KR20220091418A - 단열재 - Google Patents

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KR20220091418A
KR20220091418A KR1020210185863A KR20210185863A KR20220091418A KR 20220091418 A KR20220091418 A KR 20220091418A KR 1020210185863 A KR1020210185863 A KR 1020210185863A KR 20210185863 A KR20210185863 A KR 20210185863A KR 20220091418 A KR20220091418 A KR 20220091418A
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KR1020210185863A
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배성재
박인성
김명희
김도훈
강길호
하혜민
김채훈
박건표
김한수
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(주)엘엑스하우시스
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    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/04—Arrangements using dry fillers, e.g. using slag wool which is added to the object to be insulated by pouring, spreading, spraying or the like
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Abstract

본 출원은, 우수한 단열 성능을 가지고, 상기 단열 성능이 장기간 동안 안정적으로 유지될 수 있는 단열재 및 단열재의 경시적 단열 성능의 변화를 간단한 방식으로 단시간 내에 확인할 수 있는 평가 방법을 제공할 수 있다.

Description

단열재{Insulator}
본 출원은, 단열재에 대한 것이다.
단열재는, 열의 손실이나 열의 유입을 방지, 지연 또는 완화시킬 목적으로 사용하는 재료이다.
단열재의 대표적인 용도는 건축 자재로서의 용도이지만, 그 외에도 보온이나 보냉 등이 필요한 다양한 용도에 사용될 수 있다.
유기 단열재로는, 페놀 수지, 폴리스티렌, 폴리우레탄 및/또는 폴리이소시아누레이트 등의 수지 성분을 발포시켜서 폼(foam) 형태로 제조한 소재가 대표적으로 알려져 있다.
위와 같은 발포 과정에서 폼(foam) 내에 소위 독립 기포(closed cell)가 형성되고, 형성된 독립 기포에 의해서 단열 성능이 발휘될 수 있다. 발포 과정에서 형성되는 독립 기포에 의한 독립 기포율이나, 독립 기포의 크기 등은 단열재의 성능을 결정하는 중요한 요인이다.
단열재에서 요구되는 중요 성능은 또한 단열 성능이 경시적으로 안정적으로 유지되는 것이다.
단열재가 경시적으로 단열 성능을 안정적으로 유지할 수 있을지를 평가하는 방법은 대표적으로 ISO11561 규격에 따른 방법과 EN13166 규격에 따른 방법이 있다.
ISO11561 규격에 따른 방법은 단열재를 얇게 슬라이스한 후에 장기간 공기 중에 방치한 후에 열전도율을 측정하는 방법이다. 그러나 이 방법은 독립 기포율이 낮은 단열재에서 적용될 수 있는 방법이다. 또한, 단열재를 슬라이스함으로써 유효 두께가 감소하기 때문에, 보정값이 일정 수준을 초과할 수 없다. 또한, 면재가 표면에 존재하는 단열재의 경우는, 가스의 이동과 확산 계수가 달라질 수 있어서 정확한 예측을 할 수 없다.
EN13166 규격에 따른 방법은 고온에서 단열재를 장시간 유지한 후에 열전도율을 측정하는 방법이다. 그렇지만, 이 방법은 단열재를 고온에서 방지하여야 하기 때문에 열변형에 취약한 단열재에 대해서는 적용할 수 없다.
또한, 위 ISO11561 및 EN13166 규격에 의한 방법은 양자 모두 측정에 매우 오랜 시간이 걸린다는 단점을 가지고 있다.
본 출원은, 단열재 및 단열재의 장기 열전도율 측정 방법에 대한 것이다. 용어 장기 열전도율은, 단열재가 시간이 경과하여도 낮은 열전도율을 유지하는지 여부를 확인하는 지표이고, 상기 장기 열전도율이 낮을수록 단열재는 경시적으로 낮은 열전도율을 안정적으로 유지할 수 있다.
본 출원은 장기 열전도율이 낮아서 시간이 경과하여도 단열 특성을 안정적으로 유지할 수 있는 단열재를 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
본 출원은 또한 단열재의 종류와 무관하게, 간단하고 단시간의 공정으로 단열재의 장기 열전도율을 평가할 수 있는 방법을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도 및/또는 압력이 그 물성치에 영향을 미치는 경우에는 특별히 달리 언급하지 않는 한, 해당 물성은 상온 및/또는 상압에서 측정한 물성을 의미한다.
본 출원에서 용어 상온은 가온 및 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이며, 예를 들면, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 25℃ 또는 23℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.
본 출원에서 용어 상압은, 특별히 줄이거나 높이지 않은 때의 압력으로서, 보통 대기압과 같은 약 740 내지 780 mmHg 정도 수준의 기압 정도를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 습도가 그 물성치에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상기 물성은, 측정 온도 및 압력 상태에서 특별히 조절하지 않은 자연 그대로의 습도에서 측정한 물성을 의미한다.
본 출원의 단열재는, 적어도 1층의 유기물층을 포함한다. 용어 유기물층은, 유기물을 주성분으로 포함하는 층이다. 본 명세서에서 A에 B가 주성분으로 포함된다는 것은, 상기 A 내의 B의 중량 비율이 약 55 중량% 이상, 약 60 중량% 이상, 약 65 중량% 이상, 약 70 중량% 이상, 약 75 중량% 이상, 약 80 중량% 이상, 약 85 중량% 이상 또는 약 90 중량% 이상인 경우를 의미할 수 있다. 상기 주성분의 중량 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기 주성분의 중량 비율은 약 100 중량% 이하, 99 중량% 이하, 98 중량% 이하, 97 중량% 이하, 96 중량% 이하 또는 약 95 중량% 이하 정도일 수 있다.
본 명세서에서 용어 유기물의 의미는 업계에서 공지된 바와 같다. 대표적으로 상기 유기물은, 후술하는 경화 수지일 수 있고, 구체적으로는 페놀 수지, 폴리스티렌, 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
유기물층은, 소위 독립 기포(closed cell)를 포함할 수 있다. 본 출원의 유기물층 내에는, 상기 독립 기포가 설계된 단열 성능이 안정적으로 구현될 수 있도록 존재할 수 있다.
본 출원의 단열재 또는 상기 유기물층은 우수한 단열 성능을 가진다. 통상 단열 성능은 열관류율에 의해 확인된다. 열관류율은 단열재 또는 유기물층의 열전도율을 단열재 또는 유기물층의 두께로 나눈 물리량이다. 상기 단열재 또는 유기물층은, 열관류율이 약 0.4 W/m2·K 이하 정도일 수 있다 . 상기 열관류율은 다른 예시에서 0.35 W/m2·K 이하, 0.3 W/m2·K 이하, 0.25 W/m2·K 이하 또는 0.2 W/m2·K 이하 정도일 수도 있다. 상기 열관류율은, 그 값이 낮을수록 유리한 효과를 보이는 것으로 그 하한에는 특별한 제한은 없다. 예를 들면 상기 열관류율은 다른 예시에서 0 W/m2·K 이상, 0 W/m2·K 초과, 0.05 W/m2·K 이상, 0.1 W/m2·K 이상 또는 0.15 W/m2·K 이상 정도일 수 있다.
단열재 또는 유기물층의 열관류율은 KS L 9016 규정에 따른 보온재 열전도율 측정 방법 기준의 평팜열류계 방식으로 측정할 수 있다. 이 방식에서는 10℃ 이상의 온도의 차이를 시험체의 양쪽에서 발생시켜서 시험체를 통과하는 열류량을 전기적으로 측정하고, 시험체의 온도차를 측정하여 열전도율을 구하는 방법이다.
본 출원의 단열재 또는 유기물은 또한 약 30 mW/m·K 이하의 열전도율을 나타낼 수 있다. 상기 열전도율은 다른 예시에서 약 28 mW/m·K 이하, 약 26 mW/m·K 이하, 약 24 mW/m·K 이하, 약 22 mW/m·K 이하 또는 약 20 mW/m·K 이하이거나, 약 10 mW/m·K 이상, 약 12 mW/m·K 이상, 약 14 mW/m·K 이상, 약 16 mW/m·K 이상 또는 약 18 mW/m·K 이상 정도일 수도 있다. 이러한 열전도율은 ISO 8301 표준서에서 규정하는 열전류게법 또는 KS L 9016 표준서에서 규정하는 보온재의 열전도율 측정 규격에 따른 열류계에 의한 방법, 평판 직접법, 평판 비교법 또는 열 전류계법 중에서 열전류게법을 채용한 EKO社의 HC-074 열전도율측정장비를 사용하여 측정할 수 있다.
본 출원의 단열재는 상기와 같은 우수한 단열 특성, 즉 낮은 열관류율 및 열전도율을 장기간 동안 안정적으로 유지할 수 있다. 즉, 본 출원의 단열재는 낮은 장기 열전도율을 나타낸다.
본 출원에서는 단열재의 열전도율 및 열관류율 특성은, 단열재에 형성된 독립 기포의 형태나 개수는 물론 유기물층의 형성 과정에서 사용되는 발포 가스에도 크게 의존하는 것을 확인하였다. 즉, 유기물층의 형성 과정에서 사용되는 발포 가스는, 독립 기포가 형성되면서 상기 독립 기포의 내부에 포집되고, 그 상태에서 단열 성능에 기여한다. 따라서, 상기 발포 가스가 단열재로부터 유출될수록 단열재의 단열 성능은 저하된다. 본 출원에서는 단열재 또는 유기물층의 내부 압력을 조절함으로써, 단열재나 유기물층에 포함되어 있는 발포 가스의 누출을 방지할 수 있다는 점을 확인하였다.
이에 따라서 본 출원에서는 상기 단열재 및/또는 유기물층의 내부 압력이 일정 수준으로 조절된다. 상기 내부 압력은 예를 들면, 약 0.1 내지 10 atm의 범위 내일 수 있다. 내부 압력은 다른 예시에서 0.2 atm 이상, 0.3 atm 이상, 0.4 atm 이상, 0.5 atm 이상 또는 0.6 atm 이상이거나, 9 atm 이하, 8 atm 이하, 7 atm 이하, 6 atm 이하, 5 atm 이하, 4 atm 이하, 3 atm 이하, 2 atm 이하, 1 atm 이하, 0.9 atm 이하, 0.8 atm 이하, 0.7 atm 이하 또는 0.65 atm 이하 정도일 수도 있다. 상기 내부 압력은 본 명세서의 실시예에 기재된 방식으로 측정한 압력이다. 단열재 및/또는 유기물층의 내부 압력은, 사용되는 발포 가스의 증기압을 고려하여 유기물층의 독립 기포율 및 발포 가스의 사용량을 조절하여 제어할 수 있다.
본 출원의 유기물층 및/또는 단열재층은, 5 psi의 상대 압력 하의 헬륨 가스 주입 조건에서 95% 포화(saturation) 압력 도달 소요 시간이 1,000분 이하일 수 있다. 상기 소요 시간은 다른 예시에서 950분 이하, 900분 이하, 850분 이하, 800분 이하, 750분 이하, 700분 이하, 650분 이하, 600분 이하, 550분 이하, 500분 이하, 450분 이하, 400분 이하, 350분 이하 또는 300분 이하일 수 있다. 상기에서 5 psi의 상대 압력 하의 헬륨 가스 주입 조건에서 95% 포화(saturation) 압력 도달 소요 시간은, 후술하는 본 출원의 실시예에 기재된 방식에 따라서 상기 상대 압력 하에서 헬륨 가스를 주입하였을 때에 단열재의 포화 압력의 95%까지 도달하는 것에 소요되는 시간을 의미한다. 상기 시간의 제어를 통해서 발포 가스의 누출을 방지하는 효과를 우수하게 유지하고, 그에 따라 장기 열전도율 특성이 우수한 단열재 및/또는 유기물층을 제공할 수 있다. 상기 95% 포화(saturation) 압력 도달 소요 시간의 하한에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들면, 상기 시간은 50분 이상, 100분 이상, 150분 이상, 200분 이상, 250분 이상 또는 300분 이상 정도일 수 있다.
본 출원의 유기물층 및/또는 단열재층은, 13 psi의 상대 압력 하의 헬륨 가스 주입 조건에서 95% 포화(saturation) 압력 도달 소요 시간이 500분 이하일 수 있다. 상기 소요 시간은 다른 예시에서 450분 이하, 400분 이하, 350분 이하, 300분 이하, 250분 이하, 200분 이하, 150분 이하 또는 100분 이하 정도일 수 있다. 상기 13 psi의 상대 압력 하의 헬륨 가스 주입 조건에서 95% 포화(saturation) 압력 도달 소요 시간은, 후술하는 본 출원의 실시예에 기재된 방식에 따라서 상기 상대 압력 하에서 헬륨 가스를 주입하였을 때에 단열재의 내부 압력의 포화 압력의 95%까지 도달하는 것에 소요되는 시간을 의미한다. 상기 시간 범위에서 발포 가스의 누출을 방지하는 효과가 우수하게 되고, 그에 따라 장기 열전도율 특성이 우수한 단열재 및/또는 유기물층을 제공할 수 있다. 상기 95% 포화(saturation) 압력 도달 소요 시간의 하한에는 특별한 제한은 없으나, 예를 들면, 상기 시간은, 5분 이상, 10분 이상, 15분 이상, 20분 이상, 25분 이상, 30분 이상, 35분 이상, 40분 이상, 45분 이상, 50분 이상, 55분 이상, 60분 이상, 65분 이상, 70분 이상, 75분 이상, 80분 이상, 85분 이상, 90분 이상, 95분 이상, 100분 이상, 110분 이상, 120분 이상, 130분 이상, 140분 이상, 150분 이상, 160분 이상, 170분 이상 또는 180분 이상 정도일 수 있다.
본 출원의 유기물층은, 밀도가 약 20 내지 70 Kg/m3의 범위 내일 수 있다. 단열재에서 밀도는 독립 기포율 및 내부 압력과 함수 관계가 있다. 상기 범위의 밀도를 가지는 유기물을 포함하는 단열재는, 전술한 범위의 내부 압력의 달성에 유리하며, 우수한 단열 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 경량성을 확보하는 측면에서도 상기 밀도는 적정 범위일 수 있다. 상기 밀도는 다른 예시에서 21 Kg/m3 이상, 22 Kg/m3 이상, 23 Kg/m3 이상, 24 Kg/m3 이상 또는 25 Kg/m3 이상이거나, 65 Kg/m3 이하, 60 Kg/m3 이하, 55 Kg/m3 이하, 50 Kg/m3 이하, 45 Kg/m3 이하, 40 Kg/m3 이하 또는 36 Kg/m3 이하 정도일 수도 있다.
이러한 유기물층 및/또는 단열재의 밀도는 JIS-K-7222 규격에 기초하여 측정할 수 있다.
유기물층은, 또한, 단위 면적당 무게가 2 내지 20 Kg/m2의 범위 내일 수 있다. 본 출원의 유기물층은, 상기 단위 면적당 무게를 통해 경량성 등에서 유리한 효과를 나타내면서도 상기 단열, 준불연 및 난연 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 단위 면적당 무게 하에서 전술한 내부 압력을 보다 효율적으로 달성할 수 있다. 상기 단위 면적당 무게는 다른 예시에서 3 Kg/m2 이상이거나, 18 Kg/m2 이하, 16 Kg/m2 이하, 14 Kg/m2 이하, 12 Kg/m2 이하, 10 Kg/m2 이하 또는 8 Kg/m2 이하 정도일 수도 있다.
상기 단열재 또는 유기물층은, 우수한 기계적 강도를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 상기 단열재 또는 유기물은, 압축 강도가 80 kPa 이상일 수 있다. 상기 압축 강도는 다른 예시에서 85 kPa 이상, 90 kPa 이상, 95 kPa 이상, 100 kPa 이상, 110 kPa 이상, 120 kPa 이상, 130 kPa 이상, 140 kPa 이상, 150 kPa 이상, 160 kPa 이상, 170 kPa 이상, 180 kPa 이상, 190 kPa 이상, 200 kPa 이상, 210 kPa 이상, 220 kPa 이상, 230 kPa 이상, 240 kPa 이상, 250 kPa 이상, 260 kPa 이상, 270 kPa 이상, 280 kPa 이상, 290 kPa 이상 또는 300 kPa 이상 정도이거나, 600 kPa 이하, 550 kPa 이하, 500 kPa 이하, 450 kPa 이하, 400 kPa 이하, 350 kPa 이하, 300 kPa 이하, 250 kPa 이하, 200 kPa 이하, 150 kPa 이하, 100 kPa 이하 정도일 수도 있다.
단열재 또는 유기물층의 압축 강도는 KS M ISO 844에 규정된 압축 강도 확인 방식으로 측정할 수 있다.
본 출원의 단열재 또는 유기물층은, 경량이고, 우수한 기계적 강도를 가지는 상태에서도 탁월한 단열 성능을 나타낼 수 있다.
상기 기술한 내부 압력의 제어를 위해서 유기물층 내에 존재하는 독립 기포의 수나 형태 및 해당 독립 기포의 내부에 존재하는 성분을 제어할 수 있다.
예를 들면, 상기 유기물층은, 독립 기포율이 75% 이상일 수 있다. 상기 독립 기포율은 다른 예시에서 77% 이상, 79% 이상, 81% 이상, 83% 이상, 85% 이상, 87% 이상, 89% 이상, 91% 이상, 93% 이상 또는 95% 이상 정도이거나, 100% 미만, 100% 이하, 98% 이하, 96% 이하, 94% 이하, 92% 이하 또는 90% 이하 정도일 수도 있다. 이러한 범위에서 독립 기포율을 가지는 유기물층은 상기 언급된 특성을 효과적으로 충족시킬 수 있다.
유기물층의 독립 기포율은 KS M ISO 4590 규격에 따라서, 적절한 측정 기기(ex. Quantachrome, ULTRAPYC 1200e)를 사용하여 측정할 수 있으며, 단열재로 사용되는 유기물층의 독립 기포를 측정하는 방법은 공지이다.
상기 유기물층에 존재하는 독립 기포는 평균 지름이 50 μm 내지 1,000 μm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 평균 지름은 다른 예시에서 55 μm 이상, 60 μm 이상, 65 μm 이상, 70 μm 이상, 75 μm 이상, 80 μm 이상, 85 μm 이상, 90 μm 이상, 95 μm 이상, 100 μm 이상, 110 μm 이상, 120 μm 이상, 130 μm 이상, 140 μm 이상, 150 μm 이상, 160 μm 이상, 170 μm 이상, 180 μm 이상, 190 μm 이상, 200 μm 이상, 210 μm 이상, 220 μm 이상, 230 μm 이상, 240 μm 이상, 250 μm 이상, 260 μm 이상, 270 μm 이상, 280 μm 이상, 290 μm 이상 또는 300 μm 이상 정도이거나, 950 μm 이하, 900 μm 이하, 850 μm 이하, 800 μm 이하, 750 μm 이하, 700 μm 이하, 650 μm 이하, 600 μm 이하, 550 μm 이하, 500 μm 이하, 450 μm 이하, 400 μm 이하, 350 μm 이하, 300 μm 이하, 250 μm 이하, 200 μm 이하, 150 μm 이하 또는 100 μm 이하 정도의 범위 내일 수도 있다. 이러한 범위의 평균 지름의 독립 기포를 가지는 유기물층은 상기 언급된 특성을 효과적으로 충족시킬 수 있다.
유기물층의 독립 기포의 평균 지름을 측정하는 방법은 공지되어 있다. 예를 들면, 상기 평균 지름은, 일반적인 전자 현미경 및 이미지 제이 프로그램을 이용하여 측정할 수 있다. 통상 먼저 시료를 면도날 등으로 잘라서 박피로 한 후에 전자 현미경으로 촬영하고, 약 150개의 크기로 원형 모양을 그린 후에 이미지 제이 프로그램을 이용하여 상기 평균 지름을 측정할 수 있다.
본 출원의 단열재 및 유기물층은, 상기 언급된 형태의 독립 기포를 가지면서, 우수한 단열 성능과 경량성, 기계적 강도 등을 나타내고, 동시에 탁월한 준불연 및 난연 성능을 나타낼 수 있다.
예를 들면, 상기 단열재 또는 유기물층은, KS F 5660-1 시험 방법에 따른 5분 열방출량(THR300s)이 11 MJ/m2 이하일 수 있다. 상기 5분 열방출량(THR300s)은 다른 예시에서 10 MJ/m2 이하, 9 MJ/m2 이하, 8 MJ/m2 이하, 7 MJ/m2 이하, 6 MJ/m2 이하, 5 MJ/m2 이하, 4 MJ/m2 이하, 3 MJ/m2 이하 또는 2.5 MJ/m2 이하일 수 있다. 상기 5분 열방출량(THR300s)은 그 값이 낮을수록 우수한 난연 및 준불연 성능을 대변하는 것이기 때문에 그 하한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 5분 열방출량(THR300s)은, 0 MJ/m2 이상, 0.5 MJ/m2 이상, 1 MJ/m2 이상 또는 1.5 MJ/m2 이상 정도일 수 있다.
예를 들면, 상기 단열재 또는 유기물층은, KS F 5660-1 시험 방법에 따른 10분 열방출량(THR600s)이 18 MJ/m2 이하일 수 있다. 상기 10분 열방출량(THR600s)은 다른 예시에서 17 MJ/m2 이하, 16 MJ/m2 이하, 15 MJ/m2 이하, 14 MJ/m2 이하, 13 MJ/m2 이하, 12 MJ/m2 이하, 11 MJ/m2 이하, 10 MJ/m2 이하, 9 MJ/m2 이하, 8 MJ/m2 이하, 7 MJ/m2 이하, 6 MJ/m2 이하 또는 5.5 MJ/m2 이하일 수 있다. 상기 10분 열방출량(THR600s)은 그 값이 낮을수록 우수한 난연 및 준불연 성능을 대변하는 것이기 때문에 그 하한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 10분 열방출량(THR600s)은, 0 MJ/m2 이상, 1 MJ/m2 이상, 2 MJ/m2 이상, 3 MJ/m2 이상, 4 MJ/m2 이상 또는 5 MJ/m2 이상 정도일 수 있다.
예를 들면, 상기 단열재 또는 유기물층은, KS F 5660-1 시험 방법에 따른 최대 열방출량(peak HRR)이 55 kW/m2 이하일 수 있다. 상기 최대 열방출량(peak HRR)은 다른 예시에서 53kW/m2 이하, 51kW/m2 이하, 49kW/m2 이하, 47kW/m2 이하, 45kW/m2 이하, 43kW/m2 이하, 41kW/m2 이하, 39kW/m2 이하, 37kW/m2 이하, 35kW/m2 이하, 33kW/m2 이하, 31kW/m2 이하, 29kW/m2 이하, 27kW/m2 이하, 25kW/m2 이하, 23kW/m2 이하 또는 21kW/m2 이하일 수 있다. 상기 최대 열방출량(peak HRR)은, 그 값이 낮을수록 우수한 난연 및 준불연 성능을 대변하는 것이기 때문에 그 하한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 최대 열방출량(peak HRR)은, 0kW/m2 이상, 5 kW/m2 이상, 10 kW/m2 이상 또는 15 kW/m2 이상 정도일 수 있다.
상기 단열재 또는 유기물층은, KS F 5660-1 시험 방법에 따른 10분 열방출량(THR600s)의 감소율이 25% 이상일 수 있다. 상기 10분 열방출량(THR600s)의 감소율은 다른 예시에서 27% 이상, 29% 이상, 31% 이상, 33% 이상, 35% 이상, 37% 이상, 39% 이상, 41% 이상, 43% 이상, 45% 이상, 47% 이상, 49% 이상, 51% 이상, 53% 이상, 55% 이상, 57% 이상, 59% 이상, 61% 이상 또는 63% 이상이거나, 70% 이하, 68% 이하, 66% 이하, 64% 이하, 62% 이하, 60% 이하, 58% 이하, 56% 이하, 54% 이하, 52% 이하, 50% 이하, 48% 이하, 46% 이하, 44% 이하, 42% 이하, 40% 이하, 38% 이하, 36% 이하, 34% 이하 또는 32% 이하 정도일 수도 있다.
유기물층의 독립 기포 내에는 발포 가스가 존재할 수 있다. 발포 가스는, 유기물층을 제조하기 위한 발포 공정에서 목적하는 형태 및 수의 독립 기포를 생성하는 것에 기여하고, 발포 공정에서 생성되는 독립 기포 내에 포집되어 유기물층의 단열 성능에 기여할 수 있다.
발포 가스의 종류에는 특별한 제한은 없으나, 예를 들면, 탄화수소 및/또는 할로겐화 탄화수소 등을 적용할 수 있다.
상기 탄화수소로는, 예를 들면, 탄소수가 3 내지 7인 고리형, 직사슬형 또는 분기형의 알칸, 알켄 및/또는 알킨 등을 사용할 수 있고, 구체적으로는, 노르말부탄, 이소부탄, 시클로부탄, 노르말펜탄, 이소펜탄, 시클로펜탄, 네오펜탄, 노르말헥산, 이소헥산, 2,2-디메틸부탄, 2,3-디메틸부탄 및/또는 시클로헥산 등을 사용할 수 있다.
할로겐화 탄화수소로는, 예를 들면, 탄소수가 2 내지 5인 직사슬형 또는 분기형의 염소화 지방족 탄화수소를 사용할 수 있다. 적용되는 할로겐(예를 들면, 염소)의 수에는 특별한 제한은 없으나, 대략 1 내지 4개의 할로겐이 적용되어 있을 수 있다. 이러한 염소화 지방족 탄화수소로는, 예를 들어 클로로에탄, 프로필클로라이드, 이소프로필클로라이드, 부틸클로라이드, 이소부틸클로라이드, 펜틸클로라이드 및/또는 이소펜틸클로라이드 등을 사용할 수 있다.
전술한 적절한 내부 압력의 달성을 위해서 상기 발포 가스로서 소정 범위의 증기압을 가지는 물질이 사용될 수 있다. 하나의 예시에서 발포 가스로는 20℃에서의 증기압이 4 내지 20 psi의 범위 내에 있는 발포 가스가 사용될 수 있다. 상기 증기압은 다른 예시에서 6 psi 이상, 18 psi 이상 또는 10 psi 이상이거나, 18 psi 이하, 16 psi 이하, 14 psi 이하, 12 psi 이하 또는 10 psi 이하 정도일 수도 있다. 다만, 목적하는 내부 압력이 달성된다면, 발포 가스의 증기압이 상기에 제한되지는 않는다.
발포 가스의 비율도 목적하는 내부 압력을 고려하여 조절될 수 있다. 상기 범위의 내부 압력이 달성될 수 있다면, 그 비율은 특별히 제한되지 않으며, 통상 상기 발포 가스는, 유기물층에 포함되는 경화 수지(예를 들면, 후술하는 페놀 수지, 폴리스티렌, 폴리우레탄 및/또는 폴리이소시아누레이트 등) 100 중량부 대비 약 1 내지 25 중량부의 범위 내의 비율로 포함될 수 있다.
상기 유기물층은, 페놀 수지폼층, 폴리스티렌폼층, 폴리우레탄폼층 및/또는 폴리이소시아누레이트폼층이거나, 상기 재료 중 2종 이상이 혼합된 재료의 폼층일 수 있다. 따라서, 상기 유기물층은, 페놀 수지, 폴리스티렌, 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
유기물층에는 상기 준불연 및 난연 성능을 확보하기 위해서 난연제 내지는 난연 상승제가 포함될 수 있다. 통상 이러한 난연제 및/또는 난연 상승제는, 유기물층을 형성하기 위한 발포 과정에 영향을 주어 목적하는 형태 내지 수의 독립 기포의 형성을 방해하거나, 이미 형성된 독립 기포의 내벽의 안정성을 저하시킨다. 따라서, 난연제 및 난연 상승제가 포함되어 있는 경우에 유기물층과 그를 포함하는 단열재의 단열 성능과 기계적 물성, 경량성 및/또는 상기 내부 압력 등의 특성을 원하는 수준으로 안정적으로 유지하는 것은 쉽지 않다.
본 출원에서는, 후술하는 특정 난연 성분을 적용하면 난연 성분이 발포 과정에서 설계된 독립 기포의 형성을 방해하지 않으면서, 상대적으로 소량으로도 목적하는 난연 및 준불연 성능이 확보되는 것을 확인하였다. 따라서, 후술하는 난연 성분의 조합을 포함하는 유기물층은, 상기 기술한 단열 성능, 기계적 강도, 경량 특성 등의 특성을 우수한 준불연 및 난연 성능과 함께 나타낼 수 있다.
본 출원의 상기 유기물층은 우선 난연 성분으로서, 인 화합물을 포함할 수 있다. 인 화합물로는, 난연성을 부여하는 것으로 공지되어 있는 것이라면 특별한 제한 없이 공지의 성분을 사용할 수 있다.
이러한 인 화합물로는, 적인이나, 방향족 인산 에스테르, 방향족 축합 인산 에스테르 또는 할로겐화 인산 에스테르 등의 인산 에스테르 등이나, 포스파젠 등에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 조합이 사용될 수 있다.
상기 인 화합물은, 단열재에 난연성 내지 준불연성을 부여할 수 있는 성분으로 이미 알려져 있는 화합물이다. 따라서, 상기 인 화합물만을 단독으로 사용하는 경우에는, 준불연 및 난연 성능의 확보는 가능할 수 있지만, 상기 성능을 목적하는 단열성 등과 동시에 확보할 수는 없다.
따라서, 본 출원에서는 상기 인 화합물과 조합하여 술펜아미드 화합물(sulfonamide compound) 및/또는 술펜이미드 화합물(sulfenimide compound)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 난연 성분으로 적용한다. 상기에서 술펜아미드 화합물은, 하나의 질소 원자와 황 원자의 결합(하기 화학식 1의 결합)을 포함하는 화합물이고, 술펜이미드 화합물은 하나의 질소 원자에 2개의 황 원자가 결합된 구조(하기 화학식 2의 결합 구조)를 포함하는 화합물이다. 술펜이미드 화합물은 넓은 의미에서 술펜아미드 화합물의 범주에 포함될 수 있으며, 본 명세서에서는 하기 화학식 1 또는 2의 결합을 포함하는 화합물은 술펜아미드 화합물로 통칭될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
이러한 화합물이 인 화합물과 함께 조합됨으로써, 단열 성능 등과 함께 준불연 및 난연 성능이 확보되는 이유는 명확하지는 않다.
추정하면, 상기 술펜아미드 또는 술펜이미드 화합물은, 열분해에 의해 아미닐 라디칼(aminyl radical)과 티일 라디칼(thiyl radical)을 생성하고, 생성된 라디칼들은 발화 부분 혹은 고온 영역에 자기 소화(self-extinguishment) 기능을 부여하는데, 술펜아미드 및/또는 술펜이미드에 의해 생성된 라디칼들에 의해 부여되는 상기 자기 소화 기능과 인 화합물이 가지는 난연 내지 준불연 성능의 조합에 의한 상승 효과(synergetic effect)에 의해 상대적으로 적은 양의 난연 성분들에 의해서도 우수한 난연 및 준불연 성능이 확보되는 것으로 보인다.
또한, 유기물층 형성을 위한 발포 공정을 포함한 제조 과정에서 설계된 독립 기포의 형성에 악영향을 주지 않으면서도 균일한 분산 상태가 달성될 수 있는 난연 성분의 혼합물의 점도 특성이 상기 인 화합물과 술펜아미드 및/또는 술펜이미드간의 인력에 의한 상호 작용에 의해 달성되는 것으로 보인다.
이와 같은 상승 작용은, 인 화합물이 상기 술펜아미드 및/또는 술펜이미드와 혼합되면서 비로소 달성되는 작용이며, 다른 공지된 난연 성분들의 혼합을 통해서는 달성되기 어려운 것으로 보인다.
상기 술펜아미드 또는 술펜이미드 화합물로는, 하나의 질소 원자와 황 원자의 결합 구조(S-N) 또는 하나의 질소 원자에 2개의 황 원자가 결합된 구조(S-N-S)를 포함하는 화합물이라면, 특별한 제한 없이 공지의 화합물을 적용할 수 있다.
예를 들면, 상기 화합물로는, 송원산업에서 SF201, SF203 또는 SF205 등의 화합물이 사용될 수 있다.
하나의 예시에서 적절한 상기 화합물로는, 상기 화학식 1 또는 2에서 황 원자에 벤조티아졸과 같은 헤테로고리 구조가 연결된 화합물 또는 상기 화학식 1 또는 2의 구조에서 질소 원자가 프탈이미드의 구조를 이루고 있는 화합물이 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
유기물층 내에서 상기 난연 성분들의 비율은 목적하는 효과에 따라서 적절하게 제어될 수 있다.
예를 들면, 상기 난연 성분 중에서 인 화합물은, 유기물층 내에 약 0.5 내지 20 중량%의 범위의 비율로 존재할 수 있다. 상기 비율은 유기물층의 전체 중량을 기준으로 한 인 화합물의 비율이다. 상기 비율은 다른 예시에서 1 중량% 이상, 1.5 중량% 이상 또는 2 중량% 이상 정도이거나, 19 중량% 이하, 18 중량% 이하, 17 중량% 이하, 16 중량% 이하, 15 중량% 이하, 14 중량% 이하, 13 중량% 이하, 12 중량% 이하, 11 중량% 이하, 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하 정도일 수도 있다.
예를 들면, 상기 난연 성분 중에서 술펜아미드 및/또는 술펜이미드 화합물은, 유기물층 내에 약 0.01 내지 15 중량%의 범위의 비율로 존재할 수 있다. 상기 비율은 유기물층의 전체 중량을 기준으로 한 술펜이미드 및/또는 술펜아미드 화합물 화합물의 비율이다. 상기 비율은 다른 예시에서 0.05 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.15 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.25 중량% 이상, 0.3 중량% 이상, 0.35 중량% 이상, 0.4 중량% 이상, 0.45 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.55 중량% 이상, 0.6 중량% 이상, 0.65 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 0.75 중량% 이상, 0.8 중량% 이상, 0.85 중량% 이상, 0.9 중량% 이상, 0.95 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2 중량% 이상, 2.5 중량% 이상 또는 3 중량% 이상이거나, 14 중량% 이하, 13 중량% 이하, 12 중량% 이하, 11 중량% 이하, 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하 또는 1.5 중량% 이하 정도일 수도 있다.
다른 예시에서 상기 인 화합물은, 상기 유기물층에 포함되는 경화 수지 100 중량부 대비 1 내지 20 중량부의 비율로 유기물층에 포함되어 있을 수 있다. 통상 단열재에 적용되는 유기물층은, 경화 수지를 기타 첨가제(ex. 발포제 등)와 배합한 원료를 발포와 경화 공정 등에 도입하여 제조하고, 이 때 상기 경화 수지는, 상기 페놀 수지, 폴리스티렌, 폴리우레탄 및/또는 폴리이소시아누레이트 등일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 경화 수지는 경화되기 전의 경화성 수지 또는 경화된 상기 경화성 수지를 의미할 수 있다. 이러한 경화 수지를 기준으로 할 경우에 상기 인 화합물은, 상기 경화 수지 100 중량부 대비 1 내지 20 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 상기 경화 수지 100 중량부 대비 약 1.5 중량부 이상, 2 중량부 이상, 2.5 중량부 이상, 3 중량부 이상, 3.5 중량부 이상, 4 중량부 이상 또는 4.5 중량부 이상이거나, 19 중량부 이하, 18 중량부 이하, 17 중량부 이하, 16 중량부 이하, 15 중량부 이하, 14 중량부 이하, 13 중량부 이하, 12 중량부 이하, 11 중량부 이하, 10 중량부 이하, 9 중량부 이하, 8 중량부 이하, 7 중량부 이하, 6 중량부 이하 또는 5.5 중량부 이하 정도일 수도 있다.
상기 경화 수지를 기준으로 할 경우에 상기 난연 성분 중에서 술펜아미드 및/또는 술펜이미드 화합물은 상기 경화 수지 100 중량부 대비 0.01 내지 10 중량부의 비율로 유기물층에 포함되어 있을 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 상기 경화 수지 100 중량부 대비 약 0.05 중량부 이상, 0.1 중량부 이상, 0.15 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.25 중량부 이상, 0.3 중량부 이상, 0.35 중량부 이상, 0.4 중량부 이상, 0.45 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 0.55 중량부 이상, 0.6 중량부 이상, 0.65 중량부 이상, 0.7 중량부 이상, 0.75 중량부 이상, 0.8 중량부 이상, 0.85 중량부 이상, 0.9 중량부 이상 또는 0.95 중량부 이상이거나, 9 중량부 이하, 8 중량부 이하, 7 중량부 이하, 6 중량부 이하, 5 중량부 이하, 4 중량부 이하, 3 중량부 이하, 2 중량부 이하 또는 1.5 중량부 이하 정도일 수도 있다.
예를 들면, 상기 유기물층 내에서 상기 인 화합물의 중량(P)의 술펜이미드 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물의 중량(S)에 대한 비율(P/S)이 0.5 내지 20의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 1 이상, 1.5 이상, 2 이상, 2.5 이상, 3 이상, 3.5 이상, 4 이상, 4.5 이상 또는 5 이상이거나, 19 이하, 18 이하, 17 이하, 16 이하, 15 이하, 14 이하, 13 이하, 12 이하, 11 이하, 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하 또는 5 이하 정도일 수도 있다.
난연 성분의 비율을 목적에 따라서 상기 범위 내에서 제어하여, 목적하는 성능의 유기물층 또는 단열재를 얻을 수 있다.
이상 기술한 유기물층을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 공지의 유기 발포 보드의 제조 방식에 따라 제조할 수 있다. 이러한 유기 발포 보드는, 페놀 수지, 폴리스티렌, 폴리우레탄 및/또는 폴리이소시아누레이트 등이나 그의 전구체를 포함하는 원료에 발포제(발포 가스) 등의 기타 성분을 배합한 원재료를 발포 등의 공정에 적용하여 제조할 수 있다. 이 과정에서 상기 원재료에 전술한 난연 성분이 포함될 수도 있다.
이하, 유기물층이 페놀 수지로 제조되는 페놀 수지폼층인 경우를 기준으로 상기 유기물층의 제조 방법을 예시적으로 기재하지만, 본 출원에서 적용 가능한 유기물층이 상기 페놀 수지폼층에 제한되는 것은 아니다. 유기물층의 형성에 적용되는 재료에 따라 목적하는 독립 기포를 포함하는 유기 보드를 형성하는 방법은 공지이며, 본 출원의 유기물층의 제조를 위해서는 그러한 공지의 방법에서 목적하는 비율에 따라서 난연 성분을 적절하게 포함시키면 된다.
유기물층으로서의 페놀 수지폼층은, 페놀 수지, 경화 촉매, 발포제(발포 가스) 및 계면 활성제를 포함하는 조성물(원재료)을 발포 및 경화시켜 제조할 수 있고, 이 과정에서 목적 비율에 따라서 상기 난연 성분이 추가로 상기 원재료에 배합된다.
페놀 수지로는, 예를 들어, 페놀류와 알데히드류를 원료로 하고, 알칼리 촉매에 의해 대략 40℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 가열하여 상기 원료를 중합시킨 수지를 사용할 수 있다. 필요에 따라, 레졸 수지 중합 시에 우레아 등의 첨가제를 첨가해도 된다. 우레아를 첨가하는 경우에는, 미리 알칼리 촉매로 메틸올화한 우레아를 레졸 수지에 혼합할 수 있다. 합성 후의 페놀 수지는, 통상적으로 과잉의 물을 함유하고 있기 때문에, 발포 가능한 수분량까지 탈수하는 공정이 추가될 수도 있다. 페놀 수지 중의 수분율은, 예를 들면, 1 내지 10 중량%, 1 내지 7 중량%, 2 내지 5 중량% 또는 2 내지 4.5 중량%로 조절될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 페놀 수지 중의 수분율은 생산성 등의 공정의 효율성이나 치수 안정성 등의 제품의 품질 등을 고려하여 적정 범위로 제어될 수 있다.
페놀 수지에 있어서의, 페놀류 대 알데히드류의 출발 몰비는 통상 1:1 내지 1:4.5 또는 1:1.5 내지 1:2.5의 범위 내일 수 있다.
페놀 수지 합성시에 사용되는 페놀류로는, 페놀, 또는 페놀 골격을 갖는 화합물을 들 수 있다. 페놀 골격을 갖는 화합물의 예로는, 레조르시놀, 카테콜, o-, m- 및 p-크레졸, 자일레놀류, 에틸페놀류, p-tert 부틸페놀 등을 들 수 있으며, 2 핵 페놀류도 또한 사용할 수 있다.
페놀 수지의 제조에서 사용되는 알데히드류로는, 포름알데히드 (포르말린) 또는 포름알데히드 이외의 알데히드 화합물을 들 수 있다. 포름알데히드 이외의 알데히드 화합물로는, 글리옥살, 아세트알데히드, 클로랄, 푸르푸랄, 벤즈알데히드 등을 들 수 있다. 알데히드류에는, 첨가제로서 우레아, 디시안디아미드 또는 멜라민 등을 첨가해도 된다. 또한, 이들 첨가제를 첨가하는 경우, 페놀 수지란 첨가제를 첨가한 후의 것을 가리킨다.
페놀 수지의 점도는, 40℃에서 5000 mPa? 내지 100000 mPa? 정도일 수 있고, 이는 목적하는 독립 기포율이나, 제조 비용의 관점에서 조절될 수 있다. 상기 점도(40℃)는, 다른 예시에서 7000 내지 50000 mPa? 또는 10000 내지 40000 mPa? 정도일 수도 있다.
페놀 수지 중에 함유되는 잔류 페놀은, 페놀 수지의 조정의 용이성이나 발포성 확보의 관점에서 1.0 내지 4.3 중량%, 2.3 내지 4.25 중량% 또는 2.7 내지 4.2 중량% 정도로 제어될 수 있다. 상기 잔류 페놀의 비율은, 유기물층의 치수 안정성, 강도 및 독립 기포율 등을 고려하여 조절될 수 있다.
페놀 수지는 첨가제를 함유하고 있어도 되고, 예를 들어 가소제로서 일반적으로 사용되고 있는 프탈산에스테르류나 글리콜류인 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 등을 사용할 수 있다. 또, 지방족 탄화수소, 고비점의 지환식 탄화수소 또는 그들의 혼합물을 사용해도 된다. 포함되는 경우에, 첨가제의 함유량은, 페놀 수지 100 중량부에 대해 0.5 내지 20 중량부의 범위 내에서 제어될 수 있다. 첨가제의 함유량은 첨가제의 적용 목적과 재료의 점도 등을 고려하여 제어될 수 있다.
원재료에 포함되는 발포 가스로는, 상기 기술한 종류의 발포 가스가 사용될 수 있다. 발포 가스의 사용량은 예를 들면, 페놀 수지 100 중량부에 대해 1 내지 25 중량부 또는 1 내지 15 중량부의 범위 내일 수 있다.
원재료에 포함되는 계면 활성제는, 일반적으로 페놀 수지폼층의 제조에 사용되는 것을 사용할 수 있는데, 그 중에서도 비이온계 계면 활성제가 효과적이다. 비이온계 계면 활성제로는, 예를 들어, 에틸렌옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 공중합체인 알킬렌옥사이드; 알킬렌옥사이드와 피마자유의 축합물; 알킬렌옥사이드와 노닐페놀, 도데실페놀과 같은 알킬페놀의 축합물; 알킬에테르 부분의 탄소수가 14 ∼ 22 인 폴리옥시에틸렌알킬에테르; 나아가서는, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르 등의 지방산 에스테르류; 폴리디메틸실록산 등의 실리콘계 화합물; 폴리알코올류 등이 예시될 수 있다. 계면 활성제는 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상을 조합하여 사용해도 된다. 계면 활성제의 사용량은 특별히 제한은 없지만, 통상 페놀 수지 100 중량부에 대해 0.3 내지 10 중량부의 범위이다.
경화 촉매로는, 페놀 수지를 경화시킬 수 있는 경화 촉매이면 되고, 예를 들면, 산성의 경화 촉매를 사용할 수 있다. 경화 촉매로는, 무수산 경화 촉매를 사용할 수 있다. 무수산 경화 촉매로는, 무수 인산이나 무수 아릴술폰산이 예시될 수 있다. 무수 아릴술폰산으로는, 톨루엔술폰산이나 자일렌술폰산, 페놀술폰산, 치환 페놀술폰산, 자일레놀술폰산, 치환 자일레놀술폰산, 도데실벤젠술폰산, 벤젠술폰산, 나프탈렌술폰산 등을 들 수 있다. 경화 촉매는 1 종류를 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상을 조합하여 사용해도 된다. 또, 경화 보조제로서 레조르시놀, 크레졸, 살리게닌 (o-메틸올페놀), p-메틸올페놀 등을 첨가해도 된다. 또, 이들 경화 촉매를 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 등의 용매로 희석시켜도 된다. 경화제의 사용량은 특별히 제한은 없지만, 통상 페놀 수지 100 중량부에 대해 3 내지 30 중량부의 범위이다.
상기 페놀 수지, 상기 경화 촉매, 상기 발포제 및 상기 계면 활성제를 혼합하고, 또한 상기 난연 성분을 혼합함으로써 발포성 페놀 수지 조성물(원재료)을 얻을 수 있다. 얻어진 발포성 페놀 수지 조성물을 발포 및 경화시킴으로써 페놀 수지폼층을 얻을 수 있다.
예를 들면, 상기 조성물을 원하는 형상으로 유지한 상태에서 상기 발포/경화 공정이 진행될 수 있다. 예시적으로 단열재가 후술하는 바와 같이 상기 유기물층을 심재로 포함하고, 그 일면 또는 양면에 면재를 포함하는 경우에 상기 발포/경화 공정은 상기 면재상 또는 면재의 사이에서 수행될 수 있다.
예를 들면, 상기 페놀 수지 조성물을 면재상에 토출하고, 필요한 경우에 상기 페놀 수지 조성물의 면재와 접촉하는 면과는 반대측의 면을 추가적인 면재로 피복하고 발포 및 경화 공정을 진행할 수 있다.
이러한 발포 공정은 통상 40℃ 내지 120℃ 정도의 온도에서 수행할 수 있으며, 필요한 경우에 다단계로 공정 온도를 변경시켜 가면서 상기 발포 공정 등을 수행할 수 있다. 원재료의 종류에 따른 적정한 발포 온도 등의 공정 조건은 공지되어 있다.
단열재는 상기 유기물층에 추가로 다른 구성을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 유기물층을 단열재의 심재로 사용하는 경우에 단열재는 상기 유기물층의 일면 또는 양면에 면재를 추가로 포함할 수 있다.
면재로는, 특별한 제한 없이 공지의 구성을 사용할 수 있다. 예를 들어 면재로는, 합성 섬유 부직포, 합성 섬유 직포, 유리 섬유지, 유리 섬유 직포, 유리 섬유 부직포, 유리 섬유 혼초지, 종이, 금속 필름 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으며, 상기 면재에도 난연 및 준불연 성능의 부여를 위해서 난연제가 함유될 수 있다.
단열재는 상기 구성 외에도 필요한 다른 구성을 포함할 수도 있다.
본 출원은 또한 단열재 및/또는 유기물층의 장기 열전도율을 평가하는 방법에 대한 것이다.
상기 평가 방법은 일 예시에서 단열재가 존재하는 챔버의 내부에 소정 범위의 투과 계수를 가지는 기체를 주입하면서 압력 또는 내부 압력이 포화되는 시간을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원에서는 상기와 같이 소정 조건(구체적으로 후술하는 본 명세서의 실시예에 기재된 조건)에서 소정 범위의 투과 계수를 가지는 기체를 주입하면서 상기 압력 또는 내부 압력이 포화되는 시간을 확인하는 경우에 해당 시간을 단열재 및/또는 유기물층의 발포 가스의 누출되는 시간의 지표로 활용할 수 있다는 점을 확인하였다.
따라서, 상기 시간이 길수록 해당 단열재 및/또는 유기물층은 단열 성능을 장기간 안정적으로 유지할 수 있다.
이 때 적용되는 기체로는, 예를 들면, 투과 계수가 40℃의 온도에서 대략 5 내지 50 cm2/s의 범위 내에 있는 기체를 활용할 수 있다.
상기 적용 가능한 기체의 구체적인 종류에는 투과 계수가 상기 범위 내인 한 특별한 제한은 없다. 일 예시에서 기체로는, 헬륨, 이산화탄소, 산소 및/또는 질소 가스를 사용할 수 있다.
상기 방법에서는, 상기 기체 주입 전의 상기 챔버 내부의 압력을 약 10 내지 20 psi로 유지할 수 있다. 상기 압력은 다른 예시에서 약 12 psi 이상 또는 14 psi 이상이거나, 18 psi 이하 또는 16 psi 이하 정도일 수도 있다.
상기 방법에서는 또한, 상기 기체의 주입을, 1 내지 20 psi의 범위 내의 상대 압력 조건 하에서 수행할 수 있다. 상기 상대 압력 조건에서의 주입을 통해서 단열재의 장기 열 안정성을 효율적으로 예측할 수 있다. 상기 압력 조건은 다른 예시에서 2 psi 이상, 3 psi 이상, 4 psi 이상, 5 psi 이상, 6 psi 이상, 7 psi 이상, 8 psi 이상, 9 psi 이상, 10 psi 이상, 11 psi 이상, 12 psi 이상 또는 13 psi 이상이거나, 18 psi 이하, 16 psi 이하, 14 psi 이하, 12 psi 이하, 10 psi 이하, 8 psi 이하 또는 6 psi 이하 정도일 수도 있다.
하나의 예시에서 상기 방법은, 상기 단계에서의 결과값을 통해서 하기 수식 1에 따라서 단열재 및/또는 유기물층의 장기 열전도율을 평가하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.
[수식 1]
장기 열전도율(단위: W/mK) = λ0 × {1+(T2/800)}
수식 1에서 λ0는 단열재 및/또는 유기물층의 초기 열전도율(단위: W/mK)(즉, 상기 기체 주입 테스트를 수행하기 전의 단열재 및/또는 유기물층의 초기 열전도율)이고, T2는 13 psi의 상대 압력 조건이 유지되도록 기체를 챔버 내부로 주입하면서, 상기 단열재의 내부 압력 변화를 모니터링할 때에 상기 내부 압력이 95% 포화될 때까지 소요되는 시간(단위: 분)이다.
상기 방법에서는 상기 단계를 통해서 상기 수식 1에 따라 측정한 장기 열전도율이 약 30 mW/m·K 이하인 단열재 및/또는 유기물층을 선별하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 이러한 범위의 장기 열전도율을 가지는 단열재 및/또는 유기물층은 장기간 안정적으로 단열 특성을 유지할 수 있다. 상기 장기 열전도율은 다른 예시에서 약 28 mW/m·K 이하, 약 26 mW/m·K 이하, 약 24 mW/m·K 이하, 약 22 mW/m·K 이하, 약 20 mW/m·K 이하, 18 mW/m·K 이하, 16 mW/m·K 이하, 14 mW/m·K 이하, 12 mW/m·K 이하, 10 mW/m·K 이하, 8 mW/m·K 이하, 6 mW/m·K 이하, 4 mW/m·K 이하, 2 mW/m·K 이하, 1 mW/m·K 이하, 0.5 mW/m·K 이하, 0.1 mW/m·K 이하, 0.05 mW/m·K 이하 또는 0.03 mW/m·K 이하 이거나, 약 0.001 mW/m·K 이상, 약 0.005 mW/m·K 이상, 약 0.01 mW/m·K 이상, 약 0.015 mW/m·K 이상 또는 약 0.02 mW/m·K 이상 정도, 약 10 mW/m·K 이상, 약 12 mW/m·K 이상, 약 14 mW/m·K 이상, 약 16 mW/m·K 이상 또는 약 18 mW/m·K 이상 정도일 수도 있다.
본 출원의 상기 단열재는 대표적으로 건축용 자재로서 사용될 수 있지만, 상기 단열재의 용도가 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원은,장기 열전도율이 낮아서 시간이 경과하여도 단열 특성을 안정적으로 유지할 수 있는 단열재 및 단열재의 종류와 무관하게, 간단하고 단시간의 공정으로 단열재의 장기 열전도율을 평가할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
도 1 내지 3은 단열재 및/또는 유기물층의 내부 압력을 측정하는 방식을 나타내는 도면이다.
이하 실시예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 열전도율 및 열관류율 분석 방법
유기물층의 열전도율은 측정 기기(제조사: Eko Instruemts Trading, 제품명: HC-704)를 사용하여 측정하였다. 각각 온도가 10℃ 및 30℃로 유지된 열판의 사이에 샘플을 장착하고, 열 흐름(heat flow)를 확인하여 열전도율을 평가하였다. 열관류율은 상기 측정된 유기물층의 열전도율을 유기물층(샘플)의 두께로 나누어서 구하였다.
2. 독립 기포율 및 독립 기포의 평균 지름의 측정
독립 기포율은 KS M ISO 4590 규격에 따라서 독립 기포율 측정 기기(Quantachrome, ULTRAPYC 1200e)를 사용하여 측정하였다. 측정 시에 샘플로는, 유기물층을 길이, 폭 및 두께를 각각 2.5cm, 2.5cm 및 2.5cm의 크기로 재단한 것을 사용하였다.
유기물층의 독립 기포의 평균 지름은 전자 현미경 및 이미지 제이 프로그램을 이용하여 측정하였다. 유기물층의 한면을 면도날로 잘라서 박피로 한 후에 전자 현미경을 이용하여 사진을 찍고, 약 150개의 크기로 원형의 모양을 그린 후에 이미지 제이 프로그램을 이용해 평균 지름을 측정하였다. 평균 지름을 측정하는 이러한 방식은 공지이다.
3. 압축 강도의 측정
압축 강도는 KS M ISO 844에 규정된 압축강도 측정법에 의해 측정하였다. 유기물층을 폭, 길이 및 두께가 각각 50mm, 50mm 및 200 mm의 크기로 재단하고, 두께 방향으로 10mm/min의 하중 집중 속도 조건에서 압축 강도를 측정하였다.
4. 단열재의 내부 압력의 측정
단열재의 심재의 내부 압력은 도 1에 나타난 바와 같은 장치로서, 2개의 주사기(syringe)(101, 102)를 서로 내부의 공기가 이동할 수 있도록 조인트(syringe joint, 3way v/v)(200)로 연결한 장치를 사용하여 측정하였다. 샘플(300)로는 단열재의 심재를 가로, 세로 및 두께가 모두 2 cm 정도가 되도록 재단하여 약 8 cm3 정도의 부피를 가지도록 재단한 것을 사용하였다.
상기에서 주사기(101, 102)로는, 각각 약 60 ml의 부피를 가지는 주사기를 사용하였다.
상기 샘플(300)을 도 1의 장치의 한 쪽 주사기(101)에 넣고, 주사기(101)의 눈금을 40 ml로 맞추었다. 또한, 샘플(300)이 없는 다른 쪽 주사기(102)의 눈금은 0 ml로 맞추었다.
도 2에 나타난 바와 같이 샘플(300)이 존재하는 주사기(101)를 압착하였다. 상기 압착은 주사기(101) 내부의 샘플(300)이 압축되고, 더 이상 주사기(101)가 압착되지 않을 때까지 수행하였다. 이에 의해서 샘플(300)이 없는 주사기(102)의 내부 부피가 증가하여 눈금이 증가하였다.
이어서 도 3에 나타나 바와 같이 부피가 증가한 주사기(102)를 분리한 후에 해당 주사기(102)의 눈금을 확인하였다.
그 후 하기 수식에 따라서 내부 압력을 평가하였다.
<수식 A>
내부 압력 = {V_1 - V_air}/{V_f×C - V_fp}
수식 A에서 V_1은 상기 내부 압력의 측정 과정에서 샘플(300)이 존재하는 주사기(101)를 더 이상 압착되지 않을 때까지 압착한 상태에서 샘플(300)이 존재하지 않는 주사기(102)의 증가된 부피이다. 이는 도 3에 나타난 바와 같이 압착 후 상기 주사기(102)를 분리한 후에 해당 주사기(102)의 눈금으로 확인할 수 있다(단위: ml).
수식 A에서 V_air는 상기 내부 압력의 측정 과정에서 샘플(300)이 존재하는 주사기(101)의 압착 전의 내부 부피 중에서 공기가 차지하는 부피이다. 이는 상기 압착 전 주사기(101)의 눈금으로 확인되는 부피(단위: ml)에서 샘플(300)의 부피(ml)를 뺀 값이다.
또한, 수식 A에서 V_f는 샘플(300)의 초기 부피이고, C는 상기 샘플(300)의 독립 기포율이다.
또한, 수식 A에서 V_fp는, 내부 압력의 측정 과정에서 샘플(300)이 존재하는 주사기(101)를 더 이상 압착되지 않을 때까지 압착한 상태에서의 상기 샘플(300)의 부피이고, 이는 상기 압착한 상태에서의 주사기(101)의 눈금으로 확인할 수 있다(단위: ml).
상기에서 내부 압력의 단위는 atm이다.
5. 단열재의 장기 열전도율 측정
전체 단열재의 장기 열전도율은, 다음의 방식으로 측정하였다. 우선 내부 부피가 약 135 cm3 정도이고, 내부로 헬륨 가스를 압력을 제어하여 주입할 수 있으며, 내부 압력을 측정할 수 있는 챔버를 준비하였다.
상기 챔버 내에 단열재 샘플을 넣었다. 상기 샘플로는 단열재를 가로, 세로 및 두께가 모두 2 cm 정도가 되도록 재단하여 약 8 cm3 정도의 부피를 가지도록 재단한 것을 사용하였다.
샘플이 넣어진 챔버의 내부에는 헬륨이 존재하는 상태이고, 샘플을 넣은 후에 챔버의 내부 압력은 1 atm 정도로 조절하였다.
이어서 챔부 내부의 압력이 5 psi의 상대 압력 조건이 유지되도록 헬륨 가스를 챔버 내부로 주입하면서, 단열재의 내부 압력의 변화를 측정하고, 상기 내부 압력이 95% 포화(saturation)되는 시간을 측정하였다.
상기에서 상대 압력이 5 psi라는 것은 챔버 내부의 압력이 대기압 대비 5 psi 높은 압력으로 유지되는 것을 의미한다. 통상 대기압은 1 atm(=14.696 psi)이기 때문에, 상기 조건에서 챔버 내부의 압력은 약 19.696 psi로 유지된다.
상기에서 압력이 포화되는 것은, 챔버 내에 헬륨을 더 이상 주입하지 않음에도 단열재 내부의 압력 변화가 없는 상태이며, 헬륨이 샘플의 내부로 모두 침투한 상태를 의미하고, 통상 상기 조건에서는 10 시간 이내에 포화 상태가 확인된다. 또한, 상기에서 압력이 95% 포화된다는 것은 상기 압력 변화가 없는 상태의 단열재 내부 압력의 95%의 압력이 확인되는 것을 의미한다.
별도로 상기와 동일하게 압력이 95% 포화되는 시간을 측정하되, 챔부 내부가 13 psi의 상대 압력 조건이 유지되도록 헬륨 가스를 챔버 내부로 주입하면서 상기 압력이 95% 포화(saturation)되는 시간을 측정하였다.
상기에서 상대 압력이 13 psi라는 것은 챔버 내부의 압력이 대기압 대비 13 psi 높은 압력으로 유지되는 것을 의미한다. 통상 대기압은 1 atm(=14.696 psi)이기 때문에, 상기 조건에서 챔버 내부의 압력은 약 27.696 psi로 유지된다
이어서 하기 수식에 따라서 장기 열전도율을 측정하였다.
<수식 B>
장기 열전도율(단위: W/mK) = λ0 × {1+(T2/800)}
수식 B에서 λ0는 샘플의 열전도율(단위: W/mK)이고, T2는 상기 13 psi의 상대 압력 조건이 유지되도록 헬륨 가스를 챔버 내부로 주입하면서 압력 변화를 모니터링할 때에 압력이 95% 포화될 때까지 소요되는 시간(단위: 분)이다.
실시예 1.
유기물층(페놀 수지폼층)을 하기의 방식으로 제조하였다. 레졸 페놀 수지에 상기 수지 100 중량부 대비 3.5 중량부의 피마자유 계면활성제 및 5 중량부의 분말상 우레아를 첨가하였다. 또한, 난연 성분으로서 상기 페놀 수지 100 중량부 대비 5 중량부의 적인과 1 중량부의 술펜아미드 화합물(송원산업제, SF201 및 SF205)을 배합하였다. 상기 SF201는, N-(1,1-dimethylethyl)bis(2-benzothiazolesulfen)amide이고, SF205는 N-(cyclohexylthio)phthalimide이다. 또한, 상기 페놀 수지 100 중량부 대비 4 중량부의 펜타에리트리톨 및 1 중량부의 TEP(Triethyl phosphate)를 추가하고, 1000rpm 균일한 속도로 3분간 충분히 교반하여 프리믹스(Premix)를 만들고 1시간 방치하였다. 상기 공정은 모두 상온에서 진행하였다. 이어서 상기 프리믹스에 이소프로필클로라이드/이소펜탄 8:2 중량 비율의 혼합 발포제를 상기 페놀 수지 100 중량부 대비 10 중량부 추가하고, 1000rpm 균일한 속도로 1분간 충분히 교반한 후 저온 챔버에 넣어서 온도를 10℃로 낮추었다. 그 후 파라톨루엔술폰산(PTSA)을 포함하는 액상 혼합물을 상기 페놀 수지 100 중량부 대비 17 중량부 투입하고, 2000rpm으로 30초간 고속 교반한 뒤에 50 kg/m3 밀도로 70℃ 몰드에 투입하여 7분간 발포/경화시켜 페놀 수지폼층을 제조하였다. 몰드에서 제조된 폼을 꺼낸 뒤 24 시간 동안 80℃ 오븐에서 양생시켜서, 단열재인 유기물층을 제조하였다.
상기 유기물층은 내부에 발포 가스로서 이소프로필클로라이드 및 이소 펜탄을 포함하는 독립 기포를 포함하는 것으로서, 독립 기포율은 약 95% 정도이고, 독립 기포의 평균 크기는 100~300 μm 정도인 유기물층이다. 또한, 상기 유기물층의 밀도 및 압축 강도는 각각 30 내지 50 kg/m3 및 100 내지 300 kPa 정도의 수준이다
실시예 2.
실시예 2의 유기물층으로는 폴리우레탄폼을 적용하였다. 상기 폴리우레탄폼은, 내부에 발포 가스로서 HCFC(HydroChloroFluoroCarbon)을 포함하는 독립 기포를 포함하는 것으로서, 독립 기포율은 약 90% 정도이고, 독립 기포의 평균 크기는 200 내지 300 μm 정도인 유기물층이다. 또한, 폴리우레탄폼의 밀도 및 압축 강도는 각각 약 40 kg/m3 및 약 110 kPa 정도였다.
실시예 3.
실시예 3의 유기물층으로는 폴리우레탄폼을 적용하였다. 상기 폴리우레탄폼은, 내부에 발포 가스로서 사이클로펜탄(Cyclopentane)을 포함하는 독립 기포를 포함하는 것으로서, 독립 기포율은 약 90% 정도이고, 독립 기포의 평균 크기는 100 내지 200 μm 정도인 유기물층이다. 또한, 폴리우레탄폼의 밀도 및 압축 강도는 각각 약 30kg/m3 및 약 100 kPa정도였다.
상기 각 단열재(유기물층)에 대해서 측정한 물성을 하기 표 1에 정리하여 기재하였다.
실시예1 실시예2 실시예3
열전도율(실측) 0.0190 0.01873 0.02276
장기 열전도율(EN) 0.02050 0.02240 0.02750
장기 열전도율(수식B) 0.02043 0.02201 0.02674
내부압력(초기)(atm) 0.6 0.5 0.6
T1(단위: 분) 300 300 300
T2(단위: 분) 60 120 180
표 1에서 열전도율(실측)은, 단열재에 대해서 측정한 초기 열전도율이고, 단위는 W/mK이다.
또한, 장기 열전도율(EN)은 EN13166 방식으로 확인한 장기 열전도율이고, 이의 단위는 W/mK이다. 한편, 상기에서 EN13166 방식은 단열재를 70℃의 온도에서 약 175일 유지한 후에 열전도율을 확인하는 방식이다.
표 1에서 장기 열전도율(수식 B)는 상기 수식 B에 의해 확인되는 열전도율이고 단위는 W/mK이다.
또한, 내부 압력은 상기 수식 A에 의해 확인되는 것이다.
또한, T1은 상기 수식 B에 의한 장기 열전도율 평가 방법에서 5 psi의 상대 압력 조건이 유지되도록 헬륨 가스를 챔버 내부로 주입하면서 챔버 내의 압력의 변화를 측정한 때에 압력이 95% 포화(saturation)될 때까지 소요되는 시간이며, T2는 상기 수식 B에 의한 장기 열전도율 평가 방법에서 13 psi의 상대 압력 조건이 유지되도록 헬륨 가스를 챔버 내부로 주입하면서 챔버 내의 압력의 변화를 측정한 때에 압력이 95% 포화(saturation)될 때까지 소요되는 시간이다.
표 1의 결과로부터 소정 범위의 내부 압력 및 독립 기포 특성을 가지는 단열재는 설계된 열전도율이 장기간 동안 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 출원에서 제시하는 방법에 의한 장기 열전도율(수식 B)과 EN13166 방식으로 측정한 장기 열전도율(EN)이 큰 오차 없이 매칭되는 점으로부터 본 출원의 방식을 통해서 단열재의 장기 열전도율 특성을 간편하게 단시간 내에 확인할 수 있다는 점을 확인할 수 있다.

Claims (13)

  1. 내부에 발포 가스가 존재하는 독립 기포를 포함하고, 독립 기포율이 75% 이상이며, 내부 압력이 0.1 atm 내지 10 atm의 범위 내에 있는 유기물층을 포함하는 단열재.
  2. 제 1 항에 있어서, 열관류율이 0.4 W/m2·K 이하인 단열재.
  3. 제 1 항에 있어서, 발포 가스는, 탄화수소 및 할로겐화 탄화수소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 단열재.
  4. 제 1 항에 있어서, 유기물층은 밀도가 20 내지 70 Kg/m3의 범위 내에 있는 단열재.
  5. 제 1 항에 있어서, 유기물층은, 압축 강도가 80 kPa 이상인 단열재.
  6. 제 1 항에 있어서, 유기물층의 독립 기포의 평균 크기가 1 내지 300μm의 범위 내에 있는 단열재.
  7. 제 1 항에 있어서, 유기물층은, 5 psi의 상대 압력 조건 하의 헬륨 가스 주입 조건에서 95% 포화(saturation) 압력 소요 시간이 1,000분 이하인 단열재.
  8. 제 1 항에 있어서, 유기물층은, 13 psi의 상대 압력 조건 하의 헬륨 가스 주입 조건에서 95% 포화(saturation) 압력 소요 시간이 500분 이하인 단열재.
  9. 제 1 항에 있어서, 유기물층은, 페놀 수지, 폴리스티렌, 폴리우레탄 및 폴리이소시아누레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 단열재.
  10. 단열재가 존재하는 챔버의 내부에 헬륨, 이산화탄소, 산소 또는 질소 가스를 주입하면서, 상기 단열재의 내부 압력이 포화되는 시간을 확인하는 단계를 포함하는 단열재의 장기 열전도율의 평가 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 헬륨, 이산화탄소, 산소 또는 질소 가스 주입 전의 챔버 내부의 압력을 10 내지 20 psi의 범위 내로 유지하는 장기 열전도율의 평가 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 헬륨, 이산화탄소, 산소 또는 질소 가스의 주입은, 1 내지 30 psi의 범위 내의 상대 압력 조건 하에서 수행하는 장기 열전도율의 평가 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 하기 수식 1에 따라 장기 열전도율을 측정하는 장기 열전도율의 평가 방법:
    [수식 1]
    장기 열전도율(단위: W/mK) = λ0 × {1+(T2/800)}
    수식 1에서 λ0는 단열재의 초기 열전도율(단위: W/mK)이고, T2는 13 psi의 상대 압력 조건이 유지되도록 기체를 상기 단열재가 존재하는 챔버 내부로 주입하면서 상기 단열재의 내부 압력 변화를 모니터링할 때에 상기 내부 압력이 95% 포화될 때까지 소요되는 시간(단위: 분)이다.
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