KR101990378B1 - 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(frp)의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에폭시 수기 말단에 불포화폴리에스테르기를 갖는 비스페놀형 비닐에스테르 수지로 조성되는 불연성 매트릭스 수지를 유리섬유에 함침시켜 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조된 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)은 내식성 및 또 기계적 강도가 우수하고 특히 불연성을 나타내는 특징이 있으므로 과불화탄소, 가연가스, 퍼지가스, 첨가가스 등이 포함된 가연성 배기가스로 인하여 화재발명의 우려가 있는 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용으로 매우 적합하고 유용한 소재이다.

Description

반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법 {Method for Manufacturing Incombustible Fiberglass Reinforced Plastic for outlet duct and pipe of in factory of manufacturing semiconductor}
본 발명은 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법에 관한 것이며, 구체적으로는 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 섬유강화플라스틱은 "FRP(Fiber Reinforced Plastics)"를 의미하며, 섬유 같은 강화재(强化材)로 복합시켜, 기계적 강도(强度), 내열성, 장력이나 내충격성을 강화한 플라스틱으로서, 섬유보강수지(纖維補强樹脂) 또는 강화플라스틱이라고도 한다.
이러한 FRP는 상온 상압에서 성형가능하고 산, 알칼리, 염, 용제류, 해수 등의 부식에 대하여 강한 내식성을 지니고 있고 또한 내열성이 우수하고 기계적 강도 우수하여 반영구적인 소재로써 산업전반에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있다.
상기와 같은 FRP는 산업전반에 활용되고 있음에도 불구하고, 화재 시 대처할 수 있는 내화성능에 대한 연구가 상대적으로 미흡하며, 특히, 반도체 산업에서 웨이퍼 상에 박막을 형성 또는 식각공정 등으로부터 배출되는 배기가스는 과불화탄소(PFC: Per-Fluorocompounds), 가연가스와 캐리어가스나 퍼지가스 등으로서 사용된 질소나 아르곤 또는 첨가가스로 사용된 산소, 수소, 암모니아, 메탄 등이 함께 배출되고 있으며, 이들 배기가스는 인체에 유해하기 때문에 대기오염방지처리시설로 배기덕트 내지 배관 등을 통해 이송되고 있으나, 상기 과불화탄소(PFC: Per-Fluorocompounds). 가연가스, 퍼지가스, 첨가가스 등이 포함된 배기가스는 가연성 가스로써 화재발생의 우려가 있으므로 화재발생에 대비하는 배기덕트 내지 배관은 불연 내지 초난연성의 재질로 제작되어야 하며, 특히 FM규격(산업상호보험조직 ‘Mutual System’이 정한 평가기준에 의한 규격)을 만족시키는 내구성과 함께 화재에 강한 재질이 요구되고 있다.
상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 선행기술로 예를 들면, 국내등록특허공보 등록번호 10-1430078호에 할로겐화 수지, 폴리에스테르, 비닐 에스테르 및 에폭시 중의 어느 하나로 선택한 수지로 형성된 "내부식성 화염층(CRFB)"(1)과; "내부식성 화염층(CRFB)"(1)의 외측에 위치하는 페놀계 수지로 형성된 "구조적 부식 화염층(SCFB)"(3)과; 일측면이 "내부식성 화염층(CRFB)"(1)에 밀착되고, 타측면이 "구조적 부식 화염층(SCFB)"(3)에 으로 이루어진 복합 다층 구조체를 개시하고 있으며, 국내등록특허공보 등록번호 10-1575183호에는 비닐에스테르 수지로 내식층을 형성하고 프라이머를 도포하여 코팅한 다음 페놀수지가 도포되는 유리섬유를 연속적으로 감아 코팅된 프라이머 외면에 적층시켜 보강층을 형성하되, 내식층은 유리섬유 10중량%를 함유하는 표면층(Surface layer)과, 상기 표면층 외면에 구비되어 유리섬유 20~30중량%를 함유하는 중간층(Middle layer)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 페놀 덕트의 제작방법을 개시하고 있으며, 또 국내등록특허공보 등록번호10-1661701호에는 열경화성 수지 및 난연재를 정제수에 혼합하여 만든 불연성 수지 수용액을 보강 섬유 시트에 함침한 후 가열 및 건조하여 만들어진 프리프레그(prepreg) 상태의 보강 섬유 시트에 열 및 압력을 가하여 불연성 섬유강화플라스틱(FRP) 시트를 제조하는 기술을 개시하고 있다.
본 발명은 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용에 적합한 내구성과 불연성을 지니고 또 FM규격(산업상호보험조직 ‘Mutual System’이 정한 평가기준에 의한 규격)을 만족시키는 내구성과 함께 화재에 강한 불연성 섬유강화플라스틱(FRP) 복합시트를 제조함으로써 본 발명을 완성하였다
본 발명은 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastics ; FRP)의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 보다 구체적으로는 본 발명에 따른 불연성 불포화폴리에스테르수지를 매트릭스 수지로 하여 섬유소재에 함침(도포)시켜 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)를 제조하는 방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용으로 FM규격(산업상호보험조직 ‘Mutual System’이 정한 평가기준에 의한 규격)을 만족시키는 내구성과 함께 화재에 강한 불연성의 섬유강화플라스틱(FRP)를 제조하여 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관을 제공하는 것을 목적으로 것이다.
본 발명의 목적 달성을 위한 해결수단으로 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법은 a). 불포화폴리에스테르수지 100중량부에 대하여, 염소화염화비닐수지 10 ~ 30중량부, 무수말레인산 크라프트 폴리염화비닐 공중합물 커플링제 5 ~ 10중량부, 아라미드섬유 1 ~ 5중량부, 팽창흑연 12 ~ 20중량부, 억연제 10 ~30중량부, 복합난연제 10 ~20중량부, 경화제 1 ~ 1.5중량부 및 경화촉진제 0.5 ~ 1중량부로 조성되는 상기 불연성 매트릭스 수지(P)를 준비하는 제 1단계, b). 유리섬유인 스페이스 매트(Suface Mat), 촙드 스트랜드 매트(Chopped Strand Mat) 또는 글래스 로빙(Glass Roving)로부터 선택되는 유리섬유를 적층하고 상기 불연성 매트릭스 수지(P)를 함침시켜 불연보강층(A)을 형성하는 제 2단계를 포함하는 것으로 이루어지며, 필요에 따라 상기 불연성 매트릭스 수지(P)로 표면코팅층(B)이 형성하는 것으로 이루어진.
본 발명에 따른 상기 제 1단계는 본 발명의 불연성 매트릭스 수지(P)를 조성하는 단계이며, 상기 불연성 매트릭스 수지(P)로 조성되는 불포화 폴리에스테르수지는 에폭시 수지 말단에 불포화폴리에스테르기를 갖는 비스페놀형 비닐에스테르 수지와 염소화 폴리염화비닐(CPVC) 수지로 조성되며, 산, 알칼리에 대한 뛰어난 내식성을 지니고 있어 엘보우 덕트, 파이프 등으로 사용되고 있는 공지된 불포화폴리에스테르수지이며, 미원화학, 태원화학, 애경화학 등에서 널리 시판되고 있다.
또 상기 염소화폴리염화비닐(Chlorinated Polyvinylchloride CPVC)수지는 폴리염화비닐(PVC)수지의 최대 약점인 내열성, 내식성을 향상시킨 수지로써 화재에 노출시 불이 잘 붙지 않는 불연성이며, 잘 알려진 공지된 방법에 따라 폴리염화비닐(PVC)을 염소화시켜 제조하며, 불연특성을 위하여 염소함량 65 ~ 72 중량% 범위의 염소화 폴리염화비닐(CPVC)수지로 조성된다.
상기 염소화 폴리염화비닐(CPVC)수지의 배합량이 10중량부 이하인 경우에는 FM규격(산업상호보험조직 ‘Mutual System’이 정한 평가기준에 의한 규격)을 만족하는 불연성에 미치지 못하며, 30중량부을 벗어나는 경우에는 제품의 내충격성에 악영향을 나타낸다.
그리고 본 발명에 따른 매트릭스 수지(P)는 기계적 강도 향상, 불연성을 위하여 아라미드섬유, 팽창흑연, 억연제, 난연제 등이 추가로 조성되며, 이들 성분과 매트릭스 수지와의 결합 및 분산성 향상을 위하여 무수말레인산 크라프트 폴리염화비닐 공중합물 카플링제를 조합하여 사용하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 매트릭스 수지(P)에 조성되는 아라미드섬유는 내열성이 뛰어난 보강재 성분이며, 직경 5 ~ 15㎛, 길이 0.1 ~ 5mm의 아라미드섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 너무 작은 직경의 섬유는 고가로서 제조 원가면에서 불리하고 물성강화 효과도 미미하며, 너무 큰 직경의 섬유도 분산성이 떨어져 강도증진의 효과가 떨어진다.
상기 아라미드섬유는 염소화 폴리염화비닐(CPVC)수지와의 결합력강화를 위해 표면 처리된 아라미드섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 아라미드섬유의 표면처리에는 화학적 크라프트반응, 표면에칭 및 플라즈마, 근적외선처리 등의 다양한 방법이 있다
상기 팽창흑연은 화재 즉 고온에 노출될 때 부피가 팽창하여 팽창층을 형성함으로써 산소(O2) 유입을 차단시켜 자기소화(自己消火)시키는 성질에 의해 불연성 즉 고도의 난연성이 달성되며, 매연발생 등이 억제되는 효과를 나타낸다.
상기 팽창흑연은 불연성 즉 고도의 난연성을 확보하기 위하여 조성되는 성분으로 탄소함량 85 ~ 99%이고 팽창율 100 ~ 400㎖/g을 나타내며, 30 ~ 300메쉬의 입자크기를 갖는다. 팽창(발포)개시 온도는 필요에 의해 적의 조절될 수 있으며, 100 ~ 200℃에서 팽창되는 팽창흑연 중에서 선택하는 것이 바람직하며 배합비율은 불포화폴리에스테르수지 100중량부에 대하여 12 ~ 20중량부로 배합하며, 배합비율이 12중량부보다 낮으면 형성된 팽창층이 쉽게 붕괴되어 자기소화(自己消火) 기능이 약해지고, 20중량부 보다 높으며 팽창이 저해된다.
상기 불연성 매트릭스 수지(P)에 조성되는 무수말레인산 크라프트 폴리염화비닐 공중합물 카플링제는 아라미드섬유 및 불연성을 향상시키는 팽창흑연, 억연제, 난연제와 염소화 폴리염화비닐(CPVC)수지와의 강한 결합을 부여하는 카플링 기능과 함께 분산성을 향상시키는 기능을 동시에 갖는 성분이다.
상기 무수말레인산 크라프트 폴리염화비닐 공중합물(maleic anhydride grafted polyvinylchloride)은 폴리염화비닐과 무수말레인산을 용액크라프트 중합반응에 의해 제조되며, 본 발명에서는 무수말레인산 함량이 1 ~ 7%범위인 무수말레인산 크라프트 폴리염화비닐 공중합물을 사용한다.
또 억연제로는 징크보레이트(Zinc-Borate), 수산화알루미늄, 수산화마그네슘으로부터 선택되는 1이상의 성분을 불포화폴리에스테르수지 100중량부에 대하여 10 ~ 30중량부로 배합하는 것으로 이루어지며, 상기 억연제는 억연작용과 함께 난연작용을 나타내므로 본 발명에 따른 복합난연제와 병용함으로써 화재 노출시 난연 및 연기발생을 억제하는데 보다 효과적이다.
상기 복합 난연제는 인계 난연제로 암모늄폴리포스페이트(APP), 트리페닐포스페이트(TPP), 트리부틸포스페이트(TBP), 트리크레실포스페이트(TCP) 등이 있고, 브롬계난연제로는 테트라브로모프탈산, 테트라브로모비스페놀A, 데카브로모디페닐옥사이드, 옥타브로모디페닐옥사이드, 비스트리브로모페녹시에탄 등이 있으며, 이들로부터 선택된 1 이상의 성분을 불포화폴리에스테르수지 100중량부에 대하여 10 ~ 20중량부로 배합한다.
본 발명에 따른 상기 불포화폴리에스테르 수지인 에폭시 수기 말단에 불포화폴리에스테르기를 갖는 비스페놀형 비닐에스테르 수지는 3액형 수지로서 경화제와 경화촉진제의 조합한 상온 경화형이며, 경화제는 메틸에틸케톤퍼옥사이드(MEKPO)로 불포화폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 1 ~ 1.5중량부로 배합하며, 경화촉진제는 코발트계 금속비누가 선택되며, 불포화폴리에스테르 수지 100중량부에 대하여 0.5 ~ 1중량부로 비합하는 것으로 이루어지며, 필요에 따라 안료 1.5 ~ 10중량부가 추가로 조성되는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 조성성분에 따라 조성된 상기 불연성 메트릭스 수지(P)는 산, 알칼리에 대한 뛰어난 내식성을 지니며, 내열성, 내식성을 향상시킨 수지로써 화재에 노출시 불이 잘 붙지 않는 불연성이므로 반도체 제조공정에서 배출되는 과불화탄소, 가연가스, 퍼지가스, 첨가가스 등이 포함된 가연성 배기가스로 인하여 화재발명의 우려가 있는 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용으로 매우 적합하고 유용한 소재이며, 또한 FM규격(산업상호보험조직 ‘Mutual System’이 정한 평가기준에 의한 규격)을 만족하는 불연성을 나타내므로 상업적으로 매우 유리한 소재이다.
그리고 본 발명에 따른 상기 제2단계는 상기 불연성 매트리스 수지(P)를 유리섬유에 함침(도포)시켜 내식성과 함께 열/화염에 노출되는 경우 화염전파를 지연하면서 불연성을 나타내고 기계적 강도를 보강시킨 불연보강층(A)을 형성하는 단계이며, 유리섬유인 스페이스 매트(Susface Mat), 촙드 스트랜드 매트(Chopped Strand Mat) 또는 글래스 로빙(Glass Roving)으로부터 선택되는 유리섬유를 적층하고, 상기 불연성 매트릭스 수지(P)를 충분히 함침시켜 불연보강층(A)을 형성하는 것으로 이루어진다.
상기 2단계에서 선택하는 유리섬유인 스페이스 매트(Susface Mat)는 내산성 및 내약품성이 우수한 C-타입 글래스의 모노필라멘트로 제작되는 부직포 형상이며, 촙드 스트랜드 매트(Chopped Strand Mat)는 강도, 전기절연성 및 내열성이 우수한 E-타입 글래스를 방사시킨 단섬유를 연속적으로 집속시켜 시트형상으로 생산되며, 또 글래스 로빙(Glass Roving)은 필라멘트를 균일하게 롤상으로 권취한 것으로 유리 함량이 높아 기계적 강도 우수하다. 상기 유리섬유들은 널리 시판되고 있다.
상기 본 발명에 따라 제조된 불연성 섬유강화플라스틱((Fiber Reinforced Plastics; FRP)은 필요에 따라 불연보강층(A)에 표면코팅층(B)을 형성할 수 있으며, 표면코팅층(B)은 상기 불연성 매트리스 수지(P)를 일정 두께로 도포하여 코팅하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따라 불연성 섬유강화플라스틱((FRP)의 제조방법은 잘 알려진 핸드 레이-업 방법(Hand Lay-up Method)), 필라멘트 와인딩 방법(Filament Winding Method)으로 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관 등을 제작할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)은 내식성 및 기계적 강도가 우수하고 특히 불연성을 나타내는 특징이 있으므로 과불화탄소, 가연가스, 퍼지가스, 첨가가스 등이 포함된 가연성 배기가스로 인하여 화재발명의 우려가 있는 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용으로 매우 적합하고 유용한 소재이다.
또한 FM규격(산업상호보험조직 ‘Mutual System’이 정한 평가기준에 의한 규격)을 만족시키는 내구성과 함께 화재에 강한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱((Fiber Reinforced Plastics; FRP)의 제조공정 및 구조 를 대략적으로 나타낸 도면.
이하에서는 본 발명을 실시예, 시험예 및 첨부한 도면에 의해 더욱 구체적으로 설명하겠으며, 아래 기재에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 불연성 매트릭스 수지(P) 제조
시판 중인 내식성 불포화폴리에스테르수지인 에폭시 수지 말단에 불포화폴리에스테르기를 갖는 비스페놀형 비닐에스테르 수지를 주성분으로 하여 아래 [표 1]에 제시한 배합비에 따라 교반기가 장착된 배합기에서 배합하여 본 발명의 불연성 매트릭스 수지(P)를 조성하였다.
구분 실시예1(조성비; 중량부)
불포화폴리에스테르수지(시판제품) 100
CPVC수지 30
무수말레인산 크라프트 폴리염화 비닐 공중합물 10
아라미드섬유 3
팽창흑연 20

억연제		 Zinc-Borate 10
수산화알루미늄 5
수산화마그네슘 5
복합난연제 인계난연제 5
브롬계난연제 10
경화제(MEKPO) 1.2
경화촉진제(코발트계 금속비누) 0.7
<실시예 2> 불연성 섬유강화플라스틱(FRP) 제조
Hand Lay-up Method 및 Filament Winding Method를 병용하면서 상기 <실시예 1>에서 제조한 불연성 매트릭스 수지(P)를 사용하여 아래와 같이 불연성 섬유강화플라스틱(FRP) 복합소재(배관)를 제조하였다.
1). 준비단계
목적하는 복합소재(배관)에 적합한 몰드를 준비하고, 몰드표면에 탈형을 위하여 왁스 등 이형제를 도포한다.
2). 불연보강층(A)형성
이형제가 도포된 몰드 표면에 2매의 촙드 스트랜드 매트를 적층하고 불연성 매트리스 수지(P)가 충분히 함치되도록 도포하여 대략 1.6㎜의 두께의 불연보강층(A)을 형성하였다.
상기 불연보강층(A)과 동일한 방법으로 서페이스 매트 또는 글래스 로빙을 적층하고 불연성 매트리스 수지(P)를 충분히 함침되도록 도포하여 표면불연층(2)을 형성할 수도 있다.
4). 경화 및 탈형
상기 제작된 작층체를 상온에서 경화한 다음, 탈형 한 다음, 75℃로 유지되는 경화실에서 재차 경화시켜 본 발명에 따른 불연성 섬유강화플라스틱((FRP)으로 이루어진 배관을 제조하였다.
<시험예 1>
상기 실시예2에서 제조한 본 발명에 따른 불연성 섬유강화플라스틱((FRP)으로 이루어진 배관의 일부를 절단한 시편에 대한 물리적 특성 및 불연성(연소성 및 연기발생여부)을 평가하고, 그 결과를 아래 [표 2] 및 [표 3]에 나타내었다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 시험방법
굴곡강도(㎏f/㎟) 15.6 16.5 16.5 ASTM D 790
굴곡탄성성률(㎏f/㎟) 362 380 380
인장강도(㎏f/㎟) 14.2 16.0 16.1 ASTM D 638
인장탄성률(㎏f/㎟) 370 390 380
물성 실시예1 실시예2 실시예3 시험방법
FPI 지수(연소성) 4.5이하 4.2이하 3.0이하 FM기준:6이하
SDI 지수(연기발생유무) 0.3이하 0.3이하 0.2이하 FM기준:0.4이하
상기 [표 2] 및 [표 3]에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 불연성 섬유강화플라스틱((FRP)으로 이루어진 배관은 기계적 강도 물리적 특성이 등이 우수하고, FM규격(산업상호보험조직 ‘Mutual System’이 정한 평가기준에 의한 규격)을 만족하는 우수한 내구성을 가지면서 불연성도 우수한 것을 확인할 수 있으므로 반도체 제조공정에 배출되는 과불화탄소(PFC: ) 배기가스, SiF4, HF 등 유독성 배기가스의 배출용 덕트 및 배관으로 사용할 때 화재발생 시 연소를 지연시키고, 유독가스로부터 피해를 최소화 할 수 있는 것을 예상할 수 있다.

Claims (6)

  1. a). 에폭시 수지 말단에 불포화폴리에스테르기를 갖는 비스페놀형 비닐에스테르 수지 100중량부에 대하여, 염소화염화비닐수지 10 ~ 30중량부, 무수말레인산 크라프트 폴리염화비닐 공중합물 커플링제 5 ~ 10중량부, 아라미드섬유 1 ~ 5중량부, 팽창흑연 12 ~ 20중량부, 억연제 10 ~30중량부, 복합난연제 10 ~20중량부, 경화제 1 ~ 1.5중량부 및 경화촉진제 0.5 ~ 1중량부로 조성되는 불연성 매트릭스 수지(P)를 준비하는 제 1단계와
    b). 유리섬유인 스페이스 매트(Suface Mat), 촙드 스트랜드 매트(Chopped Strand Mat) 또는 글래스 로빙(Glass Roving)로부터 선택되는 유리섬유를 적층하고, 상기 불연성 매트릭스 수지(P)를 함침시켜 불연보강층(A)을 형성하는 제 2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항1에 있어서,
    억연제는 징크보레이트, 수산화알루미늄 및 수산화마그네슘로부터 1이상의 성분이 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    복합난연제는 인계 난연제 및 브롬계 난연제를 병용하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    불연보강층(A)에 불연성 매트릭스 수지(P)을 도포한 표면코팅층(B)을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공장의 배기가스 덕트 및 배관용 불연성 섬유강화플라스틱(FRP)의 제조방법.
  6. 삭제
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