KR20090095771A - 난연 및 내열성 액상규산나트륨 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난연 및 내열성이 요구되는 접착제, 코팅제로 이용되도록 설계된 액상규산나트륨 조성물에 관한 것으로, 일반적으로 접착제 및 코팅제로 사용되는 유기 접착제 수지성분은 내열성이 취약하여 열에 이해 쉽게 변형되거나 인화되는 단점이 있어 화재 발생시 유독가스의 발생으로 인간에게 치명적인 위험을 줄 수 있다. 따라서 현재 많이 연구되는 기존의 액상규산나트륨은 가격이 저렴하고 인화가 되지 않는 무기 접착제이지만 난연 접착제 및 코팅제로 이용시 건조가 충분히 되지 못하면 수분에 쉽게 용해되어 접착성이 떨어지며, 함유되어 있는 나트륨 성분이 공기 중 이산화탄소와 반응하여 백화현상을 일으키고 융점 저하로 고온에서 내열성이 떨어지는 단점을 갖고 있어 난연 판넬 접착제 및 난연 코팅제로 적용시 문제가 있다. 이를 보완하기 위해 수산화알미늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 붕사, 리튬실리케이트, 콜로이달 실리카, 다공성 실리카 및 첨가제 등의 적절한 반응, 혼합을 통해 내열성, 접착성 및 내수성이 기존 액상규산나트륨에 비해 우수한 액상규산나트륨 조성물을 제조하였으며 이를 여러 제품의 난연성 및 내열성을 보강에 필요한 재료로 사용될 수 있도록 하였다.

난연 및 내열성, 액상규산나트륨, 접착제, 코팅제, 내수성

Description

난연 및 내열성 액상규산나트륨 조성물 {Flame and heat resistance functional liquid sodium silicate composition}

본 발명은 난연 및 내열성이 요구되는 접착제, 코팅제로 이용되도록 설계된 액상규산나트륨 조성물에 에 관한 것으로. 보다 상세하게는 액상규산나트륨에 수산화알미늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 보락스, 리튬실리케이트, 콜로이달 실리카, 다공성 실리카 및 첨가제 등의 적절한 반응, 혼합을 통해 내열성, 접착성 및 내수성이 기존 액상규산나트륨에 비해 우수한 조성물의 제조방법에 관한 것이다..

일반적으로 사용되는 액상규산나트륨 수용액은 가격이 저렴한 장점이 있어 무기 접착제, 건축용 지반강화용 고결제, 세정제 등 여러 분야에 다양하게 사용되고 있다. 근래에 들어 건축용 판넬 분야에 난연성 및 불연성이 요구되면서 무기 접착 및 코팅제로서 액상규산나트륨의 사용이 늘어나고 있으나 나트륨 성분의 수분에 의한 용출로 공기중의 CO₂와 결합을 일으켜 생기는 백화 현상, 다량의 나트륨 성분에 의한 내열성 저하 등의 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 점을 해결하여 보다 우수한 성능의 제품을 제공하고자 한다.

근래에 건축 구조물에 적용되는 판넬, 페인트, 흡음제등 여러가지 제품에 난연 및불연성은 부여는 필수적이고 이에 따라서 가장 경제적인 무기 접착 및 코팅제로써 액상규산나트륨이 적용되고 있다. 하지만 난연 및 내열성 접착제, 코팅제에 일반적으로 사용되는 액상규산나트륨은 실록산 결합(Si-O-Si)의 Si에 2개의 (-OH)가 결합한 형태의 원자단을 가지고 있고, 그양 단에 Na가 달린 형태이며, Na₂O·SiO₂·H₂O의 화학식을 갖는 화합물이다. 여기서 나트륨 이온이 결합력이 약하고 수화되는 특성을 갖고있으며 이로 인하여 공기중 수분과 접촉하여 용해되거나 이산화탄소와 결합하여 탄산나트륨을 생성하면서 백화현상이 일어나기도 한다. 백화현상은 액상규산나트륨을 건조하여 경화 시켰을때 결합구조를 파괴하여 강도 저하 현상을 가져오며 액상규산나트륨에 포함되어 있는 이산화규소는 융점이 1700도 정도로 높아 난연 및 내열성에 좋은 성능을 보일 수 있으나 산화나트륨은 실리카의 융제로 작용하므로 전체적인 규산나트륨의 내열성을 떨어뜨린다. 따라서 난연 및 내열성 접착제, 코팅제로 사용하기 위해서는 나트륨 성분이 적을수록 유리하나 액상으로 존재하기 위해서는 일정한 양의 나트륨 성분은 필수적이다.

일반적으로 사용되는 한국공업규격 3종의 경우 산화나트륨의 함유량이 9-10% 수준으로 초기 접착력과 강도는 우수하나 장기간 공기중에 방치 될 경우 나트륨이 공기중의 수분을 흡수하여 표면에 석출됨으로써 접착력과 내열성이 떨어지게 된다. 따 라서 본 발명에서는 내수성 및 내열성이 우수한 액상규산나트륨 용액의 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 액상규산나트륨 조성물은 수산화알미늄 0.5-1 중량%, 탄산칼슘 1-2 중량%, 수산화마그네슘 1-2 중량%, 보락스 0.5 - 1 중량%, 리튬실리케이트 1-5 중량%, 다공성 실리카 2-5% 및 첨가제 0.1-1중량% 와 액상규산나트륨 KS3호 용액 75-85 중량%, 물 6.4-8 중량%로 구성된 용액으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기서 산화알루미늄, 탄산칼슘, 수산화마그네슘은 액상규산나트륨 내의 Si-OH에 결합이 되어 알카리에 대한 융점을 상승시키며 가열 반응시 그들의 수화물들이 흡열 반응을 일으켜 주변 온도를 감소시켜 내열성을 증가시키는 역할을 한다. 이중 탄산칼슘에 포함된 CO₂성분은 액상규산나트륨중 Na2O와 탄산나트륨을 생성하면서 그자리에 다른 금속 이온들이 들어가 축합반응을 하여 망목구조를 형성하여 내수성 증가 및 백화현상 억제에 도움을 주며 이러한 축합반응은 도막 건조과정시 서서히 일어난다. 그리고 보락스(Na₂B₄O₇)는 액상규산에 쉽게 용해가 되며 그중 붕소 성분은 적절한 반응을 통하여 Si 구조를 치환하여 건조후 액상 규산의 물에 대한 용해성을 대폭 저하시킨다. 이런 원리는 일반적인 소다유리에 붕소 성분이 첨가되어 내열성을 띄는 경질유리가 되는 점을 이용한 것이다. 그리고 리튬실리케이트 및 다공성 실리카의 첨가는 규산의 몰비(SiO₂/Na₂O)를 증가 시키는 역할을 할 뿐만 아니라 내열성 및 소듐의 용출에 의한 백화현상을 억제하는 역할을 한다. 하지만 몰비가 너무 높게 형성이 될 경우 초기 접착력이 떨어지는 현상이 있으므로 첨가량은 접착력을 유지하는 몰비 3.2 - 3.8범위에서 행하였다. 그외 첨가제에 포함된 제품은 음이온 계면활성제 (아크릴산, 설폰산), 아미노실란 제품이 첨가 되었으며 이는 액상규산과 필러들의 불균일한 반응을 억제하며 표면 장력을 감소시켜 접착제 및 코팅시 Wetting성을 증가시켜 도포하고자 하는 매질에 고르게 분포 될 수 있도록 하였다.

위와 같은 조성물은 액상규산나트륨 용액의 성질을 변화시킴으로써 건조, 내수성 백화현상을 개선하고, 고온에서의 무기물의 융점저하로 인한 내열성 감소를 개선시켰으며 적절한 계면활성제 및 실란의 투입으로 고른 접착 피막과 용액의 안정성을 증가시켜 균일한 피막 형성이 가능하여 난연 및 내열 접착제로써 이용에 적합하다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 액상규산나트륨 조성물은 수산화알미늄 0.5-1 중량%, 탄산칼슘 1-2 중량%, 수산화마그네슘 1-2 중량%, 보락스 0.5 - 1 중량%, 리튬실리케이트 1-5 중량%, 다공성 실리카 2-5% 및 첨가제 0.1-1중량% 와 액상규산나트륨 KS3호 용액 75-85 중량%, 물 6.4-8 중량% 구성된 용액으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 주 조성물중 액상규산나트륨은 KS (한국공업규격) 3호를 기본으로 사용하였으며 여기 에 1차적으로 수산화 알미늄 0.5-1 중량%과 탄산칼슘 1-2 중량%, 수산화마그네슘 1-2 중량%을 투입한다.이들은 내열성 보강재로 화재시 규산나트륨의 내열성을 증가시키고 이중 탄산나트륨은 규산의 알카리와 만나 소다회를 생성시켜 규산의 알카리 성분을 치환시키며 이러한 작용은 규산나트륨의 백화현상을 억제하는 역할을 한다. 이들을 투입 후 온도를 80도로 승온하여 반응을 시키고 바로 보락스를 투입한다. 보락스 투입 후 점도가 증가하는 현상이 나타나며 이때 물을 투입하여 점도를 조절한다. 보락스 투입이 너무 많게 되면 점도가 너무 증가하여 작업성에 문제가 있으므로 0.5 - 1 중량% 투입이 적절하다. 보락스(Na₂B₄O₇)는 액상규산에 쉽게 용해가 되며 그중 붕소 성분은 적절한 반응을 통하여 Si 구조를 치환하여 건조후 액상 규산의 물에 대한 용해성을 대폭 저하시킨다. 이런 원리는 일반적인 소다유리에 붕소 성분이 첨가되어 내열성을 띄는 경질유리가 되는 점을 이용한 것이다. 이후 리튬실리케이트 (SiO₂ 20%, Li₂O 1.3%)를 투입하여 초기 발생되는 석출물이 다 없어질때 까지 격렬히 교반을 시키고, 그후 비표면적 200-300 m²/g 을 갖는 다공성 실리카를 투입하여 분산시킨다. 리튬실리케이트는 규산의 몰비를 증가시는 역할을 하는데 이때 규산염이 매우 불안정한 형태가되고 건조가 빨라짐과 동시에 상대적으로 알카리 성분이 줄어들어 건조도막이 알카리에 의한 백화현상이 현저하게 줄어든다. 규산염이 불안전한 상태는 규산염의 농도를 조절하여 목적을 달성 할 수 있다. 다공성실리카의 투입은 조성물의 도막 건조시 결합력을 증가시키며 화재시 다공성 실리카 표며의 기공들이 공기층을 형성하여 열 차단 효과를 줄 수 있으며 포함되어 있는 결정수가 분해되면서 흡열 반응을 일으켜 주위의 온도를 낮춰주는 역할을 한다. 최종적으로 첨가제로 투입하는데 이는 조성물 자체가 수용성이므로 표면장력이 높아 도포시 균질하게 퍼지지 않는 현상을 방지하기 위함이다. 이러한 첨가제로는 소듐헥사 설퍼네이트, 소듐헥사메타포스페이트, 암모늄 아크릴레이트 공중합체, 폴리카르복실산 알키올 암모늄염, 폴리실록산 에멀젼 등 계면활성제와 아미노 실란등의 실란류 이다. 이들으 단독 또는 2종이상 혼합하여 사용할수 있으며 이러한 첨가제들은 조성물의 표면 장력을 떨어뜨려 조성물 도포시 작업성을 용이하게 해준다. 이들의 투입량은 0.1 - 1% 중량%인것이 바람직하다.

본 발명을 실시예를 들어 설명하자면 다음과 같으며 이는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

(실시예)

상기 서술한 방법으로 다음과 같은 2가지 조성물을 제조하였다.

	수산화알미늄	수산화마그네슘	보락스	리튬실리케이트	다공성실리카	소듐헥사메타포스페이트	아미노실란	탄산칼슘	액상규산나트륨 KS3	물
조성물1	0.5	1	0.5	2	3	0.2	0.4	1	85	6.4
조성물2	1	2	1	5	5	0.5	0.5	2	75	8

상기 제조된 조성물을 순수 액상규산나트륨 KS(한국공업규격)3호 제품과 내수성,내열성 등을 평가 한 결과는 다음 표 1, 2와 같다.

표 1. 내수성 시험

	조성물 1	조성물 2	액상규산나트륨 KS3
20℃ 온수	6일 경과 후 탈락	5일 경과 후 탈락	1일 경과 후 탈락
80℃ 온수	3일 경과 후 탈락	2일 경과 후 탈락	2시간 후 탈락
자연건조후 백화 현상	없음	없음	있음

시험 방법은 도막을 유리판에 일정한 두께로 도포 후 100℃ 24시간 건조하고 행하여 졌다. 본 발명의 조성물이 기존 3호 보다 내수성이 증가된 것을 알 수 있었으며

조성의 변화에따라 그 정도는 약간씩 변화 됨을 알 수 있다.

표 2. 내열성 시험

	조성물 1	조성물 2	액상규산나트륨 KS3	도포 안한 판넬
가스버너 토치 10분간 접촉	깊이 1.5Cm (화재발생 없음)	깊이 1Cm (화재발생 없음)	깊이 4Cm (화재발생 없음)	깊이 8Cm (관통) (화재발생)

내열성 시험은 PE 섬유로 제조된 두께 80mm 흡음 판넬을 이용하여 동일량을 침적 코팅후 100℃에서 12시간 건조후 가스 버너 토치로 직접 판넬에 10분간 접촉시켜 타는 깊이를 측정하였다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 난연 및 내열성 액상규산나트륨조성물은 각종 건축용 판넬에 코팅되어 화재시 탁월한 난연 및 내열 효과를 부여해주며 기존에 사용되던 3호 제품에 비해 내수성도 개선되고 내열성도 개선된 결과를 보였다.

Claims (3)

1. 수산화알미늄 0.5-1 중량%, 탄산칼슘 1-2 중량%, 수산화마그네슘 1-2 중량%, 보락스 0.5 - 1 중량%, 리튬실리케이트 1-5 중량%, 다공성 실리카 2-5% 및 첨가제 0.1-1중량% 와 액상규산나트륨 KS3호 용액 75-85 중량%, 물 6.4-8 중량%로 구성된 용액으로 이루어진 난연 및 내열성 액상규산나트륨 조성물
2. 제1항에 있어 7몰비 이상의 리튬실리케이트, 비표면적 200-300 m²/g 을 갖는 다공성 실리카를 투입하여 내수성 및 내열성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 액상규산나트륨 조성물.
3. 제 1항에 있어 첨가제로 소듐헥사 설퍼네이트, 소듐헥사메타포스페이트, 암모늄 아크릴레이트 공중합체, 폴리카르복실산 알키올 암모늄염, 폴리실록산 에멀젼 등 계면활성제와 아미노 실란등의 실란류를 2종이상 혼합하여 사용하는 것을 특징으로하는 액상규산나트륨 조성물