KR20050118113A - 단열재용 난연화 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화재 시에 발포폴리스티렌블록과 우레탄 패널과 같은 단열재의 연소방지를 위한 내화 피복재 난연조성물과 본 난연조성물을 단열재에 적용하기 위한 제조 방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명에서의 난연조성물은, 규산염, 무기충진물, 난연제, 내수성 부여제, 기능성 첨가제로 구성된 것으로, 본 난연조성물을 발포폴리스티렌 블록에 적용하는 단계에서 단열재의 형상 붕괴를 방지하도록 하는 새로운 제조방법으로서 발포폴리스티렌블록 전면에 핀 홀을 형성시키어 스프레이 또는 함침시켜 난연 성능을 극대화시켰으며, 본 발명의 제조공정은 종래의 발포폴리스티렌 블록의 제조설비 변경 없이 손 쉽게 적용 가능하도록 하여 설비 투자 비용을 최소화하도록 하고 있으며, 수용성이기 때문에 유독성 가스나 분진 등의 발생이 없어 인체에 무해하며 오염원을 생성하지 않는 특징이 있다.
Description
현재 샌드위치 패널의 심재로는 폴리스틸렌폼, 우레탄폼, 글래스울 등이 많이 사용되고 있다. 폴리스틸렌 폼 및 우레탄 폼은 저렴하고 작업성, 단열성이 우수한 반면, 화재 시에 용융 연소하며 형체가 급격히 붕괴하는 문제점이 있다. 우레탄폼을 개질한 PIR패널은 이소시아네이트의 성분을 증가시켜 난연성능을 강화하고 있으나, 제조 기술의 어려움으로 공정 상 두꺼운 패널의 생산이 어려운 실정이다. 글래스울은 내화성능이 뛰어난 반면, 사업장에서의 제조 시 글래스 울의 미세 입자가 작업자의 체내에 흡입될 가능성이 매우 높아 안전보건 상의 심각한 위험성이 지적되고 있으며, 내수성이 부족해 패널의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 반면, 발포폴리스티렌 블록은 가격이 저렴하고, 뛰어난 단열성과 내수성, 경량성 등으로 인하여, 건축물 내 외장재와 옥외 구조물 등의 샌드위치 패널용 단열재로서 대량으로 사용되고 있다. 그러나 발포폴리스티렌은 화재 시에 250~300℃에서 열분해가 시작되어 형태변형이 일어나며 착화가 일어나면 산소를 대량으로 소비하여 순식간에 연소되기 때문에 불완전 연소가 일어나기 쉬워서 일산화탄소에 의한 질식 사고의 위험성이 높다. 이상과 같이 단열재 패널의 난연화에 관한 종래의 기술을 살펴 보면, 1차 발포 비즈를 난연코팅하는 방식과 발포폴리스티렌 블록을 수 mm 크기로 분쇄하여 난연조성물을 혼합시켜 가압 성형하는 방식 등 크게 2가지로 나눌 수 있다.
1차 발포 비즈를 난연코팅하는 방식으로서 붕산계 무기물, 열경화성수지 등을 주원료로 하는 난연제를 발포스티로폴 입자 표면에 난연 처리하는 방식의 제조 방법이 개발(일본 특3163282호)되고 있다. 이 방법에 의해 제조된 난연발포스티로폴은 높은 내열성을 확보하고는 있지만, 첨가 성분인 열경화성수지의 연소에 따른 불쾌한 연소가스의 발생 문제와 함께 1차 발포 비즈의 코팅처리에 따른 제조 방법 상 새로운 설비의 투자가 요구되어 가격 상승에 따른 보급화에 문제점이 있다.
발포폴리스티렌블록의 분쇄와 난연조성물혼합에 의한 가압성형 방식으로는, 대한민국 공개특허공보 2004-0033139의 "난연 발포 폴리스티렌 보온재를 이용한 샌드위치 판넬 및 그 제조방법"이 있는데, 붕산계무기물, 규산계무기물, 도자기 유약 등을 1차 발포비즈에 코팅하여 2차 발포 및 금형 성형에 의한 방식이며, 대한민국 공개특허공보 2003-0018763의 "난연 폴리스티렌 패널 및 그 제조방법"은 1차 발포비즈에 규산소다 등의 코팅을 하고 마이크로파 가열로 2차 발포를 하여 판넬을 성형하도록 하고 있다. 이들 방식은 그 해결방법에서 있어서 발포비즈의 코팅이라는 면에서 상기의 일본 특허 3163282호와 유사한 방식을 채택하고 있는데, 제조방법의 복잡화와 높은 제조 비용을 피할 수 없다는 점에서 동일한 문제점을 가지고 있다.
본 발명은, 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수용성 무기질 난연제 조성물의 제조법과, 본 발명의 조성물을 단열재 (발포폴리스티렌블록, 우레탄판넬 등)에 적용하여 난연처리하는 제조방법을, 기존 설비의 변경 없이 손쉽게 적용하여, 효율적인 단열재의 초 난연화를 최소 비용에 의해 실현시키는 제조방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 고온에서 무기탄화층 피막의 단열층을 형성시키어 형상을 유지시키도록 하는 무기충진제와 함께, 화염에 반응하여 산소지수를 높여주고 불연가스를 발생하는연소억제제를 무기 바인더와 균일하게 혼합한 난연화 조성물을 개발하였으며, 이러한 난연화 조성물에 일정 간격의 핀홀을 형성시킨 발포스티로폴 블록을 스프레이 또는 함침에 의한 방법으로 단열재 표면 및 내부의 핀홀에까지 난연화 조성물이 흡수 코팅되도록 하는 제조방법을 고안하여, 고온 화염에 놓여진 경우 단열재의 표면과 내부에 유리상 피막이 격자처럼 형성되도록 함으로써 연소 억제만이 아닌 가열에 의한 형태 변형을 방지하도록 하는데 그 특징이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 규산염, 조성물 피막의 기능성 향상제, 무기 충진물, 연소억제제, 기타 첨가제로 구성된 난연조성물의 제조방법과, 본 난연조성물을 단열재에 적용하는 단계에서 난연성을 극대화시키어 연소에 의한 단열재의 형체 붕괴를 방지하도록 하는 제조공법으로서 단열재의 전 표면에 핀홀을 형성시키어 스프레이 코팅하거나 함침하는 새로운 방법의 제조법을 그 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의한 난연조성물의 제조방법에 대하여 설명한다.
규산염은 규산나트륨, 규산리튬, 규산칼륨, 규산지르콘, 올소규산소다, 메타규산소다 중 하나 이상을 20~100 중량부 사용하는데, 특히 규산나트륨의 경우는 Na2O : SiO2가 1 : 3.2~3.4의 몰 비로 구성되는 것이 바람직하다.
난연성조성물 피막의 기능성 향상제로서 규산칼슘 (CaSiO3), 이규산칼슘(CaSi2O5), 산화칼슘(CaO) 중 어느 하나 이상을 12~70 중량부 사용한다. 규산칼슘과 이규산칼슘은 약 30분 정도의 가시반응을 거쳐 13~15시간에 반응을 완결하여 규산염중합체를 형성하는데, 규산염 내의 수분은 중합분자 내에 결정수로서 포함되어 불용성 조성물로 된다. 산화칼슘은 규산염에 대하여 산화반응이 일어나 SiO2와 H2O의 치환반응 (CaOㆍH2O + Na2OㆍSiO2 → CaOㆍSiO2 + NaOH + H2O)이 일어나 순간적으로 경화되며 규산염 내의 H2O는 유리 수분이 되면서 불용성을 가지게 된다. 난연성조성물 피막의 물리적 특성을 개선하기 위하여 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 8~40 중량부 사용할 수 있는데, 구체적으로 난연 피막의 내마모성, 기계적 강도, 신축성, 방진 및 소음효과를 향상시킬 수가 있으며 저온에서도 유연성을 유지할 수가 있다. 그리고, 균일한 피막형성을 위하여 알킬나프탈렌설포네이트, 소듐디알킬설포석시네이트 등의 계면활성제를 0.05~2.0 중량부를 첨가하여 사용한다.
무기 충진물로는 내연성 점토인 이산화규소, 세피오라이트, 산화티탄, 산화알루미나, 세라믹분말, 규석, 질화규소, 탄소섬유, 탄화규소, 규조토, 운모분, 팽창질석, 활석 중 어느 하나 이상을 3~30 중량부 사용한다. 상기 무기충진물은 고온에서의 난연피막을 형성시키며 열적 차단 능력을 높임과 동시에 피막의 기계적 강도를 향상시키어 발포폴리스티렌의 형상 붕괴를 억제하게 하는 기능을 갖게 한다. 이러한 무기충진물의 균일 혼합을 촉진시키기 위하여 펜타에리스리톨, 메틸셀루로오스 중 하나 이상을 0.3~8 중량부 사용한다.
연소억제제는 무기불연제의 난연성능을 더욱 향상시키기 위한 보조제로서 사용할 수 있으며, 붕산, 수산화알미늄, 수산화마그네슘, 폴리인산암모늄, 폴리인산멜라민, 인산, 인산암모늄 중 하나 이상을 5~30 중량부 사용한다.
기타 첨가제로서 착색의 필요성이 있는 경우, 무기안료로서 투명성 백색안료 (실리카백, 알루미나백, 백토, 탄산칼슘), 백색안료(산화아연, 산화티탄, 연백), 적색안료(산화철, 벵갈라, 버밀리온, 카드뮴레드), 황색안료(황연, 황토, 카드뮴옐로우), 녹색안료(에메랄드녹, 산화동, 산화크롬녹), 청색안료(프러시안블루, 코발트청), 자색안료(망간자), 흑색안료(카본블랙, 철흑) 등의 금속산화물계의 무기계착색제를 난연조성물 100 중량부에 대하여 0.1~20 중량부가 사용 가능하다.
이하 본 발명에 의한 난연성 조성물을 발포폴리스티렌블록에 적용하는 경우를 예로서 그 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 난연조성물을, 본 발명에서 고안한 핀홀 형성 발포폴리스티렌블록에 적용하여 코팅하는 제조공정의 개략도이며, 도 2는 발포폴리스티렌블록에 형성시키는 핀 홀의 상세 제원을 도시한 도면이다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 난연성 조성물을 실제의 발포폴리스티렌블록 성형체(1)에 적용하는 경우, 먼저 열선(2)에 의해 일정한 크기로 가공된 발포폴리스티렌블록(3)에 대하여 일정 깊이 및 간격의 핀홀(4)을 형성시킨다. 이렇게 핀홀(4)을 발포폴리스티렌블록(3) 전 표면에 형성시킨 후, 난연조성물 내에 함침시키거나 스프레이방식을 사용하여 난연조성물을 코팅하여 24시간 동안 충분히 건조시킨다. 상기 핀홀(4)의 상세 제원은 도 2와 같다. 핀 홀 간격(7)은 1.0∼10.0mm (최적 2∼5mm), 핀 직경(8)은 0.2∼3.0 mm (최적 0.5∼1.5mm), 핀 홀의 깊이(9)는 3.0∼20 mm (최적 5∼10 mm)이다. 단, 핀 홀의 깊이는 3.0∼20 mm에 한하지 않고, 발포폴리스티렌블록을 관통시켜 사용할 수도 있다. 이와 같은 핀홀 형성의 제조방법을 적용하여 얻어지는 난연효과를 설명한다. 도 3은 난연피복된 발포폴리스티렌블록의 단면도를 나타낸 것이다. 발포폴리스티렌(3)의 표면에 형성된 난연조성물 피막(10)은 발포폴리스티렌 표면만이 아니고 핀홀(4) 내부에까지 형성되어, 화염 등의 고온 환경에서 핀홀 내부(4)의 유리상 피막이 기둥 역할을 하여 단열체 표면의 형체 붕괴를 방지하며, 또한 난연피복 하층의 발포폴리스티렌(3) 표면 일부가 용융되더라도 핀홀 내부의 유리상 피막이 최 상부 표면의 유리상 피막을 떠 바쳐주어 일정 간격의 공기 단열층을 형성시켜 주기 때문에 열적 전달을 효과적으로 차단하는 역할을 한다. 이하 본 발명의 실시 예는 본 발명의 일부를 보다 상세히 설명하고자 하는 것으로, 본 발명의 내용이 이하의 실시 예에 한정된 것은 아니다.
<비교예 1>
규산나트륨 70중량부, 폴리인산암모늄 4중량부, 붕산 4중량부, 펜타에리스톨 3중량부, 계면활성제 0.5 중량부를 30분 이상 균일하게 교반하여 만든 조성물 내에 핀홀 형성이 없는 발포폴리스티렌블록을 약 2초간 함침시켜 24시간 동안 자연건조시켰다. (도 4의 2번 샘플)
도 4는 일반 발포스티로폴블록 (도4의 1번 샘플) 및 상기 비교예 1을 적용한 2번 샘플에 대하여 약 1200℃의 가스 토치를 사용하여 수평가열에 의한 연소실험 결과이다. 종래의 일반 발포스티로폴블록(도 3의1)은 가열과 함께 수 초 이내에 용융되어 형체가 없어지는 결과를 볼 수 있었다. 상기 비교예 1을 적용한 2번 샘플의 경우는, 화염 제거 시에 연소 지속이 일어나지 않고 급히 소염은 되나, 가열 후 1분 정도 경과 된 시점에서 가열면이 많이 붕괴되고 있다.
<실시예 1>
규산나트륨 70중량부, 폴리인산암모늄 4중량부, 붕산 4중량부, 펜타에리스톨 3중량부, 계면활성제 0.5 중량부, 산화동 0.2 중량부를 30분 이상 균일하게 교반하여 만든 조성물을 전면에 핀홀(간격 3mm, 직경 1mm, 깊이 10mm)을 형성시킨 발포폴리스티렌블록을 약 2초간 함침시켜 24시간 동안 자연 건조시켰다. (도 4의 3번 샘플)
도 4의 3번 샘플은 상기 실시예 1에 대하여 약 1200℃의 가스 토치를 사용하여 수평가열에 의한 연소실험 결과로서, 가열 후 2분 정도 경과 된 시점에 가열면이 2~3 mm 정도 붕괴되고는 있지만 그 후 10분 이상의 가열에도 더 이상의 형체 붕괴가 일어나지 않았으며 흑연의 발생도 없었다. 이러한 결과는 상기의 비교예 1에 비하여 극적인 난연성능 개선이 이루어진 결과이다.
<실시예 2>
규산나트륨 70중량부, 폴리인산암모늄 4중량부, 붕산 4중량부, 펜타에리스톨 3중량부, 계면활성제 0.5 중량부, 팽창질석 5 중량부를30분 이상 균일하게 교반하여 만든 조성물을 전면에 핀홀(간격 3mm, 내경 1mm, 깊이 10mm)을 형성시킨 발포폴리스티렌블록을 약 2초간 함침시켜 24시간 동안 자연건조시켰다.
상기의 실시예 1의 실험결과와 같이, 발포폴리스티렌이 용융이 거의 없어 형체의 붕괴도 매우 적었고 흑연의 발생도 없었다.
<실시예 3>
규산나트륨 60중량부, 폴리인산암모늄 3중량부, 붕산 4중량부, 펜타에리스톨 3중량부, 수산화알미늄 5 중량부, 산화티탄 3 중량부, 계면활성제 0.5 중량부를 30분 이상 균일하게 교반하여 만든 조성물을 전면에 핀홀(간격 3mm, 내경 1mm, 깊이 10mm)을 형성시킨 발포폴리스티렌블록에 0.5mm 두께로 스프레이 코팅한 후 24시간 동안 자연 건조시켰다.
상기의 실시예 1의 실험결과와 같이, 발포폴리스티렌이 용융이 거의 없어 형체의 붕괴도 매우 적었고 흑연의 발생도 없었다.
<실시예 4>
규산리륨 30중량부, 규산나트륨 30중량부, 폴리인산암모늄 3중량부, 붕산 4 중량 부, 펜타에리스톨 3중량부, 탄화규소 5 중량부, 계면활성제 0.5 중량부를 30분 이상 균일하게 교반하여 만든 조성물을 전면에 핀홀(간격 3mm, 내경 1mm, 깊이 10mm)을 형성시킨 발포폴리스티렌블록에 0.5mm 두께로 스프레이 코팅한 후 24시간 동안 자연 건조시켰다.
상기의 실시예 1의 실험결과와 같이, 발포폴리스티렌이 용융이 거의 없어 형체의 붕괴도 매우 적었고 흑연의 발생도 없었다.
<실시예 5>
규산리륨 30중량부, 규산나트륨 30중량부, 폴리인산암모늄 3중량부, 붕산 4 중량 부, 펜타에리스톨 3중량부, 탄화규소 5 중량부, 계면활성제 0.5 중량부를30분 이상 균일하게 교반하여 만든 조성물을 전면에 핀홀(간격 3mm, 내경 1mm, 깊이 10mm)을 형성시킨 발포폴리스티렌블록에 0.5mm 두께로 스프레이 코팅한 후 24시간 동안 자연 건조시켰다.
상기의 실시예 1의 실험결과와 같이, 발포폴리스티렌이 용융이 거의 없어 형체의 붕괴도 매우 적었고 흑연의 발생도 없었다.
<실시예 6>
규산나트륨 80중량부, 규산칼슘 25중량부, 폴리인산암모늄 8중량부, 산화알루미나 8중량부, 수산화마그네슘 10중량부, 펜타에리스톨 4중량부, 계면활성제 0.8 중량부를 30분 이상균일하게 교반하여 만든 조성물을 전면에 핀홀(간격 4mm, 내경 1mm, 깊이 5mm)을 형성시킨 발포폴리스티렌블록을 약 2초간 함침시켜 24시간 동안 자연건조시켰다.
상기의 실시예 1의 실험결과와 같이, 발포폴리스티렌이 용융이 거의 없어 형체의 붕괴도 매우 적었고 흑연의 발생도 없었다. 또한, 상온의 물에 120시간 동안 침전시킨 후 완전 건조 시킨 후, 내수성 실험 전 후의 샘플 무게를 조사한 결과 양 자의 무게 차이가 거의 없는 것으로 나타나 내수성이 우수한 것으로 판단되었다.
<실시예 7>
규산나트륨 60중량부, 이규산칼슘 15중량부, 폴리인산암모늄 6중량부, 붕산 7중량부, 펜타에리스톨 5중량부, 계면활성제 0.5 중량부를 30분 이상 균일하게 교반하여 만든 조성물을 전면에 핀홀(간격 4mm, 내경 1mm, 깊이 5mm)을 형성시킨 발포폴리스티렌블록에 스프레이하여 24시간 동안 자연건조시켰다.
상기의 실시예 1의 실험결과와 같이, 발포폴리스티렌이 용융이 거의 없어 형체의 붕괴도 매우 적었고 흑연의 발생도 없었다. 또한, 상온의 물에 120시간 동안 침전시킨 후 완전 건조 시킨 후, 내수성 실험 전 후의 샘플 무게를 조사한 결과 양 자의 무게 차이가 거의 없는 것으로 나타나 내수성이 우수한 것으로 판단되었다.
이상과 같이 본 발명은 단열재의 난연화에 효과적인 난연성 조성물의 제조방법과, 난연성 조성물의 난연효과를 배증하기 위한 단열재에의 적용방법으로서 핀 홀 형성에 의한 코팅방법의 제조방법을 제공하는 것으로서, 매우 높은 난연효과를 실험적으로 확인하였다.
이상과 같이 본 발명의 난연 조성물과 그 제조방법은, 발포폴리스티렌블록과 우레탄 판넬과 같은 단열재에 대해서 뛰어난 난연성과 형상 붕괴억제 능력을 가지고 있지만, 활용법이 이러한 적용 예에 한정된 것은 아니다. 또한, 본 발명에 의한 제조방법을 발포폴리스티렌 샌드위치 파넬에 적용하는 경우, 발포폴리스티렌 심재의 저온 열분해에 따른 급격한 화재 확대를 방지할 수 있으며, 발포폴리스티렌의 용융에 따른 형상 붕괴를 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명은 발포폴리스티렌블록의 최종 단계 제조공정 또는 샌드위치 패널의 공정에서 스프레이 또는 함침 등의 방법으로 간단하게 피복할 수 있기 때문에, 안전하고 시공성이 뛰어나며 설비투자 등의 비용이 절감되며, 본 발명인 난연 조성물이 수용성이기 때문에 유기 용제를 사용하지 않아 유독성 가스나 분진 등의 발생이 없으므로 인체에 무해하고 오염원을 생성하지 않는 특징이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 난연조성물 및 단열재의 핀홀 형성 방법을 적용하여 제조하는 공정의 설명도.
도 2는 단열재에 형성시키는 핀 홀의 상세 제원.
도 3은 본 발명을 적용한 발포폴리스티렌블록이 고온 화염에서 형성되는 유리상 피막 개략단면도.
도 4는 연소 실험 비교 예.
<도의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1. 발포폴리스티렌블록 성형 2. 열선(Hot wire)
3. 절단 가공된 발포폴리스티렌 4. 핀 홀(Pin-hole)
5. 본 발명의 난연제 6. 스프레이 건
7. 핀 홀의 간격 8. 핀 홀의 내경
9. 핀 홀의 깊이 10. 난연조성물 피막
Claims (8)
- 규산염, 조성물 피막의 기능성 향상제, 무기 충진물, 연소억제제, 기타 첨가제로 구성된 수용성 무기질 난연 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 규산염로서 규산나트륨, 규산리튬, 규산칼륨, 규산지르콘, 올소규산소다, 메타규산소다 중 적어도 하나 이상이 20~100 중량부 포함된 것을 특징으로 하는 수용성 무기질 난연 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물 피막의 기능성 향상제로서, 규산칼슘, 이규산칼슘, 산화칼슘 중 어느 하나 이상이 12~70 중량부, 열가소성폴리우레탄(TPU)이 8~40 중량부, 알킬나프탈렌설포네이트, 소듐디알킬설포석시네이트 등의 계면활성제가 0.05~2.0 중량부가 포함된 것을 특징으로 하는 수용성 무기질 난연 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 무기 충진물로서, 이산화규소, 세피오라이트, 산화티탄, 산화알루미나, 세라믹분말, 규석, 질화규소, 탄소섬유, 탄화규소, 규조토, 운모분, 팽창질석, 활석 중 어느 하나 이상이 3~30 중량부, 펜타에리스리톨, 메틸셀루로오스 중 하나 이상이 0.3~8 중량부가 포함된 것을 특징으로 하는 수용성 무기질 난연 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 연소억제제로서, 붕산, 수산화알미늄, 수산화마그네슘, 폴리인산암모늄, 폴리인산멜라민, 인산, 인산암모늄 중 하나 이상이 5~30 중량부가 포함된 것을 특징으로 하는 수용성 무기질 난연 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 기타 첨가제로서, 투명성 백색안료(실리카백, 알루미나백, 백토, 탄산칼슘), 백색안료(산화아연, 산화티탄, 연백), 적색안료(산화철, 벵갈라, 버밀리온, 카드뮴레드), 황색안료(황연, 황토, 카드뮴옐로우), 녹색안료(에메랄드녹, 산화동, 산화크롬녹), 청색안료(프러시안블루, 코발트청), 자색안료(망간자), 흑색안료(카본블랙, 철흑) 등의 금속산화물계의 무기계착색제가, 제 1항의 난연조성물 100 중량부에 대하여 0.1~20 중량부가 포함된 것을 특징으로 하는 수용성 무기질 난연 조성물.
- 제 1항의 수용성 무기질 난연 조성물을, 단열재 전 표면에 핀홀을 형성시킨 후, 스프레이 또는 함침에 의해 피복시키는 제조 방법.
- 제 7항에 있어서, 핀홀(4)의 상세 제원(도 2)이, 핀 홀 간격(7)은 1.0∼10.0mm, 핀 직경은 0.2∼3.0 mm, 핀 홀의 깊이(9)는 3.0∼20 mm 또는 단열재 관통에 의해, 스프레이 또는 함침에 의해 난연 조성물을 피복시키는 제조 방법
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