KR20160109471A - 난연제 조성물과 이를 코팅한 난연 발포성 폴리스티렌 비드 제조 방법 - Google Patents

Abstract

수산화알루미늄과 같은 금속 수화산물과 산화철과 같은 금속산화물 및 팽창흑연을 이용하여 발연억제특성이 우수한 난연제 조성물과 이를 코팅한 EPS 비드 제조 방법이 제공된다. 상기 난연제 조성물은, 수산화알루미늄 20~38중량%, 팽창흑연 10~40중량%, 초산비닐수지 18~40중량%, 산화철(Fe₂O₃) 4~6중량%, 물 24~40중량%를 배합기에 넣어 교반하여 조성된다. 그리고, 난연 발포성 폴리스티렌 비드는 EPS 수지입자를 가압식 배치 발포기에 넣어 50~120배로 예비 발포하여 얻은 EPS 비드와 상기 난연제 조성물을 1:1의 중량비로 교반기에 투입하고, 상기 난연제 조성물의 총 중량의 4~6중량%의 경화제를 상기 교반기에 투입하여 50~150rpm의 회전속도로 3~10분 교반하여 상기 EPS 비드의 표면에 상기 난연제를 코팅하는 코팅단계를 포함한다.

Description

난연제 조성물과 이를 코팅한 난연 발포성 폴리스티렌 비드 제조 방법{FLAME RETARDANT COMPOSITION AND FLAME-RETARDANT COATED EXPANDED POLYSTYRENE BEAD MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 난연제 조성물과 이를 코팅한 발포성 폴리스티렌(expanded polystyrene : EPS, 스티로폼, 이하 "EPS"라 칭함) 비드(bead) 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수산화알루미늄 등의 금속수산화물, 산화철 등의 금속산화물 및 석목(graphite, 黑鉛)을 주재료로 하여 발연(emitting smoke) 억제 특성이 우수한 난연제 조성물 및 이를 코팅한 EPS 비드(Expanded Polystyrene Bead) 제조 방법에 관한 것이다.

건축물 등 다양한 산업에서는 많은 재료들을 사용하여 구조물의 견고성, 단열, 외적 미려함 등을 도모하고 있고, 단열재로서는 고분자 재료인 EPS 보드가 광범위하게 사용되고 있는 실정이다. 특히 건축물의 단열 효과를 높이기 위하여 사용하는 단열재는 합성수지, 예를 들면, EPS보드는 열에 약하고 화염에 쉽게 발화되고, 연소시 화재가 급격히 확산되고 많은 유독가스를 배출하는 특성이 있어 높은 난연성과 발연 억제가 요구되고 있다.

EPS 등과 같은 수지 조성물에 대하여 난연성을 부여하는 수지용 난연제로서는, 예를 들면 금속 수산화물계(수산화마그네슘, 수산화알루미늄) 난연제, 규소계(실리콘, 실리카) 난연제, 할로겐(브롬)계 난연제, 인계(인산 에스테르, 적린 등) 난연제 등을 들 수 있다.

또한, 금속 수산화물계 난연제는 수지 중에 첨가량이 많아지기 때문에 수지의 기계적 특성을 손상시킨다는 문제, 규소계 난연제는 적용 가능한 수지 조성물이 한정된다는 문제 등이 있다. 또한, 할로겐계 난연제는 동물이나 모유로부터 검출되거나, 연소시에 브롬계 다이옥신 등이 발생한다는 등과 같은 문제가 발생할 우려가 있기 때문에 사용량이 감소 경향에 있다.

또한 건축현장에서 건축물의 단열을 위해 사용되는 성형된 EPS은 보드형태로 가공된 것을 널리 사용되고 있다. 이러한 EPS는 가격이 저렴하고 가공성과 단열 시공 시 취급이 우수하다는 장점이 있지만 불에 매우 취약하며, 압출보드(압출법 폴리스티렌 XPS)에 비하여 단열성이 떨어진다는 문제점을 가지고 있다.

위와 같은 문제점을 해결하고자 한 종래의 기술로서는 난연 특성이 우수한 팽창흑연을 포함하는 난연 조성물로 EPS비드(입자)에 코팅하는 기술이 한국등록특허 제10-0602205호(발명의 명칭 : 팽창흑연을 함유한 불연성 난연 폴리스티렌 수지입자의 제조방법, 이하 "특허문헌"이라 칭함)에 개시되어 있다. 상기 특허문헌은 폴리스티렌 발포입자에 팽창흑연, 열경화성 액상 페놀 수지 및 경화 촉매의 혼합물을 코팅 가교하여 EPS 비드의 난연성을 향상시키는 것이다.

그러나 위 특허문헌에 개시된 종래의 기술은 인체에 페놀과 발암물질인 포름알데히드의 축합에 의해 얻어지는 페놀수지를 이용함으로써 친환경적이지 못하였다. 또한 EPS가 발연 시 유해가스가 방출됨으로써 인체에 악영향을 주게 되는 문제가 있었다.

특허 제10-0602205호(2006. 07.10. 등록)

따라서 본 발명은 일정한 온도 이상에서 열분해 반응에 의해 물과 금속으로 분리되는 금속수산화물과 내열성이 우수한 금속산화물 및 열차단 효과가 우수한 팽창 흑연의 복합체를 바인더에 의해 결합하여 억연(smoke suppressant)과 난연성이 우수한 난연조성물과 이를 코팅하여 난연성이 우수한 EPS 비드를 제조하는 방법을 제공함에 있다. 을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 수산화알루미늄과 산화철 및 팽창 흑연은 초산비닐수지(Polyvinyl Acetate)와 물이 혼합된 결합제로 바인딩 하여 억연 특성 및 난연 특성이 우수한 수지 난연제 조성물과 경화제를 혼합된 혼합물을 EPS 비드에 코팅하여 EPS 비드에 난연성을 부여하는 난연제 조성물 및 난연성이 우수한 EPS 비드 제조 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수산화알루미늄 20~38중량%, 팽창흑연 10~40중량%, 초산비닐수지 18~40중량%, 산화철(Fe₂O₃) 4~6중량%, 물 24~40중량%의 범위로 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 난연제 조성물이다.

본 발명의 다른 견지(aspect)에 따른 난연 EPS 비드 제조 방법은 EPS 수지입자를 가압식 배치 발포기에 넣어 50~120배로 예비 발포하여 얻은 EPS 비드와 상기 난연제 조성물을 1:1의 중량비로 배합기의 교반기에 투입하고, 상기 난연제 조성물의 총 중량의 4~6중량%의 경화제를 상기 교반기에 투입하여 50~150rpm의 회전속도로 3~10분 교반하여 상기 EPS 비드의 표면에 상기 난연제를 코팅함을 특징으로 한다.

상기 팽창흑연은 밀도가 1~2.5g/㎤이며, 입도는 80~100 메쉬(mesh)이며 팽창율은 200~300배내의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 열에 노출될 경우 발포에 의해 탄화층 형성하여 화염을 차단하는 다공형 흑연인 것을 특징으로 한다.

상기 수산화알루미늄은 분말형상으로 80~100 메쉬의 입도를 갖는 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 의한 난연제 조성물은 200℃ 이상의 온도에서 열 분해반응에 의하여 탈수, 분해반응 시 많은 열을 흡열하는 수산화알루미늄, 고온에 노출 시 팽창되어 다공성을 갖는 탄화층을 형성하여 화염 및 열의 이동을 차단하는 팽창흑연과 내열성이 우수한 무기질인 산화철을 물과 초산비닐수지의 바인더에 의해 결합함으로써 난연성, 불연성 및 억연성이 우수한 액상의 난연 조성물을 얻을 수 있다. 또한, 유기용매를 사용하지 않음으로써 화재 시 유해가스의 발생이 거의 없어 친환경적이며, 약 40℃ 이상의 온도에서 접착성을 띠는 초산비닐수지를 사용함으로써 EPS 비드의 표면에 코팅이 용이하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 아래 설명되는 본 발명의 실시 예는 당업자에게 본 발명의 사상을 충분하게 전달하기 위한 것임에 유의하여야 한다.

[난연제 조성물의 제조]

본 발명에 따른 난연제 조성물은 금속 수산화물, 석목, 금속산화물을 주재료로 하며, 이들 주재료는 초산비닐수지와 물이 적절히 혼한된 바인더에 의해 액상상태로 결합된다.

본 발명에서 사용되는 금속 수산화물은 수산화 알루미늄은 비중 2.423이며, 보오크사이트(BAUXITE)를 원료로 하여 바이엘(BAYER)법으로 제조된 수산화알루니늄[(AI(OH)₃)를 사용한다. 수산화알루미늄은 약 200℃까지 안정상태를 유지하며, 그 이상의 온도에서는 열 분해반응이 일어나 물과 알루미나로 분리된다. 또한 강산, 강알칼리와 반응하여 알루미늄산, 염등을 산출한다.수산화알루미늄은 200~350℃ 의 온도에서 탈수, 분해반응 시 많은 열을 흡열하는 기능을 갖는다. 따라서, EPS 비드의 사용할 경우 EPS 비드의 온도상승과 발화를 억제하여 화재의 가능성을 줄이고, 화재 시에 연기와 유독성 가스의 발생을 줄여주며, 불꽃이 튀어도 발연을 억제한다.

본 발명에서 사용하는 석목, 즉 흑연은 밀도 1~2.5g/㎤, 입도 80~100 메쉬이며 팽창율은 200~300배 정도를 갖는 팽창 흑연을 사용할 수 있다. 이와 같은 팽창 흑연은 고온의 열에 노출될 경우 팽창 또는 발포에 의해 다공을 갖는 탄화층 형성하여 화염을 차단한다.

산화철의 화학식은 Fe₂O₃로서, 난연성과 내열성이 우수하며, 적색을 띠고 있다. 따라서 난연 조성물이 적색의 색상을 띠도록 할 수 있다.

상기 수산화알루미늄, 팽창 흑연, 산화철의 결합제로 물과 물에 용해되는 초산비닐수지를 사용한다. 상기 초산비닐수지는 약 40℃ 이상의 온도에서 접착성을 가짐으로 물과 혼합하여 약 70℃의 온도를 유지하는 교반기에 난연 조성물과 EPS 비드를 넣고 코팅 시 난연 조성물과 EPS 비드간의 결합을 높이는 접착제로 사용한다.

교반기가 장착된 배합기에 수산화알루미늄 20~38중량%, 팽창흑연 10~40중량%, 산화철(Fe₂O₃) 4~6중량%를 넣도 50~150rpm으로 교반기를 회전시키면서 물 24~40중량%, 물에 용해되는 초산비닐수지 18~40중량%를 추가로 투입하여 상기 교반기를 10분~20분간 회전시켜 내용물을 혼합한다. 상기 금속 수산화물인 수산화알루미늄과 팽창흑연 및 초산비닐수지는 수용성이기 때문에 물에 잘 용해됨으로 배합기의 교반기로 충분히 교반하면 액상상태의 난연제 조성물이 완성된다.

또한 상기 교반시간 내에 난연 보조제로서 수산화칼슘 분말 20~30중량부를 추가로 투입 교반하여 난연 효율을 높일 수 있다. 상기 수산화칼슘은 pH 12.5 정도의 강한염기성을 나타내고 있고 고온에서는 산화칼슘(calcium oxide)과 물(H₂O)로 분해됨으로써 난연 효율을 높일 수 있다. 이때, 상기 수산화알루미늄 분말과 팽창흑연 분말 및 수산화칼슘 분말의 입도는 80~100 메쉬의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

위와 같은 과정에 의해 조성된 난연제 조성물은 난연성이 양호한 수산화알루미늄, 팽창흑연, 산화철 및 수산화칼슘을 이용하고 용제로서 물과 초산비닐수지를 이용함으로써 저발연성의 성질을 가지며, 연소 시에도 유기용제에 의한 유독가스의 분출이 없게 된다.

본 발명에 따른 난연제 조성물은 난연 효과를 높이기 위하여 입도가 80~100 메쉬인 분말형태의 비금속 수산화물을 난연보조제로 사용할 수 있다. 상기 난연보조제는 수산화칼슘(calcium hydroxide)(CaOH₂)이 될 수 있다. 수산화칼슘을 난연보조제로 사용할 경우, 수산화칼슘분말 20~30중량%를 추가로 투입 교반하여 난연 효율을 높일 수 있다.

상기 수산화칼슘은 pH 12.5 정도의 강한염기성을 나타내고 있고 고온에서는 산화칼슘(calcium oxide)과 물(H₂O)로 분해됨으로써 난연 효율을 높일 수 있다.

[EPS 비드의 표면에 난연제 조성물의 코팅]

난연 EPS 비드 제조는 미립형상의 EPS 수지입자를 가압식 배치 발포기로 50~120배로 예비 발포하여 얻은 EPS 비드의 표면에 상기 조정된 난연제 조성물을 코팅하는 것이다. 상기 코팅은 상기 EPS 비드와 앞선 기재에 의해 만들어진 상기 난연제 조성물을 1:1의 중량비로 배합기의 교반기에 투입하고, 상기 난연제 조성물의 총 중량의 4~6중량%의 경화제를 상기 교반기에 투입하여 50~150rpm의 회전속도로 3~10분 교반하여 EPS 비드의 표면에 상기 난연제를 코팅한다.

이때, 교반기의 내부 온도는 초산비닐수지가 접착성을 띠도록 약 40~75도의 온도를 유지하며, 바람직하기론 65~70도로 하는 것이 좋다. 교반기의 온도를 65도 이하로 하는 경우 물에 용해된 초산비닐수지의 접착성이 좋지 못하고, 70도를 넘는 경우 난연제 조성물이 EPS 비드의 표면에 균질하게 코팅되기 전 경화제에 의해 쉽게 경화되어 코팅의 두께가 불균일하게 되는 문제가 발생한다.

이때, 상기 EPS 비드의 표면에 난연제를 균질하게 코팅하기 위하여 배합기의 교반기의 회전속도를 200~300rpm의 속도로 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 교반기의 회전속도가 증가되면 EPS 비드의 표면에 난연제가 보다 균질하게 코팅된다.

팽창흑연, 수산화알루미늄, 수산화칼슘, 초산비닐수지, 산화철 등을 포함하여 조성된 난연제 조성물을 피막 코팅하여 만들어진 EPS 비드를 공지된 EPS 패널 제조법에 의해서 패널 형상의 성형체를 만든다.

위와 같은 과정에 의해 만들어진 EPS 성형체는 EPS 비드의 표층에 균일하고 단단하게 난연제의 피막이 코팅되어 성형된 패널로서, 화재에 의해 연소시 EPS 비드에 피막된 표층으로부터 팽창흑연의 다공성 차(Char : 탄화코어)에 의한 방화층이 형성되어 불연성을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시 예에서 적용된 수산화알루미늄은 200도 이상의 온도에서는 열분해 반응이 일어나 물과 알루미나로 분리됨으로써 연소를 억제하고, 산화철은 우수산 내열성을 가지므로 성형체가 화염에 전면으로 받더라고 다공성 차에 의한 방화층의 형성과 수산화알루미늄의 열분해작용, 산화철의 내열성(열차단)의 작용으로 인하여 즉시 소화되며, 열에 의한 더 이상의 형상 붕괴를 억제한다.

수산화알루미늄, 팽창흑연, 산화철, 초산비닐수지 및 물에 의해 조성된 난연 조성물과 경화제을 혼합하여 피막코팅된 EPS 비드로 건축물의 보온단열재나 건축물의 패널 단열재로 성형한 후 건출물 내부 마감재료의 난연성능기준(건설교통부 고시 제2006-476호, KS F ISO 5660-1)에 따라 난연 테스트를 하였다.

그 결과 화염을 전면으로 받더라도 내장 재료의 피막에 형성되는 다공성 차에 의한 방화층의 형성, 수산화알루미늄의 열 분해반응, 산화철의 우수산 내열성으로 인한 작용으로 적합판정을 받았다. 즉, 총열방출률은 8MJ/㎡이하이고, 방출률이 200Kw/㎡를 초과한 시간(초)은 0초로서 10초 이상의 기준에 적합하였으며, 실재의 전부 용융, 관통하는 균열 및 구멍 등의 변화는 없었다. 가스 유해성시험항목인 평균행동정지시간은 13분 이상으로 9분 이상의 규정에 적합하였다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 난연제 조성물은 난연성이 우수한 수산화알루미늄과 팽창 시 다공성의 방화층을 형성하는 팽창흑연, 가열 시 물과 알루미나로 분리되어 열을 흡열하여 발연을 억제하는 수산화알루미늄, 우수한 내열성을 갖는 산화철, EPS 비드간의 결합 및 혼합조성물의 피믹형성을 도모하는 초산비닐수지 및 물에 의해 조성함으로써 화재시 발연을 억제하고, 발연 시 연소가스의 발생을 억제함으로써 유해가스의 생성을 억제한다.

Claims (6)

1. 난연제 조성물에 있어서, 수산화알루미늄 20~38중량%, 팽창흑연 10~40중량%, 초산비닐수지 18~40중량%, 산화철(Fe₂O₃) 4~6중량%, 물 24~40중량%의 범위로 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 난연제 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 난연제 조성물은 50~150rpm로 회전되는 교반기의 내부에 투입되어 3~10분간 교반되어 혼합된 액상으로 만들어진 것임을 특징으로 하는 난연제 조성물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 팽창흑연은 밀도가 1~2.5g/㎤이며, 입도는 80~100 메쉬이며 팽창율은 200~300배이며, 열에 노출될 경우 발포에 의해 탄화층 형성하여 화염을 차단하는 다공형 흑연인 것을 특징으로 하는 난연제 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 난연제 조성물은 수산화칼슘 20~30중량%가 더 추가됨을 특징으로 하는 난연제 조성물.
5. 난연 발포성 폴리스티렌 비드 제조 방법에 있어서, 수산화알루미늄 20~38중량%, 팽창흑연 10~40중량%, 초산비닐수지 18~40중량%, 산화철(Fe₂O₃) 4~6중량%, 물 24~40중량%를 배합기에 넣어 교반하여 난연제 조성물을 제조하는 단계와 ; EPS 수지입자를 가압식 배치 발포기에 넣어 50~120배로 예비 발포하여 얻은 EPS 비드와 상기 난연제 조성물을 1:1의 중량비로 교반기에 투입하고, 상기 난연제 조성물의 총 중량의 4~6중량%의 경화제를 상기 교반기에 투입하여 50~150rpm의 회전속도로 3~10분 교반하여 상기 EPS 비드의 표면에 상기 난연제를 코팅하는 코팅단계로 이루어짐을 특징으로 하는 난연 발포성 폴리스티렌 비드 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 교반기의 내부 온도는 65~70도 조절되는 것임을 특징으로 하는 난연 발포성 폴리스티렌 비드 제조 방법.