KR101729384B1 - 난연성 조성물 및 이를 포함하는 난연성 성형물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난연성 조성물 및 이를 코팅하여 성형한 난연성 성형물에 관한 것으로서, 본 발명의 난연성 조성물은 폴리스티렌 표면에 난연제와 함께 붕산염이 결합된 가교 폴리비닐아세테이트 바인더 포함한다. 본 발명의 난연성 조성물 및 난연성 성형물은 불에 타기 쉬운 폴리스티렌의 성질을 개질하여 난연성을 향상시키고, 제품화하기 위해 필요한 성형성이 우수하다.

Description

난연성 조성물 및 이를 포함하는 난연성 성형물{Flame Retardant Composition and Molded Article Comprising The Same}

본 발명은 발포 폴리스티렌 표면에 코팅되어 난연성을 부여하는 난연성 조성물 및 이를 포함하는 난연성 성형물에 관한 것으로서, 플라스틱 소재 분야, 건축 내외장재 분야 등에 사용될 수 있다.

발포 폴리스티렌(Expanded Polystyrene)은 가공성이 우수하고 무게가 가벼워 단열재, 마감재, 건축용 내외장재 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 그러나, 발포 폴리스티렌은 불에 타기 쉬운 가연성을 가지고 있어서, 이에 난연성을 부여하고자 하는 연구가 진행되어 왔다. 건축 내외장재 분야에서 사용되는 발포 폴리스티렌 성형품은 KS 규격에 따라, 소형 화염에 의한 수평 연소성 측정시험 요건을 포함한 요구조건을 만족해야 하는 등 일정 수준 이상의 난연성을 갖추어야 한다.

발포 폴리스티렌을 난연화하는 방법은 (1) 발포 폴리스티렌을 중합하기 전에 난연화하는 방법, (2) 발포 전 폴리스티렌 입자에 난연제 조성물을 코팅하는 방법, (3) 폴리스티렌의 발포 후, 성형하기 전에 발포 폴리스티렌 입자에 난연제 조성물을 코팅하는 방법, (4) 성형 후 판재 등의 일정한 형태로 재단하여 표면에서부터 난연제 조성물을 함침하거나 코팅 등으로 후처리 하는 방법 등, 다양한 방법들이 제시되어 왔다. 최근에는 (3) 폴리스티렌의 발포 후, 성형하기 전에 발포 폴리스티렌 입자에 난연제 조성물을 코팅하는 방법을 많이 사용하고 있다.

발포 폴리스티렌에 코팅되는 난연제 조성물은 사용되는 바인더의 특성에 따라 수성계 및 유성계로 분류되고 있다. 난연제 조성물에 함유되는 난연제들은 바인더와의 상용성 문제만 없다면 교차 사용이 가능하고, 실제로 난연제의 구성은 수성계, 유성계 모두 유사하게 구성되어 있다.

우수한 난연성 조성물의 요건은 (1) 난연제가 발포 폴리스티렌 입자 표면에 균일하게 도포되어야 한다. 균일하게 도포되지 않은 경우, 얇게 도포된 폴리스티렌 입자 표면을 시작으로 화염이 침입되기 때문에 결국 난연성을 나타내지 못하게 된다. 또한, 화재 발생시, (2) 바인더는 발포 폴리스티렌 표면에 부착된 난연제가 분진 상태로 날라가지 않도록 고착시켜 탄화막을 형성하고 유지하는 성질이 뛰어나야 한다. 또한, (3) 난연성이 뛰어나다 하더라도 성형성이 확보되지 못하면 성형품으로 제조할 수 없으므로, 성형성도 반드시 확보되어야 한다.

한국등록특허공보 제1428949호에는 발포 폴리스티렌을 코팅하는 난연성 조성물에 열경화성 수지를 다량 첨가하는 내용이 개시되어 있다. 이 경우, 난연제와 발포 폴리스티렌의 부착력이 향상되어 난연성이 향상될 수 있다. 그러나, 코팅된 발포 폴리스티렌 입자간의 부착력이 떨어져, 원하는 제품 형태로 성형이 불가능하거나 성형 불량이 많아 제품화가 어려운 단점이 있다.

발포 폴리스티렌 입자용 난연 코팅액 및 그 제조방법(한국등록특허공보 제1428949호)

본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 발포 폴리스티렌 표면에 균일하게 도포되고, 화재 발생시 탄화막을 형성하며 이를 지속적으로 유지시킬 수 있는 난연성 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 상기 난연성 조성물이 코팅된 발포 폴리스티렌의 성형시 우수한 성형성을 나타내는 난연성 성형물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 난연성 조성물은 폴리스티렌의 표면에 부착되어 연소를 억제하는 난연제 및 폴리스티렌의 표면에 난연제를 접착시켜 난연성을 증가시키는 역할을 하는, 붕산염이 결합된 가교 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate) 바인더를 포함한다.

상기 바인더는 난연성 조성물 총 중량 대비 40 ~ 65 중량%로 함유될 수 있고, 상기 난연제는 적인(Red Phosphorous), 흑연, 수산화알루미늄, 질석(Vermiculite), 진주암(perlite), 수산화마그네슘, 암모늄 폴리인산염, 멜라민계 난연제, 탈크, 규조토류, 산화안티몬, 주석산아연, 몰리브덴산염 등으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

바람직하게 상기 바인더는 폴리비닐아세테이트에 가교촉매제를 첨가하여 제조될 수 있는데, 상기 가교촉매제는 가교촉매제 총 중량 대비 붕산 또는 붕소 0.1 ~ 10 중량%, 수산화나트륨 0.1 ~ 10 중량%로 메탄올 용매상에 희석된 것을 포함한다.

본 발명의 난연성 성형물은 난연제가 폴리스티렌 표면에 고르게 분산되어 코팅되고, 화재시에도 난연제가 폴리스티렌 표면으로부터 이탈되지 않으며 탄화막을 유지하므로 난연성이 우수하다. 또한, 본 발명의 난연성 조성물은 폴리스티렌에 코팅된 이후에도 성형성이 확보되어 제품화에 적합하다.

도 1은 본 발명의 난연성 성형물(실시예)과 비교예에 의해 제조된 난연성 성형물을 연소시험한 결과를 나타내는 이미지이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예로 기술되고 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.

<난연성 조성물>

본 발명의 난연성 조성물은 난연제 및 바인더를 포함한다.

본 발명에서 난연성 조성물이라 함은 폴리스티렌에 코팅되어, 폴리스티렌의 불에 타기 쉬운 가연성을 난연성으로 개질하는 개념의 코팅제를 모두 포함한다. 구체적인 예로서, 폴리스티렌이 발포되기 전에 본 발명의 난연성 조성물로 코팅될 수 있고, 폴리스티렌이 발포된 후 성형 전에 본 발명의 난연성 조성물로 코팅될 수도 있다. 또한, 성형 후 일정한 형상을 갖는 상태에서 본 발명의 난연성 조성물이 코팅될 수 있다.

상기 난연제는 발포 폴리스티렌의 입자 표면에 부착되어 폴리스티렌의 가연성을 난연성으로 개질한다. 예컨대, 난연제는 적인(Red Phosphorous), 흑연, 수산화알루미늄, 질석(Vermiculite), 진주암(perlite), 수산화마그네슘, 암모늄폴리인산염, 멜라민계 난연제, 탈크, 규조토, 산화안티몬, 주석산아연, 몰리브덴산염으로부터 1종 이상 선택될 수 있다. 난연제는 난연성 조성물의 총 중량대비 15.5 ~ 65.0 중량%로 함유될 수 있다. 난연제가 15.5 중량% 미만이면, 폴리스티렌 입자 표면에 코팅되기에 부족한 용량으로써, 난연성 효과를 기대하기 어렵다. 또한, 난연제가 65.0 중량%를 초과하면, 바인더 대비 난연제의 함유량이 너무 많아서 접착력이 떨어지게 되고, 코팅 후 이송 과정 및 제품 성형 후에도 난연제가 쉽게 폴리스티렌 표면으로부터 떨어지게 되어 난연 효과를 발휘하기가 어렵다.

상기 난연제는 적인(Red Phosphorous), 흑연, 수산화알루미늄 및 이들의 혼합을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 난연제는 난연성 조성물 총 중량 대비 적인 0.5 ~ 5중량%, 흑연 5 ~ 20 중량%, 수산화알루미늄 10 ~ 40 중량%를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 난연제 중 흑연은 화재 발생시 팽창되어 열원으로부터 탄화막을 형성하고 화염이 발포 폴리스티렌에 침입하는 것을 방지하는 역할을 한다. 따라서, 상기 흑연이 5 중량% 미만이면 발포 폴리스티렌 입자 표면에 코팅되기에 충분하지 않아 난연성을 확보할 수 없고, 20 중량%를 초과하면 흑연이 팽창되는 양이 많아 오히려 탄화막이 쉽게 부서지게 되고, 바인더의 함량 대비 흑연의 양이 많아져 접착력이 떨어지게 된다.

상기 바인더는 발포 폴리스티렌의 표면에 상기 난연제를 점착시킨다. 또한, 화재 발생시 난연제가 팽창하거나 연소된 형태로 변화하더라도, 바인더는 난연제가 분진 상태로 발포 폴리스티렌 표면으로부터 이탈되어 날라가지 않도록 점착시킨다. 상기 바인더는 난연성 조성물의 총 중량대비 40 ~ 65 중량%를 함유할 수 있다. 바인더가 난연성 조성물의 총 중량대비 40 중량% 미만일 경우 접착력 저하는 물론 화재시 탄화막 형성 및 유지가 어렵고, 65 중량% 이상일 경우는 난연제의 함량이 상대적으로 작아져 난연성을 발휘할 수 없고, 난연성 조성물 전체의 점도가 너무 높아져 생산성이 떨어진다.

상기 바인더는 붕산염이 결합된 가교 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate) 형태를 가진다. 붕산염이 결합된 가교 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate) 형태의 바인더는 열가소성의 특성을 가져 성형이 용이하다. 반면, 화염과 같이 온도가 급격히 상승하는 환경에서는 상기 바인더가 열경화성으로 변화하여 난연제가 분진 상태로 이탈되는 것을 방지하므로 탄화막을 형성하는데 유리하다.

상기 바인더의 제조는 반응기에서 폴리비닐아세테이트(고형분 함량이 5 ~ 50중량%)에 가교촉매제를 투입하고 가교반응을 진행하여 제조할 수 있다. 폴리비닐아세테이트의 고형분이 5 중량% 미만일 경우 부착력이 떨어져 난연제가 폴리스티렌 표면에서 쉽게 이탈될 수 있고, 50 중량%를 초과할 경우 점도가 너무 높아져 코팅 자체가 어려워질 수 있다.

상기 가교촉매제는 가교촉매제 총 중량 대비 붕산(Boric acid) 또는 붕소(Boron) 0.1 ~ 10 중량% 및 수산화나트륨이 0.1 ~ 10중량%를 메탄올 용매상에 희석한 것을 포함한다. 폴리비닐아세테이트와 가교촉매제는 30 ~ 35℃로 유지되는 반응기에서 300 ~ 400rpm으로 교반되고, 혼합물이 점도가 높아져 유동성이 없어진 상태에 이를 때, 아세트산을 투여하여 가교반응을 종결시킬 수 있다.

본 발명의 난연성 조성물은 붕산을 더 함유할 수 있다. 붕산을 더 함유할 경우, 붕산은 바인더와 함께 화재시 난연제가 분진으로 이탈되어 날아가는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 붕산을 첨가할 경우, 바인더의 역할에 시너지 효과를 더하게 된다. 상기 붕산은 난연성 조성물 총 중량대비 0.5 ~ 5 중량%로 함유할 수 있으며, 바람직하게는 2 ~ 3 중량%로 함유될 수 있다. 붕산의 첨가량이 0.5 중량% 미만일 경우 상기 시너지 효과가 없으며, 5 중량%를 초과할 경우 제품 성형 후 탈색되는 현상이 나타난다.

아울러, 성형 후 제품에 색이 표현될 수 있도록, 본 발명의 난연성 조성물은 안료(Pigment)를 추가적으로 함유할 수 있다.

<난연성 성형물>

본 발명의 난연성 성형물은 앞서 설명한 난연성 조성물이 발포 폴리스티렌에 코팅되어 성형된 것으로서, 이하 난연성 조성물에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 난연성 성형물은 예컨대, 코팅기에서 발포된 폴리스티렌과 난연성 조성물을 혼합하고, 이를 유동층 건조기에서 건조한 후, 성형기에서 원하는 형태로 성형함으로써 획득할 수 있다.

또한, 본 발명의 난연성 성형물은 추가적으로 경화제가 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 난연성 성형물은 (1) 발포된 폴리스티렌에 난연성 조성물을 제1 코팅한 뒤, (2) 경화제로 재차 제2 코팅을 수행하고, 건조기에서 건조 및 성형하여 획득될 수 있다. 상기 경화제는 폴리메틸렌디이소시아네이트(Polymethylene Diisocyanate)를 사용할 수 있다. 상기 경화제는 난연성 성형물의 총 중량 대비 3 ~ 15 중량%가 함유되는 것이 바람직하다. 경화제가 난연성 성형물의 총 중량 대비 3 중량% 미만일 경우 난연성의 시너지 효과를 얻을 수 없고, 15 중량%를 초과할 경우 성형성이 떨어진다.

이하에서는 본 발명의 난연성 조성물 및 난연성 성형물을 구체적인 실시예로 설명하고자 한다. 다만, 본 발명을 이들 실시예에 국한하고자 하는 것은 아니다.

<실시예>

- 바인더의 제조

폴리비닐아세테이트 수지(고형분 함량이 30중량%) 65kg을 반응용기에 투입하고, 반응기의 온도를 35℃로 유지하였다. 이어서 메탄올 35kg의 용매상에 붕산 100g 및 수산화나트륨 130g을 희석한 가교촉매제를 반응용기에 투입하였다. 그 후, 혼합물을 350rpm의 회전속도로 교반하였다. 교반을 시작한 시점으로부터 60분 후, 점도가 높아져 유동성이 떨어졌다. 이 때 아세트산 150g을 투입하여 반응을 종결시켰다. 이상에서 설명한 방법으로 붕산염이 결합된 가교 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate) 바인더를 제조하였다.

- 난연성 조성물의 제조

붕산 3kg을 바인더 55kg에 투입하여 용해시켰다. 이어서 적인 0.2kg, 흑연 15kg, 수산화알루미늄 26.8kg을 투입하고 이를 교반하여 난연성 조성물을 제조하였다.

- 난연성 성형물의 제조

발포 폴리스티렌을 코팅기에 20kg을 투입하고, 난연성 조성물을 25kg을 코팅기에 투입하여 혼합하였다. 난연성 조성물을 투입한 시점으로부터 2분 후, 경화제로 폴리메틸렌디이소시아네이트를 2kg 투입하였다. 경화제를 투입한 시점으로부터 2분 후, 이를 유동층 건조기로 이송시켜 50℃에서 건조하였다. 코팅이 끝난 후 난연성 조성물이 코팅된 발포 폴리스티렌을 성형기에서 성형하여 난연성 성형물을 제조하였다.

<비교예>

상기 실시예의 바인더 제조단계에서, 가교촉매제로 붕산 및 수산화나트륨을 첨가하지 않은 점을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 비교예의 바인더를 제조하였다.

이 후, 공정은 실시예의 난연성 조성물의 제조 및 난연성 성형물의 제조와 동일한 방식으로 수행하여 비교예의 난연성 성형물을 제조하였다.

<실험예>

본 발명에 따른 실시예와 비교예의 난연성 성형물에 대하여 성형성과 연소시 탄화막 유지성, 난연성을 비교한 실험 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

실험내용	실시예	비교예
성형성(성형불량 유무)	양호	양호
연소시험 탄화막 유지(라이터)	탄화막 유지	탄화막 유지
연소시험 탄화막 유지(토치)	탄화막 유지	탄화막 무너짐
난연성(토치에 의한 화염차단성)	양호	불량

실험 결과, 실시예와 비교예 모두 성형 불량이 나타나지 않아 성형성에는 문제가 없음을 확인하였다. 또한, 약한 불(라이터)에 의한 연소시험에 있어서도 실시예와 비교예 모두 탄화막이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 강한 불(토치)에 의한 연소시험에 있어서는 실시예와 비교예에 큰 차이가 있었다. 도 1은 본 발명의 난연성 성형물(실시예)과 비교예의 난연성 성형물을 연소 시험한 결과를 나타내는 이미지이다. 각각의 연소시험은 동일한 토치(Torch)를 사용하여 실시예 및 비교예의 난연성 성형물로부터 10cm 이격된 거리에서 90초간 열을 가하였다. 실시예의 경우, 탄화막이 성형물의 표면에 균일하게 형성되었음을 알 수 있으며, 탄화막이 유지되어 추가로 화염을 가할 경우 화염의 전달을 방지하는 것으로 나타났다. 반면, 비교예의 경우 탄화막이 성형물의 표면에 균일하게 형성되지 않았고, 탄화막이 유지되지 못하여 추가로 화염을 가할 경우 탄화막이 벗겨진 부분에서 화염의 전달을 막지 못하는 현상이 나타났다.

이와 같이, 본 발명의 난연성 조성물은 (1) 난연제가 발포 폴리스티렌 표면에 고르게 분산되어 코팅되고, (2) 화재시에도 난연제가 발포 폴리스티렌 표면으로부터 이탈하는 것을 방지하여 탄화막을 유지함으로써, 강한 불에서도 탄화막을 유지하고 난연성을 확보하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명의 난연성 조성물은 발포 폴리스티렌에 코팅된 이후에도 성형성이 확보되어 제품화에 적합함을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 발포된 폴리스티렌(Polystyrene) 입자가 난연성 조성물로 제1 코팅 및 경화제로 제2 코팅되어 성형된 성형물에 있어서,
   상기 난연성 조성물은 상기 발포된 폴리스티렌 입자의 표면에 부착되어 연소를 억제하는 난연제, 및 상기 발포된 폴리스티렌 입자의 표면에 상기 난연제를 접착시키되 화재 발생시 발포된 폴리스티렌 입자의 표면에 접착된 난연제가 이탈되지 않도록 탄화막을 강화시키는 붕산염이 결합된 가교 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate) 바인더를 포함하고,
   상기 바인더는 폴리비닐아세테이트에 가교촉매제를 첨가하여 제조되며, 상기 가교촉매제는 가교촉매제 총 중량 대비 붕산 또는 붕소 0.1 ~ 10 중량% 및 수산화나트륨 0.1 ~ 10 중량%를 메탄올 용매상에 희석한 것이고,
   상기 발포 폴리스티렌을 코팅기에 투입하며, 상기 코팅기에 상기 난연성 조성물을 투입하여 제1 코팅을 진행하고,
   상기 난연성 조성물을 코팅기에 투입한 시점으로부터 2분 후에 경화제로폴리메틸렌디이소시아네이트를 투입하되, 상기 폴리메틸렌디이소시아네이트가 난연성 성형물의 총 중량 대비 3 ~ 15중량%가 함유되어 제2 코팅이 수행된 것을 특징으로 하는 성형성이 향상된 난연성 성형물.
   
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9. 삭제
10. 삭제

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