KR20120054601A - 내염성 섬유유리 절연체, 제품 및 방법 - Google Patents

내염성 섬유유리 절연체, 제품 및 방법 Download PDF

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폴 디. 블로다르치크
롤랜드 에이. 하우프트
커티스 데이비스
스티븐 리 콜링스
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크나우프 인설레이션 게엠베하
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Abstract

699℃ 미만 또는 이하의 연화점, 및 774℃의 UL 181 테스트 온도에서 상승된 유리 점도를 가지는 섬유유리 절연체가 제공된다. 섬유유리 절연체를 가지는 덕트와 같은 절연된 제품, 뿐만 아니라 절연된 제품의 화염 투과 내성을 개선시키는 방법이 또한 제공된다.

Description

내염성 섬유유리 절연체, 제품 및 방법 {FLAME RESISTANT FIBERGLASS INSULATION, PRODUCTS, AND METHODS}
관련 미국 특허 출원에 대한 교차-참조
이 출원은 35 U.S.C. § 119(e)하에 2009년 8월 4일에 출원된 미국 가출원 제61/231,183호를 우선권으로 주장하고, 이의 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
다양한 유형의 절연된 가요성 덕트(flexible duct)가 난방 및 냉방 적용분야에서 사용하는 것으로 알려져 있다. 가요성 덕트가 건물에서 이용되기 때문에, 덕트는 지방 건물 코드(building code) 및 규제에 종속된다. 건물 코드를 충족시키고 UL 등급을 받기 위하여, 가요성 공기 덕트가 UL 181 표준을 통과해야 한다. 이 표준은, 예컨대, 강도, 부식, 곰팡이 성장 및 연소 특징에 관련된 많은 요건을 포함한다. 본 발명에서 관심 요건은 화염 투과(flame penetration) 요건이다. 현재의 가요성 덕트는 언제나 UL 181 표준의 화염 투과 테스트를 통과하지 못한다. 화염 투과 테스트 통과는 특히 비교적 얇은 절연층, 예컨대, 0.74 m2-K/W의 R 값을 가지는 절연층을 포함하는 가요성 덕트에 있어서 문제점이다.
절연된 가요성 덕트의 내염성(flame resistance)을 개선하기 위한 노력이 있었다. 예를 들어, 미국 특허 제5,526,849호에는 덕트의 내벽과 외벽 사이에 배치된 내염성 방적사 나선을 포함하는 가요성 덕트가 기재된다. 이러한 구조는 추가적인 재료 및 비용을 필요로 한다. 미국 특허 제4,410,014호에는 덕트의 내염성을 개선하기 위하여 절연체에 적층된 유리 섬유 스크림(scrim)을 포함하는 가요성 덕트가 기재된다. 스크림의 중량을 과감히 증가시키는 것이 화염 투과 테스트를 통과할 가능성을 크게 증가시키지만, 비용을 감당할 수 없다. 미국 특허 제6,527,014호에는 최소한 699℃의 연화점을 가지는 절연된 덕트가 기재된다.
따라서, 내염성을 포함하는 개선된 특징을 가지는 섬유유리 절연체, 섬유유리 절연체 제품, 및 섬유유리 절연체 제조 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
699℃ 미만 또는 이하의 연화점, 및 774℃의 UL 181 테스트 온도에서 상승된 유리 점도를 가지는 섬유유리 절연체가 제공된다. 또한 섬유유리 절연체를 가지는 덕트와 같은 절연된 제품, 뿐만 아니라 절연된 제품의 화염 투과 내성을 개선시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 내염성 섬유유리 절연체는 서로 얽힌 유리의 섬유의 네트워크를 포함한다. 섬유유리 절연체는 공지이고 오랜 기간 동안 상용 제품이었다. 절연체 제품은 예를 들어 섬유성 유리 울로부터 형성될 수 있다.
내염성 섬유유리 절연체는 회전 공정에 의하여 섬유화된 유리 섬유로부터 제조될 수 있다. 회전 공정에서, 용융된 유리 재료는 말단 벽에 복수의 섬유-형성 오리피스를 가지는 방적기(spinner)에 도입된다. 방적기의 회전은 용융된 재료가 오리피스를 통하여 원심력에 의하여 흐르도록 하고 섬유를 형성한다. 섬유는 방적기로부터 아래로 흐르고 수집된다. 섬유는 보통 방적기로부터 아래로 흐름에 따라 결합제로 코팅된다. 컨베이어는 전형적으로 블랭킷(blanket) 형태의 결합제-코팅된 섬유를 수집하고, 블랭킷은 열 경화되어 최종 절연체 제품을 생성한다. 다양한 밀도의 절연 재료가 컨베이어 속도 및 경화된 절연체의 두께를 변화시켜 제조될 수 있다. 바람직하게는, 절연체 제품은 약 8 kg/㎥ 내지 약 48 kg/㎥ 범위 내의 밀도를 가지는 섬유성 유리 울이다.
연화점은 ASTM C338에 따라 측정하여 재료의 점도가 107.6 푸아즈인 온도로 정의된다. 물론 이 파라미터는, 본 출원서에 언급된 임의의 다른 파라미터와 마찬가지로, 임의의 다른 적절한 테스트에 의하여 측정될 수 있다. 본 발명의 연화점 온도는 699℃ 이하, 바람직하게는 약 695℃ 이하, 가장 바람직하게는 약 686℃ 이하이다. 연화점의 범위는 약 680-699℃, 더욱 바람직하게는 685-695℃이다.
log 3 온도는 섬유유리가 1,000 푸아즈의 점도(대략 섬유화 점도)를 가지는 온도이고, 여기서 점도는 종래의 수단에 의하여, 예컨대 ASTM 방법 C 965에 따라 용융된 재료에 잠긴 실린더를 회전시키기에 필요한 토크를 측정하여 결정된다. 바람직하게는, 재료가 약 1050℃이거나 초과, 더욱 바람직하게는 약 1080℃ 초과, 1088℃ 이상의 log 3 온도를 가진다. log 3 온도에 대한 범위는 약 1050-1090℃이다.
재료의 액상선 온도(liquidus temperature)는 ASTM 방법 C 829에 따라 재료가 16 시간 동안 유지되었을 때 용융된 재료 중에 최초의 결정이 나타나는 온도이다. 액상선 온도의 범위는 약 850-900℃, 더욱 바람직하게는 850-860℃이다.
log 3 온도와 액상선 온도의 차이는 델타 T로 지칭된다. 바람직하게는, 델타 T는 최소한 약 150℃, 더욱 바람직하게는 최소한 약 175℃, 가장 바람직하게는 200℃ 이상이다.
상승된 유리 점도가 A. Fluegel("Glass viscosity calculation based on a global statistical modeling approach" Alexander Fluegel, Glass Technol.: Europ. J. Glass Sci. Technol. A, vol.48, 2007, no. 1, p 13-30)에 의하여 개발된 모델을 이용하여 유리의 목표 산화물 함량에 대하여 774℃에서 계산되었다. 평균 파손 시간(failure time)의 UL181 테스트 결과가 계산된 log 10 점도에 대하여 플로팅된다. 5.6 내지 6.0 푸아즈의 log 10 점도를 가지는 표준 유리 조성물은 12 내지 16 분의 파손 시간을 야기했다. 파손 시간 증가는 6.1 내지 6.3 푸아즈의 774℃ log 10 점도를 가지는 모델에서 6 내지 8 분으로 예측되었다. 실제 재료의 파손 시간은 본 발명의 유리 조성물로써 4 내지 17 분으로 증가했다.
바람직한 상승된 유리 점도 및 연화점 온도의 섬유유리 절연체를 가지려는 목표가 유리 제제의 알루미나 및 보릭 옥사이드 함량을 낮추어 달성될 수 있는 것으로 결정되었다. 알루미나 및 보릭 옥사이드에 대한 범위는 약 6.1 내지 약 8.5 wt. %, 바람직하게는 약 7 wt. % 미만이다. 개별적으로, 알루미나는 약 1.25 내지 약 2.5 wt. %의 양으로 존재할 수 있고, 붕산은 약 4.85 내지 약 6.00 wt. %의 양으로 존재할 수 있다. 또한, 칼슘 대 마그네슘 비율(wt. %/wt. %)이 증가되어 더 높은 외부 파유리(cullet) 함량 및 더 낮은 용융 온도를 촉진할 수 있고, 약 3.0 내지 약 4.0 범위, 바람직하게는 약 3.4의 비율이다.
섬유유리에 존재하는 소듐 옥사이드 및 포타슘 옥사이드의 양인 총 알칼리 함량은, 약 15 wt. % 이상으로 존재하고, 약 15 내지 약 16.5 wt. %의 범위이다.
섬유유리 조성의 예는 예시적이고 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
실시예 1
성분 Wt . %
SiO2 63.93
Al2O3 2.50
CaO 8.51
MgO 2.75
Na2O 15.56
K2O 0.57
B2O3 6.00
Fe2O3 1.42
SO3 0.036
실시예 2
성분 Wt . %
SiO2 66.79
Al2O3 1.9
CaO 8.00
MgO 2.5
Na2O 15.19
K2O 0.45
B2O3 5.00
Fe2O3 0.138
SO3 0.038
실시예 3
성분 Wt . %
SiO2 68.81
Al2O3 1.25
CaO 7.5
MgO 2.22
Na2O 14.88
K2O 0.32
B2O3 4.85
Fe2O3 0.132
SO3 0.039
실시예의 특성이 표 1에서 이어진다.
평가된
Log 3 점도
(℃)		 평가된
연화점
(℃)
평가된
Kdis		 액상선
온도
(℃)		 용융
온도
(℃)/(℉)
파유리
%
실시예 1 1050 681 249 895 1322/2412 40.00
실시예 2 1073 683 161 877 1377/2511 43.00
실시예 3 1088.1 685.5 146.2 857.3 1403/2557 45.00
본 발명은 또한 허용 가능한 절연체 제품을 제조하는 광물 재료의 능력을 유지시킨다. 예를 들어, 재료의 절연 능력이 허용 가능한 수준에서 유지된다. 절연 능력은 섬유 광물 재료의 열전도도, k로서 측정될 수 있다. 열전도도가 더 낮을수록, 절연 능력이 더 우수하다. 바람직하게는, 섬유 광물 재료는 약 0.043 W/m°K 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.041 W/m°K 이하의 열전도도를 가진다. 열전도도는 10.97 kg/㎥의 밀도 및 0.0381 m의 두께를 가지는 섬유 재료의 샘플에서 측정될 수 있다.
본 발명에 따른 절연된 제품은 섬유유리 절연체를 가지는 물체이고, 가열되거나 냉각된 공기와 같은 유체를 수송하기 위한 속이 빈 내부를 한정하는 벽 또는 벽들, 그리고 운반된 유체를 절연시키기 위하여 벽 또는 벽들 주위를 싸는 절연층을 가지는 절연된 덕트를 포함한다. 바람직하게는 벽은 관형이다. 절연된 덕트는 덕트의 특정 적용분야에 따라 가요성 또는 비-가요성일 수 있다. 한 구체예에서, 덕트가 가요성이도록 관형 벽이 가요성이다.
본 발명의 한 구체예에서, 절연된 덕트는 내부 및 외부 가요성 벽들 및 벽들 사이의 절연층을 포함한다. 가요성 관형 내벽은 유체를 수송하기 위한 속이 빈 내부를 한정한다. 전형적으로, 내벽은 약 10.2 cm 내지 약 50.8 cm, 보통 약 15.2 cm 내지 약 30.5 cm의 범위 이내의 지름을 가지는 실린더형 튜브이다. 절연층은 내벽을 둘러싸도록 내벽 주위를 감싼다. 가요성 관형 외벽은 절연층 주위를 감싸서 절연층 및 내벽을 둘러싸는 외부 하우징을 제공하고 이들을 적절한 배향으로 유지시킨다.
가요성 덕트의 내벽 및 외벽은 임의의 적절한 가요성 재료로 형성될 수 있다. 적절한 재료의 일부 예에는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드 또는 폴리스타이렌과 같은 열가소성 고분자로부터 제조된 고분자 필름이 포함된다. 바람직할 경우, 고분자 필름은 금속화 필름일 수 있다. 다른 적절한 재료에는 다양한 직물 또는 고분자-코팅된 직물이 포함된다. 바람직하게는, 내벽은 폴리에스테르 필름과 같은 플라스틱 필름으로 형성되고, 외벽은 폴리에틸렌 필름과 같은 플라스틱 필름으로 형성된다.
절연체 제품의 층의 밀도 및 두께는 가요성 덕트에 의하여 운송될 유체 및 덕트의 벽을 통하여 허용되는 열전달 속도에 따라 변할 수 있다. 절연체 제품의 층은 전형적으로, 약 1 인치(2.5 cm) 내지 약 3 인치(7.5 cm)의 범위 내의 두께를 가지는 유리 섬유 절연체이다. 바람직하게는, 절연체 제품의 층은 덕트에 놓이기 전에 약 3.8 cm 두께, 그리고 덕트의 내벽과 외벽 사이에서 압축된 후 약 3.2 cm 두께의 유리 섬유 울이다. 한 구체예에서, 절연층은 0.74 ㎡-K/W의 절연 R 값을 가진다.
가요성 덕트는 보통 덕트에 구조적 견고성을 제공하기 위한 보강 요소를 포함한다. 전형적으로, 보강 요소는 덕트의 길이를 따라 뻗어 있는, 연속적으로 나선형으로 감긴 탄성 와이어이다. 보강 요소는 덕트 안의 다양한 위치에 놓일 수 있지만, 전형적으로 덕트의 내벽에 부착되거나 캡슐화된다. 바람직한 구체예에서, 보강 요소는 내벽의 플라스틱 필름에 캡슐화된 나선형으로 감긴 탄성 와이어이다. 보강 요소는 스틸, 알루미늄, 금속 합금과 같은 금속 재료, 플라스틱 재료, 또는 플라스틱-코팅된 금속 재료로 형성될 수 있다. 보통, 보강 요소는 와이어 스프링 스틸로 형성된다. 와이어 코일의 지름은 덕트의 크기에 의하여 좌우된다.
바람직하게는, 가요성 덕트는 또한 덕트에 추가적인 강도 및 보강을 제공하기 위한 스크림 재료의 층을 포함한다. 스크림 재료의 층은 보통 외벽과 절연층의 사이에 개재된다. 바람직한 구체예에서, 스크림 재료의 층은 절연층의 외면 주위를 감싸고 적층된다. 스크림 재료는 임의의 적절한 직조 및 비-직조 재료일 수 있다. 한 구체예에서, 스크림은 약 1.27 cm의 메쉬 크기의 직사각형 패턴 또는 삼각형 패턴을 가지는 G75 방적사를 사용한다.
본 발명은 또한 절연된 덕트의 화염 투과 내성을 개선시키는 방법을 포함하고, 절연된 덕트는 유체를 수송하기 위한 속이 빈 내부를 한정하는 벽 또는 벽들, 그리고 벽 또는 벽들 주위를 감싸는 절연층을 포함하고, 상기 방법은 상기한 바와 같은 본 발명의 절연체를 제공하는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 덕트와 같은 물체에 본 발명의 절연체를 적용하는 것을 포함한다.
본 발명의 절연된 덕트는 UL 181 표준, 구체적으로 1990년 11월 20일에 개정된 Factory-Made Air Ducts and Air Connectors, Flame Penetration Section, 7th Edition에 대한 Underwriter's Laboratories Inc. 181 표준의 화염 투과 테스트를 통과할 가능성이 증가했다. 이 테스트는 1996년 6월 18일에 등록된 Gray의 미국 특허 제5,526,849호에 상세히 기재되고, 상기 특허는 본 명세서에 전체가 참조로 포함된다. 간략하게, 화염 투과 테스트에서, 가요성 덕트가 절단되어 개방되고 편형해지고, 덕트의 55.9 cm × 55.9 cm 샘플이 프레임에 배치된다. 이후 프레임이 774℃에서 화염에 놓이고, 덕트의 외면이 화염과 접촉한다. 샘플은 면적 2.5 cm × 10.2 cm에 걸쳐 3.6 kg 중량의 부하를 받는다. 파손은 하중이 샘플 전체를 통하여 가해지거나 화염이 샘플을 투과할 경우에 일어난다. 테스트 기간은 30 분이다. 본 발명의 섬유유리는 다양한 절연된 덕트 구성물에 대하여 파손되기까지 증가된 시간을 제공한다.

Claims (12)

  1. 699℃ 이하 또는 미만의 연화점 및 상승된 유리 점도를 가지는 내염성 섬유유리 절연체.
  2. 제1항에 있어서, 연화점은 약 680 내지 약 699℃임을 특징으로 하는 내염성 섬유유리 절연체.
  3. 제2항에 있어서, 연화점은 약 685 내지 약 695℃임을 특징으로 하는 내염성 섬유유리 절연체.
  4. 제1항에 있어서, 상승된 유리 점도는 약 6.0 내지 약 6.3의 log 10 초과임을 특징으로 하는 내염성 섬유유리 절연체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 상승된 유리 점도는 약 log 6.1 내지 약 6.3임을 특징으로 하는 내염성 섬유유리 절연체.
  6. 제1항에 있어서, 알루미나 및 보릭 옥사이드의 양은 약 6.1 내지 약 8.5 wt. %임을 특징으로 하는 내염성 섬유유리 절연체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 알루미나 및 보릭 옥사이드의 양은 약 7 wt. % 미만임을 특징으로 하는 내염성 섬유유리 절연체.
  8. 제1항에 있어서, 알칼리 함량은 약 15 wt. % 이상임을 특징으로 하는 내염성 섬유유리 절연체.
  9. 제8항에 있어서, 알칼리 함량은 약 15 내지 약 16.5 wt%의 범위에 있음을 특징으로 하는 내열성 섬유유리 절연체.
  10. 유체를 수송하기 위한 속이 빈 내부를 한정하는 벽 또는 벽들 및 상기 벽 또는 벽들을 감싸는 제1항의 절연층을 포함하는 유체 수송을 위한 절연된 덕트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 벽은 관형임을 특징으로 하는 절연된 덕트.
  12. 절연된 덕트의 화염 투과 내성(flame penetration resistance)을 개선하는 방법, 상기 절연된 덕트는 유체를 수송하기 위한 속이 빈 내부를 한정하는 벽 또는 벽들, 및 벽 또는 벽들을 감싸는 절연층을 포함하고, 상기 방법은 제1항의 절연체를 제공하는 것을 포함함.
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