KR20100106615A - 접착 표면을 가진 다층 팽창성 방화 장벽 - Google Patents

Abstract

접착 시트 또는 연속적인 테이프 롤 형태의 팽창성 방화 장벽이 개시된다. 장벽은 팽창성 재료, 보강 매트릭스, 감압 접착제 및 이형 라이너의 라미네이팅된 층들을 포함한다. 팽창성 재료는 구조용 강철재 기재에 접착제에 의해 적용되며, 기재에 대한 방화 기능을 제공하도록 화재 중에 그 최초 두께의 적어도 10배로 확장한다. 방화 장벽의 다수의 층은 서로 겹쳐 설치될 수 있다. 이러한 적용 방법은 분무식 방화 코팅과 비교할 때 설치 시간을 크게 감소시킨다.

Description

접착 표면을 가진 다층 팽창성 방화 장벽{MULTI-LAYER INTUMESCENT FIRE PROTECTION BARRIER WITH ADHESIVE SURFACE}

본 발명은 팽창성 방화 장벽(intumescent fire protection barrier)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 건물 또는 다른 구조물에서의 방화에 유용한 팽창성 재료 및 접착 재료의 개별 층들을 포함하는 다층 접착 테이프, 시트 또는 랩(wrap)에 관한 것이다.

구조용 강철재, 예컨대 컬럼(column), 비임(beam), 거더(girder) 및 기타 강철 조립체를 화재의 손상 영향으로부터 보호할 필요성은 현대 건물 설계에서 중요한 부분이다. 강철은 연소되지 않지만, 고온에서 강도를 잃을 수 있다. 그 결과, 지역 화재 규정(local fire regulation)에 따라, 강철이 약 538℃의 온도에 도달하는 데 필요한 시간을 일반적으로 적어도 2시간까지 연장시키기 위해, 강철을 화재의 영향으로부터 격리시키기 위한 다양한 방화 시스템이 개발되어 왔다.

팽창성 코팅은, 열의 작용 하에서 반응하고 그 최초 두께의 10 내지 100배로 부풀어, 코팅이 적용된 기재를 화재의 영향으로부터 보호하는 단열 탄화물(insulating char)을 생성하는 코팅이다. 유사한 방화 등급(fire protection rating)을 달성하기 위한 다른 유형의 단열 재료에 대해 요구되는 두께와 비교할 때, 팽창성 코팅은 상대적으로 얇은 두께로 적용된다는 사실로 인해, 이들은 점점 구조물의 방화를 위한 바람직한 선택이 되고 있다. 팽창성 코팅의 다른 매력적인 특징은 그들의 매끄럽고 미적으로 만족스러운 마감(finish)이다. 그러므로, 박막 팽창성 코팅은 건축가와 설계자가 구조용 강철재의 창조적인 설계 가능성을 최대화할 수 있게 한다.

전형적인 팽창성 코팅은 대개 최소한 4가지 성분을 포함한다: 전형적으로 암모늄 폴리포스페이트인 광산(mineral acid) 촉매의 공급원; 전형적으로 펜타에리트리톨 또는 다이펜타에리트리톨인 탄소의 공급원; 전형적으로 멜라민인 발포제(blowing agent); 및 전형적으로 열가소성 수지인 결합제. 팽창성 코팅에 열이 가해질 때, 일련의 반응이 일어난다. 암모늄 폴리포스페이트는 분해되어 폴리인산을 생성하고, 펜타에리트리톨의 탈수를 촉매하여 탄화물을 생성한다. 발포제가 또한 분해되기 시작하여, 탄소 탄화물이 폼(foam)으로 되게 하는 불연성 가스를 방출하며, 그에 따라 기재를 열로부터 단열시키는 데 매우 효과적인 머랭형(meringue-like) 구조를 생성한다. 결합제의 기본적 기능은, 팽창성 코팅의 성분들을 함께 결합시켜서, 성분들이 기재에 적용되어 화재 상황에서 그 기능을 수행할 것이 필요할 때까지 기재와 치밀한 접촉 상태로 유지될 수 있게 하는 것이다. 또한, 결합제는 균일한 셀룰러 폼 구조(cellular foam structure)의 형성에 기여하는데, 이는 용융된 결합제가 발포제의 분해에 의해 방출되는 가스를 포집하는 데 도움을 주어 탄화물의 제어된 확장을 보장하기 때문이다.

팽창성 코팅은 일반적으로 수계, 용매계, 및 에폭시계의 3가지 유형으로 분류된다. 수계 및 용매계 팽창성 코팅은 그 중에서도 가장 널리 사용되는 제품이다(북미 시장에서 80% 초과의 사용량). 이들 코팅은 열가소성 결합제, 예컨대 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리비닐 아세테이트, 페놀 수지 또는 아크릴 수지를 이용한다. 결합제의 열가소성 특징은 코팅이 (발포제)에 의해 상당하게 부풀게 하여 최초 코팅 두께의 10 내지 100배의 탄화물을 형성하게 한다. 그러므로, 수계 또는 용매계 코팅에서는 상대적으로 얇은 막만을 필요로 한다. 그러나, 이들 유형의 코팅의 중요한 단점은 설치와 관련된 시간이다. 내화성화(fireproofing)를 위해 요구되는 코팅 두께에 따라, 프로젝트는 2일 내지 1주 넘게 계속될 수 있는데, 이는 단일회 적용으로 처짐(sagging) 또는 박리(peeling) 없이 제한된 두께(대개 일당 40 내지 50 밀(mil) 또는 1.0 내지 1.2 ㎜)만이 분무될 수 있기 때문이다. 코팅은 제2 층이 적용될 수 있기 전에 건조되게 하여야 하며, 이는 전체 설치 시간을 연장시킨다. 습도와 같은 환경 조건이 코팅의 건조 시간에 영향을 줄 수 있다. 또한, 균일한 두께로 적용되는 것을 보장하기 위해 숙련된 적용자가 코팅을 적용하여야 한다. 용매계 시스템의 경우, 적용자는 특별한 안전 고려사항, 예컨대 흡입 독성(inhalation hazard) 및 가연성(flammability)을 인지하여야 한다. 마지막으로, 분무식 코팅은 지저분하여, 설치 후에 작업 부위의 광범위한 세척을 필요로 한다. 당업계의 이들 문제점 중 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 개선된 방화 장벽이 요구된다.

에폭시계 코팅(예컨대, PPG의 피트-챠(Pitt-Char)(등록상표) 및 아크조 노벨(Akzo Nobel)의 챠텍(Chartek)(등록상표) 시스템)은 우수한 내구성을 가지며, 주로 옥외 응용, 예컨대 해상 플랫폼(offshore platform) 또는 산업 플랜트(industrial plant)에 사용된다. 에폭시 수지의 열경화성 특성으로 인해, 에폭시계 코팅은 가열시 (그 최초 두께의 불과 몇 배만으로) 불충분하게 부풀고, 결과적으로 원하는 방화 등급을 달성하기 위해 보다 많은 양이 적용될 것을 필요로 한다. 에폭시 시스템의 비용은 대개 수계 및 용매계 시스템보다 훨씬 더 높은데, 이는 전체 프로젝트 비용에 의해 실내 응용을 불가능하게 함을 의미한다. 또한, 훨씬 더 큰 코팅 두께가 요구됨으로 인해 미적 마감이 손상된다.

코팅은 흔히, 예를 들어 적용 중에 코팅과 혼합되는 짧은 길이의 유리섬유 단편들을 사용하여 보강된다. 코팅 전체에 걸쳐 혼합된 섬유들의 랜덤한 방향이 보강을 제공하여, 처짐의 가능성을 감소시키고, 적용되는 전체 코팅 두께가 증가될 수 있게 하여, 보강 없이 달성될 수 있는 것 이상으로 방화 등급을 향상시킨다. 그러나, 섬유유리 보강의 사용은 지저분하게 되며, 분무식 코팅의 다른 단점을 완화시키지 못한다.

그래파이트(graphite)로 불리는 형태의 탄소로 함침된 유리섬유 단열 배턴(baton)(다른 팽창성 재료)가 소정의 방화 응용에서 랩으로서 사용된다. 이들 랩은 일반적으로 기재에 부착되는 면을 따라 연속적인 접착 층을 포함하지 않는다. 랩은 때로는 랩의 일부분을 자신에게 접착시키기 위해 접착 스트립을 채용할 수 있지만; 그러면 랩은 마찰에 의해서만 기재와의 접촉 상태를 유지한다. 랩과 화재로부터 보호되는 재료 사이의 치밀한 접촉의 결여는, 탄화(charring) 시에 팽창성 재료가 기재로부터 조기에 분리될 가능성을 증가시킨다는 것을 의미하며, 이는 방화 기능을 손상시킨다.

팽창성 재료가 모서리 둘레에 또는 둥근 외부 표면에(예컨대, 중공 관에 또는 구조용 I-비임 둘레에) 적용될 때, 화재 중의 재료의 확장 시에 균열(fissure)이 발생할 수 있다. 이러한 균열은 기재 전체를 통해 전파될 수 있으며, 그에 따라 화재 상황에 대한 재료의 조기 노출을 초래한다. 그러므로, 기재 재료를 통한 균열 전파의 가능성을 감소시키는 것이 바람직할 것이다.

미국 특허 제5,851,663호(파슨스(Parsons)등)는 혼합된 팽창성 재료를 포함하는 감압 접착제 조성물을 개시한다. 팽창성 재료는, 접착되는 기재를 위한 방화 장벽으로서 작용하기 보다는, 테이프 자체의 내화성을 증가시키기 위해 첨가된다. 팽창성 재료 및 접착제의 개별 층들을 포함하는 다층 방화 장벽은 개시되어 있지 않다. 또한, 조성물의 보고된 최대 확장은 7.5배인데, 이는 일반적으로 화재 장벽 응용에 사용하기에는 불충분한 것으로 간주된다.

미국 특허 제6,866,928호(코베(Kobe) 등) 및 미국 특허 출원 공개 제2003/0175497호(피셔(Fischer) 등) 모두는 신장가능한 이형 층을 포함하는 난연성 테이프를 기술한다. 이들 테이프는 팽창성 재료의 층을 포함하지 않으며, 화재 중에 확장을 거의 또는 전혀 나타내지 않는다. 그러므로, 이들 테이프는 팽창성 방화 장벽으로서 사용하기에는 적합하지 않다.

한국 특허 출원 공개 제2002034134호(조, 제이.와이.(Cho, J.Y.))는 난연성 재료와 혼합된 올레핀계 중합체로 이루어진 합성 고무 조성물로 코팅된, 관통하는 복수의 슬릿(slit)을 가진 얇은 강철 플레이트를 포함하는 열 확장 난연성 테이프를 개시한다. 그러므로, 난연성 재료는 개별 층으로 제공되지 않는다. 강철 플레이트는 또한 테이프의 가요성을 저하시키고 그 중량을 증가시켜서, 방화 장벽으로서 적용하는 것을 어렵게 한다.

미국 특허 제5,681,640호(키셔(Kiser))는 금속 내화성 재료 및 팽창성 재료의 접힌 층들을 포함하는 방화 장벽을 개시한다. 층들은 팽창성 재료의 확장을 가능하게 하도록 화재 중에 펼쳐지도록 설계된다. 방화 장벽은 접착 테이프의 스트립을 사용하여 기재에 부착될 수 있다. 다공성의 연속적인 보강 매트릭스(reinforcing matrix)는 개시되어 있지 않다. 그 접힌 특성으로 인해, 이러한 장벽은 다수의 층으로 순차적인 적용에는 적합하지 않다.

미국 특허 제4,058,643호(마샬(Marshall) 등)는 플라스틱 외피(sheath)에 접착제에 의해 접합된 유리섬유 단열 재료를 포함하는 방화 장벽을 기술한다. 접착제는 외피가 유리섬유 단열재 내로 용융 및 위킹(wicking)되는 것을 방지하도록 화재 중에 확장되는 팽창성 재료를 포함한다. 개별적인 팽창 및 접착 층들은 없으며, 기재에 대해 접착제 부착도 없다.

그러므로, 기재에 대해 장벽을 부착하기 위한 접착 층을 포함하는 개선된 팽창성 방화 장벽에 대한 필요성이 여전히 존재한다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 팽창성 재료를 포함하는 제1 층; 연속적인 보강 매트릭스를 포함하는 제2 층; 감압 접착제를 포함하는 제3 층; 및 제3 층에 제거가능하게 접착되는 이형 라이너(release liner)를 포함하는 제4 층을 포함하는, 다층 방화 장벽(multi-layer fire protection barrier)이 제공된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 전술한 바와 같은 다층 방화 장벽을 제공하는 단계; 방화 장벽으로부터 제4 층을 제거하여 제3 층을 노출시키는 단계; 및 제3 층의 감압 접착제를 건물 구성요소의 표면에 적용하여, 방화 장벽을 건물 구성요소에 접착제에 의해 부착하는 단계를 포함하는, 화재 손상으로부터 건물 구성요소를 보호하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 감압 접착제가 적용되는 연속적인 이형 라이너 스트립을 제공하는 단계; 연속적인 길이의 보강 매트릭스를 제공하는 단계; 보강 매트릭스를 따라 팽창성 재료를 분무 코팅하는 단계; 및 감압 접착제를 보강 매트릭스에 접착하는 단계를 포함하는, 다층 방화 장벽을 제조하는 방법이 제공된다.

팽창성 재료는 보강 매트릭스와 치밀하게 혼합될 수 있다. 일 실시 형태에서, 보강 매트릭스는 팽창성 재료가 적용되는 표면을 형성할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 보강 매트릭스는 다공성일 수 있으며, 팽창성 재료는 보강 매트릭스와 혼합될 수 있다. 팽창성 재료는 보강 매트릭스로 침투할 수 있으며, 보강 매트릭스는 팽창성 재료 내에 부분적으로 또는 전체적으로 위치될 수 있다. 보강 매트릭스는 직물(woven) 또는 부직물(non-woven)일 수 있으며, 예를 들어 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드 또는 폴리아라미드 재료로부터 제조되는 섬유질 열가소성 재료, 예컨대 스크린(screen), 웨브(web), 스크림(scrim) 또는 베일(veil)을 포함할 수 있다.

종래의 방화 코팅에서보다 더 큰 팽창재 두께가 본 발명의 방화 장벽의 단일 층으로 적용될 수 있다. 0.25 내지 3 ㎜, 바람직하게는 0.5 내지 1 ㎜의 팽창재 두께가 단일 층으로 이용될 수 있다. 이는 유리하게는 적용 시간을 감소시키고, 종래의 분무 코팅에서보다 더 많은 양의 팽창성 재료가 모서리 둘레에 적용되게 한다. 또한, 방화 장벽의 다수의 층은 이전 층이 경화되기를 기다리지 않고서 설치될 수 있는데; 이는 방화 장벽의 단일 층의 두께보다 더 큰 전체 팽창재 두께를 필요로 하는 프로젝트에 대해 설치 시간 및 비용을 크게 감소시킨다. 임의의 바람직한 팽창성 코팅 두께가 이러한 방식으로 제공될 수 있다.

놀랍게도, 방화 장벽과 기재 사이에서 접착제에 의해 제공되는 치밀한 접촉은 확장이 시작된 후에, 심지어 접착제가 파괴되는 온도를 넘어서도, 팽창재가 기재 표면에 강하게 보유되도록 한다. 그러므로, 구조용 강철재가 파괴될 때 직면하는 고온에 대해 저항성을 갖는 접착제에 대한 특정한 요구는 없으며, 적합한 접착제의 일례는 아크릴 감압 접착제이다. 이는 랩 및 다른 유사한 재료와는 대조적인데, 이러한 재료는 기재와 치밀한 접촉을 나타내지 못하며 팽창성 코팅의 확장이 시작되면 헐거워질 수 있어서, 방화 기능이 손상된다.

전술한 본 발명은 많은 유용한 이점을 제공한다. 다른 팽창성 방화 장벽보다 더욱 미적으로 만족스러운 코팅이 제공된다. 균일한 두께가 적용될 수 있고, 다수의 층은 이전 층이 경화되기를 기다리지 않고서 차례로 설치될 수 있다. 이는 설치 시간을 크게 감소시킨다. 본 발명은 설치를 위해 특별한 숙련자를 필요로 하지 않으며, 용매계 팽창성 코팅과 비교할 때 안전 문제가 감소한다. 분무식 코팅과 비교할 때 습도는 무시할 수 있는 영향을 미친다. 분무식 코팅의 경우보다 설치 중에 발생하는 지저분함이 훨씬 덜하다. 방화 장벽과 보호되는 기재의 표면 사이의 치밀한 접촉은 랩 또는 배턴에 있어서 문제가 될 수 있는 화재 중의 조기 분리의 가능성을 감소시킨다. 본 발명은 특히 모서리 둘레 및 둥근 표면 상의 적용에 매우 적합하다.

본 발명을 요약하였고, 이제 본 발명의 바람직한 실시 형태가 첨부 도면을 참조하여 기술될 것이다.
<도 1a>
도 1a는 직물 섬유질 보강 매트릭스를 가진, 본 발명에 따른 방화 장벽의 분해도.
<도 1b>
도 1b는 부직물 섬유질 보강 매트릭스를 가진, 본 발명에 따른 방화 장벽의 분해도.
<도 2a>
도 2a는 원형 단면을 가진 관에 적용된 장벽의 상부 단면도.
<도 2b>
도 2b는 화재 중에 팽창성 재료가 확장된 도 2a의 장벽을 도시하는 도면.
<도 3a>
도 3a는 직사각형 단면을 가진 관의 평면형 표면에 순차적으로 적용된, 본 발명의 다수의 방화 장벽을 도시하는 측단면도.
<도 3b>
도 3b는 팽창성 재료의 확장 중에, 상이한 장벽 상의 상이한 위치에 위치된 균열이 형성된 도 3a의 장벽을 도시하는 도면.
<도 4a>
도 4a는 화재 중의 보강 매트릭스의 파괴가 팽창성 재료의 다중 방향으로의 확장을 허용하는, 도 2b의 장벽을 도시하는 도면.
<도 4b>
도 4b는 화재 중에 보강 매트릭스의 파괴가 없고, 그에 따라 각각의 연속적인 방화 장벽의 보강 매트릭스를 통한 팽창성 재료의 확장을 억제하는, 도 2b의 장벽을 도시하는 도면.
<도 5>
도 5는 다수의 방화 장벽이 적용되고 균열 전파가 파괴된 보강 웨브의 파편들에 의해 제한되는, 직사각형 단면을 가진 중공 관의 일부분의 모서리를 도시하는 도면.
<도 6>
도 6은 10℃/분의 가열 속도에서 수행된, 본 발명에 따른 방화 장벽에 사용하기에 적합한 접착제의 열 중량측정 분석을 도시하는 도면.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 방화 장벽은 제1 팽창성 재료를 포함하는 제1 층(1), 연속적인 다공성 보강 매트릭스를 포함하는 제2 층(2), 감압 접착제를 포함하는 제3 층(3), 및 감압 접착제에 제거가능하게 접착된 이형 라이너를 포함하는 제4 층을 포함한다. 도 1a의 방화 장벽은 직물 섬유질 보강 매트릭스를 포함하는 반면, 도 1b의 방화 장벽은 부직물 섬유질 보강 매트릭스를 포함한다. 도 1b의 부직물 매트릭스는 랜덤하게 배향된 섬유들로 구성될 수 있다. 이는 제조 목적에 그리고 균열 전파를 방지하는 데 유리할 수 있다.

제1 층(1) 내의 팽창성 재료는 적어도 4가지 성분을 포함한다: 광산 촉매; 탄소의 공급원; 발포제; 및 결합제. 전술한 것의 바람직한 예는, 촉매로서 암모늄 폴리포스페이트, 탄소 공급원으로서 펜타에리트리톨 또는 다이펜타에리트리톨, 발포제로서 멜라민, 및 결합제로서 열가소성 또는 라텍스 수지를 포함한다. 팽창성 재료는 약 200℃의 온도에서 확장하기 시작하며, 그 최초 두께의 적어도 10배, 그 최초 두께의 바람직하게는 적어도 15배, 더 바람직하게는 적어도 20배로 확장한다. 팽창성 재료의 최초 두께는 0.25 내지 3 ㎜, 바람직하게는 0.5 내지 1 ㎜이다. 장벽의 외부 표면은 다양한 장식 마감이 적용될 수 있는 미적으로 만족스러운 마감을 가지며, 소정 실시 형태에서는 바람직할 경우 도색될 수 있다.

보강 매트릭스는 바람직하게는 다공성이어서, 조립될 때 제1 층(1)의 팽창성 재료가 침투하여 제2 층(2)과 혼합되게 한다. 보강 매트릭스는 직물 또는 부직물일 수 있으며, 바람직하게는 25 내지 250 ㎛의 두께를 갖는 섬유질 열가소성 웨브, 스크린, 스크림 또는 베일이다. 보강 매트릭스는 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드 또는 폴리아라미드 재료로부터 제조된다.

보강 매트릭스가 팽창성 재료의 팽창 온도보다 더 높은 파괴 온도를 가질 수 있지만, 바람직한 실시 형태에서, 보강 매트릭스는 장벽의 최종적인 방화 등급보다 더 낮은 온도(일반적으로, 강철의 경우 약 500 내지 550℃)에서 파괴되도록 설계된다. 본 설명의 목적을 위해, 파괴는 보강 매트릭스 내에서 물리적인 분리가 일어나도록 하기에 충분한 구조적 완전성의 손실로서 정의된다. 예를 들어, 보강 매트릭스는 200℃ 내지 500℃, 바람직하게는 250℃ 내지 400℃의 온도에서 파괴될 수 있다. 이는 유리하게는 화재의 초기 단계 중에 장벽에 대한 구조적 지지를 제공하며, 동시에 보강 매트릭스가 화재 중에 더 늦은 시점에 파괴되도록 하여, 팽창성 재료의 추가의 확장을 가능하게 하고, 그에 따라 특히 다층 응용에서 향상된 방화 기능을 부여한다. 보강 매트릭스는 방화 장벽의 내부에 위치되기 때문에, 팽창성 재료의 확장은 전형적으로 보강 매트릭스를 일정 기간 동안 화재의 헤드(head)로부터 차폐하여, 보강 매트릭스의 파괴 온도가 팽창성 재료의 그것과 유사한 경우에도, 파괴는 여전히 팽창 후에 일어날 것임에 유의하여야 한다.

바람직한 접착제는 팽창성 재료의 팽창 온도보다 더 높은 파괴 온도를 갖지만, 파괴 온도는 장벽의 최종적인 방화 등급보다 더 낮다. 접착제는 약 400℃ 미만의 파괴 온도를 가질 수 있다. 본 설명의 목적을 위해, 파괴 온도는 열 중량측정 분석(thermal gravimetric analysis, TGA) 곡선으로부터 결정되는 바와 같이, 접착제의 개시 온도(onset temperature)와 동동하다. "개시 온도"라는 용어는 당업자에게 알려져 있으며 이해된다.

바람직한 접착제는 200 내지 380℃, 205 내지 350℃, 또는 210 내지 330℃의 파괴 온도를 갖는다. 10℃/분의 가열 속도에서 수행된, 적합한 접착제에 대한 열 중량측정 분석이 도 6에 제공되어 있다. 개시 온도는 약 320℃인 것으로 도시되어 있으며, 이 경우 접착제의 최초 중량의 약 90%가 남아 있다. 본 발명에 따른 접착제는 강철의 파괴 온도(약 500℃)까지 그들의 접착 강도를 유지할 것이 요구되지는 않는다는 것에 주목해야 할 것이며; 이는 방화 장벽과 기재 표면 사이의 치밀한 접촉을 포함하지 않고서 보다 저렴하고 보다 통상적으로 입수가능한 접착제의 선택을 가능하게 한다.

접착제는 감압 접착제, 예컨대 UV 경화성 아크릴 접착제일 수 있다. 특히 적합한 감압 접착제의 일례는 쓰리엠(3M) 200MP™이다. 접착 층(3)의 두께는 25 내지 75 ㎛일 수 있다. 제2 층(2)과 제3 층(3)은 접착제가 장벽을 기재에 그 표면 전체에 걸쳐 부착하는 데 이용될 수 있도록 실질적으로 동일한 길이 및 폭을 갖는다. 이는 장벽과 기재 사이의 양호한 부착을 제공하며, 조기 분리의 가능성을 감소시킨다.

이형 층(4)은 선택된 접착제와 상용성인 것으로 당업자에게 알려진 적합한 재료를 포함한다. 이형 층(4)은 보통 접착 층(3)에 대한 보호를 제공하면서도 여전히 방화 장벽의 설치를 위해 쉽게 박리되는 적합한 두께의 코팅된 종이 재료를 포함한다.

본 발명에 따른 방화 장벽은 테이프의 제조에 적합한 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 이들 기술은 연속적인 보강 매트릭스 스트립을 제공하고 동시에 팽창성 재료를 하나의 면 상에 그리고 접착제를 반대편 면 상에 분무 코팅함으로써 시작될 수 있다. 다른 접근법은 접착제가 적용된 이형 라이너를 제공하고 보강 매트릭스를 형성하기 위해 접착제 상으로 랜덤한 섬유들을 송풍하는 것이다. 이어서, 팽창성 재료가 보강 매트릭스 상으로 코팅될 수 있다. 접착제 및/또는 팽창재는, 예컨대 열 또는 자외광을 사용하여 선택적으로 경화될 수 있다. 이형 층에는 접착 층에 제공될 수 있거나, 접착제 및 보강 매트릭스가 서로 부착된 후에 제공될 수 있다. 완성된 테이프는 롤로 권취된다. 연속 롤로 테이프를 제조할 수 있는 이들 기술 및 기계는 당업자에게 알려져 있으며, 예를 들어 본 명세서에 참고로 포함된 문헌[Handbook of Pressure Sensitive Adhesive Technology 3^rd edition, 1999, edited by Donatas Satas]에 기술되어 있다.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 방화 장벽은 특히 도시된 바와 같이 원형 단면을 가진 HSS(hollow structural section) 관과 같은 둥근 표면 상, 정사각형 또는 직사각형 단면을 가진 관 상, 앵글 철재(angle iron) 상, 또는 I-비임 상의 적용에 매우 적합하다. 장벽은 접착 층(3)을 노출시키도록 이형 층(4)을 박리시키고 이를 파이프(6)에 대해 균일하게 가압함으로써 적용된다. 그에 따라, 접착 층(3)은 장벽의 실질적으로 전체 표면에 걸쳐 파이프(6)와 치밀한 접촉 상태로 장벽을 배치한다. 장벽의 단부는 맞대어지거나 약간 중첩되며, 장벽은 적용을 용이하게 하도록 임의의 원하는 길이로 쉽게 절단된다. 도 2b를 참조하면, 가열 시에, 팽창성 층(1)은 제한된 기간 동안 화재의 영향으로부터 파이프(6)를 격리시키기 위해 그 최초 두께의 적어도 10배로 확장한다. 놀랍게도 화재의 더 이후의 단계 중에 기재와의 치밀한 접촉을 유지하기 위해 기재에 대한 접착제 부착을 거의 또는 전혀 필요로 하지 않는 자체 지지되는(self-supporting) 탄화물이 생성된다. 치밀한 접촉은 화재 중에 기재로부터 조기에 분리될 가능성이 낮은 탄화물을 생성하며, 이는 장벽에 의해 제공되는 방화 기능을 포함할 수 있다.

도 3a를 참조하면, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 전술한 방법이 강철 기재(7)에 대한 복수의 방화 장벽을 순차적으로 적용하기 위해 반복될 수 있다. 이는 원하는 방화 등급을 달성하는 데 요구되는 팽창성 재료의 두께가 방화 장벽의 단일회 적용의 두께를 초과할 때 더 많은 양의 팽창재가 적용될 수 있게 한다. 이러한 방식으로 적용되는 연속적인 방화 장벽에 사용되는 팽창성 재료는 동일하거나, 상이한 층에 대해 상이한 팽창 온도를 제공하도록 상이할 수 있다. 도 3b를 참조하면, 본 발명의 복수의 방향 장벽이 순차적으로 적용될 수 있기 때문에, 균열(8)이 하나의 장벽에 형성되는 경우에도, 균열이 인접한 장벽의 동일한 장소에 형성되기 어렵다. 이는 기재(7)가 외부로부터 복수의 방화 장벽 전체를 통해 전파되는 균열(8)로 인해 거의 노출되지 않는다는 것을 의미한다. 또한, 균열(8)의 전파는 보강 매트릭스(2)에 의해 저지되기 쉽고, 그에 따라 특정 균일의 전파 깊이는 개개의 팽창성 층(1)의 두께로 제한된다.

도시된 기재(7)는 정사각형 또는 직사각형 단면을 가진 HSS 관의 평면형 표면이다. 균열이 보통 둥근 표면 또는 모서리 상에서의 장벽의 확장 시에 형성되지만, 정사각형 단면을 가진 HSS 관의 불균질한 가열에 의해 열원에 가장 가까운 방화 장벽의 부분이 먼저 확장하고, 그에 따라 장벽의 잔여부가 열원의 반대 방향으로 당겨진다. 이는 이어서 도 3b에 도시된 바와 같이 열원으로부터 먼 평면형 표면 상의 균열 형성을 초래할 수 있다. 본 발명의 장벽은 평면형 표면 상, 둥근 표면 상 또는 모서리 상의 균열 전파를 방지하는 데 효과적이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 다수의 순차적으로 적용된 방화 장벽이 특히 비-평면형 표면 상에서 확장을 수용할 수 있는 적어도 2가지의 잠재적인 방식이 있다. 도 4a를 참조하면, 일 실시 형태에서, 원형 단면을 가진 기재(40)가 제1 외부 장벽(50) 및 제2 내부 장벽(60)에 의해 보호된다. 제1 장벽(50)의 보강 매트릭스(52)는 제2 내부 장벽(60)의 팽창성 층(61)의 팽창 시에 파괴되도록 설계된다. 이는 팽창성 층(61)이 보강 매트릭스(52)에 의해 그의 확장이 억제되지 않고서 완전하게 확장되는 것을 허용한다. 보강 매트릭스(52)는 예를 들어 용융, 연소 또는 분리에 의해 파괴될 수 있다. 그러면, 보강 매트릭스(52)의 파편들이 확장 후에 팽창성 재료 내에 존재한다. 이들 파편은 팽창성 재료에 일정 정도의 보강을 제공할 수 있고, 미피복 금속(bare metal)이 노출되게 하는 재료를 통한 균열 전파를 제한할 수 있다. 보강 매트릭스(52)는 전형적으로 장벽의 팽창 온도보다 더 높지만 기재(40)의 최종적인 화재 등급보다 더 낮은 온도에서 파괴되도록 설계된다. 이러한 실시 형태에서, 보강 매트릭스(52)는 250 내지 400℃의 온도에서 파괴된다. 도 4b를 참조하면, 다른 실시 형태에서, 원형 단면을 가진 기재(140)가 제1 외부 장벽(150) 및 제2 내부 장벽(160)에 의해 보호된다. 제1 외부 장벽(150)의 보강 매트릭스(152)는 제2 내부 장벽(160)의 팽창성 층(161)의 팽창 시에 파괴되도록 설계되지 않는다. 이러한 실시 형태에서, 보강 매트릭스(152)는 내온성(temperature resistant) 재료, 예를 들어 강철 메시(mesh) 또는 세라믹 섬유 재료이다. 팽창성 층(161)은 다공성 보강 매트릭스(152)를 통해 강제로 확장되어 제1 외부 장벽(150)의 팽창성 층(151)과 결합한다. 어느 하나의 접근법이 소정의 응용에서 양호하게 수행되도록 사용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 직사각형 단면을 가진 중공 관의 일부분의 모서리가 다수의 방화 장벽이 적용된 기재(9)를 형성한다. 각각의 방화 장벽은 보강 매트릭스(2)를 포함한다. 화재로 인한 확장 시에, 각각의 장벽의 팽창성 재료(1)는 인접한 장벽의 팽창성 재료와 혼합되고, 적어도 외부 장벽의 보강 매트릭스는 파편(10)을 형성하도록 랜덤한 방식으로 파괴된다. 팽창성 재료의 확장으로 인해 모서리에 형성된 균열(8)은 파편(10)의 존재에 의해 팽창성 재료(1)를 통한 그 전파가 저지된다. 균열(8)이 팽창성 재료(1) 전체를 통해 전파될 수 없기 때문에, 미피복 금속은 화재 중에 노출되지 않고, 이는 전체 방화 시간을 증가시키게 된다.

동일한 방화 장벽 내에 팽창성 코팅과 보강 매트릭스 둘 모두를 사용하는 것은 감소된 균열 전파와 관련된 놀라운 상승 효과를 제공한다. 동일한 팽창성 건조막 두께를 가진 분무식 코팅과 동등하거나 그보다 더 우수한 방화 등급이, 특히 둥근 또는 모서리를 이루는 표면 상에 적용될 때 본 발명의 방화 장벽을 사용하여 얻어질 수 있다. 접착제의 사용은, 그것이 전체 적용 시간 및 표면 준비 시간을 감소시키면서도 환경 조건 및 적용자의 기술 수준에 대한 의존성을 감소시킨다는 점에서 중요하다. 이들 놀라운 이점은 본 발명의 다층 구조에 의해 부여된다.

실시예 1

구매가능한 성분들을 사용하여 팽창성 재료를 제조하였다. 팽창성 재료는 표 1에 열거된 성분들을 포함하였다.

7 g/㎡의 중량 및 0.06 ㎜의 두께를 가진 부직물 폴리에스테르 베일(non-woven polyester veil) (옵티맷(Optimat™), 미국 뉴욕주 뉴버그 소재의 테크니컬 파이버 프로덕츠(Technical Fibre Products))의 층을 마련하였고, 팽창성 재료를 이에 균일하게 적용하였다. 그 후, 팽창성 재료를 20℃의 온도에서 24시간 동안 건조시켰고, 이어서 70℃에서 추가 8시간 동안 건조시켰다. 그 후, 건조된 복합재를 0.05 ㎜의 두께를 가진 쓰리엠(3M) 200 MP™ 접착 필름 (미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠(3M))과 라미네이팅하였다. 이형 라이너는 공급업체로부터 얻은 접착 층에 포함되어 있었고, 완성된 제품에 포함시켰다. 방화 장벽의 최종 두께는 0.5 내지 1 ㎜의 범위였고, 폭은 30 ㎝ (12")였다.

30 × 30 × 0.625 ㎝ (12" × 12" × ¼")의 치수를 가진 강철 플레이트를 샌드블래스팅(sand blasted) 및 프라이밍(primed)하였다. 방화 장벽의 3개의 연속적인 층을 적용하였고, 이때 연속적인 층들 사이에 소정 정도로 중첩시켰다. 방화 장벽의 총 평균 두께는 2.75 ㎜였다. 그러나, 장벽은 보강 웨브 및 접착 층 둘 모두를 포함하였기 때문에, 장벽 내의 팽창성 재료의 등가 건조막 두께(equivalent dry film thickness, DFT)는 2.42 ㎜인 것으로 계산되었다. 적용 시간은 수 분이었다.

동일한 치수를 가진 대조군 플레이트를 표준 기술을 사용하여 준비하였다. 플레이트를 샌드블래스팅 및 프라이밍하였고, 이어서 건조시켰다. 표 1을 참조하여 기술된 팽창성 재료의 3가지 코트(coat)를 플레이트에 적용하였다. 각각의 코트를 다음 코트를 적용하기 전에 1일 동안 건조시켰다. 총 적용 시간은 3일이었다. 총 건조막 두께(DFT)는 2.92 ㎜였다.

플레이트들을 표준 ASTM E119 모의 화재(simulated fire)에 각각 노출시켰다. 온도를 30분 후 843℃, 1시간 후 927℃ 그리고 2시간 후 1010℃로 되게 하는 프로그램가능 노(programmable furnace)에서 화재를 모의 시험하였다. 강철의 평균 온도가 구조용 강철재의 파괴 온도인 것으로 간주되는 538℃에 도달한 때 시험을 종료한다. 시험 결과가 표 2에 제공되어 있다.

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방화 장벽에 의해 보호되는 플레이트는 125분 후에 538℃의 온도에 도달하였으며, 이는 대조군 플레이트가 동일한 온도에 도달하는 데 소요된 시간(129분)과 거의 동등하다. 이들 결과의 비교동등성(comparability)은 본 발명의 DFT가 대조군의 DFT보다 0.5 ㎜ 더 작았다는 것(약 17% 더 작음)을 고려하면 특히 놀라운 것이다. 시험 전후의 DFT에 기초하여 계산된 팽창성 재료의 확장비는 2가지 재료에 대해 거의 동등하였다. 시각적 관찰에 의해, 평탄한 플레이트 상의 균열 형성 또는 탈층은 거의 또는 전혀 없는 것으로 나타났고, 따라서 시험 결과는 팽창성 코팅에 대한 미피복 강철의 노출에 의해 부정적인 영향을 받지 않았다.

플레이트를 역전된 위치로 현수시킨 상태에서 시험을 반복하였으며, 본 발명이 시험 후에 양호한 접착성을 나타낸 것으로 관찰되었다. 이는 또한 고온(538℃) 시험 조건에의 노출 후에 접착 층에 의해 제공된 부착이 거의 또는 전혀 없다는 점에서 놀라운 것이다. 그러므로, 본 발명의 장벽에 의해 형성된 탄화물은 팽창성 재료의 확장 후에 자체 지지되고 또한 기재에 자체 접착된다.

실시예 2

본 발명에 따른 방화 장벽을 실시예 1에 따라 제조하였다. 7.6 × 12.7 × 0.95 ㎝ (3" × 5" × 3/8")의 공칭 치수 및 120 ㎝ (4 ft) 길이의 직사각형 단면을 가진 HSS(hollow section steel) 컬럼의 일정 길이를 세척하였지만, 샌드블래스팅 또는 프라이밍하지 않았는데; 이들 표면 준비 단계의 생략은 전체 적용 시간을 크게 감소시킨다. 장벽의 3 내지 4개 층을 연속적인 테이프 롤로부터 컬럼 둘레로 감았다. 몇 곳의 위치에서 두께를 측정하였고, 평균은 2.54 ㎜로 계산되었다. 장벽 내의 팽창성 재료의 DFT는 2.21 ㎜로 계산되었다. 과정은 1시간 정도 소요되었다.

동등한 치수의 대조군 HSS 컬럼을 샌드블래스팅 및 프라이밍에 의해 준비하였다. 프라이머(primer)를 건조시킨 후, 실시예 1과 관련하여 전술한 바와 같은 조성을 가진 팽창성 코팅을 종래의 분무 코팅 기술을 사용하여 적용하였다. 2.6 ㎜의 평균 두께로 3가지의 연속적인 코트를 적용하였다. 각각의 코트를 다음 코트를 적용하기 전에 건조시켰다. 전체 과정은 완료하는 데 약 3일이 소요되었다.

컬럼을 실시예 1에 기술된 바와 같이 ASTM E119 모의 화재에 노출시켰다. 시험 결과가 표 3에 제공되어 있다.

표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 방화 장벽을 가진 HSS 컬럼은 58분 후에 538℃의 온도에 도달하였으며, 이는 대조군 플레이트가 동일한 온도에 도달하는 데 소요된 시간(62분)과 거의 동등하다. 이들 결과의 비교동등성은 본 발명의 DFT가 대조군의 DFT보다 0.4 ㎜ 더 작았다는 것(약 20% 더 작음)을 고려하면 특히 놀라운 것이다. 이 둘의 확장비는 거의 동등하였다. 시험 후의 이 둘의 시각적 관찰에 의해, 특히 HSS 관의 모서리에서 상당한 균열 형성이 나타났다. 대조군에서 균열은 분무식 코팅 전체를 통해 전파되어 미피복 강철을 노출시켰지만, 본 발명에서 생성된 균열은 장벽 전체를 통해 전파되지 않았다. 얇은 DFT 및 비교적 짧은 시험 지속기간으로 인해, 미피복 강철의 노출은 대조군의 방화 등급에 상당한 부정적인 영향을 미치는 것으로 보이지는 않았다.

본 발명에서 생성된 상대적으로 표면적인 균열은 연속적인 균열 형성을 제한하는 자체 보강 구조를 생성하기 위해 화재 중에 랜덤하게 파괴되는 보강 웨브의 연속적인 층들의 사용의 결과인 것으로 추측된다. 이는 분무식 코팅과 비교할 때 등가의(또는 약간 감소된) DFT에 대해 더 우수한 방화 등급을 형성한다. 구조용 응용이 일반적으로 2시간 방화 등급을 얻기 위해 더 두꺼운 DFT를 필요로 하기 때문에, 균열 형성의 관찰된 감소 및 결과적인 성능 개선은 본 발명에 대한 예상하지 못한 놀라운 성능 이점을 제공한다. 적용 시간의 큰 감소와 함께 고려할 때, 이러한 우수한 성능은 더욱 더 예상하지 못한 것이며, 상당한 상업적 이점을 제공한다.

전술한 실시 형태들은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 비제한적인 의미로 해석되는 것으로 의도된다. 당업자는, 본 발명의 추가의 특징, 변형 및 하위-조합이 본 명세서에 기술된 바와 같은 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 제공될 수 있으며, 하기의 특허청구범위에 의해 포함되는 것으로 본 발명자에 의해 의도된다는 것을 인식할 것이다.

Claims (25)

1. 다층 방화 장벽(multi-layer fire protection barrier)으로서,
   a) 팽창성 재료를 포함하는 제1 층;
   b) 연속적인 보강 매트릭스(reinforcing matrix)를 포함하는 제2 층;
   c) 감압 접착제를 포함하는 제3 층; 및
   d) 제3 층에 제거가능하게 접착되는 이형 라이너(release liner)를 포함하는 제4 층
   을 포함하는 방화 장벽.
2. 제1항에 있어서, 보강 매트릭스는 다공성이며, 제2 층은 제1 층과 혼합되는 방화 장벽.
3. 제2항에 있어서, 제2 층은 전체적으로 제1 층 내에 있는 방화 장벽.
4. 제1항에 있어서, 제3 층은 제2 층과 동일한 길이 및 폭을 갖는 방화 장벽.
5. 제1항에 있어서, 팽창성 재료는 탄화제(charring agent), 탄화 촉매(charring catalyst), 발포제(blowing agent) 및 열가소성 결합제를 포함하는 방화 장벽.
6. 제5항에 있어서, 촉매는 암모늄 폴리포스페이트를 포함하며, 탄소 공급원은 펜타에리트리톨 또는 다이펜타에리트리톨을 포함하고, 발포제는 멜라민을 포함하며, 결합제는 열가소성 또는 라텍스 수지를 포함하는 방화 장벽.
7. 제1항에 있어서, 보강 매트릭스는 부직물 섬유질 열가소성 재료를 포함하는 방화 장벽.
8. 제1항에 있어서, 보강 매트릭스는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드 또는 폴리아라미드 재료로부터 제조되는 섬유질 스크린(screen), 웨브(web), 스크림(scrim) 또는 베일(veil)을 포함하는 방화 장벽.
9. 제1항에 있어서, 팽창성 재료는 팽창 온도를 가지며, 보강 매트릭스는 팽창 온도보다 더 높은 파괴 온도를 갖는 방화 장벽.
10. 제9항에 있어서, 팽창 온도는 적어도 200℃인 방화 장벽.
11. 제9항에 있어서, 보강 매트릭스는 400℃ 미만의 파괴 온도를 갖는 방화 장벽.
12. 제1항에 있어서, 팽창성 재료의 두께는 0.25 내지 3 ㎜인 방화 장벽.
13. 제1항에 있어서, 팽창성 재료는 팽창 온도를 가지며, 접착제는 팽창 온도보다 더 높은 파괴 온도를 갖는 방화 장벽.
14. 제13항에 있어서, 접착제는 400℃ 미만의 파괴 온도를 갖는 방화 장벽.
15. 제1항에 있어서, 감압 접착제는 아크릴 접착제 화합물을 포함하는 방화 장벽.
16. 제1항에 있어서, 팽창성 재료는 화재 중에 그 최초 두께의 적어도 10배로 확장하는 방화 장벽.
17. 제1항에 있어서, 팽창성 재료는 확장 후에 자체 지지되는 탄화물(self-supporting char)을 형성하는 방화 장벽.
18. 화재 손상으로부터 건물 구성요소를 보호하는 방법으로서,
    a) i) 팽창성 재료를 포함하는 제1 층,
    ii) 연속적인 보강 매트릭스를 포함하는 제2 층,
    iii) 감압 접착제를 포함하는 제3 층, 및
    iv) 제3 층에 제거가능하게 접착되는 이형 라이너를 포함하는 제4 층
    을 포함하는 다층 방화 장벽을 제공하는 단계;
    b) 방화 장벽으로부터 제4 층을 제거하여 제3 층을 노출시키는 단계; 및
    c) 제3 층의 감압 접착제를 건물 구성요소의 표면에 적용하여, 방화 장벽을 건물 구성요소에 접착제에 의해 부착하는 단계
    를 포함하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 접착제는 장벽을 건물 구성요소의 표면과 치밀한 접촉 상태로 배치하는 방법.
20. 제18항에 있어서, 복수의 방화 장벽을 건물 구성요소에 순차적으로 적용하도록 반복되는 방법.
21. 제18항에 있어서, 팽창성 재료의 초기 확장 후에, 보강 매트릭스는 팽창성 재료를 통한 균열 전파를 방지하도록 화재 중에 파괴되는 방법.
22. 제18항에 있어서, 팽창성 재료의 주어진 건조막 두께(dry film thickness, DFT)를 적용하는 데 요구되는 시간은 분무 코팅 기술을 사용하여 팽창성 재료의 동일한 DFT를 적용하는 데 요구되는 시간과 비교할 때 감소되는 방법.
23. 다층 방화 장벽을 제조하는 방법으로서,
    a) 감압 접착제가 적용되는 연속적인 이형 라이너 스트립을 제공하는 단계;
    b) 연속적인 길이의 보강 매트릭스를 제공하는 단계;
    c) 보강 매트릭스를 따라 팽창성 재료를 분무 코팅하는 단계; 및
    d) 감압 접착제를 보강 매트릭스에 접착하는 단계
    를 포함하는 방법.
24. 제23항에 있어서, 팽창성 재료는 감압 접착제를 팽창성 재료에 접착하기 전에 경화되는 방법.
25. 제23항에 있어서, 단계 a) 전에 접착제를 이형 라이너에 적용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.

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