KR20180102784A - 팽창성 무기 골재를 포함하는 유기 단열재 - Google Patents

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지승욱
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Abstract

난연성이 우수한 팽창성 무기 골재를 포함하는 유기 단열재에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 팽창성 무기 골재를 포함하는 유기 단열재는 유기계 수지, 팽창성 무기 골재 및 발포제를 포함하는 유기계 수지 조성물의 발포 폼을 포함하고, 상기 발포 폼은 팽창성 무기 골재와 독립 기공(closed cell)을 포함하는 유기계 수지 매트릭스를 포함하고, 상기 팽창성 무기 골재는 독립 기공 사이에서 골조(framework)를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

팽창성 무기 골재를 포함하는 유기 단열재{ORGANIC INSULATION INCLUDING EXPANDING INORGANIC AGGREGATE}
본 발명은 유기 단열재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 팽창성 무기 골재를 포함하는 난연성이 우수한 유기 단열재에 관한 것이다.
일반적인 건축용 단열재는 무기 단열재와 유기 단열재로 나뉘며, 유기 단열재의 예로는 EPS(비드법), XPS(압출법), PIR(폴리이소시아누레이트), PUR(폴리우레탄) 및 PF(페놀폼) 등이 있다.
이러한 유기 단열재는 무기 단열재 대비 단열성이 우수한 반면, 난연성이 낮은 것으로 알려져 있다.
최근, 폴리스티렌을 기반으로 난연 처리가 된 EPS, XPS 제품들이 출시되었으나, 실제 화재 발생 시 단열재가 빠르게 소멸되면서 단열재의 성능을 제대로 발휘하지 못하고 있다.
한편, 유기 단열재 중 열경화성 발포 폼의 경우, 다른 유기 단열재에 비해 우수한 열전도도와 난연성을 나타내나, 무기 단열재에 비해서는 난연성이 다소 낮다. 이를 개선하기 위해 기존 열경화성 발포 폼에 난연성을 높일 수 있는 무기물을 무작위로 첨가하는 경우, 발포 셀의 형성을 방해하면서 열경화성 발포 폼의 열전도도가 급격히 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 난연성이 우수한 유기 단열재의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제 10-0534091호(2005.11.30. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 무기질 재료가 함유된 우레탄단열재 및 그 제조방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 발포 셀 사이에서 팽창성 무기 골재가 골조(framework)를 형성함으로써, 균일하고 안정적인 발포 폼을 갖는 유기 단열재를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기 단열재는 유기계 수지, 팽창성 무기 골재 및 발포제를 포함하는 유기계 수지 조성물의 발포 폼을 포함하고, 상기 발포 폼은 팽창성 무기 골재와 독립 기공(closed cell)을 포함하는 유기계 수지 매트릭스를 포함하고, 상기 팽창성 무기 골재는 독립 기공 사이에서 골조(framework)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 유기계 수지는 폴리스티렌계 수지, 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 페놀계 수지 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 유기계 수지 조성물은 유기계 수지 100중량부에 대하여, 팽창성 무기 골재 1~20중량부 및 발포제 1~20중량부를 포함할 수 있다.
상기 독립 기공은 평균 직경이 50~500㎛일 수 있다.
상기 팽창성 무기 골재는 평균 직경이 10~300㎛인 다공성 무기 골재일 수 있다.
상기 팽창성 무기 골재는 펄라이트, 질석, 경석, 부석, 진주암, 에어로겔, 알루미나 미립자 및 실리카 미립자 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 발포 폼의 밀도는 30~50kg/m3일 수 있다.
상기 발포 폼의 두께는 50~200mm일 수 있다.
본 발명에 따른 유기 단열재는 발포 셀(cell) 사이에서 팽창성 무기 골재가 골조(framework)를 형성함에 따라, 발포 셀의 형상을 유지할 수 있어 안정적이고 균일한 발포 폼 형상을 나타낼 수 있다.
이로 인해, 발포 셀의 형상을 유지하고, 가스 타입 발포제의 포집율을 유지할 수 있어 단열재의 난연성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 팽창성 무기 골재를 포함하는 유기 단열재의 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 팽창성 무기 골재를 포함하는 유기 단열재에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 유기 단열재의 안정적인 구조를 형성함과 동시에 유기 단열재의 난연성을 높이고자 한다.
기존의 유기 단열재는 성능 개선을 위해 유기발포 조성물에 무기 첨가제를 다량 투입하였는데, 이는 무기 첨가제가 발포 폼 내부의 발포 셀 형성을 방해하고, 무기 첨가제의 입경이 발포 셀의 입경보다 큰 경우에는 이미 형성된 발포 셀을 깨뜨리면서, 가스 타입 발포제의 포집율을 저하시키고 단열성을 저하시키는 요인으로 이어지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 유기계 수지 조성물에 팽창성 무기 골재를 최적의 함량으로 포함시켜, 유기 단열재의 기본 물성은 저해하지 않으면서 난연성을 향상시키고자 한다.
본 발명에 따른 유기 단열재는 유기계 수지, 팽창성 무기 골재 및 발포제를 포함하는 유기계 수지 조성물의 발포 폼으로서, 발포 셀(cell)이 형성된 구조이다.
본 발명에 따른 유기 단열재는 독립 기공(closed cell)을 포함하며, 상기 팽창성 무기 골재는 독립 기공 사이에서 골조(framework)(10)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
유기계 수지 조성물의 발포 폼(100)은 팽창성 무기 골재와 독립 기공(closed cell)을 포함하는 유기계 수지 매트릭스를 포함한다. 유기계 수지 조성물을 발포하여 유기계 수지로 충진된 매트릭스가 형성되며, 매트릭스 내에는 팽창성 무기 골재와 독립 기공이 존재한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 발포 폼(100)은 유기계 수지 매트릭스 내에 발포 셀인 다수개의 기공(20)과 골조(10)가 포함된 형태이다. 다수개의 기공(20)은 독립 기공을 포함하고, 다수개의 기공(20) 사이의 빈 틈은 유기계 수지가 채워진 것이다.
상기 유기계 수지는 열경화성 수지, 열가소성 수지 등의 단열재용 수지를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리스티렌계 수지, 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 페놀계 수지 중 1종 이상을 포함하는 유기계 수지를 사용할 수 있다.
상기 유기계 수지를 발포제와 함께 일정 온도에서 발포하게 되면 수지에 다량의 기공층이 형성되며, 기공층과 함께 발포된 수지는 단열재로서 낮은 열전도율과 용이한 취급성, 낮은 공정 비용 등의 효과를 제공한다.
상기 팽창성 무기 골재는 비중 2.5 이하의 경량 골재를 가리키며, 천연 경량 골재, 인공 경량 골재 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 펄라이트, 질석, 경석, 부석, 진주암, 에어로겔, 알루미나 미립자 및 실리카 미립자 중 1종 이상을 포함하는 팽창성 무기 골재가 사용될 수 있다.
이러한 팽창성 무기 골재는 대략 800~1200℃에서 소성하여 팽창시켜 제조되며, 소성에 의해 표면은 녹고 내부는 많은 기공이 형성되면서 표면이 딱딱한 껍질로 형성된다. 특히, 상기 팽창성 무기 골재는 소성에 의해 처음 부피보다 대략 10~30배까지 팽창될 수 있다. 팽창된 무기 골재는 다공질의 경량성, 난연성 등의 성질을 가지게 되며, 유기계 수지 조성물에 첨가되어 발포 시 골조를 형성하게 된다. 상기 팽창성 무기 골재는 팽창된 다공질 형태를 유지하면서 발포 셀(기공) 사이에서 골조(framework)를 형성하게 된다.
상기 골조는 발포 폼을 포함하는 유기 단열재 내에서 발포 셀을 지지해주는 역할을 하며, 단열재의 난연성 및 기계적 강도를 높여준다.
상기 팽창성 무기 골재는 평균 직경이 10~300㎛인 다공성 무기 골재인 것이 바람직하고, 10~100㎛인 것이 보다 바람직하다. 골재의 평균 직경이 10㎛ 미만인 경우, 골재의 크기가 너무 작아 독립 기공 사이에서 골조를 형성하기에 불충분할 수 있다. 반대로, 골재의 평균 직경이 300㎛를 초과하는 경우, 골재의 크기가 너무 커지면서 독립 기공의 형성을 방해하거나, 이미 형성된 독립 기공의 벽을 깨뜨릴 수 있다. 이에 따라, 가스 타입 발포제의 포집이 제대로 이루어지지 않은 상태로 새어나갈 수 있어, 단열성이 저하될 수 있다.
즉, 균일하고 안정적인 구조의 단열재 형성을 위해서는, 팽창성 무기 골재의 평균 직경이 독립 기공의 평균 직경보다 작은 것이 바람직하다.
상기 팽창성 무기 골재는 유기계 수지 100중량부에 대하여, 1~20중량부 포함될 수 있다. 팽창성 무기 골재의 함량이 1중량부 미만인 경우, 골재의 함량이 너무 적어 독립 기공 사이에서 골조를 형성하기에 불충분할 수 있다. 반대로, 20중량부를 초과하는 경우, 팽창성 무기 골재가 서로 응집하거나 독립 기공의 형성을 방해할 수 있어 단열성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 다량의 팽창성 무기 골재가 발포 폼에 포함되는 경우, 기존의 무기계 첨가재를 무작위로 첨가한 단열재처럼 높은 열전도도와 낮은 난연성을 나타낼 수 있다.
상기 발포제는 가스 타입의 발포제를 사용하는 것이 바람직하다. 가스 타입의 발포제는 끓는 점(boiling point)이 낮아 발포 온도를 100℃ 이하로 낮출 수 있다. 예를 들어, 질소, 아르곤, 공기 등과 같은 무기 가스계 발포제, 발포 시 기화되어 기포를 형성하는 성분인 CFC-11, HFC류 등의 염화불화탄소계 발포제 등이 사용될 수 있다.
상기 발포제는 유기계 수지 100중량부에 대하여, 1~20중량부 포함될 수 있다. 발포제의 함량이 1중량부 미만인 경우, 발포 시 독립 기공이 불충분하게 형성될 수 있으며, 20중량부를 초과하는 경우에는 독립 기공이 성장하면서 파열되어 연속 기공(opened cell)으로 형성될 수 있어, 단열성이 저하될 수 있다.
본 발명의 유기계 수지 조성물은 이외에 추가적으로 촉매, 보조 발포제, 난연제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 유기계 수지, 팽창성 무기 골재, 발포제를 포함하는 유기계 수지 조성물을 균일하게 분산되도록 혼합한 후, 대략 40~90℃에서 발포하여 유기 단열재를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로는, 유기계 수지 조성물을 배합하여 발포시킨 후 경화시킨다. 다음으로, 적절한 크기로 절단하여 재단한 후, 제품의 화학약품을 제거하는 양생 과정을 거친다.
본 발명의 유기 단열재는 가스 타입의 발포제를 사용함으로써, 발포 온도가 40~90℃에서 이루어질 수 있으며, 이 온도 범위에서 팽창성 무기 골재가 용융되지 않고 발포 폼 내에서 골조(framework)를 형성할 수 있다.
90℃보다 높은 온도에서 발포가 이루어지는 경우, 유기계 수지의 균일한 혼합이 어려울 수 있고, 팽창성 무기 골재가 용융되면서 서로 달라 붙거나 변질될 수 있어 발포화가 어려워질 수 있다. 또한, 발포되는 과정에서 90℃ 보다 높은 온도에 의해, 독립 기공이 계속 성장하면서 파열되어 연속 기공으로 형성될 우려가 있다.
발포되는 동안, 독립 기공이 형성되면서 독립 기공들 사이에 팽창성 무기 골재들이 골조(framework)를 형성하게 된다. 경량성의 팽창성 무기 골재들이 독립 기공들 사이에 충진됨으로써, 균일하고 안정적인 발포 형상을 가지며, 유기 단열재의 낮은 열전도도와 우수한 난연성을 나타낼 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 발포 폼은 독립 기공(closed cell)을 포함하는 것이 바람직하다. 독립 기공 외에 연속 기공이 10% 이하로 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 발포 폼은 독립 기공 90%, 연속 기공 10%를 포함하거나, 독립 기공 95%, 연속 기공 5%를 포함하거나, 독립 기공 100%를 포함할 수 있다.
일반적으로 기공은 기공의 벽면이 모두 닫힌 구조인 독립 기공(closed cell) 또는 기공의 벽면 중 일부가 열린 구조인 연속 기공(opened cell)으로 분류된다.
독립 기공을 포함하는 단열재는 수분 성분이 단열재 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있으며, 단열재의 부식을 방지하면서 우수한 기계적 성능, 단열성 및 내열성 등의 확보가 가능하다.
이에 반해, 연속 기공은 발포되는 과정에서 발포제로부터 발생한 기체가 기포를 형성하고, 상기 기포가 계속적으로 성장하다가 파열되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 기포가 성장함에 따라 이웃한 기포들과 격리시키는 이들 사이의 기포 벽면이 점점 얇아지면서 기포들의 파열에 의해 형성될 수 있다. 연속 기공은 벽면 중 일부가 열린 구조로 형성되므로, 다른 기공과 상호 연결된 기공(inter-connected pore)이라고도 한다.
연속 기공을 포함하는 단열재는 일부가 열린 벽면을 통해 가스 타입 발포제의 포집이 제대로 이루어지지 않고, 불안정한 발포 형상이 형성될 수 있어 단열성이 저하된다.
따라서, 본 발명의 발포 폼은 독립 기공을 포함하는 것이 바람직하며, 독립 기공의 평균 직경은 50~500㎛일 수 있다. 직경이 50㎛ 미만인 경우, 기공이 작아 균일한 형상의 발포 폼을 형성하기 어려울 수 있으며, 팽창성 무기 골재가 기공 사이에서 골조를 형성하기 어려울 수 있다. 반대로, 직경이 500㎛를 초과하는 경우, 기공의 벽이 얇아지면서 연속 기공으로 변형될 수 있다.
본 발명의 발포 폼의 공극률은 대략 60~90%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 발포 폼의 두께는 50~200mm인 것이 바람직하며, 두께가 50mm 미만인 경우, 단열재의 물성이 저하되거나 단열성이 다소 저하될 수 있다. 두께가 200mm를 초과하는 경우에는 유기 단열재 내의 발포 형상을 채우지 못하면서 가스 타입 발포제의 포집율이 저하된다. 또한, 유기 단열재의 두께가 두꺼워지면서 충분한 열이 전달되지 못해 경화 속도가 느려지게 된다.
따라서, 경량성의 팽창성 무기 골재를 포함하고, 두께 50~200mm의 범위에서 발포 폼은 30~50kg/m3의 밀도를 나타낼 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 단열재는 다공질의 팽창성 무기 골재를 포함하는 유기계 수지 조성물을 발포시킴으로써, 독립 기공들 사이에 팽창성 무기 골재가 골조(framework)를 형성한다. 골조는 단열재 내의 발포 셀, 즉, 다수의 독립 기공과 소수의 연속 기공을 지지하는 역할을 한다. 기공들 사이에 팽창성 무기 골재가 치밀하게 형성되므로, 유기 단열재의 우수한 기계적 강도, 단열성 및 난연성을 확보할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 발포 폼을 포함하는 유기 단열재는 0.005~0.020W/mK의 낮은 열전도율을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 유기 단열재는 건축용 단열재 및 외장재 등에 적용될 수 있다.
이와 같이 팽창성 무기 골재를 포함하는 유기 단열재에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1. 유기 단열재의 제조
실시예 1 ~ 4
페놀 수지, 팽창성 무기 골재로서 실리카 에어로겔, 발포제로서 HCFC-141b를 혼합한 조성물을 마련하였다. 조성물을 압출기에 투입하여 90℃에서 압출 및 발포하여 발포 셀 사이에 골조(framework)가 형성된 유기 단열재를 제조하였다.
[표 1]
Figure pat00001
비교예 1 ~ 2
페놀 수지, 무기 골재로서 섬유 형태의 해포석, 발포제로서 HCFC-141b를 혼합한 조성물을 마련하였다. 조성물을 압출기에 투입하여 90℃에서 압출 및 발포하여 발포 셀 사이에 골조가 형성된 유기 단열재를 제조하였다.
[표 2]
Figure pat00002
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
상기 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 2에서 제조된 유기 단열재의 밀도, 독립 기공의 평균 직경, 난연성, 열전도도를 측정하였다.
밀도 측정은 KS F 2901에 의해 측정하였다. 난연성 측정은 KSF ISO 5660-1 및 KSF 2271의 난연성 시험 방법에 의해 측정하였다. 열전도도는 ASTM C 177에 의해 측정하였다.
측정 결과는 표 3에 나타내었다.
[표 3]
Figure pat00003
표 1 내지 표 3을 참조하면, 본 발명의 청구범위를 모두 만족하는 실시예 1, 2는 난연성 및 열전도도 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다. 실시예 3은 팽창성 무기 골재의 함량을 벗어난 예로, 열전도도가 실시예 1 ~ 2에 비해 다소 증가된 것을 볼 수 있다. 실시예 4는 팽창성 무기 골재의 직경이 독립 기공의 직경보다 크기 때문에 난연성 결과에서 불합격 판정을 받았다. 실시예 5는 단열재의 두께가 벗어난 예로 열전도도가 실시예 1~3에 비해 증가한 것을 볼 수 있다.
비교예 1 ~ 2는 팽창성 무기 골재가 아닌 섬유 형태의 무기 골재를 포함하여 유기 단열재를 제조한 것으로, 실시에 1 ~ 5보다 난연성 및 열전도도가 우수하지 못한 것을 확인할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 골조(framework)
20 : 기공
100 : 발포 폼

Claims (8)

  1. 유기계 수지, 팽창성 무기 골재 및 발포제를 포함하는 유기계 수지 조성물의 발포 폼을 포함하고,
    상기 발포 폼은
    팽창성 무기 골재와 독립 기공(closed cell)을 포함하는 유기계 수지 매트릭스를 포함하고,
    상기 팽창성 무기 골재는 독립 기공 사이에서 골조(framework)를 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 단열재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기계 수지는 폴리스티렌계 수지, 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 페놀계 수지 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 단열재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기계 수지 조성물은 유기계 수지 100중량부에 대하여, 팽창성 무기 골재 1~20중량부 및 발포제 1~20중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 단열재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 독립 기공은 평균 직경이 50~500㎛인 것을 특징으로 하는 유기 단열재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 팽창성 무기 골재는 평균 직경이 10~300㎛인 다공성 무기 골재인 것을 특징으로 하는 유기 단열재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 팽창성 무기 골재는 펄라이트, 질석, 경석, 부석, 진주암, 에어로겔, 알루미나 미립자 및 실리카 미립자 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 단열재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발포 폼의 밀도는 30~50kg/m3인 것을 특징으로 하는 유기 단열재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발포 폼의 두께는 50~200mm인 것을 특징으로 하는 유기 단열재.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210027710A (ko) * 2019-09-02 2021-03-11 호산테크(주) 자동 샘플링 장치 및 방법
CN113213811A (zh) * 2021-05-29 2021-08-06 中州装备制造股份有限公司 一种pu复合保温材料

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