KR102082887B1 - 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼 제조방법 - Google Patents

난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 발포 폴리스티렌 폼 제조방법은, 나노 세라믹 아크릴수지 10~30중량%, 붕산나트륨 5~10중량%, 붕산아연 5~10중량%, 규산나트륨 30~50중량%, 중공 실리카 5~15중량% 및 팽창흑연 10~30중량%를 혼합하여 난연 혼합물을 제조하는 제1단계와; 상기 난연 혼합물을 발포 폴리스티렌 비드 중량 대비 1:2 내지 1:3의 비율로 상기 발포 폴리스티렌 비드와 함께 혼합기에 넣어 혼합하여, 상기 발포 폴리스티렌 비드를 상기 난연 혼합물을 이용하여 코팅하는 제2단계와; 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 건조시키는 제3단계와; 제3단계를 거친 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 성형기에 넣고 스팀을 가하면서 성형하여 난연성 및 불연성을 가지는 발포 폴리스티렌 폼을 제조하는 제4단계를 구비한다.

Description

난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼 제조방법{Method for fabricating of noncombustible polystyrene foam}
본 발명은 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 화재에 매우 취약한 발포 폴리스티렌을 최대한 인체에 무해한 무기소재들로 만들어진 난연제를 비드에 코팅해서 최소 단계의 짧은 공정을 통하여 발포 폴리스티렌 폼의 고유의 장점인 보온성, 완충성, 가공성 등을 가지면서 경제적이고 안전한 샌드위치 패널, 건축용 단열재, 흡음재, 층간 소음재, 포장재 등으로 만들 수 있는 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼의 제조 방법에 관한 것이다.
현재의 사회에서 건축물, 조선, 에너지 수송관련 각종 분야에서 열에너지 절감 및 단열성이 우수하면서 경제적이며 난연성을 지닌 우수한 단열재의 요구가 높아지고 있다.
최근 건축물 관련 단열재 시장에서 많은 시장 점유율을 차지하고 있는 발포 폴리스티렌 폼은 단열성, 완충성, 가공성 및 가격이 저렴하여 샌드위치 패널, 내부 및 외부 단열재, 흡음재, 층간 소음재 등 산업 전반에 다양하게 사용되고 있다.
이러한 발포 폴리스티렌 폼은 유기재질을 가지다보니 열과 화재에 아주 취약할 뿐 아니라, 연소 시 사람에게 치명적인 일산화가스와 청산가스 같은 유독성 가스를 발생시키는 단점을 가지고 있으나, 저렴한 가격, 시공의 간편성, 동일한 시간대에서 유·무기 단열재를 통틀어 가장 많이 생산할 수 있는 경제성 때문에 70% 이상의 단열재 시장을 점유하고 있다.
이러한 발포 폴리스티렌 폼 단열재 사용으로 인하여 인명피해가 수반된 크고 작은 화재가 빈번하다 보니 소방법이나 건축법이 계속 강화되면서 건축물에 사용되는 단열재 제품에는 난연성이 우수한 준 불연 이상의 성능을 지닌 재질로만 납품, 시공이 가능하도록 하고 있다. 이에 따라, 발포 폴리스티렌 폼의 경우에도 관련 규정을 충족하는 성능을 지닌 제품개발 연구에 몰두하고 있다.
발포 폴리스티렌 폼의 제조관련 종래기술은 유성 혹은 수성 바인더에 여러가지 무기소재를 혼합하고 발포 폴리스티렌 비드 입자 하나하나에 코팅하여 난연성능을 향상시키는 방법이 있다.
이 종래기술은 발포 폴리스티렌 비드의 특성상 좋은 방법으로 인정받고 있으나, 코팅 과정에서 사용되는 유성 바인더의 희석재로 에틸 혹은 메틸알코올을 주로 사용하다 보니 화재의 위험성이 따르는 문제점이 있고, 또한 최종 성형기를 통한 완제품이 생산되더라도 주문 사이즈로 재단을 할 때 가는 열선으로 커팅하게 되는데, 유기재료의 특성상 커팅이 어려워 재단이 제대로 안 된다는 문제점이 있다.
이러한 문제점 개선을 위해 수성바인더를 사용한다고 하여도, 수성 바인더 같은 경우는 내수가 약하고 접착력이 유성 바인더보다 다소 떨어지다 보니 수성 바인더에 혼합되어 있는 팽창흑연 같은 비중이 무거운 무기질의 분말 소재들을 발포 폴리스티렌 비드에 강력하게 부착시키지 못하게 된다.
이에 따라, 코팅 후 건조 과정에서 약한 열풍에도 분말이 쉽게 탈락되면서 준 불연 성능의 난연성이 제대로 나오지 않는 단점이 있다. 그리고, 이런 단점을 보완하기 위해 같은 소재 혹은 다른 소재의 바인더로 한 번 더 코팅하는 방법도 있지만 이건 추가 공정으로 생산성이 떨어지고 바인더가 두 배로 코팅되어 경제성이 없으며 성형도 쉽지 않으며, 커팅의 장애로 재단 역시 제대로 할 수가 없다는 문제점이 있다.
이에 따라 가격이 저렴하고 시공이 간편한 장점을 가지면서도, 난연성 및 불연성을 가지고, 단열성이 높고 안전한 단열재에 대한 요구가 높아지고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1313409호(2013.09.24)
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 단열성이 우수하면서 경제적이며 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가볍고 최소 단계의 공정을 통해 빠르고 쉬우면서도 연소 시 유해 성분 용출도 없고, 일정한 단열성을 가질 수 있으며, 화염에 강한 외벽체용의 샌드위치 패널 및 각종 건축물의 내·외장재, 완충재, 포장재 등 다양하게 활용할 수 있는 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법은, 나노 세라믹 아크릴수지 10~30중량%, 붕산나트륨 5~10중량%, 붕산아연 5~10중량%, 규산나트륨 30~50중량%, 중공 실리카 5~15중량% 및 팽창흑연 10~30중량%를 혼합하여 난연 혼합물을 제조하는 제1단계와; 상기 난연 혼합물을 발포 폴리스티렌 비드 중량 대비 1:2 내지 1:3의 비율로 상기 발포 폴리스티렌 비드와 함께 혼합기에 넣어 혼합하여, 상기 발포 폴리스티렌 비드를 상기 난연 혼합물을 이용하여 코팅하는 제2단계와; 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 건조시키는 제3단계와; 제3단계를 거친 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 성형기에 넣고 스팀을 가하면서 성형하여 난연성 및 불연성을 가지는 발포 폴리스티렌 폼을 제조하는 제4단계를 구비한다.
상기 제1단계의 발포 폴리스티렌 비드는 원료대비 90~100배로 발포된 폴리스티렌 비드일 수 있다.
상기 제3단계에서, 코팅된 발포 폴리스티렌 비드의 건조는 유동층 건조기를 이용하여 50~70℃의 온도로 4분~10분 동안 수행될 수 있다.
상기 제4단계에서, 상기 스팀은, 90~110℃의 온도를 가지며 2.0~3.0kg/cm2의 압력으로 13초~20초 동안 분사될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상술한 공정에 의해 제조된 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼은, 높은 단열성 및 강한 난연성이 요구되는 건축물의 내·외장재, 완충제, 흡음재, 포장재 등 시장의 다양한 요구를 충족시킬 수 있다. 또한 환경호르몬으로 문제가 되는 할로겐계나 브롬계, 유성바인더 같은 화학소재를 사용하지 않고, 무기물질을 이용하여 만든 혼합물을 이용하여 비드코팅방식으로 제조함에 의해, 화재 시 화염 전파의 억제는 물론 유해가스 배출을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 그리고 6대 중금속이 전혀 검출되지 않는 친환경적으로 제조가 가능하고, 폐기 시 산업폐기물이 아닌 생활쓰레기로 배출이 가능한 장점이 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼의 유해물질 검출시험 결과표이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼의 시험성적서이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 발포 폴리스티렌 폼을 제조하기 위해 우선적으로, 발포 폴리스티렌 비드와 난연 혼합물을 준비한다.
상기 발포 폴리스티렌 비드는 일명 백색 1종부터 흑색 2종까지 적용가능하며, 난연성을 높이기 위해 원료대비 90~100배 정도로 발포된 비드를 사용한다. 발포배수가 낮으면 스티로폼 비드의 밀도가 높아져 단열성이 좋아지나, 화재발생시 타는 양이 증가되어 화염이 커지고 연기가 많이 발생되는 문제점이 있으며, 외부단열재로 사용 시 장시간 햇빛노출에 의한 손상이 발생될 수 있다. 따라서, 단열성과 난연성을 함께 만족할 수준으로 원료대비 90~100배 정도로 발포된 비드를 사용한다.
상기 난연 혼합물은 나노 세라믹 아크릴수지 10~30중량%, 붕산나트륨 5~10중량%, 붕산아연 5~10중량%, 규산나트륨 30~50중량%, 중공 실리카 5~15중량% 및 팽창흑연 10~30중량%를 혼합하여 제조한다.
상기 나노 세라믹 아크릴수지는 다른 유기수지보다 내수성과 접착력이 우수하며, 특히 아크릴수지에 함유된 1 나노 이상의 미세한 세라믹 분말은 발포 폴리스티렌 비드에 코팅되는 입자가 큰 다른 종류의 무기 분말의 고른 접착력을 도우며 유기 수지의 연소를 다소 억제 시키는 역할을 해 준다.
상기 붕산나트륨은 인화점이 높으면서 내수 친화력이 좋고 강알칼리성으로 난연성이 아주 좋은 반면에 산성의 소재와도 친화력을 높여주어 안정적인 혼합물을 만들어주는 역할로 사용되고 있다.
상기 붕산아연은 연소 시 연기의 발생을 최대한 억제해주면서 유해가스의 양도 최소량으로 줄여주는 역할을 해준다. 상기 붕산아연은 너무 적게 첨가되면 억연성능이 없고, 10 중량%를 초과하게 되면 접착성과 내수성을 약화시키기에 일정량만 사용하여야 한다.
상기 규산나트륨은 자체가 무기질 바인더로써 상기 나노 세라믹 아크릴수지의 경우에 부족할 수 있는 접착력을 도와주는 역할을 하고, 상기 나노 세라믹 아크릴수지가 유기질 접착제로서 연소가 쉽게 되는 단점을 보완하여 높은 난연성능을 유지하도록 해준다.
본 발명과 관련하여 중요한 특징은, 상기 규산나트륨과 상기 나노세라믹 아크릴 수지의 배합비율을 적절하게 유지하는 것이다. 상기 규산나트륨이 내수성에 약한 단점이 있기 때문에 상기 나노 세라믹 아크릴수지와 가장 적절한 배합비율을 맞추어야 하는데 상기 나노 세라믹 아크릴수지의 비율이 높으면 화재에 쉽게 노출될 수 있고 상기 규산나트륨이 많아지면 특히 외부 단열재로 사용되는 경우에 비에 노출되었을 때 제품 자체가 허물어지는 등 손상될 수 있기에, 적당 비율로 유지하는 것이 중요하다.
상기 중공 실리카는 단열성을 높이기 위한 것으로, 상기 중공실리카의 확대 구조를 보게 되면 탁구공 같은 형태를 가지고 있는데 입자 하나하나마다 공기층을 가지고 있어 난연재로 인해 단열성이 저하되는 단점을 보완시킬 수 있다. 또한, 아주 가볍고 부피가 크기 때문에 비드 코팅 시 난연재 점도가 원하는 이상적인 상태가 될 때 까지만 첨가하여야 한다.
팽창흑연은 주로 80메쉬의 크기로 발포배율 200~350배수인 것이 사용된다. 상기 팽창흑연은 본 발명에 따른 발포 폴리스티렌 폼에 화염이 닿았을 때 200도의 온도에서 먼저 반응을 시작하여 자기입자 사이즈의 200~350배까지 화염을 차단해주는 난연성 또는 불연성을 얻기 위함이다. 상기 팽창흑연은 난연 효과가 좋은 장점이 있지만, 선택된 소재 중에서 입자가 가장 크기 때문에 정해진 양이 초과되는 경우에, 후술하는 코팅 후 건조과정에서 이탈이 많아지는 문제점이 있고, 성형 후 완제품이 되더라도, 난연성능이 저하된 불량제품이 될 수 있어, 더 많은 경제적 손실이 초래될 수 있으므로, 정해진 양을 사용해야 한다.
상기 난연 혼합물은 상기 발포 폴리스티렌 비드 중량 대비 1:2 내지 1:3의 비율로 상기 발포 폴리스티렌 비드와 함께 혼합기에 넣어 혼합하게 된다.
상기 혼합기에서 4분~10분 동안 충분히 혼합하게 되면, 상기 발포 폴리스티렌 비드에 상기 난연 혼합물이 점착되어 난연 코팅되게 된다.
이후 난연 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 유동층 건조기에서 50~70℃의 온도로 4~10분 정도 건조를 수행한다. 여기서 건조는 발포 폴리스티렌 비드 대비 상기 난연 혼합물의 투입 배율에 따라 건조온도와 건조시간이 조절될 수 있다. 투입배율이 높을수록 건조온도가 높고 건조시간이 길어지게 된다.
건조단계를 거친 난연 코팅된 발포 폴리스티렌 비드는 건조 당시 가해진 열을 식혀주는 숙성단계를 거칠 수 있다. 즉 일정한 숙성시간을 가지고 난 후 성형기로 투입할 수가 있는데 이 단계는 가장 중요한 공정인 성형공정에서의 높은 완성도를 위해서 필요할 수 있다.
건조단계를 거친 난연 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 성형기에 넣고 90~110℃의 온도를 가지는 스팀을 2.0~3.0kg/cm2의 압력으로 13초 ~ 20초 동안 분사하여 열처리를 수행하면서 성형을 수행하여 난연성 및 불연성을 가지는 발포 폴리스티렌 폼을 제조하게 된다.
여기서 스팀온도와 압력, 분사시간은 발포 폴리스티렌 비드의 종류와 상기 난연 혼합물의 투입비율에 따라 달라져야 하며, 온도와 압력, 분사시간이 맞지 않으면 비드끼리 접착력이 떨어지거나, 전체 외형의 수축 등 불량률이 높아져 경제적 손실이 크게 된다.
본 발명의 제조 구현예로, 나노 세라믹아크릴수지 25%, 붕산나트륨 6%, 붕산아연 6%, 규산나트륨 35%, 중공실리카 8%, 팽창흑연 20% 를 이용하여 상기 난연 혼합물을 제조하고, 제조된 난연 혼합물을 발포 폴리스티렌 비드 중량 대비 1:2.2의 비율로 상기 발포 폴리스티렌 비드와 혼합하여, 순차적으로 코팅, 건조, 성형단계를 거쳐 제조된 발포 폴리스티렌 폼의 시험결과가 도 1 내지 도 6에 도시된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼의 유해물질 검출시험 결과표이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼의 시험성적서이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼은 한국화학융합시험연구원의 시험결과 중금속이나 기타 유해물질이 검출되지 않았음을 알 수 있어, 친환경적으로 제조되었음을 알 수 있다.
또한, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼은, 국토해양부고시 제2015-744호에 의한 성능시험인, 한국건설기술연구원의 난연 성능 및 화재확산 방지 관련 성능시험결과, 화염전파 억제효과를 가지고, 난연 및 불연 재료로 적합 판정을 받았음을 알 수 있다.
상술한 공정에 의해 제조된 난연성 및 불연성을 가지는 발포 폴리스티렌 폼은, 높은 단열성 및 강한 난연성이 요구되는 건축물의 내·외장재, 완충제, 흡음재, 포장재 등 시장의 다양한 요구를 충족시킬 수 있다. 또한, 환경호르몬으로 문제가 되는 할로겐계나 브롬계, 유성바인더 같은 화학소재를 사용하지 않고, 무기물질을 이용하여 만든 혼합물을 이용하여 비드 코팅방식으로 제조함에 의해, 화재 시 화염전파의 억제는 물론 유해가스 배출을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 그리고 6대 중금속을 포함하여 유해물질이 전혀 검출되지 않아 친환경적으로 제조가 가능하고, 폐기 시 산업폐기물이 아닌 생활쓰레기로 배출이 가능한 장점이 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안 될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

Claims (4)

  1. 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법에 있어서:
    나노 세라믹 아크릴수지 10~30중량%, 붕산나트륨 5~10중량%, 붕산아연 5~10중량%, 규산나트륨 30~50중량%, 중공 실리카 5~15중량% 및 팽창흑연 10~30중량%를 혼합하여 난연 혼합물을 제조하는 제1단계와;
    상기 난연 혼합물을 발포 폴리스티렌 비드 중량 대비 1:2 내지 1:3의 비율로 상기 발포 폴리스티렌 비드와 함께 혼합기에 넣어 혼합하여, 상기 발포 폴리스티렌 비드를 상기 난연 혼합물을 이용하여 코팅하는 제2단계와;
    코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 건조시키는 제3단계와;
    제3단계를 거친 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 성형기에 넣고 스팀을 가하면서 성형하여 난연성 및 불연성을 가지는 발포 폴리스티렌 폼을 제조하는 제4단계를 구비하고,
    상기 제1단계의 발포 폴리스티렌 비드는 원료대비 90~100배로 발포된 폴리스티렌 비드이고,
    상기 제3단계에서, 코팅된 발포 폴리스티렌 비드의 건조는 유동층 건조기를 이용하여 50~70℃의 온도로 4분~10분 동안 수행되며,
    상기 제4단계에서, 상기 스팀은, 90~110℃의 온도를 가지며 2.0~3.0kg/cm2의 압력으로 13초~20초 동안 분사되고,
    상기 팽창흑연은 발포배율 200~350배수인 것이 사용됨을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법.
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