KR20120103589A - 다층 방화 재료 - Google Patents

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미첼 위어즈비키
케네스 비 밀러
조셉 에이 페르난도
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유니프랙스 아이 엘엘씨
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Abstract

방화 적용을 위한 가요성 또는 강성 다층 재료. 다층 방화 재료는 무기 섬유층과 흡열층을 포함한다. 방화 재료의 층들은 보조 본딩 수단의 사용 없이 단일 시트 재료를 형성하도록 함께 본딩된다.

Description

다층 방화 재료{MULTI-LAYER FIRE PROTECTION MATERIAL}
보조 본딩 수단을 사용하지 않으면서 유니터리 시트 (unitary sheet) 를 형성하도록 함께 본딩된 섬유층과 흡열층을 포함하는 다층 방화 재료가 제공된다. 방화 재료는 가요성, 반강성 또는 강성 시트나 보드의 형태일 수도 있고 또는 매우 다양한 형상으로 몰딩될 수도 있다.
화재가 발생한 경우에 파이프를 본래의 상태로 유지하고 파이프 내 탄화수소 생성물의 점화를 방지하는 방화 재료가 지속적으로 요구되고 있다. 해상 (offshore) 과 육상 (onshore) 양자의 오일 생산 및 처리 설비용 프로세스 배관 및 도관의 방화를 위해 현재 상업적으로 이용할 수 있는 절연 시스템은 통상적으로 발포 유리 섬유 재료의 제 1 층 및 알루미노실리케이트 섬유, 실리케이트 섬유, 미네랄 섬유 또는 이런 섬유의 조합물로 구성된 고온 섬유 블랭킷의 제 2 층으로 이루어진 2 층 시스템을 포함한다. 시스템은 먼저 보호되어야 할 물품 주위에 발포 유리 섬유 층을 적용한 후 유리 섬유 재료를 고온 블랭킷으로 감싸줌으로써 현장에서 제작된다. 시스템은 스테인리스강 재킷에 의해 기상(weather)/부식으로부터 보호된다. 유리 섬유 재료는 통상적으로 약 38 mm 두께이고 블랭킷은 통상적으로 약 25 mm 두께이다. 시스템은 두껍고 부피가 크며, 개별적으로 제자리에 장착되어야 하는 분리된 층들의 설치는 시간이 많이 걸리고, 제작자가 발포 유리 섬유 제품으로 작업하는 것을 반드시 좋아하지는 않는다.
공지의 본딩된 다층 매트는 통상적으로 먼저 따로따로 층을 형성한 후 접착제, 필름 또는 예를 들어 스티치나 스테이플과 같은 다른 수단을 이용하여 층을 함께 본딩함으로써 만들어진다. 접착제 또는 필름 본딩 층은 매트의 열적 성질에 영향을 미치고, 제조 비용을 증가시킨다. 기계적으로 본딩되거나 부착된 다층 매트는, 부가된 단계와 재료 비용 및 스티치나 스테이플이 매트에 구멍을 내는 것과 같은 기계적 부착점에서 매트의 약함 때문에 불리하다.
흡열 반응에 의한 열과 화재의 번짐을 지연시키도록 설계된 재료를 제공하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 알려진 방화 재료는 (a) 다중 흡열 반응을 겪는 무기 흡열 충진제, (b) 무기 섬유 재료, 및 (c) 유기 폴리머 바인더를 구비한 흡열 반응 절연 섬유 재료를 포함한다. 다른 알려진 흡열 방화 시트는 (a) 내화 무기 섬유, (b) 유기 폴리머 바인더, 및 (c) 흡열 반응을 겪는 무기 흡열 충진제를 포함한다. 또한, 진공 형성된, 방화형 섬유 제품이 다양한 형태로 개시되어 있다.
그러나, 보조 본딩 수단을 사용하지 않으면서 컴팩트한 유니터리 다층 방화 재료를 형성하기 위해서 함께 본딩된 무기 섬유층과 흡열층의 조합체는, 이전에 방화 산업에서 사용되거나 개시되지 않았다. 알려진 방화 재료는 그 자체 유용성, 성능 특성과 장점을 가지지만, 상업적으로 이용할 수 있는 절연 시스템과 비교했을 때 감소된 두께를 가지고, 취급하기에 더 용이하고 2 개의 분리된 층보다 설치하기에 더 적은 공간, 노동력 및 시간을 요구하며, 오일 생산 및 처리 설비에서 배관을 보호하기에 적합한, 보조 본딩 수단을 사용하지 않으면서 단일 시트를 형성하도록 함께 본딩된 다중 층을 가지는 유니터리, 방화 재료가 계속 요구된다.
도 1 은 선행 기술의 방화 재료뿐만 아니라 본 발명의 다층 방화 재료의 불꽃 시험 결과에 대한 흡열 재료 및 위치의 영향을 나타낸 그래프이다.
(a) 무기 섬유 및 선택적으로 바인더를 포함하는 섬유층; 및 (b) 무기 섬유, 바인더, 및 무기 흡열 충진제를 포함하는 흡열층을 포함하고, 이 층들은 보조 본딩 수단을 사용하지 않으면서 유니터리 시트를 형성하도록 함께 본딩되는 다층 방화 재료가 제공된다.
또한, 다층 방화 재료를 형성하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 (a) 섬유층을 만들기에 적합한 재료를 포함한 적어도 제 1 액체 슬러리 및 흡열층을 만들기에 적합한 재료를 포함한 적어도 제 2 수성 슬러리를 제공하는 단계; (b) 제 1 슬러리를 기재에 퇴적시키는 단계; (c) 제 1 섬유층을 형성하도록 기재상 제 1 슬러리로부터 액체의 적어도 일부를 제거하는 단계; (d) 제 1 섬유층에 제 2 흡열층을 형성하도록 제 2 슬러리를 퇴적시키는 단계; (e) 제 2 층으로부터 액체의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및 (f) 다층 재료를 형성하도록 상기 층들을 건조시키는 단계를 포함한다.
특정 예시적인 실시형태에 따르면, 다층 방화 재료는 (a) 내열 무기 섬유와 바인더를 포함하는 섬유층; 및 (b) 내열 무기 섬유, 바인더, 및 무기 흡열 충진제를 포함하는 흡열층을 포함한다. 다층 방화 재료의 층들은 보조 또는 독립 본딩 수단을 사용하지 않으면서 단일 시트를 형성하도록 함께 본딩된다.
예시적인 실시형태에 따르면, 다층 방화 재료는 (a) 약 0 중량% ~ 약 20 중량% 바인더 및 약 80 ~ 약 100 중량% 무기 섬유를 포함하는 섬유층; 및 (b) 약 1 ~ 약 20 중량% 바인더, 약 20 ~ 약 100 중량% 미만의 무기 섬유, 및 0 초과 ~ 약 80 중량% 흡열 충진제를 포함하는 흡열층을 포함한다.
부가적 예시적인 실시형태에 따르면, 다층 방화 재료는 (a) 약 3 중량% ~ 약 12 중량% 바인더 및 약 88 ~ 약 97 중량% 무기 섬유를 포함하는 섬유층; 및 (b) 약 3 ~ 약 12 중량% 바인더, 약 70 ~ 약 90 중량% 무기 섬유와 약 3 ~ 약 12 중량% 흡열 충진제를 포함하는 흡열층을 포함한다.
다층 방화 재료는 또한 (a) 약 95.5 중량% 무기 섬유 및 약 4.5 중량% 바인더를 포함하는 섬유층 및 (b) 약 89.5 중량% 무기 섬유, 약 4.5 중량% 바인더, 및 약 6.0 중량% 무기 흡열 충진제를 포함하는 흡열층을 포함할 수도 있다.
대안적인 실시형태에 따르면, 다층 방화 재료의 섬유층은 바인더가 없을 수도 있고, 흡열층은 바인더를 포함한다는 것을 주의해야 한다.
특정 실시형태에 따르면, 방화 재료를 준비하는데 사용될 수도 있는 고온 내성 무기 섬유는 비제한적으로 고 알루미나 다결정 섬유, 알루미노실리케이트 섬유와 같은 내화 세라믹 섬유, 알루미나-마그네시아-실리카 섬유, 알루미나-지르코니아-실리카 섬유, 지르코니아-실리카 섬유, 지르코니아 섬유, 카올린 섬유, 미네랄 울 섬유, 칼시아-마그네시아-실리카 섬유와 마그네시아-실리카 섬유와 같은 알칼리 토류 실리케이트 섬유, S-유리 섬유, S2-유리 섬유, E-유리 섬유, 석영 섬유, 실리카 섬유 및 이들의 조합물을 포함한다.
특정 실시형태에 따르면, 흡열 방화 재료를 준비하는데 사용될 수도 있는 미네랄 울 섬유는 비제한적으로 락 울 (rock wool) 섬유, 슬래그 울 섬유, 현무암 추출 섬유 및 유리 섬유 중 적어도 하나를 포함한다.
비제한적으로, 적합한 내화 세라믹 섬유 (RCF) 는 통상적으로 알루미나와 실리카를 포함하고, 통상적으로 약 45 ~ 약 60 중량% 알루미나와 약 40 ~ 약 55 중량% 실리카를 포함한다. RCF 섬유는 구성요소 재료의 용해물로부터 블로잉 또는 스핀될 수도 있는 섬유화 제품이다. RCF 는 부가적으로 알루미나, 실리카와 지르코니아의 섬유화 제품을 포함할 수도 있는데, 특정 실시형태에서 약 29 ~ 약 31 중량% 알루미나, 약 53 ~ 약 55 중량% 실리카, 및 약 15 ~ 약 17 중량% 지르코니아를 가진다. RCF 섬유 길이는 통상적으로 약 5mm 미만이고, 평균 섬유 직경 범위는 약 0.5 ㎛ ~ 약 12 ㎛ 이다.
유용한 내화 알루미나-실리카 세라믹 섬유는 Unifrax I LLC (뉴욕주, 나이아가라 폴스 소재) 의 등록 상표명 FIBERFRAX 를 상업적으로 이용할 수 있다. FIBERFRAX 세라믹 섬유는 약 45 ~ 약 75 중량% 알루미나 및 약 25 ~ 약 55 중량% 실리카의 섬유화 제품을 포함한다. FIBERFRAX 섬유는 최대 약 1540 ℃ 의 작동 온도와 최대 약 1870 ℃ 의 용융점을 나타낸다.
특정 실시형태에 따르면, 이 실시형태에서 유용한 내화 세라믹 섬유는 알루미나와 실리카를 포함한 용융 형성된 세라믹 섬유이고, 용융 스핀된 내화 세라믹 섬유를 포함하지만 이에 국한되지 않는다. 이것은 약 40 ~ 약 60 % 알루미나와 약 60 ~ 약 40 % 실리카를 가지고, 일부 실시형태는 약 47 ~ 약 53 % 알루미나와 약 47 ~ 약 53 % 실리카를 가지는 알루미노실리케이트 섬유와 같은 알루미노실리케이트를 포함한다.
FIBERFRAX 섬유는 고온 내성 시트 및 종이로 쉽게 형성된다. FIBERFRAX 섬유는 대략 50/50 알루미나/실리카 및 70/30 섬유/쇼트 (shot) 비율을 가지는 벌크 (bulk) 알루미노실리케이트 유리 섬유로 만들어진다. 이 종이 제품의 약 93 중량% 는 세라믹 섬유/쇼트이고, 나머지 7 % 는 유기 라텍스 바인더 형태이다.
고온 내성 무기 섬유는 멀라이트, 알루미나, 고 알루미나 알루미노실리케이트, 알루미노실리케이트, 티타니아, 산화크롬 등과 같은 다결정 산화물 세라믹 섬유를 포함할 수도 있다. 적합한 다결정 산화물 내화 세라믹 섬유 및 이를 제조하기 위한 방법은 본원에 참조된 미국 특허 제 4,159,205 호와 제 4,277,269 호에 포함된다. FIBERMAX® 다결정 멀라이트 세라믹 섬유는 블랭킷, 매트 또는 종이 형태로 Unifrax I LLC (뉴욕주, 나이아가라 폴스 소재) 로부터 이용할 수 있다.
알루미나/실리카 FIBERMAX® 섬유는 약 40 중량% ~ 약 60 중량% A1203 과 약 60 중량% ~ 약 40 중량% Si02 를 포함한다. 섬유는 약 50 중량% 의 A1203 과 약 50 중량% 의 Si02 를 포함할 수도 있다. 알루미나/실리카/마그네시아 유리 섬유는 통상적으로 약 64 중량% ~ 약 66 중량% Si02, 약 24 중량% ~ 약 25 중량% Al203, 및 약 9 중량% ~ 약 10 중량% MgO 를 포함한다. E-유리 섬유는 통상적으로 약 52 중량% ~ 약 56 중량% Si02, 약 16 중량% ~ 약 25 중량% CaO, 약 12 중량% ~ 약 16 중량% Al203, 약 5 중량% ~ 약 10 중량% B203, 최대 약 5 중량% MgO, 최대 약 2 중량% 의 산화나트륨과 산화칼륨 및 미량의 산화철과 플루오르화물을 포함하고, 통상적 조성은 55 중량% Si02, 15 중량% A1203, 7 중량% B203, 3 중량% MgO, 19 중량% CaO 및 미량의 전술한 물질을 가진다.
섬유는 비정질 알루미나/실리카 섬유, 알루미나/실리카/마그네시아 섬유 (예컨대, 오하이오주 털리도, Owens Corning 의 S-2 유리), 미네랄 울, E-유리 섬유, 뉴욕주, 나이아가라 폴스에 소재한 Unifrax I LLC 의 ISOFRAX® 섬유와 같은 마그네시아-실리카 섬유 또는 뉴욕주, 나이아가라 폴스에 소재한 Unifrax I LLC 의 INSULFRAX® 섬유 또는 Thermal Ceramics Company 의 SUPERWOOL™ 섬유와 같은 칼시아-마그네시아-실리카 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
다른 실시형태에 따르면, 생체가용성 (biosoluble) 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 팽창성 방화 재료를 준비하는데 사용될 수 있다. 적합한 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 미국 특허 제 6,953,757 호, 제 6,030,910 호, 제 6,025,288 호, 제 5,874,375 호, 제 5,585,312 호, 제 5,332,699 호, 제 5,714,421 호, 제 7,259,118 호, 제 257,153,796 호, 제 6,861,381 호, 제 5,955,389 호, 제 5,928,075 호, 제 5,821, 183 호, 및 제 5,811,360 호에 개시된 생체가용성 알칼리 토류 실리케이트 섬유를 포함하는데, 각 특허는 본원에 참조된다.
생체가용성 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 마그네슘과 실리카 산화물의 혼합물의 섬유화 제품을 포함할 수도 있다. 이런 섬유는 보통 마그네슘-실리케이트 섬유라고 한다. 마그네슘-실리케이트 섬유는 일반적으로 약 60 ~ 약 90 중량% 실리카, 0 초과 ~ 약 35 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물로 된 섬유화 제품을 포함한다. 특정 실시형태에 따르면, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 약 65 ~ 약 86 중량% 실리카, 약 14 ~ 약 35 중량% 마그네시아 및 10 중량% 이하의 불순물로 된 섬유화 제품을 포함한다. 다른 실시형태에 따르면, 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 약 70 ~ 약 86 중량% 실리카, 약 14 ~ 약 30 중량% 마그네시아, 및 10 중량% 이하의 불순물로 된 섬유화 제품을 포함한다. 적합한 마그네슘 실리케이트 섬유는 Unifrax I LLC (뉴욕주, 나이아가라 폴스 소재) 의 등록 상표명 ISOFRAX 를 상업적으로 이용할 수 있다. 상업적으로 이용할 수 있는 ISOFRAX 섬유는 일반적으로 약 70 ~ 약 80 중량% 실리카, 약 18 ~ 약 27 중량% 마그네시아 및 4 중량% 이하의 불순물로 된 섬유화 제품을 포함한다. ISOFRAX 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 약 1 미크론 ~ 약 3.5 미크론, 일부 실시형태에서 약 2 ~ 약 2.5 미크론의 평균 직경을 가질 수도 있다.
생체가용성 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 대안적으로 칼슘, 마그네슘과 실리카의 산화물의 혼합물의 섬유화 제품을 포함할 수도 있다. 이런 섬유는 보통 칼시아-마그네시아-실리카 섬유라고 한다. 특정 실시형태에 따르면, 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 약 45 ~ 약 90 중량% 실리카, 0 초과 ~ 약 45 중량% 칼시아, 0 초과 ~ 약 35 중량% 마그네시아, 및 10 중량% 이하의 불순물로 된 섬유화 제품을 포함한다. 유용한 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 Unifrax I LLC (뉴욕주, 나이아가라 폴스 소재) 의 등록 상표명 INSULFRAX 를 상업적으로 이용할 수 있다. INSULFRAX 섬유는 일반적으로 약 61 ~ 약 67 중량% 실리카, 약 27 ~ 약 33 중량% 칼시아, 및 약 2 ~ 약 7 중량% 마그네시아로 된 섬유화 제품을 포함한다. 다른 적합한 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 Thermal Ceramics (조지아주, 오거스타 소재) 의 상표 지정 SUPERWOOL 607, SUPER WOOL 607 MAX 및 SUPERWOOL HT 를 상업적으로 이용할 수 있다. SUPERWOOL 607 섬유는 약 60 ~ 약 70 중량% 실리카, 약 25 ~ 약 35 중량% 칼시아와 약 4 ~ 약 7 중량% 마그네시아, 및 미량의 알루미나를 포함한다. SUPERWOOL 607 MAX 섬유는 약 60 ~ 약 70 중량% 실리카, 약 16 ~ 약 22 중량% 칼시아와 약 12 ~ 약 19 중량% 마그네시아, 및 미량의 알루미나를 포함한다. SUPERWOOL HT 섬유는 약 74 중량% 실리카, 약 24 중량% 칼시아와 미량의 마그네시아, 알루미나 및 산화철을 포함한다.
특정 실시형태에 따르면, 팽창성 방화 재료는 선택적으로 실리카 섬유와 같은 그 밖의 알려진 비호흡성 (non-respirable) 무기 섬유 (2 차 무기 섬유), 여과 (leached) 실리카 섬유 (벌크 또는 촙 (chopped) 연속), S-유리 섬유, S2 유리 섬유, E-유리 섬유, 파이버글래스 (fiberglass) 섬유, 촙 연속 미네랄 섬유 (현무암 또는 휘록암 추출 섬유를 포함하지만 제한되지 않음) 와 이들의 조합물, 및 원하는 특정 온도 적용에 적합한 섬유를 포함할 수도 있다. 이러한 무기 섬유는 100 중량% 의 전체 패널을 기초로 0 초과 ~ 약 40 중량% 의 양으로 패널에 부가될 수도 있다.
2 차 무기 섬유가 상업적으로 이용할 수 있다. 예를 들어, 여과 실리카 섬유는 유리 섬유를 산 용액 또는 섬유로부터 실리카 불함유 산화물 및 다른 성분을 추출하기에 적합한 다른 용액으로 처리하는 것과 같은 본 기술분야에 알려진 임의의 기술을 이용해 여과될 수도 있다. 여과 유리 섬유를 제조하기 위한 프로세스는 미국 특허 제 2,624,658 호 및 유럽 특허 출원 공개 제 0973697 호에 포함된다.
적합한 여과 유리 섬유의 예로는 독일의 BelChem Fiber Materials GmbH 의 상표 BELCOTEX, 캘리포니아 가디너에 소재한 Hitco Carbon Composites, Inc. 의 등록 상표 REFRASIL, 및 벨로루시 공화국의 Polotsk-Steklovolokno 의 지정 PS-23(R) 에서 이용할 수 있는 여과 유리 섬유를 포함한다.
일반적으로, 여과 유리 섬유는 적어도 67 중량% 의 실리카 함유량을 가질 것이다. 특정 실시형태에서, 여과 유리 섬유는 적어도 90 중량%, 이 중 특정하게 약 90 중량% ~ 99 중량% 미만의 실리카를 포함한다. 섬유는 또한 실질적으로 쇼트를 함유하지 않는다.
이런 여과 유리 섬유의 평균 섬유 직경은 적어도 약 3.5 미크론 초과할 수도 있고, 종종 적어도 약 5 미크론을 초과할 수도 있다. 평균적으로, 유리 섬유는 통상적으로 약 9 미크론, 최대 약 14 미크론의 직경을 가진다. 따라서, 이런 여과 유리 섬유는 비호흡성이다.
BELCOTEX 섬유는 표준형 스테이플 섬유 프리얀 (pre-yarns) 이다. 이런 섬유는 약 550 텍스의 평균 섬도를 가지고 일반적으로 알루미나에 의해 개질된 규산으로 만들어진다. BELCOTEX 섬유는 비정질이고 일반적으로 약 94.5 퍼센트 실리카, 약 4.5 퍼센트 알루미나, 0.5 퍼센트 미만 산화나트륨, 및 0.5 퍼센트 미만의 다른 성분을 포함한다. 이런 섬유는 약 9 미크론의 평균 섬유 직경과 1500 ℃ ~ 1550 ℃ 범위의 용융점을 가진다. 이런 섬유는 최대 1100 ℃ 의 온도의 열을 견디고, 통상적으로 쇼트가 없고 바인더가 없다.
BELCOTEX 섬유와 유사한 REFRASIL 섬유는 1000 ℃ ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 적용하기 위한 단열재를 제공하기 위해 실리카 함량이 높은 비정질 여과 유리 섬유이다. 이런 섬유는 직경이 약 6 ~ 약 13 미크론이고, 약 1700 ℃ 의 용융점을 가진다. 여과 후에 섬유는 통상적으로 약 95 중량% 의 실리카 함량을 가진다. 알루미나는 약 4 중량% 의 양으로 존재하고 다른 성분들은 1 퍼센트 이하의 양으로 존재할 수도 있다.
Polotsk-Steklovolokno 의 PS-23 (R) 섬유는 실리카 함량이 높은 비정질 유리 섬유이고 적어도 약 1000 ℃ 를 견딜 필요가 있는 적용을 위한 단열에 적합하다. 이런 섬유는 약 5 ~ 약 20 mm 범위의 섬유 길이와 약 9 미크론의 섬유 직경을 가진다. REFRAS1L 섬유와 유사한 이런 섬유는 약 1700 ℃ 의 용융점을 가진다.
특정 대안적인 실시형태에서, S2-유리 등과 같은 섬유는 100 중량% 의 재료를 기초로 0 초과 ~ 약 50 중량% 의 양으로 팽창성 방화 재료에 부가될 수도 있다. S2-유리 섬유는 통상적으로 약 64 ~ 약 66 퍼센트 실리카, 약 24 ~ 약 25 퍼센트 알루미나, 및 약 9 ~ 약 10 퍼센트 마그네시아를 포함한다. S2-유리 섬유는 오하이오주 털리도, Owens Corning 으로부터 상업적으로 이용할 수 있다.
다른 대안적인 실시형태에서, 패널은 여과 유리 섬유 이외에 내화 세라믹 섬유를 포함할 수도 있다. 내화 세라믹 섬유, 즉 알루미나/실리카 섬유 등이 사용될 때, 이것은 전체 패널의 100 중량% 를 기초로 0 초과 ~ 약 50 중량% 미만의 범위에 있는 양으로 존재할 수도 있다.
FIBERFRAX 내화 세라믹 섬유는 약 1 미크론 ~ 약 12 미크론의 평균 직경을 가질 수도 있다. S2 유리 섬유와 같은 다른 무기 섬유는 약 5 미크론 ~ 약 15 미크론, 일부 실시형태에서 약 9 미크론의 평균 직경을 가질 수도 있다.
다층 방화 재료는 바인더 또는 한 가지 유형을 초과하는 바인더의 혼합물을 포함한다. 적합한 바인더는 유기 바인더, 무기 바인더 및 이 2 가지 유형의 바인더의 혼합물을 포함한다. 특정 실시형태에 따르면, 다층 방화 재료는 하나 이상의 유기 바인더를 포함한다. 유기 바인더는 고체, 액체, 용액, 분산제, 라텍스, 또는 유사한 형태로 제공될 수도 있다. 유기 바인더는 열가소성 또는 열경화성 바인더를 포함할 수도 있고, 이것은 경화 후 가요성 재료이다. 적합한 유기 바인더의 예로는 아크릴 라텍스, (메타)크릴 라텍스, 스티렌과 부타디엔의 공중합체, 비닐피리딘, 아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴과 스티렌의 공중합체, 염화 비닐, 폴리우레탄, 비닐 아세테이트와 에틸렌의 공중합체, 폴리아미드, 실리콘 등을 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 다른 수지는 불포화 폴리에스테르, 에폭시 수지 및 폴리비닐 에스테르와 같은 저온, 가요성 열경화성 수지를 포함한다. 특정 실시형태에 따르면, 다층 방화 재료는 아크릴 수지 바인더를 이용한다.
대안적으로, 유기 바인더 기반 천연 폴리머는 방화 재료의 바인더 성분으로서 사용될 수도 있다. 비제한적으로 그리고 단지 예로써, 방화 재료에서 사용될 수도 있는 적합한 유기 바인더는 옥수수나 감자 전분으로부터 얻어지는 전분 폴리머와 같은 전분 폴리머를 포함할 수도 있다.
다층 방화 재료는 또한 유기 바인더에 추가하여 또는 대신하여 무기 바인더를 포함할 수도 있다. 무기 바인더가 방화 재료에 포함되는 경우에, 무기 바인더는 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 콜로이드 지르코니아, 이들의 혼합물 등에서 선택될 수도 있다. 강성 다층 보드를 지향하는 특정 실시형태에 대해, 콜로이드 실리카와 같은 무기 바인더 시스템이 바인더를 유지하기 위해서 전분과 같은 유기 첨가물과 함께 사용된다. 반강성 또는 가요성 다층 보드에 대해, 아크릴 수지와 같은 유기 라텍스형 바인더 시스템은 바인더를 유지하기 위해서 알룸 (alum) 과 같은 첨가물/촉매와 함께 사용된다.
바인더는 섬유층의 전체 중량을 기초로 약 1 ~ 약 20 중량%, 그리고 바람직하게 약 4.5 중량% 의 양으로 섬유층에 포함될 수도 있고, 나머지는 무기 섬유를 포함한다.
바인더는 흡열층의 전체 중량을 기초로 약 1 ~ 약 20 중량%, 그리고 바람직하게 약 4.5 중량% 의 양으로 흡열층에 포함될 수도 있고, 나머지는 약 20 ~ 약 100 중량% 무기 섬유와 0 초과 ~ 약 20 중량% 흡열 충진제를 포함한다.
흡열 충진제는 알루미나 트리하이드레이트, 마그네슘 카보네이트, 및 시멘트, 수화 붕산 아연, 칼슘 술페이트 (석고로도 알려짐), 인산 마그네슘 암모늄, 수산화 마그네슘 및 이들의 조합물을 포함한 다른 수화 무기 재료에서 선택될 수도 있다.
특정 실시형태에 따르면, 흡열 충진제 대 무기 섬유의 중량비는 약 0.25 : 1 ~ 약 30 : 1 의 범위에 있을 수도 있다.
추가 실시형태에 따르면, 방화 재료는 방수 첨가물을 포함할 수도 있다. 비제한적으로, 방수 재료는 방화 재료의 전체 중량을 기초로 약 5 중량% 이하의 양으로 또는 방화 재료의 전체 중량을 기초로 약 1 중량% 이하의 양으로 방수 실리콘 첨가물을 포함할 수도 있다.
방화 시트 재료를 준비하기 위한 프로세스는 일반적으로 고온 내성 섬유 층과 흡열층을 준비하는 것을 포함한다. 다층 방화 재료를 준비하기 위한 프로세스는, (a) 무기 섬유와 바인더를 포함한 섬유층; 및 (b) 무기 섬유, 바인더, 및 무기 흡열 충진제를 포함한 흡열층을 포함한 시트 재료를 준비하는 것을 포함하고, 이 층들은 보조 본딩 수단을 사용하지 않으면서 단일 시트를 형성하도록 함께 본딩된다.
다층 방화 재료 형성 방법은 (a) 섬유층을 만들기 위한 재료를 포함한 적어도 제 1 액체 슬러리 및 흡열층을 만들기 위한 재료를 포함한 적어도 제 2 액체 슬러리를 제공하는 단계; (b) 제 1 슬러리를 기재상에 퇴적시키는 단계; (c) 제 1 섬유층을 형성하도록 기재상의 제 1 슬러리로부터 액체의 적어도 일부를 제거하는 단계; (d) 제 1 섬유층에 제 2 흡열층을 형성하도록 제 2 슬러리를 퇴적시키는 단계; (e) 제 2 층의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및 (f) 다층 재료를 형성하도록 상기 층들을 건조시키는 단계를 포함한다.
특정 실시형태에 따르면, 상기 방법은 (a) 섬유층을 만들기에 적합한 재료를 포함한 제 1 수성 슬러리와 흡열층을 만들기에 적합한 재료를 포함한 제 2 수성 슬러리를 제공하는 단계; (b) 기재상에 제 1 슬러리를 퇴적시키는 단계; (c) 섬유층을 형성하도록 기재상의 제 1 슬러리를 부분적으로 탈수하는 단계; (d) 섬유층에 흡열층을 형성하도록 제 2 슬러리를 퇴적시키는 단계; (e) 제 2 층을 부분적으로 탈수하는 단계; 및 (f) 다층 재료를 형성하도록 상기 층들을 건조시키는 단계를 포함할 수도 있다.
재료는 이중 담금 진공 형성 기술에 의해 형성될 수도 있다. 먼저 와이어 메시상에 섬유층이 형성된 후, 섬유층 위에 흡열층이 형성된다. 섬유층 용액은 혼합되어 섬유 시트가 형성되는 제 1 진공 챔버 안으로 펌핑된다. 여전히 젖어 있는 동안, 형성된 섬유 시트는 그 후 흡열층 용액을 포함한 제 2 담금 탱크에 침지되고 제 2 층은 섬유층 위에 형성된다. 그 후, 젖은 시트는 통상적으로 오븐에서 건조된다. 건조하기 전에 시트를 압축하도록 시트를 일 세트의 롤러에 통과시킬 수도 있다.
또한, 다층 방화 재료는 시트와 같은 재료를 형성하기 위해 본 기술분야에 알려진 임의의 다른 적합한 방식으로 생산될 수도 있다. 예를 들어, 종래의 핸드 레이드 (hand laid) 또는 머신 레이드 (machine laid) 제지 프로세스가 다층 시트 재료를 준비하는데 사용될 수도 있다. 핸드시트 몰드, 포드리니아 (Fourdrinier) 초지기 또는 로토포머 (rotoformer) 초지기가 다층 시트 재료를 만드는데 이용될 수 있다. 이용된 표준 제지 기술에 대한 좀 더 상세한 설명은 미국 특허 제 3,458,329 호를 참조하고, 이 특허의 개시 내용은 본원에서 참조로 원용된다.
어떤 전술한 기술이 이용되었는지에 관계없이, 다층 재료는 재현 가능한 공차를 가지고 정확한 형상과 크기의 보드를 형성하기 위해서, 예를 들어 다이 스탬핑에 의해 절단될 수도 있다. 재료는 또한 도관 섹션 또는 절반 파이프 형상과 같은 특정 구성요소를 캡슐에 넣도록 특별히 형성된 섹션으로 몰딩될 수도 있다. 그 후, 제품은 핀을 통하여 찌르거나 (impaling) 묶는 (banding) 것과 같은 수단에 의해 보호될 물품에 부착된다. 재료는 바람직하게 재료의 흡열층이 물품의 비화재측 (non-fire side) 을 향하도록 배향된다. 재료의 흡열층은 열을 흡수하는데 그렇지 않으면 예컨대 파이프 내부에서 축적 (build up) 되어서, 시스템이 제트 화재 시험 (jet fire test) 을 통과하지 못하게 한다. 스테인리스강 재킷은 통상적으로 부가적 보호를 위해 재료 위에 배치된다.
다양한 두께의 가요성, 반강성, 또는 강성 다층 방화 보드 또는 성형 형상부가 제조될 수 있다. 약 30 ~ 약 50 mm 두께의 보드 또는 성형 형상부는 불꽃막이 (firestop) 적용에 특히 유용하다. 더 얇은 두께의 다층 시트가 주어진 적용의 요구에 따라 더 두꺼운 재료를 제조하기 위해서 적층될 수도 있다. 재료의 두께는 요구되는 방화에 의해 결정된다. 보드 조성의 변화는 약 0.04 ~ 약 0.5 g/㎤ 의 밀도의 변화를 야기한다.
예
다음 예는 다층 방화 재료와 그 재료를 준비하기 위한 프로세스의 예시적인 실시형태를 단지 추가 예시하기 위한 것이다. 이 예는 단지 예시를 위한 것으로 청구된 다층 방화 재료, 다층 방화 재료를 준비하기 위한 프로세스, 다층 방화 재료를 포함하는 제품 및 다층 방화 재료를 사용하기 위한 프로세스를 어떤 방식으로도 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.
다층 방화 재료의 샘플은 아래 기술된 바와 같이 제조되고 표 1 에 나타낸 것과 같은 제제 (formulations) 를 포함하는 시트 재료를 사용한 시험을 위해 준비되었다.
Figure pct00001
다층 방화 재료를 위한 제제 성분은 전술한 방법에 따라 시트로 결합, 혼합 및 성형된다. 간단하게, 섬유층을 만들기 위해 ISOFRAX 섬유와 바인더를 포함한 제 1 액체 슬러리가 준비되었고 흡열층을 만들기 위해 ISOFRAX 섬유, 바인더 및 흡열 재료를 포함한 제 2 액체 슬러리가 준비되었다. 제 1 액체 슬러리는 기재상에 퇴적되었고, 액체의 일부는 제 1 섬유층을 형성하도록 기재의 제 1 슬러리로부터 제거되었다. 제 2 액체 슬러리는 제 1 섬유층에 흡열층을 형성하도록 제 1 섬유층에 퇴적되었다. 액체의 일부는 제 2 층으로부터 제거되었고, 층들은 다층 방화 재료를 형성하기 위해서 건조되었다.
다층 방화 시트 재료는 약 100 ~ 약 6,000 g/㎡ 범위의 기본 중량을 가질 수도 있다. 다른 실시형태에 따르면, 시트 재료는 약 500 ~ 약 3000 g/㎡ 범위의 기본 중량을 가질 수도 있다.
다층 방화 재료의 층들은 보조적으로 또는 별도로 적용되는 본딩 수단을 사용하지 않고 함께 본딩되고, 파단 또는 균열 없이 취급될 수도 있다. 예 1 의 재료는 가요성이었고 예 2 의 재료는 강성이었다. 이런 양극단은 재료의 원하는 적용에 따라 재료가 가요성 재료, 강성 재료 또는 반강성 재료로서 제조될 수 있음을 보여주는데 사용되었다.
불꽃 시험
불꽃 시험을 이용해 다층 방화 재료의 내염성을 평가하였다. 다층 방화 재료의 시험체는 대략 측벽 시험을 위해 18" x 22" 및 천장 시험을 위해 24" x 24" 를 측정하도록 절단되거나 형성되었다. 시험체는 탄화수소 시험 곡선을 이용해 24" x 24" 의 가스 연료 시험 노에서 시험되었다.
비교예 1 은 예 2 와 예 3 에 대한 대조 표준으로서 시험을 위하여 준비되었다. 비교예 1 은 흡열층 없이 조립되었다. 예 2 와 예 3 은 동일한 조성을 가지지만 다층 방화 재료의 배향이 상이하다. 예 2 는, 재료의 흡열층이 보호될 물품의 저온측 (비화재측) 을 향하도록 배향되었다. 예 3 에서, 흡열층이 보호될 물품의 고온측 (화재측) 을 향하도록 재료가 배향되었다.
다층 방화 재료의 불꽃 시험 결과는 아래에 나타나 있다:
비교예 1 : .7/50 mm 가요성/10 mm 공기
본 발명 예 2 : .7/8 mm 흡열성/40 mm 가요성/10 mm 공기
본 발명 예 3 : .7/40 mm 가요성/8mm 흡열성/10 mm 공기
도 1 은 흡열층을 포함한 방화 재료의 불꽃 시험 결과의 영향과 보호될 물품의 화재측 또는 비화재측에 흡열층을 위치시키는 불꽃 시험 결과의 영향을 보여준다. 섬유층을 가지지만 흡열층은 없는 50 mm 보드는 섬유층과 8 mm 흡열층을 포함하는 등가의 40 mm 다층 방화 보드와 비교된다. 다층 보드는 보호될 물품의 화재측 및 비화재측 양측에 배치되었다. 상기 결과는, 단지 섬유층만을 가지는 방화 보드와 비교했을 때 섬유층과 흡열층을 가지는 다층 보드가 불꽃 시험에서 더 우수하게 수행하였음을 보여준다. 흡열층이 보호될 물품의 비화재측에 배치되었을 때 최고의 결과, 즉 최저 저온면 온도 상승이 관찰되었다. 불꽃 시험은 평평한 벽에서 수행되었다. 폐쇄된 파이프 시스템에서, 흡열층의 장점이 더욱 두드러질 것으로 예상된다.
본 방화 재료는 기체 (airframe) 구조물과 같은 제한된 공간 영역에서 특히 중요한, 케이블과 도관을 보호하는 콤팩트 랩 (compact wrap) 으로서 특히 유용하다.
다층 방화 재료 및 이 재료를 준비하기 위한 프로세스가 다양한 예시적인 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 다른 유사한 실시형태가 사용될 수도 있고 또는 본원에서 벗어나지 않으면서 본원에 개시된 동일한 기능을 수행하기 위해 기술한 실시형태에 변형 및 추가가 가해질 수도 있음을 이해해야 한다. 원하는 특징을 제공하기 위해서 다양한 실시형태들이 결합될 수도 있으므로, 전술한 실시형태가 반드시 대안은 아니다. 따라서, 다층 방화 재료와 프로세스는 임의의 단일 실시형태로 제한되어서는 안 되고, 오히려 폭과 범위에서 첨부된 청구항의 기재에 따라 해석되어야 한다.

Claims (24)

  1. (a) 무기 섬유와 선택적으로 바인더를 구비한 섬유층; 및
    (b) 무기 섬유, 바인더 및, 무기 흡열 충진제를 구비한 흡열층
    을 포함하는 다층 방화 재료로서,
    상기 층들은 보조 본딩 수단의 사용 없이 유니터리 시트를 형성하도록 함께 본딩되는 다층 방화 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 고 알루미나 다결정 섬유, 세라믹 섬유, 카올린 섬유, 미네랄 울 섬유, 알칼리 토류 실리케이트 섬유, S-유리 섬유, S2-유리 섬유, E-유리 섬유, 석영 섬유, 실리카 섬유 및 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택되는 다층 방화 재료.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 세라믹 섬유를 포함하는 다층 방화 재료.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 세라믹 섬유는 알루미노실리케이트 섬유를 포함하는 다층 방화 재료.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알루미노실리케이트 섬유는 약 45 ~ 약 75 중량% 알루미나와 약 25 ~ 약 55 중량% 실리카로 된 섬유화 제품을 포함하는 다층 방화 재료.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는 알칼리 토류 실리케이트 섬유를 포함하는 다층 방화 재료.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 칼시아-마그네시아-실리카 섬유와 마그네시아-실리카 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 다층 방화 재료.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 마그네시아-실리카 섬유는 약 65 ~ 약 86 중량% 실리카, 약 14 ~ 약 35 중량% 마그네시아 및 약 5 중량% 미만의 불순물로 된 섬유화 제품을 포함하는 다층 방화 재료.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 칼시아-마그네시아-실리카 섬유는 약 45 ~ 약 90 중량% 실리카, 약 0 초과 ~ 약 45 중량% 칼시아, 및 0 초과 ~ 약 35 중량% 마그네시아로 된 섬유화 제품을 포함하는 다층 방화 재료.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는 유기 바인더를 포함하는 다층 방화 재료.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유기 바인더는 열경화성 바인더를 포함하고, 상기 유기 바인더는 아크릴 라텍스, (메타)크릴 라텍스, 스티렌과 부타디엔의 공중합체, 비닐피리딘, 아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴과 스티렌의 공중합체, 염화 비닐, 폴리우레탄, 비닐 아세테이트와 에틸렌의 공중합체, 폴리아미드, 실리콘, 폴리에스테르, 에폭시 수지, 폴리비닐 에스테르, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 다층 방화 재료.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 유기 바인더는 열가소성 바인더를 포함하는 다층 방화 재료.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 아크릴 라텍스 바인더는 아크릴 수지를 포함하고 부가 바인더로서 알룸을 더 포함하는 다층 방화 재료.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는 무기 바인더를 포함하고, 상기 무기 바인더는 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 콜로이드 지르코니아 및 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택되는 다층 방화 재료.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 무기 바인더는 콜로이드 실리카이고 부가 바인더로서 전분을 더 포함하는 다층 방화 재료.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡열 충진제는 알루미나 트리하이드레이트, 마그네슘 카보네이트, 및 시멘트, 수화 붕산 아연, 칼슘 술페이트 (석고로도 알려짐), 인산 마그네슘 암모늄, 수산화 마그네슘 및 이들의 조합물을 포함하는 다른 수화 무기 재료로 이루어진 군에서 선택되는 다층 방화 재료.
  17. 제 1 항에 있어서,
    (a) 0 중량% 초과 ~ 약 20 중량% 바인더, 및
    약 20 ~ 약 100 중량% 미만의 무기 섬유를 구비한 섬유층;
    (b) 0 중량% 초과 ~ 약 20 중량% 바인더,
    약 20 ~ 100 중량% 미만의 무기 섬유, 및
    약 1 ~ 약 80 중량% 흡열 충진제를 구비한 흡열층을 포함하는 다층 방화 재료.
  18. 제 1 항에 있어서,
    (a) 약 95.5 중량% 무기 섬유, 및
    약 4.5 중량% 바인더를 구비한 섬유층; 및
    (b) 약 89.5 중량% 무기 섬유,
    약 4.5 중량% 바인더, 및
    약 6.0 중량% 무기 흡열 충진제를 구비한 흡열층을 포함하는 다층 방화 재료.
  19. 제 1 항에 있어서,
    흡열 충진제 대 무기 섬유의 중량비가 약 0.25 : 1 ~ 약 30 : 1 인 다층 방화 재료.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료는 다층 구성을 가지는 보드 시트 또는 보드의 형태를 갖고, 상기 재료는 가요성, 반강성 또는 강성인 형상부의 형태를 갖는 다층 방화 재료.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료는 약 20 ~ 약 50 mm 의 두께를 가지는 다층 방화 재료.
  22. 화재로부터 물품을 보호하는 방법으로서, 제 1 항의 다층 방화 재료 내부에 상기 물품을 적어도 부분적으로 둘러싸는 단계를 포함하는, 화재로부터 물품을 보호하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 물품은 화재측과 비화재측을 가지고, 상기 재료는 재료의 흡열층이 물품의 비화재측을 향하도록 배향되는, 화재로부터 물품을 보호하는 방법.
  24. 다층 방화 재료의 형성 방법으로서,
    (a) 섬유층을 만들기에 적합한 재료를 포함한 적어도 제 1 수성 슬러리와 흡열층을 만들기에 적합한 재료를 포함한 적어도 제 2 수성 슬러리를 제공하는 단계;
    (b) 기재상에 제 1 슬러리를 퇴적시키는 단계;
    (c) 제 1 섬유층을 형성하기 위해서 기재상의 제 1 슬러리로부터 액체의 적어도 일부를 제거하는 단계;
    (d) 제 1 섬유층에 제 2 흡열층을 형성하도록 제 2 슬러리를 퇴적시키는 단계;
    (e) 제 2 층으로부터 액체의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
    (f) 다층 재료를 형성하기 위해서 상기 층들을 건조시키는 단계를 포함하는 다층 방화 재료의 형성 방법.
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