KR20170078364A - 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재에 관한 것으로, 현무암섬유 직포를 적용하여 기존 건축용 막재 대비 난연성을 획기적으로 개선함으로써 지금까지 우수한 난연성을 갖는 것으로 알려진 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재를 대체할 수 있도록 한 현무암섬유 기반의 건축용 막재에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 위사와 경사 중 적어도 하나는 현무암 섬유사로 이루어진 현무암섬유 직포와; 현무암섬유 직포를 중심으로 그 양면에 형성된 PTFE 코팅층으로 이루어진다.

Description

현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재{ARCHITECTURAL MEMBRANE BASED ON WOVEN FABRICS OF BASALT FIBER}
본 발명은 건축용 막재에 관한 것으로, 특히 현무암섬유 직포를 적용하여 기존 건축용 막재 대비 난연성을 획기적으로 개선함으로써 지금까지 우수한 난연성을 갖는 것으로 알려진 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재를 대체할 수 있도록 한 현무암섬유 기반의 건축용 막재에 관한 것이다.
일반적으로, 막구조물이란 경량의 막재를 구조재로 하여 투과빛을 통한 반 옥외적인 내부공간구성과 자유로운 조형이 가능한 건축구조물로서, 전천후형 스포츠시설, 문화시설등 폭 넓은 용도로 많은 시설물에 사용되고 있다.
막구조는 일반적으로 박람회 파빌리온 등의 가설건축물에 사용되어져 왔는데 막재의 현저한 발전과 컴퓨터를 이용한 설계, 시공기술이 향상됨에 따라 영구건축물로서의 기능이 충족되었고, 스포츠시설이나 문화시설, 쇼핑센타등 다양한 시설물에 그 이용이 늘어나고 있으며, 막구조에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.
이러한 막구조는 재료의 경량성, 고강도성을 살린 우수한 경제성, 시공성으로 대규모의 공간을 실현할 수 있고, 밝고 온화한 분위기위 내부공간을 연출할 수 있으며, 곡면을 살린 독특한 외관을 형성할 수 있어 디자인성이 풍부하다는 장점이 있다.
막구조물의 종류로는 골조막구조, 현수막구조, 공기막구조가 있다.
골조막구조는 골조(철골, Space Frame)위에 막을 형성하는 구조방식으로 막면(膜面)의 안정과 외력에 저항하기 위해 골조와 막의 연결부분에 초기장력을 주어 형성한다.
현수막구조는 막면에 직접 초기장력을 주는 구조방식으로 구조의 안정성은 초기장력에 의하여 주어지며 장력비에 의해 곡면이 결정되어 지는 것으로 이 구조에 의하여 만들어지는 곡면은 일반적으로 안장형 곡면이다.
공기막구조는 내부와 외부의 기압 차에 의해 막면의 장력을 주는 구조방식으로 휨과 압축에 대한 강성이 없는 유연한 재료를 이용하여 내부와 외부로 공간을 분할한다. 내부공간에 공기를 불어넣게 되면 내부기압은 상승하게 되는데 내부의 공기는 막을 들어올려 팽창시킴으로써 막면에 인장력을 주어 공간을 형성하게 된다.
일반적으로 이와 같은 막구조를 형성하기 위해서 사용되는 막재에는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 막재, Silicone-coated fiberglass 막재, Vinyl-coated polyesters 막재, PVF(Polyvinyl fluoride) 막재, PVDF(Polyvinylidene fluoride) 막재 등이 있다.
PTFE 막재는 유리섬유 양면에 에틸렌수지를 도포하고 불소수지를 코팅한 막재로서 방화성및 내구성이 우수하여 기후의 영향을 거의 받지 않으며 불연성이 우수하고, Silicone-coated fiberglass 막재는 유리섬유에 염화비닐을 코팅한 재질로 방화성이 좋은 것이 특징이다. 또한, Vinyl-coated polyesters 막재는 합성섬유에 염화비닐을 코팅한 재질로 방염 2품이며 내굴곡성이 우수하며, PVF 막재는 기초포의 양면에 PVC, PVA 및 RUBBER 등의 수지를 일정량 도포한 후 불소필름을 접착시킨 막재로서 오염도가 적고 필름을 접착시키므로서 표면이 균일하다. PVDF 막재는 기초포의 양면에 PVC, PVA 및 RUBBER 등의 수지를 도포한 후 불소수지를 코팅한 막재로 인장력 및 파열강도가 높다는 장점이 있다.
그러나 상기 막재들의 경우 화재에 취약한 구조인 관계로 난연성이 높은 막재의 개발이 요구되고 있다. 특히 유리섬유 양면에 에틸렌수지를 도포하고 불소수지를 코팅한 막재인 PTFE 막재의 경우 방화성 및 내구성이 가장 우수한 것으로 알려져 있지만 600℃ 이상의 고온에서는 PTFE가 모두 소실되면서 유리섬유에 상변화가 발생하고 1000℃가 넘어가면 유리섬유가 녹아 소실되는 문제점이 있었다.
따라서 난연성을 높이기 위하여 기존에 널리 사용되고 있는 유리섬유를 대체하는 새로운 소재의 도입이 절실하였다.
한국공개특허 제2010-0128785호(2010.12.08.)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 현무암섬유 직포를 적용하여 기존 건축용 막재 대비 난연성을 획기적으로 개선함으로써 지금까지 우수한 난연성을 갖는 것으로 알려진 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재를 대체할 수 있도록 한 현무암섬유 기반의 건축용 막재를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 건축용 막재는 위사와 경사 중 적어도 하나는 현무암 섬유사로 이루어진 현무암섬유 직포와; 상기 현무암섬유 직포의 양면에 형성된 코팅층을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 코팅층은 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 소재로 이루어진 PTFE 코팅층인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 PTFE 코팅을 위해 상기 현무암섬유 직포를 PTFE 분산액에 함침시키 전에, 표면 결합력 향상을 위하여 상기 현무암섬유 직포 표면에 플라즈마 처리를 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 현무암섬유 직포를 PTFE 분산액에 함침시킨 후에는 소결로에서 90~100℃의 온도로 수분을 제거하는 건조단계와; 280~300℃의 온도로 PTFE 입자들을 도막화하는 도막화단계와; 380~400℃에서 PTFE 입자들을 소결하는 소결단계을 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 현무암섬유 직포 표면에 플라즈마 처리가 완료되면, PTFE 분산액의 함침으로 시작하여 상기 건조단계, 상기 도막화단계, 상기 소결단계로 끝나는 과정을 반복적으로 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 현무암섬유 직포는 위사와 경사 모두 현무암 섬유사인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 현무암섬유 직포는 위사와 경사 중 어느 하나는 현무암 섬유사이고 다른 하나는 유리 섬유사로 이루어진 하이브리드 타입인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 PTFE 코팅층에는 알루미늄 수화물계 분말이 균일하게 분산된 형태로 첨가된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 수화물계 분말은 평균입경 1㎛ 이하의 것을 사용하며, 상기 PTFE 대비하여 상기 알루미늄 수화물계 분말은 5 중량% 내지 30 중량%의 혼합비로 혼합된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 코팅층은 PVC(Polyvinyl chloride) 또는 Silicone을 소재로 이루어지며, 상기 코팅층의 표면에는 PVDF(Polyvinylidene fluoride), TiO2 및 PVF(Polyvinyl fluoride) 중 어느 한 소재가 토핑되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 코팅층은 PVC(Polyvinyl chloride) 소재로 이루어진 PVC 코팅층이며, 상기 PVC 코팅층의 외표면에는 PVF(Polyvinyl fluoride)를 필름의 형태로 접합(laminate)하여 토핑층을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 건축용 막재는 현무암섬유 직포를 적용하여 기존 건축용 막재 대비 난연성을 획기적으로 개선하여 준불연재 이상의 성능을 가지므로 지금까지 우수한 난연성을 갖는 것으로 알려진 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재를 대체할 수 있다.
또한, 본 발명은 중간에 플라즈마 처리를 통해 바인더를 거의 사용하지 않고서도 현무암섬유 직포와 PTFE 간 결합이 원활하게 이루어지도록 함으로써 바인더 사용에 따른 제품 품질 저하의 문제를 해소할 수 있다.
또한, 본 발명은 PTFE 코팅층에 최적화된 평균입경을 갖는 알루미늄 수화물계 분말을 첨가하는 구성에 의해 난연성을 더욱 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 시편 사진
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 제조시스템
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재에서 현무암섬유 직포의 열안정성을 평가한 비교사진
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 방염성을 평가한 비교사진
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 난연성 비교 평가를 위한 THR 그래프
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 난연성 비교 평가를 위한 HRR 그래프
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 난연성 비교 평가를 위한 질량감소율 그래프
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 단면도
도 10은 본 발명의 변형실시예에 의한 건축용 막재의 단면도
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 시편 사진이다.
첨부된 사진과 같이 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재는 기존 건축용 막재에 적용되지 않았던 새로운 소재인 현무암섬유 직포를 적용하여 기존 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재를 완전한 대체할 수 있도록 한 것이다.
이처럼 현무암섬유 직포를 기반으로 하는 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 경우 난연성과 관련된 다양한 수치들에서 획기적인 수준으로 개선된 것으로 확인되었다. 이에 대해서는 차후에 상세히 설명하기로 하고 우선은 현무암 섬유 직포를 기반으로 하는 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 제조시스템이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도시된 것처럼 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 제조는, 현무암섬유 직포 마련단계(S110), 세정단계(S120), 플라즈마 처리단계(S130), 함침단계(S140), 건조단계(S150), 도막화단계(S160), 소결단계(S170)의 순으로 이루어진다.
상기 현무암섬유 직포 마련단계(S110)에서는, 현무암 원광을 약 1500℃ 부근의 온도에서 용융시켜 약 102.8 내지 103 poise의 점도를 갖는 용융액에서 노즐을 통해 9 내지 24μm의 초미세극사로 인발하여 현무암 섬유사를 준비한다. 이후 상기 현무암 섬유사를 위사(weft)와 경사(warp)로 하여 직조함으로써 현무암섬유 직포를 얻는다. 이같은 현무암섬유 직포는 위사와 경사를 한 올씩 번갈아 교차시킨 구조를 갖는 평직(plain weave)의 형태를 주로 염두에 두고 있으나 능직, 수자직 등의 형태로도 마련될 수도 있다. 여기서 현무암섬유 직포의 경우 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 필요에 따라 자체적으로 제조하는 방식으로 마련할 수 있지만 시중에서 유통되고 있는 것을 구입할 수도 있다. 다만, 본 실시예에서 현무암섬유 직포는 위사와 경사 모두 현무암 섬유사로 이루어진 것을 주로 염두에 두고 있으나 위사와 경사 중 어느 하나는 현무암 섬유사로 다른 하나는 유리 섬유사로 이루어진 하이브리트 타입의 현무암섬유 직포의 경우도 상기 현무암섬유 직포의 개념에 함께 포함됨을 명시하는 바이다.
상기 플라즈마 처리단계(S130)에서는 상기 현무암섬유 직포를 PTFE 분산액에 함침시키 전에, 표면 결합력 향상을 위하여 상기 현무암섬유 직포 표면에 플라즈마 처리를 한다. 이같이 현무암섬유 직포에 대한 플라즈마 처리는 진공장치나 크기가 큰 초대형의 기계장치에서 실시할 필요 없이 간단히 대기압 플라즈마 처리장치에서 실시할 수 있다. 이때 상온에서 방전출역은 3kW, 플라즈마 생성을 위해 질소와 산소가스의 유입량을 60:1 정도로 조절하며, 현무암 섬유 직포의 이송속도는 분당 1 내지 2m 정도로 하면서 플라즈마 처리시간은 1 내지 5분으로 한다.
이같은 플라즈마 처리에 의해서 처음에는 매끄러웠던 현무암섬유 직포 표면(엄밀하게는 현무암 섬유사 표면)에 에칭현상이 나타나고 거친 형태의 미세요철들(micro-crater)이 형성되어 표면조도(root mean square(RMS) roughness) 값은 증가한다. 이로써 바인더 없이도 현무암섬유 직포 표면에 PTFE 분산액이 박리되지 않고 쉽게 결합될 수 있는 조건이 갖추어진다는 점에 주목할 수 있다. 만일 위 설명된 플라즈마 처리단계(S130) 없이 현무암섬유 직포를 PTFE 분산액에 바로 함침시키게 되면 현무암섬유 직포에 대한 PTFE 분산액의 결합이 거의 이루어지지 않는 난관에 직면하게 된다. 이 때문에 중간에 많은 양의 바인더를 첨가하거나 함침공정의 횟수를 수배 이상 증가시키는 추가공정이 불가피해진다. 그러나 PTFE의 결합력을 증가시키기 위해 많은 양의 바인더를 첨가하는 경우 차후에 일정 온도 이상의 열을 가하여 첨가된 바인더를 제거해주어야 하는데 이 과정에서 현무암섬유 직포를 보호하면서 표면 오염을 방지하는 기능들을 수행하는 PTFE 코팅층이 손상되면서 전체 품질이 저하되는 등의 문제가 되풀이될 수 밖에 없다.
한편, 상기 플라즈마 처리단계(S130)를 진행하기 전에 현무암섬유 직포의 오염 정도에 따라 오염물질을 제거하는 세정작업을 진행해야 할 필요가 있을 수도 있다. 이같은 세정단계(S120)에서는 세정제를 사용하는 것이 효과적이며 냉세수 및 열세수를 선택적으로 활용할 수 있다.
상기 함침단계(S140)에서는, PTFE 입자가 분산(dispersion)되어 있는 PTFE 분산액에 현무암섬유 직포를 함침시킨다. 상기 PTFE 분산액은 매우 낮은 점도를 갖고 있으나 앞 단계에서 현무암섬유 직포가 플라즈마 처리된 상태이기 때문에 상기 PTFE 분산액이 현무암섬유 직포 표면에 결합된 상태가 되는데 큰 어려움은 없다. 이같은 함침단계(S140)는 이후 이어지는 건조단계(S150), 도막화단계(S160), 소결단계(S170)와 함께 수회 반복된다.
상기 건조단계(S150), 도막화단계(S160), 소결단계(S170)의 경우 소결로(sintering furnace)에서 단계적으로 이루어진다. 먼저 상기 건조단계(S150)에서는 상기 현무암섬유 직포를 PTFE 분산액에 함침시킨 직후에 소결로에서 90~100℃의 온도로 가열하여 수분을 제거한다.
이후 상기 도막화단계(S160)에서는 상기 소결로에서 280~300℃의 온도로 가열한다. 그러면 PTFE 입자들이 현무암섬유 직포의 표면에서 PTFE 도막을 이루게 된다.
이후 상기 소결단계(S170)에서는 상기 소결로에서 380~400℃의 온도로 가열한다. 그러면 PTFE 도막이 더욱 밀착되어 단단해진다.
이후, 함침단계(S140)로부터 소결단계(S170)로 이루어지는 과정을 수회 반복한다. 그러면 현무암섬유 직포 표면에 충분한 두께의 PTFE 코팅층이 형성된 건축용 막재를 얻게 된다.
이같이 제조된 건축용 막재는 위사와 경사 모두 현무암 섬유사로 이루어진 현무암섬유 직포에 PTFE가 코팅되어 이루어진 것으로 종래기술에 의한 유리섬유 기반의 건축용 막재와 비교하면 난연성이 획기적으로 개선되었다. 이에 대해서는 아래에서 설명하기로 한다.
<현무암섬유 직포의 열안정성 평가>
현무암섬유 직포를 적용한 건축용 막재의 난연성을 평가하기에 앞서, 현무암섬유 직포와, 경사가 현무암 섬유사이고 위사가 유리 섬유사인 혼합 직포를 500℃, 1000℃ 까지 5℃/min의 승온 속도로 가열한 후 1시간 동안 각 온도에 방치한 결과를 살펴보았다. 그 결과 도 4와 같이 위사와 경사 모두가 현무암 섬유사로 이루어진 현무암 섬유 직포는 1000℃에서 변색만 일어났을 뿐 그 형태를 그대로 유지하고 있는 반면, 위사가 유리 섬유사로 이루어진 유리섬유 직포의 경우 1000℃에서 유리 섬유사가 녹아 소실되었다. 이같은 실험을 통해 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 모재가 되는 현무암섬유 직포의 높은 열안정성을 확인할 수 있다.
<건축용 막재의 방염성 평가>
KS F 2819 건축용 얇은 재료의 방염성 시험방법에 의거하여 45ㅀ 연소성 시험기를 사용한 방염성 평가를 실시하였다. 이때 각각의 경우의 시편 크기는 가로 300㎜, 세로 200㎜로 하였고, 버너의 불꽃길이는 65mm로 하여 1분간 가열을 하였다. 탄화길이는 시편 가열면의 탄화부분에 대하여 지지틀 길이 방향의 최대 길이를 측정하였으며 프라니메타를 사용하여 탄화면적을 측정하였다. 그 결과는 도 5와 아래 표 1에 정리하여 나타내었다.
도 5에서 (a), (b), (c)는 기존에 사용되고 있는 건축용 막재들로서 (a)는 유리섬유 직포에 PTFE를 코팅한 건축용 막재이고, (b)는 폴리에스테르섬유 직포에 PVDF를 코팅한 건축용 막재이며, (c)는 폴리에스테르섬유 직포에 PVF를 코팅한 건축용 막재이다. 이들 모두 탄화면적이 500㎟를 넘는 것을 알 수 있다. 그러나 현무암섬유 직포에 PTFE를 코팅한 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재인 (d)는 탄화면적이 약 188㎟으로 다른 막재들에 비해 방염성이 매우 우수하다는 점을 알 수 있다.
　Coating type Carbonization length (㎜) Carbonization area (㎟) Ignition time
(s)		 Remaining flame (s)
PTFE Coated Glass Fabric 30 594 DNI DNI
PVDF Coated Polyester Fabric 237 35541 406 1
PVF Coated Polyester Fabric 80 3476 7 1
PTFE Coated Basalt Fabric 20 188.13 Do not ignite Do not ignite
<건축용 막재의 난연성 평가>
본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 난연성 평가는 콘칼로리미터를 사용하였으며 법적 기준에 의거하여 실시하였다. 콘칼로리미터의 배출 송풍기의 배출량은 0.024ㅁ0.002 ㎥/s로 하고, 콘히터는 50 ㎾/㎡의 복사강도로 10분 동안 복사열을 가하였으며 총방출열량, 열방출율, 질량감소율 결과를 확인하였다. 표 2에 기재된 것처럼 현무암섬유 직포를 적용한 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 경우 실제 화재발생시 화원에 의한 착화가 더디며 화재의 진행속도 또한 빠르지 않아 기존에 사용되고 있는 막재와 비교하여 난연성이 획기적으로 개선되었고 화재 안전성이 훨씬 뛰어난 것으로 밝혀졌다.
PTFE Coated Glass Fabric PVDF Coated Polyester Fabric PVF Coated Polyester Fabric PTFE Coated Basalt Fabric
HRR
(㎾/㎡)

 PHRR 11.07 114.732 135.194 7.319
Time (s) 149 132 95 136
AHRR 3.7 36.665 38.194 1.4
THR (MJ/㎡) 2.2 23.9 23.0 0.8
Mass loss rate (g/s) 0.011 0.018 0.020 0.005
Ignition time (s) 45 176 206 31
- 총방출열량(Total Heat Release, THR)
총방출열량은 각 실험에서 시편의 연소로 인해 방출된 열량의 총량을 의미하는 것으로서, 시편 표면적당 시간에 대한 함수로 표현되는 열방출율을 시간으로 적분하여 구하였다. 표 2에서 확인할 수 있는 것처럼 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재의 THR 값은 0.8MJ/㎡로 기존에 사용되던 3종의 건축용 막재 보다 현저히 낮았다. 기존에 사용되던 건축용 막재 중 난연성이 뛰어난 것으로 알려진 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재의 경우 THR 값이 2.2MJ/㎡이다. 그러므로 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재의 경우 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재에 비해 THR이 거의 3분의 1 수준에 지나지 않는다는 점에 주목할 수 있다. 이를 도 6에 도시된 THR 그래프에서 확인할 수 있는데 유리섬유 직포를 기반으로 하는 건축용 막재의 경우 폴리에스테르섬유 직포를 기반으로 하는 건축용 막재에 비해 THR 값이 현저히 작았으나 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재는 유리섬유 직포를 기반으로 하는 건축용 막재에 비해 시간대별로 더욱 작은 THR 값을 나타낸 것을 확인할 수 있다.
- 열방출율(Heat Release Rate, HRR)
열방출율은 시편의 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기이다. 이같은 열방출율은 화재의 크기를 나타내는 중요한 변수이므로 발생열량의 크기에 따라 막재의 화재 위험성을 평가할 수 있다. 시편이 착화되면 재료의 연소성 정도에 따라 열을 방출하는데 이때 최대열방출율(PHRR)은 화재의 초기성장속도 및 크기에 대한 정보를 제공하는 중요한 변수이다.
위 표 2에서 확인할 수 있는 것처럼 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재의 PHRR(최대열방출율)과 AHHR(평균열방출율) 값은 각각 7.319, 1.4이며 이는 기존에 사용되던 3종의 건축용 막재 보다 현저히 낮은 수준이다. 기존에 사용되던 건축용 막재 중 난연성이 뛰어난 것으로 알려진 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재의 경우 폴리에스테르섬유 직포 기반의 건축용 막재에 비하면 PHRR, AHHR 값이 각각 매우 낮은 수준인 11.07, 3.7이지만 이는 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재에 비하면 높은 값이다. 이와 관련하여 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재가 다른 건축용 막재들에 비해 얼마나 낮은 수치의 HRR을 갖는지를 명확히 보여준다.
이처럼 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재의 경우 HRR(열방출율) 수치를 통해서도 다른 건축용 막재에 비해 난연성이 확연히 높은 것을 확인할 수 있다.
- 질량감소율
유효연소열을 알고 있는 단일물질의 경우 유효연소열에 측정된 질량 감소율을 곱함으로써 연소시 발생하는 열방출율을 측정할 수 있다. 따라서 질량감소율 또한 화재의 확산속도 및 크기를 예측할 수 있는 요소이다. 위 표 2에서 확인할 수 있는 것처럼 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재의 질량감소율 값은 0.005이며 이는 기존에 사용되던 3종의 건축용 막재 보다 상당히 낮은 수준이다. 기존에 사용되던 건축용 막재 중 난연성이 뛰어난 것으로 알려진 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재의 경우 질량감소율은 20.011로 폴리에스테르섬유 직포 기반의 건축용 막재에 비하여 낮은 수준이지만 이는 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재에 비하면 2배 이상 높은 수치dp 지나지 않는다. 이와 관련하여 도 8을 통해 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재가 다른 건축용 막재들에 비해 얼마나 낮은 수치의 질량감소율을 갖는지 한눈에 비교할 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재의 경우 질량감소율 수치를 통해서도 다른 건축용 막재에 비해 난연성이 확연히 높 은 것을 확인할 수 있다.
위 평가결과들을 종합해보면 본 발명의 실시예에 의한 현무암섬유 직포 기반의 건축용 막재의 경우 총방출열량, 최대열방출율, 평균열방출율, 질량감소율 등 난연성을 평가하는 다양한 지표들에서 기존의 건축용 막재들에 비해 훨씬 우수한 값을 나타냈다. 특히 기존의 건축용 막재들 중 난연성이 가장 뛰어난 편인 것으로 알려졌던 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재와 비교하여도 비약적인 성능의 개선이 이루어진 것으로 나타남에 따라 향후 유리섬유 직포 기반의 건축용 막재를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
지금까지의 실시예에서는 도 9에 도시된 것처럼 현무암섬유 직포를 기반으로 하여 그 양면에 PTFE 코팅층이 형성되어 이루어진 건축용 막재를 중심으로 하여 설명하였다. 이처럼 현무암섬유 직포에 PTFE를 코팅한 건축용 막재의 경우 PTFE 코팅층을 보호하기 위해 그 외표면에 추가적인 실링(Surface sealing) 혹은 토핑(Topping) 처리를 할 필요가 거의 없으므로 단순한 구성이 가능하다.
<알루미늄 수화물계 분말 첨가 후 난연성 평가>
본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재에서 PTFE 코팅층에 알루미늄 수화물계인 수산화알루미늄(AL(OH)3) 분말, 수화 알루미늄(Al2O3.H2O) 분말을 첨가하는 경우 난연성에 미치는 영향을 평가하였다.
비교대상의 시료들의 제원은 아래 표 3과 같으며 시료명 AL1, AL2, AL3가 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재에 해당하는 것으로 알루미늄 수화물계인 수산화알루미늄(AL(OH)3) 분말, 수화 알루미늄(Al2O3.H2O) 분말이 현무암섬유 직포 70중량%, X 수지 20 중량%(부득이하게 공개하지는 않으나 현재 실험실에서 난연성 평가를 진행중인 상용화된 수지임)와 함께 10중량%으로 첨가된 경우이다.
이같은 시료명 AL1, AL2, AL3에 비해, 시료명 A는 무기분말을 첨가하지 않고 현무암 섬유 직포와 X 수지만을 조합한 것이고, 시료명 B는 알루미늄 수화물계 분말을 대신하여 Mg(OH)2 분말을 동일 성분으로 조합한 것이다.
No. 시료 이름 현무암섬유 직포(%) X 수지(%) 무기분말(%) 무기분말 종류 및
평균입경 크기
1 A 70 30 0
2 B 70 20 10 Mg(OH)2 분말
(1㎛)
3 AL1 70 20 10 AL(OH)3 분말
(1㎛)
4 AL2 70 20 10 Al2O3.H2O 분말
(60nm)
5 AL3 70 20 10 Al2O3.H2O 분말
(20nm)
본 실험평가에서는 난연성의 비교를 위해 난연성 평가의 주요 지표인 LOI(Limited Oxygen Index)를 측정하였으며 Fire Testing Technology 사의 장비를 사용하였다. LOI(Limited Oxygen Index)는 가연물을 수직으로 설치한 상태에서 가장 윗부분에 착화하였을 때 연소를 계속 유지시킬 수 있는 산소의 최저체적농도로 가연물의 난연성을 측정하는 방식에 따른 것이며, 시료가 발화하여 3분 동안 꺼지지 않고 발화하는데 필요한 산소-질소 혼합공기 중 필요한 산소 부피(연소에 필요한 공기 중 최저 산소농도)를 의미한다.
본 실험평가를 통해 나타난 결과는 아래 표 4에 정리한 바와 같다.
No. 시료 이름 LOI(%)
1 A 29
2 B 38
3 AL1 48.5
4 AL2 36.4
5 AL3 59.9
위 결과에서 코팅층에 무기분말을 첨가하지 않고 수지만으로 구성한 경우(시료명 A)의 LOI가 29%인 것에 비해 난연성 무기분말을 첨가한 경우 LOI는 유의미한 증가를 나타냈으며 더욱이 알루미늄 수화물계 분말을 첨가하였을 때(시료명 AL1, AL2, AL3) LOIl가 대폭 개선된 것에 주목할 수 있다.
본 실험평가 결과를 통해 알루미늄 수화물계 분말의 함량이 전체 대비 10 중량% 정도면 제품 생산성은 저하되지 않는 수준임에도 난연성은 대폭 개선될 수 있다는 점을 확인할 수 있었다. 특히 시료명 AL2와 AL3를 비교하였을 때 알 수 있는 것처럼 분말의 평균입경이 30nm 이하 수준이 되었을 때 난연성을 더욱 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
이로써 본 발명의 실시예에 의한 건축용 막재에서 PTFE 코팅층에 적정량의 알루미늄 수화물계 분말을 첨가하는 경우 현무암섬유 직포에 비해 난연성이 떨어지는 PTFE 코팅층의 난연성을 보완하여 양자 간에 균형을 맞춘다는 점에서 전체적으로 난연성 향상을 기대할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 건축용 막재는 현무암섬유 직포를 기반으로 하면서 다양하게 변형된 형태로 실시가 가능하다. 예컨대, 현무암섬유 직포를 기반으로 하되 그 양면의 코팅층은 PVC(Polyvinyl chloride) 또는 Silicone을 소재로 이루어질 수 있다.
다만, 상기 코팅층이 PVC 계열로 이루어지는 경우에는 화학적 결합력이 약해 자외선에 의해 화학결합이 쉽게 깨지는 경향이 있으므로 자외선이 강하고 기온이 높아질 때 PVC에 내포되어 있는 가소제(plasticizer)가 노출되어 코팅층 표면이 끈적끈적한 상태가 되고 이로 인해 표면이 오염되고 수명이 짧아지는 문제점이 발생할 가능성이 높다. 따라서 이처럼 코팅층이 PVC 계열의 소재로 이루어지는 경우에는 상기 코팅층 외표면에 실링(Surface sealing) 혹은 토핑(Topping) 처리를 통해 자외선으로부터 보호하고 셀프크리닝 성향을 부여함으로써 막재의 수명을 연장시키는 것이 바람직하다. 이때 사용되는 소재는 PVDF(Polyvinylidene fluoride), TiO2, PVF(Polyvinyl fluoride) 등이 가능하며, PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 액상의 수지형태로 도포하여 처리하고 PVF(Polyvinyl fluoride)는 필름의 형태로 접합(laminate)하여 처리한다. 자정 능력 및 막재의 수명을 고려한다면 도 10과 같이 PVF(Polyvinyl fluoride)로 토핑하는 것이 PVDF(Polyvinylidene fluoride)로 토핑하는 것보다 바람직하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (11)

  1. 위사와 경사 중 적어도 하나는 현무암 섬유사로 이루어진 현무암섬유 직포와;
    상기 현무암섬유 직포를 중심으로 그 양면에 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 소재로 이루어진 PTFE 코팅층인 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PTFE 코팅을 위해 상기 현무암섬유 직포를 PTFE 분산액에 함침시키 전에, 표면 결합력 향상을 위하여 상기 현무암섬유 직포 표면에 플라즈마 처리를 하는 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 현무암섬유 직포를 PTFE 분산액에 함침시킨 후에는, 소결로에서 90~100℃의 온도로 수분을 제거하는 건조단계와; 280~300℃의 온도로 PTFE 입자들을 도막화하는 도막화단계와; 380~400℃에서 PTFE 입자들을 소결하는 소결단계을 진행하는 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  5. 제4항에 있어서,
    현무암섬유 직포 표면에 플라즈마 처리가 완료되면, PTFE 분산액의 함침으로 시작하여 상기 건조단계, 상기 도막화단계, 상기 소결단계로 끝나는 과정을 반복적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 현무암섬유 직포는 위사와 경사 모두 현무암 섬유사인 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 현무암섬유 직포는 위사와 경사 중 어느 하나는 현무암 섬유사이고 다른 하나는 유리 섬유사로 이루어진 하이브리드 타입인 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 PTFE 코팅층에는 알루미늄 수화물계 분말이 균일하게 분산된 형태로 첨가된 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 알루미늄 수화물계 분말은 평균입경 1㎛ 이하의 것을 사용하며, 상기 PTFE 대비하여 상기 알루미늄 수화물계 분말은 5 중량% 내지 30 중량%의 혼합비로 혼합된 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층은 PVC(Polyvinyl chloride) 또는 Silicone을 소재로 이루어지며, 상기 코팅층의 표면에는 PVDF(Polyvinylidene fluoride), TiO2 및 PVF(Polyvinyl fluoride) 중 어느 한 소재가 토핑되는 것을 특징으로 하는 건축용 막재.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층은 PVC(Polyvinyl chloride) 소재로 이루어진 PVC 코팅층이며, 상기 PVC 코팅층의 외표면에는 PVF(Polyvinyl fluoride)를 필름의 형태로 접합(laminate)하여 토핑층을 형성하는 것을 특징으로 하는 건축용 막재.


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