KR20160079529A - 표면에 인이 도핑된 산화 그래핀을 포함하는 난연제 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면에 인이 도핑된 산화 그래핀을 포함하는 난연제 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학적 합성이 어려운 그래핀이 산화된 형태인 산화 그래핀을 기초로 난연성을 가지는 인(phosphorus) 성분을 간단한 방법을 통해 매우 높은 비율로 도핑하는 난연제 관련 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 난연제를 직물 등의 피처리물에 코팅할 경우 연소시 열의 전달을 막는 층을 형성하여 약간의 수축을 제외하고는 표면의 변화 없이도 화재를 효과적으로 예방할 수 있으며, 기존의 난연제와 달리 인체 및 환경에 유해할 수 있는 독성물질을 전혀 형성하지 않고도 뛰어난 내구성을 가지며, 낮은 가격으로 대량 생산을 할 수 있는 장점이 있어 다양한 산업 분야에 적용 가능하다.

Description

표면에 인이 도핑된 산화 그래핀을 포함하는 난연제 및 이의 제조방법{FLAME RETARDANT COMPRISING GRAPHENE OXIDE DOPED PHOSPHORUS ON THE SURFACE}
본 발명은 표면에 인이 도핑된 산화 그래핀을 포함하는 난연제 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학적 합성이 어려운 그래핀이 산화된 형태인 산화 그래핀을 기초로 난연성을 가지는 인(phosphorus) 성분을 간단한 방법을 통해 매우 높은 비율로 도핑하는 난연제 관련 기술에 관한 것이다.
연소하기 쉬운 성질을 가지고 있는 대부분의 고분자 물질은 난연제를 첨가하거나, 화학적으로 반응시켜 분자 내에 난연성 원소를 도입하는 것에 의해 난연화 시키고 있다. 고분자 물질이 물성 향상을 위해 컴퓨터, TV, 전자기기의 부품을 비롯하여 자동차, 건축재료, 차량, 일반 섬유의 난연 가공 등 거의 모든 분야에서 사용됨에 따라 화재 발생시 안전을 고려한 난연화에 대한 필요성이 증대되고 있다.
이에 따라 최근 각종 플라스틱, 고무, 섬유, 제지 등에 대한 연소성 규제가 강화되고 있다. 난연성에 대한 규제는 주로 UL(Underwriters laboratories Inc.), CSA(Canadian Standards Association), JIS(Japanese Industrial Standards), ASTM(American Society for Testing Materials), DIN(Deutsches Institut fㆌr Normung; German Institute for Standardization) 등 각국에서 정한 규격 안에서 규정되고 있으며 요건에 따라 적절한 규정을 만족해야만 사용할 수 있는 경우가 많다.
난연제에 요구되는 성능은 통상 연소시 발연 및 독성가스 발생이 적을 것, 원재료 및 첨가제에 대한 상용성이 우수하여 분산성이 좋을 것, 제품의 성형가공 온도에서 충분한 열안정성 확보로 성형공정에서 분해를 일으키지 말고 난연제가 최종 제품으로부터 이동되지 않을 것, 기계적, 전기적, 성형 가공성 등 제품 물성에 악영향을 주지 않을 것 등이다.
난연제는 통상 상술한 바와 같이 첨가형과 반응형으로 분류되거나, 할로겐계와 논할로겐계로 분류된다. 할로겐계 난연제는 할로겐(Cl, Br) 화합물을 사용하여 제조되고, 논할로겐계 난연제는 인 화합물, 질소 함유 화합물, 무기 화합물 등을 포함한다. 이중 인계 화합물은 점차 규제 대상이 되고 있는 할로겐계 난연제를 대체하여 무독성, 친환경 특성으로 인하여 무기 화합물과 함께 많이 주목받고 있다. 인계 화합물의 대표적인 예로서는 인산에스테르, 적인, 폴리인산암모늄을 들 수 있다.
일반적인 난연제는 주로 브롬계가 들어간 할로겐계 난연제가 사용되어 왔으나 환경 문제 및 각종 규제로 인하여 사용이 제한되었으며 삼산화 안티몬 난연제 역시 규제로 인해 새로운 난연제의 대체 필요성이 증대되어 왔다. 이런 필요성에 의해 많은 난연제의 개발이 이루어지고 있으나 그 효과가 할로겐계 난연제나 삼산화 안티몬에 비해 떨어지는 문제가 있었다.
한편, 인계 화합물은 인의 함유량에 비례하여 난연 효과도 높아지며 시중에 나온 제품 중 비교적 높은 인 함유량을 가진 첨가형 난연제는 ANTI blaze 1045(Albright & Wilson Americas) 가 있다. 그러나 대부분의 인계 난연제는 분자량이 작고 첨가하여 사용시 내구성, 흡습성, 이행성, 접착력, 내수성 등이 저하되는 현상으로 인하여 난연 효과 역시 저하되는 단점이 있다.
이에, 화재의 위험을 줄일 수 있는 난연제 본연의 난연 성질을 극대화시킬 수 있으면서도, 내구성과 같은 피처리물 본래의 기계적 성능을 저하시키지 않고, 연소시 독성가스가 발생되거나 씻겨 내려갈 경우 인체나 환경에 유해한 독성물질이 형성되지 않으며, 향상된 품질과 높은 지속성을 갖는 새로운 난연제의 개발이 시급한 실정이었다.
등록특허공보 제1212870호('나노 도료 조성물', 2012. 12. 14. 공고) 등록특허공보 제1323751호('낮은 열 및 매연 발생 보강 화이버/에폭시 복합 재료', 2013. 11. 21. 공고)
"Flame Retardent Behavior of Polyelectrolyte-Clay Thin Film Assemblies on Cotton Fabric", Yu-Chin Li et al., ACS Nano, 2010, Vol. 4, No. 6, 3325-3337 "Intimescent All-Polymer Multiplayer Nanocoating Capable of Extinguishing Flame on Fabric", Jaime C. Grunlan et al., Adv. Mater., 2011, 23, 3926-3931
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 화학적 합성이 어려운 그래핀이 산화된 형태인 산화 그래핀을 기초로 난연성을 가지는 인(phosphorus) 성분을 간단한 방법을 통해 매우 높은 비율로 도핑하여, 환경에 무해하면서도 향상된 품질과 높은 지속성을 갖는 난연제를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 표면에 인(phosphorus) 성분이 도핑(doping)된 산화 그래핀(graphene oxide)을 포함하는 난연제를 제공한다.
이때 상기 인 성분은 인산(phosphoric acid) 및 폴리인산(polyphosphoric acid) 중에서 적어도 어느 하나 이상일 수 있으며, 상기 인 성분이 상기 산화 그래핀 표면에 24~35 wt% 범위의 함량으로 도핑되는 것이 바람직하고, 29 wt% 범위의 함량으로 도핑되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기에서 언급한 난연제가 표면의 코팅된 난연성 직물을 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 챔버 내에 산화 그래핀(graphene oxide)을 준비하는 단계; 및 인산(phosphoric acid) 및 폴리인산(polyphosphoric acid) 중 어느 하나 이상의 인 성분을 상기 챔버에 가하여 상기 산화 그래핀 표면에 상기 인 성분을 도핑하는 단계;를 포함하는 난연제 제조방법을 제공한다.
이때, 인 성분 도핑단계에서, 상기 챔버에 염기성 물질을 가하여 pH 조건을 제어하는 것이 바람직하며, 상기 염기성 물질은 수산화나트륨이고, 상기 pH 조건을 1~5 범위로 제어하는 것이 더욱 바람직하다.
또, 인 성분 도핑단계는 80~100℃ 범위의 온도 조건 하에서 10~15시간 동안 수행될 수 있으며, 인 성분 도핑단계에서, 상기 산화 그래핀 표면에 24~35 wt% 범위의 함량으로 상기 인 성분이 도핑되는 것이 바람직하고, 29 wt% 범위의 함량으로 상기 인 성분이 도핑되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 챔버 내 산화 그래핀(graphene oxide)를 준비하는 단계; 인산(phosphoric acid) 및 폴리인산(polyphosphoric acid) 중 어느 하나 이상의 인 성분과 염기성 물질을 상기 챔버에 가하여 pH 1~5 조건 하에서 상기 산화 그래핀 표면에 24~35 wt% 범위의 함량으로 상기 인 성분을 도핑하는 단계; 및 상기 인 성분이 표면에 도핑된 산화 그래핀을 피처리물 표면에 코팅하는 단계;를 포함하는 난연제 코팅방법을 제공한다.
이때, 상기 피처리물은 내외장재, 가구 또는 직물일 수 있으며, 인 성분 도핑단계에서 상기 산화 그래핀 표면에 29 wt% 범위의 함량으로 상기 인 성분이 도핑되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 화학적 합성이 어려운 그래핀을 대체하고 비교적 화학적 합성이 용이한 산화 그래핀을 활용하여 난연성을 갖는 인을 용이하고 단순한 공정을 통해 매우 높은 비율로 도핑할 수 있어 제조의 작업성, 공정의 용이성 및 대량생산의 편의성을 도모할 수 있다.
또한, 난연제를 피처리물에 코팅처리할 경우 피처리물의 변형을 최소화하면서도 화재를 예방할 수 있으며, 인체나 환경에 유해할 수 있는 독성물질을 전혀 형성하지 않고, 뛰어난 내구성을 지니는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 표면에 인이 도핑된 산화 그래핀을 포함하는 난연제 및 이의 제조방법이 전체 개략도이다.
도 2는 본 발명의 난연제 제조방법의 공정 흐름도(flow chart)이다.
도 3는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 제조된 표면이 인이 도핑된 산화 그래핀에 대하여 (a) 인이 도핑된 산화 그래핀(PGO)와 일반 산화 그래핀(GO)의 XPS spectra를 나타낸 것이고, (b) PGO의 C1s spectra를 나타낸 것이며, (c) PGO의 O1s spectra를 나타낸 것이고, (d, e) PGO의 P2p, P2s spectra를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 제조된 표면이 인이 도핑된 산화 그래핀에 대하여 (a) PGO와 GO의 공기 중에서 분당 20℃ 가열 조건 하에서의 TGA termograms이고, (b) PGO와 GO의 Raman spectra이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PGO와 GO를 각각 코팅한 천을 이용한 연소실험 사진이다.
도 6는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 인이 도핑된 산화 그래핀을 코팅한 천의 연소 전(a) 및 연소 후(b)의 SEM image이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
본 발명은 먼저, 바람직한 일 실시예에 따라 표면에 인(phosphorus) 성분이 도핑(doping)된 산화 그래핀(graphene oxide)을 포함하는 난연제를 제공한다. 본 실시예에 따른 난연제 및 그 제조방법에 대한 개략적인 전체 모식도가 도 1에 도시되어 있다.
그래핀(graphene)은 탄소 원자들로 이루어진 2차원 평면 구조체로서, 높은 전기 전도도 등 특성이 다양하고 우수하여 차세대 신소재 물질로 각광받고 있다. 또한 산화 그래핀(graphene oxide)의 경우에는 순수한 그래핀에 카르복실기와 같은 작용기가 형성된 것으로, 순수한 그래핀이 가지지 못하는 다양한 반응성이 있다는 장점이 있으며 생산성이 뛰어나, 산업적으로 사용하기에 용이하다.
그래핀은 모든 탄소 동소체 중에서도 열 역학적으로 가장 안정한 형태의 물질이지만, 화학적 반응이 매우 낮아 새로운 화합물로의 합성 즉, 어플리케이션(application)이 용이하지 않다는 단점이 있어, 산화된 형태의 산화 그래핀 혹은, 산화된 정도가 심화된 더블-산화 그래핀(double-GO)이 다양한 기술분야에서 각광받고 있다.
한편, 기존의 난연제를 제작하는 방법은 매우 다양하다. 예를 들어 표면에 난연성을 가지고 있는 물질을 처리하는 기술, 나노 합성 섬유를 이용하는 기술 또는 본질적으로 내연성을 가지고 있는 직물을 활용하는 기술 등이 있다. 그 중에서 불연성 가스를 발생시키는 물질을 이용하는 기술이 있는데, 이 기술은 열을 가했을 시 불연성 가스가 피처리물 표면에 코팅을 형성하도록 함으로써 산소를 차단하는 방법이다. 이러한 많은 방법들은 그 효율성에도 불구하고 독성 물질의 발생, 내구성의 부족 등으로 인해 사용이 제한되고 있다.
본 발명의 인이 도핑된 산화 그래핀은 열을 가했을 때 독성 가스가 발생되는 방식이 아니고, 인산에스테르(phosphoester), 인산디에스테르(phosphodiester) 또는 무수인산(phosphoanhydride) 등에서 물 분자가 탈수되면서 물리적으로 열 전달을 막아주는 층을 형성하는 방식을 통해 흡열 반응과 기체화가 표면을 식혀주게 됨으로써 효과적으로 난연 성능이 발휘되며, 특히 직물에 코팅하여 적용할 경우에는 직물 표면이 검게 그을리면서 열을 응결시키는 현상도 발생되어 화학적인 난연성을 추가적으로 갖게 해준다.
본 발명에서 인 성분은 상기 산화 그래핀 표면에 하기 화학식 1과 같은 인산(phosphoric acid) 혹은 하기 화학식 2와 같은 폴리인산(polyphosphoric acid)의 헤테로 원자의 형태로 도핑된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
인 성분이 산화 그래핀 표면에 도핑되는 정도는 질량비 함량(wt%)을 기준으로 하여 25~35wt% 범위 수준인 것이 바람직하다. 인 성분의 도핑 함량이 25wt% 미만인 경우에는 종래의 인계 난연제(인 성분 도핑 함량 최대 약 23wt% 수준)의 난연성 수준에 머무르게 되어 난연 성능의 향상 정도가 미미하고, 35wt%를 초과하게 되면 인 성분의 도핑 정도가 과도하게 커져 산화 그래핀 고유의 소재 성능에 악영향을 미치게 되며 인 성분으로 인한 난연 메커니즘에 불필요한 인 성분이 투입되어 비경제적이고 비효율적이라는 문제가 있다.
상기 언급한 바와 같이 산화 그래핀은 인체나 환경에 무해하면서도 순수 그래핀과 달리 헤테로 원자 합성에 용이한 특성이 있어, 인체에 유해한 물질을 형성하거나 내구성이 저하되는 문제도 발생되지 않으면서도 종래 인계 난연제보다 높은 수준의 인 성분 도핑이 가능하여 난연 성능을 극대화시킬 수 있다.
또한, 환경적인 측면에서도 환경에 대한 반응성이 낮아 장기간 유지할 수 있으며 인체에 유해한 독성 물질이 전혀 없고, 간단한 공정으로 제조할 수 있어 낮은 가격으로 대량 생산이 가능하기 때문에 다양한 산업 전반의 분야에 응용 가능성이 매우 크다.
이하 본 발명의 표면에 인이 도핑된 산화 그래핀을 포함하는 난연제 및 이의 제조방법에 대한 실시예를 살펴본다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
<인 성분이 도핑된 산화 그래핀 난연제의 제조>
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 인 성분이 도핑된 산화 그래핀(이하 'PGO'라 함)을 제조하기 위해, 먼저 반응 챔버 내 산화 그래핀(이하 'GO'라 함)을 준비한다. 본 발명의 난연제 제조방법에 대한 공정 흐름도가 도 2에 도시되어 있다.
인 성분 도핑을 위한 전구체 물질로 인산, 폴리인산 또는 인산과 폴리인산의 혼합물을 산화 그래핀이 준비된 반응 챔버에 가한다. 이때, 염기성 물질을 추가로 가하여 인 도핑이 원활하게 진행되도록 pH 적정이 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로 수산화나트륨과 같은 염기성 물질을 가하여 전체 챔버 내 pH 조건이 1~5 수준으로 유지되도록 제어한다. 이렇게 준비된 뒤 80~100℃ 온도 조건 하에서 10~15시간 동안 반응을 수행하며, 바람직하게는 90℃ 온도 조건 하에서 12시간 정도 반응시킨다.
위와 같은 합성 과정을 통해 표면에 약 29wt%의 인 성분이 도핑된 산화 그래핀이 제조되었으며, 도 3의 XPS spectra와 도 4의 PGA thermogram 및 Raman spectra를 참고할 때, 표면에 인 성분이 도핑된 PGO가 제조된 것을 확인할 수 있다.
<연소 실험>
상기 실시예 1의 방법으로 제조된 PGO를 포함하는 난연제가 코팅된 천(직물)에 대한 연소 실험을 수행하였다. 대조군 1로 일반 천을, 대조군 2로 일반 천에 인이 도핑되지 않은 일반 산화 그래핀(GO)이 코팅된 천을 준비하였다.
도 5의 1a 내지 1e는 PGO가 코팅된 천과 일반 천(대조군 1)을 시간에 따라 비교한 연소 실험 사진이고, 도 5의 2a 내지 2d는 GO가 코팅된 천(대조군 2)과 일반 천(대조군 1)을 시간에 따라 비교한 연소 실험 사진이다.
도 5의 실험 사진을 참고할 때, 일반 천(대조군 1)은 약 6초 이내에, GO가 코팅된 천(대조군 2)는 약 10초 이내 발화가 시작되는 것을 볼 수 있지만, 본 발명의 PGO가 코팅된 천은 3분이 지나도 약간의 수축만 일어날 뿐 전혀 발화가 일어나지 않는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 발화 전(a)과 후(b)에 대한 본 발명의 PGO가 코팅된 천 표면의 SEM 사진이 도시된 도 6을 참조할 때, 상기 일련의 연소 실험이 수행된 이후에도 표면에 코팅된 일부 PGO 성분에만 약간의 수축 또는 변형이 일어났을 뿐, 피 코팅물인 직물 자체에는 거의 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (15)

  1. 표면에 인(phosphorus) 성분이 도핑(doping)된 산화 그래핀(graphene oxide)을 포함하는 난연제.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인 성분은 인산(phosphoric acid) 및 폴리인산(polyphosphoric acid) 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 난연제.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인 성분이 상기 산화 그래핀 표면에 24~35 wt% 범위의 함량으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 난연제.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 인 성분이 상기 산화 그래핀 표면에 29 wt% 범위의 함량으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 난연제.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 난연제가 표면에 코팅된 난연성 직물.
  6. 챔버 내에 산화 그래핀(graphene oxide)을 준비하는 단계; 및
    인산(phosphoric acid) 및 폴리인산(polyphosphoric acid) 중 어느 하나 이상의 인 성분을 상기 챔버에 가하여 상기 산화 그래핀 표면에 상기 인 성분을 도핑하는 단계;
    를 포함하는 난연제 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    인 성분 도핑단계에서,
    상기 챔버에 염기성 물질을 가하여 pH 조건을 제어하는 것을 특징으로 하는 난연제 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 염기성 물질은 수산화나트륨인 것을 특징으로 하는 난연제 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 pH 조건을 1~5 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 난연제 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    인 성분 도핑단계는 80~100℃ 범위의 온도 조건 하에서 10~15시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 난연제 제조방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    인 성분 도핑단계에서,
    상기 산화 그래핀 표면에 24~35 wt% 범위의 함량으로 상기 인 성분이 도핑되는 것을 특징으로 하는 난연제 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 산화 그래핀 표면에 29 wt% 범위의 함량으로 상기 인 성분이 도핑되는 것을 특징으로 하는 난연제 제조방법.
  13. 챔버 내 산화 그래핀(graphene oxide)를 준비하는 단계;
    인산(phosphoric acid) 및 폴리인산(polyphosphoric acid) 중 어느 하나 이상의 인 성분과 염기성 물질을 상기 챔버에 가하여 pH 1~5 조건 하에서 상기 산화 그래핀 표면에 24~35 wt% 범위의 함량으로 상기 인 성분을 도핑하는 단계; 및
    상기 인 성분이 표면에 도핑된 산화 그래핀을 피처리물 표면에 코팅하는 단계;
    를 포함하는 난연제 코팅방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 피처리물은 내외장재, 가구 또는 직물인 것을 특징으로 하는 난연제 코팅방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    인 성분 도핑단계에서 상기 산화 그래핀 표면에 29 wt% 범위의 함량으로 상기 인 성분이 도핑되는 것을 특징으로 하는 난연제 코팅방법.
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