KR200390026Y1 - 난연성 및 강도강화 폴리우레탄 패널 - Google Patents

Abstract

본 고안은 난연성 폴리우레탄 패널에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리우레탄 경질 발포제 조성물에 나노클레이와 폴리스티렌비드를 함유하고 폴리우레탄 폼의 양면 또는 일면에 난연성 시트를 형성한 폴리우레탄 패널에 관한 것이다.

본 고안에서 사용되는 나노클레이는 격자구조를 가짐으로써, 환경친화적 발포제를 사용하면서도 충분한 단열성능을 나타낼 수 있고 충분한 강도를 가질 수 있을 분만 아니라 난연성이 부가되며 또한 폴리우레탄 발포체에 폴리스티렌 비드를 함유하여 중량감소와 더불어 기공으로 인한 열전달율의 감소와 난연성의 증대를 추구한다.

Description

난연성 및 강도강화 폴리우레탄 패널{POLYURETHANE PANEL HAVING FLAME RETARDATION AND REINFORCED INTENSITY}

본 고안은 난연성 폴리우레탄 패널에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리우레탄 경질 발포제 조성물에 나노클레이와 폴리스티렌비드를 함유하고 폴리우레탄 폼의 양면 또는 일면에 난연성 시트를 형성한 폴리우레탄 패널에 관한 것이다.

폴리우레탄 발포체란 우레탄의 원료가 되는 이소시아네이트와 폴리올에 발포제와 촉매, 계면활성제 등을 혼합하여 반응시켜, 반응 중 발생하는 반응열에 의해 발포제가 기화되어 폼이 형성된 연질이나 경질의 다공성 우레탄을 말한다. 상기 폴리우레탄 발포체는 우수한 단열특성과 자기 접착성, 완충성, 제조간편성, 다양성 등 타 단열재와 비교하여 많은 장점을 가지고 있어 단독 또는 타 재료와 복합화하여 단열재, 경량구조재, 완충재 등으로 광범위하게 사용되고 있으며 특히 경질 우레탄은 단열성이 우수하여 냉장고, 냉동용 컨테이너, 건축재, 냉동창고 등을 위한 산업자재로 널리 사용되고 있다.

폴리우레탄 패널의 경우 강판과 같은 불연성의 보강재로 둘러싼 샌드위치 패널로 제작되어 많이 이용되고 있는데 둘러싼 보강재가 일반적으로 높은 열전도성이 있어서 화재시 폴리우레탄이 연소됨과 동시에 유해가스를 발생되는 문제점이 있으며, 단순한 보강재만으로는 충분한 굽힘강도, 인장강도 내구성 및 내후성을 가지지 못하여 사용에 한계가 있다. 건축용으로 사용되는 경우 폴리우레탄 보드는 외부로부터의 물리적 화학적 충격, 특히 자외선에 대하여 그의 기계적 특성이 변형되는 문제점이 발생하고 있다. 또한, 폴리우레탄발포체는 폴리스티렌 발포체에 비하여 외부충격에 대한 강도와 굽힙강도가 높고 단열성이 우수한 효과가 있으나 상대적으로 무거운 단점이 있다. 한편, 상기 발포제로 이소시아네이트와 폴리올의 반응에 의해서 발생하는 열로 증발될 수 있는 비점이 상온인 클로로 플로로 카본(CFC)과 하이드로 클로로 플로로 카본(HCFC)등을 발포제로 이용하여 왔으나 이상의 물질들은 지구의 오존층을 파괴하여 환경을 변화시키는 요인으로 밝혀져 사용에 규제를 받고 있다. 이에 대체발포물 예컨데 사이클로펜탄 계열 또는 하이드로 플루오로카본(HCF)계열, H₂O 물질 등이 개발되고 있으나 이 물질을 사용하는 경우 단열효과가 낮아 단열성능을 증가시키기 위해 발포를 높게 하여야 하나 이럴 경우 강도의 저하의 문제점이 발생되고 있다.

본 고안은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 CFC나 HCFC 계열의 발포제를 대체한 환경친화적 발포제를 사용하면서도 충분한 단열성능을 나타낼 수 있고 충분한 강도를 가질 수 있을 분만 아니라 난연성을 부가되도록 폴리우레탄 발포체에 격자구조를 갖는 나노클레이를 함유하도록 한다. 또한 폴리우레탄 발포체에 폴리스티렌 비드를 함유하여 중량감소와 더불어 기공으로 인한 열전달율의 감소와 난연성의 증대를 추구한다. 그리고 폴리우레탄 폼의 일면 또는 양면에 난연성 시트를 형성하여 난연성 및 강도가 강화된 폴리우레탄 패널을 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 고안은 경질 폴리우레탄 발포체의 일면 또는 양면을 난연성 시트로 피복한 폴리우레탄 패널로서, 상기 경질 폴리우레탄 발포체는 격자구조의 나노클레이를 함유하고 있으며, 나노클레이를 발포체의 성분인 폴리올과 먼저 혼합한 후 이소시아네이트와 혼합하는 것이 바람직하며, 폴리스티렌 비드를 폴리우레탄 발포체내에 더 포함하여 기공을 형성할 수도 있으며 상기 난연성 시트는 유리섬유실을 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 고안을 보다 상세하게 설명한다.

본 고안은 자연친화적 환경을 고려하여 사이클로펜탄계열 또는 하이드로 플루오로카본 계열의 발포제를 사용한다. 이 경우 폴리우레탄 단열재의 단열효과가 감소되는 문제점을 해결하기 위해 발포율을 높일 수도 있으나 강도가 저하되는 문제가 있기 때문에 강도를 유지할 수 있는 방안을 연구하였다. 그 하나로 나노클레이를 폴리우레탄 발포체에 첨가하는 것이다. 나노클레이의 함량은 폴리올 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부가 바람직하며, 1 중량부 미만인 경우 강도 증가 효과 및 단열효과가 미비하며, 10중량부 이상의 경우 더 이상의 강도 증가 효가가 나타나지 않으므로 더 이상 사용할 필요는 없다.

상기 나노클레이로는 몬트릴로나이트, 헥토라이트 또는 벤토나이트를 사용할 수 있다. 상기 나노클레이는 층상 실리케이트로서 기본 구조는 실리카 테트라헤드랄 시트와 알루미나 옥타헤드랄 시트의 조합으로 나노 크기의 판상의 형태를 갖는 물질이다. 상기 판과 판 사이의 실리카와 알루미나를 나트륨이나 칼륨등의 양이온으로 치환하여 물에 의해 쉽게 층간이 넓어져서 분리되어 나노 크기를 유지할 수 있다. 이러한 클레이의 박리의 경우 층간 거리는 그다지 크지 않고 좀더 층간 삽입을 용이하게 하기 위하여 풀림제(peptizer)를 사용하여 격자구조를 만들어야 한다.

도 1은 격자구조의 나노클레이를 만들기 위한 공정도를 보인 것이다. 벤토나이트 등의 클레이에 물을 첨가하여 수화 정제시키고 양이온 교환을 시켜 점토간의 층간거리가 좀 더 넓어지도록 기본적 박리를 시킨다. 이후에 풀림제를 넣어 점토의 재배열을 시켜 격자구조로 만든다. 이후 폴리올을 넣고 3000 rpm이상의 속도로 약 30여분 교반한 후 나노클레이와 폴리올이 분산된 상태를 만든다. 상기 나노클레이의 층간 간격이 충분하지 않은 경우에는 밀도 대비 압축강도 등이 떨어지게 되므로 나노클레이의 조작은 매우 중요하다(Wang. Z, Pinnavaia, T.J, Polymer-Clay Nanocomposite, Wiley Series in Polymer Science).

폴리우레탄 발포체에서 나노클레이와 폴리올을 먼저 혼합하여 분산시킨 후에 이소시아네이트와 혼합하여 교반시키는 것이 바람직하다. 만약 이들을 모두 함께 혼합하는 경우에는 폴리올과 이소시아네이트의 반응시간이 너무 짧아서 나노클레이를 사용함에 따른 복합화가 되지 않기 때문이다.

나노클레이를 격자화하여 폴리올과 분산시키는 경우 폴리우레탄 발포체는 격자 구조 등으로 인해 높은 강도를 나타내며, 앞서 말한 발포제를 사용하는 경우라도 충분한 단열성능을 확보할 수 있다. 또한 나노클레이가 들어감으로 인해 자체적으로 난연성이 증가하게 되며 항균, 탈취기능이 생기게 된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 폴리스티렌 비드를 폴리우레탄 발포체에 첨가시켜 기공을 형성시키고 폴리우레탄 폼에 난연성 시트를 피복한 폴리우레탄 패널의 단면을 나타낸 것이다.

폴리우레탄 발포체를 이용한 패널에 있어 그 중량을 조금 줄이고 난연성을 더 높일뿐만 아니라 열전도성을 낮추기 위하여 폴리스티렌 비드를 폴리우레탄 발포체에 첨가할 수 있다. 폴리우레탄 발포체에 들어가는 폴리올과 이소시아네이트가 우레탄 반응을 하여 겔화되면서 상기 폴리스티렌 비드가 분산되며, 우레탄 반응이 진행되면서 생성되는 반응열에 의하여 분산되어 있는 폴리스티렌 비드가 용융되어 폴리스티렌 비드가 차지한 만큼의 기공(20)을 폴리우레탄 폼(10)내에 형성하게 된다. 통상적으로 폴리우레탄 반응시 발생되는 반응열의 온도는 95 내지 100℃로 폴리스티렌이 용융되기에 적합하다. 이렇게 형성된 기공(20)은 전체적인 밀도를 감소시켜주며, 기공(20)으로 인해 난연성 및 열전도율을 줄일 수 있다. 본 고안에서 사용되는 폴리스티렌 비드는 별도로 제작된 구형의 스티로폼 입자를 사용하거나 폐스티로폼 덩어리를 분쇄하여 알갱이로 사용하는 것도 가능하며 1 내지 5 mm의 크기가 바람직하다. 그 크기가 너무 큰 경우에는 오히려 강도가 약해지는 단점이 있을 수 있으며, 너무 작은 경우에는 효과가 없다. 그리고 그 사용되는 양은 폴리올 100중량부에 대항 10 내지 50 중량부를 사용하는 것이 바람직하며 너무 많이 사용하는 경우 폴리우레탄 패널의 강도가 약해질 수 있으며, 너무 적게 사용하는 경우에는 상기 효과가 미비하다.

폴리우레탄 폼의 물리적 변형을 막고 강도를 높이기 위하여 그리고 난연성등을 부과하기 위하여 폴리우레탄 폼의 일면 또는 양면에 일종의 외장재(30)를 부착하여 샌드위치 패널의 구조를 형성할 수 있다. 상기 외장재는 사용되는 목적에 따라 다양한 난연성 또는 불연성의 소재, 항균 또는 탈취성의 소재 등을 사용할 수 있을 것이다. 또한 아스팔트지, 알루미늄지 또는 크라프트지가 사용될 수도 있는데 아스팔트지는 방습을 위한 용도로 주로 사용되며, 알루미늄지는 빛에 대한 보호책으로 기능하며, 크라프트지는 보드의 형상을 유지하며 물리적 충격에 대한 보호책으로 기능하는 것이다. 아스팔트지는 크라프트지에 아스팔트 레진을 침투시켜 건조한 종이이며, 알루미늄지는 일반 시멘트 종이에 알루미늄을 얇게 코팅한 것이다.

본 고안에서는 상기와 같은 외장재(30)에 유리섬유실층(40)을 직물과 유사한 형태로 접착을 시켜 높은 인장강도 및 난연성을 더욱 부과한다. 나아가 폴리우레탄 패널의 바깥부분에 수성난연제 또는 항균성을 부과하는 코팅층(50)을 부과할 수 있다. 외장재(30), 유리섬유실층(40), 및 코팅층(50)은 전체적으로 외력에 대한 휨 저항이 강해지게 하며 폴리우레탄 폼(10)을 보호하는 시트의 역할을 하며 또한 난연성 시트의 역할을 할 것이다.

본 고안의 폴리우레탄 패널의 제조는 별도의 접착제를 사용하지 않고도 폴리우레탄 반응에 의해 발포되는 것으로 통상의 샌드위치 패널의 제조방법으로 패널 제조기 상, 하 각각의 언코일러에 장착된 코일이 롤포밍(Roll Foaming)공정을 거치면서 상, 하 간격을 두고 이송되어 오는 외장재들사이로 우레탄 혼합물을 분출되게 하여 발포 및 경화 과정을 통해 일정두께의 우레탄 발포체가 된다. 이과정을 통해 상하부 외장재들은 우레탄 폼의 양면에 접착되는 모양, 즉 우레탄이 경화되면서 생기는 자기접착력에 의해 상하 시트가 각각 접착되는 것이다. 이러한 과정은 당업자에 자명한 것으로 구체적 내용은 생략한다.

<실시예>

실시예1

폴리우레탄 폼을 제조함에 있어 폴리올 100중량부에 대하여 이소시아네이트인 폴리머성 디페닐메탄 디이소시아네이트를 130 중량부, 하이드로 카본 발포제를 10중량부, 디메틸사이클로헥실아민 촉매를 0.5중량부, 실리콘 코폴리머 계면활성제를 1.5중량부 및 물 0.5중량부를 첨가하여 혼합하였다. 이 혼합물을 발포성형하여 폴리우레탄 경질 발포체를 제조하였다.

실시예 2

폴리올 100중량부에 대하여 단순한 박리처리한 Na-몬트릴로나이트 5중량부를 사용하였으며 다른 성분은 실시예 1과 동일하게 한다. 다만 전체적인 비의 차이는 무시하기로 한다.

실시예 3

실시예 2의 나노클레이를 풀림제를 처리하여 격자화 한 후 이를 실시하였다.

실시예 4

실시예 3의 경우에서 격자화된 나노클레이와 폴리올을 먼저 혼합한 후 다른 성분을 혼합하여 실시하였다.

상기의 실시예들의 비강도를 측정한 결과 다음과 같았다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
비강도	0.053	0.072	0.090	0.098

실시예 5

실시예 1에 따르되 폴리올 100중량부에 대하여 30중량부의 폴리스티렌 비드를 첨가하여 실시하였다.

실시예 1과 실시예 5에 의해 제조된 폴리우레탄 폼에 대하여 열전도율을 측정하였으며 그 결과는 다음과 같다.

	실시예 1	실시예 5
열전도율(Kcal/m.hr.℃	0.031	0.022

본 고안에 따르면, 기존의 CFC나 HCFC 계열의 발포제를 대체한 환경친화적 발포제를 사용하면서도 충분한 단열성능을 나타낼 수 있고 충분한 강도를 가질 수 있을 분만 아니라 난연성이 배가된다. 또한 폴리우레탄 발포체에 폴리스티렌 비드를 함유하여 중량감소와 더불어 기공으로 인한 열전달율의 감소와 난연성의 증대가 추구된다.

도 1은 격자구조의 나노클레이를 만들기 위한 공정도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폴리우레탄 패널의 단면도.

<도면부호의 간단한 설명>

10 : 폴리우레탄 폼 20 : 기공

30 : 외장재 40 : 유리섬유실층

50 : 코팅층

Claims (4)

1. 경질 폴리우레탄 발포체의 일면 또는 양면을 난연성 시트로 피복한 폴리우레탄 패널로서, 상기 경질 폴리우레탄 발포체는 격자구조의 나노클레이를 함유하는 폴리우레탄 패널.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 경질 폴리우레탄 발포체에서 카드집 구조의 나노클레이와 폴리올을 먼저 혼합한 후 이소시아네이트를 혼합하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 패널.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 경질 폴리우레탄 발포체는 폴리스티렌 비드를 더 포함하여 기공을 형성하는 폴리우레탄 패널.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 난연성 시트는 유리섬유실을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 패널.