KR20200090287A - 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법 - Google Patents

난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은, 강화섬유 복합재를 준비하는 제 1 단계; 준비된 강화섬유 복합재 중 하나를 단열 기능성 판재와 맞닿는 면에 접착층 형성을 위한 접착제를 도포하고, 접착제가 도포되어 형성된 접착층 상에 단열 기능성 판재를 적층하는 제 2 단계; 및 상기 단열 기능성 판재에 대해서 준비된 강화섬유 복합재 중 다른 하나와 맞닿는 면에 접착층 형성을 위한 접착제를 도포한 뒤 적층하여 샌드위치 구조의 적층체를 형성하는 제 3 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법은, 우수한 단열성을 보유하고 있으며 기계적 물성과 시공성이 우수하여 건축물의 바닥재, 벽재 및 지붕재 등의 구조재로서 사용이 가능고, 조립 또는 부착 등의 방법으로 기존 건축 구조물의 내, 외벽에 적용하여 동 건축 구조물의 단열 성능을 보강하는 소재로서 사용이 가능하며, 화재가 발생하였을 때에 화염의 확산을 방지하는 난연재료 또는 준불연재료로 적용되어 건축 구조물의 화재에도 대비할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법{Lightweight panel structure having high fire retardancy, process for producing thereof}
본 발명은 난연 특성과 단열 특성을 동시에 가지는 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 금속박을 그 표면에 가지는 강화섬유 복합재 시트가 외피재를 구성하고, 단열 특성이 우수한 발포체가 심재를 구성하며, 강화섬유 복합재 시트와 발포체가 샌드위치 구조의 적층구조를 형성하여 기계적 물성 및 내화 성능을 향상시키도록 하기 위한 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
복합재는 일반적으로 우수한 기계적 물성을 가진 강화재, 그리고 강화재를 특정 공간 내에서 변형되거나 이동하지 않도록 고정하여 강화재 고유의 기계적 물성을 발현할 수 있도록 하는 기지재가 기계적 혼합에 의하여 복합화되어 있으며, 이에 따라 강화재 및 기지재 단독으로는 발휘할 수 없는 기계적 물성을 가진 소재이다.
이러한 복합재는 수천년 전부터 사용된 식물의 줄기를 혼합한 흙벽돌에서부터 항공기의 동체에 사용되는 탄소섬유 복합재에 이르기까지 매우 오랜 역사를 가지고 있으며 매우 광범위하게 적용이 되고 있다.
유무기 강화재와 고분자 수지를 기지재로서 채용한 복합재가 근래 들어 광범위한 산업 영역에서 적용되고 있으며, 매우 우수한 기계적 성능과 기존 금속 소재 대비 낮은 비중을 특징으로 가지고 있다. 이에 따라 유무기 강화재와 고분자 수지를 기지재로서 채용한 복합재가 기존 금속 소재를 대체하여 부품 및 완제품의 중량을 감소시킴으로써 에너지 효율을 높이고자 하는 노력의 일환으로 항공 우주 산업, 풍력 발전 산업, 기계 산업, 수송기기 산업 등에서 금속 대체 소재로서 각광을 받고 있다.
또, 우수한 기계적 물성을 가진 경량 소재이면서 동시에 기존의 금속 소재 또는 무기 소재 대비 우수한 단열 성능을 가진 소재이므로 건축 구조물에 적용하여 에너지 소모를 줄이는 신소재로 적용하고자 하는 움직임이 시작되고 있다. 건축용 구조재로서 사용하기 위해서는 건축물 내, 외부의 온도 차이에 의한 열손실을 방지하여야 하는데, 이를 위하여 강화섬유 복합재 시트를 외피재로 하고 단열 기능성 발포체를 심재로 한 패널 구조물을 제작하여 사용할 수 있다. 패널 구조물의 기본적인 기계적 물성은 외피재의 기계적 물성과 심재를 통하여 접합된 다른 외피재까지의 거리를 주요 변수로 하여 표현할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 우수한 기계적 물성을 가지는 강화섬유 복합재 시트를 외피재로 하고 우수한 단열 특성을 가진 단열 기능성 소재를 심재로 하는 패널 구조물은 전단 응력, 축방향 응력 및 면방향 응력이 강하고 단열 성능이 우수하여 훌륭한 건축용 구조재 및 건축용 단열 소재 등 건축용 소재로 적용할 수 있을 것이다.
한편, 건축 구조물은 상업용, 주거용 등으로 구분을 할 수 있는데, 거의 모든 건축 구조물에 있어 업무 공간 또는 주거 공간을 외부와 분리하는 벽체와 슬라브 구조가 주요 요소이다. 이때, 벽체와 슬라브는 상기의 목적을 이루기 위한 기능 중 하나로서, 건축 구조물의 내부 분위기를 이용자가 원하는 조건으로 유지하는 기능을 한다. 특히, 벽체는 상부의 하중을 버티는 동시에 하부 벽체 및 슬라브에 전달해주는 구조적인 역할 외에도 외부 환경의 영향 차단, 내부 온습도 유지, 내외부에서 발생한 화재의 배면 확산 방지 등의 기능을 하며, 이를 위하여 벽체의 단열 특성과 내화 특성은 벽체의 구조 및 구성 요소를 결정짓는 매우 중요한 기준이 되고 있다. 우선, 벽체에 단열 기능을 부여하기 위해서는 구성 소재의 단열 특성을 이해하여야 한다. 벽체의 소재로는 철근 콘크리트, 콘크리트, 벽돌 등이 주로 사용되고 용도와 요구 조건에 따라 흙, 목재, 강판 패널 구조물(철강제 벽판) 등이 적용된다. 이들 소재들 중 무기계 소재와 금속 소재는 열전달 성능이 비교적 우수하여 건축 구조물의 벽체로서 단열 기능을 부여하기 위해서는 매우 두껍게 사용을 하여야 하는 문제가 있다. 목재는 무기계 소재와 금속 소재 대비 열전달 성능이 비교적 낮으나 여전히 건축 구조물의 내, 외부의 열전달을 차단하기에는 단열 성능이 부족하고, 강판 패널 구조물은 심재로서 발포체 또는 섬유 집속체를 사용하고 있으나 외피재가 금속 소재이므로 열전달을 효율적으로 차단하기는 어렵다는 문제가 있다. 다만, 철근 콘크리트 등 무기계 소재는 건축 구조물 내, 외부의 화재 상황에서 화재의 전파 방지, 화재의 배면 침투 방지, 구조물의 붕괴 방지 및 거주자의 탈출 시간 확보 등의 면에서 다른 소재들 대비 우수한 성능을 가지고 있다.
이와 같이, 건축 구조물을 이루는 벽체는 다양한 기능을 동시에 가져야하므로, 모든 성능을 요구 조건에 맞추기 어려운 문제가 있다. 상기와 같이 현재 적용되고 있는 대부분의 벽체 구조물은 단독으로 사용할 경우 단열 특성이 기본 요구 조건을 만족시키지 못하는 경우가 많으며, 이에 따라 부가적으로 열전달을 차단하는 성능이 우수한 단열 소재를 추가로 시공하여 단점을 보완하고 있는 것이 일반적이다.
열전달을 효율적으로 차단하기 위해서는 발포 구조가 도입된 유기 소재 또는 내부에 공기층을 다량 포함하고 있는 무기 섬유 집속체가 적용되는 것이 일반적인데, 가장 보편적으로 사용되고 있는 소재로는 발포 폴리스티렌, 발포 우레탄, 발포 폴리에틸렌 등의 유기 발포 소재와 글라스울, 미네랄울 등의 무기 섬유 집속체가 있다. 이들 단열 소재는 일반적으로 기존 건축 구조물의 내부 또는 외부에 부착이 되거나 벽체 내부에 배치하는 형태로 시공이 된다. 건축 구조물의 내부 또는 외부에 부착을 할 때에는 대개 금속재 브라켓을 벽체에 설치를 한 후에 단열 소재 판재 등을 부착하고, 이 단열 소재 판재 상부의 노출면에 보강재, 방수재, 외장재 등을 시공한다. 벽체 내부에 배치하는 형태로 시공을 할 때에는 벽체를 두께 방향으로 둘로 나누어 그 사이에 단열 소재를 적절히 배치하는 방법을 사용한다.
그런데, 이들 단열 소재는 열차단 성능을 높이기 위하여 내부에 기포를 다량 포함하거나 공기층을 다량 함유하는 것이 특징이므로, 소재 자체의 기계적 물성은 매우 낮을 수밖에 없다. 이러한 이유 때문에 단독으로 사용하였을 때에는 외부의 압축 및 충격에 매우 취약하고, 시공을 할 때에 시공자의 부주의에 따른 파손의 위험이 매우 크다는 문제점을 가지고 있다. 특히, 무기 섬유 집속체 계열의 단열 소재는 섬유의 응집력이 낮고 무기 소재의 특성상 잘 파손되는 문제가 있어 다루기가 매우 까다롭다. 또, 이와 같은 이유로 시공 중 파손의 위험을 줄이기 위하여 소재의 크기를 작게 제작할 수밖에 없다는 것도 시공할 때에 소요되는 시간이 길어지고 시공비가 상승하는 문제의 원인이다. 이들 단열 소재가 화재에 노출되었을 때에 무기 섬유 집속체 계열의 단열 소재는 스스로 타지 않고 화염에 비교적 잘 견디며 화염의 전파를 방지할 수 있으나, 유기 발포 소재는 주로 고분자 물질의 저밀도 발포체이므로 화염에 매우 취약하기 때문에, 화염에 노출되면 발화되어 화염을 전파시킬 수 있으며 난연 처리가 되어 있지 않으면 완전히 연소되어 벽체 구조물로서 화염 확산 방지의 기능을 전혀 할 수 없다는 문제가 있다. 상기 문제점들을 해결하기 위하여 유기 발포 소재의 전면에 두꺼운 불연재료를 부착한 형태의 소재를 적용하기도 하는데, 대개 무기질계 판재를 적용함에 따라 소재의 무게가 매우 무겁게 되고 크기가 제한되는 단점을 가지고 있다. 또, 소재의 무게가 매우 무겁기 때문에 벽면에 동 소재를 부착하거나 설치하고자 할 때에 그 하중을 견딜 수 있는 특별한 벽면용 부재를 미리 준비하여야 하고, 동 소재 자체에도 그 하중을 견딜 수 있는 특별한 패널용 부재를 부착하여 벽면용 부재에 설치하여야 한다. 무기 섬유 집속체의 경우에는 표면에 불연재료를 추가하여 사용하기도 하는데, 무기 섬유 집속체의 단열 성능이 유기 발포 소재 대비 현저하게 낮아 단열 성능 보강에는 효과가 크지 않은 실정이다.
따라서, 경량이면서 단열 성능이 우수하고, 기계적 물성이 우수하여 시공성이 양호한 동시에 구조재로서 작용할 수 있으며, 화염에 노출되었을 때에 화염의 전파를 방지할 수 있는 난연재료 또는 준불연재료인 경량 패널 구조물의 개발이 요구되고 있다.
관련 기술로서, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2009-0002266호 "인조대리석을 체결수단으로 사용하는 조립식 불연패널(Noncombustible panel for construction using Artificial Marble as Connecting Means)"은 패널 간의 조립을 위해 각각의 패널 단부에 인조대리석으로 만들어진 체결수단 및 목재로 만들어진 고정부재를 형성하여 패널을 고정한 후 암수 체결방식에 의해 연속적으로 패널들을 조립함으로써, 패널의 불연성을 향상시킴과 동시에 인조대리석의 취성에 구애받지 않고 패널 간의 조립을 원활하게 하여 시공성을 향상시킬 수 있고 패널, 체결수단, 고정부재 간의 접착력 및 결속력을 증대시킬 수 있는, 인조대리석을 체결수단으로 사용하는 조립식 불연패널을 제안한다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2011-0072805호 "건축용 패널 결합구조(COMBINATION STRUCTURE FOR PANEL)"는 건축용 패널 결합구조에 관한 것으로서, 간격을 두고 수직설치되는 H빔 구조물과, 상기 H빔 구조물의 전면에 수직 장착되고 양측 끝단이 다단 절곡 형성되면서 볼팅 결합되는 구조물 결합부재와, 상기 구조물 결합부재의 전면에 간격을 두고 설치되는 제 1 건축 내외장재와, 상기 구조물 결합부재와 제 1 건축 내외장재의 사이에 설치되고 상기 구조물 결합부재와 건축 내외장재를 고정 결합하는 결합수단을 포함하여 이루어짐으로써, 대리석, 복합패널, 불연보드, 샌드위치패널 등의 건축 내외장재를 이용하여 건축물의 외벽을 시공하는 과정에서 건축물의 벽체에 건축 내외장재를 안정적으로 시공할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 시공이 가능한 효과가 있다고 설명한다.
그러나 상기 소개된 기술들은 대리석 소재 등을 부착한 불연재료를 활용함으로써, 시공이 복잡하고, 소재가 무거워 시공이 어려우며, 시공하는데 많은 시간이 소요되고 비용이 증가하는 문제점이 있고, 단열 성능은 전혀 가지고 있지 않으며, 이러한 문제점은 금속 소재 등과 같은 불연재료의 경우에도 동일한 문제점이 발생한다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2013-0069421호 "건물의 드라이비트 마감블럭 및 이의 시공방법(Dryvit finishing block and construction method of the dri bit finishing block)"은 건물 벽면에 결합되는 결합부와, 상기 결합부와 일체로 형성되고 인접한 요소들 사이사이에 구획홈이 형성되어 있는 복수의 구획부들을 구비하며, 발포수지 재질로 이루어지는 발포체; 상기 구획부의 각 가장자리를 감싸는 형태로 그 구획부에 결합되는 복수의 보강체들; 상기 각 보강체 및 상기 발포체의 외부로 노출된 면에 형성되는 중간재층; 상기 중간재층의 외면에 도포됨으로써 형성되는 마감재층; 및 상기 발포체의 구획홈에 채워지는 채움재층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그러나 이 기술은 드라이비트 공법 및 이와 유사한 공법을 활용하며, 발포 소재를 단열 외장재 등으로 시공함에 있어서, 시공 방법이 복잡하고 화재가 발생하여 열을 받았을 때에 발포체의 용융으로 전체 단열 소재의 파괴, 붕괴 및 낙하 위험이 큰 한계점이 있다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2016-0017020호 "복사열저항 및 결로방지 성능이 보강된 건축용 유기질 단열재(BUILDING INSULATION REINFORCED ORGANIC RADIANT HEAT RESISTANCE AND ANTI-CONDENSATION PERFORMANCE)"는 유기질로 제작되며 건물의 외벽에 부착되어 외부환경을 차단하고 실내에 설정된 환경을 조성하는 적어도 하나의 단열부재; 상기 단열부재의 일측면이나 양측면에 각각 부착되며 내부에 복수의 중공층이 형성되어 있어 공기층을 통해 건물 내외부의 환경을 차단하는 복수의 공간층형성재; 및 상기 공간층형성재나 상기 단열부재의 일측면이나 양측면에 부착되어 반사율을 증대시켜 상기 공간층형성재와 함께 외부의 복사열 유입을 차단하고 방사율을 감소시키는 복수의 반사시트;를 포함하고, 한 쌍의 상기 반사시트는, 실내측에는 투습저항성을 이루어지도록 구멍이 형성되지 않고, 실외측에는 결로 배출이 이루어지도록 구멍이 형성되어, 건축물 에너지절약설계 기준에서 요구하는 규정 두께를 확보하면서 추가로 설치된 중공층(두께 10mm)과 알루미늄 포일에 의해 자체 방(복)사열량을 낮추고 실내측과 외부에서 유입되는 (냉 또는 온)복사열의 반사율을 높여 열손실을 최소화시킬 수 있는 기술을 제안한다.
그러나 이 기술과 같이 외부면에 알루미늄 포일을 입힌 유기계 단열재를 활용하거나, 유기계 발포 소재 상부면의 1면 또는 양면에 알루미늄 포일을 입혀 단열재로 사용시, 준불연재료로 인정되기도 하는데, 유기계 발포체와 알루미늄 포일 만으로 이루어져 있어 기계적인 성능은 가지고 있지 않고, 벽체 외부에 시공하는 용도로는 적합하지 않으며, 화염에 노출되었을 때에 형태 유지가 매우 어려운 것은 물론이고 알루미늄 포일과 유기계 발포 소재면이 분리되어 화재가 오히려 확산될 수 있다는 한계점이 있다.
대한민국 특허출원 출원번호 제10-2009-0002266호 "인조대리석을 체결수단으로 사용하는 조립식 불연패널(Noncombustible panel for construction using Artificial Marble as Connecting Means)" 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2011-0072805호 "건축용 패널 결합구조(COMBINATION STRUCTURE FOR PANEL)" 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2013-0069421호 "건물의 드라이비트 마감블럭 및 이의 시공방법(Drivit finishing block and construction method of the drivit finishing block)" 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2016-0017020호 "복사열저항 및 결로방지 성능이 보강된 건축용 유기질 단열재(BUILDING INSULATION REINFORCED ORGANIC RADIANT HEAT RESISTANCE AND ANTI-CONDENSATION PERFORMANCE)"
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 경량이면서 단열 성능이 우수하고, 기계적 물성이 우수하여 시공성이 양호한 동시에 구조재로서 작용할 수 있으며, 화염에 노출되었을 때에 화염의 전파를 방지할 수 있는 난연재료 또는 준불연재료를 제공하기 위한 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 제조방법은, 강화섬유 복합재를 준비하는 제 1 단계; 준비된 강화섬유 복합재 중 하나를 단열 기능성 판재와 맞닿는 면에 접착층 형성을 위한 접착제를 도포하고, 접착제가 도포되어 형성된 접착층 상에 단열 기능성 판재를 적층하는 제 2 단계; 및 상기 단열 기능성 판재에 대해서 준비된 강화섬유 복합재 중 다른 하나와 맞닿는 면에 접착층 형성을 위한 접착제를 도포한 뒤 적층하여 샌드위치 구조의 적층체를 형성하는 제 3 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명은, 샌드위치 구조의 적층체에 열과 압력을 가하여 접착제를 경화시켜서, 강화섬유 복합재, 단열 기능성 판재, 강화섬유 복합재 순으로 적층된 경량 패널 구조물을 형성하는 제 4 단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제 1 단계는, 강화섬유층을 구성하는 강화섬유 직물에 인계 난연제를 포함하는 분말상의 수지 조성물을 도포하고 도포된 강화섬유층의 상부 또는 상부와 하부에 금속박을 배치한 후, 상기 수지 조성물을 상기 강화섬유층을 구성하기 위한 강화섬유 직물에 함침 및 중합시켜 강화섬유 복합재를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 제 1 단계는, 준비된 강화섬유 복합재를 미리 설정된 길이로 재단하여 시트 형태로 2장을 준비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 제 2 단계는, 우선 1장의 시트 형태의 강화섬유 복합재를 작업대에 펼쳐 놓고, 시트 전면에 걸쳐서 앞서 설명한 종류의 접착제를 도포하여 생성된 접착층 상에 15 ~ 150kg/㎥의 밀도를 갖는 단열 기능성 판재를 배치하되, 상기 단열 기능성 판재가 접착제가 도포된 강화섬유 복합재 시트의 각 끝단에서 5 ~ 10cm 사이에서 돌출되도록 배치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물로서, 강화섬유 복합재, 상기 강화섬유 복합재의 하나와 단열 기능성 판재가 맞닿는 면에 접착층 형성을 위해 도입된 접착제, 상기 접착제가 도포되어 형성된 접착층 상에 적층된 단열 기능성 판재 및 상기 단열 기능성 판재에 대해서 상기 강화섬유 복합재의 다른 하나와 맞닿는 면에 접착층 형성을 위해 도입된 접착제에 적층된 강화섬유 복합재를 포함하여 샌드위치 구조의 적층체로 이루어진 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법은, 우수한 단열성을 보유하고 있으며 기계적 물성과 시공성이 우수하여 건축물의 바닥재, 벽재 및 지붕재 등의 구조재로서 사용이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법은, 조립 또는 부착 등의 방법으로 기존 건축 구조물의 내, 외벽에 적용하여 동 건축 구조물의 단열 성능을 보강하는 소재로서 사용이 가능한 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법은, 화재가 발생하였을 때에 화염의 확산을 방지하는 난연재료 또는 준불연재료로 적용되어 건축 구조물의 화재에도 대비할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 시험예에 따라 제조된 경량 패널 구조물 시험편의 열방출시험 및 가스유해성 시험 결과로서 공인 시험 기관의 준불연성 평가 결과이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)를 나타내는 도면이다. 이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)의 외피재 또는 외피를 구성하는 강화섬유 복합재(110)에 대하여 설명한다.
본 발명에 있어 외피재에 해당되는 강화섬유 복합재(110)는 강화섬유층(110a)에 난연제를 포함하는 수지 조성물(110b)을 도포, 함침 및 중합시킴으로써 제작된 시트 형태의 난연성 복합재로서 우수한 기계적 물성을 가지고 있으며, 강화섬유 복합재(110)는 그 두께 방향의 단면 또는 양면에 금속박(111)을 가지고 있어 외부에 노출된 금속박면이 화염으로부터 복사되는 열에너지를 반사하여 화재로 인한 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)의 연소를 억제하는 우수한 내화 성능을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)의 심재에 해당되는 단열 기능성 판재(120)에 대하여 설명한다. 본 발명에 있어 심재부를 구성하는 단열 기능성 판재(120)는 단열 기능을 가지는 소재로서, 판 형상을 가지며, 특히 단열성을 최대화하기 위하여 유기고분자 발포체, 유리 발포체 또는 광물(실리카 등) 발포체 등이 바람직하다.
가장 바람직하게는 폴리스티렌 수지 발포체, 폴리에틸렌테레프탈레이트수지 발포체, 폴리우레탄 수지 발포체, 페놀 수지 발포체, 폴리이소시아뉴레이트 수지 발포체, 유리 발포체 및 광물 발포체로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 발포체이다. 그러나, 상기 열거된 소재에 한정되는 것은 아니고, 단열 기능을 가지는 소재라면 적용이 가능하다. 패널 구조물의 중량을 최소한으로 유지하기 위해서는 단열 기능성 판재(120)의 밀도가 200 kg/㎥ 이하, 바람직하게는 150 kg/㎥이하인 것이 바람직하고, 동시에 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)이 화염에 노출된 경우의 구조적 건전성을 최적화하기 위해 15 kg/㎥ 이상의 밀도가 바람직하다. 단열 기능성 판재(120)의 밀도는 ASTM D1622에 준거해 측정된다. 단열 기능성 판재(120)는 소재의 종류 및 밀도에 따라 상이한 열 차단 성능을 가지므로, 건출물의 설계에 따라 요구되는 단열 성능에 부합하는 밀도 및 두께의 단열 기능성 판재(120)를 선택하여야 한다.
한편, 본 발명의 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 외피재 또는 외피를 구성하는 강화섬유 복합재(110)에 대하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 강화섬유 복합재(110)에 사용되는 강화섬유층(110a)은 일방향 섬유를 사용하는 것이 아니라, 직물 또는 부직포를 사용하는데 특징이 있다. 직물은 섬유들이 일정한 방향으로 교차하면서 배열되어 있으므로 복수 개의 방향으로 강화 효과를 가지면서 높은 기계적 물성을 구현할 수 있으며, 이축, 다축 등 다양한 형태의 직물도 사용 가능하기 때문에 원하는 제조 부품의 형태에 따라 물성을 최적화시킬 수 있다.
본 발명에 사용되는 강화섬유층(110a)에 사용되는 직물은 특별한 제한이 없으나, 기계적 물성의 측면에서, 강화섬유층(110a)을 구성하는 섬유사가 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드섬유로 이루어진 군에서 선택된 1 종 또는 2종 이상의 섬유사인 것이 바람직하다. 그리고, 본 발명에 따른 연속상 섬유 직물로서 상기 섬유사를 평직, 능직, 주자직 등의 직조 방법에 의하여 제작된 직물을 사용한다. 사용하는 연속상 섬유 직물의 선택은 요구하는 최종 제품의 물리적 성질, 기계적 물성과 기능에 따라 소재 및 직조 방법을 선택할 수 있다. 예를 들어, 최종 제품에 고강성이 요구될 때에는 탄소섬유를 적용하고, 충격 강도가 요구될 때에는 주로 아리미드섬유를 선택한다. 또한, 상기 연속상 섬유 직물을 혼합하여 사용할 수도 있다.
다음으로는 본 발명의 강화섬유 복합재(110)의 제조에 사용되는 수지 조성물(110b)에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 수지 조성물(110b)은 기지재료로서 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 사용할 수 있는데, 수지 조성물(110b)은 강화섬유층(110a)에 함침되어 복합화함으로써, 동 복합재의 기계적 물성을 발현하게 된다.
본 발명에 있어 강화섬유 복합재(110)의 수지 조성물(110b)은 인계 난연제, 무기계 난연제 또는 기타 난연제를 포함하여 난연성능을 가지는 데에 특색이 있다. 본 발명에 사용되는 인계 난연제는 특별한 제한은 없으나, 알킬 및 아릴 포스페이트, 포스포네이트, 포스피네이트 및 포스핀 옥사이드가 포함된다. 난연제 화합물의 예로는 트리페닐포스페이트, 트리크레실 포스페이트, 트리자일릴포스페이트, 크레실 다이페닐 포스페이트, 다이페닐 자일릴 포스페이트, 2-바이페닐릴 다이페닐 포스페이트, 부틸화 트리페닐 포스페이트, 3급-부틸페닐 다이페닐 포스페이트, 비스-(3급-부틸페닐)페닐포스페이트, 트리스(3급-부틸페닐)포스페이트, 트리스(2,4-다이-3급-부틸페닐) 포스페이트, 아이소프로필화트리페닐 포스페이트, 아이소프로필화 트리페닐 포스페이트잔기, 아이소프로필화 3급-부틸화 트리페닐포스페이트, 3급-부틸화 트리페닐 포스페이트, 아이소프로필페닐 다이페닐 포스페이트, 비스(아이소프로필페닐) 페닐포스페이트, 3,4-다이아이소프로필페닐 다이페닐 포스페이트, 트리스(아이소프로필페닐) 포스페이트, (1-메틸-1-페닐에틸)페닐 다이페닐 포스페이트, 노닐페닐 다이페닐 포스페이트, 4-[4-하이드록시페닐(프로페인-2,2-다이일)]페닐 다이페닐 포스페이트, 4-하이드록시페닐 다이페닐 포스페이트, 레소시놀 비스(다이페닐 포스페이트), 비스페놀 A 비스(다이페닐 포스페이트), 비스(다이톨릴) 아이소프로필리덴다이-p-페닐렌 비스(포스페이트), 다이아이소데실 페닐포스페이트, 다이부틸 페닐 포스페이트, 메틸 다이페닐 포스페이트, 부틸 다이페닐 포스페이트, 2-에틸헥실 다이페닐 포스페이트, 다이페닐 옥틸 포스페이트, 아이소옥틸 다이페닐 포스페이트, 다이페닐 아이소데실 포스페이트, 아이소프로필 다이페닐 포스페이트, 다이페닐 라우릴 포스페이트, 테트라데실 다이페닐 포스페이트, 세틸다이페닐 포스페이트, 타르산 크레실릭 다이페닐 포스페이트, 다이페닐 2-(메타크릴로일옥시)에틸 포스페이트,트리에틸 포스페이트, 트리(뷰톡시에틸)포스페이트, 3-(다이메틸포스포노) 프로피온산 메틸로아마이드, 다이메틸 메틸 포스포네이트, 다이에틸 에틸 포스포네이트, 다이메틸 프로필 포스포네이트, 다이에틸 [(다이에탄올아미노)메틸]포스포네이트, 비스[(5-에틸-2-메틸-1,3,2-다이옥사포스포리난-5-일)메틸] 메틸 포스포네이트, P,P'-다이옥사이드, (5-에틸-2-메틸-1,3,2-다이옥사포스포리난-5-일)메틸 다이메틸 포스포네이트 P-옥사이드, 알루미늄 비스(4,4',6,6'-테트라-3급-부틸-2,2'-메틸렌다이페닐 포스페이트) 하이드록사이드, 비스[p-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페닐] 수소 포스페이트, 포스피닐리다인트리메탄올, 2급-부틸비스(3-하이드록시프로필)포스핀옥사이드, 트리스(3-하이드록시프로필)포스핀 옥사이드, 아이소부틸비스(하이드록시프로필) 포스핀 옥사이드, 아이소부틸비스(하이드록시메틸) 포스핀 옥사이드, 트리페닐포스핀 모노옥사이드 및 트리스(2,3-에폭시프로필) 포스페이트, 폴리포스페이트, 암모늄 폴리포스페이트 등을 사용할 수 있고, 무기계 난연제는 특별한 제한은 없으나, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 등을 사용할 수 있고, 기타 난연제로서 팽창 흑연, 산화몰리브덴 등을 사용할 수 있고, 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 있어, 강화섬유 복합재(110)를 구성하는 수지 조성물(110b)은 고체 입자상의 고분자 단랑체 또는 고체 입자상의 수지가 사용되는 것에 특징이 있다.
한편, 강화섬유 복합재(110)를 구성하는 수지 조성물(110b)은 강화섬유층(110a)을 구성하고 있는 유리섬유나 아라미드섬유 또는 탄소섬유 사이로 침투 및 함침이 용이하도록 용융 점도가 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 분자량이 높은 수지 조성물(110b)을 사용할 경우, 수지 조성물(110b)의 용융 점도가 높아 강화섬유층(110a)으로 충분히 침투하여 함침이 되지 않기 때문에 공극이 다량 발생하고 수지와 결합하지 않은 건조한(dry) 상태의 강화섬유가 존재하여 강화섬유 복합재(110)의 기계적 물성을 발현할 수 없기 때문이다.
일반적으로 강화섬유 복합재(110)를 제조할 경우, 강화섬유층(110a) 소재를 기지재료 소재에 해당하는 수지 조성물(110b)이 감싸는 형태로 제작이 되는데, 이때 기지재료가 강화섬유 소재에 충분히 함침되어야 하며, 함침도가 높을수록 제조된 강화섬유 복합재(110)의 기계적 물성이 우수해진다. 하지만, 중합이 완료된 수지 조성물(110b)을 기지재료로서 사용하면 내열성과 충격강도 등 열적, 기계적 물성이 우수한 반면, 동 수지 조성물(110b)은 점탄성을 가지고 있으며, 용융점도가 매우 높아 강화섬유층(110a) 사이로 함침이 되기 매우 어렵기 때문에, 강화섬유의 함량이 높은 고성능 복합재 제조가 어려운 한계점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 시트 몰딩 컴파운드(Sheet Molding Compound, SMC), 벌크 몰딩 컴파운드(Bulk Molding Compound, BMC) 등의 공법들이 개발되어 일부 제품에 적용 중이지만, 이러한 공법에 적용되는 수지 조성물(110b)은 극히 한정된 종류의 열경화성 수지를 이용하므로 제작에 필요한 비용과 시간이 많이 소모될 뿐만 아니라, 소재의 재사용에 불리한 단점이 있다
또한, 강화섬유층(110a) 내부의 섬유 사이로 수지 조성물(110b)이 충분히 함침이 되지 않아 수지 조성물(110b)이 냉각, 고체화된 후, 함침이 부족한 부분은 피로파괴의 시발점이 되는 내구력 문제를 내포하고 있다. 본 발명에서는 이와 같은 단점을 해결하고자 연구 노력한 결과, 강화섬유층(110a)을 구성하는 강화섬유 사이로 수지 조성물(110b)의 침투가 용이하고, 함침율이 높으며, 궁극적으로 복합재의 물성 향상을 유도할 수 있는 소재를 사용하였다.
더욱 구체적으로, 초기에는 분말 형태의 단분자 구조를 가지고 있고, 이를 가열하면 용융점 이상의 온도에서 점도가 매우 낮으며, 점도가 낮은 상태에서 강화섬유층(110a)의 강화섬유 사이로 침투가 용이하게 일어나는 수지 조성물(110b)을 이용하거나, 용융 점도가 매우 낮고 흐름성이 우수한 분말 형태의 열가소성 수지를 이용하였다.
이러한 수지 조성물(110b)에 사용되는 고체 입자상의 고분자 단량체는 주로 열가소성 수지의 단량체로서 그 입자 사이에 분산된 공지의 촉매에 의해 후술하는 처리에 따라 고분자로 중합되어 강화섬유층(110a)에 함침이 된다. 강화섬유층(110a)에 함침이 되는 기지재료로서 고분자 단량체를 사용하는 이유는, 전술한 바와 같이 고분자를 사용하는 경우 높은 용융 점도로 인하여 섬유로 이루어진 강화섬유층(110a)에 함침이 어렵기 때문이다. 단량체는 낮은 분자량으로 인해 용융 점도가 매우 낮다.
따라서, 본 발명에 있어서 고체 입자상의 고분자 단량체는 강화섬유층(110a)에 함침이 잘 될 수 있도록 낮은 용융점도를 갖는 것이라면, 단량체는 물론 올리고머나 프리폴리머도 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 고체 입자상의 수지조성물(110b)은 중합이 완료된 열가소성 수지 또는 경화 반응 이전이거나 일부 경화 반응이 일어난 열경화성 수지로서, 중합이 완료된 열가소성 수지는 적절한 중합도를 가지고 있어 기계적 물성이 우수하면서 용융 점도가 낮아 강화섬유층(110a)에 함침이 용이한 소재를 사용하여야 하고, 열경화성 수지는 경화 반응 이전이거나 일부만 경화 반응이 완료되었을 때에는 고체 입자상의 수지조성물(110b)이 용융되었을 때에 점도가 매우 낮으므로, 강화섬유층(110a)에 대한 침투 및 함침이 용이하다.
본 발명에 사용되는 고체 입자상의 중합이 완료된 열가소성 수지의 수평균분자량은 1,000 내지 90,000인 것이 특징이다. 분자량이 1,000 미만일 경우에는 분자량이 낮은 수지로 인하여 강화섬유 복합재(110)의 물성 저하가 일어나기 쉽고, 분자량이 90,000을 초과할 경우에는 수지의 용융 점도가 매우 높아 용융이 되더라도 흐름성이 좋지 아니하여 함침성이 불량해진다.
한편, 수지 조성물(110b)의 입자의 크기로는 50% 입경이 30 내지 300㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다. 30㎛ 미만에서는 사용할 때에 미립자가 공기 중에 확산되는 문제가 있어 취급성이 좋지 않으며 입자가 서로 뭉치는 현상을 일으킬 수 있고, 300㎛를 초과할 때에는 사용할 때에 가공성과 함침성이 불충분하게 된다. 전술한 구성의 수지 조성물(110b)은 분말 형태를 가지고 있는 구성이며, 고체 입자상의 고분자 단량체는 중합 촉매를 열가소성 수지의 단량체 용융액에 첨가하여 분산시킴으로써 용이하게 준비할 수 있으며, 중합이 완료된 열가소성 수지는 동 수지의 펠렛 또는 그래뉼을 상온 또는 저온 분쇄에 의하여 분말로 가공하여 고체 입자상의 수지를 용이하게 얻을 수 있고, 경화 반응 이전이거나 일부 경화 반응이 일어난 열경화성 수지는 경화 촉매를 열경화성 수지의 용융액 또는 용액에 분산시킨 후 냉각 또는 건조에 의하여 얻어지는 그래뉼 또는 괴상 수지 조성물을 분쇄하여 용이하게 얻을 수 있다.
이때, 경화 촉매가 분산된 열경화성 수지의 용융액을 경화 반응이 개시되는 온도까지 높이거나 경화 촉매가 분산된 열경화성 수지의 용액을 경화 반응이 개시되는 온도까지 높여 건조하여 일부 열경화성 수지가 경화 반응을 일으키도록 한 후 냉각 또는 건조하여 고체 입자상의 수지 조성물(110b)을 얻을 수 있다. 고체 입자상의 수지 조성물(110b) 분말은 후술하는 산포 공정을 통해 강화섬유층(110a)의 표면에 분산시켜 사용하므로, 분말 이외에 그래뉼, 펠렛 등 모든 형태를 포함하는 의미로 해석되어야 한다. 입자로 구성된 분말을 강화섬유층(110a) 위에 균일하게 산포시킴에 따라 강화섬유층(110a)의 표면은 수지 조성물(110b)로 덮이게 되며, 분말의 산포 두께에 따라 강화섬유층(110a)과 수지 조성물(110b)의 부피비를 조절할 수 있다.
상기 고분자 단량체로는 카프로락탐, 사이클로부틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종의 수지가 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 중합이 완료된 열가소성 수지로는 폴리아미드계 수지 조성물, 폴리카보네이트계 수지 조성물, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지 조성물, 폴리부틸렌테레프탈레이트계 수지 조성물, 폴리올레핀계 수지 조성물, 폴리케톤계 수지 조성물, 열가소성 폴리우레탄계 수지 조성물로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종의 수지가 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 그리고, 상기 경화 반응 이전이거나 일부 경화반응이 일어난 열경화성 수지는 에폭시계 수지 조성물, 불포화 폴리에스테르계 수지 조성물, 비닐 에스테르계 수지 조성물, 우레탄계 수지 조성물, 페놀계 수지 조성물, 멜라민계 수지 조성물로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종의 수지가 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 전술한 바와 같이 상기 수지 조성물은 난연 성능을 부여하기 위하여 난연제를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 수지 조성물은 내자외선 안정제, 색상 조절 첨가제, 흐름성 개선제, 점도 증진제 등을 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어, 강화섬유 복합재(110)는 그 두께 방향의 단면 또는 양면에 금속박(111)을 가지는 것을 특징으로 한다. 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)은 전술한 바와 같이 다양한 장점을 가지고 있어 우수한 다기능 건축용 소재로서 적용이 가능하지만, 동 구조물을 구성하고 있는 구성 요소 중에서 표피재인 강화섬유 복합재(110)는 강화섬유층(110a)을 구성하는 강화섬유 직물에 유기 소재인 수지 조성물(110b)을 함침하여 제조하는 소재이므로 고온에 노출이 되면 강화섬유층은 불연재료 또는 난연재료이므로 화재를 전파하지 않고 형태를 유지할 수 있지만, 기지재료인 수지 조성물의 용융, 분해, 발화 및 이에 따른 불꽃의 전파 가능성이 높다. 또한 심재로 사용되는 단열 기능성 판재(120)의 경우 일반적으로 유기고분자 발포체가 사용되므로, 표피재의 분해 이후 심재의 용융, 분해 발화 및 불꽃의 전파 가능성이 있다. 그러므로, 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)이 고온 또는 화재에 노출되었을 때에 표피재가 열에너지를 효과적으로 차단할 수 있다면, 열과 불꽃에 의한 표피재와 심재의 파괴를 지연시킬 수 있으며 이로 인하여 귀중한 생명과 재산을 화재로부터 보호할 수 있게 된다.
화재가 발생하면 이에 따라 발생하는 열에너지는 전도, 복사 및 대류에 의하여 건축 구조물에 전달이 되는데, 건축 구조물을 구성하는 소재의 표피재가 불연재료가 아닌 경우에는 이 표피재가 열에너지에 노출됨에 따라 열분해가 일어나면서 가연성 가스가 방출되고, 이 가연성 가스가 공기와 혼합된 혼합 가스가 열에너지에 의하여 착화되거나 불꽃에 의하여 연소가 진행되어 화재가 전파되게 된다. 이때, 금속박(111)이 복사에 의한 열에너지를 차단하고 가연성 가스가 공기와 만나지 못하도록 하면, 화재의 전파를 효과적으로 차단할 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 강화섬유 복합재(110)는 그 두께 방향의 단면 또는 양면에 금속박(111)을 가지고 있어, 복사에 의하여 전달되는 열에너지를 반사하여 내부의 유기 소재에 열에너지가 전달되는 것을 차단하고, 대류나 전도에 의하여 전달된 열에너지로 인하여 강화섬유 복합재(110) 내부에서 발생할 수 있는 가연성 가스가 공기와 혼합되는 것을 막아 준다.
또한, 금속박(111)은 심재인 단열 기능성 판재(120)의 열분해에 의한 가연성 가스가 외부에 노출되지 않도록 차단하는 역할도 한다.
금속박(111)은 강화섬유 복합재(110)를 제조할 때에 강화섬유층(110a)을 구성하는 강화섬유와 수지 조성물(110b)을 구성하는 기지재료 혼합물의 상부 또는 상부와 하부에 투입이 되어 기지재료에 접착이 되어 동 강화섬유 복합재(110)의 외피를 형성한다. 금속박(111)으로는 알루미늄박, 스테인레스박, 동박, 금박, 은박, 티타늄박 등으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 금속 소재가 적용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 경량 패널 구조물의 접착층(130)에 대하여 설명한다. 본 발명의 접착층은 심재(130)에 해당되는 단열 기능성 판재(120)와 외피재에 해당되는 강화섬유 복합재(110)가 결합되도록 하는 역할을 한다. 접착층(130)은 강화섬유 복합재(110)상에 1액형 우레탄계 수지, 1액형 난연성 우레탄계 수지, 2액형 우레탄계 수지, 2액형 난연성 우레탄계 수지, 에폭시계 수지 또는 난연성 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 수지 접착제를 도포함으로써 형성된다. 본 발명에 사용되는 우레탄계 수지는 1액형 또는 2액형이 사용될 수 있고, 원재료 중 폴리올 소재로서 PEG-1000, PEG-2000, PEG-3000, PPG-1000, PPG-2000, PPG-3000 또는 TMP(trimethyol propane)을 사용할 수 있고, 이소시아네이트 소재로서 XDI(1,3-xylyene diisocyanate), TDI(toluenediisocyanate), MDI(4,4' -methylenedbis(phenylisocyanate)), NDI(1,5-naphthalene diisocyanate), p-TMXDI(p-1,1,4,4-tertramethylxylylene diisocyanate), TODI(bitolylene diisocyanate), TMDI(1,6-diisocyantate-2,2,4,4-tetramethylhexane), 또는 CHDI(1,4-cyclohexane diisocyanate)를 사용할 수 있으며, 블로킹 소재로서 페놀, 노닐페놀, 카프로락팀 또는 옥심(oximes)을 사용할 수 있다.
한편 본 발명에서는 패널 구조물 구조물의 난연성을 향상시키기 위하여 인계 난연제를 접착층(130)을 구성하는 접착제에 혼합할 수 있다. 접착제에 혼합되는 난연제는 상술한 강화수지 복합재의 수지조성물에 적용되는 인계 난연제가 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 인계 난연제는 우레탄 수지 100 중량부 대비 5 내지 40 중량부 만큼 첨가하는 것이 바람직하다. 즉, 접착제에 혼합되는 난연제의 첨가량이 5 중량부 미만이면 난연 성능이 떨어지고 40 중량부를 초과하면 접착 성능이 저하될 뿐만 아니라 난연제의 블리드 아웃 현상이 발생될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하며, 본 발명에 따른 경량 패널 구조물(100)을 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)의 제조방법은, 강화섬유층(110a)을 구성하는 강화섬유 직물에 인계 난연제를 포함하는 분말상의 수지 조성물(110b)을 도포하고 이들 상부 또는 상부와 하부에 금속박(111)을 배치한 후, 수지 조성물(110b)을 강화섬유층(110a)을 구성하기 위한 강화섬유 직물에 함침 및 중합시켜 생성된 강화섬유 복합재(110)를 2개를 준비한다(S11).
보다 구체적으로, 강화섬유 복합재(110) 제조에 있어서, 먼저 두께 2.0mm 시험편으로서 UL 94 규격의 수직 불꽃 시험에서 V-0 기준을 만족하는 난연성 수지 조성물(110b)을 준비한다. 난연성 수지 조성물(110b)은 전술한 종류의 고체 입자상의 고분자 단량체 또는 고체 입자상의 수지 및 인계 난연제를 포함하며, 할로겐계 난연제를 사용하지 않아 화재가 발생하였을 때 유해 가스 발생량이 적은 장점이 있다. 전술한 종류의 강화섬유층(110a) 형성을 위한 강화섬유 직물을 준비한 후, 강화섬유 직물 상에 미리 계산된 중량의 난연성 수지 조성물(110b)을 도포하여 강화섬유와 기지재료의 혼합물을 준비한다. 이때, 금속박(111)을 강화섬유와 기지재료 혼합물의 상부 또는 하부의 일부 또는 전체에 준비한다.
이와 같이 준비된 원료 적층체를 승온하고 가압하여 난연성 수지 조성물이 강화섬유 직물에 함침되고 중합되어 일체화가 되는 동시에 금속박(111)을 접착하여 강화섬유 복합재(110)를 얻는다.
단계(S11) 이후, 2개의 강화섬유 복합재(110) 중 하나를 단열 기능성 판재(120)와 맞닿는 면에 접착층(130) 형성을 위한 접착제를 도포한다(S12).
단계(S12) 이후, 접착제가 도포되어 형성된 접착층(130) 상에 단열 기능성 판재(120)를 적층한다(S13).
단계(S13) 이후, 단열 기능성 판재(120)에 대해서 2개의 강화섬유 복합재(110) 중 남은 하나와 맞닿는 면에 접착층(130) 형성을 위한 접착제를 도포한다(S14).
단계(S14) 이후, 단계(S14)에서 형성된 접착층(120) 상에 2개의 강화 섬유 복합재(110) 중 남은 하나를 강화섬유 복합재(110)에 적층하여 샌드위치 구조의 적층체를 형성한다(S14).
단계(S14) 이후, 샌드위치 구조의 적층체에 열과 압력을 가하여 접착제를 경화시킴으로써, 강화섬유 복합재(110), 단열 기능성 판재(120), 강화섬유 복합재(110) 순으로 적층된 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)을 형성한다(S15).
한편 단계(S12) 내지 단계(S15)의 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)의 제조 과정에 대해서 구체적으로 살펴보면, 단계(S11)에서 얻어진 강화섬유 복합재(110)를 소정의 길이로 재단하여 시트 형태로 2장을 준비한다. 준비된 시트 형태의 강화섬유 복합재(110)의 길이는 사용목적에 따라 필요한 길이로 재단하면 된다. 이후, 단계(S12)에서와 같이 우선 1장의 시트 형태의 강화섬유 복합재(110)를 작업대에 펼쳐 놓고, 시트 전면에 걸쳐서 앞서 설명한 종류의 접착제를 적정량 도포한다. 이후 단계(S13)에서는 단계(S12)에서 생성된 접착층(130) 상에 15kg/㎥ 내지 150kg/㎥의 밀도를 갖는 단열 기능성 판재(120)를 배치한다. 단열 기능성 판재(120)의 두께 역시 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)의 사용목적에 맞게 적절히 조절할 수 있다. 단열 기능성 판재(120)를 배치함에 있어서, 단열 기능성 판재(120)가 접착제가 도포된 강화섬유 복합재(110) 시트의 각 끝단에서 5 내지 10cm 가량 튀어나오도록 배치하는 것이 바람직하다. 단열 기능성 판재(120)와 강화섬유 복합재(110) 시트 사이에는 접착제를 투입하여 완전히 결합이 되도록 하거나, 걸쇠를 이용하여 서로 움직이지 않도록 고정시킬 수 있다.
강화섬유 복합재(110) 시트와 단열 기능성 판재(120)가 접착제에 의하여 완전히 고정된 후에는, 단계(S14)에서와 같이 단열 기능성 판재(120)의 상부 전면에 걸쳐 다시 접착제를 적정량 도포한다. 접착제의 도포를 마친 후에는 단계(S15)에서와 같이 준비한 강화섬유 복합재(110) 시트 1장을 접착제가 도포된 단열 기능성 판재(120) 위에 배치하되, 동 단열 기능성 판재(120)를 벗어나지 않도록 주의하여 놓는다. 단, 강화섬유 복합재(110) 시트를 준비하는 각 단계에서, 금속박(111)이 부착된 면이 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)을 구성하는 재료의 적층체의 두께 방향에 있어 외부에 노출이 되도록 배치하여야 한다.
상기의 공정으로 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)을 구성하는 재료의 적층이 완료되면, 단계(S16)에서와 같이 동 적층체를 이동시켜 열판이 장치된 프레스에 넣어 열과 압력을 가한다. 이때 열판의 온도는 제조사에서 제공한 접착제의 경화 온도 조건에 맞추는 것이 바람직하다. 접착제를 완전히 경화시켜 단열 기능성 판재(120)와 강화섬유 복합재(110) 시트를 접착시킴으로써 난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)을 얻는다.
이하 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 하기 시험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[시험예에 따른 강화섬유 복합재(110) 시트의 제조]
선밀도 1,200tex인 유리섬유 로빙을 사용하여 제직한 평량 580g/m2인 유리섬유 직물을 준비한다. 두께 2.0mm 시험편으로서 UL 94 규격의 수직 불꽃 시험에서 V-0 기준을 만족하는 난연 에폭시 수지 조성물을 준비한다. 이때 상기 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지, 개질 수지, 경화제, 경화촉진제 및 인계 난연제로서 트리페닐포스페이트를 포함한다.
폭 1.6 m이고 두께가 20 ㎛인 알루미늄박 롤을 풀어 운반 벨트에 놓고 일정한 속도로 이동시킨다. 이어서 준비된 폭 1.5m의 유리섬유 직물 롤 1겹을 운반 벨트에서 이동하는 알루미늄박 상부에 풀어 놓고 알루미늄박과 동일한 속도로 이동시키면서 계산된 중량의 난연 에폭시 수지 조성물을 상기 유리섬유 직물 상부에 도포한 후, 유리섬유 직물 1겹을 상기 난연 에폭시 수지 조성물 위에 위와 동일한 방법으로 롤에서 풀어 이동시키면서 덮는다. 상기 유리섬유 직물 상부에 폭 1.6m이고 두께가 20 ㎛인 알루미늄박을 풀어 이동시키면서 덮는다. 준비된 원료를 연속적으로 가압하면서 열을 가하여 수지를 용융시킨 후, 유리섬유 사이에 수지를 함침시키면서 화학반응을 유도하여 수지 조성물의 함침 및 중합 반응이 완료된 일정한 두께의 강화섬유 복합재(110) 시트를 얻는다.
[ 시험예에 따른 경량 패널 구조물의 제조]
상기의 공정에서 얻어진 유리섬유 복합재 시트를 길이 9.5m로 2장을 재단한다. 우선 1장의 상기 유리섬유 복합재 시트를 작업대에 펼쳐 놓고, 난연제로서 트리에틸포스페이트를 첨가한 우레탄계 접착제를 시트 전면에 걸쳐 적정량을 도포한다. 초기 열전도율 0.030 W/mK이고 밀도가 30 kg/m3인 폴리스티렌 수지 발포체 판재를 준비한다. 도포된 접착층 위에 두께 148mm인 폴리스티렌 수지 발포체 판재를 배치하되, 상부에서 내려 본 경우 상기 우레탄계 접착제가 도포된 유리섬유 복합재 시트의 각 끝단에서 폴리스티렌 수지 발포체 판재가 7cm 가량 튀어 나오도록 놓는다. 배치된 폴리스티렌 수지 발포체 판재가 유리섬유 복합재 시트 상에서 움직임이 없이 완전히 결합이 되도록 걸쇠를 이용하여 고정시켰다.
폴리스티렌 수지 발포체 판재가 우레탄계 접착제가 도포된 유리섬유 복합재 시트 상에 완전히 배치가 되면, 폴리스티렌 수지 발포체 판재의 상부 전면에 걸쳐 상기 우레탄계 접착제를 적정량 도포한다. 우레탄계 접착제가 완전히 도포되면 준비한 강화섬유 복합재(110) 시트 1장을 우레탄계 접착제가 도포된 폴리스티렌 수지 발포체 판재 위에 배치하되, 폴리스티렌 수지 발포체 판재를 벗어나지 않도록 주의하여 놓는다.
상기의 공정으로 패널 구조물의 원료 적층이 완료되면, 동 적층된 원료를 이동시켜 열판이 장치된 프레스에 넣고 프레스를 닿는다. 제조사에서 제공한 우레탄계 접착제의 경화 온도 조건에 맞추어 열판의 온도를 설정한 후, 우레탄계 접착제를 완전히 경화시켜 폴리스티렌 수지 발포체 판재와 복합재 시트를 접착시켜 경량 패널 구조물을 얻는다.
[ 시험예에 따른 경량 패널 구조물의 기계적 물성의 평가]
상기 공정으로 제작된 경량 패널 구조물을 각각 폭 995mm, 길이 2,395mm로 3개를 재단하여 KS F 4724에 준하여 면내 전단강도, 축방향 압축강도 및 분포압 강도를 측정하였다. 각각의 기계적 물성의 측정 결과값은, 면내 전단강도 1,875 N/m, 축방향 압축강도 31,216 N/m, 분포압 강도 5,310 N/m2으로 각 시험 결과값은 최대 하중 측정값의 2/3에 해당한다.
난연성이 우수한 경량 패널 구조물(100)을 KS F 2273에 준하여 열관류율을 측정한 결과, 열관류율이 0.23 W/(m2·K)로 측정되었다.
동 경량 패널 구조물 구조물의 단위 면적당 무게는 8.8kg/m2으로 단열성 및 두께에 비하여 매우 경량임을 확인할 수 있다.
[ 시험예에 따른 경량 패널 구조물의 내화 성능의 평가]
상기 공정으로 제작된 경량 패널 구조물의 내화 성능을 평가하기 위하여, 건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준(국토교통부 고시 제2015-744호)에 준하여 열 방출율 및 가스유해성 시험을 시행하였다. 동 경량 패널 구조물의 두께 방향 일 면에 강화섬유 복합재(110) 시트를 포함하고 반대면에 심재가 노출이 되도록 시험편을 제작하여 cone calorimeter 시험용 시험편을 준비하였다. 동 경량 패널 구조물을 재단하여 가스유해성 시험용 시험편을 준비하였다.
시험 결과 동 경량 패널 구조물의 열방출 시험 및 가스유해성 시험 측정결과, 모두 준불연재료 판정기준치를 만족하는 것으로 확인되었다. 즉, 본 발명에 따른 단열재는 준불연재료 이상에 해당하는 고성능 복합재임을 알 수 있다. (도 4a 및 도 4b 참조)
본 발명에서 난연제의 다른 실시예로, 몰리브덴산 안티몬, 수산화알미늄, 산화몰리브덴, 수산화마그네슘 중 어느 하나 또는 2종 이상 혼합한 것을 사용한다. 특히 수산화알미늄(Al(OH)3)은 상술한 심재에 해당되는 단열 기능성 판재(120)가 내열성을 최대화하기 위하여 유기고분자 발포체, 유리 발포체 또는 광물(실리카 등) 발포체 등으로 형성되는 경우, 열이 가해져서 500℃ 이상이 되면 미세 다공질이 무수히 많은 활성알루미나로 변화되어 흡착 성능을 가지게 되므로 연소시 발생하는 다이옥신, 염화수소가스(HCl) 등 유해 물질을 흡착하며 열 분해시 흡열 반응을 하여 냉각 효과도 있고 불연성으로서 내수, 내산성이 우수하다. 또한 상기 난연제들을 병용 사용하여 난연 효과의 향상을 기대할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다.
이상 설명한 본 발명에 따른 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법은, 우수한 단열성을 보유하고 있으며 기계적 물성과 시공성이 우수하여 건축물의 바닥재, 벽재 및 지붕재 등의 구조재로서 사용이 가능하고, 조립 또는 부착 등의 방법으로 기존 건축 구조물의 내, 외벽에 적용하여 동 건축 구조물의 단열 성능을 보강하는 소재로서 사용이 가능하며, 화재가 발생하였을 때에 화염의 확산을 방지하는 난연재료 또는 준불연재료로 적용되어 건축 구조물의 화재에도 대비할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 난연성이 우수한 경량 패널 구조물
110 : 강화섬유 복합재
110a : 강화섬유층
110b : 수지 조성물
111 : 금속박
120 : 단열 기능성 판재
130 : 접착층

Claims (6)

  1. 강화섬유 복합재를 준비하는 제 1 단계;
    준비된 강화섬유 복합재 중 하나를 단열 기능성 판재와 맞닿는 면에 접착층 형성을 위한 접착제를 도포하고, 접착제가 도포되어 형성된 접착층 상에 단열 기능성 판재를 적층하는 제 2 단계; 및
    상기 단열 기능성 판재에 대해서 준비된 강화섬유 복합재 중 다른 하나와 맞닿는 면에 접착층 형성을 위한 접착제를 도포한 뒤 적층하여 샌드위치 구조의 적층체를 형성하는 제 3 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    샌드위치 구조의 적층체에 열과 압력을 가하여 접착제를 경화시켜서, 강화섬유 복합재, 단열 기능성 판재, 강화섬유 복합재 순으로 적층된 경량 패널 구조물을 형성하는 제 4 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 단계는,
    강화섬유층을 구성하는 강화섬유 직물에 인계 난연제를 포함하는 분말상의 수지 조성물을 도포하고 도포된 강화섬유층의 상부 또는 상부와 하부에 금속박을 배치한 후, 상기 수지 조성물을 상기 강화섬유층을 구성하기 위한 강화섬유 직물에 함침 및 중합시켜 강화섬유 복합재를 생성하는 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 단계는,
    준비된 강화섬유 복합재를 미리 설정된 길이로 재단하여 시트 형태로 2장을 준비하는 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제 2 단계는,
    우선 1장의 시트 형태의 강화섬유 복합재를 작업대에 펼쳐 놓고, 시트 전면에 걸쳐서 앞서 설명한 종류의 접착제를 도포하여 생성된 접착층 상에 15kg/㎥ 내지 150kg/㎥의 밀도를 갖는 단열 기능성 판재를 배치하되, 상기 단열 기능성 판재가 접착제가 도포된 강화섬유 복합재 시트의 각 끝단에서 5 내지 10cm 사이에서 돌출되도록 배치하는 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물의 제조방법.
  6. 청구항 1에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물로서, 강화섬유 복합재, 상기 강화섬유 복합재의 하나와 단열 기능성 판재가 맞닿는 면에 접착층 형성을 위해 도입된 접착제, 상기 접착제가 도포되어 형성된 접착층 상에 적층된 단열 기능성 판재 및 상기 단열 기능성 판재에 대해서 상기 강화섬유 복합재의 다른 하나와 맞닿는 면에 접착층 형성을 위해 도입된 접착제에 적층된 강화섬유 복합재를 포함하여 샌드위치 구조의 적층체로 이루어진 것을 특징으로 하는 난연성이 우수한 경량 패널 구조물.
KR1020190006808A 2019-01-18 2019-01-18 난연성이 우수한 경량 패널 구조물 및 이의 제조방법 KR20200090287A (ko)

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