KR101538855B1

KR101538855B1 - 불연성 스티로폼 패널의 제조방법

Info

Publication number: KR101538855B1
Application number: KR1020130136572A
Authority: KR
Inventors: 오종찬
Original assignee: 오종찬
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-07-24
Also published as: KR20150054301A

Abstract

본 발명은 불연성 스티로폼 패널의 제조방법으로서, 스티로폼 비즈에 방향족 인산에스테르계 화합물을 포함한 방염제를 혼합하되, 혼합 후 스티로폼 비즈를 -1 내지 0℃에서 5 내지 10분간 응축시키고 15 내지 20℃에서 건조하는 스티로폼비즈처리단계(S100);와, 스티로폼 비즈에 방염제를 교반 혼합하고 1000 내지 2000 Hz의 진동파를 가한 후, 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하는 1차발포단계(S200);와, 1차 발포물에 액상 또는 겔 상태의 방염제를 코팅한 후 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하는 2차발포단계(S300);와, 2차발포물에 무기 점결제인 규산소다와 유기 점결제인 당밀과 방염제를 고루 혼합한 후 70 내지 80℃에서 30 내지 50 kgf/㎠의 압력을 10 내지 20 초간 가하여 스티로폼을 형성하는 1차성형단계(S400);와, 스티로폼을 진공상태에서 40 내지 50℃의 온도로 유지되는 숙성실에 투입하고 숙성실의 상하면과 네 측면에서 가열된 방염제 증기가 지속 유입되도록 하여 1 내지 3시간 숙성한 후, 자외선을 2 내지 5시간 조사하여 경화시키는 숙성경화단계(S500);와, 숙성된 스티로폼을 압착롤러에 의해 안내되는 한 쌍의 외판사이에 투입하여 압착시키되, 외판의 내면과 스티로폼의 양면사이에 50 내지 60℃를 유지하고 3000 내지 5000 cP의 점도를 가지는 겔상의 방염제를 도포하여 상기 스티로폼의 부피가 10 내지 15% 감소하도록 조절하는 2차성형단계(S600);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

불연성 스티로폼 패널의 제조방법{The manufacturing method of a styrofoam panel with flame retardancy}

본 발명은 화재에 대한 내구성이 향상되는 불연성 스티로폼 패널의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 방염제를 스티로폼 비즈의 발포과정, 스티로폼을 성형하는 과정 및 성형 스티로폼을 마감자재인 외판과 결합 압착하는 과정에 단계적으로 순차 처리하여 스티로폼에 대한 방염제의 흡수율을 높일 뿐만 아니라, 스티로폼과 방염제의 전체적인 결합력을 높일 수 있는 점결제에 유기 점결제를 도입하여 친환경성을 제공할 수 있는 스티로폼 패널의 제조방법에 관한 것이다.

최근 스티로폼을 주재료로 하여 겉면에 철제판 등으로 마감처리하여 제작되는 샌드위치 패널은 시공의 편의성과 경제성에 있어서 건설업계 및 산업계에서 각광을 받고 있는 자재이다. 하지만 화재시 급격한 연소 확대와 진압의 어려움 등으로 인하여 씨랜드 화재 사건(1999년), 이천 냉동창고 화재 사건(2008년) 등과 같이 많은 인명과 재산피해를 발생시킴에 따라 이러한 문제점을 개선하기 위한 패널 생산 기법에 관한 다양한 특허들이 개시되고 있는 실정이다.

가령, 한국등록특허공보 제10-0659942호에서는 실리카졸 100중량부에 대하여 이산화규소 5~10중량부, 규조토 3~5중량부, 규회석 5~10중량부, 삼산화안티몬 0.5~1중량부, 계면활성제 0.5~3중량부를 포함하는 전처리액에 스티로폼 패널을 함침시키는 함침공정;과, 상기 전처리액이 함침된 스티로폼 패널을 압축 및 파공시키는 압축파공공정;과, 상기 압축 및 파공된 스티로폼 패널을 다단 롤러를 통과시키면서 침투된 전처리액을 분산시키고, 액상 규산나트륨 100중량부에 대하여 이산화규소 3~5중량부, 규조토 3~5중량부, 규회석 1~5중량부, 삼산화안티몬 0.5~1중량부, 계면활성제 0.5~3중량부를 포함하는 표면처리액 및 산화마그네슘액을 분사하여 표면처리하는 분산 및 표면처리공정;과, 상기 표면처리된 스티로폼 패널을 건조시키는 건조공정을 포함하는 난연성 스티로폼 패널 제조방법을 개시하고 있다.

또한, 한국등록특허공보 제10-1218944호에서는 스티로폼알갱이가 혼합된 난연성 건축판재의 제조방법은, 송진 5~10중량%, 아교 5~10중량%, Nacl 20~23중량%, 수산화나트륨 3~5중량%, 물50~65중량%를 혼합하여 염도가 20~25%가 유지되는 현탁액을 제조하는 단계와, 제조된 상기 현탁액의 100중량부 당 산화마그네슘 80~96.8중량부, 제올라이트 3~5중량부, 메도칠 0.2~0.5중량부가 혼합교반되어 페이스트 혼합물을 만드는 단계와, 혼합교반된 페이스트 혼합물의 100중량부 당 스티로폼 알갱이와 펄라이트가 20~40 중량부로 혼합되어 성형틀에 부어서 성형시키는 성형단계와, 성형틀의 온도를 30~40℃로 3~4시간 경과후에 성형틀에서 성형물을 분리시키는 분리단계와, 분리된 성형물이 상온에서 1~2일 경화 후에 필요한 형태로 절단가공되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티로폼알갱이가 혼합된 난연성 건축판재의 제조방법을 개시하고 있다.

상기 두 특허는 난연성의 원료물질을 스티로폼 패널의 제조과정에 투입하여 스티로폼 패널의 화재에 대한 저항성을 향상시킬 수 있는 기술 구성을 지니고 있으나, 난연성의 원료물질이 액상 또는 일정 수준의 점도를 가지는 페이스트로만 구성되어 원료물질이 스티로폼 입자의 내부까지 침투되기에 곤란한 기술적 한계를 표출하여 원료물질의 성상 개선과 원료물질의 스티로폼 내부로의 흡수력을 개선할 필요성이 제기된다.

이에 본 발명은 상기에 언급된 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 방염제의 스티로폼 입자에 대한 흡수율을 높일 수 있는 방염제 코팅기술 구성을 포함하는 불연성 스티로폼 패널의 제조방법을 제공함으로써 과제를 해결하려고 한다.

이에 본 발명은 상기에 언급된 과제를 해결하기 위해 다음의 해결 수단을 제공한다.

본 발명은 스티로폼 비즈 90 내지 95 중량%에 방향족 인산에스테르계 화합물을 포함한 액상 또는 겔 상태의 방염제 5 내지 10 중량%를 혼합하되, 혼합 후 스티로폼 비즈를 -1 내지 0℃에서 5 내지 10분간 응축시키고 15 내지 20℃에서 건조하는 스티로폼비즈처리단계(S100);와, 스티로폼비즈처리단계(S100)를 거쳐 처리된 스티로폼 비즈 95 내지 97 중량%에 방염제 3 내지 5 중량%를 교반 혼합하고 1000 내지 2000 Hz의 진동파를 가한 후, 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하여 1차 발포물을 조성하는 1차발포단계(S200);와, 1차 발포물 97 내지 98 중량%에 액상 또는 겔 상태의 방염제 2 내지 3 중량%를 코팅한 후 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하여 2차발포물을 조성하는 2차발포단계(S300);와, 2차발포물 90 내지 95 중량%에 무기 점결제인 규산소다 1.5 내지 3 중량%와 유기 점결제인 당밀 1.5 내지 3 중량%와 방염제 2 내지 4 중량%를 고루 혼합한 후 70 내지 80℃에서 30 내지 50 kgf/㎠의 압력을 10 내지 20 초간 가하여 스티로폼을 형성하는 1차성형단계(S400);와, 상기 스티로폼을 진공상태에서 40 내지 50℃의 온도로 유지되는 숙성실에 투입하고 숙성실의 상하면과 네 측면에서 가열된 방염제 증기가 지속 유입되도록 하여 1 내지 3시간 숙성한 후, 자외선을 2 내지 5시간 조사하여 경화시키는 숙성경화단계(S500);와, 숙성된 스티로폼을 압착롤러에 의해 안내되는 한 쌍의 외판사이에 투입하여 압착시키되, 외판의 내면과 스티로폼의 양면사이에 50 내지 60℃를 유지하고 3000 내지 5000 cP의 점도를 가지는 겔상의 방염제를 20 내지 50㎛의 두께로 도포하여 상기 스티로폼의 부피가 10 내지 15% 감소하도록 조절하는 2차성형단계(S600);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 방염제 처리는 스티로폼비즈처리단계(S100), 1차발포단계(S200), 2차발포단계(S300), 1차성형단계(S400), 숙성경화단계(S500), 2차성형단계(S600) 중 어느 하나의 단계에서만 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 1차성형단계(S400)는 2차 발포물 90 내지 95 중량%에 무기 점결제인 규산소다 1.5 내지 3 중량%와 유기 점결제인 당밀 1.5 내지 3 중량%와 방염제 2 내지 4 중량%를 고루 혼합한 혼합물 100 중량부에 대하여 정제수 10 중량부를 혼합하여 금형에 주입한 후, 12 내지 14 MHz의 주파수 범위와 7kW의 출력을 발생하는 초고주파 유전가열을 900 내지 1100 초 동안 실시하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 방염제는 (ⅰ) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 (ⅱ) 히드록시 또는 C₁ _-6 알콕시로 치환된 C_6-10 아릴, 또는 히드록시 또는 C₁ _-6 알콕시로 치환된 C₆ _-20 아릴알킬 화합물을 이용하여 온도 90 내지 125℃, 125 내지 180℃, 180 내지 210℃ 및 210 내지 240℃의 범위로 순차적으로 가열하여 반응시키는 단계(a);와, 온도 50 내지 300℃, 압력 0.01 내지 50 mmHg의 조건 하에서 상기 단계(a)의 생성물로부터 분별증류를 이용하여 방향족 인산에스테르계 화합물을 분리하는 단계(b);와, (i) 상기 단계(b)에서 분리된 방향족 인산에스테르계 화합물 및 (ⅱ) C₁-C₁₀의 알코올 또는 질소화합물을 10 내지 70℃에서 반응시키는 단계(c);로 구성되되, 하기 화학식 1에서 R₁, R₂ 및 R₃는 각각 독립적으로 (ⅰ) 할로, (ⅱ) 히드록시 또는 C₁ _-6 알콕시로 치환된 C₆ _-10 아릴, 또는 (ⅲ) 히드록시 또는 C₁ _-6 알콕시로 치환된 C₆ _-20 아릴알킬이고 상기 R₁, R₂ 및 R₃ 중 하나 이상은 할로인 것에 특징이 있다.

화학식 1

상기 방향족 인산에스테르계 화합물은 하기 화학식 2 내지 화학식 5로 표시되는 화합물로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.

화학식 2

화학식 3

화학식 4

화학식 5

본 발명은 스티로폼 원재료인 스티로폼 비즈 자체에 방염제를 선제적으로 코팅한 후, 다수 차례의 발포과정과 발포 후 성형하는 과정에 다양한 형태로 방염제를 추가 처리함으로써 방염제의 흡수율을 획기적으로 높일 수 있는 효과를 지닌다. 한편, 발포된 스티로폼 입자를 성형하는 공정을 기본적으로 스팀가공법에 의한 압착 성형으로 하되, 선택적으로 초고주파 유전가열법에 의한 압착 성형을 실시하여 스티로폼 입자와 방염제 성분간의 융착율을 최대화하여 제품의 균일성을 현저한 수준으로 끌어올리는 효과가 있다. 또한, 점결제의 구성에 있어서 무기 점결제 뿐만 아니라 유기 점결제인 당밀을 함께 구성하여 스티로폼 패널의 친환경적 측면을 제고할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법을 나타낸 순서도.

본 발명의 기술에 앞서, 본 실시예는 본 발명의 구성 요소와 각 요소의 기능에 대한 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명은 본원에 기재된 청구범위에 의해서만 한정되는 것임을 명확히 한다.

본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법은 불연성 또는 난연성의 기능을 보유한 방염제를 스티로폼의 발포과정과 스티로폼을 성형하는 과정과 해당 스티로폼을 마감자재인 외판과 결합 압착하는 과정에 다양한 방법으로 처리하여 스티로폼 패널의 화재에 대한 내구성을 향상시켜 건축물 자재로서의 안전성을 현저한 수준으로 개선하는 기술적 구성으로 이루어진다.

우선, 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법에 대해 기술하기에 앞서, 스티로폼 패널에 불연성 기능을 부여하기 위해 제공되는 방염제의 구성에 대해 살펴보겠다.

본 발명의 스티로폼 패널의 제조방법에 사용되는 방염제로는 무기화합물, 유기 인 화합물, 유기 할로겐 화합물, 할로겐을 함유하는 유기 인 화합물 등이 사용될 수 있다. 하지만 상기 유기 할로겐 화합물 및 할로겐을 함유하는 유기 인 화합물은 우수한 방염 효과를 나타내는 반면에, 수지 제품을 성형할 때 열분해에 의해 성형 금속의 부식 수지 자체의 열화 및 착색 등의 문제를 일으키고 작업 환경의 저하와 인체에 대한 악영향을 끼치는 할로겐화 수소를 발생시킨다. 한편, 수산화 마그네슘 및 수산화 알루미늄과 같은 무기 화합물은 할로겐을 함유하지는 않으나 충분한 방염 효과를 얻기 위해 다량 첨가가 필요하여, 결과적으로 수지 자체의 물성을 열화 시키는 문제점을 내포하고 있다. 따라서 본 발명의 구성에서는 비교적 양호한 방염 효과를 나타내는 유기 인 화합물을 주요 성분으로 하는 방염제를 도입한다.

구체적으로 본 발명에 따른 방염제는 방향족 인산에스테르계 화합물을 포함하여 다음과 같은 합성 과정을 통해 조성된다.

상기 방염제는 (ⅰ) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 (ⅱ) 히드록시 또는 C₁ _-6 알콕시로 치환된 C₆ _-10 아릴, 또는 히드록시 또는 C₁ _-6 알콕시로 치환된 C₆ _-20 아릴알킬 화합물을 이용하여 온도 90 내지 125℃, 125 내지 180℃, 180 내지 210℃ 및 210 내지 240℃의 범위로 순차적으로 가열하여 반응시키는 단계(a);와, 온도 50 내지 300℃, 압력 0.01 내지 50 mmHg의 조건 하에서 상기 단계(a)의 생성물로부터 분별증류를 이용하여 방향족 인산에스테르계 화합물을 분리하는 단계(b);와, (i) 상기 단계(b)에서 분리된 방향족 인산에스테르계 화합물 및 (ⅱ) C₁-C₁₀의 알코올 또는 질소화합물을 10 내지 70℃에서 반응시키는 단계(c);로 구성되되, 하기 화학식 1에서 R₁, R₂ 및 R₃는 각각 독립적으로 (ⅰ) 할로, (ⅱ) 히드록시 또는 C₁ _-6 알콕시로 치환된 C₆ _-10 아릴, 또는 (ⅲ) 히드록시 또는 C₁ _-6 알콕시로 치환된 C₆ _-20 아릴알킬이고 상기 R₁, R₂ 및 R₃ 중 하나 이상은 할로인 것으로 규정된다.

화학식 1

상기 방염제는 다단계의 가열방식을 통해 최고 수율의 화합물 합성을 유도할 수 있고, 분별증류를 사용한 화합물 분리로써 순도 높은 화합물을 수득할 수 있는 장점을 지니고 있다.

보다 구체적으로 상기 단계(a)에서 4 단계의 승온 단계를 거침으로써 단계적인 화합물 합성 반응이 일어나며, 특히 각 온도 단계에서의 합성반응에서는 환류(reflux)가 일어남에 따라 미반응 반응물질이 다시 화합물 합성 반응에 참여할 수 있게 된다. 또한, 상기 단계(b)에서는 단계(a)를 통해 합성된 다수의 화합물을 각 화합물의 끓는점인 50 내지 300℃의 범위까지 각각 가열하여 화합물을 순차 분리하여 화합물의 순도를 현저한 수준으로 높일 수 있다. 그리고 단계(b)를 통해 분리된 방향족 인산에스테르계 화합물은 대체로 산성 가스(예컨대, 염소가스)를 포함하고 있어 알코올 또는 질소화합물과의 반응 시 폭발적인 발열반응이 수반됨에 따라 상기 단계(c)에서는 반드시 전술된 10 내지 70℃의 온도를 일정하게 유지하여 발생되는 열을 효과적으로 제어하는 과정이 필요하게 된다.

한편, 상기 방향족 인산에스테르계 화합물은 하기 화학식 2 내지 화학식 5로 표시되는 화합물로 구성된 군으로부터 선택될 수도 있다.

화학식 2

화학식 3

화학식 4

화학식 5

이상과 같이 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법에 이용되는 바람직한 방염제의 구성에 대해 살펴보았으며, 이제 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 구성에 대해 기술하겠다.

첨부된 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법은 스티로폼 비즈 90 내지 95 중량%에 방향족 인산에스테르계 화합물을 포함한 액상 또는 겔 상태의 방염제 5 내지 10 중량%를 혼합하되, 혼합 후 스티로폼 비즈를 -1 내지 0℃에서 5 내지 10분간 응축시키고 15 내지 20℃에서 건조하는 스티로폼비즈처리단계(S100);와, 스티로폼비즈처리단계(S100)를 거쳐 처리된 스티로폼 비즈 95 내지 97 중량%에 방염제 3 내지 5 중량%를 교반 혼합하고 1000 내지 2000 Hz의 진동파를 가한 후, 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하여 1차 발포물을 조성하는 1차발포단계(S200);와, 1차 발포물 97 내지 98 중량%에 액상 또는 겔 상태의 방염제 2 내지 3 중량%를 코팅한 후 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하여 2차발포물을 조성하는 2차발포단계(S300);와, 2차발포물 90 내지 95 중량%에 무기 점결제인 규산소다 1.5 내지 3 중량%와 유기 점결제인 당밀 1.5 내지 3 중량%와 방염제 2 내지 4 중량%를 고루 혼합한 후 70 내지 80℃에서 30 내지 50 kgf/㎠의 압력을 10 내지 20 초간 가하여 스티로폼을 형성하는 1차성형단계(S400);와, 상기 스티로폼을 진공상태에서 40 내지 50℃의 온도로 유지되는 숙성실에 투입하고 숙성실의 상하면과 네 측면에서 가열된 방염제 증기가 지속 유입되도록 하여 1 내지 3시간 숙성한 후, 자외선을 2 내지 5시간 조사하여 경화시키는 숙성경화단계(S500);와, 숙성된 스티로폼을 압착롤러에 의해 안내되는 한 쌍의 외판사이에 투입하여 압착시키되, 외판의 내면과 스티로폼의 양면사이에 50 내지 60℃를 유지하고 3000 내지 5000 cP의 점도를 가지는 겔상의 방염제를 20 내지 50㎛의 두께로 도포하여 상기 스티로폼의 부피가 10 내지 15% 감소하도록 조절하는 2차성형단계(S600);로 구성된다.

한편, 상기 각 단계(S100 내지 S600)에 포함된 방염제 처리는 스티로폼비즈처리단계(S100), 1차발포단계(S200), 2차발포단계(S300), 1차성형단계(S400), 숙성경화단계(S500), 2차성형단계(S600) 중 어느 한 단계에서만 이루어질 수도 있다.

상기와 같이 여러 단계(S100 내지 S600)를 포함하는 본 발명의 구성에 대해 각 단계 별로 상세히 기술하겠다.

상기 스티로폼비즈처리단계(S100)는 스티로폼 패널을 성형하기 위해 필요한 주원료물질인 스티로폼 비즈(알갱이)에 방염제를 전처리하여 특정 형상의 스티로폼을 성형하기 이전에 스티로폼 비즈에 불연성을 제공하는 구성 단계이다.

이때, 방염제는 이미 전술된 방향족 인산에스테르계 화합물로 조성된 방염제가 이용된다. 방염제의 성상은 액상 또는 겔 상태로 이루어질 수 있으며, 분말 형태로도 준비될 수 있으나 분말상의 방염제를 얻기 위해서는 별도의 수분제거수단이 요구되므로 제조 공정의 생산성 합리화를 꾀하기 위해 액상 또는 겔 상태의 방염제가 바람직하다. 한편, 스티로폼 비즈와 방염제의 혼합 중량비는 스티로폼 비즈 90 내지 95 중량%에 방염제 5 내지 10 중량%가 적절하다. 본 중량 범위에서 방염제의 중량이 감소하게 되면 스티로폼 비즈가 함유하는 불연성 기능이 미약하여 본 단계의 수행 의미가 사라질 우려가 있으며, 방염제의 중량이 본 중량 범위를 초과하는 경우에는 스티로폼 비즈의 경도 및 탄력성이 저하될 우려가 있어 스티로폼 본래의 기능이 상실될 수 있다. 또한 상기에 규정된 혼합 중량비에 따라 스티로폼 비즈에 방염제를 혼합하는 과정에 35 내지 45℃의 범위 내에서 온도를 유지하여 액상 또는 겔상인 방염제의 물리적 상태를 균일하게 유지할 수도 있다. 이와 같이 혼합된 스티로폼 비즈를 -1 내지 0℃에서 5 내지 10분간 응축시켜 방염제가 스티로폼 비즈의 표면에만 고착되는 것이 아니라 스티로폼 비즈의 내부로 일정 깊이까지 흡수될 수 있도록 한다. 그리고 방염제를 충분히 흡수한 스티로폼 비즈를 15 내지 20℃에서 건조하여 스티로폼 비즈가 하기에 상세 기술될 1차발포단계(S200)에서 효과적으로 발포될 수 있도록 수분함유율을 제어하는 과정이 필요하다.

상기 1차발포단계(S200)는 스티로폼비즈처리단계(S100)를 거친 스티로폼 비즈를 일정 크기로 발포하되, 발포된 스티로폼의 체적이 증가함에 따라 방염제의 분포 밀도가 감소하는 것을 방지하기 위하여 발포 작업 이전에 재차 방염제를 코팅하는 과정을 포함하는 구성 단계이다.

우선, 스티로폼 비즈 95 내지 97 중량%에 방염제 3 내지 5 중량%를 교반 혼합하게 되는데 방염제의 스티로폼 비즈에 대한 혼합 중량비는 스티로폼비즈처리단계(S100)에서의 혼합 중량비보다는 작게 구성하여 방염제의 비중이 자칫 과하게 조절되어 발포된 결과물의 내수성, 단열성, 흡음성 및 완충성이 기준 이하로 감소되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 더불어 교반 혼합이 이루어진 후에는 1000 내지 2000 Hz의 진동파를 가하여 스티로폼에 규칙적인 미세 충격을 가하여 방염제 성분이 내부로 균일하게 확산될 수 있도록 하는 것이 요구된다. 한편, 발포 수단은 가열 발포를 통해 이루어지도록 하며 제품의 용도 및 목적에 따라 원래 부피의 2 내지 5 배의 부피로 설정하여 발포 작업을 진행하여 1차 발포물을 생성한다.

상기 2차발포단계(S300)는 1차발포단계(S200)를 통해 생성된 1차 발포물의 방염제 흡수가 원하는 기준 이하이거나 1차 발포물의 발포 크기를 더 증가시키기 위한 구성 단계이다. 또한, 여러 차례의 발포와 방염제 코팅 작업을 반복 시행함으로써 발포 결과물의 불연성능을 안정적으로 확보하기 위한 수단이기도 하다. 단, 이미 이전 단계(S100 및 S200)에서 방염처리가 이루어졌기 때문에 1차 발포물에 대한 방염제의 혼합 중량비를 이전 단계보다 줄이는 작업이 필요하다. 보다 구체적으로는 1차 발포물 97 내지 98 중량%에 액상 또는 겔 상태의 방염제 2 내지 3 중량%를 코팅함으로써 방염제 성분의 증가로 인한 발포 스티로폼의 물리적 특성이 저하되지 않도록 한다. 한편, 구체적인 발포 과정은 1차발포단계(S200)와 동일하게 원래 크기의 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하여 2차발포물을 조성함으로써 이루어진다.

상기 1차성형단계(S400)는 최종적으로 스티로폼과 철제 또는 비금속 등의 재료로 구성되는 외판의 결합 이전에 스티로폼 패널의 형상에 대응되도록 다수 차례 발포된 스티로폼을 성형하는 구성 단계이다.

보다 구체적으로는 일정 수준의 방염 처리를 거친 2차 발포물에 방염제와 함께 점결력(coking power)를 높이기 위한 점결제를 추가 혼합하여 스티로폼의 형상이 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 구성을 포함한다. 특히, 점결제의 성분으로 무기 점결제와 더불어 유기 점결제(organic binder)를 혼합함으로써 제품의 안정성과 친환경성을 함께 확보할 수 있다. 당밀은 설탕을 제조할 때에 부산물로 생산되는 자당을 함유하는 액체의 총칭으로 더 이상 설탕을 회수하기 어려운 것을 의미한다. 본 단계에서 사용되는 당밀은 경제적으로 설탕의 결정을 취할 수 없는 공장 최종단계의 부산물인 흑갈색, 점조성의 물질에 해당한다. 따라서 식품 공장에서 발생하는 폐기물을 수거하여 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법에 사용함으로써 자원의 재순환율을 높일 수도 있게 되는 것이다. 이제 본 단계의 세부적인 과정을 살펴보게 되면 다음과 같다.

2차 발포물 90 내지 95 중량%에 무기 점결제인 규산소다 1.5 내지 3 중량%와 유기 점결제(organic binder)인 당밀 1.5 내지 3 중량%와 방염제 2 내지 4 중량%를 고루 혼합하여 성형하기 위한 재료를 준비한다. 이때, 성형은 스팀가공법을 통한 압착성형으로 이루어져 고온고압의 스팀을 지속 공급하는 가운데 70 내지 80℃로 예열된 성형 프레임을 통해 30 내지 50 kgf/㎠의 압력을 10 내지 20 초간 가하여 스티로폼을 제작한다. 상기 성형 프레임의 예열 온도 범위는 스티로폼 뿐만 아니라 스티로폼에 대한 방염제의 흡착율을 최대화하기 위해 설정된 것이며, 온도가 70℃미만으로 저하되면 방염제 성분이 스티로폼 입자 사이에 제대로 고착화될 수 없게 되고, 온도가 80℃를 초과하게 되는 경우에는 고온으로 인해 방염제 성분이 일부 증발하거나 변질되어 방염 기능이 저하될 수 있다.

한편, 본 1차성형단계(S400)는 2차 발포물 90 내지 95 중량%에 무기 점결제인 규산소다 1.5 내지 3 중량%와 유기 점결제인 당밀 1.5 내지 3 중량%와 방염제 2 내지 4 중량%를 고루 혼합한 혼합물 100 중량부에 대하여 정제수 10 중량부를 혼합하여 금형에 주입한 후, 12 내지 14 MHz의 주파수 범위와 7kW의 출력을 발생하는 초고주파 유전가열을 900 내지 1100 초 동안 실시하여 진행될 수도 있다.

1차성형단계(S400)에서 적용되는 성형 수단을 고온고압의 스팀가공법이 아닌 초고주파 유전가열법으로 추가 구성한 이유는 다음과 같다. 우선, 스팀가공법은 스티로폼의 특징 중 하나인 단열성에 의하여 열을 직접적으로 받게 되는 표면은 먼저 융착되고 내부는 융착이 잘 안되어 강도가 저하될 수 있는 문제점을 지니고 있다. 이와 같은 스팀가공법은 최종 성형된 스티로폼 구조물의 내부 스티로폼 입자사이에 다수의 기공이 형성되어 스티로폼의 경도와 내구성에 있어서 기대 수준을 충족하기 곤란한 단점을 가지고 있다. 이에 반해 초고주파 유전가열법은 물질 내에 전기장이 균일하게 분포하게 되면 물질의 내부를 동일하게 가열할 수 있다는 특징을 포함하고 있어서 최종 성형되는 스티로폼 구조물의 내부에 기공이 거의 발생하지 않는 장점을 지니고 있다. 단, 1차발포단계(S200)와 2차발포단계(S300)를 거쳐 생성되는 스티로폼 발포물의 입자 크기에 따라 주파수 범위를 12 내지 14 MHz의 범위에서 적절히 조절하고 균일한 크기의 전기장을 발생시킬 수 있도록 작업 환경을 통제하여 25 내지 30 kgf/㎠의 압력 범위에서 압착을 진행하여 성형 작업을 진행하는 것이 요구된다. 이때, 상기 압력 범위가 스팀가공법을 통한 압착성형의 압력 범위보다 낮게 설정된 이유는 유전가열에 의해 스티로폼의 융착 시점이 단축되고 스티로폼의 융착 밀도가 균일하게 분포됨에 따라 상대적으로 낮은 압착력으로도 원하는 성형물을 제공할 수 있기 때문이다. 또한, 스티로폼과 점결제 및 방염제로 혼합된 혼합물에 일정량의 정제수를 혼합하여 유전현상이 원활하게 이루어질 수 있도록 하되, 상기 2차 발포물, 규산소다, 당밀, 방염제를 고루 혼합한 혼합물 100 중량부에 대하여 정제수를 10 중량부보다 초과하여 투입하게 되면 수분의 배출이 원활하지 않아 성형과정에 문제가 발생할 소지가 있으며 정제수를 10 중량부 미만으로 사용하게 되면 유전가열매체인 정제수를 통한 충분한 유전가열현상이 이루어지지 않게 되므로 이를 주의해야 한다.

상기 숙성경화단계(S500)는 1차성형단계(S400)를 통해 성형된 스티로폼을 일정 기간 숙성시켜 스티로폼의 형상을 안정화시키고 방염 성분이 충분히 스티로폼 내부에 고루 확산될 수 있도록 하는 구성 단계이다.

구체적으로 살펴보면, 스티로폼을 진공상태에서 40 내지 50℃의 온도로 유지되는 숙성실에 투입하고 숙성실의 상하면과 네 측면에서 가열된 방염제 증기가 지속 유입되도록 하여 1 내지 3시간 숙성한 후, 자외선을 2 내지 5시간 조사하여 경화시키도록 본 단계가 진행된다. 이때, 일정 수준의 고온이 유지되는 숙성실을 진공상태로 유지하는 것은 숙성실 내부로 유입되는 방염제 증기가 빠른 속도로 스티로폼 표면에 전달되어 스티로폼 겉면에 존재하는 스티로폼 입자와 입자 사이의 미세 틈에 방염제 증기가 용이하게 안착할 수 있도록 하기 위한 것이다. 그리고 이와 같이 숙성된 스티로폼에 자외선을 조사하여 마무리과정인 2차성형단계(S600) 이전에 스티로폼을 일정 경도 이상으로 경화하여 2차성형단계(S600)에서 스티로폼의 구조적 형상에 변형이 발생하지 않게 하고, 형상 변형으로 인한 방염 성분의 소실이 초래되지 않도록 한다.

상기 2차성형단계(S600)는 방염처리와 숙성과정을 거친 스티로폼의 양면에 외판을 압착롤러를 통해 부착하여 패널 형상을 완성하는 구성 단계이다.

보다 구체적으로 한 쌍의 외판 사이에 유입되는 스티로폼은 압착롤러에 의해 순차적으로 압착되는 과정을 통해 본 단계가 진행된다. 이때, 압착 과정에서 압착된 스티로폼의 부피는 원래 부피에서 10 내지 15% 만큼 감소하도록 통제되는 것이 바람직한데, 부피 감소폭이 15%를 초과하게 되면 패널의 사용기간이 지속됨에 따라 방염 성분이 미세한 수준으로 누출될 우려가 있으며 부피 감소폭이 10% 미만으로 조절되면 전체 패널의 물리적 강도가 원하는 기준을 충족할 수 없게 된다. 한편, 압착롤러의 전단 위치에 해당하는 외판의 내면과 스티로폼의 양면사이에 겔상의 방염제를 20 내지 50㎛의 두께로 도포하여 스티로폼과 외판 사이의 결합력을 높임과 동시에 스티로폼과 외판 사이에 별도의 방염 영역을 마련함으로써 방염 기능을 극대화할 수 있다. 또한, 상기 방염제의 성상은 50 내지 60℃를 유지하고 3000 내지 5000 cP의 점도를 가지는 겔상으로 구성하는 것이 바람직 한데, 상기 온도 범위는 압착과정에서 발생하는 마찰열과 방염제가 지닌 내부열을 통해 효과적으로 방염제가 패널에 일체화될 수 있도록 하는 역할을 하게 되며, 상기 점도 범위는 서로 다른 물질로 이루어진 스티로폼과 외판의 물리적 결합력을 높일 수 있는 여지를 마련해 준다.

이상과 같이 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법에 수반되는 각 단계에 대한 상세 기술이 명확하게 이루어졌으며, 이제 본 발명의 구성을 구체화하고 본 발명의 유효성을 입증하기 위한 실시예에 대해 기술하겠다.

실시예 1 : 스티로폼비즈처리단계(S100)

우선 시중에 유통되는 직경 2 내지 5 mm의 입자 크기로 판매되는 스티로폼 비즈 95 중량%를 혼합용기에 채운 후, 전술된 방향족 인산에스테르계 화합물을 포함한 액상의 방염제 5 중량%를 고루 교반하여 스티로폼 비즈의 표면 전체에 방염제가 코팅되도록 한다. 그리고 표면에 코팅된 방염제 성분이 스티로폼 비즈 내부로 일정 깊이 침투하도록 0℃에서 5 분간 응축시킨 후 15 내지 20℃에서 30분 동안 건조한다.

실시예 2 : 1차발포단계(S200)

실시예 1의 스티로폼 비즈 97 중량%에 방염제 3 중량%를 배합하여 저속으로 교반 실시한 후, 1500 Hz의 진동파를 5 내지 10 분간 가하여 방염제 성분이 충분히 흡수되도록 한 후, 가열 발포를 통해 적정 크기로 발포하여 1차 발포물을 수득한다.

실시예 3 : 2차발포단계(S300)

실시예 2의 1차 발포물 98 중량%에 겔 상태의 방염제 2 중량%를 서서히 부어 교반 동작을 통해 충분히 섞은 후, 스티로폼 패널에 사용될 최종 크기까지 가열 발포하여 2차 발포물을 조성한다.

실시예 4 : 1차성형단계(S400)

실시예 3의 2차발포물 95 중량%에 무기 점결제인 규산소다 1.5 중량%와 당밀 1.5 중량%와 방염제 2 중량%를 고루 혼합한 후, 75 내지 80℃에서 35 kgf/㎠의 압력을 15 초간 가하여 스티로폼을 형성한다.

실시예 5 : 숙성경화단계(S500)

실시예 4의 스티로폼을 진공상태에서 45℃의 온도로 유지되는 숙성실에 투입하고 숙성실의 상하면과 네 측면에서 가열된 방염제 증기가 지속 유입되도록 하여 1 시간 숙성한 후, 자외선을 2 시간 조사하여 경화시킨다.

실시예 6 : 2차성형단계(S600)

실시예 5를 통해 숙성된 스티로폼을 압착롤러에 의해 안내되는 한 쌍의 외판사이에 투입한 후, 외판의 내면과 스티로폼의 양면사이에 50 내지 55℃를 유지하고 3500 cP의 점도를 가지는 겔상의 방염제를 20㎛의 두께로 균일하게 도포하여 상기 스티로폼의 부피가 10% 감소하도록 조절한다.

실시예 7 : 스티로폼 패널의 난연성 분석(총열방출율 비교)

상기 실시예 1 내지 실시예 6을 통해 제작된 스티로폼 패널과 시중에 유통 중인 5 개 제조회사의 스티로폼 패널에 대하여 건축물 내부마감재료의 난연성능기준(국토교통부 고시 제2009-866호)의 규정에 따라 콘칼로리미터를 사용하여 열방출율(Heat Release Rate)을 측정하였다. 열방출율은 화재 위험성을 결정하는 가장 중요한 변수 중 하나이다.

본 총열방출율 실험방법에 대해 살펴보면 다음과 같다. 우선, 50㎾/㎡의 복사열량을 100×100×50mm의 크기의 수평방향 시험체(실험군 : 본 발명에 따른 시험편, 대조군 1 ~ 5 : 타 제조회사의 시험편)에 노출시킨다. 이때, 발생되는 화재생성물은 후드 및 덕트를 통하여 포집되며 덕트에 설치된 열전대, 압력센서, 가스샘플링장치에 의해 수득되는 데이터를 기록 분석하여 5분간 열방출율을 계산하되 동일 검사를 4차례 반복 시행하여 평균값을 산출하였다.

(단위 : MJ/㎡)

	1차	2차	3차	4차	평균
실험군	0.04	0.09	0.05	0.07	0.06
대조군1(A사)	42.2	44.7	47.9	43.2	44.5
대조군2(B사)	37.2	35.8	36.1	35.9	36.2
대조군3(C사)	16.1	17.1	16.3	15.8	16.3
대조군4(D사)	12.6	13.8	14.1	13.5	13.3
대조군5(E사)	23.9	25.2	26.1	25.7	25.2

이와 같은 실험을 통해 산출된 결과치는 상기 표 1과 같다. 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 실험군의 총열방출율이 대조군 1 내지 대조군 5의 총열방출율보다 현저히 낮음을 확연히 파악할 수 있으며, 실험군의 총열방출율 평균치는 0.06 MJ/㎡ 로서 거의 연소가 일어나지 않았음을 의미하므로 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법에 의해 제작된 패널이 실제적인 불연성능을 가짐을 시사한다.

이처럼 본 발명의 불연성 스티로폼 패널의 제조방법을 통해 제작된 스티로폼 패널은 화재에 대한 높은 저항성을 보유하고 있어 시공의 편의성 및 경제적인 생산단가와 더불어 시설물의 안전성을 두루 갖춘 건축 자재로서의 가치를 지니게 된다. 또한, 방염처리를 하는 과정에 방염제의 흡수율을 높이고 친환경적인 유기 점결제를 사용함에 따라 방염처리비용의 절감과 스티로폼 패널의 친환경성을 어느 정도 기대할 수 있게 해줄 뿐만 아니라, 스티로폼을 성형하는 작업 공정에 선택적으로 초고주파 유전가열법에 의한 압착 성형을 실시하여 스티로폼 입자와 방염제 성분 간의 융착율 개선을 통한 제품 균일성을 확보하게 됨으로써 스티로폼 패널 관련 업계에 작지 않은 파급 효과를 가져다 줄 수 있을 것으로 전망해 본다.

이상과 같은 본 발명의 구성에 대한 상세 설명과 본 실시예를 통해 본 발명의 실체와 구체적인 사항에 대해 기술하였다. 상기 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 상세 설명과 실시 예를 바탕으로 이루어지는 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예에 따른 발명도 본 발명의 권리범위에 속함을 명확히 하여야 할 것이다.

S100 : 스티로폼비즈처리단계 S200 : 1차발포단계
S300 : 2차발포단계 S400 : 1차성형단계
S500 : 숙성경화단계 S600 : 2차성형단계

Claims

스티로폼 비즈 90 내지 95 중량%에 방향족 인산에스테르계 화합물을 포함한 액상 또는 겔 상태의 방염제 5 내지 10 중량%를 혼합하되, 혼합 후 스티로폼 비즈를 -1 내지 0℃에서 5 내지 10분간 응축시키고 15 내지 20℃에서 건조하는 스티로폼비즈처리단계(S100);와,
스티로폼비즈처리단계(S100)를 거쳐 처리된 스티로폼 비즈 95 내지 97 중량%에 방염제 3 내지 5 중량%를 교반 혼합하고 1000 내지 2000 Hz의 진동파를 가한 후, 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하여 1차 발포물을 조성하는 1차발포단계(S200);와,
1차 발포물 97 내지 98 중량%에 액상 또는 겔 상태의 방염제 2 내지 3 중량%를 코팅한 후 2 내지 5 배의 부피로 가열 발포하여 2차발포물을 조성하는 2차발포단계(S300);와,
2차 발포물 90 내지 95 중량%에 무기 점결제인 규산소다 1.5 내지 3 중량%와 유기 점결제인 당밀 1.5 내지 3 중량%와 방염제 2 내지 4 중량%를 고루 혼합한 후 70 내지 80℃에서 30 내지 50 kgf/㎠의 압력을 10 내지 20 초간 가하여 스티로폼을 형성하는 1차성형단계(S400);와,
상기 스티로폼을 진공상태에서 40 내지 50℃의 온도로 유지되는 숙성실에 투입하고 숙성실의 상하면과 네 측면에서 가열된 방염제 증기가 지속 유입되도록 하여 1 내지 3시간 숙성한 후, 자외선을 2 내지 5시간 조사하여 경화시키는 숙성경화단계(S500);와,
숙성된 스티로폼을 압착롤러에 의해 안내되는 한 쌍의 외판사이에 투입하여 압착시키되, 외판의 내면과 스티로폼의 양면사이에 50 내지 60℃를 유지하고 3000 내지 5000 cP의 점도를 가지는 겔상의 방염제를 20 내지 50㎛의 두께로 도포하여 상기 스티로폼의 부피가 10 내지 15% 감소하도록 조절하는 2차성형단계(S600);로 구성되는 것을 특징으로 하는 불연성 스티로폼 패널의 제조방법.
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제1항에 있어서,
상기 1차성형단계(S400)는 2차 발포물 90 내지 95 중량%에 무기 점결제인 규산소다 1.5 내지 3 중량%와 유기 점결제인 당밀 1.5 내지 3 중량%와 방염제 2 내지 4 중량%를 고루 혼합한 혼합물 100 중량부에 대하여 정제수 10 중량부를 혼합하여 금형에 주입한 후, 12 내지 14 MHz의 주파수 범위와 7kW의 출력을 발생하는 초고주파 유전가열을 900 내지 1100 초 동안 실시하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 불연성 스티로폼 패널의 제조방법.
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