KR20050069490A - 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아크릴계 모노머와 분자내 에틸렌 불포화기를 2개 이상 함유한 아크릴레이트계 모노머로 이루어진 수축억제용 아크릴계 수지를 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체에 혼합하여 주수지로 사용함으로써, 주수지의 가교도를 높여서, 이를 도료로 사용할 경우 치밀한 도막을 형성하여 내수성 증가 및 흡습을 감소시키고, 균일하고 높은 발포율을 나타내며, 수축 및 크랙 발생이 저하된 우수한 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물에 관한 것이다.

Description

저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물{Coatings for fire resistance}

본 발명은 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아크릴계 모노머와 분자내 에틸렌 불포화기를 2개 이상 함유한 아크릴레이트계 모노머로 이루어진 수축억제용 아크릴계 수지를 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체에 혼합하여 주수지로 사용함으로써, 주수지의 가교도를 높여서, 이를 도료로 사용할 경우 치밀한 도막을 형성하여 내수성 증가 및 흡습을 감소시키고, 균일하고 높은 발포율을 나타내며, 수축 및 크랙 발생이 저하된 우수한 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물에 관한 것이다.

최근 건축물들이 고층화 및 대형화 됨에 따라 철골 구조물이 건축물 중에서 차지하는 비중이 증대되고 있으며 특히 실직적으로 건축물의 하중을 받는 보 및 기둥 등은 매우 중요한 부분으로 내구성이 뛰어난 강재의 사용이 필수적이라 할 수 있다. 정상적인 조건에서는 내구성에 대하여는 큰 문제가 없으나 화재의 경우 등에서 화염이 노출되어 일정온도 이상 가열되었을 때는 철골 구조물을 이루는 강재 고유의 인장강도나 압축강도 등에 심각한 영향을 초래하게 되며 종국적으로는 철골 구조물의 변형, 붕괴, 및 파괴가 일어나게 되는 문제점이 있다. 이러한 화염 노출에서의 문제점을 보완하기 위하여 철골 구조물을 구성하는 강재에 내화성을 부여하여야 한다는 필요성이 오랫동안 요구되어 왔다.

내화도료는 건축물 등을 화재로 부터 보호하여 화재발생시 고온의 열이 강재에 접근하는 것을 차단하거나 지연시킴으로써 화재를 진압할 시간을 제공하거나 또는 인명을 구조할 수 있는 시간을 제공하는 도료이며, 내화구조란 건축물의 주요 구조부가 화재발생시 고온에서 견디는 내화성능을 갖추고 있음은 물론이고 화재 후 간단한 수리로도 재사용이 가능한 구조를 말한다.

한편, 철골 구조물에 사용되는 저 탄소강은 임계온도가 540?? 정도로, 임계 온도 이상에서는 내력이 통상 60% 정도로 감소하기 때문에 건물의 화재시 철골의 내력 저하 및 이로 인한 인명피해를 최대한 방지하기 위하여 철골 내화 피복을 실시하고 있다.

현재까지 철골 내화 피복에 사용되는 내화구조는 라코트와 같은 암면계나 질석계 뿜칠재가 이 분야에 있어서 대표적인 것이었다. 그러나, 최근에 이르러 암면계나 질석계에 대한 사용규제가 예상되고 있으며 작업시 분진이 발생되는 점, 미관이 불량한 점 및 작업 환경이 열악한 점 등으로 인하여 사용자들이 이들 뿜칠재의 사용을 기피하고 있다. 따라서, 상대적으로 환경 친화적인 내화도료의 사용량이 점점 늘고 있는 추세이다.

발포성 내화도료는 열에 노출되면 건조 도막층이 발포하여 탄화층을 형성하는 도료로서 이 탄화층이 일정시간 동안 피도물(철골)을 화염 및 연소열로부터 보호한다. 탄화층 자체는 최종적으로 연소되지만, 연소될 때 까지는 어느정도 시간이 걸리므로 피도체가 받는 영향은 작게 되는 것이다.

일반적으로 화재시 발포성 내화도료가 철골 구조물을 보호하는 기능을 제대로 발휘하기 위해서는 여러가지 기본적 성능이 필요하다.

그 첫째로는 충분한 단열성을 가지기 위하여 발포가 원활하게 이루어져 발포막의 두께가 일정수준 이상 높아야 한다. 발포두께가 얇을 경우 충분한 단열성을 낼 수가 없다.

둘째로는 효과적인 단열을 위하여 발포 도막의 밀도가 충분히 높아야 한다. 발포 도막의 두께가 두껍더라도 도막의 밀도가 낮으면 외부로 부터의 열의 침투를 효과적으로 막을 수 없게 된다.

셋째로 발포시 수축으로 인한 크랙의 발생없이 고른 발포가 일어나야 하는데, 발포 도막에 크랙이 발생하게 되면 크랙 발생부위를 통하여 철골에 열이 유입되어 타 부위의 단열이 필요없게 된다.

기존의 내화성 수지 조성물을 제조하기 위한 종래 기술로서는 상기한 난연성수지조성물 이외에도 합성수지에 유기 할로겐화물 또는 유기 할로겐화물과 삼산화안티몬의 혼합물을 혼입하여 제조하는 기술이 있었으나, 상기한 방법은 성형시 성형장치를 부식시키며 화재 발생시 유독하고 부식성인 연기를 다량 방출한다는 문제점이 있었다.

한편, 수산화 알루미늄 또는 수산화마그네슘과 같은 금속 수산화물을 청정내화재로서 사용하는 수지 조성물이 관심을 끌어왔으며, 실제 그 일부가 사용되기도 하였다. 그러나, 상기한 수산화 알루미늄 또는 수산화마그네슘 외에 금속 수산화물을 카본블랙이나 적린효능을 가지므로 과량의 금속 수산화물이 혼입되어야 적절한내화성을 부여할 수 있으며 이러한 수지 조성물은 합성수지 자체의 기계적 강도를 저하시키고, 내수성을 저하시키는 문제점이 있었다.

또한 금속 수산화물과 카본블랙의 혼합물을 사용하는 수지 조성물은 결과의 성형물품이 흑색을 띄게 되며, 자유로운 착색이 불가능하다는 결점을 가지고 있으며 금속 수산화물과 적린의 혼합물을 사용하는 수지 조성물은 적린이 유독하고 적색을 부여하며 결과의 성형물품이 자유로이 착색될 수 없는 문제점을 나타내고 있으며, 결정적으로 도료로서의 사용이 거의 불가능하다는 문제점이 있었다.

대한민국 특허공고 제95-9166호에는 난연성 수지 조성물 및 그것을 사용한 절연전선 및 절연튜우브에 관한 기술이 기재되어 있으며, 이는 유해가스의 발상이 없고 뛰어난 난연성을 가짐과 동시에 초기 항장력, 내열 노화성, 전기적 특성이 뛰어난 난연성 수지 조성물을 제조하는 방법과 그것으로 부터의 난연성 수지조성물 및 이것을 사용한 절연전선이나 절연튜우브를 제공하는 것을 목적으로 하고 있으며, 이를 통하여 전자계산기, 사무기기, 차량 등의 사업 기기용의 전선, 오디오, 비디오, 퍼스널 컴퓨터 등의 민생용 전자기기류 및 배선용의 전선을 피복하기 위한 난연성 수지 조성물을 제공하고 있다. 그러나, 이러한 난연성 수지 조성물은 수지조성물 그 자체가 직접 성형되어 전기, 전자제품의 외장을 구성하거나 또는 전선의 피복을 제공하는 데 그치는 것으로서 열가소성 수지 100 중량부에 대하여 수산화 마그네슘 100 내지 250 중량부, 유기규소화합물 1 내지 10 중량부를 혼합하여 이루어지며, 이러한 난연성 수지 조성물의 경화시에는 전자선의 조사가 필요하다는 단점이 있다.

또한, 대한민국 특허공고 제96-11356 호에는 내화성 부재를 보호하기 위한 열절연성 피복물에 관한 것으로 주로 용융금속의 주조시 사용되어 일정온도 이상 가열되었을 때 철골 구조물을 이루는 강재를 보호하기에는 부적절하다는 단점이 있었다.

이에 본 발명의 발명자들은 종래의 내화도료 시스템에 새로운 수축 억제용 수지를 도입하면, 종래의 발포성 내화도료 시스템과 동등 이상의 발포율과 발포도막 밀도를 가지면서 발포시 발생할 수 있는 수축현상과 이로 인한 크랙발생을 억제하여 효과적인 단열성을 나타낼 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 일정이상의 발포율을 갖고 발포도막의 밀도가 적절하면서, 특히 수축으로 인한 크랙 발생이 없이 고르게 발포가 일어날 수 있도록 한 개량된 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 수지와 발포제, 촉매, 탄화제, 안료, 첨가제 및 유성용제를 포함하는 발포성 내화도료 조성물에 있어서, 상기 수지로서 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체 1 ∼ 50 중량%와 수축 억제용 아크릴계 수지 1 ∼ 25 중량%; 발포제 5 ∼ 25 중량%; 촉매 10 ∼ 40 중량%; 탄화제 5 ∼ 25 중량%; 안료 3 ∼ 15 중량%; 증점제, 분산제, 소포제 및 가소제 중에서 선택된 하나 이상의 첨가제 3 ∼ 15 중량%와 유성용제 10 ∼ 50 중량%를 포함하는 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물을 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물은 발포가 완전히 끝난 상태에서의 발포도막 두께와 발포이전의 정상 건조도막 두께의 비율로 측정한 발포율이 우수하도록 설계된 것으로서, 상기 도료를 구성하는 모노머 조성을 조절함으로써 발포도막의 수축현상을 억제하여 매우 효율적인 단열효과를 얻을 수 있도록 하였다.

본 발명의 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물은, 유성 알킬변성 아크릴계 수지를 포함하는 통상의 발포성 내화도료에 발포제, 탄화제, 안료, 첨가제 및 유성용제 등을 포함하는데, 본 발명에 따른 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물을 구성성분별로 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

(1) 수지

수지는 건조도막 내에서 상온에서는 내구성을 발휘하고 고온의 열에 노출되었을 때는 도막을 유동상태로 변화시켜 가스가 발생될 때 적절하게 도막이 발포되도록 하는 역할을 한다.

본 발명에서는 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체와 수축억제용 아크릴계 수지를 혼합하여 사용한다.

먼저, 본 발명에서는 내약품성, 내후성, 유연성 등 내구성이 양호하고, 특히 뛰어난 내수성을 발휘하는 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체로서 유리전이온도가 0 ∼ 80 ℃ 범위이고, 중량평균분자량이 1,000 ∼ 50,000인 것을 사용한다. 이때, 유리전이온도가 0℃ 미만일 경우 열에 의해 수지의 점도가 저하되는 시점이 너무 빨라 충분한 발포율을 얻을 수 없으며, 80℃를 초과할 경우 점도 저하 시점이 너무 늦어 또한 충분한 발포율을 얻을 수 없게 된다. 또한, 상기 중량평균분자량이 1,000 미만일 경우 도막의 내마모성과 내수성이 불량해지고 고른 발포도막을 얻을 수 없으며, 분자량이 50,000일 경우 도료의 작업성, 평활성 등이 불량해지며 발포도막의 발포율이 떨어지게 된다.

상기 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체는 에틸렌 불포화기를 가지는 아크릴계 모노머, 스티렌 모노머, 수산기(-OH) 또는 산기(-COOH)를 함유하는 아크릴 모노머, 카프로락톤 변성 아크릴 모노머 및 폴리프로필렌 변성 모노머 등 중에서 2종이상 선택된 모노머를 공중합시켜 제조할 수 있는데, 열분해형 개시제를 사용하여 80 ∼ 180 ℃ 범위에서 자유라디칼 메카니즘에 의한 용액중합법으로 제조할 수 있다.

이때, 상기 에틸렌 불포화기를 가지고 있는 아크릴계 모노머를 구체적으로 예를 들면, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 이소부틸메타크릴레이트, 노말부틸메타크릴레이트, 노말헥실메타크릴에이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 이소보닐메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 프로필아크릴레이트,이소부틸아크릴레이트, 노말부틸아크릴레이트, 터셔리부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 노말옥틸아크릴에이트 및 이소보닐아크리레이트 등이 있다.

상기 수산기(-OH) 또는 산기(-COOH)를 함유하는 아크릴 모노머로는 아크릴산, 하이드록시프로필메타크릴레이트 등이 있다.

공중합체 제조시 사용될 수 있는 용제로는 톨루엔, 자이렌과 같은 방향족 탄화수소계, 메틸에틸케톤,메틸프로필케톤, 메틸부틸케톤,에틸프로필케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸아밀케톤 등의 케톤계, 그리고, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 노말프로필아세테이트, 이소프로필아세테이트, 이소프로필아세테이트, 부틸아세테이트, 메틸셀로솔브아세테이트, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 카비톨아세테이트 등의 에스테르계 용제 및 노르말 프로판올, 이소프로판올, 노르말부탄올, 이소부탄올, 터셔리부탄올 등의 알콜계 용제 등을 사용할 수 있다.

공중합체 제조시 사용될 수 있는 개시제로는 열분해형 개시제로서, 구체적으로 예를 들면, 2,2'-아조비스 2-메틸부틸로니트릴, 2,2'-아조비스 이소부틸로 니트릴, 디벤조일 퍼옥사이드, 터셔리부틸퍼옥시 벤조에이트, 디터셔리부틸퍼옥사이드, 터셔리부틸퍼옥시2-에틸헥사노에이트, 터셔리부틸퍼옥시 아세테이트, 큐밀하이드로 퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드 및 터셔리부틸하이드로퍼옥사이드 등이 있다.

이와같은 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체는 전체 도료 조성물에 1∼ 50 중량% 사용하는데, 만일 그 사용량이 1 중량% 미만이면 건조경화도막의 내구성이 불량해지며 50 중량%를 초과하면 발포율이 떨어지고 발포중간에 도막이 박리되어 정상적인 내화성능을 발휘할 수 없게 된다.

다음으로, 본 발명에서 사용하는 수축 억제용 아크릴계 수지로서, 이는 본 발명에서 특징적으로 사용하는 성분이며, 상기 성분을 사용함으로서 본 발명의 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물에 수축정도를 효율적으로 감소시키는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

이러한 수축 억제용 아크릴계 수지는 수축억제 작용을 부여하는 분산형 수지로서, 아크릴산, 메타크릴산, 하이드록시에틸아크릴레이트, 하이드록시프로필아크릴레이트, 하이드록시에틸메타크릴레이트, 하이드록시프로필메타크릴레이트 및 스타이렌 등 중에서 선택된 아크릴계 모노머 1종 또는 그 이상의 혼합물 70 ∼ 99 중량%와, 에틸렌 불포화기를 2개 이상 함유하고 있는 디아크릴레이트계 모노머, 트리아크릴레이트계 모노머 또는 이들의 혼합물 1 ∼ 30 중량%를 포함한다.

상기에서, 디아크릴레이트계 또는 트리아크릴레이트계 모노머의 구체적인 예로는, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 400 디아크릴레이트, 트리페닐글리콜디아크릴레이트, 디비닐에탄, 비닐메타크릴레이트, 글리세린트리메타크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 트리메틸올에탄트리아크릴레이트 및 펜타에리트리톨트리메타크릴레이트 등 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.

상기와 같은 디아크릴레이트 또는 트리아크릴레이트는 수지 내에 있으면서 수지의 가교도를 높혀주며, 또한 높은 가교도로 인하여 건조도막 형성시 보다 치밀한 도막표면을 이룰 수 있게되어, 발포성능에 많은 영향을 미치는 건조도막의 흡습을 감소시키게 되는데, 상기 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체와 함께 적정비율로 혼합 사용되어 건조도막 형성시 알킬변성 아크릴계 공중합체의 골격 사이사이에 고르게 분포되어 발포시 균일한 발포를 일으켜 수축이나 크랙 현상의 발생을 억제하게 된다. 이와같은 역할을 하는 수축 억제용 아크릴계 수지는 전체 도료 조성물에 1 ∼ 25 중량% 사용된다. 이때, 그 사용량이 1 중량% 미만이면 발포시 수축 및 크랙발생 현상이 심해지며, 25 중량%를 초과하면 발포율이 떨어져 정상적인 내화성능을 발휘할 수 없게 된다.

(2) 발포제

발포제는 고온에서 분해되어 탄화제 및 촉매와 반응하여 탄화층을 형성하며 반응 중에 가스를 발생시켜 탄화층이 적절하게 발포할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.

상기한 발포제로는 구체적으로 멜라민, 디시안디아마이드, 우레아 및 글리신 등이 있으며, 전체 조성물 중에 5 ∼ 25 중량% 사용한다. 이때, 사용량이 5 중량% 미만이면 탄화층 형성이 불량해지며 발생되는 가스도 불충분하여 탄화층의 발포가 미약하며, 25 중량%를 초과하면 가스의 발생이 너무 많아지게 되어 탄화층의 발포 이전에 가스의 과량분출로 인하여 탄화층이 갈라져 정상적인 내화성능을 발휘할 수 없게 되어 바람직하지 않다.

(3) 촉매

촉매는 고온에서 분해되어 가스를 방출하면서 탄화제 및 발포제의 반응을 촉진시킴과 동시에 반응에 참여하여 탄화층을 형성하는 역할을 수행한다. 이러한 촉매로는 1급 암모늄 포스페이트(primary ammonium phosphate), 2급 암모늄 포스페이트(secondary ammonium phosphate), 암모늄 포스파이트(ammonium phosphite), 멜라민 포스페이트(melamine phosphate), 디멜라민 포스페이트(dimelamine phosphate), 멜라민 피로포스페이트(melamine pirophosphate) 및 트리크레실 포스페이트(tricrecyl phosphate) 등을 사용할 수 있으며, 전체 도료 조성물중에 10 ∼ 40 중량% 사용한다. 이때, 촉매 사용량이 10 중량% 미만이면 탄화제 및 발포제와의 반응이 원활하지 못하게 되고, 40 중량%를 초과하면 오히려 발포율이 떨어져 내화성능이 저하되므로 바람직하지 않다.

(4) 탄화제

탄화제는 고온에서 발포제와 반응하여 내화성능을 발휘하는 탄화층을 형성시키는 역할을 한다. 이러한 탄화제로는 펜타에리트리톨(pentaerythritol), 디펜타에리트리톨(dipentaerythritol), 트리펜타에리트리톨(tripentaerythritol), 소르비톨(sorbitol), 트리메틸올프로판(trimethylolpropane), 트리메틸올에탄(trimethylolethane) 및 트리메틸올프로판(trimethylolpropane) 등 중에서 선택된 것을 전체 도료 조성물 중에 5 ∼ 25 중량% 사용한다. 이때, 탄화제가 전체 조성물의 총중량을 기준으로 5중량% 미만으로 사용되면 발포제와의 화학반응이 불충분하여 적합한 탄화층 형성이 어려워지며 25중량%를 초과하면 발포율이 떨어져 내화성능이 저하되므로 바람직하지 않다.

(5) 안료

안료는 일반적으로 모든 도료에 색상을 부여하기 위하여 사용되어지고 있으며, 내화도료에는 색상을 부여하는 목적 이외에 내화성능을 향상시키는 역할도 한다. 이러한 안료는 전체 도료 조성물 중에 3 ∼ 15 중량% 사용된다. 이때, 안료의 사용량이 3 중량% 미만이면 착색력이 부족하고, 또한 발포과정에서 발포도막 내부에 균일한 기공층의 형성이 어려워 발포도막의 밀도가 떨어지게 되며, 15 중량%를 초과하면 발포율이 불량해져 내화성능이 저하되므로 바람직하지 않다.

(6) 첨가제

이외에, 첨가제로는 증점제, 분산제, 소포제, 가소제 등 중에서 하나 이상을 최적의 도료 및 도막성능을 발휘하도록 적정비율로 혼합할 수 있으며, 이러한 통상의 첨가제는 전체 도료 조성물의 총중량을 기준으로 3 ∼ 15 중량% 되도록 사용하는 것이 바람직하다.

(7) 유성 용제

유성 용제는 도료의 안정한 상태를 유지시켜 주고 도장작업성을 원활하게 하기 위해 사용되며, 전체 도료 조성물 중에 10 ∼ 50 중량% 사용된다. 이때, 상기 용제의 사용량이 10 중량% 미만이면 도장작업이 매우 어려워지며, 50 중량%를 초과하면 도료 중의 고형분들이 침강하여 굳어지게 되며 또한 요변성(搖變性)이 떨어지게 되어 도장 작업시 후도막을 올릴 경우 도료가 흘러내려 원하는 건조도막 두께를 얻기가 매우 힘들어진다.

일반적인 발포성 내화도료의 경우 건조경화 도막이 화재 등에 의하여 고온의 열에 노출되어 탄화층을 형성하며, 발포반응 중 불균일한 발포에 의한 수축 및 크랙이 발생하여 발포도막의 단열성을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.

그러나, 본 발명에 따른 저수축 유성계 발포성 내화도료는 분산형 수지인 아크릴계 수지가 도료 중에 적절한 비율로 혼합되어 있어, 이 수지가 상기와 같은 수축현상을 효과적으로 억제하기 때문에 내화성능을 지속적으로 장시간 동안 유지시켜주게 된다.

저수축 특성을 갖는 본 발명의 저수축 유성계 발포성 내화도료의 발포과정을 기술적으로 서술하면 다음과 같다.

1) 발포 1단계

건조 도막면에 화재 발생 등에 의하여 열이 가해져 유기성분(특히 유성계 수지 등)의 연화점 이상이 되면 도막은 유동상태로 전환되며, 이러한 상태는 도막이 발포를 시작하기에 적합한 상태로 준비되어 있음을 의미한다.

2) 발포 2단계

도막의 온도가 상승함에 따라 촉매, 발포제 및 탄화제와 그외 유기성분들이 분해되면서 여러 가지 가스를 방출하게 된다. 이때 방출되는 가스는 도막 내에서 분해되어 나오는 성분에 따라 약간씩 다르기는 하지만 대개 수증기, 암모니아, 이산화탄소 등으로, 이들이 유동상태에 있는 수지 등의 성분을 밀고 나오게 됨으로써 자연히 도막내부에 발포층을 형성하면서 도막이 발포되기 시작한다.

3) 발포 3단계

도막의 발포가 계속되면서 동시에 발포도막이 표면층은 탄화되기 시작한다. 초기에는 팽창과 탄화가 동시에 진행되지만 시간이 지남에 따라 탄화되는 부분이 많아지면서 도막의 팽창도 서서히 둔화되어 어느 시간이 경과하면 더 이상 발포되지 않고 탄화만 진행되게 된다. 이렇게 형성되는 발포층의 두께는 초기 건조도막 두께의 50 ∼ 150 배가 되며, 발포의 결과로 탄화층의 밀도는 최초도막보다 낮아진다.

4) 발포 4단계

발포층은 최종적으로 전체가 하얗게 될 때까지 계속 탄화가 되어 외부의 열이 피도물까지 전달되는 것을 막는다.

상기와 같은 발포과정을 통하여 발포율이 50 ∼ 150 배이면서 수축으로 인한 손상이 거의 없는 발포도막을 형성하며 부피가 팽창된 발포도막은, 화염에 의한 발포도막의 탈락이나 날림이 없고 화재 등에 의한 주위의 고온의 열로부터 철 구조물로의 열 전달을 효과적으로 차단하는 주요한 인자가 된다.

본 발명은 상기와 같이 뛰어난 발포율과 도막의 균일성을 겸비함으로써 낮은 건조도막 두께로서 효율적인 단열효과를 나타낼 수 있다.

본 발명에 따라 얻어진 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물은 학교, 병원, 백화점 등 많은 사람이 이용하는 일반건축물 및 공장건축물에 사용가능하여 선박 및 해양구조물 등의 내화성능이 요구되어지는 곳에 사용가능하고, 또한 자동차, 항공기, 이동가옥 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.

특히, 건설교통부고시 제1998-248호의 기준에 의거한 내화시험방법에 의하여 공장건축물과 위험물 저장 및 처리시설의 기둥 및 보에 대하여 1시간용 내화피복재용 도료로서 사용할 수 있다.

즉, 본 발명에 따라 얻어진 저수축 아크릴계 발포성 내화도료는 광물면 보드, 케이블, 트레이, 콘크리트, 철강 목재 등과 같은 표면에 도포하여 내화성을 부여할 수 있다. 이때, 건조된 피막의 두께는 0.5 ∼ 3.0mm 되도록 도포하는 것이 바람직하다. 도장방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 붓도장, 에어스프레이 도장, 에어리스 스프레이 도장, 롤러 도장 등의 방법 등을 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

제조예1: 유성계 알킬변성 아크릴계 공중합체의 제조

유성용제인 자일렌 35g를 사구 플라스크에서 80℃로 승온시킨 후 메틸메타크릴레이트 13g, 이소부틸메타크릴레이트 25g, 노말부틸아크릴레이트 5g, 에틸헥실아크릴레이트 7g와, 디벤조일퍼옥사이드 0.4g를 잘 교반하여 혼합한 후 사구 플라스크에 3 ∼ 3.5 시간에 걸쳐 적가하였다. 약 1시간 정도 숙성시킨 후 자일렌 15g와 디벤조일퍼옥사이드 0.1g를 잘 혼합한 후 적하하고 1시간 숙성시켜 알킬변성 아크릴계 공중합체를 얻었다. 이렇게 얻은 알킬변성 아크릴계 공중합체는 유리전이온도가 23 ℃이며 중량평균 분자량이 12,000 이다.

제조예2: 아크릴계 수지의 제조

유성용제인 자일렌 40g을 사구 플라스크에서 80℃로 승온시킨 후 아크릴산45g, 하이드록시 프로필아크릴레이트30g, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 25g와 큐밀 하이드로 퍼옥사이드 0.5g를 잘 교반하여 혼합한 후 사구 플라스크에 4 ∼4.5시간에 걸쳐 적하하였다. 약 1시간 정도 숙성시킨 후 자일렌 20g와 큐밀 하이드로 퍼옥사이드 0.1g를 잘 혼합한 후 적하하고 1시간 숙성시켜 아크릴계 수지를 얻었다.

실시예 1

도료의 제조가 가능한 용기에 유성용제 자이렌을 23g 넣고 저속 교반하면서 상기 제조예1에 따라 제조된 유성계 알킬변성 아크릴계 공중합체 22g, 제조예 2에 따라 제조된 아크릴 수지 5g, 분산제인 클로리네이티드 파라핀(염소함량 70%) 5.0g를 순차적으로 투입한 후 균일한 상태가 될 때까지 저속 교반하였다. 균일한 상태에 도달하면 저속교반 상태에서 안료로서 이산화 티타늄(TiO₂) 4.3g, 1급 암모늄 포스페이트 24.4g, 디펜타에리트리톨 7.8g, 멜라민 7.1g를 순차적으로 투입하여 균일한 상태가 될 때까지 교반시킨 후에 고속 분산시켜 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물을 제조하였다.

실시예 2

1급 암모늄 포스페이트 24.4g, 디펜타에리트리톨 7.8g, 멜라민 7.1g를 사용하는 대신에 1급 암모늄 포스페이트 23.6g, 디펜타에리트리톨 4.4g, 펜타에리트리톨 4.4g, 멜라민 7.3g을 사용하는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물을 제조하였다.

실시예 3

1급 암모늄 포스페이트 24.4g, 디펜타에리트리톨 7.8g, 멜라민 7.1g를 사용하는 대신에 1급 암모늄 포스페이트 18.7g, 디펜타에리트리톨 6.1g, 멜라민 4.5g를 사용하고, 추가로 멜라민 피로포스페이트 5.8g를 사용하는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물을 제조하였다.

비교예 1

1급 암모늄 포스페이트 24.4g, 디펜타에리트리톨 7.8g, 멜라민 7.1g, 알킬변성 아크릴계 공중합체 22g, 아크릴 수지 5.0g, 클로리네이티드 파라핀(염소함량 70%) 5.0g를 사용하는 대신에, 클로리네이티드 파라핀(염소함량 70%) 5.0 g, 1급 암모늄 포스페이트 24.1g, 디펜타에리트리톨 7.6g, 멜라민 7.0g, 알킬변성 아크릴계 공중합체 22g를 사용하는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물을 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예 1∼3 및 비교예 1에 따라 제조된 내화도료에 대하여 내화성능 및 내수성 시험을 수행하였다. 이때, 내화성능 시험용은 H빔에, 내수성 시험용은 일반 철시편에 건조경화도막의 두께가 0.90 ∼ 1.05 ㎜가 되도록 도장하여 건조도막의 내화성능 시험 및 내수성 시험을 아래의 방법에 의하여 실시하였다.

1)내화성능 시험

본 시험은 일반건축물, 공장건축물, 위험물 저장 및 처리시설 등의 보, 기둥, 벽 등의 구조중량부분에 내화피복재로 도장한 후 시험하여 이 내화피복재의 내화성능을 확인하기 위한 것이다.

H빔에 6개의 열전대를 균일한 간격을 두고 설치한 후 내화도료를 도장하여 KS F 2257의 표준가열 조건으로 1시간 가열시험을 실시하여 내화도료의 발포도막이 주위의 열로부터 시험체로의 열전달을 어느 정도 효율적으로 차단하는 성능이 있는가를 평가하는 것이다.

이때, 표준가열시험은 표준가열 온도조건을 충족할 수 있는 규정된 가열로에서 실시해야 하며 KS F 2257에 명기된 것처럼 표준가열온도는 KS C 1602에 규정된 0.75급 이상의 성능을 가진 지름 1㎜의 CA열전대로 측정하며 보와 기둥의 시험시에는 열전대를 최소 3개에서 8개를 설치하여 각 부위별 온도를 측정한다.

본 시험은 시험체에 6개의 열전대를 균일한 간격으로 설치하여 각 부위의 온도를 측정하였다. 또한 표준가열 조건의 시간에 따른 온도변화와 그와 같은 조건으로 시험시 가열로 내의 시간에 따른 실제가열온도를 다음 표 1에 비교하였다.

내화성능 시험은 한국공업규격 KS F 2257에 규정된 건축구조부분의 내화시험방법에 따르며 보와 기둥에 대해서는 1994년에 신설된 국립건설시험소 건축 제 58842-207호에 의하면 평균온도 538℃이하, 최고온도 649℃이하로 규정되어 있다.

가열시간(시간)	KS F 2257의 표준가열온도(℃)	시험시의 실제가열온도(℃)
5	540	536
10	705	695
15	760	757
20	795	787
25	820	814
30	840	833
35	860	855
40	880	875
45	895	893
50	905	910
55	915	918
60	925	928

본 시험은 1시간용 내화피복재로서 적용가능성을 확인하는 시험을 나타낸 것이며, 한국공업규격 KS F 2257에 규정된 건축구조 부분의 내화시험 방법에 따라 1시간 동안 시험하여 평균온도 538℃ 이하, 최고온도 649℃ 이하가 유지되어야 1시간용 내화피복재로서 적용가능한 내화도료가 되는 것이다.

2) 내수성 시험

철 시편에 내화도료를 도장하여 충분히 건조시킨 후 공기가 충분히 공급되는 물이 담겨진 수조에 시험용 시편을 완전히 침적시킨 후 부풀음, 갈라짐, 벗겨짐 등의 이상 현상이 발생되는 시간을 기록한다.

상기와 같은 방법으로 평가한 내화성 및 내수성 시험결과는 다음 표 2와 같다.

구분		실시예1	실시예2	실시예3	비교예	비고
건조도막내크랙성		양호	양호	양호	보통	육안관찰
내화성능시험(℃)	10(분)	210	201	204	227	시험조건KS F2275(평균온도)
	20(분)	281	272	273	294
	30(분)	333	325	326	350
	40(분)	379	376	375	416
	50(분)	435	424	428	488
	60(분)	486	481	482	570
	외관	양호	양호	양호	수축발생	육안관찰
	강도(경도)	2H	2H	2H	2H	연필경도
	크랙 및 수축상태	양호	양호	양호	부분적크랙발생	육안관찰
내수성시험(시간)		82	76	72	68	청수침적

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 실시예 1∼3에 따른 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물은 아크릴계 수지를 사용하지 않은 비교예 1의 도료 조성물에 비하여 1시간 내화성능 결과와 발포도막의 외관 및 발포도막의 균일성이 훨씬 우수함을 알 수 있다. 특히, 발포도막에 수축 등이 발생되지 않음을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체에 저수축성 아크릴계 수지를 함께 사용하여 얻어진 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물은 철 구조물 등의 표면에 도포하여 내화성능을 발휘하는 도막을 형성할 수 있는 조성물, 특히 상온에서 내구성이 우수하며 고온의 열에 노출되었을 때는 도막을 유동상태로 변화시켜 가스가 발생될 때 적절하게 도막이 발포되도록 하여 내화성능이 우수하게 개선된 효과를 얻을 수 있다.

즉, 한국공업규격 KS F 2257에 규정된 건축구조부분의 내화시험방법에 따라 1시간용 내화피복재로 적용가능한 우수한 내화성능을 발휘하면서, 발포시 수축 등이 발생되지 않으므로 이를 광물면 보드, 케이블, 트레이, 콘크리트, 철강, 목재 등의 표면에 피복할 경우 우수한 내화성을 부여할 수 있는 효과를 얻는다.

Claims (6)

1. 수지와 발포제, 촉매, 탄화제, 안료, 첨가제 및 유성용제를 포함하는 발포성 내화도료 조성물에 있어서, 상기 수지로서 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체 1 ∼ 50 중량%와 수축 억제용 아크릴계 수지 1 ∼ 25 중량; 발포제 5 ∼ 25 중량%; 촉매 10 ∼ 40 중량%; 탄화제 5 ∼ 25 중량%; 안료 3 ∼ 15 중량%; 증점제, 분산제, 소포제 및 가소제 중에서 선택된 하나 이상의 첨가제 3 ∼ 15 중량%와 유성용제 10 ∼ 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유성 알킬변성 아크릴계 공중합체는 에틸렌 불포화기를 가지는 아크릴계 모노머, 스티렌 모노머, 수산기(-OH) 또는 산기(-COOH)를 함유하는 아크릴 모노머, 카프로락톤 변성 아크릴 모노머 및 폴리프로필렌 변성 모노머 등 중에서 2종이상 선택된 모노머로 공중합된 것으로 유리전이온도가 0∼80℃이며 중량평균분자량이 1,000∼50,000 인 것을 특징으로 하는 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 에틸렌 불포화기를 가지는 아크릴계 모노머는 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 이소부틸메타크릴레이트, 노말부틸메타크릴레이트, 노말헥실메타크릴에이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트, 이소보닐메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 프로필아크릴레이트,이소부틸아크릴레이트, 노말부틸아크릴레이트, 터셔리부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 노말옥틸아크릴에이트 및 이소보닐아크리레이트 중에서 선택된 1종 또는 그 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 수산기(-OH) 또는 산기(-COOH)를 함유하는 아크릴 모노머는 아크릴산 또는 하이드록시프로필메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 수축 억제용 아크릴계 수지는 아크릴산, 메타크릴산, 하이드록시에틸아크릴레이트, 하이드록시프로필아크릴레이트, 하이드록시에틸메타크릴레이트, 하이드록시프로필메타크릴레이트 및 스타이렌 중에서 선택된 아크릴계 모노머 1종 또는 그 이상의 혼합물 70 ∼ 99 중량%와, 에틸렌 불포화기를 2개 이상 함유하고 있는 디아크릴레이트계 모노머와 트리아크릴레이트계 모노머 또는 이들의 혼합물 1 ∼ 30 중량%가 포함된 것을 특징으로 하는 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 디아크릴레이트계 또는 트리아크릴레이트계 모노머는 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 400 디아크릴레이트, 트리페닐글리콜디아크릴레이트, 디비닐에탄, 비닐메타크릴레이트, 글리세린트리메타크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 트리메틸올에탄트리아크릴레이트 및 펜타에리트리톨트리메타크릴레이트 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 저수축 유성계 발포성 내화도료 조성물.