KR20200051086A - 그래핀 옥사이드를 이용한 eps 준불연 단열재 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 EPS(expanded polystyrene, 발포 폴리스티렌)를 이용한 준불연 단열재의 제조방법은 원재료인 EPS 분말을 1차 발포하여 알갱이로 준비하는 단계; 상기 EPS 분말에 그래핀 옥사이드를 포함하는 첨가제를 혼합시켜 1차 코팅하는 단계; 건조 및 숙성하는 단계; 스팀을 이용하여 압축시키는 단계; 스팀을 이용하여 2차 코팅하는 단계; 및 성형 및 건조하는 단계; 를 포함하며, 상기 첨가제는 물, 그래핀 옥사이드, 난연제를 기 설정된 배합 비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 발포 폴리스티렌(EPS)을 이용한 준불연 단열재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 준불연 단열재의 제조 공정에서 적정량의 그래핀 옥사이드를 이용함으로써 뛰어난 난연성을 갖도록 하는 준불연 단열재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
건축물 관련 산업에서는 다양한 재료들을 사용하여 외적 심미감과 단열효과 등을 도모하고 있고, 현재는 EPS(발포 폴리스티렌, expanded polystyrene) 보드가 비용이 저렴하고 사용성 및 단열성이 우수하여 매우 광범위하게 사용되고 있다.
또한, 화재로부터 생명과 재산을 보호하기 위하여 최근에 요구되는 불연 또는 난연 수준이 모든 산업분야에서 더욱 엄격해짐에 따라 상기 EPS 역시 높은 난연성 및 불연성이 요구되고 있다.
건축물의 단열을 위해 사용되는 EPS 성형제품은 보드 형태로 가공된 것을 널리 사용하고 있다. 그러나 불에 매우 취약하며, 압출보드(압출법 폴리스티렌 XPS)에 비하여 단열성이 떨어진다는 문제점이 있다.
이와 같이 화재에 취약한 EPS 보드에 난연성을 부여하기 위한 방법의 하나로 액상의 무기 난연제를 발포 폴리스티렌 입자에 코팅시키는 방법이 주로 사용되고 있다. 국내공개특허 제10-2007-0121147호에는 난연성 발포 폴리스티렌 제조에 사용할 수 있는, 무기 난연제, 실리케이트 난연제 및 기타 다양한 무기물 충전재를 복합시킨 난연액 조성물의 제조방법을 개시하고 있으나, 주로 액상 실리케이트 화합물을 사용함으로써 난연효과는 극대화될 수 있지만, 무기물의 비율이 너무 높아 코팅소재로서 이용할 경우 코팅되는 것보다 손실되는 무기물이 많아진다는 문제가 있다.
또한, 국내특허 제0602205호에는 폴리스티렌 발포입자에 팽창흑연, 열경화성 액상 페놀 수지 및 경화 촉매의 혼합물을 코팅 가교하여 EPS 비드의 난연성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 인체에 해로운 페놀과 발암물질인 포름알데히드의 축합에 의해 얻어지는 페놀수지를 사용하기 때문에 발연시 유해가스가 방출되는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 그래핀 옥사이드를 이용하여 난연 성능을 개선시킨 준불연 단열재를 제공하려는 것이다.
본 발명에 따른 EPS(expanded polystyrene, 발포 폴리스티렌)를 이용한 준불연 단열재의 제조방법은 원재료인 EPS 분말을 1차 발포하여 알갱이로 준비하는 단계, 상기 EPS 분말에 그래핀 옥사이드를 포함하는 첨가제를 혼합시켜 1차 코팅하는 단계, 건조 및 숙성하는 단계, 스팀을 이용하여 압축시키는 단계, 스팀을 이용하여 2차 코팅하는 단계 및 성형 및 건조하는 단계를 포함하며, 상기 첨가제는 물, 그래핀 옥사이드, 난연제를 기 설정된 배합 비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 첨가제에서 물과 그래핀 옥사이드의 배합 비율은 50:1 내지 150:1 의 비율로 혼합하여 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 첨가제에서 난연제와 그래핀 옥사이드의 배합 비율은 500,000:1 내지 700,000:1 의 비율로 혼합하여 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원재료인 EPS 분말과 난연제의 혼합 비율은 4:1 내지 6:1의 비율로 혼합하여 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 준불연 단열재 100 제곱미터 생산 시 사용되는 상기 그래핀 옥사이드의 양은 0.1 내지 1.0 그램이며, 이때 상기 그래핀 옥사이드는 물을 상기 그래핀 옥사이드의 100배 내지 120배로 혼합 희석시켜 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 첨가제는 그래핀, 환원된 그래핀 옥사이드 및 CNT(탄소나노튜브) 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 준불연 단열재는 적정량의 그래핀 옥사이드를 이용함으로써 종래 EPS 준불연 단열재에 비해 난연성능 및 사용성이 개선된 단열재에 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 준불연 단열재의 제조방법에 관한 제 1순서도,
도 2는 본 발명에 따른 준불연 단열재의 제조방법에 관한 제 2순서도,
도 3은 본 발명에 따른 준불연 단열재의 부분확대도,
도 4는 본 발명에 따른 준불연 단열재의 제조방법의 과정을 보여주는 설명도,
도 5a, 5b는 종래 단열재와 본 발명에 따른 단열재의 비교실험 제 1사진,
도 6a, 6b는 종대 단열재와 본 발명에 따른 단열재의 비교실험 제 2사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 준불연 단열재의 제조방법에 관한 제 2순서도,
도 3은 본 발명에 따른 준불연 단열재의 부분확대도,
도 4는 본 발명에 따른 준불연 단열재의 제조방법의 과정을 보여주는 설명도,
도 5a, 5b는 종래 단열재와 본 발명에 따른 단열재의 비교실험 제 1사진,
도 6a, 6b는 종대 단열재와 본 발명에 따른 단열재의 비교실험 제 2사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 준불연 단열재 및 이의 제조방법에 관하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 여기에서 설명하는 실시예로 한정되지 않으며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명에 따라 그래핀 옥사이드를 사용한 EPS 준불연 단열재는 건축용 재료로 그 목적 및 용도가 한정되지 않고 다양한 용도 및 목적에 사용될 수 있다.
먼저, 본 명세서에 사용되는 준불연 단열재를 설명하기 위해 불연재료, 준불연재료 및 난연재료에 관하여 설명하면 다음과 같다. 불연재료는 난연 1급을 말하며, 불에 타지 않는 재료로서 20분간 가열(섭씨 750도)시 자체 열발생이 적으며(섭씨 50도), 10분간 가열(섭씨 305도) 후 잔류 불꽃이 없는(30초 미만) 재료를 말한다. 준불연재료는 난연 2급을 말하며, 불에 타지 않는 재료로서 10분간 가열(섭씨 305도) 후 잔류 불꽃이 없고(30초 미만) 그 재료의 연소가스 속에 방치된 쥐가 9분 이상 활동할 수 있는 재료를 말한다. 난연재료는 난연 3급을 말하며 가연성 재료인 목재 등과 비교해 더 타기 어려운 재료로서 6분동안 가열(섭씨 235도) 후 잔류 불꽃이 없고(30초 미만) 그 재료의 연소가스 속에 방치된 쥐가 9분 이상 활동할 수 있는 재료를 말한다.
예컨대, 불연재료로는 콘크리트, 석재, 벽돌, 기와, 석면판, 철강, 알루미늄, 유리, 시멘트모르타르, 회분, 그라스울, 미네랄울, 시멘트판, 석고시멘트판, 섬유시멘트판 및 압출시멘트판 등이 있으며, 준불연재료로는 석고보드, 펄프시멘트판 및 미네랄텍스 등이 있으며, 난연재료로는 난연합판 및 난연플라스틱판 등이 있다.
본 발명에 사용되는 최초 원료인 EPS 발포폴리스티렌 분말은 시중에 다양하게 공급되고 있는 원료이며 폴리스티렌(Polystyren)은 널리 사용되는 플라스틱으로, 스티렌의 중합체이다. 무색 투명한 열가소성 물질로, 100℃ 이상에서 부드러워지고 185℃ 정도가 되면 점성의 액체가 되며, 산·알칼리·기름·알코올 등에 강한 성질이 있다.
발포폴리스티렌은 이 폴리스티렌 수지에 펜테인이나 뷰테인 등 탄화수소가스를 주입시킨 뒤 이를 증기로 부풀린 발포 제품으로, 체적의 98%가 공기이고 나머지 2%가 수지인 자원 절약형 소재이다. 발포폴리스티렌의 제조 공정은 스티렌에 펜테인 또는 뷰테인가스 등의 발포제를 주입해 물로 중합한 뒤, 소정의 분자량이 될 때까지 가열한다. 이어 얻어진 발포폴리스타이렌의 구상 입자인 비드(bead)를 세척 건조하고 폐수를 처리한 후 선별하면 완제품의 발포폴리스티렌 분말이 된다. 특히 본 발명에 따른 원재료인 EPS 분말은 비드법 2종에 따라 마련된 분말 알갱이를 말한다.
본 발명에 따른 준불연 단열재 제조방법은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 원재료인 EPS 분말을 1차 발포하여 알갱이로 준비하는 단계(S110, S120, S100), 상기 EPS 분말에 그래핀 옥사이드를 포함하는 첨가제를 혼합시켜 1차 코팅하는 단계(S200, S210), 건조 및 숙성하는 단계(S310), 스팀을 이용하여 압축시키는 단계(S300), 스팀을 이용하여 2차 코팅하는 단계(S400) 및 성형 및 건조하는 단계(S500)를 포함한다.
도 1 및 도 2에 도시된 공정은 경우에 따라서 그 순서가 변경될 수 있으며 그 순서가 생략될 수도 있으며, 도시되지 않은 공정이 추가될 수도 있다. 에컨대, 도 1에 도시된 원재료 수급단계와 발포의 단계를 나눠서 진행할 수도 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 1차 발포된 알갱이 상태의 EPS분말을 준비할 수도 있는 것이다.
상기 1차 발포 공정은 바람직하게는 원료인 발포폴리스티렌 분말을 100 ~110℃ 및 0.2 ~ 0.3 기압하에서 1차 발포시킨다. 이와 같이 대기압보다 낮은 압력에서 상기 온도로 가열하게 되면 원료인 발포폴리스티렌 입자가 팽창하여 발포하게 된다. 상기 1차 팽창 발포한 원료를 상온의 0.2 ~ 0.3 기압을 유지하는 사이로에 넣고 원료 100중량부에 대하여 상기 첨가제를 첨구하여 1차 코팅을 진행하는 것이다.
본 발명에 따른 준불연 단열제의 제조공정에서는 그래핀 옥사이드(GO)를 추가한다. 물론, 상기 그래핀 옥사이드는 공정에 적합하게 희석되거나 적절한 상태로 가공이나 변경되어 사용될 수 있다.
이와 같이, 상기 그래핀 옥사이드를 포함하는 첨가제가 1차 발포를 마친 EPS 알갱이에 혼합하여 코팅처리 되는 것이다. 물론, 코팅의 방법이나 순서 및 조건은 상이하게 변경될 수 있으며 다양한 방법으로 코팅이 될 수 있다.
상기 첨가제는 물, 그래핀 옥사이드, 난연제를 기 설정된 배합 비율로 혼합하여 사용하며 바람직하게는 상기 첨가제에서 물과 그래핀 옥사이드의 배합 비율은 50:1 내지 150:1 의 비율로 혼합한다.
상기 첨가제는 준불연 단열재의 원료인 EPS 분말을 1차 발포 공정 한 후 혼합하게 되며 이때 상기 분말의 표면에 코팅되도록 하며, 상기 첨가제의 물, 그래핀 옥사이드 및 난연제의 비율은 상기 비율 이외에도 다양하게 변경 실시 가능하다.
또한, 상기 첨가제에서 난연제와 그래핀 옥사이드의 배합 비율은 500,000:1 내지 700,000:1 의 비율로 혼합한다. 즉, 상기 그래핀 옥사이드를 0.01g 사용하는 경우 후술할 상기 난연제의 중량은 5 내지 7kg 사용하게 되는 것이다.
상기 첨가제의 첨가 공정은 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 진행되며, 첨가제의 첨가 과정 및 순서는 경우에 따라서 변경될 수도 있다. 예컨대, 원료인 분말 EPS와 상기 첨가제의 혼합을 먼저 진행한 후 기 설정된 조건 내에서 발포를 할 수도 있으며, 우수한 수율을 획득하기 위해 혼합의 횟수 내지 조건 등을 다양하게 변경할 수도 있을 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 준불연 단열재(1)의 부분 확대도로서, 도시된 바와 같이 그래핀 옥사이드를 포함하는 첨가제가 제조 공정에 투입되어 코팅되면 EPS 알갱이의 사이에 유입되게 되며 상기 EPS 알갱이를 코팅하게 되는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 준불연 단열재의 제조공정을 알기 쉽게 도시한 개략 설명도로서 원재료(EPS 발포 분말) 준비 후 그래핀 옥사이드를 혼합하여 코팅하며 이후 성형, 건조 및 재단 등을 통해 최종 목적물을 얻게 되는 것이다.
상기 준불연 단열재를 성형하기 위해 1차 발포한 EPS 분말, 그래핀 옥사이드 및 난연제의 배합 비율은 제조하고자 하는 단열재의 성능 및 목적, 용도 등에 따라 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
바람직하게는 상기 발포한 EPS 분말 30kg에 그래핀 옥사이드 0.05 g 내지 0.1g을 사용하고, 상기 난연제를 2kg 내지 10kg을 사용한다. 이와 같이 혼합하여 사용하는 경우 불에 매우 강하게 견딤으로써 난연 성능이 개성되고 강도 역시 기존 단열재에 비해 50퍼센트 이상 증가하게 된다. 또한, 상기 원재료인 EPS 분말과 난연제의 혼합 비율은 4:1 내지 6:1의 비율로 혼합하여 마련될 수도 있다.
또한, 상기 준불연 단열재 100 제곱미터 생산 시 사용되는 상기 그래핀 옥사이드의 양은 0.1 내지 1.0 그램이며, 이때 상기 그래핀 옥사이드는 물을 상기 그래핀 옥사이드의 100배 내지 120배로 희석시켜 사용할 수 있다.
경우에 따라서 상기 1차 발포 공정은 바람직하게는 원료인 발포 폴리스티렌 분말을 100 ~110℃ 및 0.2 ~ 0.3 기압 하에서 발포시킨다. 이와 같이 대기압보다 낮은 압력에서 상기 온도로 가열하게 되면 원료인 발포 폴리스티렌 입자가 팽창하여 발포하게 되는 것이다.
상기 1차 팽창 발포한 원료를 상온의 0.2 ~ 0.3 기압을 유지하는 사이로에 넣고 상기 첨가제를 첨가하여 1차 코팅을 진행할 수도 있다. 상기한 바와 같이 기압을 낮춤으로써 발포 및 혼합하는 온도를 크게 높이지 않아도 되기 때문에 가열에 따른 비용을 절감할 수 있기 때문이다.
상기 첨가제와 혼합한 발포 폴리스티렌 혼합물을 50 ~ 70 ℃의 건조기에 넣고 10분 정도 건조하여 발포 폴리스티렌 입자에 상기 첨가제가 1차 코팅됨으로써 난연성이 증가한 코팅 발포폴리스티렌 입자를 얻을 수 있다.
상기 난연제는 발포폴리스티렌에 난연성을 부가하기 위해 첨가하는 화합물로서, 난연성뿐만 아니라 유동성과 성형성을 향상시킨다. 사용되는 흑연 화합물은 인산과 흑연이 혼합된 인산흑연이나 초산과 흑연이 혼합된 초산흑연 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
경우에 따라서 상기 1차 코팅된 발포 폴리스티렌 분말은 상온에서 4 ~ 8 시간 저장한 다음 2차 발포과정을 거칠 수 있으며, 이는 1차 발표와 동일한 조건, 즉 100 ~ 110℃의 0.2 ~ 0.3 기압에서 발포과정을 거친 다음, 혼합기에 2차 발포된 발포폴리스티렌 분말을 넣고 첨가제를 첨가하여 혼합하되, 발포폴리스티렌 100중량부에 대하여 50 ~ 100중량부의 비율로 혼합할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 종래 EPS 단열재의 재료로 사용되는 알갱이(비드)와 본 발명에 따라 그래핀 옥사이드를 코팅한 EPS 알갱이의 압축 이전 상태에 관한 연소 실험 비교사진이며, 보이는 바와 같이 종래 EPS 알갱이는 가열 5초 후에 바로 연소되었으나, 본 발명에 따른 EPS 알갱이는 가열 20초가 지나도 바로 연소되지 않는 결과를 얻을 수 있었다.
도 6a 및 도 6b는 종래 EPS 단열재의 재료로 사용되는 알갱이(비드)와 본 발명에 따라 그래핀 옥사이드를 코팅한 EPS 알갱이의 압축 이후 상태에 관한 연소 실험 비교사진이며, 보이는 바와 같이 종래 EPS 단열재 보드는 가열 후에 바로 연소되었으나, 본 발명에 따른 EPS 단열재 보드는 일정 시간이 지나도 바로 연소되지 않는 결과를 얻을 수 있었다.
출원인은 본 발명에 따른 그래핀 옥사이드를 포함하는 EPS 준불연 단열재에 관하여 준불연 인증 획득을 다음과 같은 조건 하에서 얻을 수 있었다.
- 한국산업규격 KS F ISO 5660-1dp 의 준불연 재료 기준과 한국산업규격 KS F 2271 의 가스유해성 시험결과 충족
- 가열시험 개시 후 10분간 총방출열량 8MJ/㎡ 이하
- 10분간 최대 열방출량이 10초 이상 연속으로 200kW/㎡ 미만
- 10분 가열 후 시험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구멍 및 응용 등의 미확인
- 가스유해성 시험결과, 실험용 쥐의 평균행동정지 시간 9분 이상
또한, 건설공사 품질시험기준 제8조 제1항의 준불연 성능도 충족하였다.
| 종별 | 시험종목 | 시험방법 | 시험빈도 | 비고 |
| 발포폴리 스티렌 단열재 (KS M 3808) |
겉모양, 치수, 밀도 | KS M 3808 | ·시공면적 1,000제곱미터마다 ·1,000매마다 |
준불연 시험성적서취득 |
| 굴곡 강도 | ||||
| 흡수량 | ||||
| 연소성 | ||||
| 초기 열전도율 | KS L 9016 | |||
| 장기 열전도율 | KS M ISO 11561 | |||
| 압축 강도 | KS M ISO 844 |
또한, 본 발명에 따른 제품은 자체 Pilot테스트 결과 기존 EPS 제품대비 약 40%의 연소시간 증가를 확인할 수 있었으며, 기존 EPS의 장점인 시공성, 경제성을 그대로 유지하며 준불연 성능을 획득이 가능한 기술적 차별성을 확보하였다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
본 발명에 따른 그래핀 옥사이드를 이용한 준불연 단열재 및 제조방법은 경제적이고 물성이 우수한 단열재에 이용될 수 있다.
1: EPS 준불연 단열재 GO: Graphene oxide(그래핀 옥사이드)
S 100: EPS 1차 발포 및 준비
S 200: 그래핀 옥사이드 1차 코팅
S 300: 스팀이용 압축
S 400: 스팀이용 코팅
S 500: 성형 및 건조
S 100: EPS 1차 발포 및 준비
S 200: 그래핀 옥사이드 1차 코팅
S 300: 스팀이용 압축
S 400: 스팀이용 코팅
S 500: 성형 및 건조
Claims (7)
- EPS(expanded polystyrene, 발포 폴리스티렌)를 이용한 준불연 단열재의 제조방법에 있어서,
원재료인 EPS 분말을 1차 발포하여 알갱이로 준비하는 단계;
상기 EPS 분말에 그래핀 옥사이드를 포함하는 첨가제를 혼합시켜 1차 코팅하는 단계;
건조 및 숙성하는 단계;
스팀을 이용하여 압축시키는 단계;
스팀을 이용하여 2차 코팅하는 단계; 및
성형 및 건조하는 단계; 를 포함하며,
상기 첨가제는 물, 그래핀 옥사이드, 난연제를 기 설정된 배합 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 준불연 단열재의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 첨가제에서 물과 그래핀 옥사이드의 배합 비율은 50:1 내지 150:1 의 비율로 혼합하여 마련되는 것을 특징으로 하는 준불연 단열재의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 첨가제에서 난연제와 그래핀 옥사이드의 배합 비율은 500,000:1 내지 700,000:1 의 비율로 혼합하여 마련되는 것을 특징으로 하는 준불연 단열재의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 원재료인 EPS 분말과 난연제의 혼합 비율은 4:1 내지 6:1의 비율로 혼합하여 마련되는 것을 특징으로 하는 준불연 단열재의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 준불연 단열재 100 제곱미터 생산 시 사용되는 상기 그래핀 옥사이드의 양은 0.1 내지 1.0 그램이며, 이때 상기 그래핀 옥사이드는 물을 상기 그래핀 옥사이드의 100배 내지 120배로 혼합 희석시켜 사용하는 것을 특징으로 하는 준불연 단열재의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 첨가제는 그래핀, 환원된 그래핀 옥사이드 및 CNT(탄소나노튜브) 중 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하여 사용하는 것을 특징으로 하는 준불연 단열재의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조되는 그래핀 옥사이드를 이용한 준불연 단열재.
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