KR101316786B1 - 불연성 복합소재 제조방법 및 이로부터 제조된 불연성 복합소재를 이용한 준불연재 - Google Patents

불연성 복합소재 제조방법 및 이로부터 제조된 불연성 복합소재를 이용한 준불연재 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 불연성 복합소재 제조방법 및 이로부터 제조된 불연성 복합소재를 이용한 준불연재는 무기물, 무기계바인더, 물(H2O)을 혼합하여 불연성 혼합물을 조성하는 단계와, 상기 불연성 혼합물을 반건조하는 단계와, 상기 반건조한 불연성 혼합물을 일정한 틀에 넣어 건조 성형하는 불연성소재 제조단계를 포함하여 이루어지는 불연성 복합 소재 제조방법 및 이로부터 제조된 불연성 복합소재를 이용한 준불연재에 관한 것이다.

Description

불연성 복합소재 제조방법 및 이로부터 제조된 불연성 복합소재를 이용한 준불연재{A PRODUCTION METHOD OF NON-FLAMMABLE AND SEMI-FIREPROOF COMPOSITE USING THE NON-FLAMMABLE}
본 발명은 종래 발포고분자가 화재에 매우 취약하고, 화재 초기에 발포 고분자로부터 다량의 유독가스가 발생하여 많은 인명 피해가 일어나는 문제를 해결하기 위하여, 발포 고분자에 난연재를 처리하고 불연재를 혼합 처리를 함으로써 직접 화염에 대한 인화성이 낮고, 높은 단열효과를 갖는 불연성 복합소재 제조방법 및 이로부터 제조된 불연성 복합소재를 이용한 준불연재에 관한 것이다.
최근 온실가스에 의한 지구온난화가 가속되고 화석연료의 비용이 증가하여 냉·난방효율을 상승시키므로 이산화탄소의 발생을 억제하고자 많은 신기술을 연구 개발하고 있다.
주거, 상업공간 및 생산 활동이 이루어지는 실내 공간은 화석연료와 전기를 이용한 겨울철 난방과 에어컨을 이용한 여름철 냉방이 수행되고 있으며, 이러한 실내 공간의 냉·난방 효율의 증대는 단열을 통하여 얻을 수 있기 때문에, 다양한 단열재를 이용한 단열 시공이 이루어지고 있고, 최근 연료비 증가에 따른 열전달을 최소화할 수 있도록 더욱 강화된 단열도의 시공을 수행한다.
상기 단열 시공에 사용되는 다양한 단열재의 대표적인 예로는, 스티로폼, 발포 폴리우레탄, 발포 폴리에틸렌, 발포 고무 등의 고분자 계열과, 유리면, 암면, 실리카 등의 무기계가 주종을 이루며, 상기 무기계의 경우, 대부분이 불연재이기 때문에 온도 차이가 큰 곳 또는 고온에서 사용한다. 특히 상기 실리카 계열의 경우, 열전도도 및 불연성능면에서 가장 우수하나 가격 문제로 인해 특수한 목적에만 사용되고 있다.
이와 같은 이유로 인해, 일반 건축물 단열 시공에 사용되는 단열재로는 발포 고분자가 일반적으로 많이 사용되고 있으며, 그 중에서도 폴리우레탄 계열이 가장 우수한 열전도 특성이 있으며, 최근 건축물의 경우 종래의 사용되던 스티로폼을 발포폴리우레탄으로 대체 사용하고 있다. 이는 발포폴리우레탄 단열성능이 우수하여 벽의 두께를 감소시킬 수 있으므로 내부면적의 확보를 위하여 비용이 높으나 사용되고 있다.
그러나, 보온용 기구 및 건축구조물의 단열재로 최근 많이 사용되고 있는 발포 폴리우레탄의 경우, 화재시 인화성이 높고, 화재 초기에 다량의 유독가스가 발생되는 문제로 인해 사용상의 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하고자 본 발명에서는 무기계와 유기물로 이루어진 불연소재를 제공하고자 하는 것으로서, 불연소재는 단독으로 사용될 수 있으며, 고분자 발포 단열재와 적층으로 사용하여 준불연물을 형성하고 단열효과를 향상시킬 수 있으며, 화재시 인명의 손실을 최소화할 수 있다.
또한 본소재의 적용은 최근 대형거물과 냉난방기에서 사용되는 공기순환시 공기 흡·배기는 덕트를 통하여 이루어지며, 열효율을 고려하여 흡기와 배기 공기를 평판형 열교환기를 이용하여 에너지 효율을 높이는 설비를 갖추기도 한다. 이전까지는 덕트를 단순한 공기의 통로로만 생각하였으나, 흡·배기의 열교환을 통한 냉·난방 에너지 절감도 이루어지고 있으며, 온도 차이에 의하여 결로 현상도 일어난다. 따라서 덕트의 보온을 이룰 수 있는 소재로도 사용이 가능하다.
기존의 일반적인 공법에서의 덕트 보온은 보온성을 위하여 함석이나 스테인레스 스틸 재질 덕트를 설치한 후 외부에 유리면을 사용하여 단열을 하는 방법이 이루어지고 있으나, 이러한 방법은 시공비용의 증가와 설치 후 유리면 입자의 누출에 의한 분진 발생 문제를 야기하고, 또한 유리면의 분진의 경우 침상형 구조로 인하여 불쾌감과 통증을 유발하는 문제가 있다. 그러나 상기 문제점을 본 발명을 이용하여 시공 편리성과 우수한 단열효과를 지니고 화재 취약성을 개선한 준불연 및 불연 기능을 부여한 제품을 제조한다.
상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 단열성을 지니고 있으며, 주 조성이 불연재이며 일부 성형과정에서 첨가되는 유기물질이 혼합된 형태의 불연성 복합소재 제조방법과,
상기 제조방법을 통해 제조된 불연성 복합소재를 타 단열재와 접착하여 적층구조로 일체화시킴으로써, 준불연 등급이 우수한 다양한 기구, 건축물, 덕트의 소재, 층간소음방지용 재료, 흡음 및 차음재로 사용할 수 있는 준불연재를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 무기물, 무기계바인더, 물(H2O)을 혼합하여 불연성 혼합물을 조성하는 단계와,
상기 불연성 혼합물을 반건조하는 단계와,
상기 반건조한 불연성 혼합물을 일정한 틀에 넣어 건조 성형하는 불연성소재 제조단계를 포함하여 이루어지는 불연성 복합 소재 제조방법과,
상기 제조방법으로부터 제조된 불연성 복합 소재를 발포폴리우레아, 발포우레탄, 우레탄폼, 발포폴리이소시안누레이트(polyisocyanurate), 발포폴리스틸렌, 비드법 발포스틸렌, 압출법 발포스틸렌, 발포스티로폼, 발포에틸렌, 발포프로필렌 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 고분자계 단열재와 접착제로 접착하여 적층구조를 갖는 준불연재를 주요 기술적 구성으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 불연성 소재는 기존의 발포 폴리우레탄, 스티로폴, 발포폴리스티렌, 발포 프로필렌이 갖고 있는 낮은 열전도도, 경량의 발포 고분자 단열재 특성을 가짐과 동시에, 불연성이므로 화재 위험 지역의 단열재 제품을 대체하여 사용이 가능하다는 장점을 가지며, 상기의 기존소재와 적층으로 사용하여 매우 우수한 단열성능과 준불연 성능을 지니게 된다. 또한 소재의 외부 표면에 금속을 처리하여, 열반사에 의한 단열효과와 흡수성이 낮고 분진 등의 발생이 없으며, 항균성을 갖는다.
상기한 바와 같이,
본 발명에 따른 불연성 복합 소재는 무기물, 무기계바인더, 물(H2O)을 혼합하여 불연성 혼합물을 조성하는 단계와,
상기 불연성 혼합물을 반건조하는 단계와,
상기 반건조한 불연성 혼합물을 일정한 틀에 넣어 건조 성형하는 불연성소재 제조단계를 거쳐 제조된다.
이하, 상기의 기술 내용을 상세히 살펴보고자 한다.
상기 불연성 혼합물은 무기물 100 중량부에 대하여, 무기계바인더 1~60 중량부, 물(H2O) 20~200 중량부를 혼합하여 조성한다.
상기 무기물은 단열성을 부여하기 위하여 사용하는 것으로서, 무기계 칼슘, 마그네슘, 아연, 규소, 철, 인이 포함된 화합물과 활석, 질석, 펄라이트, 탈크, 천연실리카 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.
상기 무기계바인더는 액상 물유리 및 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 아연, 철, 칼륨, 나트륨 등 황화합물 및 수산화화합물 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용하며, 그 사용량이 1 중량부 미만인 경우에는 성형이 제대로 이루어지지 않고, 60 중량부를 초과하게 되는 경우에는 단열성능이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 무기 바인더의 사용량은 무기물 100 중량부에 대하여 1~60 중량부 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 물의 사용량이 20 중량부 미만인 경우에는 성형이 제대로 이루어지지 않고, 200 중량부를 초과하게 되는 경우에는 슬러리가 묽으므로 성형이 어렵고 건조공정이 길어지는 문제가 있으므로, 상기 물의 사용량은 무기물 100 중량부에 대하여 20~200 중량부 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 불연성 혼합물을 조성한 후에는 25~500℃에서 반건조 슬러리 형태로 제조한 후 불연성소재 제조과정을 거치게 된다.
상기 불연성소재 제조과정은 반건조하여 슬러리 형태를 갖는 불연성 혼합물을 일정한 틀에 주입하여 건조 성형하는 과정이다.
상기 불연성 소재 제조단계는 슬러리 형태의 불연성 혼합물을 원하는 형태로 건조 성형함으로써 불연성 복합 소재로 사용할 수 있으나,
이외에 상기 슬러리 형태의 불연성 혼합물에 부직포를 침지한 후 압착건조한 것을 불연성 복합 소재로 사용할 수도 있다.
즉, 반건조한 불연성 혼합물에 1~20mm 두께의 부직포를 완전히 침지시킨 후 꺼내어 50~500℃의 온도 및 0.1~5kgf/㎠의 압력조건에서 압착 건조하여 불연성 복합 소재를 제조한다.
이때, 부직포의 두께가 1mm 미만인 경우에는 부직포에 도포하는 불연성 혼합물의 함량이 너무 적어 불연기능을 충분히 수행하기 어렵고, 20mm를 초과하게 되는 경우에는 부직포에 도포하는 불연성 혼합물 함량이 너무 증가하여 불연 기능 향상에 큰 변화가 없기 때문에 비경제적이라는 단점이 있으므로, 상기 부직포의 두께는 1~20mm의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
그리고 압착 건조의 온도가 50℃ 미만인 경우에는 충분한 건조가 일어나지 않을 수 있고, 500℃를 초과하게 되는 경우에는 과잉 건조 및 부직포 변형이 일어나므로 상기 압착 건조의 온도는 50~500℃ 범위 내를 유지하는 것이 바람직하며,
상기 압착 건조의 압력이 0.1kgf/㎠ 미만인 경우에는 압착이 제대로 이루어지지 않아 건조가 제대로 이루어지지 않고, 압력이 5kgf/㎠를 초과하게 되는 경우에는 과잉 압착에 의한 동력 낭비의 문제와 부직포의 과잉압착에 의한 열전도도가 증대되므로, 본 발명의 소기의 목적을 달성하기 어렵기 때문에, 상기 압착 건조의 압력조건은 0.1~5kgf/㎠의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기의 과정을 거쳐 제조된 불연성 복합 소재는 불연성과 단열성을 더욱 향상시키기 위해서, 불연성 소재 제조단계를 거쳐 제조된 불연성 소재를 불연물에 완전히 침지시킨 후 꺼내어 불연물이 담긴 용기 상부에서 잠시 체류함으로써 과잉으로 도포된 불연물이 중력에 의하여 자연 분리되도록 한 후, 다시 한 번 압착하여 최종적으로 과잉 도포된 불연물을 제거한 다음 50 ~ 800℃에서 건조한 후 발포제를 첨가하여 발포시키는 발포과정을 거쳐 불연성 복합 소재를 제조할 수도 있다.
상기 불연물은 구체적으로 물유리를 사용할 수 있으며 무기계 바인더와 혼합사용한다. 상기 물유리는 1호에서 4호까지 모두 사용이 가능하나, 4호의 경우 농도가 낮아, 점도가 낮기 때문에 도포속도가 빠르고 균일한 도포가 가능하기 때문에 4호 물유리를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 물유리 1호에서 4호까지의 품질규격은 다음의 표 1과 같다.
1호 2호 3호 4호
외관 물엿 상태의 무색 또는 약간 착색된 액체
비중(15, Be') - 54이상 40이상 30이상
SiO2(wt%) 35 ~ 38 34 ~ 36 28 ~ 30 20 ~ 25
Na2O(wt%) 17 ~ 19 14 ~ 15 9 ~ 10 6 ~ 7
Fe(산화제이철, wt%) 0.05이하 0.05이하 0.03이하 0.03이하
수(水)불용분(wt%) 0.2이하 0.2이하 0.2이하 0.2이하
상기 발포과정에 사용하는 발포제로는 구체적으로 아이소사이아네이트, 사이클로펜테인, 탄산수소나트륨, 탄산암모늄, 아세트산아밀, 황산알루미늄, 탄산수소나트륨, 물, 질소, 이산화탄소 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 사용한다.
이때 발포제 양은 불연물이 도포된 불연성 소재 100중량부에 대하여, 2~50중량부를 사용하며, 그 사용량이 2중량부 미만인 경우에는 충분한 발포가 이루어지지 않으며, 50 중량부를 초과하게 되는 경우에는 발포 후 유기계 물질이 잔류하여 불연성을 저하시킬 수 있으므로, 발포제의 사용량은 불연물이 도포된 불연성 소재 100중량부에 대하여 2~50 중량부의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 발포제와 함께 사용하는 무기계 바인더로는 액상 물유리 및 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 아연, 철, 칼륨, 나트륨 등 황화합물 및 수산화화합물 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 사용하며, 그 사용량은 1~5중량부로 한다.
그리고 발포 온도는 25 ~ 500℃의 범위 내로 한다.
상기의 제조과정을 거쳐 제조된 불연성 복합 소재는 그 차제로서, 단열성 및 경량성을 갖춘 불연재로 사용이 가능하며, 응용된 형태로서 단열효과와 준 불연 효과를 얻기 위하여 고분자계 단열재와 접착하여 적층구성의 준불연재로 사용이 가능하다.
상기 준불연재는 앞서 제조된 불연성 복합 소재를 고분자계 단열재와 적층구성을 갖되, 접착제를 이용하여 접착함으로써 일체 구성을 갖도록 한다.
이때 접착은 단열재 100 중량부에 대하여 접착제를 0.05~10 중량부로 하여 단열재 전면에 도포한 후 불연성 복합 소재를 접착제 도포면에 부착하는 과정을 통해 이루어진다.
상기 고분자계 단열재는 발포폴리우레아, 발포우레탄, 우레탄폼, 발포폴리이소시안누레이트(polyisocyanurate), 발포폴리스틸렌, 비드법 발포스틸렌, 압출법 발포스틸렌, 발포스티로폼, 발포에틸렌, 발포프로필렌 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 사용한다.
그리고 상기 접착제는 실리콘 접착제, 변성 실리콘 접착제, 아크릴수지접착제, 우레탄아크릴레이트와 에폭시아크릴레이트의 혼합접착제, 아크릴수지 협기성 접착제, 아크릴수지 에멀젼 접착제, a-올레핀 접착제, 우레탄수지접착제, 에테르재 셀룰로오스 접착제, 에틸렌-초산비닐수지 에멀젼 접착제, 에폭시수지 접착제, 클로로프렌 고무 접착제, 시아노아크리레이트 접착제, 수성고분자-이소시아네이트 접착제, 스틸렌-부타디엔 고무 용액 접착제, 스틸렌-부타디엔 고무 라텍스 접착제, 니트로셀룰로스 접착제, 페놀수지 접착제, 폴리아미드 접착제, 폴리올레핀수지 고온용해 접착제, 폴리초산비닐수지 용액 접착제, 폴리스티렌수지 용제 접착제, 폴리비닐부티랄수지 접착제, 폴리벤즈이미다졸 접착제, 폴리메타크릴레이트수지 용액 접착제, 멜라민수지 접착제, 우레아 수지 접착제, 레조르시노르 접착제 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.
상기의 기술 구성에 대한 내용을 보다 구체적으로 실시예를 통해 살펴보도록 한다.
불연성 복합 소재 제조
기본 형태의 불연성 복합 소재 제조과정으로서,
입자크기 5mm인 소성된 활석 100 중량부에 대하여, 물 100 중량부, 황산마그네슘 10 중량부, 물유리 20 중량부를 혼합한다. 이때 완전한 혼합과 수용성 성분이 용해될 수 있도록 충분히 혼합한다.
그리고, 혼합하여 조성된 불연성 혼합물을 반건조시켜 슬러리화한 다음 900mm×900mm×10mm 크기의 스테인리스 스틸로 제작된 틀에 부어 건조시켜 불연성 소재를 완성한다. 여기에서는 불연성 소재 자체가 불연성 복합소재로 사용된다.
본 실시예는 실시예 1로부터 제조된 불연성 혼합물에 부직포를 접목시켜 불연성 복합 소재를 제조하는 것으로서,
입자크기 5mm인 소성된 활석 100 중량부에 대하여, 물 100 중량부, 황산마그네슘 10 중량부, 물유리 20 중량부를 혼합한다. 이때 완전한 혼합과 수용성 성분이 용해될 수 있도록 충분히 혼합한다.
그리고, 혼합하여 조성된 불연성 혼합물에 20mm 두께의 부직포를 완전히 침지시킨 후 꺼내어 500℃의 온도 및 5kgf/㎠의 압력조건에서 압착 건조시켜 불연성 소재를 완성한다. 여기에서는 불연성 소재 자체가 불연성 복합소재로 사용된다.
본 실시예는 실시예 1로부터 제조된 불연성소재 제조단계를 거쳐 제조된 불연성소재를 불연물인 4호 물유리에 완전히 침지시킨 후 꺼내어 100℃에서 건조시킨 후 발포제로 5% 탄산수소나트륨 용액을 불연물을 침지시킨 불연성소재 100중량부에 대하여 10중량부로 첨가한 후 발포시킨다. 발포 후 200℃에서 1시간 건조하여 불연성 복합 소재 완성한다.
본 실시예는 실시예 3과 동일하나, 다만 불연성소재를 선택함에 있어서, 실시예 2로부터 제조된 불연성 소재를 사용한다.
그리고, 본 발명에 따른 준불연재는 상기 실시예 1 내지 실시예 4로부터 제조된 불연성 복합 소재중 하나를 선택하여 발포폴리우레아, 발포우레탄, 우레탄폼, 발포폴리이소시안누레이트(polyisocyanurate), 발포폴리스틸렌, 비드법 발포스틸렌, 압출법 발포스틸렌, 발포스티로폼, 발포에틸렌, 발포프로필렌 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 고분자계 단열재와 접착제를 이용하여 적층구조로 일체화시킴으로써 완성된다.
본 발명에 따라 제조된 불연성 복합소재는 기존의 단열재가 갖고 있는 단열성 및 경량성을 갖음과 동시에 불연재이므로 기존의 단열재 제품을 대체하여 사용이 가능하고, 부가적인 사용처로서 공동주택 층간소음을 방지하기 위하여 고시된 '공동주택 층간소음 방지기준'에 적합한 소재로 사용이 가능하여 산업상 이용 가능성이 높다.

Claims (6)

  1. 무기물, 무기계바인더, 물(H2O)을 혼합하여 불연성 혼합물을 조성하는 단계와,
    상기 불연성 혼합물을 반건조하는 단계와,
    상기 반건조한 불연성 혼합물을 일정한 틀에 넣어 건조 성형하는 불연성소재 제조단계를 포함하여 이루어지는 것에 있어서,
    상기 불연성소재 제조단계는 반건조한 불연성 혼합물을 900mm×900mm×10mm 크기의 스테인리스 스틸로 제작된 틀에 넣은 다음 상기 불연성 혼합물에 1~20mm 두께의 부직포를 완전히 침지시킨 후 꺼내어 50~500℃의 온도 및 0.1~5kgf/㎠의 압력조건에서 압착 건조하는 것이며,
    상기 불연성소재 제조단계를 거쳐 제조된 불연성소재를 비중(15, Be') 30, SiO2 20~25wt%, Na2O 6~7wt%, Fe(산화제이철) 0.03wt%, 수(水)불용분 0.2wt%인 물유리 4호에 완전히 침지시킨 다음 꺼내어 50 ~ 800℃에서 건조한 후 발포제를 첨가하여 25~500℃에서 발포시키는 발포과정을 더 거쳐 불연성 복합 소재를 제조하되,
    상기 발포제는 무기계 바인더와 함께 사용되는 것으로서, 불연물이 도포된 불연성 소재 100중량부에 대하여, 아이소사이아네이트, 사이클로펜테인, 탄산수소나트륨, 탄산암모늄, 아세트산아밀, 황산알루미늄, 탄산수소나트륨, 물, 질소, 이산화탄소 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 발포제 2~50중량부와, 무기계 바인더인 액상 물유리 1~5중량부의 배합비율로 사용하는 것임을 특징으로 하는 불연성 복합 소재 제조방법.



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