KR102344342B1 - 친환경 난연성 조성물 및 이를 이용한 친환경 난연성 발포 폴리스티렌 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경 난연성 조성물 및 이를 이용한 친환경 난연성 발포 폴리스티렌 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 난연성 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법은, 무기 바인더 규산나트륨 수용액 10~60중량%, 유기 바인더 아크릴 수용액 10~60%중량, 팽창흑연 10~25중량%, 카오린 1~10중량%, 티타늄-알루미나이드 1~10중량%, 및 수산화마그네슘 1~10중량% 을 혼합하여 난연성 코팅액을 제조하고, 발포 폴리스티렌 비드를 준비하는 제1단계와; 상기 발포 폴리스티렌 비드 중량대비 1:1 내지 1:6의 중량비율로, 상기 난연성 코팅액을 상기 발포 폴리스티렌 비드와 함께 혼합하여, 상기 발포 폴리스티렌 비드에 상기 난연성 코팅액을 코팅하는 제2단계와; 상기 난연성 코팅액이 코팅 된 발포 폴리스티렌 비드를 건조시키는 제3단계와; 제3단계를 거친 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 성형하여 난연성을 가지는 발포 폴리스티렌 폼을 제조하는 제4단계를 구비한다.

Description

친환경 난연성 조성물 및 이를 이용한 친환경 난연성 발포 폴리스티렌 제조방법{A flame-retardant composition and fabricating method of flame-retardant polystyrene foam using the same}

발명은 친환경 난연성 조성물 및 이를 이용한 친환경 난연성 발포 폴리스티렌 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기 난연 바인더, 무기 바인더, 무기 난연제를 혼합한 난연성 조성물과, 이를 이용하여 폴리스티렌 비드 원료를 발포하여 발포 폴리스티렌 비드 각각에 코팅하고 성형하여 블록으로 제조되는 난연성 발포 폴리스티렌 폼 제조방법에 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.

이에 따라 가격이 저렴하고 시공이 간편한 장점을 가지면서도, 난연성 및 불연성을 가지고, 단열성이 높고 안전한 단열재에 대한 요구가 높아지고 있다.

대한민국 등록특허 제10-2082887(2020.02.24.)

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 친환경 난연성 조성물 및 이를 이용한 친환경 난연성 발포 폴리스티렌 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 단열성이 우수하면서 경제적이며 난연성 및 불연성을 가지는 친환경 난연성 조성물 및 이를 이용한 친환경 난연성 발포 폴리스티렌 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 내ㅇ외장재, 완충재, 포장재 등 다양하게 활용할 수 있는 친환경 난연성 조성물 및 이를 이용한 친환경 난연성 발포 폴리스티렌 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 난연성 코팅액 조성물은, 무기 바인더 규산나트륨 수용액 10~60중량%, 유기 바인더 아크릴 수용액 10~60%중량, 팽창흑연 10~25중량%, 카오린 1~10중량%, 티타늄-알루미나이드 1~10중량%, 수산화마그네슘 1~10중량% 을 포함한다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 난연성 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법은, 무기 바인더 규산나트륨 수용액 10~60중량%, 유기 바인더 아크릴 수용액 10~60%중량, 팽창흑연 10~25중량%, 카오린 1~10중량%, 티타늄-알루미나이드 1~10중량%, 및 수산화마그네슘 1~10중량% 을 혼합하여 난연성 코팅액을 제조하고, 발포 폴리스티렌 비드를 준비하는 제1단계와; 상기 발포 폴리스티렌 비드 중량대비 1:1 내지 1:6의 중량비율로, 상기 난연성 코팅액을 상기 발포 폴리스티렌 비드와 함께 혼합하여, 상기 발포 폴리스티렌 비드에 상기 난연성 코팅액을 코팅하는 제2단계와; 상기 난연성 코팅액이 코팅 된 발포 폴리스티렌 비드를 건조시키는 제3단계와; 제3단계를 거친 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 성형하여 난연성을 가지는 발포 폴리스티렌 폼을 제조하는 제4단계를 구비한다.

상기 제1단계의 발포 폴리스티렌 비드는 원료대비 30~120배로 발포된 폴리스티렌 비드일 수 있다.

상기 제3단계와 상기 제4단계 사이에, 상기 제3단계의 건조를 거친 코팅 된 발포 폴리스티렌 비드에 대하여 건조 당시 가해진 열을 식혀주는 숙성단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 저렴하면서도 제조하기 쉽고 가벼워 시공이 편리하고, 단열성능이 좋으면서 건축법이 규정하는 국토부고시 건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산방지구조기준에 의거한 준불연 성능을 만족할 수 있는 우수한 난연성을 가지므로, 건축용 내,외장재로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 난연성 조성물이 코팅 된 발포 폴리스티렌 비드를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명에 의해 블록으로 성형한 제품을 건축용 단열재 사이즈로 재단한 사진을 나타낸 것이고,
도 3 내지 도 8은 본 발명에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼의 준불연 성능적합판정 시험성적서이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 난연성 발포 폴리스티렌 폼을 제조하기 위해 우선적으로, 발포 폴리스티렌 비드와 난연성 코팅액을 준비한다.

상기 발포 폴리스티렌 비드는 일명 백색 1종부터 흑색 2종까지 적용가능하며, 난연성을 높이기 위해 원료대비 30~120배 정도로 발포된 비드를 사용한다. 발포배수가 낮으면 스티로폼 비드의 밀도가 높아져 단열성이 좋아지나, 화재발생시 타는 양이 증가되어 화염이 커지고 연기가 많이 발생되는 문제점이 있으며, 외부단열재로 사용시 장시간 햇빛노출에 의한 손상이 발생될 수 있다. 따라서, 단열성과 난연성을 함께 만족할 수준으로 원료대비 30~120배 정도로 발포된 비드를 사용한다.

상기 난연성 코팅액은 무기 바인더 규산나트륨 수용액 10~60중량%, 유기 바인더 아크릴 수용액 10~60%중량, 팽창흑연 10~25중량%, 카오린 1~10중량%, 티타늄-알루미나이드 1~10중량%, 수산화마그네슘 1~10중량%을 혼합하여 조성물로 제조한다.

상기 규산나트륨 수용액은 무기 바인더로 유기 바인더인 가연성 아크릴 수용액의 단점을 보완하여 난연 성능을 유지하는 역할을 한다.

상기 아크릴 수용액은 유기 바인더로 접착력이 우수하고, 내수성이 강하여 무기 바인더인 규산나트륨 수용액의 단점을 보완하여 우수한 접착력과 내수성을 유지하는 역할을 한다.

상기 팽창흑연(Exandable Graphite)은 열을 가할 경우 입자가 수백배 팽창하게 되는 현상을 이용하여 난연 플라스틱, 난연 EPS, 난연 우레탄폼 등 다양한 분야에서 활용되는 물질로, 팽창계수가 200배~400배 되는 팽창흑연을 사용할 수 있다.

상기 카오린은 내화성능 향상을 목적으로 첨가하며 열분해 된 팽창흑연의 결합력을 증진시켜 열의 투과를 막아주어 온도 상승을 막아주고 흡열분해에 의해 내염제로 작용하여 난연 성능을 높여 준다.

상기 티타늄-알루미나이드는 높은 내산화성과 크리프 특성, 특히 고온 내열재료 중 상당히 우수한 비강도, 고온강도를 지니고 있고, 높은 온도에 견디며 피로응력 저항성도 우수하여, 열분해 된 팽창흑연의 탄화층의 강도를 유지시켜 열의 흐름을 막아주는 역할을 하여, 난연 성능을 높여 준다.

상기 수산화마그네슘은 인체에 무해하고, 각종 플라스틱(Plastic)의 분해온도와도 잘 일치하며, 본질적으로 우수한 난연성을 지닌 물질로 유독가스가 발생하지 않으며, 연기발생을 억제하는 효과를 지녀 난연 성능을 높여 준다.

본 발명의 난연성 코팅액 조성물의 각 구성물들이 서로의 단점을 보완하도록 구성되어 최적의 난연 및 불연효과를 얻도록 구성되게 된다. 상술한 바와 같이, 무기 바인더인 규산나트륨 수용액과 유기바인더인 아크릴 수용액은 서로의 단점을 보완하면서 난연성능을 유지하고, 난연성 향상을 위해 사용되는 팽창흑연의 결합력 증진과 난연성을 높이기 위해 카오린이 사용되고, 팽창흑연의 탄화층의 강도를 유지시켜 열의 흐름을 막아주는 역할을 하여, 난연 성능을 높여주는 용도로 티타늄-알루미나이드가 사용되고 연기발생억제를 위해 수산화마그네슘이 사용되는 등, 복수의 구성물들이 서로의 단점은 보완하고 장점은 배가되도록 하여 난연성 코팅액을 이루도록 구성되게 된다.

상술한 조성비를 가지는 난연성 코팅액은 발포 폴리스티렌 비드 원료 입자 하나하나에 우수한 결합을 형성하게 하여 발포체 성형시에 입자 간의 융착 및 강도 저하를 방지할 수 있게 하며, 난연성을 배가시키게 된다.

상기 난연성 코팅액은, 상기 발포 폴리스티렌 비드 중량대비 1:1 내지 1:6의 중량비율로, 교반기에 넣어 혼합하게 된다. 상기 교반기에서 2분~10분 동안 혼합하게 되면, 상기 발포 폴리스티렌 비드에 상기 난연성 코팅액이 코팅되게 된다.

이후 상기 난연성 코팅액이 코팅 된 발포 폴리스티렌 비드를 유동층 건조기에서 50~60℃의 온도로 4분 ~ 10분 동안 건조시킨다. 여기서 건조는 발포 폴리스티렌 비드 대비 상기 난연 혼합물의 투입 배율에 따라 건조온도와 건조시간이 조절될 수 있다. 투입배율이 높을수록 건조온도가 높고 건조시간이 길어지게 된다.

건조를 거친 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.

건조단계 또는 숙성단계를 거친 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 성형기에 넣고 100℃ 이상의 온도를 가지는 스팀을 2.0~4.0kg/cm²의 압력으로 10초 ~ 20초 동안 분사하여 본 발명의 난연성 발포 폴리스티렌 폼을 제조하게 된다. 이후 건축용 단열재 사이즈로 재단하게 되면 도 2와 같은 난연성 단열재가 완성되게 된다. 도 2는 본 발명에 의해 블록으로 성형된 발포 폴리스티렌 폼을 건축용 단열재 사이즈로 재단한 사진을 나타낸 것이다.

성형단계에서 스팀압력, 분사시간은 발포 폴리스티렌 비드의 종류와 상기 난연 코팅액의 투입비율에 따라 달라져야 하며, 스팀 압력 및 분사시간이 맞지 않으면 비드의 접착력이 떨어지거나, 전체 외형의 수축 등 불량률이 높아질 수 있다.

본 발명의 제조 구현예로, 무기 바인더 규산나트륨 수용액 40중량%, 유기 바인더 아크릴 수용액 30%중량, 팽창흑연 20중량%, 카오린 5중량%, 티타늄-알루미나이드 2중량%, 수산화마그네슘 3중량%을 혼합하여 난연성 코팅액을 제조하고, 제조된 난연성 코팅액을 발포 폴리스티렌 비드 중량 대비 1:2의 비율로 상기 발포 폴리스티렌 비드와 교반하여, 순차적으로 코팅, 건조, 성형단계를 거쳐 제조된 발포 폴리스티렌 폼의 시험결과가 도 3 내지 도 8에 도시된다.

도 3 내지 도 8은 본 발명의 제조 구현예에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼의 준불연 성능 적합판정 시험성적서이다.

도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 발포 폴리스티렌 폼은, 국토교통부고시 제2020-263호에 의한 성능시험인, 한국건설기술연구원의 건축물 마감재료의 난연 성능 및 화재확산 방지구조관련 성능시험결과, 화염전파 억제효과를 가지고, 가스유해성 등에서 준불연 재료로 적합 판정을 받았음을 알 수 있다.

상술한 공정에 의해 제조된 난연성 조성물 및 난연성 발포 폴리스티렌 폼은, 저렴하면서도 제조하기 쉽고 가벼워 시공이 편리하고, 단열성능이 좋으면서 건축법이 규정하는 국토교통부고시 건축물 마감재료의 난연성능 및 화재확산방지구조기준에 의거한 준불연 성능을 만족할 수 있는 우수한 난연성을 가지게 되며, 높은 단열성 및 강한 난연성이 요구되는 건축물의 내/외장재, 완충제, 흡음재, 포장재 등 시장의 다양한 요구를 충족시킬 수 있다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 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. 난연성 코팅액 조성물에 있어서:
   무기 바인더 규산나트륨 수용액 10~60중량%, 유기 바인더 아크릴 수용액 10~60%중량, 팽창흑연 10~25중량%, 카오린 1~10중량%, 티타늄-알루미나이드 1~10중량%, 수산화마그네슘 1~10중량% 을 포함하고,
   상기 카오린은 상기 팽창흑연의 결합력 증진과 난연성을 높이기 위해 사용되고, 상기 티타늄-알루미나이드는 상기 팽창흑연의 탄화층의 강도를 유지시켜 열의 흐름을 막아주는 역할을 수행함을 특징으로 하는 난연성 코팅액 조성물.
2. 난연성 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법에 있어서:
   무기 바인더 규산나트륨 수용액 10~60중량%, 유기 바인더 아크릴 수용액 10~60%중량, 팽창흑연 10~25중량%, 카오린 1~10중량%, 티타늄-알루미나이드 1~10중량%, 및 수산화마그네슘 1~10중량% 을 혼합하여 난연성 코팅액을 제조하고, 발포 폴리스티렌 비드를 준비하는 제1단계와;
   상기 발포 폴리스티렌 비드 중량대비 1:1 내지 1:6의 중량비율로, 상기 난연성 코팅액을 상기 발포 폴리스티렌 비드와 함께 혼합하여, 상기 발포 폴리스티렌 비드에 상기 난연성 코팅액을 코팅하는 제2단계와;
   상기 난연성 코팅액이 코팅 된 발포 폴리스티렌 비드를 건조시키는 제3단계와;
   제3단계를 거친 코팅된 발포 폴리스티렌 비드를 성형하여 난연성을 가지는 발포 폴리스티렌 폼을 제조하는 제4단계를 구비하고,
   상기 제1단계의 상기 카오린은 상기 팽창흑연의 결합력 증진과 난연성을 높이기 위해 사용되고, 상기 티타늄-알루미나이드는 상기 팽창흑연의 탄화층의 강도를 유지시켜 열의 흐름을 막아주는 역할을 수행함을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1단계의 발포 폴리스티렌 비드는 원료대비 30~120배로 발포된 폴리스티렌 비드임을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 제3단계와 상기 제4단계 사이에, 상기 제3단계의 건조를 거친 코팅 된 발포 폴리스티렌 비드에 대하여 건조 당시 가해진 열을 식혀주는 숙성단계를 더 포함함을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌 폼의 제조방법.

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