KR20220129181A - 폴리우레탄 발포시 골재 역할을 하는 발포유기물 첨가방법 및 난연첨가제 - Google Patents

Abstract

발포우레탄폼을 단열제로하여 건축한곳에서는 화재시 사람이 불에 타죽는것이 아니라 유독성가스를 마시고 가스에 의해 짧은시간에 질식사하는 문제가 있으나 기존 발포우레탄폼 을 난연화시키기 위하여는 기존 인계난연제,할로겐족 난연제는 가격이 비싸 적용시 가격이 고가가 되어 산업현장에서 적용하기 어려운데 물유리로 난연제로 혼합하여 발포하면 물유리는 가격이 싸며 물성분을 포함하고 있다 보니 물유리를 혼합하여 저렴한 난연성 발포우레탄 폼을 만들고자하며 이를 적용하는 방법을 설명하면
우선 첨가제에 대한 기본설명을 하면 액체로 된 유리 또는 물에 녹는(녹은) 유리. 대표적 규산염인 규산나트륨(Na2SiO3)의 수용액. 또는 하얀 고체 가루인 규산나트륨 자체를 물유리라고 부르기도 하며 여기서는 물유리로 설명하도록 한다.
우레탄 결합(-NH-CO-)을 갖는 합성고분자. 예를 들면 디이소시안산에스테르와 글리콜을 부가중합시켜 제조한다. 저온단열용 발포, 레토르트, 복합필름(라미네이트)용 접착제로 이용하며 폴리우레탄(polyurethane)이라고도 한다
발포우레탄은 우레탄수지를 일반적으로 2액형으로 사용되며 습기와 반응하는 1액형 우레탄 발포용액도 있다
본 발명은 우레탄 발포용액 A용액과 B용액을 1차 혼합교반후 물유리1호를 10~70%를 혼합후 다시 2차 교반 하여 발포가 이루어지도록 하는 방법으로서 1차교반중 발포 1차반응을 보일때 물유리1호를 혼합후 다시 2차 교반하면 발포가 이루어지며 발포체와 물유리가 비중에따라 분리되지않고 발포되었으며 발포 경화가 완료된후 경화전과 경화후의 질량을 재어보니 질량의 변화가 없었다.
질량의 변화가 없다는것은 우레탄 액과 물유리가 반응하여 새로운 발포 폴리머가 형성되었던가 아니면 발포우레탄 폼을 형성하는 기공 사이 사이에 물유리를 품으면서 발포경화되었다고 보며 발포체에 토치로 불을 가해도 표면만 검게 변할뿐 검은 연기가 발생되거나 타는 현상이 없었다
기존 건물벽이나 H빔등 뿜칠로 발포할경우 이를 적용하는 방법에 있어 발포건 또는 혼합기 구조가 2액형 또는 3액형으로 하여 물유리를 난연제로 혼합 발포하면 된다
폴리우레탄 발포폼의경우 원료가 화공약품이라 유독성가스를 많이 발생하게 되는데 유독성 가스는 발포폼 무게와 비례되는데 유독성 가스배출이 적은 골재를 첨가하면 그만큼 유독가스를 줄일수 있는데 곡물을 뻥튀기한 강냉이를 골재로 사용하면 강냉이는 비중이 0.1이하로 가볍고 발포폼 부피의 30~90% 정도를 차지할 수 있으며 폴리우레탄발포폼은 접착제역할을 한다
또한 라),마),바) 도와 같이 발포표면 침식을 막기위해 형틀 바닦에 조개,굴 패각 조각 깔아 놓은후 그위에 폴리올과 경화제를 혼합한 발포용액 부어 발포하거나 난연성을 강화한 폴리올과 경화제 물유리를 혼합한 발포용액 부어 발포하면 발포한 바닦부분에 천산갑등 동물이 갑옷을 입어 자기몸을 보호하듯이 발포폼이 접착제역할을하면서 조개,굴 패각조각과 발포폼이 한몸이되고 조개패각이 발포폼을 감싸 하나의 단열재블럭이되며 단열재의 조개패각에 토치로 태워도 발포폼 침식을 막을수 있도록한다

Description

폴리우레탄 발포시 골재 역할을 하는 발포유기물 첨가방법 및 난연첨가제{Foaming organic matter addition method and flame retardant additive that acts as an aggregate during polyurethane foaming}

발포우레탄,발포우레탄폼,폴리우레탄,폴리우레탄폼,난연제,물유리,규산나트륨(Na2SiO3),조개패각,굴패각,재활용

본 발명은 본인이 2020년 06월 27일 출원한 10-2020-0078849 폴리우레탄 난연첨가제 특허출원서 기반하며 발포형틀에 강냉이를 골재로첨가해 발포성형하는 방법에관한것이다

발포우레탄 은 주로 건축단열재로 쓰이며 A용액(폴리올),B용액(경화제)으로 이루어져 A용액,B용액을 혼합하면 발포가 이루어지며 이를 형틀에넣고 발포하여 단열판넬 폼을 제작하는데 화재시 유독가스와 연기가 많이 발생 되어 화재시 사람이 불에 타죽는것이 아니라 유독성가스를 마시고 가스에 의해 짧은 시간에 질식사하는 문제가 있다.

2020년 4월 29일 발생한 이천 물류창고 화재의 피해를 키운 주범으로는 우레탄 폼이 지목된다. 보통 냉동이나 냉장 물류창고의 경우 일방적으로 조립식 자재인 샌드위치 판넬로 칸막이 벽체를 형성하고 우레탄폼으로 판넬 벽체의 함석 표면을 일정 두께로 덧대는 방법을 적용한다.

적게는 50~150㎜까지 단열이 이뤄지는데 화재 시에는 다량의 유독가스가 발생하고 화재 확산 속도도 걷잡을 수 없이 빠르다. 초기진압이나 대응이 힘든 이유다.

단열재로 사용되는 이 우레탄폼은 작업 현장에서 반응 혼합물에 발포제를 혼합해 제조된다. 혼합과정 특성상 열기와 휘발성 유기화합물 사용으로 인해 작업장에는 독성과 인화성이 강한 유증기가 발생한다.

가연성 제품인 단열재와 유증기에 불이 붙으면 화염은 급속히 확산된다. 보통 이런 우레탄 폼이 연소될 경우 염화수소와 황화수소, 이산화질소, 일산화탄소, 이산화황, 시안화수소 등의 유독가스가 발생한다.

이 중 시안화수소는 질소 성분을 가진 합성수지 등의 섬유가 불완전 연소 시 발생하는 맹독성 가스다. 0.3% 농도에서도 즉시 사망하는 큰 위험성을 보인다. 일명 청산가스라고도 불리는데 우레탄 100g이 연소될 때 420ppm이 발생한다. 5분 내에 질식해 의식을 잃거나 사망할 수 있는 수치다.

조금만 흡입하더라도 인체에 치명적인 독성 가스에 중독되거나 질식돼 쓰러지고 2차 피해로 화상을 입게 되면 대형 인명피해를 피할 길이 없다.

보통 냉동창고에서 이 우레탄폼은 샌드위치패널 내부 재료로 이용된다. 폼 형태로 마감재와 단열재로 사용되기 때문이다.

가볍고 단열성이 뛰어난 건축자재로 다양한 건축물에 적용되지만 인화성과 가연성 등의 위험이 커 화재에는 취약하다. 대부분의 냉동창고에 사용되는 우레탄폼은 저온 유지와 보냉효과를 높이기 위한 단열재로 벽체 내부와 천장을 마감하는 데 사용되고 있다.

이번 물류창고 화재 역시 지하 2층에서 우레탄 작업 시 발생한 유증기에 아직 원인을 알 수 없는 점화원에 의해 폭발이 이뤄진 것으로 추정된다. 화재 이후 다량의 유독가스가 발생되면서 큰 인명피해를 불러왔다는 분석이 나오고 있다.

대표적인 유사 화재 사례로는 2008년 이천 코리아 냉동창고 화재 사례가 있다. 2008년 1월 7일 발생한 이 화재로 40명이 숨지고 10명이 다쳤다. 당시에도 내부마감재로 쓰인 우레탄폼과 같은 폭열성 단열재가 문제로 지목됐다.

2012년 4명이 숨진 국립현대미술관 공사장 화재 때도 우레탄 폼이 문제였다. 당시 공사 현장에서는 천장에 인화성이 강한 경칠 우레탄폼이 15cm 두께로 도포된 상태였고 화재가 급격하게 이를 타고 확산되면서 유독가스를 발생키면서 피해를 키웠다.

PU단열재는 크게 PUR(폴리우레탄)과 PIR(폴리이소시아누레이트)로 나뉜다. 물성은 비슷하지만 PUR은 주로 우레탄 스프레이폼으로 활용하며 최근에는 물성이 개선된 PUPIR이 사용된다. PIR은 단열보드로 사용한다. 난연성능은 PUR보다 PIR이 우수한 것으로 나타난다.

폴리우레탄은 냉동창고, 단열주택, 선박 내부 등을 비롯하여 각종 건축물의 단열 시공을 위한 재료로서 사용되어 오고 있다. 폴리우레탄을 시공하기 위해서는 메틸렌 디이소시아네이트(MDI) 용액과 폴리올 용액을 일정한 비율로 혼합하여 발포기를 사용하여 발포우레탄 성형물을 시공한다. MDI 용액과 폴리올 용액은 각각 별도로 제조되어 폴리우레탄 시공업자가 이들 두 제품을 혼합하여 폴리우레탄 발포체를 시공하고 있다. 따라서 발포우레탄의 품질 및 성능을 향상시키기 위해서는 MDI 용액은 물론 폴리올 용액의 품질과 성능을 향상시켜야 한다.

이제까지 사용되고 있는 MDI 용액과 폴리올 용액으로 발포우레탄을 성형한 발포체의 가장 큰 문제점은 충분한 난연등급을 유지하지 못하는 것이었다. 발포우레탄은 KS F2271에 의하여 난연성을 시험하였을 때 난연등급 2급 내지 3급을 유지하여야 화재에 대비할 수 있는 정도의 난연성을 갖는다. 그러나 이제까지의 발포우레탄은 이러한 난연등급 2급 내지 3급의 정도에 이르지 못하였고, 그 결과 폴리우레탄으로 시공한 건축물은 항상 대형 화재의 요인을 안고 있었다.

폴리우레탄은 화학적으로 우레탄 결합을 일정량 이상 포함한 고분자화합물의

총칭이고, 이 우레탄결합은 이소시아네이트(isocyanate)와 폴리올(polyol)의

부가반응에 의해 이루어진다. 이때 우레탄결합구조를 형성하는 이소시아네이트와

폴리올의 구조, 분자량, 작용성(functionality) 등에 의해 폴리우레탄의 용도와

물성이 결정되며, 초기에는 폴리에스테르계 폴리올을 많이 사용하였으나 가격적

측면에서 유리한 폴리에테르계 폴리올의 사용량이 더욱 많아지는 추세이며,

두 가지 계 모두 작용성, 사슬길이, 반응성이 물성에 중요하게 영향을 미치는

요소로서, 작용성과 분자량은 형성되는 고분자의 구조와 가교밀도에 영향을

미치므로, 용도에 맞는 구조와 물성을 위해 다양한 분자량과 작용성의 폴리올을

선택,혼합사용하는 것이 필요하며,

폴리우레탄 발포액은 MDI,PPG(poly propilene glcols),촉매 기타 첨가제를 적절히 혼합하여 제조된다.

2액형 폴리우레탄(Polyurethane)도료는 폴리올과 폴리이소시아네이트가 반응하여 분자간 3차원 망상구조를 형성하기 때문에 도막물성 및 작업성이 매우 우수하여 공업용 소재의 도장용으로 많이 사용하고 있다. 2액형 폴리우레탄도료는 사용목적에 따라 크게 알키드 폴리올, 폴리에스테르 폴리올, 폴리에스테르 변성 아크릴 폴리올 및 아크릴 폴리올로 분류되고 있으며,수지의 화학적 특성에 따라 반응성 및 건조조건에 따라 도막의 물성차이가 많이 발생하기 때문에 현장적용에 어려움이 있다. 따라서 본 연구는 폴리우레탄 도료의 균일한 반응성 및 물성을 개선하기 위하여 수지의 점도, 용제 및 산가를 동일한 조건으로 하고, 폴리올의 화학적 조성에 따라 분자 중 OH 함유량과 촉매를 다르게 하고, 여기에 폴리이소시아네이트를경화제로 하여 각각의 반응속도 및 반응 정도를 Rheometer, DMA, FTIR 등을 이용하여 측정하였다. 그 결과 폴리우레탄 도료에서 폴리올과 폴리이소시아네이트와의 반응성은 촉매, 폴리올 중 OH 함유량 및 화학적 조성에 따라 각각 다른 결과를 나타내었으며, 반응 온도 및 촉매에 따라 폴리에스테르 폴리올이 가장 빨랐고, 알키드 폴리올이 가장 늦었다. 그리고 아크릴 폴리올과 변성 아크릴 폴리올은 반응온도 및 촉매에 따라 반응이 다르게 나타났고, OH 함량에 따른 반응성은 OH 함량이 높을수록 빠른 것을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터 반응성 및 도막의 물성이 우수한 조건을 선택하면 현장적용의 어려움이 개선될 것으로 판단된다.

폴리우레탄 발포폼의경우 원료가 화공약품이라 유독성가스를 많이 발생하게 되는데 유독성 가스는 발포폼 무게와 비례되는데 유독성 가스배출이 적은 골재를 첨가하면 그만큼 유독가스를 줄일수 있는데 곡물을 뻥튀기한 강냉이를 골재로 사용하면 강냉이는 가볍고 발포폼 부피의 30~90% 정도를 차지할수있으며 폴리우레탄발포폼은 접착제역할을 한다

발포우레탄폼을 단열제로하여 건축한곳에서는 화재시 사람이 불에 타죽는것이 아니라 유독성가스를 마시고 가스에 의해 짧은시간에 질식사하는 문제가 있으나 기존 발포우레탄폼 을 난연화시키기 위하여는 기존 인계난연제,할로겐족 난연제는 가격이 비싸 적용시 가격이 고가가 되어 산업현장에서 적용하기 어려운데 물유리로 난연제로 혼합하여 발포하면 물유리는 가격이 싸며 물성분을 포함하고 있다 보니 물유리를 혼합하여 저렴한 난연성 발포우레탄 폼을 만들고자하며 또한 물유리 첨가로 인한 발포체의 물성분이 많아짐에따라 발포체가 연질화 하는성질과 폴리올 및 경화제 가격이 계속 가격이 높아짐에 따라 고가인점을 보완하기 위해 유기물 발포체를 형틀에 넣은후 발포액을 넣어 발포하면 유기물 발포체 사이를 발포체가 메우면서 접착제 역할을 하며 서로서로 연결되어 하나의 단열재 블록으로되며 유기물 발포체첨가에 따라 같은부피의 단열재에 폴리올과 경화제의량이 적게들어가 유독성 가스 배출을 줄일수 있으며 자연에서 수확한 유기물 발포체 첨가에 다른 친환경발포폼이되며 유기물발포체로는 일명 뻥튀의 대명사격인 강냉이라부르는 곡물을 뻥튀한 옥수수,쌀등 전분과수분을 함유한 모든 유기물은 뻥튀기 될수있다 극장에서 주로많이 먹는 팝콘도 뻥튀의 일종이며 인위적으로 뻥튀기하지않은 잡초골격마른것이나 나무등도 마르면 내부에 빈공간이생겨 스폰지구조로된것을 사용할수도 있다

또한 화재시 발포폼 표면부터 타들어가며 침식하는데 이를 보완하기위해 일반적으로 철판등의 외피사이에서 발포하는데 이를대신해 조개,굴패각 을 형틀에 깔고 우레탄발포용액을 부어 발포하면 발포액이 패각과 접착되면서 발포체가 형성되어 천산갑등의 동물외피형태를 같는 발포폼의 만들게되어 내화성능을 높일수있다.

우선 첨가제에 대한 기본설명을 하면 액체로 된 유리 또는 물에 녹는(녹은) 유리. 대표적 규산염인 규산나트륨(Na2SiO3)의 수용액. 또는 하얀 고체 가루인 규산나트륨 자체를 물유리라고 부르기도 하며 여기서는 물유리로 설명하도록 한다.

발포우레탄,우레탄폼성분은 우레탄 결합(-NH-CO-)을 갖는 합성고분자. 예를 들면 디이소시안산에스테르와 글리콜을 부가중합시켜 제조한다. 저온단열용 발포, 레토르트, 복합필름(라미네이트)용 접착제로 이용하며 발포우레탄 또는 폴리우레탄(polyurethane)이라고도 한다

발포우레탄은 우레탄수지를 일반적으로 2액형으로 사용되며 습기와 반응하는 1액형 우레탄 발포용액도 있다

본 발명은 우레탄 발포용액 A용액과 B용액을 1차 혼합교반후 물유리1호를 10~70%를 혼합후 다시 2차 교반 하여 발포가 이루어지도록 하는 방법으로서 1차교반중 발포 1차반응을 보일때 물유리1호를 혼합후 다시 2차 교반하면 발포가 이루어지며 발포체와 물유리가 비중에따라 분리되지않고 발포되었으며 발포 경화가 완료된후 경화전과 경화후의 질량을 재어보니 질량의 변화가 없었다.

질량의 변화가 없다는것은 우레탄 액과 물유리가 반응하여 새로운 발포 폴리머가 형성되었던가 아니면 발포우레탄 폼을 형성하는 기공 사이 사이에 물유리를 품으면서 발포경화되었다고 보며 발포체에 토치로 불을 가해도 표면만 검게 변할뿐 검은 연기가 발생되거나 타는 현상이 없었다

기존 건물벽이나 H빔등 뿜칠로 발포할경우 이를 적용하는 방법에 있어 발포건 또는 혼합기 구조가 2액형 또는 3액형으로 하여 물유리를 난연제로 혼합 발포하면 된다

발포우레탄 폼을 만들때 발포수지에 물유리(1호기준)를 에발포우레탄수지 1에 대한 물유리(1호기준) 0.3(무게비)이상 을 혼합하면 자기소화성이 주어지며 물유리(1호기준) 2.5(무게비)까지 혼합하여도 발포 경화에는 지장이 없었고 물유리 혼합비기 많을수록 난연화 정도가 좋았으며 물유리 가격이 기존 인계난연제나 할로겐족 난연제의 10%정도 이하의 가격으로 아주저렴한 상품을 난연상품으로 만드는 효과가 있다.

(가)강냉이를 넣은 형틀
(나)강앵이를 넣은 형틀에 발포액을 넣어 발포한후 절단한 단면모양 사진
(다)발포한후 절단한 단면을 토치로 태운사진
(라)형틀 바닦에 조개패각깔아 놓은사진
(마)조개패각 깔아놓은 위에 발포액부어 발포한사진
(바)조개패각 위에 발포한후 뒤집어 조개패각에 토치로 태운사진

우선 첨가제에 대한 기본설명을 하면 액체로 된 유리 또는 물에 녹는(녹은) 유리. 대표적 규산염인 규산나트륨(Na2SiO3)의 수용액. 또는 하얀 고체 가루인 규산나트륨 자체를 물유리라고 부르기도 하며 여기서는 물유리로 설명하도록 한다.

우레탄 결합(-NH-CO-)을 갖는 합성고분자. 예를 들면 디이소시안산에스테르와 글리콜을 부가중합시켜 제조한다. 저온단열용 발포, 레토르트, 복합필름(라미네이트)용 접착제로 이용하며 폴리우레탄(polyurethane)이라고도 한다

발포우레탄은 우레탄수지를 일반적으로 2액형으로 사용되며 습기와 반응하는 1액형 우레탄 발포용액도 있다

본 발명은 우레탄 발포용액 A용액과 B용액을 1차 혼합교반후 물유리1호를 10~70%를 혼합후 다시 2차 교반 하여 발포가 이루어지도록 하는 방법으로서 1차교반중 발포 1차반응을 보일때 물유리1호를 혼합후 다시 2차 교반하면 발포가 이루어지며 발포체와 물유리가 비중에따라 분리되지않고 발포되었으며 발포 경화가 완료된후 경화전과 경화후의 질량을 재어보니 질량의 변화가 없었다.

질량의 변화가 없다는것은 우레탄 액과 물유리가 반응하여 새로운 발포 폴리머가 형성되었던가 아니면 발포우레탄 폼을 형성하는 기공 사이 사이에 물유리를 품으면서 발포경화되었다고 보며 발포체에 토치로 불을 가해도 표면만 검게 변할뿐 검은 연기가 발생되거나 타는 현상이 없었다

기존 건물벽이나 H빔등 뿜칠로 발포할경우 이를 적용하는 방법에 있어 발포건 또는 혼합기 구조가 2액형 또는 3액형으로 하여 물유리를 난연제로 혼합 발포하면 된다

폴리우레탄 발포폼의경우 원료가 화공약품이라 유독성가스를 많이 발생하게 되는데 유독성 가스는 발포폼 무게와 비례되는데 유독성 가스배출이 적은 골재를 첨가하면 그만큼 유독가스를 줄일수 있는데 곡물을 뻥튀기한 강냉이를 골재로 사용하면 강냉이는 비중이 0.1이하로 가볍고 발포폼 부피의 30~90% 정도를 차지할 수 있으며 폴리우레탄발포폼은 접착제역할을 한다

또한 라),마),바) 도와 같이 발포표면 침식을 막기위해 형틀 바닦에 조개,굴 패각 조각 깔아 놓은후 그위에 폴리올과 경화제를 혼합한 발포용액 부어 발포하거나 난연성을 강화한 폴리올과 경화제 물유리를 혼합한 발포용액 부어 발포하면 발포한 바닦부분에 천산갑등 동물이 갑옷을 입어 자기몸을 보호하듯이 발포폼이 접착제역할을하면서 조개,굴 패각조각과 발포폼이 한몸이되고 조개패각이 발포폼을 감싸 하나의 단열재블럭이되며 단열재의 조개패각에 토치로 태워도 발포폼 침식을 막을수 있도록한다

Claims (4)

1. 우레탄폼 발포 형틀에 옥수수 강냉이를 넣고 우레탄 발포용액을 주입하여 발포가 이루어지도록 하는 방법
2. 우레탄폼 발포 형틀에 유기물 발포체 넣고 우레탄 발포용액을 주입하여 발포가 이루어지도록 하는 방법
3. 우레탄폼 발포 형틀에 조개,굴패각조각을 깔고 우레탄 발포용액을 주입하여 발포가 이루어지도록 하는 방법
4. 상기 1,2,3항 에 있어서 우레탄 발포용액에 물유리를 혼합후 교반하여 주입하는 방법
   

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