KR20140076012A - 난연재, 그 제조 방법, 및 그 발포 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 가열시 팽창되어 난연 기능을 수행하는 난연재를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 난연재는, 복수의 층들을 포함하는 나노 클레이; 상기 나노 클레이와 혼합된 폴리머; 및 가열 시 발포되어 부피가 팽창되고, 탈수소 물질과 탄화물 형성 물질을 포함하는 발포 유도제;를 포함한다.

Description

난연재, 그 제조 방법, 및 그 발포 방법{Flame retarding material, method of manufacturing the same, and method of expanding the same}
본 발명의 기술적 사상은 난연재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 가열시 팽창되어 난연 기능을 수행하는 난연재 그 제조 방법, 및 그 발포 방법에 관한 것이다.
폴리머 재료는 가볍고, 가격이 저렴하며, 내약품성, 및 성형성이 우수하여, 일반 생활용품뿐만 아니라 건축 재료, 자동차용 내외장재로 널리 사용되고 있다. 폴리머 재료의 적용 분야가 확대됨에 따라, 상기 폴리머 재료가 고온의 환경에 노출되는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 대부분의 범용 폴리머 재료는 열에 취약하여 분해되며, 이에 따라 메탄, 에탄, 일산화탄소와 같은 가연성 가스를 다량으로 발생할 수 있고, 이에 따라 화재 위험이 있다.
폴리머 재료가 가지는 장점을 유지하면서, 다기능성을 실현하기 위한 복합 소재의 개발이 꾸준히 진행되고 있다. 예를 들어, 기계적 성질을 증가시키기 위하여, 점토 광물인 나노 클레이를 폴리머와 혼합한 복합 소재 개발이 가장 활발하게 진행되고 있다. 마그네슘, 알루미늄, 실리콘 염산 층으로 적층된 나노 클레이가 폴리머와 혼합될 때에는, 나노 클레이의 층간 규칙성을 잃어버리고, 개별층이 고르게 분산되어 박리된 구조로 형성되어 물성 향상을 발휘할 수 있다. 뿐만 아니라, 나노 클레이의 분산 정도에 따라 폴리머에서 발생하는 가연성 가스의 방출이 지연되어 난연에도 어느 정도 효과가 있다. 그러나, 클레이 자체로서 상기 복합 재료의 난연 성능을 만족시키기에는 한계가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 가열시 팽창되어 난연 기능을 수행하는 난연재를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 가열시 팽창되어 난연 기능을 수행하는 난연재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 가열시 팽창되어 난연 기능을 수행하는 난연재를 발포시키는 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재는, 복수의 층들을 포함하는 나노 클레이; 상기 나노 클레이와 혼합된 폴리머; 및 상기 나노 클레이 및 상기 폴리머와 혼합되고, 가열 시 발포되어 부피가 팽창되고, 탈수소 물질과 탄화물 형성 물질을 포함하는 발포 유도제;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탈수소 물질은 인산암모니아(ammonium phosphate)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄화물 형성 물질은 펜타에리트리톨(pentaerythritol)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 발포 유도제는, 상기 탄화물 형성 물질의 탈수소화를 촉진하고, 질소 화합물로 구성된 탈수소 촉진 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탈수소 촉진 물질은 멜라민(melamine, C3H6N6) 글리신(glycine, C2H5NO2), 및 구아니딘(guanidine, CH5N3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 클레이는 마그네슘, 알루미늄 산화물, 및 실리콘 염산 층이 복수의 층들로 적층된 층상 물질일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 폴리머는, 상기 나노 클레이를 구성하는 상기 복수의 층들을 박리하여 혼합되거나, 또는 상기 복수의 층들 사이에 삽입되어 혼합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 폴리머는, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA), 아크릴로나이트릴 부타디엔 스타이렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아마이드(polyamide, PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재의 제조 방법은, 나노 클레이; 폴리머; 및 탈수소 물질과 탄화물 형성 물질을 포함하는 발포 유도제;를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 성형하여 난연재를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재의 발포 방법은, 나노 클레이; 폴리머; 및 인산암모니아와 펜타에리트리톨을 포함하는 발포 유도제;를 포함한 난연재를 제공하는 단계; 및 상기 난연재를 가열하여, 상기 인산암모니아를 인산(phosphoric acid)과 암모니아(ammonia) 가스로 분해시키는 단계; 상기 인산이 상기 펜타에리트리톨을 탈수소하여 탄화물을 형성하는 단계; 및 상기 암모니아 가스가 상기 탄화물 내에 인입되어 상기 탄화물을 팽창시켜, 상기 난연재를 발포시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재는 발포 유도제를 포함함으로써, 가열에 의하여 탄화물이 형성되고 암모니아와 같은 가스 인입에 의하여 다공성을 가지도록 팽창됨에 따라, 흡수하는 열량이 감소되고, 최대 열방출 속도가 감소되고, 열방출 시간이 증가된다. 또한, 팽창된 탄화물에 의하여 산소 등 가연성 물질이 상기 난연재 내로 침투하는 것을 억제 또는 방지할 수 있고, 이에 따라 보호 대상물의 연소를 방지 또는 지연시키는 효과를 제공할 수 있다. 상기 난연재는 우수한 난연 특성을 가지고, 상기 난연 특성은 발포 유도제의 함량이 증가함에 따라 증가된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재는 나노 클레이와 폴리머를 포함함으로써, 발포 유도제를 균일하게 분산시킬 수 있고, 이에 따라 상기 발포 유도제에 의한 발포가 균일한 분포를 가질 수 있다. 또한, 상기 나노 클레이와 상기 폴리머의 물리적 교차 결합 또는 화학적 교차 결합은, 상기 난연재의 열적 안정성 또는 산화 안정성을 증가시키고 열분해를 지연시킬 수 있다. 따라서, 상기 난연재의 난연 특성을 더 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재는 우수한 성형성, 기계적 물성 및 난연 특성을 동시에 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 난연재의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 난연재에 포함된, 나노 클레이와 폴리머의 혼합 및 반응 시의 물질 상태를 설명하는 개략도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 난연재의 가열 팽창 현상을 설명하는 개략도들이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 난연재의 발포 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 난연재의 발포 유도제의 함량에 따른 열방출 속도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 난연재의 제조 방법(S1)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 난연재의 제조 방법(S1)은, 나노 클레이, 폴리머, 및 탈수소 물질과 탄화물 형성 물질을 포함하는 발포 유도제를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(S10), 및 상기 혼합물을 성형하여 난연재를 형성하는 단계(S20)를 포함한다.
상기 나노 클레이, 상기 폴리머, 및 상기 탈수소 물질과 탄화물 형성 물질을 포함하는 발포 유도제를 혼합하여 상기 혼합물을 형성하는 단계(S10)는, 상기 나노 클레이, 상기 폴리머, 및 상기 발포 유도제를, 예를 들어 이축 압출기(twin-screw extruder)를 이용하여 혼합할 수 있다. 이에 따라. 상기 혼합물은 압출된 펠렛(pellet) 같은 성형체로서 형성될 수 있다.
상기 이축 압출기는 장입된 원료를 가열 및 유동시켜 연속적으로 압출하는 장치로서, 플라스틱의 압출 성형용으로 주로 사용된다. 이축 압축기는 본체, 상기 본체에 원료를 공급하는 원료 공급기, 상기 본체 내에서 원료를 운반하는 두 개의 스크류, 스크류를 둘러싸는 실린더, 본체 출구의 다이(die)로 구성될 수 있다. 또한, 이축 압출기를 사용하지 않고, 단일 스크류를 포함하는 압출기를 이용하여 혼합하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 상기 혼합물을 형성하는 다양한 장치와 방법을 이용하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 나노 클레이는 마그네슘, 알루미늄 산화물, 및 실리콘 염산 층이 복수의 층들로 적층된 층상 물질이다. 상기 나노 클레이는 길이와 폭이 수십 내지 수백 나노미터(nm)이고, 두게는 수 나노미터(nm), 예를 들어 약 1 나노미터(nm)일 수 있다. 상기 나노 클레이는 표면적이 넓어 극히 소량만을 첨가하여도 폴리머 매트릭스의 경도, 강도, 열안정성, 기체 차단성을 증가시킬 수 있다. 상기 나노 클레이의 예시적인 화학식이 화학식 1에 나타나있다.
Figure pat00001
상기 폴리머는 상기 나노 클레이의 내부로 삽입되도록 혼합될 수 있다. 예를 들어 상기 폴리머는 상기 나노 클레이를 구성하는 상기 복수의 층들을 박리(exfoliate)하여 혼합되거나, 또는 상기 복수의 층들 사이에 삽입(intercalate)되어 혼합될 수 있다. 또한, 상기 폴리머는 상기 나노 클레이를 둘러싸도록 위치할 수 있다.
상기 폴리머는, 열가소성 수지를 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA), 아크릴로나이트릴 부타디엔 스타이렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아마이드(polyamide, PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 나노 클레이와 상기 폴리머의 혼합 및 반응 시의 물질 상태에 대하여는 도 2를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
상기 발포 유도제는 가열 시 발포되어 부피가 팽창될 수 있다. 상기 발포 유도제는 탈수소 물질 및 탄화물 형성 물질을 포함할 수 있다.
상기 탈수소 물질은 탄소 화합물을 탈수소화 할 수 있다. 상기 탈수소 물질은 인(P)을 포함할 수 있고, 예를 들어 인산암모니아(ammonium phosphate, NH4PO3)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탈수소 물질은 인산일암모늄 (NH4)H2PO4, 인산이암모늄 (NH4)2HPO4, 및 폴리인산암모늄 (NH4PO3)n 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄화물 형성 물질은 상기 탈수소 물질과 반응하여 탄화물을 형성하는 물질로서, 예를 들어 펜타에리트리톨(pentaerythritol)을 포함할 수 있다. 상기 펜타에리트리톨은 물에 잘 녹는 사가(四價) 알코올로서, 화학식은 (CH2OH)4C 이다. 또한, 상기 펜타에리트리톨은 모노펜타에리트리톨(mono-pentaerythritol), 디펜타에리트리톨(di-pentaerythritol), 또는 트리펜타에리트리톨(tri-pentaerythritol)일 일 수 있다.
또한, 상기 발포 유도제는 상기 탄화물 형성 물질의 탈수소화를 촉진하는 탈수소 촉진 물질을 더 포함할 수 있고, 예를 들어 질소 화합물, 예를 들어 멜라민(melamine, C3H6N6) 글리신(glycine, C2H5NO2), 및 구아니딘(guanidine, CH5N3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 발포 유도제의 발포 기능에 대하여는 도 3을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
상기 혼합물을 성형하여 난연재를 형성하는 단계(S20)는, 상기 나노 클레이, 폴리머, 및 발포 유도제가 혼합된 상기 혼합물을 압출, 프레스, 사출 등의 다양한 방식을 이용하여 원하는 형상과 크기로 난연재를 형성한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 난연재에 포함된, 나노 클레이와 폴리머의 혼합 및 반응 시의 물질 상태를 설명하는 개략도들이다.
도 2를 참조하면, 나노 클레이와 폴리머가 혼합되어 혼합물을 형성하면, 상기 나노 클레이를 구성하는 상기 복수의 층들을 박리(exfoliate)하여 혼합되거나, 또는 상기 복수의 층들 사이에 삽입(intercalate)되어 혼합될 수 있다. 또한, 상기 폴리머는 상기 나노 클레이를 둘러싸도록 혼합될 수 있다.
이어서, 상기 나노 클레이와 상기 폴리머가 혼합된 상기 혼합물을 가열하면, 상기 나노 클레이와 상기 폴리머는 서로 물리적 교차 결합(physical crosslink)되거나 화학적 교차 결합(chemical crosslink)될 수 있다. 또는, 상기 나노 클레이와 상기 폴리머는 교차 결합되지 않고, 촉매 탄화물화(catalysis charring)될 수 있다.
상기 나노 클레이와 상기 폴리머가 결합됨에 따라 매트릭스의 질량 감소율이 감소될 수 있고, 또한 열방출률이 감소될 수 있다.
상기 나노 클레이와 상기 폴리머는 혼합에 의하여 균일하게 분산될 수 있고, 또한, 발포 유도제도 균일하게 분산될 수 있다. 따라서, 상기 발포 유도제에 의한 발포가 균일한 분포를 가질 수 있다. 이러한 분산에 의하여 난연재가 난연 특성을 가질 수 있으며, 이는 폴리머의 종류에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 폴리프로필렌은 박리 시에 최적의 난연 특성을 가지고, 반면, 에틸렌비닐아세테이트는 삽입과 박리 형태의 적절한 조합에서 최적의 난연 특성을 나타낸다.
또한, 상기 나노 클레이와 상기 폴리머의 물리적 교차 결합 또는 화학적 교차 결합은, 상기 난연재의 열적 안정성 또는 산화 안정성을 증가시키고 열분해를 지연시킬 수 있다. 따라서, 상기 난연재의 난연 특성을 더 제공할 수 있다.
또한, 상기 나노 클레이와 상기 폴리머는 복합재료로서 우수한 성형성과 우수한 기계적 물성을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 난연재(100)의 가열 팽창 현상을 설명하는 개략도들이다. 즉, 상기 발포 유도제의 발포 기능을 설명한다.
도 3을 참조하면, 난연재(100)가 보호 대상체(200) 상에 부착된다. 보호 대상체(200)은 다양한 제품일 수 있고, 예를 들어 자동차 내외장재 또는 건축 내외장재 등일 수 있다. 난연재(100)는 보호 대상체(200) 상에 접착제, 압착, 등 다양한 방법으로 부착될 수 있다.
이어서, 화재 등에 의하여 난연재(100)에 열(화살표로 도시됨)이 전달되면, 난연재(100)는 열이 전달된 표면으로부터 발포되어 발포층(110)를 형성한다.
발포층(110)는 난연재(100)에 포함된 발포 유도제에 의하여 구현될 수 있다. 구체적으로, 상기 발포 유도제에서, 상기 탈수소 물질의 분해, 상기 탄화물 형성 물질의 탈수소화에 의한 탄화물 형성, 및 상기 탄화물의 팽창에 의하여 구현될 수 있다.
계속하여 열이 난연재(100)에 전달되면, 난연재(100)는 발포층(110)로 계속하여 변환된다. 난연재(100) 전체가 발포층(110)로 바뀌면, 발포층(110)의 형성이 종료된다. 난연재(100)가 발포층(110)로 변환함에 따라 크기가 팽창될 수 있다. 예를 들어, 발포층(110)의 두께는 난연재(100)의 두께의 수 배에서 수십 배로 팽창될 수 있다. 이러한 의미에서 이 실시예에 따른 난연재(100)는 열적 팽창성 난연재로 불릴 수도 있다.
이하에서는, 난연재(100)의 가열에 의한 발포층(110) 형성에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 난연재(100)의 발포 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 나노 클레이, 폴리머, 및 인산암모니아와 펜타에리트리톨을 포함하는 발포 유도제를 포함한 난연재를 제공하는 단계(S110), 상기 난연재를 가열하여, 상기 인산암모니아를 인산(phosphoric acid)과 암모니아(ammonia) 가스로 분해시키는 단계(S120), 상기 인산이 상기 펜타에리트리톨을 탈수소하여 탄화물을 형성하는 단계(S130), 상기 암모니아 가스가 상기 탄화물 내에 인입되어 상기 탄화물을 팽창시켜, 상기 난연재를 발포시키는 단계(S140)를 포함한다.
상기 나노 클레이, 상기 폴리머, 및 상기 인산암모니아와 상기 펜타에리트리톨을 포함하는 상기 발포 유도제를 포함한 상기 난연재를 제공하는 단계(S110)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 상술한 난연재를 제공한다.
상기 난연재를 가열하여, 상기 인산암모니아를 인산과 암모니아 가스로 분해시키는 단계(S120)는, 상기 난연재를 가열함에 따라 상기 인산암모니아가 분해됨으로써 수행될 수 있다. 상기 난연재의 상기 탈수소 물질로서 포함된 상기 인산암모니아는 가열되면, 예를 들어 약 250℃ 이상으로 가열되면, 인산(phosphoric acid, HPO3)과 암모니아(ammonia, NH3) 가스로 분해될 수 있다. 이러한 인산암모니아의 분해는 화학식 2에 나타나 있다.
Figure pat00002
상기 인산이 상기 펜타에리트리톨을 탈수소하여 탄화물을 형성하는 단계(S130)는, 상기 인산암모니아로부터 분해된 상기 인산(HPO3)n이, 상기 난연재에 포함된 탄화물 형성체(carbonization agent), 예를 들어 펜타에리트리톨을 탈수소(dehydration) 반응시킨다. 이러한 탈수소 반응에 의하여 상기 탄화물 형성체는 탄화물(carbon char)을 형성할 수 있다. 또한, 부산물로서 인산(H3PO4)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 난연재는 이러한 탈수소 반응을 더 촉진시키는 탈수소 촉진 물질을 더 포함할 수 있고, 상기 탈수소 촉진 물질은 예를 들어 질소 화합물, 예를 들어 멜라민(melamine, C3H6N6) 글리신(glycine, C2H5NO2), 및 구아니딘(guanidine, CH5N3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 암모니아 가스가 상기 탄화물 내에 인입되어 상기 탄화물을 팽창시켜, 상기 난연재를 발포시키는 단계(S140)는, 상기 분해된 암모니아 가스가 상기 탄화물을 팽창시키는 팽창제(blowing agent)로서 기능한다. 상기 암모니아 가스는, 상기 탄화물 내에 인입되어 상기 탄화물을 팽창시켜, 다공질의 탄소층(carbon form)을 형성하게 되며, 이에 따라 결과적으로 상기 난연재를 발포시킨다. 이와 같은 다공질의 탄소층의 형성은 화학식 3에 나타나있다.
Figure pat00003
상기 다공질의 탄소층은 도 2의 발포층(110)에 상응한다. 따라서, 상기 다공질의 탄소층에 따라 상기 난연재는 발포되고, 팽창하게 된다.
상기 난연재가 암모니아와 같은 가스를 포함하는 다공질의 탄소층을 포함함으로써, 상기 난연재가 흡수하는 열량이 감소되고, 상기 난연재의 최대 열방출 속도가 감소되고, 열방출 시간이 증가된다. 이에 따라, 상기 난연재는 우수한 난연 특성을 가질 수 있다.
실험예
나노 클레이, 폴리프로필렌, 및 발포 유도제를 이축 압출기를 이용하여 혼합하여 혼합물을 형성하였다.
상기 발포 유도제가 상기 혼합물 전체에 대하여 10 wt% 및 20 wt%의 함량을 각각 가지는 실험예들을 제조하였다. 비교예로서, 상기 발포 유도제가 없는(0 wt%) 혼합물을 제조하였다.
상기 발포 유도제는 인산이암모늄 (NH4)2HPO4, 펜타에리스리톨, 및 멜라민을 포함하였고, 그 혼합비는 3:1:1 이었다.
상기 혼합 동안에, 상기 이축 압출기의 온도는 160℃ 내지 200℃로 유지하였고, 상기 이축 압출기의 스크류는 약 150 rpm으로 회전시켜 혼합하였다. 상기 이축 압축기에 의하여, 나노 클레이, 폴리프로필렌, 및 발포 유도제는 혼합되면서 펠렛 형상으로 성형되었다.
이어서, 상기 펠렛을 사출기를 이용하여 사출하여, 난연재를 제조하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 난연재의 발포 유도제의 함량에 따른 열방출 속도를 나타내는 그래프이다. 상기 난연재는 상술한 실험예에 따라 제조하였다.
도 5를 참조하면, 상기 난연재가 상기 발포 유도제를 포함하지 않는 경우에는(0 wt%), 높은 피크의 열 방출을 나타내고, 약 200초 이내에 많은 양의 열을 한꺼번에 방출하게 된다.
반면, 상기 발포 유도제를 포함하는 경우에는(10 wt%, 20 wt%), 최대 열방출 속도의 높이가 감소되고, 방출 시간도 길어진다. 이러한 경향은 상기 발포 유도제의 함량이 증가됨에 따라 더 두드러지게 나타난다.
또한, 그래프와 가로축(시간) 사이의 면적은 난연재에 흡수되는 열량의 총합을 나타낸다. 상기 발포 유도제를 포함하지 않는 경우에 비하여 상기 발포 유도제를 포함하는 경우는 상기 면적이 감소되고, 이는 상기 발포 유도제의 함량이 증가됨에 따라 면적은 더 감소된다. 따라서, 상기 난연재에 흡수되는 열량이 감소하므로, 열을 원천적으로 차단하는 열차단 효과가 있음을 의미한다. 또한, 열 차단 효과는 발포 유도제의 함량이 증가함에 따라 증가된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재는 발포 유도제를 포함함으로써, 가열에 의하여 탄화물이 형성되고 암모니아와 같은 가스 인입에 의하여 다공성을 가지도록 팽창됨에 따라, 흡수하는 열량이 감소되고, 최대 열방출 속도가 감소되고, 열방출 시간이 증가된다. 또한, 팽창된 탄화물에 의하여 산소 등 가연성 물질이 상기 난연재 내로 침투하는 것을 억제 또는 방지할 수 있고, 이에 따라 보호 대상물의 연소를 방지 또는 지연시키는 효과를 제공할 수 있다. 상기 난연재는 우수한 난연 특성을 가지고, 상기 난연 특성은 발포 유도제의 함량이 증가함에 따라 증가된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재는 나노 클레이와 폴리머를 포함함으로써, 발포 유도제를 균일하게 분산시킬 수 있고, 이에 따라 상기 발포 유도제에 의한 발포가 균일한 분포를 가질 수 있다. 또한, 상기 나노 클레이와 상기 폴리머의 물리적 교차 결합 또는 화학적 교차 결합은, 상기 난연재의 열적 안정성 또는 산화 안정성을 증가시키고 열분해를 지연시킬 수 있다. 따라서, 상기 난연재의 난연 특성을 더 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 난연재는 우수한 성형성, 기계적 물성 및 난연 특성을 동시에 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 난연재, 110: 발포층, 200: 보호 대상체,

Claims (10)

  1. 복수의 층들을 포함하는 나노 클레이;
    상기 나노 클레이와 혼합된 폴리머; 및
    상기 나노 클레이 및 상기 폴리머와 혼합되고, 가열 시 발포되어 부피가 팽창되고, 탈수소 물질과 탄화물 형성 물질을 포함하는 발포 유도제;
    를 포함하는, 난연재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈수소 물질은 인산암모니아(ammonium phosphate)를 포함하는, 난연재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화물 형성 물질은 펜타에리트리톨(pentaerythritol)을 포함하는, 난연재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발포 유도제는, 상기 탄화물 형성 물질의 탈수소화를 촉진하고, 질소 화합물로 구성된 탈수소 촉진 물질을 더 포함하는, 난연재.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 탈수소 촉진 물질은 멜라민(melamine, C3H6N6) 글리신(glycine, C2H5NO2), 및 구아니딘(guanidine, CH5N3) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 난연재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 클레이는 마그네슘, 알루미늄 산화물, 및 실리콘 염산 층이 복수의 층들로 적층된 층상 물질인, 난연재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머는, 상기 나노 클레이를 구성하는 상기 복수의 층들을 박리하여 혼합되거나, 또는 상기 복수의 층들 사이에 삽입되어 혼합되는, 난연재.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머는, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA), 아크릴로나이트릴 부타디엔 스타이렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아마이드(polyamide, PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 난연재.
  9. 나노 클레이; 폴리머; 및 탈수소 물질과 탄화물 형성 물질을 포함하는 발포 유도제;를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
    상기 혼합물을 성형하여 난연재를 형성하는 단계;
    를 포함하는, 난연재의 제조 방법.
  10. 나노 클레이; 폴리머; 및 인산암모니아와 펜타에리트리톨을 포함하는 발포 유도제;를 포함한 난연재를 제공하는 단계; 및
    상기 난연재를 가열하여, 상기 인산암모니아를 인산(phosphoric acid)과 암모니아(ammonia) 가스로 분해시키는 단계;
    상기 인산이 상기 펜타에리트리톨을 탈수소하여 탄화물을 형성하는 단계; 및
    상기 암모니아 가스가 상기 탄화물 내에 인입되어 상기 탄화물을 팽창시켜, 상기 난연재를 발포시키는 단계;
    를 포함하는, 난연재의 발포 방법.
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KR20220018428A (ko) * 2020-08-06 2022-02-15 성균관대학교산학협력단 난연성이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물

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