KR100988348B1 - 방염제, 방염 섬유판 및 이의 제조방법 - Google Patents

방염제, 방염 섬유판 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 방염제는 물 100 중량부에 대하여, 물유리 1 내지 40 중량부, 붕산계 화합물 1 내지 50 중량부, 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물 1 내지 20 중량부 및 염산 0.1 내지 5 중량부를 포함하며, 겔화를 촉진하기 위하여 염화칼륨 0.1 내지 10 중량부, 산도(pH)를 조절하기 위하여 수산화 칼륨 수용액 0.1 내지 5 중량부를 더 포함한다. 이때, 붕산계 화합물은 붕사, 붕산, 붕산메틸, 붕산에틸, 붕산에스테르, 붕산염 광물 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물은 탄산리튬, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 중탄산리튬, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 방염제는 저가의 물질을 이용하여 졸-겔 공정을 수행함으로써 용이하게 획득할 수 있으며, 연소시 유독 가스와 매연이 발생하지 않을 뿐 아니라, 섬유판에 이를 적용하여 방염 섬유판을 제조할 경우 섬유판의 기계적 성질, 내구성 및 내열성 등이 저하되지 않고 내부까지도 방염 효과를 부여할 수 있다.
방염, 섬유판, 물유리, 졸-겔, 축합 중합 반응

Description

방염제, 방염 섬유판 및 이의 제조방법{Flame retarding agent, flame retarding fiber board and method for manufacturing the same}
도 1은 콜로이드와 같은 실리카 용액(silica-water)내에서 SiO2 성분의 거동을 나타낸 그래프.
본 발명은 방염제, 방염 섬유판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 졸-겔 공정을 이용한 방염제를 제공하고 이를 이용하여 방염 섬유판의 제조 시 섬유판의 내부에도 방염 특성이 발휘될 수 있는 완전 방염 섬유판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 목조주택 및 건축물의 내·외장재에 목재의 사용이 급증하고 있으며, 특히 내장재료인 섬유판의 수요가 매년 증가하고 있다.
섬유판은 비중에 따라 연질 섬유판(insulation board), 중밀도 섬유판(Medium-density fiberboard, 이하 'MDF'라고 한다), 경질 섬유판(hardboard), 초경질 섬유판(high-density fiberboard)으로 분류된다. 연질 섬유판은 비중이 0.4이하로 천정널, 차음판 등으로 사용되며, 중밀도 섬유판은 반경질 섬유판이라고도 하며 비중이 0.40~0.80으로 합판, 삭편판의 대용으로 가구 산업에 주로 사용된다. 그리고 경질 섬유판은 비중이 0.80~1.20인 섬유판으로 가구나 비품, 캐비닛, 차량 내장제, 주택용 비늘판, 콘크리트 형틀 등으로 사용되며, 초경질 섬유판은 비중이 1.20~1.45인 섬유판으로 그 용도는 경질 섬유판과 유사하다.
한편, 섬유판은 보드의 구성에 따라 S-2-S 보드 및 S-1-S 보드로 구분되며, 초조법에 따라 건식, 반건식 및 습식 섬유판으로 분류될 수도 있다.
이와 같은 섬유판은 이방성이 작고, 대량생산이 가능하며 일반 목재나 합판에 비하여 가격이 저렴하므로 가구용 주자재로서 용이하게 사용되며, 매우 평활한 표면을 지니고 있어 단판 등의 적층이나 인쇄가 용이한 장점이 있다. 특히, 연질 섬유판의 경우 보온성 및 흡음성이 우수하고, 합판과 같이 목재의 결함인 수축, 팽창이 거의 없으며, 또한 곡면 가공이 용이하여 목재 대용으로 많이 사용된다.
그러나, 섬유판은 목재나 합판에 비해 나사못의 유지력과 충격에 매우 약하고, 주성분이 종이류, 왕겨, 폐목, 톱밥 등과 같은 유기물로 구성되므로 인화점이 낮아 화재에 취약한 것이 최대의 단점이다.
따라서, 섬유판은 실내장식물에 주로 사용되는 종이류, 합성 수지류, 합판 등과 더불어 소방법에 의하여 반드시 방염 성능이 있어야 할 물품으로 취급되어 섬 유판에 대한 방염 특성을 향상시키기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
종래의 방염 섬유판 제조 공정을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선 원료인 원목을 선택하고 이를 칩(chip) 절삭기인 치퍼(chipper)를 이용하여 칩의 형상으로 절삭하는 조목 공정, 칩을 섬유형태로 제조하는 해섬(解纖)공정, 내수성 및 강도 증가를 위한 접착제와 왁스의 첨가 공정, 펄프로부터 두꺼운 시트상의 매트(mat)를 제조하는 초조(抄造, forming) 공정, 성형된 매트로부터 수분을 신속히 배출시키고, 섬유간 결합을 형성시키기 위한 건조 및 열압공정, 열처리, 기름함침처리, 조습처리 및 가공 등의 후처리공정으로 나눌 수 있다.
이후, 방염제를 완성된 섬유판에 주입하는 공정 또는 방염제를 완성된 섬유판 표면에 피복하는 공정 등을 적용하여 최종적으로 방염 특성이 있는 섬유판을 제조한다.
그러나, 방염제를 완성된 섬유판에 주입하는 공정의 경우, 무기 방염제 또는 유기 방염제 등 단일 방염제를 사용하나 무기 방염제는 흡수성이 크고 강도의 저하와 변색을 일으키며, 습기에 노출 되면 용탈에 의하여 방염성이 저하되는 단점이 존재하며, 유기 방염제는 연소시 각종 유해 가스와 매연이 다량 배출되어 화재시나 소각시에 인명에 치명상을 입히고, 목질의 유연성, 기계적 성질, 내구성 및 내열성이 감소하지 않는 적절한 함유량의 조절이 필요하다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위한 것으로 혼합 방염제가 개발되었으나, 이 또한 시너지 효과가 약하고 방염제로서 효과적인 역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.
한편, 방염제를 완성된 섬유판에 코팅하는 공정의 경우는 방염제의 도포 정 도에 따라 섬유판의 국소 위치에 따른 방염 특성이 다르게 나타나며, 또한 코팅된 섬유판의 표면에 약간의 긁힘이 존재하더라도 화재 발생 시 불이 쉽게 섬유판의 내부까지 번진다는 매우 큰 단점이 존재한다.
따라서, 본 발명은 실생활에서 용이하게 얻을 수 있는 물질을 이용하여 졸-겔 공정을 수행함으로써 섬유판의 특성 저하를 방지하고, 연소 시 유독 가스와 매연이 발생하지 않는 방염제 및 이의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 섬유판의 출발물질인 미분체 또는 삭편에 졸-겔 공정을 통하여 제조된 방염제를 분사 또는 침지한 후, 이후 공정을 수행함으로써 섬유판의 표면뿐만 아니라 섬유판의 내부에도 방염 특성을 발휘할 수 있는 완전한 방염 섬유판 및 이의 제조방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 방염제는 물 100 중량부에 대하여, 물유리 1 내지 40 중량부, 붕산계 화합물 1 내지 50 중량부, 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물 1 내지 20 중량부 및 염산 0.1 내지 5 중량부를 포함한다.
그리고, 방염제의 겔화를 촉진하기 위하여 염화칼륨 0.1 내지 10 중량부를, 방염제의 산도(pH)를 조절하기 위하여 수산화 칼륨 수용액 0.1 내지 5 중량부를 더 포함한다.
이때, 붕산계 화합물은 붕사, 붕산, 붕산메틸, 붕산에틸, 붕산에스테르, 붕산염 광물 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 일례로 붕산 1 내지 20 중량부 및 붕사 1 내지 25 중량부로 구성할 수도 있다.
한편, 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물은 탄산리튬, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 중탄산리튬, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 일례로 중탄산나트륨 1 내지 3 중량부 및 중탄산칼륨 1 내지 10 중량부로 구성할 수도 있다.
본 발명에 따른 방염제의 산도는 4 내지 11인 것이 바람직하다.
상술한 방염제의 제조방법은 물유리와 염산을 혼합하여 실리식산 수용액을 제조하는 제1단계, 물에 붕산계 화합물을 혼합하는 제2단계, 제2단계에서 형성된 용액에 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물을 혼합하는 제3단계, 및 실리식산 수용액과 상기 제3단계에서 형성된 용액을 혼합하여 방염제를 형성하는 제4단계를 포함한다.
이때, 제1단계는 상기 물유리와 상기 염산을 1:2의 화학양론비로 혼합하며, 제2단계의 붕산계 화합물은 붕산과 붕사로 이루어질 수 있다.
제3단계는 제2단계에서 형성된 용액에 중탄산나트륨을 혼합하는 단계 및 중탄산나트륨이 혼합된 용액에 중탄산칼륨을 혼합하는 단계로 구성된다.
그리고, 제3단계와 상기 제4단계의 사이에, 제3단계에서 형성된 용액의 겔화를 촉진하기 위하여 염화칼륨 용액을 첨가하는 겔화 촉진 단계 및 겔화 촉진 단계에서 형성된 용액의 산도를 조절하기 위하여 수산화 칼륨 용액을 첨가하는 산도 조 절 단계를 더 포함할 수도 있다.
한편, 제2단계에서 형성된 용액의 산도는 7 내지 8이고, 중탄산나트륨이 혼합된 용액의 산도는 7 내지 8.5이며, 제조된 방염제의 산도는 4 내지 11인 것이 바람직하다.
상술한 방염제를 이용한 방염 섬유판 제조방법은 원료를 삭편하는 단계, 원료를 해섬하는 단계, 원료에 접착제, 경화제 및 상기 방염제를 첨가하는 단계, 원료를 건조하고 매트로 성형하는 단계, 매트를 열압하는 단계, 매트를 냉각하고 재단하는 단계를 포함하며, 매트를 냉각하고 재단하는 단계 이후, 매트의 표면을 연삭하는 단계, 매트 표면상에 상기 방염제를 코팅하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
졸-겔(sol-gel) 공정은 저온에서 용액 내의 화학 반응에 의하여 무기 망상 구조를 합성하는 공정으로 생성 분체의 순도, 입자의 크기, 모양 및 입자의 응집 현상 등의 조절이 가능하고, 복잡한 조성을 지닌 분말을 합성할 때 원자 규모의 화학적 균질성을 얻을 수 있으며, 도핑제의 첨가가 용이하고 고상 반응을 이용한 분말에 비해 분쇄가 덜 요구되고, 미립의 분말은 반응성을 향상시켜 비교적 낮은 온도에서 성형체의 소결을 가능하게 하는 등 여러 장점이 있다.
이러한 졸-겔 공정에서 콜로이드를 제조하는데 필요한 출발 물질(precursor)은 여러 리간드에 의하여 둘러싸여 있는 금속(metal) 또는 준금속(metalloid)으로 이루어져 있다. 이러한 출발 물질의 필수 조건은 반응 매질에 용해될 수 있어야 하며, 겔(gel) 및 입자 형성 공정에 참여하도록 충분한 반응성이 있어야 한다.
금속 알콕시드는 유기 금속 화합물군의 일원으로, 금속 또는 준 금속 원자에 붙어 있는 유기 리간드를 가지고 있으며, 하기 화학 반응식 (1) 및 (2)에 개시된 바와 같이 물과 쉽게 반응하기 때문에 인기 있는 출발 물질로 사용되고 있다. 이때, 반응은 수산기 이온(OH-)이 금속 원자에 붙기 때문에 가수분해(hydrolysis) 반응이라 불리며, 반응속도와 생성물의 형태는 물의 양과 촉매(catalyst)의 종류(산 또는 염기)에 영향을 받는다.
Figure 112007030084219-pat00001
Figure 112007030084219-pat00002
(이때, M은 금속(metal) 또는 준금속(metalloid)이고, R은 알킬 그룹(alkyl group)이며, OR은 알콕시 그룹(alkoxy group)이다.)
상기 화학 반응식 (1) 및 (2)에 개시된 바와 같이 두 개의 부분적으로 가수분해된 분자들은 하기의 화학반응식 (3) 및 (4)에 개시된 축합 중합(condensation) 반응을 통하여 서로 간에 결합하며, 이로 인하여 더욱 큰 고분자 물질을 형성한다.
Figure 112007030084219-pat00003
Figure 112007030084219-pat00004
(이때, M은 금속(metal) 또는 준금속(metalloid)이고, R은 알킬 그룹(alkyl group)이며, OR은 알콕시 그룹(alkoxy group)이다.)
즉, 졸-겔 공정은 가수분해와 축합 중합 반응을 통하여 더욱 큰 고분자 물질을 형성한다.
따라서, 본 발명에 따른 방염제는 상술한 바와 같은 졸-겔 공정을 이용하여 제조되며, 이의 이론적 고찰은 다음과 같다.
우선, 본 발명에 따른 방염제는 물 100 중량부에 대하여, 물유리 1 내지 40 중량부, 붕산계 화합물 1 내지 50 중량부, 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물 1 내지 20 중량부 및 염산 0.1 내지 5 중량부를 포함하며, 방 염제의 겔화를 촉진하기 위하여 염화칼륨 0.1 내지 10 중량부를, 방염제의 산도(pH)를 조절하기 위하여 수산화 칼륨 수용액 0.1 내지 5 중량부를 더 포함하도록 구성한다.
그리고, 이러한 방염제를 제조하기 위하여 첨가된 모든 물질들은 각기 다른 기능으로 섬유판의 방염 효과에 영향을 미친다.
우선, 본 발명에 따른 방염제에 첨가된 물유리는 현재까지 졸-겔 법의 전구체로 사용되어 구형의 이산화규소(SiO2) 및 초임계 건조를 거친 에어로 겔의 제조에 많이 이용되고, 접착제로도 매우 유용한 물질로 알려져 있으며 그 가격이 매우 저렴한 이점이 있다.
이러한 물유리는 하기 화학 반응식(5)에 기재된 바와 같이 산성 조건에서 실리식 산(silicic acid)으로 전환된다.
Figure 112007030084219-pat00005
도 1은 콜로이드와 같은 실리카 용액(silica-water) 내에서 SiO2 성분의 거동을 나타낸 것으로 산도(이하 'pH'라 한다) 2 이하(pH<2)에서는 하기와 같은 반응식 (6) 및 (7)에 의해 실록산 결합(siloxane bond)이 형성된다.
Figure 112007030084219-pat00006
Figure 112007030084219-pat00007
즉, pH<2 범위에서는 실리카의 용해도가 매우 낮고 또한 이온화되기도 어려우므로, pH<2 범위에서 기본 입자의 응집과 미세입자의 용매화가 잘 일어난다.
SiO2의 등전점이 존재하는 pH2 근처의 범위에서는 미세 입자들의 표면이 완전히 중화되어 겔화 시간이 상당히 길어짐을 알 수 있다. 그리고, pH2 이상 pH7 이하(2<pH<7)인 범위에 있어서는 하기의 반응식 (8) 및 (9)에 개시된 바와 같은 화학 반응에 의하여 축합 중합 반응이 일어난다. 이러한 축합 중합 반응은 산도가 높고 축합 중합 반응이 많이 일어난 종과 pH가 낮은 미세 입자 사이에 잘 일어나며, pH 증가와 더불어 겔(gel)화 및 미세 입자의 응집이 빠른 시간 동안 진행된다.
Figure 112007030084219-pat00008
Figure 112007030084219-pat00009
pH7 이상(pH>7)에서는 하기의 화학반응식 (10) 및 (11)과 같이 친핵성 반응이 일어나며, 축합 중합 종의 이온화가 잘 일어난다.
Figure 112007030084219-pat00010
Figure 112007030084219-pat00011
그리고, 염화나트륨(NaCl) 또는 염화칼륨(KCl) 등 이온화가 잘되는 전해질의 양이 증가할수록 겔화(응집) 시간이 단축됨을 알 수 있다.
pH10.5 이상(pH>10.5)의 용액 조건에서는 대부분의 실라놀(Si-OH)기가 탈수소화되어 HSiO3 -이나 SiO3 -2의 이온 형태로 존재함을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 고찰에서 알 수 있듯이 용액의 pH조절을 통하여 이온 상태, 배위 형태, 입자의 응집 및 겔화를 조절할 수 있는 것이다.
한편, 붕소(Boron)는 3가 이온으로 수용액 내에서 다음과 같이 sp2 혼성궤도에 의하여 3개의 수산기(hydroxyl, OH)와 결합할 수 있다. 이 구조에서 붕소 원자는 친전자성(electrophilic)을 띄게 된다.
Figure 112007030084219-pat00012
따라서, 상기와 같은 구조는 염기성 조건에서 OH-이온에 의한 연속적인 축합중합 반응을 통해 하기와 같은 망상 구조를 갖게 된다.
Figure 112007030084219-pat00013
이와 같은 망상구조에 나타난 바와 같이, 제조된 구조의 표면은 수산기(OH)가 감싸게 되는데, 이러한 수산기는 화재가 났을 경우 축합 중합반응을 통해 H2O를 생성하여 화재의 번짐을 방지하는데 중요한 역할을 한다.
또한, 상기에 도시된 바와 같은 무기 망상구조는 화재의 환경에서도 고온까지 견딜 수 있는 단단한 구조로서 방화제의 기능을 충실하게 수행할 수 있게 한다.
따라서, 본 발명에서는 상기에서 고찰한 2가지 물질의 졸-겔 화학을 기본으로 방염 섬유판에 적용되는 방염제를 제조함으로써, 방염제가 섬유판의 유연성, 기계적 성질, 내구성 및 내열성이 감소시키지 않도록 하는 것이다. 또한, 이러한 방염제를 종래의 섬유판 제조공정에 적용하여 용이하게 완전 방염 섬유판을 제조할 수 있도록 한다.
이하, 본 발명에 따른 방염제, 방염제의 제조방법 및 이를 이용한 방염 섬유판의 제조방법에 대하여 일실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
[제1실시예-방염제]
제1실시예는 본 발명에 따른 방염제의 구성에 관한 것으로, 구체적으로 물 100g에 대하여, 물유리(Na2SiO3)를 1 내지 35g, 물유리로부터 실리식 산을 제조하기 위해 첨가되는 염산(HCl)을 0.1 내지 3g, 그리고 방염제의 겔화를 촉진시키기 위해 전해질로 첨가되는 염화칼륨(KCl)을 1 내지 5g, 중탄산나트륨(NaHCO3)을 1 내지 3g, 붕사(붕산나트륨 데카수화물(Na2B4O7·10H2O))를 1 내지 25g, 붕산(H3BO3)을 1 내지 20g, 중탄산칼륨(KHCO3)을 1 내지 10g, 및 pH 조절을 위하여 미소량 첨가되는 수산화칼륨(KOH)을 포함하도록 구성한다.
상술한 화학 반응식(5)에 개시된 바와 같이, 물유리와 염산의 반응을 통하여 실리식 산과 함께 생성된 염화나트륨(NaCl)의 경우 녹는점이 약 800℃, 비등점이 1413℃로서, 화재시 미분체 주위 산소 분자의 미분체로의 접근을 상당시간 지연시켜, 결과적으로 화재의 확산을 지연시키는 역할을 하게 된다.
그리고, 겔화를 촉진하기 위하여 전해질로서 첨가되는 염화칼륨(KCl)은 녹는점이 약 776℃, 비등점이 1500℃로서, 상당히 고온까지 안정성을 유지함을 알 수 있다.
pH 조절을 위하여 극소량 첨가되는 수산화칼륨(KOH)은 목재의 탈수를 촉진하여 수분 등을 발생시켜 방염 효과를 증대시킨다.
중탄산나트륨의 경우 300℃ 정도에서 흡열 반응(화재에 의하여 발생된 열을 감소시킴)에 의하여 다음과 같이 열분해 되어 불연성 기체인 물과 이산화탄소를 방 출하여 가연성 기체를 희석시켜 방염 효과를 나타낸다.
또한, 하기의 화학 반응식 (12)에 개시된 바와 같이, 중탄산나트륨이 열분해되어 생성된 탄산나트륨(Na2CO3)은 가열에 의하여 Na2O와 CO2로 분해되며, Na2O는 1275℃의 고온에서 승화된다.
2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2 (12)
중탄산나트륨에 대한 TGA 분석에 의하면 중탄산나트륨은 200℃이하에서 약 37%의 무게 감소 현상이 나타났으며, 1150℃ 까지는 하소 온도가 증가하여도 무게 감소 현상이 거의 일어나지 않았다.
이것은 질량비로 200℃까지 하소(calcine)에 의하여 물과 CO2가 제거되면서 Na2CO3이 생성되었으며, 탄산나트륨은 상당히 고온까지 안정한 상태로 존재함을 나타낸다.
이와 같이 탄산나트륨(Na2CO3)은 불연성 CO2와 H2O를 생성시켜 목재의 발화점을 지연시키며, 1000℃이상의 고온에서도 안정한 Na2CO3이 존재하므로 큰 화재의 진행을 억제하는 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
중탄산칼륨(KHCO3)은 100℃에서 분해가 시작되고 190℃에서 이산화탄소와 물로 분해되어 목제의 발화를 지연시키는 효과가 있다.
붕산계 화합물인 붕사와 붕산은 염기성 촉매 하에서 B-O-B-O 망상 구조에 의한 무기질 사슬을 형성하여 화재 시 불의 접근을 방지한다.
[제2실시예-방염제 제조방법]
제2실시예는 본 발명에 따른 방염제 제조방법에 관한 것으로, 그 구체적인 일실시예를 하기와 같이 설명하도록 한다.
우선, 섬유판에 적용되기 위한 방염제의 제조에 있어서, 가장 중요시되어야 할 점은 산도와 공통 이온 효과이다.
섬유판의 제조공정에 사용되는 접착제인 요소 수지의 경우 약 pH8.2, 멜라민 수지의 경우 약 pH7.85 정도의 산도를 나타내며, 경화제로 많이 사용되는 암모늄 클로라이드 수용액은 약 pH4.5 정도의 산도를 나타낸다.
따라서, 점착제와 경화제 및 방염제를 목질 섬유에 동시 분사했을 경우 정상적인 완전 방염 섬유판이 형성되기 위해서는 방염제의 pH가 4 내지 11 정도의 범위로 조절되어야 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 방염제의 제조방법은 우선, 상술한 화학 반응식 (5)에 개시된 바와 같이 물유리와 염산을 1:2의 화학양론비로 혼합하여 실리식산 수용액을 제조하는 한편, 물에 붕산계 화합물(붕사, 붕산, 붕산메틸, 붕산에틸, 붕산에스테르, 붕산염 광물 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상)을 혼합한다.
이때, 물에 붕산계 화합물이 혼합된 용액의 pH는 7 내지 8의 범위에 포함되 도록 한다.
그리고, 순차적으로 물에 붕산계 화합물이 혼합된 용액에 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물을 혼합하도록 한다.
이때의 pH는 7 내지 8.5의 범위에 포함되도록 한다.
1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물이 혼합된 용액에 겔화를 촉진하는 겔화 촉진제(예를 들어 염화 칼륨 등)와 pH를 조절하는 pH 조절제(예를 들어 수산화 칼륨 용액 등)을 첨가하고 혼합하고, 이때의 pH는 약 12 이내의 범위로 조절하도록 한다.
이후, 실리식산 수용액과 상술한 방법에 의하여 제조된 혼합용액을 서로 혼합함으로써 본 발명에 따른 방염제를 획득할 수 있다. 획득된 방염제의 pH는 4 내지 11의 범위로 조절하여 이후 공정인 섬유판 제조공정에 용이하게 적용가능하도록 함이 바람직하다.
이때, 방염제의 pH를 4 내지 11로 조절하는 것은 섬유판 제조공정 시 삭편된 원료와 함께 본 발명에 따른 방염제, 경화제, 접착제를 혼합할 경우, 접착제의 접착강도가 방염제으로 인하여 저하되는 것을 방지하기 위함이다.
[제3실시예- 방염제 제조의 구체적인 실시예]
제3실시예는 본 발명의 상기 제2실시예를 더욱 구체화한 방염제 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 방염제 제조방법을 나타내면 다음과 같 다.
우선, 물유리 35g과 화학 양론비(1:2)에 해당하는 염산을 혼합하여 실리식산 수용액을 제조한다.
그리고, 물 100g을 기준으로 붕사와 붕산을 동시에 넣고 교반하되, 두 성분의 양을 증가시켜 붕사를 25g, 붕산을 20g까지 넣고 교반한다. 이때의 온도는 25℃로 투명성을 유지하며 용해되며, pH는 약 7.1 내지 7.85의 범위이다.
문헌에 의하면 물 100g을 기준으로 붕사의 용해도는 약 6g 이며, 붕산의 용해도는 약 6.2g이나, 본 발명의 제3실시예와 같이 붕산과 붕사를 동시에 넣고 교반하였을 경우 용해도가 더욱 증가한 것은 염기성 조건(순수한 붕사를 용해하였을 경우 9<pH<9.5 범위의 염기성을 띈다.)에서 두 물질의 축합 중합 반응에 기인하여 O-B-O-B-O 옥소 결합이 생성되었기 때문이다.
그리고, 붕산과 붕사가 혼합된 용액에 중탄산나트륨 3g을 첨가하고 25℃에서 약 10분간 교반한다. 이때의 pH는 약간 증가하여 7.3 내지 8.11를 나타낸다.
순차적으로 중탄산칼륨을 10g까지 첨가하고 10분정도 교반하면 pH가 8.21 이하로 증가하면서 투명한 용액이 제조된다.
이러한 투명한 용액에 접착제 및 경화제와의 혼합 시 겔화를 촉진시키기 위한 염화칼륨 5g을 첨가하고 50℃의 온도에서 20분간 교반한다. 이때, 용액은 투명하며, pH도 거의 변화하지 않는다.
그리고 수산화칼륨 수용액을 첨가하여 상기 투명한 용액의 pH를 12가 되도록 조절한다.
이후, 격렬한 교반과 함께 실리식산 용액을 천천히 상기 pH12인 투명한 용액에 첨가하면 pH11의 투명한 방염제를 획득할 수 있다.
[제4실시예- 방염 성능을 지닌 섬유판의 제조]
본 발명의 제4실시예는 상술한 제1실시예 내지 제3실시예와 같이 형성된 방염제를 이용하여 방염 섬유판을 제조하기 위한 방법을 나타낸 것이다.
우선, 폐목, 볏집, 갈대, 밀짚, 왕겨 등의 섬유판 재조 원료를 선택하고 이를 삭편화(削片化)하고, 삭편화된 원료를 칩(chip)형태로 제조하는 해섬(解纖)공정을 수행한다.
이후, 상기 삭편화된 원료 즉, 폐목 톱밥, 볏짚, 갈대, 밀짚, 왕겨 삭편 등의 목재 대용 미세입자를 1종 또는 복수종을 본 발명에 따른 방염제에 침전시킨 후, 교반하여 혼합시키거나, 목재 대용 미세입자 1종 또는 복수종의 혼합물에 방염제를 분사시키거나, 미분체를 방염제에 침전시킨 후 건조하여 방염 특성을 지니게 되는 목재 대용 미분체(목재 톱밥, 볏짚, 갈대, 밀짚, 왕겨)원료를 형성한다.
그리고, 방염특성을 지니게 되는 목재 대용 미분체에 요소수지, 멜라닌 수지, 페놀 수지, 카르복시메틸 셀룰로오스 등과 같은 접착제와 경화제를 미분체에 분사하여 미분체의 표면에 접착 성분과 경화제를 코팅한다.
이때, 접착제와 경화제는 방염제와 동시에 첨가하여 섬유판 형성공정을 수행할 수도 있다.
즉, 접착제와 경화제 그리고 방염제가 혼합된 용액에 상술한 미분체를 침전 시킨후 교반하여 혼합시키거나, 접착제와 경화제 그리고 방염제가 혼합된 용액을 미분체의 혼합물에 분사시키거나, 또는 접착제와 경화제 그리고 방염제가 혼합된 용액에 미분체를 침전시킨 후 건조하여 섬유판 형성공정을 수행할 수도 있는 것이다.
이후, 섬유판을 매트로 성형하고, 성형된 섬유판을 고온 고압에서 프레싱하여 압축한 후 냉각 및 재단하여 방염 특성을 지닌 완전 방염 섬유판을 제조한다.
제조된 완전 방염 섬유판은 샌딩 라인을 통하여 표면 연마가공을 수행할 수 도 있으며, 방염 특성을 향상시키기 위하여 연마된 방염 섬유판의 양면에 방염제를 코팅할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 실생활에서 용이하게 얻을 수 있는 저가의 물질을 이용하여 졸-겔 공정을 수행함으로써 연소시 유독 가스와 매연이 발생하지 않는 방염제를 용이하게 얻을 수 있을 뿐 아니라, 이를 이용하여 방염 섬유판의 제조공정 시 종래의 공정에 용이하게 적용할 수 있는 이점이 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 방염제를 이용한 방염 섬유판은 방염제를 첨가하여 형성하므로 섬유판의 표면뿐만 아니라 섬유판의 내부에도 방염 특성을 발휘할 수 있어 완전한 방염 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
그리고, 이와 같이 본 발명에 따라 제조된 방염제는 목재 대용 재료인 섬유판에만 적용이 한정되는 것이 아니라, 폐지, 스티로폼, 섬유 등 다양한 종류의 가연성 물질의 방염에도 용이하게 적용가능하여 탁월한 방염 효과를 나타낼 수 있음은 물론이다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 방염제는 실생활에서 용이하게 얻을 수 있는 저가의 물질을 이용하여 졸-겔 공정을 수행함으로써 용이하게 획득할 수 있으며, 연소시 유독 가스와 매연이 발생하지 않을 뿐 아니라, 섬유판에 이를 적용하여 방염 섬유판을 제조할 경우 섬유판의 기계적 성질, 내구성 및 내열성 등이 저하되지 않는 이점이 있다.
또한, 종래의 방염 섬유판의 제조공정에 용이하게 적용하되, 그 공정을 더욱 단순화시킬 수 있어 공정수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 방염제를 이용한 방염 섬유판은 섬유판의 표면뿐만 아니라 섬유판의 내부에도 방염 특성을 발휘할 수 있으므로 완전한 방염 효과를 얻을 수 있는 현저한 효과가 있다.

Claims (19)

  1. 물 100 중량부에 대하여,
    물유리 1 내지 40 중량부;
    붕산계 화합물 1 내지 50 중량부;
    1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물 1 내지 20 중량부; 및
    염산 0.1 내지 5 중량부;
    를 포함하는 방염제.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방염제의 겔화를 촉진하기 위하여 염화칼륨 0.1 내지 10 중량부를 더 포함하는 방염제.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 방염제의 산도(pH) 조절을 위하여 수산화 칼륨 수용액 0.1 내지 5 중량부를 더 포함하는 방염제.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 붕산계 화합물은 붕사, 붕산, 붕산메틸, 붕산에틸, 붕산에스테르, 붕산염 광물 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 방염제.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 붕산계 화합물은 붕산 1 내지 20 중량부; 및
    붕사 1 내지 25 중량부로 이루어진 방염제.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물은 탄산리튬, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 중탄산리튬, 중탄산나트륨, 중탄산칼륨 및 이의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 방염제.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물은 중탄산나트륨 1 내지 3 중량부; 및
    중탄산칼륨 1 내지 10 중량부를 포함하는 방염제.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 방염제의 산도는 4 내지 11인 방염제.
  9. 물유리와 염산을 혼합하여 실리식산 수용액을 제조하는 제1단계;
    물에 붕산계 화합물을 혼합하는 제2단계;
    상기 제2단계에서 형성된 용액에 1족 알칼리 금속의 탄산염이나 중탄산염 또는 이들의 혼합물을 혼합하는 제3단계; 및
    상기 실리식산 수용액과 상기 제3단계에서 형성된 용액을 혼합하여 방염제를 형성하는 제4단계
    를 포함하는 방염제 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1단계는 상기 물유리와 상기 염산을 1:2의 화학양론비로 혼합하는 방염제 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2단계의 붕산계 화합물은 붕산과 붕사로 이루어진 방염제 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 제2단계에서 형성된 용액에 중탄산나트륨을 혼합하는 단계; 및
    상기 중탄산나트륨이 혼합된 용액에 중탄산칼륨을 혼합하는 단계로 구성된 방염제 제조방법.
  13. 제 9 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제3단계와 상기 제4단계의 사이에,
    상기 제3단계에서 형성된 용액의 겔화를 촉진하기 위하여 염화칼륨 용액을 첨가하는 겔화 촉진 단계; 및
    상기 겔화 촉진 단계에서 형성된 용액의 산도를 조절하기 위하여 수산화 칼륨 용액을 첨가하는 산도 조절 단계를 더 포함하는 방염제 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2단계에서 형성된 용액의 산도는 7 내지 8인 방염제 제조방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 중탄산나트륨이 혼합된 용액의 산도는 7 내지 8.5인 방염제 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 방염제의 산도는 4 내지 11인 방염제 제조방법.
  17. 제 8 항의 방염제를 이용한 방염 섬유판 제조방법은,
    원료를 삭편하는 단계;
    상기 원료를 해섬하는 단계;
    상기 원료에 접착제, 경화제 및 상기 방염제를 첨가하는 단계;
    상기 원료를 건조하고 매트로 성형하는 단계;
    상기 매트를 열압하는 단계;
    상기 매트를 냉각하고 재단하는 단계;
    를 포함하는 방염 섬유판 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 매트를 냉각하고 재단하는 단계 이후,
    상기 매트의 표면을 연삭하는 단계;
    상기 매트 표면상에 상기 방염제를 코팅하는 단계;
    를 더 포함하는 방염 섬유판 제조방법.
  19. 제 18항에 따른 방법으로 제조된 방염 섬유판.
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