KR20180073038A - 팽창흑연을 이용한 내화충전재 - Google Patents

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KR20180073038A
KR20180073038A KR1020160176448A KR20160176448A KR20180073038A KR 20180073038 A KR20180073038 A KR 20180073038A KR 1020160176448 A KR1020160176448 A KR 1020160176448A KR 20160176448 A KR20160176448 A KR 20160176448A KR 20180073038 A KR20180073038 A KR 20180073038A
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박용만
박병창
이건영
염성호
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Abstract

본 발명은 팽창흑연을 이용한 내화충전재에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 팽창흑연을 이용한 내화충전재는 외부로부터 인가되는 열에 의해 팽창하도록 흑연층 사이에 화합물이 삽입된 팽창흑연;과, 상기 팽창흑연이 분산 혼합되는 폴리우레탄을 포함하고, 상기 팽창흑연의 팽창시 비산을 방지하는 고분자매트릭스; 및 상기 폴리우레탄의 난연성을 향상시키도록 상기 고분자매트릭스에 혼합되는 APA(Aluminum hypophosphite)과 황산칼슘 및 유리섬유 중 적어도 어느 하나가 포함된 난연 첨가제;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

팽창흑연을 이용한 내화충전재 {FIREPROOF FILLING ELEMENT USING EXPANDED GRAPHITE}
본 발명은 팽창흑연을 이용한 내화충전재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건물의 관통부에 설치되어 화재 발생시 팽창함으로써 관통부를 통해 화염이나 연기가 확산되는 것을 방지할 수 있는 팽창흑연을 이용한 내화충전재에 관한 것이다.
건축 관련 법규(예, 법 제40조, 건축법 시행령 제2조, 국토해양부 고시 (제2008-154호 내화구조의 인정 및 관리기준 등)에는 건축물의 용도에 따라서 일정한내화구조의 성능기준을 명시하여 건축물의 벽면, 바닥면 등에 대해서는 일정시간이상 화염(1,049℃ 이상)에 견딜 수 있는 구조를 요구하고 있다.
실제 건축물에 화재 발생시 연기 및 화염이 인접실로 급속히 퍼지는 것을 방지하여 피해를 국지화 내지는 최소화하기 위한 조치로 건축공사에서 관통부의 밀폐는 중요하다. 이에 관통부를 해당 내화구조의 성능에 맞게 밀폐시켜 주는 공사를 하는데, 이를 내화충전공사라고 한다.
내화충전공사는 건물의 바닥이나 벽체 등과 같은 방화 구획체를 관통하는 배관은 방화 구획체에 형성된 관통부에 배관을 삽입한 후, 배관과 관통부 사이의 공간을 내화 충전구조체로 메워서 시공함으로써 화재시 화염이나 유해가스가 관통부나 배관을 통해 이동하는 것을 차단한다.
종래의 내화 충전구조체는 금속 재질의 충전케이스 내에 그라스울, 또는 내화몰탈, 실리콘, 우레탄 등의 단열재를 충전한 구조로 이루어진다.
그러나 종래의 내화 충전구조체는 단열재가 화재시의 고온, 고열로 인하여 연소하거나 소손되어 배관과 관통공 사이에 화염과 유해가스가 통과할 수 있는 공간이 발생하게 되고, 이로 인해 법에서 요구하는 내화성을 만족시킬 수 없는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 것으로 공개특허 10-2015-0119660 '건축물 관통부의 내화 충전재'에는 팽창흑연을 이용해 화재의 확산을 방지하는 기술이 개시되어 있다.
이러한 선행기술 1에서 사용되는 팽창흑연은 소위 발현온도(onset temperature) 이상의 온도에서 20 ~ 350의 팽창계수로써 강하게 그 체적이 증가하게 된다. 이러한 현상은 흑연의 층구조 내에 삽입된 화합물이 상기 온도까지 빠르게 가열됨으로써 기체형태의 물질을 형성하면서 분해되고, 그로 인해 흑연입자는 층평면에 대해 수직방향으로 확장되거나 팽창됨으로써 야기된다.
이러한 팽창거동은, 예컨대 건축물의 벽과 천정을 통과하는 케이블 및 파이프의 관통부에 방화 실링을 부여하기 위해 사용된다. 화재시 발현온도에 도달한 후에 관통부를 밀봉하는 팽창흑연의 팽창이 이루어지며, 이로써 상기 관통부를 통해 가이드되는 케이블 및/또는 플라스틱관이 연소된 후에도 상기 관통부를 통한 화재의 확산이 억제되거나 지연된다.
하지만, 이러한 종래의 내화충전재는 고무찰흙 또는 반죽과 같은 페이스트의 형태로 경화가 억제된 상태에서 관통부 내에 시공되는 것이므로, 관통부와 파이프 사이의 이격 공간내에 밀실하게 주입하기 어렵고, 관통부의 관통 길이가 긴 경우에는 시공이 곤란할 뿐만 아니라, 작업 환경 및 작업자의 숙련도에 따라 시공품질이 저하되는 문제가 있다.
특허문헌 1. 공개특허 10-2015-0119660(공개일자 2015년10월26일) '건축물 관통부의 내화 충전재'
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시공 편의성을 개선하여 시공 시간을 단축하면서도, 우수한 시공품질을 제공할 수 있는 팽창흑연을 이용한 내화충전재를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라,
외부로부터 인가되는 열에 의해 팽창하도록 흑연층 사이에 화합물이 삽입된 팽창흑연;과, 상기 팽창흑연이 분산 혼합되는 폴리우레탄을 포함하고, 상기 팽창흑연의 팽창시 비산을 방지하는 고분자매트릭스; 및 상기 폴리우레탄의 난연성을 향상시키도록 상기 고분자매트릭스에 혼합되는 APA(Aluminum hypophosphite)과 황산칼슘 및 유리섬유 중 적어도 어느 하나가 포함된 난연 첨가제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 이용한 내화충전재에 의해 달성된다.
여기서, 상기 팽창흑연은 80 규격의 메쉬(mesh)망을 통과한 분말 형태로 제공되고, 팽창흑연의 함유량은 30 중량%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 폴리우레탄은 분자량 700g/mol의 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG)과, 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)을 포함하며, 상기 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)는 상기 팽창흑연과 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG)을 시공부위에 도포하는 과정에서 혼합되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 시공 편의성을 개선하여 시공 시간을 단축하면서도, 우수한 시공품질을 제공할 수 있는 팽창흑연을 이용한 내화충전재가 제공된다.
도 1은 본 발명 팽창흑연을 이용한 내화충전재의 시공을 위한 디스펜서를 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명 팽창흑연을 이용한 내화충전재의 시공 상태를 나타낸 단면도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 내화충전재에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명 팽창흑연을 이용한 내화충전재는 건물의 벽, 바닥 또는 천장의 관통부, 투관부 및 기타 통로들에 시공되며, 화재 발생 시 열에 의해 팽창하면서 통로를 막아 화재와 연기의 확산을 방지하는 것으로서, 팽창흑연과, 고분자매트릭스 및 난연 첨가제를 포함하여 구성된다.
상기 팽창흑연(expanded graphite)은 외부로부터 인가되는 열에 의해 팽창하도록 흑연층 사이에 화합물이 삽입된 것으로서, 본 실시예에서는 80 규격(180㎛)의 메쉬(mesh)망을 통과한 분말 형태로 제공되며, 전체 조성물(팽창흑연+고분자매트릭스+난연 첨가제)에 대하여 30중량%로 혼합된다.
이러한 팽창흑연은 천연흑연, 키시(kish) 흑연, 열분해 흑연 등의 흑연을, 진한 황산, 진한 질산, 진한 질산과 염소산칼륨, 진한 황산과 질산칼륨, 또는 과산화수소 등의 강산화제, 붕산 또는 염화알루미늄 등의 할로겐화물로 처리함으로써 층간(層間)화합물을 형성하고, 이 층간화합물이 형성된 흑연 입자(산(酸)처리 흑연원료)를 급격하게 발열, 가령 950℃이상의 고온에서 1∼10초 동안 처리하여 분해가스를 발생시키고, 그 가스압에 의해 흑연 층간을 확장하여 팽창흑연 입자를 형성한다.
상기 고분자매트릭스는 상기 팽창흑연의 흑연층 사이에 삽입된 화합물을 잡아주는 역할을 하는 것으로서, 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate) 등에 비해 중합비용이 상대적으로 저렴한 폴리우레탄(Polyurethane)이 적용되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 상기 폴리우레탄으로, 분자량 700g/mol의 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG)과, 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)가 적용된다. 다만, 상기 폴리우레탄은 불에 잘 타는 가연성 물질이므로, 난연성을 강화시키기 위한 난연 첨가제가 요구된다.
상기 난연 첨가제는 차아인산 알루미늄(Aluminum hypophosphite;AHP), 황산 칼슘 및 유리 섬유 중 적어도 어느 하나가 포함될 수 있으며, 폴리우레탄의 물성을 저하하지 않는 범위 내에서 용도에 따라 혼합비를 조절할 수 있다.
상기와 같은 팽창흑연과 고분자매트릭스 및 난연 첨가제가 혼합된 본 발명 팽창흑연을 이용한 내화충전재를 건물의 관통부에 시공하면, 화재 발생시 팽창흑연 안에 함유된 황산이 탄소와 반응하게 되어 이산화탄소, 수증기 및 아황산가스가 발생하면서 급격하게 팽창하게 되며, 고분자 매트릭스가 팽창하는 형태를 잡아주게 되므로, 팽창 구조체의 형상이 유지된다. 따라서, 관통부가 팽창 구조체에 의해 차단되므로, 관통부를 통해 화염 및 연기가 확산하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는, 내화충전재를 페이스트 상태로 관통부에 도포하면 대략 4~5배의 체적으로 팽창하면서 경화하면서 관통부 내에 완전하게 충진되도록 할 수 있다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1카트리지(10)에는 팽창흑연과 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG)로 구성된 제1물질(M1)을 충전하고, 제2카트리지(20)에는 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)로 구성된 제2물질(M2)을 충전한 상태에서, 제1카트리지(10)와 제2카트리지(20)를 2액형 디스펜서(S)에 장착하여 시공부위에 도포하면, 제1물질(M1)과 제2물질(M2)이 혼합되면서 중합반응에 의해 체적이 증가하게 된다.
즉, 제1물질에 포함된 알코올기인 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG)과, 제2물질에 포함된 아이소사이안산기인 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)가 혼합되면, 혼합이 개시된 시점으로부터 대략 20초 후부터 중합반응에 의해 4~5배로 팽창이 이루어지며, 대략 60초 후에는 중합반응이 종료되면서 고체 상태로 경화되므로, 내화충전재를 관통부 내에 간편하면서도 효과적으로 충전시킬 수 있다.
이와 관련하여, 종래에는 선행문헌 1과 같이 경화가 억제된 페이스트상태로 관통부 내에 도포하는 방법 이외에, 팽창흑연을 시트나 스트랩 형태로 성형한 후, 관통부 내의 파이프의 외주면에 감거나 관통부의 내주면에 밀착시키는 형태로 시공하는 방법도 사용되었으나, 이러한 시공방법 역시 충전율이 높지 않고, 시공부위에 따라 시트 또는 스트랩을 적당한 크기로 절단한 후 감아야 하는 것이므로, 작업 환경 및 작업자의 숙련도에 따라 시공품질이 저하될 수 있다.
따라서, 본 실시예와 같이, 팽창흑연을 고정하기 위한 고분자매트릭스로 폴리우레탄을 선택하고, 시공부위에 도포한 후 팽창 및 경화되도록 하면, 내화충전재를 관통부 내에 효과적으로 충전시킬 수 있으므로, 시공성을 개선하면서도 우수한 시공품질을 제공할 수 있다.
한편, 상기와 같은 본 실시예에 따른 팽창흑연을 이용한 내화충전재의 성능을 최적화하기 위한 실험결과는 다음과 같다.
1차 실험은 난연 첨가제를 사용하지 않고, 팽창흑연과 폴리우레탄만을 이용하여 내화충전재를 제조하였다.
1차 실험에서 사용된 재료는 다음과 같다.
- 팽창흑연
팽창흑연 분말입자 80메쉬,
팽창흑연 분말입자 150메쉬
- 폴리우레탄
폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG) 분자량 700g/mol
폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG) 분자량 1000g/mol
메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)
- 촉매제
트리에틸렌디아민(Triethylenediamine)(A-33)
디부틸주석디라우르산(Dibutyltin dilaurate)(T12)
- 발포제
수소화염화불화탄소(Hydrogenated Chorofluorocarbon;HCFC-141b)
증류수(Distilled water)
- 안정제
실리콘 오일(Silicon oil)
실험과정은, 상기의 재료 중 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)를 제외한 나머지 재료를 아래 표 1의 비율로 혼합한 뒤, 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)를 넣고 20초 동안 섞어 중합반응이 일어나도록 한 다음, 100℃ 오븐에 넣고 4시간 동안 경화시켜 팽창흑연 폴리우레탄폼을 제조하였다.
1차 실험에서는 팽창흑연의 입자크기, 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG)의 분자량, 팽창흑연의 함유량을 변수로 하여 표 2와 같이 10세트로 구분하여 실험을 진행하였다.
폴리우레탄 폼의 혼합비
물질 Parts by weight
Polypropylene glycol(PPG) 700
1000		 127
181
Triethylenediamine 0.5
Dibutyltin dilaurate 0.1
HCFC-141b 20
Distilled water 0.5
Silicon oil 0.3
MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate) 130
실험예
Set 팽창흑연 크기(mesh) PPG의 분자량 팽창흑연 함유량
1 80 1000 10
2 150 1000 10
3 80 1000 30
4 150 1000 30
5 80 700 10
6 150 700 10
7 80 700 30
8 150 700 30
9 80 700 20
10 150 700 20
각 세트당 샘플은 3개씩 총 30개를 만들어 실험하였으며, 실험과정 중 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG) 분자량 1000g/mol의 경우 원하는 폼이 형성되지 않아서 9,10세트의 경우 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG) 분자량을 700으로 조정하여 추가적인 실험을 진행하였다.
각 샘플들을 1300℃의 온도에서 10분간 가열하여 성능을 테스트한 결과, 팽창흑연의 함유량이 10중량%인 샘플의 경우 난연성이 떨어져서 10분 내에 연소되는 것을 확인하였다.
그리고 함유량을 10중량%, 20중량%, 30중량%로 구분하였을 때, 팽창흑연의 함유량이 30중량%인 것이 최고의 팽창률과 팽창속도를 나타내는 것을 확인하였다.
또한, 팽창흑연의 입자크기가 80메쉬인 것이 150메쉬보다 팽창속도가 더 빠른 것을 확인하였다.
따라서, 1차 실험결과, 팽창흑연의 입자크기는 80메쉬, 함유량은 30중량%, PPG의 분자량은 700g/mol이 최적의 성능을 나타내는 것을 확인하였다.
2차 실험은 난연 첨가물을 넣었을 때 성능이 얼마나 향상되는지를 중점으로 살펴보았다. 첨가물은 차아인산 알루미늄(Aluminum hypophosphite;AHP), 황산 칼슘 및 유리 섬유를 사용하였다.
이러한 첨가물은 폴리우레탄의 난연성을 강화시키는 것으로, 2차 실험은 아래 표 3과 같이 총 6세트로 구분하여 실험하였다.
(●:첨가, ○:미첨가)
Set APH 황산 칼슘 유리섬유
1 ● ○ ○
2 ○ ● ○
3 ○ ○ ●
4 ● ● ○
5 ● ○ ●
6 ● ● ●
1차 실험과 마찬가지로, 1300℃의 온도에서 10분간 성능테스트를 해본 결과, 4,5,6세트가 1,2,3세트보다 팽창률과 팽창속도가 좀 더 빠른 것을 확인하였다. 하지만, 4,5,6세트간의 차이는 정확하게 구별할 수 없을 정도의 미세한 차이였으며, 비교예로서 시중에서 판매되고 있는 힐티(HILTI)社의 CP-648E를 함께 시험해본 결과, CP-648E보다 상대적으로 빠르게 팽창하는 것을 확인하였다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
S:2액형 디스펜서
10:제1카트리지
20:제2카트리지
M1:제1물질
M2:제2물질

Claims (3)

  1. 외부로부터 인가되는 열에 의해 팽창하도록 흑연층 사이에 화합물이 삽입된 팽창흑연;
    상기 팽창흑연이 분산 혼합되는 폴리우레탄을 포함하고, 상기 팽창흑연의 팽창시 비산을 방지하는 고분자매트릭스; 및
    상기 폴리우레탄의 난연성을 향상시키도록 상기 고분자매트릭스에 혼합되는 APA(Aluminum hypophosphite)과 황산칼슘 및 유리섬유 중 적어도 어느 하나가 포함된 난연 첨가제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 이용한 내화충전재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 팽창흑연은 80 규격의 메쉬(mesh)망을 통과한 분말 형태로 제공되고, 팽창흑연의 함유량은 30 중량%인 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 이용한 내화충전재.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 폴리우레탄은 분자량 700g/mol의 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG)과, 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)을 포함하며,
    상기 메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(Methylene Diphenyl Diisocyanate;MDI)는 상기 팽창흑연과 폴리프로필렌 글리콜(Polypropylene glycol;PPG)을 시공부위에 도포하는 과정에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 팽창흑연을 이용한 내화충전재.
KR1020160176448A 2016-12-22 2016-12-22 팽창흑연을 이용한 내화충전재 KR20180073038A (ko)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109320943A (zh) * 2018-09-14 2019-02-12 张万里 一种电力设备用耐高温防火材料及其制备方法
CN110963492A (zh) * 2019-12-04 2020-04-07 常州市艾森塑料科技有限公司 一种改性膨胀石墨的制备方法
KR102162512B1 (ko) * 2020-07-08 2020-10-06 강응선 팽창 흑연을 함유한 난연성 폴리우레탄 조성물 및 이를 이용한 난연성 폴리우레탄폼의 시공 방법
KR102554968B1 (ko) * 2022-10-27 2023-07-12 주식회사 광운기술 내화 펠렛을 이용하여 바닥 구조에 내화채움구조체를 시공하는 방법

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