KR102484574B1 - 스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스티로폼을 분쇄하는 단계와, 상기 분쇄된 스티로폼에 규산나트륨을 포함하는 불연 조성물을 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물을 건조하는 단계와, 상기 건조된 건조물에 접착제를 첨가하는 단계와, 상기 접착제가 첨가된 건조물을 압착성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법에 의하면, 버려지는 폐자원인 폐스티로폼을 재활용하여 화재에 안전하며, 내수성 및 강도가 우수한 불연성 보드를 제조할 수 있어, 종래 석고보드를 대체할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 폐스티로폼으로 인한 환경오염을 방지하며, 제조단가가 낮아 경제적이라는 장점도 있다.

Description

스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법{Incombustible board using styrofoam and manufacturing mehtod thereof}
본 발명은 스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버려지는 폐스티로폼에 불연성 조성물을 혼합하고, 이를 압착성형하여 불연성 보드를 제조함으로써, 석고보드의 대체용으로 사용 가능토록 하는 스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고분자 폴리스티렌(polystyrene)에 부탄과 질소 가스를 기계적으로 주입하여 용융시킨 상태에서 발포한 스티로폼(styrofoam)은 비중이 작아 극히 가벼우며, 복원성, 완충성, 단열성, 가공성, 경제성 등이 매우 양호하여 전기 제품의 완충 포장재와 건축 단열재 및 1회용 음식 용기 등으로 사용되는 등, 그 용도와 사용 범위가 매우 다양한 합성수지 제품이다.
이와 같이, 스티로폼은 여러 가지 양호한 물성으로 인해 일상생활에 꼭 필요한 필수품으로 활용되고 있기는 하지만, 스티로폼으로 제조되는 제품의 대부분이 일회용인 경우가 많아 일 회 사용 후에는 쓰레기 매립지에 매립되거나 소각처리되는 것이 일반적이었다.
그런데 폐기 처분되는 폐스티로폼 제품은 그 수량과 부피가 방대하므로 수집 및 운반에 엄청난 인력과 경비가 소요되고 있으며, 매립된 폐스티로폼 제품은 잘 썩지 않기 때문에 심각한 공해를 야기하고 있으며, 소각처리시에는 지구온난화의 주범이 되고 있다.
이러한 문제를 해소하기 위하여, 대한민국 등록특허 제10-0710044호에서는 폐스티로폼에 석분 및 불연성 접착제를 혼합하고, 이를 가압 성형함으로써, 단열재를 제조하는 방법을 제안하였다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1943853호에서는 폐스티로폼에 나노아연견운모황토용액을 침적시키고, 이에 황산칼슘 등을 혼합한 후 성형하여 불연성 단열보드를 제조하는 방법을 제안하였다.
그러나 이러한 선행문헌들 충분한 불연성이 확보되지 못하거나, 제조비용이 높아 상용화가 어렵다는 단점이 있었다.
한편, 종래 건축 내장재로 사용되는 불연성 보드로는 석고보드가 많이 사용되고 있다. 이는 상기 석고보드가 가격이 저렴하고 불연성 제품이기 때문이다. 그러나 석고보드는 발암물질인 석면이 소량 함유되며, 습기에 취약하여 장기 사용시 풍화로 인한 미세 분진이 발생하여 인체에 유해하다는 문제가 있어 원칙적으로는 그 사용이 제한되고 있으나, 이의 대체품이 없는 관계로 사용을 억제하지 못하는 실정이다.
따라서, 실내 벽체, 천장재 등의 마감재로 사용이 가능하며, 불연성을 구현할 수 있고, 인체에 무해한 불연성 보드가 요구되고 있다.
KR 10-0710044 B1 KR 10-1943853 B1
따라서, 본 발명의 목적은 인체에 무해하고, 불연성을 가지며, 내수성이 우수하여 종래의 석고보드를 대체할 수 있는 스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 폐스티로폼을 대량 재활용할 수 있는 스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스티로폼을 이용한 불연성 보드의 제조방법은, 스티로폼을 분쇄하는 단계와, 상기 분쇄된 스티로폼에 규산나트륨을 포함하는 불연 조성물을 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물을 건조하는 단계와, 상기 건조된 건조물에 접착제를 첨가하는 단계와, 상기 접착제가 첨가된 건조물을 압착성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스티로폼을 분쇄하는 단계는, 폐스티로폼을 1~3mm의 입도로 분쇄하는 것임을 특징으로 한다.
상기 불연 조성물은, 석분 20~50중량%, 아크릴계 에멀젼 프라이머 4~10중량%, 침투증진제 1~3중량% 및 잔부의 규산나트륨으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 침투증진제는 소듐라우레스설페이트(Sodium Laureth sulfate)인 것을 특징으로 한다.
상기 분쇄된 스티로폼에 규산나트륨을 포함하는 불연 조성물을 혼합하는 단계는, 상기 분쇄된 스티로폼 3~6중량%에 상기 불연 조성물 94~97중량%를 혼합하는 것임을 특징으로 한다.
상기 혼합된 혼합물을 건조하는 단계는, 35~45℃의 온도에서 건조하는 것임을 특징으로 한다.
상기 접착제는 비닐계 접착제와 이소프로필알콜이 혼합된 것이고, 상기 건조된 건조물 92~96중량%에 접착제 4~8중량%를 첨가하는 것임을 특징으로 한다.
상기 압착성형하는 단계는, 50~100ton/㎡의 압력으로 압착성형하는 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 불연성 보드는 상기한 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 스티로폼을 이용한 불연성 보드 및 그 제조방법에 의하면, 버려지는 폐자원인 폐스티로폼을 재활용하여 화재에 안전하며, 내수성 및 강도가 우수한 불연성 보드를 제조할 수 있어, 종래 석고보드를 대체할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 폐스티로폼으로 인한 환경오염을 방지하며, 제조단가가 낮아 경제적이라는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 불연성 보드의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 의한 불연성 보드의 사진.
도 3은 본 발명에 의한 불연성 보드의 불연성 테스트 후의 사진.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 가장 큰 특징은 종래 석고보드를 대체할 수 있는 경제성이 우수한 불연성 보드를 제조하는 데 있다.
이러한 본 발명에 의한 스티로폼을 이용한 불연성 보드의 제조방법은, 스티로폼을 분쇄하는 단계와, 상기 분쇄된 스티로폼에 규산나트륨을 포함하는 불연 조성물을 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물을 건조하는 단계와, 상기 건조된 건조물에 접착제를 첨가하는 단계와, 상기 접착제가 첨가된 건조물을 압착성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
스티로폼을 분쇄하는 단계
먼저, 스티로폼을 준비한다. 본 발명에서 상기 스티로폼으로는 신재가 아닌 폐스티로폼을 이용함이 바람직하다. 이는 자원 재활용의 측면은 물론, 폐스티로폼으로 인한 환경오염을 방지하기 위함이다.
또한, 상기 분쇄는 폐스티로폼을 1~3mm의 입도로 분쇄하는 것을 의미하는 것으로, 더욱 바람직하게는 결정입자별로 분쇄하는 것이다. 이때, 상기 결정입자란 스트로폼을 형성하고 있는 작은 알갱이를 의미한다. 본 발명에서 분쇄방법은 제한하지 않는다.
상기 분쇄된 스티로폼에 규산나트륨을 포함하는 불연 조성물을 혼합하는 단계
다음으로, 상기 분쇄된 스티로폼에 불연 조성물을 혼합한다.
본 발명에서 상기 불연 조성물은 상기 분쇄된 스티로폼의 외부에 코팅됨은 물론, 내부에도 일부 침투하여 스티로폼에 불연성을 제공하는 것은 물론, 접착제와의 상용성 역시 높여준다.
상기 불연 조성물은 규산나트륨을 포함하며, 더욱 구체적으로는 석분 20~50중량%, 아크릴계 에멀젼 프라이머 4~10중량%, 침투증진제 1~3중량% 및 잔부의 규산나트륨으로 이루어짐이 바람직하다.
먼저, 상기 규산나트륨은 분쇄된 스티로폼 입자에 불연성을 부여하기 위한 것은 물론, 스티로폼 입자와의 접착성 및 융착성을 높여 스티로폼 입자를 효율적으로 감싸기 위한 성분이다. 종래 불연 재료로는 규산나트륨, 규산칼륨, 인산염, 붕산염 등이 사용되고 있으나, 규산칼륨은 불연 효과는 우수하나, 고가이므로 경제성이 좋지 못하고, 인산염 및 붕산염은 불연 효과가 떨어짐은 물론, 고가이므로 경제성 역시 좋지 못하므로, 상기 규산나트륨을 불연 조성물로 사용함이 가장 바람직하다. 본 발명에서 상기 규산나트륨은 고체상 또는 액상으로 사용될 수 있는바, 이를 제한하지 않으며, 상기 액상의 규산나트륨(Na2O·nSiO2·xH2O)은 시판 상품 중 어떠한 것이라도 사용 가능하다.
상기 규산나트륨은 불연 조성물 내 잔부로서 포함된다.
상기 석분은 규산나트륨의 백화를 방지하기 위한 첨가제로, 규산나트륨의 단독 사용시 백화현상이 쉽게 발생한다는 단점이 있는데, 상기 석분은 이러한 백화현상의 발생을 방지하는 역할을 한다. 아울러, 불연 재료이므로 불연성을 더욱 개선하고, 보드의 강도 역시 개선하는 역할을 한다.
상기 석분은 불연 조성물 내 20~50중량%로 포함되는데, 그 함량이 20중량% 미만이면 백화 현상을 방지하기 어렵고, 보드의 강도가 좋지 못하며, 50중량%를 초과하면 과량이 되어 기타 물성의 발현이 어렵기 때문이다.
상기 아크릴계 에멀젼 프라이머는 스티로폼 입자에 상기 불연 조성물을 접착시키는 역할을 하는 것은 물론, 규산나트륨의 백화를 방지하고, 내수성을 높이기 위한 성분이다. 상기 아크릴계 에멀젼 프라이머로는 시판 제품 중 어떠한 것이라도 사용 가능하다.
상기 아크릴계 에멀젼 프라이머는 불연 조성물 내 4~10중량%로 포함되는데, 그 함량이 4중량% 미만이면 접착성이 부족하고, 10중량%를 초과하면 과량이 되어 오히려 물성이 저하되기 때문이다.
상기 침투증진제는 스티로폼 입자와 불연 조성물이 보다 용이하게 혼합되도록 하기 위함은 물론, 상기 규산나트륨 등이 스티로폼 입자 내 침투하여 불연성을 더욱 높이기 위하여 사용되는 성분이다. 이러한 침투증진제로는 소듐라우레스설페이트(Sodium Laureth sulfate)을 사용함이 바람직하다.
상기 침투증진제는 불연 조성물 내 1~10중량%로 포함되는데, 그 함량이 1중량% 미만이면 그 효과가 미미하고, 과량이 되면 경제성이 좋지 못해지기 때문이다.
한편, 이 단계에서 상기 분쇄된 스티로폼에 3~6중량%에 상기 불연 조성물 94~97중량%를 혼합하는 것이 바람직하다. 이는 상기 분쇄된 스티로폼이 3중량% 미만이면 자원 재활용의 효과가 떨어지고, 6중량%를 초과하면 불연효과가 떨어지고, 경량성이 저하되기 때문이다.
상기 혼합된 혼합물을 건조하는 단계
다음으로, 상기 혼합된 혼합물을 건조한다. 이때, 상기 건조는 35~45℃의 온도에서 건조하는 것이 그 물성을 고려할 때 가장 바람직하다.
상기 건조된 건조물에 접착제를 첨가하는 단계
그리고 상기 건조된 건조물에 접착제를 첨가한다.
이때, 상기 접착제로는 비닐계 접착제, 예시적으로 PVA 접착제를 사용하는 것으로, 라텍스류의 접착제는 불연성이 없고, 접착강도가 약하나, 비닐계 접착제의 경우 접착강도가 강하고, 불연성 역시 우수하기 때문이다.
더욱 구체적으로는, 비닐계 접착제에 이소프로필알콜을 10:0.5~2 중량비로 혼합한 접착제를 사용하는 것이다. 이는 접착성, 성형성, 불연성 등을 고려한 것이다.
또한, 상기 접착제의 사용량은 상기 건조된 건조물 92~96중량%에 상기 접착제 4~8중량%를 첨가하는 것으로, 그 사용량이 너무 적으면 접착성이 충분히 발휘되지 못하고, 과량이 되면 전체적인 물성이 저하되기 때문이다.
상기 접착제가 첨가된 건조물을 압착성형하는 단계
다음으로, 접착제가 첨가된 건조물을 50~100ton/㎡의 압력으로 압착성형하여 불연성의 보드를 제조한다.
이때, 상기 성형압력이 상기한 범위를 벗어날 경우 보드의 강도가 충분히 발현되지 못하므로, 상기한 압력으로 성형함이 바람직하다.
상기한 방법으로 제조된 불연성 보드는, 경제성이 우수하고, 불연성이 우수함은 물론, 자원 재활용성이 우수하다는 장점이 있다. 또한, 내수성, 강도 등의 물성 역시 우수하여 건축자재로서 다양한 분야에 적용이 가능할 뿐 아니라, 종래 석고보드를 대체할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 상기와 같이 제조된 불연성 보드는 표면평활도의 유지를 위하여 별도의 표면 마감재를 도포하거나, 그 표면에 부직포 또는 그라프트 종이를 부착하여 표면 평활도를 유지할 수 있으며, 표면 마감재와 부직포 또는 그라프트 종이를 모두 사용할 수도 있는 것으로, 그 추가 실시를 제한하지 않는다.
이러한 표면 마감재의 도포, 부직포 또는 그라프트 종이의 부착은 이 기술이 속하는 분야에서 충분히 공지된 것이므로, 이에 대한 추가 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 불연 조성물은 항균 및 탈취 복합 분말 1~2중량%를 더 포함할 수 있다. 상기 항균 및 탈취 복합 분말을 더 포함할 경우, 보드의 항균 및 탈취력이 개선되어 실내 내장재로서 사용시 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있다.
상기 항균 및 탈취 복합 분말은 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 나노화된 순지트 분말을 1:0.5~1중량비로 혼합한 것을 의미한다.
여기서, 상기 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유는 셀룰로오스 나노섬유(Cellulose Nanofiber, CNF) 또는 셀룰로오스 나노결정(Cellulose Nanocrystal, CNC)을 아세틸화, 실란화, 가교화, 불소화, 알케닐숙신산 무수물(Alkenyl Succinic Anhydride, ASA) 첨가, 알킬케톤 다이머(Alkyl Ketone Dimer, AKD) 첨가 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 소수화처리하여, 상기 나노셀룰로오스의 수산기(-OH) 일부를 소수기(-COOH)로 치환함으로써, 상기 나노셀룰로오스를 소수성으로 개질시키는 것이다. 이러한 과정을 통해 제조된 소수화된 나노셀룰로오스는, 직경이 100nm 내지 500nm이며, 종횡비(aspect ratio)는 70 내지 90일 수 있으며, 보드 내 항균, 탈취 성능을 발휘할 뿐 아니라, 충격강도 등의 기계적 물성은 물론, 내습성, 내열특성을 개선해준다.
상기 나노화된 순지트 분말은 순지트 분말을 물리, 화학적 방법으로 분쇄하여 나노미터 크기까지, 즉 1~1000nm의 크기, 보다 바람직하게는 10~500nm로 만든 것을 의미하는 것으로, 상기 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 강력한 수소 결합을 유도할 수 있어, 강력한 항균 및 탈취 효과를 부여한다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
(실시예 1)
폐스티로폼을 2mm의 크기로 분쇄하고, 분쇄한 폐스티로폼 4중량%에 불연 조성물 96중량%를 혼합하였다.
그리고 이를 40℃에서 60분간 건조한 후, 건조물 92중량%에 접착제 8중량%를 첨가하고, 70ton/㎡의 압력으로 5분간 압착성형하여 두께 20mm의 불연성 보드를 제조하였다.
이때, 상기 불연 조성물은 석분 30중량%, 아크릴계 에멀젼 프라이머 5중량%, 침투증진제인 소듐라우레스설페이트 2중량% 및 잔부의 액상 규산나트륨으로 이루어진 것을 사용하였다.
그리고 상기 접착제는 비닐계 접착제에 이소프로필알콜을 9:1 중량비로 혼합하여 사용하였다.
도 2는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 불연성 보드의 사진이다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 폐스티로폼의 사용량을 하기 표 1과 같이 조절하였다.
실시예 2의 폐스티로폼 사용량(중량%)
구분 실시예 2-1 실시예 2-2 실시예 2-3 실시예 2-4 실시예 2-5 실시예 2-6 실시예 2-7
폐스티로폼 1 2 3 5 6 7 10
불연
조성물
99 98 97 95 94 93 90
(실시예 3)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 접착제의 사용량을 하기 표 2와 같이 조절하였다.
실시예 3의 접착제 사용량(중량%)
구분 실시예 3-1 실시예 3-2 실시예 3-2 실시예 3-3 실시예 3-4
접착제 10 9 6 4 3
(비교예 1)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 규산나트륨을 대신하여 규산칼륨을 사용하였다.
(비교예 2)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 규산나트륨을 대신하여 인산염을 사용하였다.
(비교예 3)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 규산나트륨을 대신하여 붕산염을 사용하였다.
(비교예 4)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 석분을 사용하지 않았다.
(비교예 5)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 아크릴에멀젼프라이머를 사용하지 않았다.
(비교예 6)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 비닐계 접착제를 대신하여 라텍스 접착제를 사용하였다.
(시험예 1)
상기한 실시예들 및 비교예들의 불연성, 성형성, 내수성, 경량성 시험을 실시하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
시험예 1 결과
구분 불연성 성형성 내수성 경량성
실시예 1 A A A A
실시예 2-1 A A A B
실시예 2-2 A A A B
실시예 2-3 A A A A
실시예 2-4 A A A A
실시예 2-5 A A A A
실시예 2-6 B A A A
실시예 2-7 B A A A
실시예 3-1 A A B A
실시예 3-2 A A B A
실시예 3-3 A A A A
실시예 3-4 A B B A
비교예 1 A A B A
비교예 2 C A A A
비교예 3 C A A A
비교예 4 B B B A
비교예 5 C C C A
비교예 6 C C C A
[A: 우수(점화불가), B: 보통(잔염 지속시간 30초 미만), C: 나쁨(잔염 지속시간 30초 이상)]
도 3은 실시예 1의 불연성 시험 후 사진이다.
상기 표 3에서 불연성 시험은 열원(750℃ 이상)으로 30분간 가열하여 잔염시간, 균열폭, 발연상태, 탄화흔적, 외형변형을 판단하였다.
성형성 시험은 성형프레스로 압연 후 갈라짐, 압축성, 강도, 균일성, 뒤틀림 을 판단하였다.
내수성 시험은 시료를 수중에 15일간 침적 후 침투성, 흡수성, 휨을 판단하였다.
경량성 시험은 각각의 시료를 상대 평가하여 비교하였다.
상기 표 3에서와 같이, 본 발명의 실시예 1, 실시예 2-3, 실시예 2-4, 실시예 2-5, 실시예 3-3은 불연성, 성형성, 내수성, 경량성이 모두 우수했으나, 비교예 1은 내수성이 좋지 못하였고, 경제성 역시 좋지 못하였고, 비교예 2, 3은 불연성이, 비교예 4, 5, 6은 불연성, 성형성, 내수성이 좋지 못하여 불연성 보드로서 사용이 불가하였다.
(시험예 2)
상기한 실시예들 및 비교예들을 100일간 실온에 보관한 후, 백탁현상의 발생 유무를 살펴보았다.
그 결과 비교예 4, 5에서는 백탁현상이 발생하였으며, 나머지 시료에서는 백탁현상의 발생이 없었다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

Claims (7)

  1. 스티로폼을 분쇄하는 단계와,
    상기 분쇄된 스티로폼 3~6중량%에 불연 조성물 94~97중량%를 혼합하는 단계와,
    상기 혼합된 혼합물을 건조하는 단계와,
    상기 건조된 건조물에 접착제를 첨가하는 단계와,
    상기 접착제가 첨가된 건조물을 압착성형하는 단계를 포함하되,
    상기 불연 조성물은,
    석분 20~50중량%, 아크릴계 에멀젼 프라이머 4~10중량%, 침투증진제 1~3중량%, 항균 및 탈취 복합 분말 1~2중량% 및 잔부의 규산나트륨으로 이루어지고,
    상기 침투증진제는 소듐라우레스설페이트(Sodium Laureth sulfate)이며,
    상기 항균 및 탈취 복합 분말은 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 나노화된 순지트 분말이 1:0.5~1중량비로 혼합된 것임을 특징으로 하는 스티로폼을 이용한 불연성 보드의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스티로폼을 분쇄하는 단계는,
    폐스티로폼을 1~3mm의 입도로 분쇄하는 것임을 특징으로 하는 스티로폼을 이용한 불연성 보드의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 비닐계 접착제와 이소프로필알콜이 혼합된 것이고,
    상기 건조된 건조물 92~96중량%에 접착제 4~8중량%를 첨가하는 것임을 특징으로 하는 스티로폼을 이용한 불연성 보드의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼합된 혼합물을 건조하는 단계는,
    35~45℃의 온도에서 건조하는 것이고,
    상기 압착성형하는 단계는,
    50~100ton/㎡의 압력으로 압착성형하는 것임을 특징으로 하는 스티로폼을 이용한 불연성 보드의 제조방법.
  7. 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 불연성 보드.
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