 하며, 연소시 발연 및 독성가스의 발생이 적어야 한다.
따라서 본 발명은 건축재 경량 단열 블록의 난연화를 위하여 발포 폴리스티렌 입자에 인조대리석 분말, 사이클로 포스파젠 올리고머 및 기타 난연제를 혼합하여 압축성형하여 제조함으로써 발포 폴리스티렌 단열재의 기계적 물성과 단열효율을 저해하지 않으면서도 화재 발생시 발포 폴리스티렌 표면의 난연제가 흡열 분해할 때 수증기(H2O)를 발생시켜 환경친화적인 난연작용을 유도하고, 챠르(char)의 형성을 쉽게하여 유독가스 생성 및 화염의 전파를 효과적으로 막을 수 있는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물을 제공함에 그 특징이 있다.
또한, 본 발명은 발포 폴리스티렌 입자, 인조대리석 분말, 사이클로 포스파젠 올리고머 및 난연제를 포함하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물을 제공한다.
본 발명에서 사용하는 ‘발포 폴리스티렌’은 당업자에게는 용이하게 구입하여 사용할 수 있을 정도로 상용화된 것으로서, 범용수지의 일종인 폴리스티렌 수지를 발포시켜 낮은 밀도(비중)에 의한 경량화와 발포에 의한 용적증가에 따른 단열효과 및 완충효과 등을 얻을 수 있는 발포체로 이해될 수 있다.
상기 폴리스티렌 입자는 스티렌, 알킬 스티렌, 알파-알킬스티렌, 할로겐화 스티렌 및 비닐 톨루엔으로 이루어진 스티렌계 단량체의 중합체 또는 공중합체, 상기 스티렌계 단량체와 공중합 가능한 단량체, 일예로 아크릴로니트릴, 부타디엔, 알킬아크릴레이트, 알킬메타아크릴레이트, 이소부틸렌, 염화비닐, 이소프렌 및 이들의 혼합물과의 공중합체, 스티렌-부타디엔의 블록 공중합 수지(SBR), 폴리스티렌 수지 블랜드, 내충격성 폴리스티렌 수지(HIPS) 및 개질 폴리스티렌 수지로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용한다.
또한, 본 발명에서는 이러한 발포 폴리스티렌 입자를 사용하여 난연성 조성물에 사용하기에 적절하도록 발포 폴리스티렌 입자의 평균 입경을 목적하는 단열 볼록재의 형상과 물성에 따라 다양하게 변화시킬 수 있는데, 10 ~ 150 메쉬 정도의 입경을 갖도록 분쇄한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 발포 폴리스티렌 입자의 입경이 10 메쉬 미만인 경우에는 발포 폴리스티렌 입자의 크기가 너무 작아 화염노출시의 공동 형성이 충분치 않게 되어 소정의 단열효과를 기대할 수 없는 문제점이 있을 수 있으며, 반대로 150 메쉬를 초과하는 경우에는 난연성 조성물의 다른 성분들의 함량이 상대적으로 적어져서 충분한 피복효과 등을 기대할 수 없게 되는 등의 문제점이 있을 수 있다.
이러한 입경을 갖는 발포 폴리스티렌의 표면에 난연제를 도포함으로써 내화조성물 중에 경량골재로 사용되는 발포폴리스티렌입자가 화염에 노출되었을 때 발포폴리스티렌입자 자체가 연소되지 않도록 한다. 이는 종래의 내화조성물에서 발포폴리스티렌입자가 비록 경량골재용으로 사용되었으나, 그 자체가 유기화합물, 특히 연소성이 높은 석유제품이기 때문에 화염에 노출되었을 때, 비록 이 발포폴리스티렌입자가 화염에 의한 열로 용융되어 액화 또는 기화되면서 내화성 조성물 기재에서 소실되어 폴리스티렌폼이 위치하던 곳에 공동(cavity)을 형성하게 되며, 이러한 공동의 형성에 의하여 극히 낮은 열전도도를 제공하는 효과를 제공함으로써 이러한 내화성 조성물이 피복된 철근 등을 화염의 열기로부터 보호하는 기능을 제공하기는 하나, 이 용융된 폴리스티렌의 성분은 유기물로서 액상 또는 기체상으로 성상이 바뀌어 내화성 조성물의 기재로부터 방출되어 연소되며, 그 연소로 인하여 유독가스의 발생 및 화염의 증가 등을 유발하는 문제점이 있었던 것이다. 따라서, 본 발명에서는 경량골재로서의 발포폴리스티렌입자 자체를 난연 처리함으로써 종래의 문제점들을 해결하였다. 상기 발포 폴리스티렌 입자의 난연처리는 화염에 의한 연소를 억제하는 것이고, 발포 폴리스티렌 입자의 기계적 물성이 달라지는 것은 아니므로, 이러한 난연처리된 발포폴리스티렌입자를 포함하는 내화조성물이 화염에 노출되었을 때는 종래의 경우에서와 마찬가지로 화염에 의한 열로 용융되어 액화 또는 기화되면서 내화성 조성물 기재에서 소실되어 폴리스티렌폼이 위치하던 곳에 공동을 형성하게 되며, 이러한 공동의 형성에 의하여 극히 낮은 열전도도를 제공하는 효과를 제공할 수 있다. 더욱이, 발포폴리스티렌입자의 난연처리는 폴리스티렌 자체를 난연화시킴으로써 폴리스티렌의 연소를 지연 또는 억제하는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 ‘인조대리석(Artificial marble)’은 인조대리석 생산 공정에서 압착 후 폐기되는 여분의 스크랩이며, 국내에서만 월 1000톤 이상이 발생하는 인조대리석 폐기물을 재활용할 수 있다. 인조대리석은 그 구성성분의 60 ~ 65%가 Al(OH)3이며 여기에 15%내외의 PMMA, 그리고 소량의 불포화 폴리에스테르를 함유하고 있다.
인조대리석의 주성분인 수산화알루미늄(Al(OH)3)은 연소시 열분해에 의해 수증기(H2O)를 발생시켜 기화된 가연성 라디칼이나 이온을 희석시켜 연소가스의 농도를 낮추고, 화재발생초기의 흡열반응(흡열량 298KJ/mol)을 유도하여 연소점 주위의 온도를 낮출 수 있어 발화를 억제시키는 역할을 하게 되어 친환경적 난연화를 유도한다. 이때, 그 메카니즘은 다음의 (식 1)과 같은 화학반응으로 추론된다.
(식 1)
2Al(OH)3 + 가열 → Al2O3 + 3H2O - 298KJ/mol
뿐만 아니라, 인조대리석 내에 함유되어 있는 PMMA와 불포화 폴리에스테르는 발포 폴리스티렌 및 사이클로 포스파젠 올리고머와 상용성이 있어 이들의 난연에 유리한 작용을 한다. 구체적으로 PMMA는 폴리스티렌과 거대 상분리를 일으키지 않으며, Al(OH)3의 마이그레이션(migration)을 막아주며, 불포화 폴리에스테르는 발포체의 기계적 물성을 높혀주는 역할을 한다. 또한, 인조대리석 분말에 함유되어 있는 소량의 인은 수산화알루미늄과 함께 난연화제의 효과를 상승시킨다.
따라서, 본 발명에서 수산화알루미늄(Al(OH)3)과 PMMA, 그리고 소량의 인을 함유하는 인조대리석 분말은 고분자 화합물의 난연화제로써 역할을 한다.
한편, 인조대리석 분말 입자는 인조대리석 또는 인조대리석 폐기?분쇄시 발생되는 폐기물을 가공없이 그대로 사용할 수 있다. 본 발명에서는 입자 크기가 100 ~ 500 메쉬(mesh)인 것을 사용하였으나 분말화하면 입자크기가 다소 크더라도 어느 정도의 효과는 충분히 달성할 수 있으므로 본 발명에서는 그 입자의 크기에 제한을 두지 않는다. 또한, 본 발명에서는 환경친화적 효과 및 폐기물 처리비용의 절감효과를 위해 인조대리석의 폐분말을 사용하였으나, 통상의 인조대리석 분말을 사용하여도 난연성에 있어서 동일한 효과를 볼 수 있음은 자명할 것이므로, 본 발명에서는 용어‘인조대리석 폐분말’과 ‘인조대리석 분말’을 혼용하여 사용한다.
본 발명에서 사용하는 ‘사이클로 포스파젠 올리고머’는 하기 (식 2)의 구조를 갖는 화합물로 P와 N을 동시에 포함하고 있으며, 응축상(condensed phase) 난연 메카니즘에 의해 폴리스티렌의 난연에 큰 기여를 하며 char(탄화코어)의 형성을 쉽게 한다. 본 발명에서 사이클로 포스파젠 올리고머는 반복단위가 3 ~ 6인 사이클로 트라이머(hexakis(phenoxy)-tricyclophosphazene), 사이클로테트라머, 사이클로펜타머 또는 사이클로헥사머를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 일실시예에서는 상품명이 FP-100 또는 RDT인 사이클로 포스파젠 올리고머를 사용하였다.
(식 2)
Figure 112010011532524-pat00001
n = 3, 4, or 5
사이클로 포스파젠 올리고머는 열분해에 의해 난연 라디칼을 생성(식 3 및 식 4)하여 (식 5)에서와 같이 폴리스티렌의 연소시 발생하는 가연성 라디칼을 소거(식 6)하는 역할을 하면서 안정한 형태의 챠르(char)의 형성을 유도하는 것으로 추론된다.
(식 3) : 포스파젠 올리고머의 열분해에 의한 난연라디칼의 생성
X → Y? + Z?
(식 4)
Figure 112010011532524-pat00002
(X) (Y) (Z)
(식 5) : 폴리스티렌의 연소에 의한 가연성 라디칼 생성
RH + O2 → R? + O? + ?OH
(식 6) : 산소라디칼 소거, 연쇄반응의 정지
Y?(또는 Z?) + O? → Y(또는 Z)O 또는 Y(또는 Z)O
(식 7) : ?OH 라이칼 저감 또는 소거
Y?(또는 Z?) + ?OH → Y(또는 Z)OH or Y(또는 Z)OH
(식 8) : 활성 O?와 ?OH의 농도를 줄이고 연쇄반응을 정지시켜 난연효과
R? + Y?(또는 Z?) → RY(또는 Z)
폴리스티렌의 연소시 발생되는 ?OH 라디칼과 같은 활성화 라디칼은 화학반응을 통하여 열을 발생하게 되며, 이때 발생된 잠열은 주위 인화성 물질이 연소하는데 소요되는 에너지원으로 작용하게 된다.
한편, 포스파젠 올리고머(식 3 및 식 4의 X)는 안정한 형태의 라디칼 Y?와 Z?를 발생(식 3 및 식 4)시켜 활성 라디칼인 O? 및 ?OH의 농도를 줄이고 연쇄반응을 정지(식 6 및 식 7)시켜 난연 효과를 부여하게 된다. 또한, 연소시 P-O 결합의 절단은 흡열반응으로 가연성 물질의 연소열을 감소시키는 효과가 있으며 분해시 불연성 기체를 발생시켜 산소를 차단하는 효과도 있다. 그러므로, 실제적인 난연효과는 포스파진 올리고머(X)가 부여하게 되며 반응하여 저에너지원의 라디칼 Y?, Z?로 전환된다. 또한, 사이클로 포스파젠 올리고머는 고체상에서도 난연효과를 나타내며, 라디칼 Y?, Z?는 가연성 물질의 산화촉매로 작용하고 산화된 물질은 환 구조화되어 결과적으로는 탄소 화합물인 챠르(char)를 생성하게 된다. 이렇게 생성된 탄소화합물은 산소 및 잠열을 차단하여 가연성 물질이 연소영역 이하에 있도록 도와주는 역할을 하게 된다.
본 발명에서는 사용하는 ‘난연보조제’는 인체유해성을 감안하여 할로겐계를 완전히 배제하고 무기계, 질소계 및 인계 난연제를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 산화안티몬(Sb2O3, Sb2O5), 수산화마그네슘, 보론산아연, 황산아연, 암모늄 폴리포스페이트(ammonium polyphosphate), 인계 난연제(상품명 H-205 또는 H-201, KOLON), 포스페이트류, 적인, 황토, 숯 및 팽창흑연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 성분을 사용할 수 있다. 또한, 난연보조제 입자의 평균 입경은 250 ~ 350 메쉬인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나면 발포 폴리스티렌 입자와의 혼합 분산성이 좋지 않고 난연 효율이 기대에 미치지 못한다.
이들 난연보조제는 발포된 폴리스티렌 표면에 도포되어 금형에서 압착되므로 그 내부의 기공으로 인하여 인슈블럭 자체의 단열효과를 거의 저해하지 않는다. 또한, 상기와 같은 난연보조제를 사용하는 것이 물성저하와 인체유해성을 감안한 유독가스 및 연기밀도를 최소화할 수 있어 안정성 및 환경친화성을 확보할 수 있으며, 난연성을 증진시키는 효과를 나타내도록 할 수 있다.
유기계 난연제와는 다르게 무기계 난연제는 열에 의해 휘발되지 않으며 분해되어 H2O, CO2, SO2, HCl과 같은 불연성 기체를 방출하고 대부분 흡열반응을 진행시킨다. 또한, 기체상에서는 가연성 기체를 희석시키며 폴리스티렌 발포체의 표면을 도포하여 산소의 접근을 방지하게 된다. 동시에, 고체상 표면에서 흡열반응을 통하여 표면층냉각 및 열분해물의 생성을 감소시키는 효과가 있다.
본 발명에 따르면 난연성 발포 폴리스티렌 조성물은 본 발명이 목적하는 효과와 단열재의 중량 및 제조비용을 고려할 때 발포 폴리스티렌 입자와 인조대리석 분말/사이클로 포스파젠 올리고머/난연보조제를 1000:1 ~ 1000:800의 무게비로 혼합되며, 바람직하게는 1000:10 ~ 1000:120의 무게비로 혼합하는 것이 좋다.
보다 구체적으로 본 발명의 조성물은 발포 폴리스티렌 입자 100 중량부에 대하여 인조대리석 분말 9 ~ 50 중량부, 사이클로 포스파젠 올리고머 8 ~ 55 중량부 및 난연보조제 8 ~ 20 중량부를 포함한다.
인조대리석 분말 및 사이클로 포스파젠 올리고머의 첨가량이 상기 범위 이상으로 첨가되면 가공이 어려워지고, 난연 블렌드의 물성이 저하되며, 원가가 상승하는 단점이 있으며, 상기 범위 이하로 첨가되면 난연효과가 기대에 미치지 못하는 단점이 있다.
나아가, 본 발명에서는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물에 포함되는 입자의 혼합의 용이성을 위해 물유리 또는 스티렌모노머를 조성물 전체 중량에 대하여 3 중량% 이하로 첨가할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 난연성 조성물을 압출성형, 압축성형 또는 사출성형하여 다양한 성형품의 형태로 제조할 수 있으며, 난연성 전자, 전기, 자동차, 선박, 건축 등의 자재를 만들 수 있다. 예를 들어, 발포 폴리스티렌 입자, 인조대리석 분말, 사이클로 포스파젠 올리고머, 난연보조제를 소정 비율로 혼합한 후, 소정의 틀에 넣고 압축 성형하여 원하는 형상과 두께를 가진 난연 스티로폼 경량 단열 블록을 생산할 수 있다.
본 발명에 따르면 인조대리석을 사용함으로써 화재 발생시 흡열 분해되면서 수증기(H2O)를 발생시켜 환경친화적인 난연 작용을 유도할 수 있으며, 사이클로 포스파젠 올리고머를 사용함으로써 챠르(char)의 형성을 쉽게 하여 유독가스 생성 및 화염의 전파를 막게 하는 장점이 있다.
상기와 같은 본 발명의 난연성 발포 폴리스티렌 조성물을 이용한 경량 단열 블록은 단열재의 단열효율을 저해하지 않으면서도 기계적 물성의 저하 없이 화재 발생시 유독가스에 의한 인명피해와 화재 전파를 방지할 수 있으며, 이로 인해 기타 난연제 성분의 첨가함량을 낮출 수 있고 모체와 조성물 사이의 상용성을 증진시켜 경량 단열구조재로서의 기능을 유지할 수 있도록 한다.
이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
난연 경량 단열블록의 제조
본 발명자들은 평균입경이 20 ~ 50 메쉬인 발포 폴리스티렌 입자와 평균입경이 250 ~350 메쉬인 인조대리석분말 및 난연제를 표1의 조성으로 균일하게 혼합한 후, 금형틀에 넣고 압축 성형하여 난연 경량 단열블록을 제조하였다.
시료의 조성 (무게%)
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7
발포 폴리스티렌 60.0 60.0 55.0 55.0 50.0 50.0 50.0
인조대리석 30.0 20.0 10.0 5.0 20.0 20.0 20.0
FP-100 5.0 13.0 25.0 30.0 20.0 20.0 20.0
zinc borate 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.0 0.5
H-205 - 3.0 4.0 5.0 5.0 3.0 2.0
Sb2O3 1.5 2.5 1.5 2.0 2.0 2.0 1.5
기타 3.0 1.5 4.0 2.5 2.5 4.0 5.0
< 비교예 >
인조대리석 및 난연제를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 난연 경량 단열블록을 제조하였다.
< 실험예 1>
단열블록의 난연특성
본 발명자들은 상기 실시예 및 비교예에 따라 제조한 단열블록의 하부에 토치를 이용하여 불꽃을 접촉시켜 난연성을 시험하였다. 그 결과, 비교예에 따른 종래의 발포 폴리스티렌(스티로폼) 단열블록은 다량의 유독가스를 발생시키며 발포 폴리스티렌 입자의 용융액이 흘러내렸다. 반면에, 본 발명에 따른 난연성 경량 단열블록용 조성물을 이용하여 제조한 난연 발포 폴리스티렌 단열블록(실시예 1 내지 7)은 소량의 연소가스만 발생시켰고, 또한 발포 폴리스티렌 입자의 용융액이 흘러내리지 않았으며 표면에 챠르(char)가 형성되는 것이 관찰되었다(도 1 참조).
도 1에 나타낸 바와 같이, 토치에 의한 화염처리 3초 후 표면의 변화는 거의 없었으며 15초 후 안정한 형태의 챠르(char)가 형성되는 것을 확인할 수 있었고, 30초 후에야 챠르(char)의 균열현상을 관찰할 수 있었다.
또한, 각 시료의 물성 및 난연도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
시료의 물성 및 난연도
시료 비교예 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7
밀 도
(Kg/m3) 		32 35 34 32 32 32 32 32
휨강도
(Kgf/cm2)		 1.9 2.0 1.9 1.9 1.8 1.8 1.8 1.8
압축강도
(Kgf/cm2)		 0.9 0.9 0.9 0.8 0.9 0.8 0.8 0.9
열전도도
×104(W/m.K)		 398 403 405 396 401 398 401 402
LOI 17.6 22 23 24 25 24 24 24
Char(%) - 22 20 16 18 24 25 25
그 결과, 상기 표 2에서 알 수 있듯이 인조대리석의 함량이 많아질수록 챠르(char)의 형성량이 다소 증가하는 경향이 있음을 확인할 수 있었고, 이는 사이클로포스파진 올리고머(상품명 FP-100, FUSHIMI Pharmaceutical Co., Ltd)에 의하여 그 증가량에 상승효과를 보여준다.
또한, 난연도의 한 척도인 연소시에 필요한 최소한의 산소량 즉, LOI(Limited Oxygen Index)값을 살펴보면 난연 처리되지 않은 발포폴리스티렌 입자(비교예)의 경우 17.6을 나타내고, 본 발명에 따라 난연 처리를 하는 경우(실시예 1 내지 7) 최고 25까지 증가함을 알 수 있었다.
한편, 본 발명에 따른 난연 처리된 블록의 열전도도는 비교예와 비교하여 커다란 변화가 없는 것으로 나타났으며, 이는 인조대리석 분말 및 난연제의 첨가량이 적고 밀도의 변화가 거의 없는 것과 관련되며, 첨가된 인조대리석 분말을 포함하는 난연제가 발포 폴리스티렌의 기계적 물성을 변화시키지 않음을 보여준다.
이러한 결과를 통해, 본 발명에 따른 발포 폴리스티렌에 인조대리석 분말 및 사이클로 포스파젠 올리고머를 난연제로 첨가하여 제조한 조성물을 사용할 경우 경량 단열블록의 기계적 물성 및 단열효율을 저해하지 않으면서도 난연도를 높일 수 있고, 높은 챠르(char)의 형성을 유도할 수 있으며, 할로겐이 전혀 포함되지 않아 친환경적인 난연 소재로 활용하는데 문제가 없음을 확인하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 발포 폴리스티렌 입자, 인조대리석 분말, 하기 화학식으로 표시되는 사이클로 포스파젠 올리고머 및 난연보조제를 포함하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물:
    < 화학식 >
    Figure 112011081420887-pat00004

    n = 3, 4, or 5 .
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발포 폴리스티렌 입자와 인조대리석 분말/사이클로 포스파젠 올리고머/난연보조제의 무게 혼합비는 1000 : 1 ~ 1000 : 800인 것을 특징으로 하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발포 폴리스티렌 입자 100 중량부에 대하여 인조대리석 분말 9 ~ 50 중량부, 사이클로 포스파젠 올리고머 8 ~ 55 중량부 및 난연보조제 8 ~ 20 중량부를 포함하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리스티렌 입자는 스티렌, 알킬 스티렌, 알파-알킬스티렌, 할로겐화 스티렌 및 비닐 톨루엔의 단량체의 중합체 또는 공중합체, 상기 스티렌계 단량체와 아크릴로니트릴, 부타디엔, 알킬아크릴레이트, 알킬메타아크릴레이트, 이소부틸렌, 염화비닐, 이소프렌 및 이들의 혼합물과의 공중합체, 스티렌-부타디엔의 블록 공중합 수지(SBR), 폴리스티렌 수지 블랜드, 내충격성 폴리스티렌 수지(HIPS) 및 개질 폴리스티렌 수지로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사이클로 포스파젠 올리고머는 반복단위가 3 ~ 5인 화합물인 것을 특징으로 하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 난연보조제는 산화안티몬, 수산화마그네슘, 보론산아연, 폴리포스파젠, 암모늄 폴리포스페이트, 인계난연제, 포스페이트류, 적인, 황토, 숯, 황산아연 및 팽창흑연으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발포 폴리스티렌 입자의 평균입경은 10 ~ 150 메쉬인 것을 특징으로 하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인조대리석 분말의 평균입경은 100 ~ 500 메쉬인 것을 특징으로 하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 난연보조제의 평균입경은 250 ~ 350 메쉬인 것을 특징으로 하는 난연성 발포 폴리스티렌 조성물.
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