KR20040018321A

KR20040018321A - 복합체 열 보호 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20040018321A
Application number: KR10-2003-7008479A
Authority: KR
Inventors: 테일러에드워드더블유.; 펠드만루빈; 쥬니어 립프제임스에이
Original assignee: 누-켐 인코포레이티드
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2004-03-03
Also published as: WO2002055615A3; WO2002055615A2; RU2003121310A; US20020119717A1; EP1345998A2; US20050171242A1; NO20032819L; US6855401B2; CN1487981A; RU2303617C2; CN1276956C; NO20032819D0; WO2002055615A9

Abstract

본 발명은 활성형 화재 보호 재료로 된 하층과 화재 보호 재료로 된 상층을 포함하는, 제트 화재로부터 기재를 보호할 수 있는 복합체 시스템에 관한 것이다. 상층은 제트 화재에 노출될 때 개방 셀 매트릭스를 형성하여 하층으로부터의 기체가 주위로 통과하게 할 수 있게 한다. 상층은 내화재의 충전재를 포함하고, 고열 조건에 초기 노출 동안 시스템을 보호한다. 상층은 고열 조건에 노출시 팽창하지만, 저층보다는 적게 팽창한다.

Description

복합체 열 보호 시스템 및 방법{COMPOSITE THERMAL PROTECTIVE SYSTEM AND METHOD}

화재 및 다른 열적 극한 상황에 대해 보호를 제공하는 다양한 조성물은 공지되어 있다. 현재, 일반적으로 이러한 조성물은 중합체 결합제를 포함하고, 화재나 고열 조건에 노출되는 때 숯(char)을 형성한다. 숯 형성 조성물은 다양한 양식에 의해 작용할 수 있다. 수개의 숯 형성, 내화성 코팅은 미국 특허 제5,591,791호(Deogon)에 기재되어 있다. 개략하면, 이러한 코팅은, 화재나 다른 열적 극한 상황에 노출되었을 때 이들의 초기 두께의 2 배 미만으로 팽창하는 융제형 코팅, 팽창하여 코팅의 초기 두께의 5 배 이상의 숯을 생성하는 미국 특허 제2,680,077호(Nielsen et al), 미국 특허 제3,284,216(Kaplan)호 또는 미국 특허 제4,529,467호(Ward et al)에 기재된 것과 같은 팽창성 코팅 및, 발열상 변화를 하고 이들의 초기 두께의 2배 내지 5배로 팽창하여 연속 기공성 매트릭스를 형성하는 미국 특허 제3,849,178호(Feldman)에 기재된 유형의 승화성 숯 형성 코팅을 포함한다. 팽창성 승화성 코팅은 "활성형" 열 보호 코팅을 나타낸다. 또한, 코팅은 중간 구조물에 가끔 도포되는데, 이후, 이 중간 구조물은 미국 특허 제4,493,945호(Feldman)에서 설명된 바와 같이 기재에 도포된다.

특정 열 플럭스, 환경 및 온도 상태 하에서 조성물의 예정 두께에 따라 주어진 온도 상승을 위해 필요한 시간은 하부 기재에 대한 열 보호를 제공하는 조성물의 효율의 측정치이다.

결국, 숯은 물리적 부식과 화학적 과정, 예컨대 공기 중의 산소와, 코팅에 의해 생성된 자유 라디칼에 의해 산화됨으로써 소멸되거나, 그렇지 않으면 화재 환경에서 소멸되며, 보호는 거의 감소된다. 숯이 완전히 소멸되기 전에, 숯층이 열화되면 부스러진 채 방치되고, 이것을 유지하는 데 필요한 힘이 없어, 송풍 제거 또는 간단한 강하(파쇄)에 의해 파괴될 수 있다.

또한, 다양한 방법 및 구조물은 이들 열 보호 코팅 재료를 도포하기 위해 사용하거나, 제안되어 왔다. 가장 빈번한 접근법은 추가의 구조물없이 재료를 기재에 직접 도포하는 것이다. 그러나, 다수의 분야의 경우, 섬유 유리 직물, 흑연 직물 또는 와이어 메쉬와 같은 보강재는 코팅 재료 내에 매립되어 재료를 강화시키고, 불꽃 또는 열적 극한 상황의 상태 하에서 기재의 분쇄 또는 강하를 방해한다. 이러한 접근 법의 예로는 미국 특허 제3,022,190호(Feldman), 미국 특허 제3, 913, 290호(Billing et al), 미국 특허 제3,915,777호(Kaplan) 및 미국 특허 제4,069,075호(Billing et al)에 있다. 가끔, 재료는 가요성 테이프 또는 가요성 와이어 메쉬와 같은 보강 구조물에 우선 도포되고, 결합된 구조물이 기재에 도포된다. 이러한 접근법의 예는 미국 특허 제3,022,190호(Feldman), 미국 특허 제4,018,962호(Pedlow), 미국 특허 제4,064,359호(Peterson et al), 미국 특허 제4,276,332호(Castle) 및 미국 특허 제4,292,358호(Fryer et al)에 있다. 이러한 마지막에 언급된 시스템에서, 보강 구조물의 목적은 생성된 복합체를 강화시키고, 미경화된 코팅 재료를 기재 상에 직접 분무, 트라우웰 가공(troweling) 또는 페인팅하지 않고 기재에 이를 도포하게 하는 것일 수 있다. 임의의 이전의 방법 및 구조에서, 다층은 기재에 종종 도포되어 추가의 보호를 제공한다.

그러나, 현재 알려진 재료 및 방법은 보호 재료의 소정 중량에 대한 보호의 길이에 관하여 타당한 만큼 효과적이지는 않다. 특히, 효율은 다수의 분야에서 중량 또는 부피가 임계 제한되기 때문에 중요하다. 더욱이, 난연재가 중로링된 코팅 재료는 이들의 물리적 특성을 심각하게 손상시키고, 그렇지 않으면 예컨대, 이들의 필름 형성 특징 또는 이들의 내수 특성을 제한함으로써 이들의 코팅으로서의 적합성을 제한할 것이다.

어떤 극한 화재 상태 하에서, 이들 공지 시스템 모두는 적절한 보호를 제공하기 위하여 과도한 두께와 중량을 필요로 한다. 이러한 극한 화재 상태가 발생할 수 있는 환경들 중 하나는 가연성 압축 기체 또는 액체, 통상적으로 탄화수소를 한 위치에서 다른 위치로 운송하는 전달 파이프의 근처이다. 파이프에서의 파열 또는 밸브 또는 조인트의 파괴는 고온, 고열 플럭스, 고속 불꽃(주로 "제트 화재(jet fire)"로 언급함)을 초래할 수 있다. 파열 또는 개방을 통한 압력차가 2:1 이상인 경우, 질식(choked) 흐름 상태는 구멍에서 생성되고, 기체의 초음속 흐름은 구멍의하류에서 생성된다. 이러한 고속 기체의 열 플럭스는 1 ㎡당 300 내지 320 KW에 속하고, 통상적으로 온도는 1,000℃ 내지 1,500℃이다. 제트 화재를 정의하고, 보호 코팅 시스템의 효율을 분석하기 위한 테스트 절차를 나타내는 표준이 있어 왔다. 중요한 표준은 OTI 95 634 "Jet Fire Resistance Test Of Passive Fire Protection Materials" (Health and Safety Executive(영국), Offshore Technology Report, 1996)로서 밝힌다. 이 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용한다.

제트 화재의 온도, 열 플럭스 및 공기역학 전단력에 노출되는 경우, 현재 공지된 코팅 시스템은 부식되고, 빨리 소멸되거나, 파쇄 및 가하된다. 융제형 코팅은 우수한 물리 내성 및 화학 내성이 있는 고밀도의 숯을 생성하는 경향이 있지만, 표준 제트 화재 테스트에서, 이들은 하부 기재를 매우 짧은 시간에 임계 온도에 도달하게 하는 것으로 밝혀졌다. 열적 극한 상황에 노출될 때 팽창하는 활성형 코팅의 경우에서, 열화는 고열 구배에 의해 생성된 차등 열 응력과, 전단력에 의해 초래되는 신속한 부식의 결과로서 숯에서 형성된 균열의 형태로 통상 존재한다.

열적 극한 상황에 노출되는 동안 숯층의 강도를 증가시키기 위하여, 그리고, 파쇄 및 균열을 제한하기 위하여, 직물은 코팅 재료내에 장 혼입되어 왔다. 미국 특허 제5,622,774호(Feldman et al)에 기재된 바와 같이, 섬유 유리 직물은 저렴하고, 설치하기 쉬우며, 많은 고온 적용예에서의 강화를 제공한다. 그러나, 제트 화재는 유리의 연화점(870℃ 주위) 이상의 온도로 직물을 승온시켜서, 섬유 유리 직물은 붕괴된다. 따라서, 다른 직물들이 필요하게 되었다. 이전의 미국 특허 제5,622,774호(Feldman et al), 및 미국 특허 제5,580,648호(Castle et al), 미국특허 제5,433,991(Boyd et al)호 및 미국 특허 제5,401,793호(Kobayashi et al)에 교시한 바와 같은 흑연 피륙은 하나의 선택이다. 흑연 피륙은 대체로 이 분야에서 잘 알려진 것처럼 순 탄소 또는 전구 재료일 수 있다. 또한, 내화재, 예컨대 석영(Refrasil) 직물이 사용된다. 금속 메쉬는 저렴하고, 광범위하게 사용되지만, 무겁고 설치하기 곤란하다. 그러나, 섬유 또는 메쉬로 보강하는 경우, 공지된 보호 시스템은 제트 화재에 대한 보호가 매우 효율적이지는 않으므로, 제한된 보호를 제공하기 위해 두껍고 무거운 코팅이 요구된다.

본 명세서에서 언급한 특허들은 모두 본 명세서에서 참고로 인용한다.

발명의 요약

본 발명의 한 실시 양태의 목적 중 하나는 현재 공지되어 있는 시스템보다 제트 화재에 대한 보호가 보다 효율적인 열 보호 시스템을 제공하는 것이다.

다른 목적은 후술하는 바로부터 당업자들에게 자명해 질 것이다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 일반적으로, 제트 화재로부터 기재를 보호할 수 있는 복합체 시스템이 제공되는데, 이 복합체 시스템은 활성형 화재 보호 재료로 된 하층과 융제형 화재 보호 재료로 된 상층을 포함하고, 상기 융제형 재료는 제트 화재에 노출될 때 개방 셀 매트릭스를 형성하여 하층으로부터의 기체가 주위로 통과하게 할 수 있게 한다.

본 발명의 다른 양태에 의하면, 일반적으로, 화재 또는 기타 고열 조건에 노출될 때 팽창하는 활성형 화재 보호 재료로 된 하층과 화재 또는 기타 고열 조건에 노출될 때 팽창하는 활성형 화재 보호 재료로 된 상층을 포함하고, 상층은 하층보다 팽창성이 낮으며, 상층은 상층의 약 7 중량% 이상을 구성하는 내화성 충전재를 포함하는, 제트 화재로부터 기재를 보호할 수 있는 복합체 시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 제1 활성형 열 보호 조성물로 된 층을 기재에 도포하는 제1 단계와, 이어서 제2 활성형 열 보호 조성물로 된 상층을 제1층위에 도포하는 제2 단계를 포함하고, 상기 제2 조성물은 제2 조성물의 약 7 중량% 이상을 구성하는 내화성 충전재를 포함하는 것인, 고열 조건에서 기재를 보호하는 방법을 제공한다. 제1 조성물 및 제2 조성물은 둘다 중합체 결합제와 기체 형성제를 포함하고, 제2 조성물은 제1 조성물보다 기체 형성제를 적게(중량 기준) 포함하는 것이 바람직하다.

일부 실시 양태에서는, 고온 메쉬 또는 직물 보강재가 복합체 시스템에 매립된다. 보강재는 다양한 재료일 수 있다. 한 실시 양태에서는 흑연이다. 다른 실시 양태에서는 금속, 예컨대 아연도금 강철이다. 또다른 실시 양태에서는, 각종 유리 섬유; 폴리이미드, 폴리벤조이미다졸 또는 폴리아미드(예, Kevlar)와 같은 고온 중합체; 실리카 또는 지르코니아와 같은 세라믹; 실리콘; 또는 이러한 재료들의 조합물이다. 다른 메쉬 또는 직물 보강재도 사용할 수 있으며, 보강재는 복합체 내에서 자유 부유 상태로 있거나 하부 기재에 핀 고정될 수 있다. 일부 실시 양태에서, 메쉬 또는 직물은 하층이 실질적으로 경화되기 전 또는 후에 하층에 적용된다. 하층이 실질적으로 경화되면, 바람직하게는 미경화된 상층의 박막 코팅 형태로 접착제층이 하층에 부착될 수 있고, 메쉬 또는 직물은 접착제층에 매립된다. 다른 실시 양태에서, 메쉬 또는 직물은 상층에 매립된다. 다른 실시 양태에서, 메쉬 또는 직물은 하층에 매립된다. 다른 실시 양태에서, 특히 메쉬가 기재에 핀 고정되고 시스템의 두께가 작은 경우, 메쉬는 시스템의 양 층을 통해 연장될 수 있다. 다른 실시 양태에서, 상층 내의 조각 형태의 섬유의 양 및 크기는 메쉬 또는 직물을 대체하도록 선택된다. 다른 실시 양태에서, 메쉬 또는 직물 보강재는 시스템의 요건으로 인해 필요하지 않다. 다른 실시 양태에서, 메쉬 또는 직물은 미국 특허 제4,493,945호(Feldman)에서와 같이 기재로부터 시스템이 돋보이게 하는 데 사용된다.

복합체 시스템의 바람직한 실시 양태에서, 하층은 기재에 직접 도포되어 그 기재에 접착된다. 접착을 돕기 위해서, 통상 허용되는 관례에 따라, 일반적으로 기재에 프라이머가 먼저 도포되는 것은 당연히 이해할 수 있는 사항이다.

바람직한 실시 양태에서, 하층의 두께는 약 1 내지 25 ㎜이다. 한 실시 양태에서, 하층의 두께는 15 ㎜ 미만이다. 다른 실시 양태에서, 하층의 두께는 약 3 ㎜ 내지 약 10 ㎜이다.

하층은 원래 두께의 2배 이상으로 팽창하여 고열 조건에 대응한다. 일부 실시 양태에서, 하층은 도포했을 때 두께의 약 2배 내지 약 5배로 팽창한다. 다른 실시 양태에서, 하층은 원래 두께의 5배 내지 100배로 팽창한다. 하층은 약 30% 내지 약 65%의 중합체 수지와 30% 이상의 발포제(기체 형성제)를 포함하는 것이 바람직하다. 사용할 수 있는 다양한 제제들이 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들어 그 중 일부는 전술한 특허들에 개시되어 있다. 다른 것이 미국 특허 제5,487,946호((McGinniss et al)에 개시되어 있다. 시판되고 있는 다른 것들도 있는데, 예를 들면 Chartek 7(Akzo Novel/International Paint, Ltd.), Albi Clad800(Albi Manufacturing division of Stanchem. Inc.) 또는 Thermo-Lag 3000, Thermo-Lag 2000, Thermo-Lag 440, Thermo-Lag 330 또는 Thermo-Lag 220(Nu-Chem, Inc.)이다.

바람직한 실시 양태에서, 상층의 두께는 약 1 내지 25 ㎜이다. 일 실시 양태에서, 상층의 두께는 15 ㎜ 미만이다. 다른 실시 양태에서, 상층의 두께는 약 2 ㎜ 내지 약 6 ㎜이다. 메쉬 또는 직물 보강재가 사용되는 경우, 상층의 두께는 약 2.5 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.

상층 조성물은 하층과의 조합체로서, 그리고 그 자체로서 본 발명의 일부를 구성한다. 즉, 본 발명의 다른 양태에 의하면, 중합체 결합제와, 조성물이 노출될 수 있는 고온에서 고체를 기체로 변화시키는 5% 내지 30%의 발포제와, 7% 이상의 내화성 충전재를 포함하는 열 보호 조성물이 제공된다.

내화성 충전재는 입자 또는 섬유, 또는 양자를 포함하는 것이 바람직하다. 충전재는 유리, 흑연, 또는 세라믹 섬유 및 입자(과립)를 포함하는 것이 바람직하다. 유리는 다양한 형태일 수 있다. 세라믹에는 예를 들면 금속 산화물, 예컨대 실리카, 알루미나, 멀라이트, 산화마그네슘, 이산화티탄 및 지르코니아; 금속 탄화물, 예컨대 탄화규소, 탄화알루미늄, 탄화붕소 및 탄화지르코늄; 금속 질화물, 예컨대 질화규소, 질화붕소 및 질화알루미늄; 금속 규산염, 예컨대 규산알루미늄, 코르디에라이트, 지르콘 및 스테아타이트; 및 금속 붕화물, 예컨대 사붕화규소, 붕화텅스텐 및 붕화지르코늄이 있다. 흑연은 실질적으로 순수한 탄소 형태일 수 있으며, 또는 화재 상태에서 실질적으로 순수한 탄소로 전환되는 전구체 재료일 수 있다. 어떤 섬유이든 현존하는 분무 도포기에 사용하기 위해서는 그 길이가 약 7 ㎜ 이하로 제한되어야 하지만, 상층을 다른 방법, 예컨대 트라우웰 가공, 브러시 가공(brushing), 롤 가공, 성형 가공에 의해 도포하는 경우에는 더 긴 섬유도 사용할 수 있다. 일 실시 양태에서, 충전재는 조성물의 약 15 중량% 이상을 구성한다. 다른 실시 양태에서, 이들은 조성물의 약 20 중량% 내지 약 30 중량%를 구성한다. 다른 실시 양태에서, 이들은 조성물의 25 중량% 이상을 구성한다. 불활성 충전재는 시스템의 내식성을 증가시키고, 그 효능을 현저히 증가시킨다. 불활성 충전재는 충전재를 함유하지 않는 상층보다 더 효과적으로 고온 화재로부터의 열을 재방사(반사에 의한 것 등)하도록 선택되는 것이 바람직하다.

상층에는 화재 상태에서 개방 기공성 매트릭스의 형성을 보장하도록 기체 형성 조성물이 소량 도입된다. 일 실시 양태에서, 기체 형성제는 상층 조성물의 30 중량% 미만을 구성한다. 다른 실시 양태에서, 기체 형성제는 상층 조성물의 약 10 중량% 내지 약 25 중량%를 구성한다. 상층 조성물은 화재 상태에서 하층보다 적게, 바람직하게는 초기 두께의 10% 내지 100% 정도로 팽창하도록 제제화된다. 상층은 하층의 팽창을 억제하지만, 하층의 팽창을 방해하지는 않는다.

현재 바람직한 실시 양태에서는, 가요성 및 탄성을 증가시키기 위해 유연화제로 상층을 개질시킨다. 현재 가장 바람직한 실시 양태에서, 상층은 약 35% 내지 약 65%의 에폭시 수지를 포함한다. 그것의 가요성 및 탄성을 증가시키기 위해서, 예를 들어 폴리설파이드를 사용하여 수지를 개질시키는 것이 바람직하다. 아민으로 경화시키는 것이 바람직하다. 다른 수지, 예컨대 폴리아미드, 폴리이미드, 아크릴,우레탄, 폴리이소시아누레이트 등도 사용할 수 있다. 현재 바람직한 수지의 폴리설파이드 및 아민 경화성 성분은 상층에 충분한 가요성을 부여함으로써 가열 시 기체 투과 가능한 개방 기공성 매트릭스를 형성할 수 있고, 또한 하층, 특히 최고 가열 부위의 하층을 팽창시킬 수 있다. 하층으로부터의 기체는 일부분만이 상층을 통해 투과할 것이다. 다른 부분은 하층의 제한된 팽창을 유도할 것이다. 상층은 또한 그 층 표면의 온도가 상당히 높고 그 아래의 온도가 훨씬 낮음으로 인해 발생하는 고온 스트레스에 대한 내성을 갖는다.

다른 방식으로 상층의 특성을 개량하기 위해서 상층에 첨가제들을 첨가할 수 있다. 예를 들면, 붕소 또는 아연을 원소 형태 또는 조합 형태로 첨가할 수 있다. 착색제, 복사능 조절제, 유동성 개질제, 가소제 등도 첨가할 수 있다.

상층은 또한 과도한 열 또는 화재에 노출되지 않았을 때 시스템에 이점을 제공한다. 시스템으로 하여금 환경 조건, 예컨대 물, 염분, 방사선 및 부식에 대해 더 큰 내성을 갖게 하고, 또한 물리적 마모에 대해서도 더 큰 내성을 갖게 한다. 본 발명의 일 실시 양태는 NORSOK M-501 표준(1999. 12. 4 개정)에 설명되어 있는 침적/동결/건조 순환 테스트 프로그램을 이용하여 상도 코팅이 있는 것과 없는 것 모두를 성공적으로 테스트하였다. 그 테스트를 거친 샘플(스크라이브가 없는 것)과 그 순환 테스트 프로그램을 거치지 않은 샘플에 대해 60분간의 탄화수소 화재 내구성 테스트(노르웨이 석유 관리국 표준 NS 3904)를 수행하였다. 이 표준은 본 명세서에 참고 인용한다.

전통적인 상도 코팅과는 달리, 본 발명의 상층은 1 ㎜ 이상, 바람직하게는 2㎜ 이상의 실질적인 두께를 가지며, 하층의 조성과 상용성이다. 본 발명의 바람직한 실시 양태에서, 상층 및 하층은 유사한 수지 시스템을 포함하지만, 그들 중의 기체 형성 재료의 양과 내화성 충전재의 양이 다르다.

본 발명이 응용되는 많은 용도에서 바람직한 것은 아니지만, 일부 용도, 예컨대 화재 또는 기타 고온 조건으로부터의 장기간의 내구적 보호가 필요하지 않은 보호용 파이프의 경우에, 상층은 하층 없이도 사용할 수 있다.

본 발명의 복합체는 표준 제트 화재 테스트 절차에서, 복합체 시스템의 전체 두께로 도포되는 경우에도, 단지 상층 조성물 또는 하층 조성물만을 포함하는 시스템에 의해 제공되는 보호보다 30% 이상 더 장기간의 보호를 제공하는 것으로 확인되었다. 본 발명의 바람직한 시스템은 50% 이상 더 장기간의 보호를 제공하며, 때때로 100%를 상회하는 더 장기간의 보호를 제공한다.

본 발명의 시스템을 이용하여 여러가지 다양한 기재를 보호할 수 있다. 특히, 탄화수소 회수 또는 처리 설비, 예를 들어 심해 굴착 플랫폼 및 석유 처리 공장의 철골 구조물을 보호하는 데 유용하다. 또한, 본 발명의 시스템을 이용하여 다른 기재, 예를 들어 다른 금속, 플라스틱, 파이프, 플랜지, 핀, 벌크헤드, 탱크, 로켓 발사대 및 초음속 항공기의 리딩 에지를 보호할 수 있다.

본 발명의 다른 관점들은 후술하는 내용을 통해 잘 이해될 것이다.

본 발명 실시를 위한 최적 양태

이하, 비제한적인 실시예를 통해 본 발명을 예시한다. 당업자는 실시예의 기재를 통해 본원 발명을 실시 및 이용할 수 있을 것이며, 기재된 실시예에는 현재본원 발명을 실시하기에 최적 양태로 생각되는 것 이외에 몇몇 구체예, 적용예, 변형예, 대체예 등이 기재되어 있다.

본 발명은 열 보호 코팅에 관한 것이다. 특히, 이것은 기재에 도포되는 코팅에 도포함으로써, 매우 고강도, 고속 고열 조건로부터 기재를 보호하는 데 유용하다.

실시예 1

제거할 수 있는 상층으로 사용하기 위한 조성물은 가요성 중합체 수지(개질된 에폭시 수지, 특히 에폭시 폴리설파이드 수지를 예로 들 수 있음) 35 중량% 내지 65 중량%, 기체 형성제(폴리올 스푸미픽스(spumifics), 아민 발포제 및 포스페이트 산 형성제를 예로 들 수 있음) 5 중량% 내지 30 중량% 및 내화성 충전재 약 10% 내지 약 40%를 함유하도록 제조하였다. 상기 예시한 조성물은 다음과 같은 명목 조성을 가진 2 성분 개질된 에폭시이다:

	중량%
멜라민	5
암모늄 폴리포스페이트	10
펜타에리트리톨	5
에폭시 수지(비스페놀 A)	25
폴리설파이드 및 아민 경화제	25
유리 섬유(잘게 절단함)	5
세라믹 입자	25

실시예 2

하층 활성형 열 보호 조성물은 중합체 수지(개질된 에폭시 수지, 특히 에폭시 폴리설파이드 수지를 예로 들 수 있음) 30 중량% 내지 70 중량% 및 기체 형성제(폴리올 스푸미픽스, 아민 발포제 및 포스페이트 산 형성제를 예로 들 수 있음) 20 중량% 내지 50 중량%를 함유하도록 제조하였다. 하기 테스트에 사용하기 위한 조성물은 에폭시계 열 활성화된 2 성분 코팅이며, 불꽃 또는 열적 극한 상황에 노출되는 경우, 고정 온도에서 휘발되며, 개방 셀 매트릭스의 형성을 통해 부피의 소폭 증가(최초 두께의 2배 이상)를 나타내며, 열을 흡수 및 차단하여 기재를 보호한다. 상기 조성물은 다기능성 알콜, 1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민, 에폭시 수지 및 이황화 결합과 경화성 말단 티올기(폴리설파이드)를 함유하는 비스-(에틸렌 옥시)메탄의 중합체를 포함한다.

상기 예시한 조성물은 다음과 같은 명목 조성을 갖는 개질된 2 성분 에폭시이다:

	중량%
멜라민	5
암모늄 폴리포스페이트	25
펜타에리트리톨	10
에폭시 수지	30
폴리설파이드	20
유리 섬유	5
촉매	5

일반적으로, OTI 95634(1996년)에 기술된 바와 같은 테스트 물품은 하층 조성물을 이용하여 3 mm 두께로 분무하였다.

경화하기 이전에 흑연 직물을 하층 내로 압착하였다. 하층은 17 시간 동안 경화하고, 실시예 1의 상층 조성물을 3 mm로 하층에 분무하였다. 상기 복합체는 30℃에서 1개월 동안 경화하였다.

실시예 3

실시예 2에 따라 제조한 테스트 물품은 OTI 95634(1996년)에 기술된 절차에따라 제트 화재에 노출시켰다. 테스트 결과, 상기 복합체 구조물은 테스트 조건 하에서 약 60분 동안 보호되었다.

더 소규모의 테스트 결과 상기 복합체 시스템은 복합체의 전제 두께와 동일한 두께의 상층 또는 하층 만에 의해 제공되는 보호보다 훨씬 더 장기간의 보호 효과를 제공하였다. 테스트 결과는 하기 표 3에 요약하였다.

소규모 제트 화재 모의실험

온도 약 1100℃

열 플럭스 약 300 KW/m²

코팅 조성물 A = 하부 코팅, B = 상부 코팅

테스트 물품 코팅 조성물 400℃까지의 시간

평 플레이트

6"x6"x1/4" A 3 mm 및 B 3 mm 44분

6"x6"x1/4" A 3 mm 27분

파이프

직경 4" B 5 mm 10분

직경 4" A 3 mm 및 B 3 mm 26분

(벽 두께: 3/8")

실시예 4

본 발명에 따라 복합체 시스템의 전범위 테스트를 오프쇼 테크놀로지 리포트 OTI 95 634에 따라 수행하였다. 상층 및 하층 조성물은 실시예 1(표 1) 및 실시예 2(표 2)에 도시한 바와 같이 형성하였다. 시험편은 에폭시 프라이머로 프라이밍하고, 명목 두께 3 mm의 상층 조성물 및 1 cm²당 약 2.3개의 개구부를 가진 사이징된 탄소 섬유 직물로 강화된 명목 두께 3 mm의 상층 조성물로 코팅하였다. 상기 직물 중량은 1 m²당 약 105 g이었으며, 직물의 연결층은 중첩시켰다. 복합체 시스템의총 두께는 6 mm 였으며, 개개의 측정치는 5 mm 내지 7 mm 범위였다.

30분의 말미에, 평균 박스 온도는 주위보다 250℃ 높게 상승되었으며, 평균 웹 온도는 239℃로 상승되었다. 75분후, 평균 박스 온도는 주위보다 327℃ 높게 상승되었으며, 평균 웹 온도는 382℃로 상승되었다. 30분에서 최대 상승치는 각각 428℃ 및 265℃였으며, 75분에서 최대 상승치는 각각 450℃ 및 411℃였다.

또한, 상층 조성물(실시예 1, 표 1) 만을 포함하는 시스템에 대해 오프셔 테크놀로지 리포트 OTI 95 634에 따라 테스트를 수행하였다. 시험편은 에폭시 프라이머로 프라이밍하고, 박스의 이면 상에 명목 두께 12 mm 및 웹 상에 16 mm로 상층 조성물을 코팅하였다. 전체 구조물은 박스 및 웹 표면으로부터 약 8 mm에서 사이징된 탄소 섬유 직포로 강화시켰다. 추가의 직물 층은 웹 상에서만 웹 표면으로부터 명목 12 mm에서 사용하였다. 상기 직물은 1 cm²당 약 2.3개의 개구부를 보유하고, 중량은 1 m²당 약 105 g이었으며, 직물의 연결층은 중첩시켰다. 상기 시스템의 측정된 평균 두께는 박스의 이면 상에서 12.7 mm(10.5-16 mm)였으며, 시험편의 웹 상에서 15.2 mm(13-17 mm)였다.

30분의 말미에, 평균 박스 온도는 주위보다 121℃ 높게 상승되었으며, 평균 웹 온도는 175℃로 상승되었다. 70분후, 평균 박스 온도는 주위보다 180℃ 높게 상승되었으며, 평균 웹 온도는 347℃로 상승되었다. 120분후, 평균 박스 온도는 주위보다 207℃ 높게 상승되었으며, 평균 웹 온도는 474℃로 상승되었다. 30분에서 최대 상승치는 각각 140℃ 및 225℃였고, 70분에서 최대 상승치는 각각 210℃ 및 462℃였으며, 120분에서 최대 상승치는 각각 239℃ 및 628℃였다. 120분후, 모든 직물은 손상되지 않았으며, 금속 기재는 제트 화재에 노출되지 않았다.

또한, 하층 조성물(실시예 2, 표 2) 만을 포함하는 2개의 시스템에 대해 오프셔 테크놀로지 리포트 OTI 95 634에 따라 테스트를 수행하였다. 시험편은 에폭시 프라이머로 프라이밍하고, 명목 두께 5 mm의 하층 조성물(테스트 A) 및 명목 두께 11 mm의 하층 조성물(테스트 B)로 코팅하였다. 각 테스트에서, 전체 구조물은 기재에 핀 고정된 12.7 x 12.7 mm 개구부를 가진 19-게이지 와이어 메쉬로 강화시켰다. 테스트 A에서, 상기 시스템의 측정된 평균 두께는 박스의 이면 상에서 4 mm(2.5-5 mm)였으며, 시험편의 웹 상에서 4.7 mm(3-7 mm)였다. 테스트 B에서, 상기 시스템의 측정된 평균 두께는 박스의 이면 상에서 11 mm(9-14 mm)였으며, 시험편의 웹 상에서 11.4 mm(9-13 mm)였다.

30분의 말미에, 테스트 A의 평균 박스 온도는 주위보다 352℃ 높게 상승되었으며, 평균 웹 온도는 473℃로 상승되었다.

30분의 말미에, 테스트 B의 평균 박스 온도는 주위보다 200℃ 높게 상승되었으며, 평균 웹 온도는 180℃로 상승되었다. 74분후, 평균 박스 온도는 주위보다 318℃ 높게 상승되었으며, 평균 웹 온도는 325℃로 상승되었다. 74분에서 최대 상승치는 604℃ 및 376℃였다. 금속 메쉬 및 금속 기재는 제트 화재에 의해 노출되었다.

이상과 같은 기재를 통해, 본 발명의 몇가지 목적 및 이점이 실현되며, 다른 이로운 결과들도 얻을 수 있음을 확인할 수 있을 것이다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 상기 구성의 다양한 변형 실시가 가능할 것이기 때문에, 도면을 포함하여 본원의 모든 기술 내용은 예시적인 것으로서 비제한적으로 해석되는 것으로 의도한 것임을 밝혀둔다.

Claims

화재 또는 기타 고열 조건으로부터 기재를 보호하는 복합체 시스템으로서, 상기 시스템은 활성형 화재 보호 재료의 하층과 융제형 화재 보호 재료의 상층을 포함하고, 상기 융제형 재료는 고열 조건에 노출될 때 개방 셀 매트릭스를 형성하여 하층으로부터의 기체가 주위로 통과하게 할 수 있는 것인 복합체 시스템.
제1항에 있어서, 상층은 불활성 충전재 약 7 중량% 이상을 포함하는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상층은 불활성 충전재 15 중량% 이상을 포함하는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상층은 불활성 충전재 20 중량% 이상을 포함하는 것인 시스템.
제2항에 있어서, 불활성 충전재는 유리, 흑연 및 세라믹을 포함하는 군 중에서 선택되는 것인 시스템.
제2항에 있어서, 불활성 충전재는 상층에 의해 열의 재방사를 증가시키는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 시스템은 상층 또는 하층의 동일한 두께의 코팅에 의해 제공되는 보호보다 30% 이상의 시간 동안 제트 화재에 대해 보호할 수 있는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 시스템에 매립된 메쉬 또는 직물 보강재를 더 포함하는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 하층은 두께가 약 1 내지 약 25 mm인 것인 시스템.
제1항에 있어서, 하층은 두께가 약 2 내지 약 15 mm인 것인 시스템.
제10항에 있어서, 상층은 두께가 약 2 내지 약 6 mm인 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상층은 두께가 약 1 내지 약 25 mm인 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상층은 두께가 약 1 내지 약 6 mm인 것인 시스템.
제트 화재로부터 기재를 보호할 수 있는 복합체 시스템으로서, 상기 시스템은 화재 또는 기타 고열 조건에 노출될 때 팽창하는 활성형 화재 보호 재료의 하층과, 화재 또는 기타 고열 조건에 노출될 때 팽창하는 활성형 화재 보호 재료의 상층을 포함하고, 상층은 하층보다 덜 팽창하며, 상층은 상층 약 7 중량% 이상을 구성하는 내화재의 충전물을 포함하는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 상층은 내화재 15 중량% 이상을 포함하는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 불활성 충전물은 유리, 흑연 및 세라믹을 포함하는 군 중에서 선택되는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 시스템은 상층 또는 하층의 동일한 두께의 코팅에 의해 제공되는 보호보다 30% 이상의 시간 동안 제트 화재에 대해 보호할 수 있는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 시스템 내에 매립된 메쉬 또는 직물 보강재를 더 포함하는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 하층은 두께가 약 1 내지 약 25 mm인 것인 시스템.
제14항에 있어서, 하층은 두께가 약 2 내지 약 6 mm인 것인 시스템.
제20항에 있어서, 상층은 두께가 약 2 내지 약 6 mm인 것인 시스템.
제14항에 있어서, 상층은 두께가 약 1 내지 약 25 mm인 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상층은 두께가 약 1 내지 약 6 mm인 것인 시스템.
제1 활성형 열 보호 조성물의 층을 기재에 도포하는 제1 단계와, 이어서 제2 활성형 열 보호 조성물의 상층을 상기 제1 층에 도포하는 제2 단계를 포함하며, 상기 제2 조성물은 제2 조성물의 약 7 중량% 이상을 구성하는 내화 재료의 충전재를 포함하는 것인, 고열 조건로부터 기재를 보호하는 방법.
제24항에 있어서, 제1 조성물 및 제2 조성물은 중합체 결합제 및 기체 형성제를 포함하고, 상기 제2 조성물은 제1 조성물보다 기체 형성제를 덜 포함하며, 이 방법은 기재에 도포되는 복합체 시스템을 제공하는 것인 방법.
제25항에 있어서, 복합체 시스템 내에 고온 메쉬 또는 섬유 보강재를 매립하는 추가의 단계를 포함하는 것인 방법.
제26항에 있어서, 보강재는 흑연 직물을 포함하는 것인 방법.
제26항에 있어서, 보강재는 금속 메쉬를 포함하는 것인 방법.
제24항에 있어서, 하층은 약 1 내지 약 25 mm의 경화 두께로 도포되는 것인 방법.
제29항에 있어서, 하층은 두께가 15 mm 미만인 것인 방법.
제24항에 있어서, 하층은 초기 두께의 2 배 이상으로 팽창함으로써 고열 조건에 반응하는 것인 방법.
제24항에 있어서, 상층은 약 1 내지 약 15 mm의 경화 두께로 도포되는 것인 방법.
제32항에 있어서, 상층은 두께가 약 6 mm 미만인 것인 방법.
제24항에 있어서, 상층은 초기 두께의 2 배 미만의 평균 두께로 팽창함으로써 고열 조건에 반응하는 것인 방법.
중합체 결합제, 조성물이 겪게되는 고열 온도에서 고체로부터 기체로 변화시키는 발포제 5% 내지 30% 및 내화 충전재 7% 이상을 포함하는 열 보호 조성물.
제35항에 있어서, 내화 충전재는 입자 및 직물을 모두 포함하는 것인 조성물.
제35항에 있어서, 충전재는 세라믹 입자 및 유리 섬유를 포함하는 것인 조성물.
제35항에 있어서, 충전재는 유리, 흑연 및 세라믹으로 구성된 군 중에서 선택되는 1 이상의 재료를 포함하는 것인 조성물.
제35항에 있어서, 충전재는 조성물의 약 15 중량% 이상을 포함하는 것인 조성물.
제35항에 있어서, 충전재는 조성물의 약 20 중량% 내지 30 중량%를 구성하는 것인 조성물.
제35항에 있어서, 발포제는 조성물의 10 중량% 내지 30 중량%를 구성하는 것인 조성물.
제35항에 있어서, 가요성화제를 포함하는 것인 조성물.
제35항에 있어서, 조성물은 개질된 에폭시 수지 약 35% 내지 약 65%를 포함하는 것인 조성물.
제43항에 있어서, 에폭시 수지는 폴리술피드로 개질되고, 아민으로 경화되는 것인 조성물.