KR102290676B1

KR102290676B1 - 수성 바인더 조성물 및 이를 적용한 섬유상 재료

Info

Publication number: KR102290676B1
Application number: KR1020200138663A
Authority: KR
Inventors: 임태욱; 최종윤; 박종윤; 김천수; 최승엽; 이남수; 김양수; 김선기; 홍승민
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2021-08-19

Abstract

본 발명은 환원당, 아미노산, 제1 보강제 및 제2 보강제를 포함하는 조성물로서, 상기 제1 보강제는 수산기를 포함하는 중량평균분자량 5,000 내지 200,000 g/mol의 수지이며, 상기 제2 보강제는 폴리아미드계 수지이며, 상기 제1 보강제와 제2 보강제의 총량이 조성물의 고형분을 기준으로 3 내지 50 중량%인, 수성 바인더 조성물에 관한 것이다.

Description

수성 바인더 조성물 및 이를 적용한 섬유상 재료{AQUEOUS BINDER COMPOSITION AND FIBROUS MATERIALS USING THE SAME}

본 발명은 포름알데히드와 같은 독성 물질을 사용하지 않아 인체 유해성이 적고 친환경적이며, 이로부터 제조된 경화물이 기계적 물성 및 불연성이 우수한 수성 바인더 조성물에 관한 것이다.

페놀-포름알데히드 수지는 가격이 저렴하고 물성이 우수하여 유리면 및 암면 등의 섬유상 재료의 접착제용 바인더로서 널리 사용되고 있다. 그러나, 페놀-포름알데히드 수지는 가공, 저장 및 경화시 주위 환경으로 독성 물질인 포름알데히드를 방출하는 문제가 있다. 포름알데히드는 악취가 나며, 인체에 노출될 경우 다양한 질병을 유발하는 것으로 알려져 있다. 또한, 페놀-포름알데히드 수지는 미반응 페놀이 잔존하여 주위 환경으로 누출될 가능성도 있으며, 이러한 페놀 또한 독성 물질로 알려져 있다.

이에 대한 대안으로, 미국 등록특허 제7,854,980호(특허문헌 1)에는 미네랄 섬유와 유기 바인더를 포함하는 미네랄 섬유 절연 재료로서, 상기 유기 바인더는 포름알데히드가 없는 것이 개시되어 있다. 그러나, 페놀-포름알데히드 수지를 포함하는 바인더로부터 제조된 경화물과 비교하여, 특허문헌 1의 경화물은 기계적 물성이 낮아 적용 가능한 분야에 한계가 있었다.

또한, 미국 등록특허 제5,538,761호에는(특허문헌 2)에는 산성화 가수분해성 염, 무기산, 단량체성 카르복시산, 디 또는 폴리-카르복시산의 에스테르, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산성화제를 이용하여 pH를 5.5 미만으로 조절하는 단계를 포함하는, 페놀-포름알데히드 바인더 처리 섬유글라스의 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 2와 같이 산성화제를 이용한 포름알데히드 방출량 제어에는 한계가 있으며, 상술한 바와 같은 산성화제를 포함하여 산성화된 바인더는 안정성이 부족하여 저장성이 열세하며 설비 부식을 야기할 수 있다.

따라서, 포름알데히드와 같은 독성 물질을 사용하지 않는 인체 유해성이 적고 친환경적이며, 제조된 경화물의 기계적 물성 및 불연성을 우수한 수성 바인더 조성물에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.

미국 등록특허 제7,854,980호 (공개일: 2010. 4. 1.) 미국 등록특허 제5,538,761호 (공개일: 1996. 7. 23.)

이에, 본 발명은 포름알데히드와 같은 독성 물질을 사용하지 않아 인체 유해성이 적고 친환경적이며, 제조된 경화물의 기계적 물성 및 불연성을 우수한 포름알데히드 프리 (Formaldehyde Free)인 수성 바인더 조성물을 제공하고자 한다.

본 발명은 환원당, 아미노산, 제1 보강제 및 제2 보강제를 포함하는 조성물로서,

상기 제1 보강제는 수산기를 포함하는 중량평균분자량 5,000 내지 200,000 g/mol의 수지이며,

상기 제2 보강제는 폴리아미드계 수지이며,

상기 제1 보강제와 제2 보강제의 총량이 조성물의 고형분을 기준으로 3 내지 50 중량%인, 수성 바인더 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 수성 바인더 조성물을 사용하여 결속된 섬유상 재료를 제공한다.

본 발명에 따른 수성 바인더 조성물은 포름알데히드를 사용하지 않아 친환경적이고 인체 유해성이 낮다. 또한, 이를 이용하여 결속된 섬유상 재료는 내수성, 절단 가공성, 압축 강도 및 내후성 등의 기계적 물성이 우수하여 종래 페놀-포름알데히드 수지로 결속된 섬유상 재료와 유사하거나 보다 우수한 기계적 물성을 갖는다. 또한, 상기 섬유상 재료는 불연성, 침수성 및 성형성이 우수하고, 분진율이 낮아 다양한 분야에 적용 가능하다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서, 수지의 "중량평균분자량"은 당업계에 잘 알려진 방법에 의해 측정할 수 있으며, 예를 들어 GPC(gel permeation chromatograph)의 방법으로 측정한 값을 나타낼 수 있다.

수성 바인더 조성물

본 발명에 따른 수성 바인더 조성물은 환원당, 아미노산, 제1 보강제 및 제2 보강제를 포함한다.

본 발명은 환원당과 아미노산 사이의 메일라드(Maillard) 반응을 통해 경화가 이루어지며, 이 과정에서 제1 보강제의 수산화기와 제2 보강제의 아민기가 반응에 참여할 수 있다. 또한, 제1 보강제와 제2 보강제 사이의 반응, 또는 제1 보강제 및 제2 보강제 각각의 자체 반응(Self-reaction)을 통해 종래 환원당, 및/또는 아미노산으로만 구성된 조성물 대비 우수한 강도 및 내후성을 구현할 수 있다.

환원당

환원당은 바인더 조성물의 주원료로 조성물에 접착성 및 기계적 물성을 부여하는 역할을 한다.

상기 환원당은 알데히드를 보유하고 있거나 이성질체화에 의하여 알데히드 구조를 지닐 수 있는 알도스 또는 케토스 당류를 포함하며, 예를 들어, 단당류, 이당류 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 구체적으로, 상기 환원당은 포도당, 말토오스, 과당, 갈락토오스, 유당, 셀로비오스, 겐티오비오스, 루티노오스, 글리세르알데히드 등, 또는 이들의 수화물을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 상기 환원당은 0.5 내지 10 중량부의 아미노산에 대하여 0.5 내지 20 중량부, 5 내지 15 중량부 또는 6 내지 10 중량부의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 환원당의 함량이 상기 범위 미만이거나 발생하고, 상기 범위 초과인 경우, 경화 후 바인딩된 섬유상 재료의 강도가 열세한 문제가 발생할 수 있다.

아미노산

아미노산은 바인더 조성물의 주수지로 조성물에 접착성 및 기계적 물성을 부여하는 역할을 한다.

상기 아미노산은 한 분자 내에 아미노기와 카르복시기 각각을 1개 이상 포함하는 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 아미노산은 글리신, 알라닌, 발린, 류신, 이소류신, 트레오닌, 세린, 시스테인, 메티오닌, 아스파르트산, 아스파라긴, 글루탐산, 디요드티로신, 라이신, 아르기닌, 히스티딘, 페닐알라닌, 티로신, 트립토판, 프롤린, 옥시프롤린, 글루타민 등의 아미노산, 또는 이들의 황산염 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 상기 아미노산은 0.5 내지 20 중량부의 환원당에 대하여 0.5 내지 10 중량부, 1 내지 5 중량부, 또는 1 내지 3 중량부의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 아미노산의 함량이 상기 범위 미만이거나, 상기 범위 초과인 경우, 경화 후 바인딩된 섬유상 재료의 강도가 열세한 문제가 발생할 수 있다.

제1 보강제

제1 보강제는 제조된 경화물의 강도를 향상시키는 역할을 한다.

상기 제1 보강제는 수산기를 포함하는 고분자 수지로, 수산기 함유 고분자 수지를 제1 보강제로 사용하는 경우, 경화 후 바인딩된 섬유상 재료의 강도가 향상되는 효과가 있다.

구체적으로, 수산기를 포함하면서 고분자인 수지를 강도 보강제로 바인더 조성물에 포함할 경우, 동일 바인더 함량에서 제품 강도가 크게 향상될 수 있다. 보다 구체적으로, 강도 보강제로 수산기를 포함하는 고분자 수지를 사용하는 경우, 양호한 내수성을 가지면서도 제품 강도가 크게 향상되는 효과가 있다. 이는, 동일한 강도의 제품을 제조함에 있어서, 유기 바인더의 함량을 줄임으로써 불연 성능 개선 및 포름알데히드 방출량을 저감할 수 있다.

반면, 강도 보강제로 고분자가 아닌 수산기 함유 단분자를 사용할 경우, 제품 강도 효과가 미미할 뿐만 아니라 내수성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 보강제는 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 포함할 수 있고, 제1 보강제는 라디칼 또는 축합 반응, 또는 천연 추출물로부터 얻을 수 있다.

상기 화학식 1에서,

R¹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 지방족 탄화수소기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로고리기이고,

n은 100 내지 5,000의 정수이다.

구체적으로, 상기 R¹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 또는 12의 지방족 탄화수소기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 2 또는 12의 헤테로고리기일 수 있다. 이때, 상기 R¹의 지방족 탄화수소기는 분지쇄, 직쇄 또는 고리형의 3가의 탄화수소기이며, 헤테로고리기는 N, O 및 S 중 1개 이상의 헤테로원자를 포함하는 고리기이다. 예를 들어, 상기 헤테로고리기는 글루코오스 변성 유도체 등을 들 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.

이때, "치환"은 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자가 다른 유기기로 바뀌는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 유기 그룹이 치환 가능한 위치라면 한정하지 않으며, 치환기의 수도 한정되지 않는다. 즉, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위는 반복 단위 하나당 1개 이상의 하이드록실기를 포함하며, 추가적으로 하이드록실기 이외에 다른 유기 그룹을 치환기로 포함할 수도 있다.

구체적으로, n은 300 내지 3,000의 정수, 또는 400 내지 2,000의 정수일 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 보강제는 하이드록시에틸 셀룰로오스 또는 폴리비닐알코올일 수 있다.

상기 제1 보강제는 중량평균분자량(Mw)이 5,000 내지 200,000 g/mol, 또는 15,000 내지 100,000 g/mol인 수지일 수 있다. 제1 보강제의 중량평균분자량이 상기 범위 내인 경우, 바인딩된 섬유상 재료의 강도가 향상될 수 있다. 반면, 제1 보강제의 중량평균분자량이 상기 범위 미만인 경우, 제조된 경화물의 강도 개선 효과가 미미할 수 있고, 중량평균분자량이 상기 범위 초과인 경우, 이를 포함하는 바인더 조성물의 점도가 크게 증가되어 섬유상 재료의 결속제로의 적용이 어려울 수 있다.

상기 제1 보강제와 하기 제2 보강제를 고형분 기준으로 1:0.1 내지 1:5.0의 중량비, 또는 1:0.5 내지 1:1.5의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 범위 미만일 경우, 강도 보강 효과가 떨어지며 내수성이 열세한 문제가 발생하고, 상기 범위 초과일 경우, 강도 보강 효과가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

상기 제1 보강제와 하기 제2 보강제의 총량은 조성물의 고형분을 기준으로 3 내지 50 중량%, 4 내지 45 중량%, 또는 6 내지 30 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 제1보강제의 수산기와 제2보강제 사이의 반응, 또는 제1보강제 및 제2보강제와 환원당/아미노산과의 반응 및 자체 반응에 의해 제1 보강제와 제2 보강제의 총량이 상기 범위 미만인 경우, 강도 보강 효과가 저하되는 문제가 발생하고, 상기 범위 초과인 경우, 조성물의 점도가 상승하거나 내수성이 열세해지는 문제가 발생할 수 있다. 이때, 제1 보강제와 제2 보강제의 총량은 고형분 기준일 수 있다.

또한, 상기 제1 보강제는 0.5 내지 20 중량부의 환원당에 대하여 고형분 기준 0.15 내지 3 중량부, 0.25 내지 2.0 중량부, 또는 0.3 내지 1.5 중량부의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 제1 보강제의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 강도 보강 효과가 저하되는 문제가 발생하고, 상기 범위 초과인 경우, 조성물의 점도가 상승하거나 내수성이 열세해지는 문제가 발생할 수 있다.

제2 보강제

제2 보강제는 제조된 경화물의 강도를 향상시키는 역할을 한다.

상기 제2 보강제는 폴리아미드계 수지이며, 폴리아미드계 수지를 제2 보강제로 사용하는 경우, 바인딩된 섬유상 재료의 내수성을 확보하면서 강도를 향상시키는 효과가 있다. 이는 제2 보강제가 바인더 내에서 제1 보강제나 환원당의 수산기와의 반응, 또는 제2 보강제 자체 가교반응(self-reaction)을 통해 바인딩된 섬유상 재료의 내수성을 향상시킨 결과이다.

상기 제2 보강제는 공지된 방법에 따라 직접 합성된 것을 사용하거나, 시판되는 제품을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 보강제는 아민기 함유 제1 단량체, 카르복시기 함유 제2 단량체, 및 에폭시기 함유 제3 단량체로부터 제조할 수 있다.

이때, 상기 아민기 함유 제1 단량체는 예를 들어, 한 분자당 2개 이상의 아민기, 또는 3개 이상의 아민기를 포함하는 단량체일 수 있다. 구체적으로, 상기 아민기 함유 제1 단량체는 N-(2-아미노에틸)-1,2-에탄디아민(N-(2-aminoethyl)-1,2-ethanediamine), 디에틸렌트리아민, 디아미노부탄, 디아미노헥산, 디아미노도데칸, 디아미노헥산, 환형 아민 등을 들 수 있다. 이때, 상기 환형 아민은, 예를 들면, 1,4-디아미노사이클로헥산, 4,4'-디아미노바이사이클로헥실아민, 1,3-크실렌디아민 및 1,4-크실렌디아민 등을 들 수 있다.

또한, 상기 카르복시기 함유 제2 단량체는 예를 들어, 한 분자당 1개 이상의 카르복시기, 또는 2개 이상의 카르복시기를 포함하는 단량체일 수 있다. 구체적으로, 상기 카르복시기 함유 제2 단량체는 아디프산, 도데칸 다이카복실산, 아이소프탈산 및 테레프탈산 등을 들 수 있으며, 상술한 바와 같은 카복실산의 에스터 및 무수물 등을 들 수 있다.

상기 에폭시기 함유 제3 단량체는 예를 들어, 한 분자당 1개 이상의 에폭시기, 또는 1개 이상의 글리시딜기를 포함하는 단량체일 수 있다. 구체적으로, 상기 에폭시기 함유 제3 단량체는 에피클로로히드린일 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 보강제는 디에틸렌트리아민과 아디프산을 중합한 폴리아미도아민(polyamido-amine)을 에피클로로히드린(epichlorohydrin)으로 중화시킨 에폭시화 폴리아미드 즉, 폴리아미도아민-에피클로로히드린(PAE, polyamidoamine-epichlorohydrin)일 수 있다. 또한, 상기 제2 보강제는 수용화된 폴리아미도아민(polyamido-amine)일 수 있다.

상기 제2 보강제는 0.5 내지 20 중량부의 환원당에 대하여 고형분 기준 0.15 내지 3 중량부, 0.2 내지 2.0 중량부, 또는 0.25 내지 1.5 중량부의 함량으로 포함될 수 있다.

상기 제2 보강제의 함량이 상기 범위 미만인 경우, 강도 보강 효과가 저하되고, 상기 범위 초과인 경우, 투입량 대비 강도 개선효과가 미미하여 경제성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

첨가제

상기 수성 바인더 조성물은 축합 촉매, pH 조절제, 커플링제, 방진제, 발수제 및 용제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.

축합 촉매는 바인더 조성물 내 축합 반응을 촉진하는 역할을 한다. 상기 축합 촉매는 통상적으로 바인더 조성물에 사용할 수 있는 것이라면 특별한 한정없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄 황산 암모늄(aluminum ammonium sulfate), 암모늄 설포네이트, 암모늄 파라톨루엔 설포네이트 및 암모늄 시트릭염 등을 들 수 있다.

pH 조절제는 바인더의 pH를 조절하고 중화하는 역할을 한다. 상기 pH 조절제는 통상적으로 바인더 조성물에 사용할 수 있는 것이라면 특별한 한정없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 실란, 아미노 알코올, 폴리 아민 등을 들 수 있다.

커플링제는 섬유상 재료와 바인더 조성물의 계면 부착력을 높이는 역할을 한다. 상기 커플링제는 통상적으로 바인더 조성물에 사용할 수 있는 것이라면 특별한 한정없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유기 규소 화합물일 수 있다. 상기 유기 규소 화합물은 예를 들어, 아미노 실란계 화합물일 수 있다.

방진제는 제품의 분진 발생율을 낮추는 역할을 한다. 이때, 상기 방진제로는 통상적으로 바인더 조성물에 사용할 수 있는 것이라면 특별한 한정없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 방진유 등을 들 수 있다.

발수제는 섬유상 재료의 내수성을 높이는 역할을 한다. 상기 발수제는 통상적으로 바인더 조성물에 사용할 수 있는 것이라면 특별한 한정없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 에멀젼 등을 들 수 있다.

용제는 조성물의 점도 및 건조성을 조절하는 역할을 한다. 이때, 상기 용제는 물일 수 있으며, 예를 들어, 탈이온수, 순수, 초순수, 증류수 및 사용 후 재활용된 공정수 등을 들 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 수성 바인더 조성물은 포름알데히드 방출량이 0.008mg/m³ㆍhr 이하로 적어 친환경적이고 인체 유해성이 낮다.

섬유상 재료

또한, 본 발명에 따른 섬유상 재료는 상술한 바와 같은 수성 바인더 조성물을 사용하여 결속된다. 즉, 상기 섬유상 재료는 수성 바인더 조성물 및 원료 섬유상 재료를 포함할 수 있다.

이때, 상기 원료 섬유상 재료(즉, 결속되는 섬유상 재료)는 무기질 섬유(예를 들어, 암면, 유리면, 세라믹 섬유 등), 또는 천연 및 합성 수지 등의 유기질 섬유를 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 원료 섬유상 재료는 단섬유 또는 중섬유일 수 있다.

또한, 상기 섬유상 재료는 원료 섬유상 재료에 수성 바인더 조성물을 분무 또는 도포한 후 상기 바인더 조성물을 열경화하여 결속된 것일 수 있다. 이때, 상기 열경화는 120℃ 이상, 120 내지 300 ℃, 또는 150 내지 250 ℃에서 진행될 수 있다. 열처리 온도가 지나치게 낮으면 미경화가 발생하여 경화 시간이 길어져 생산성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 열처리 온도가 지나치게 높으면 경화 과정에서 바인더 분해가 발생하여 인장 물성이 매우 저하될 수 있으며 탄화와 분진의 발생의 원인이 될 수 있다.

상기 결속된 섬유상 재료는 결속된 섬유상 재료 100 중량부에 대하여 1 내지 15 중량부, 또는 2 내지 12 중량부의 수성 바인더 조성물의 고형분을 포함할 수 있다. 이때, 상기 결속된 섬유상 재료 내의 바인더 조성물의 고형분 함량이 상기 함량을 벗어날 경우, 제조된 제품 강도 및 불연성능이 저하될 수 있다. 이때, 상기 결속된 섬유상 재료 내의 수성 바인더 조성물의 고형분 함량은 상기 바인더 조성물의 고형분 함량, 및 분무량 또는 도포량의 조절을 통하여 조절할 수 있다.

상기 섬유상 재료는 KS M ISO 16000-9에 기재된 소형챔버법으로 측정한 휘발성 유기화합물의 방출량이 0.008mg/m³·hr 이하일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 섬유상 재료는 내수성, 절단가공성, 침수성, 압축강도, 내후성, 성형성 및 불연 성능이 우수하고, 분진율이 낮으며, 포름알데히드와 같은 휘발성 유기화합물의 방출량이 적어 친환경적이며 인해 유해성이 낮다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1. 수성 바인더 조성물의 제조

반응 용기에 환원당으로 포도당 수화물 7.07중량부(고형분 함량: 91중량%), 아미노산으로 라이신 황산염 2.18중량부(고형분 함량: 100중량%), 축합 촉매로 알루미늄 황산 암모늄(aluminum ammonium sulfate) 0.03중량부(고형분 함량: 52.4중량%), 제1 보강제-1로 폴리비닐알코올(Mw: 22,000±2,000g/mol) 3.12중량부(고형분 함량: 15중량%), 제2 보강제로 폴리아미도아민-에피클로히드린(KATAX-8772, Pulcra Chem사) 3.12중량부(고형분 함량: 12.5중량%), 커플링제로 (3-아미노프로필)트리에톡시 실란 0.04중량부(고형분 함량: 99중량%), 방진유(타임케미칼사의 TC-97A, 고형분 함량: 50중량%) 0.53중량부, 발수제로 실리콘 에멀젼(KCC사의 SI1479Z, 고형분 함량: 40중량%) 0.31중량부 및 물 83.23중량부를 투입하고, 30분간 교반하였다. 이후 암모니아수 0.35중량부(고형분 함량: 9.0중량%)를 이용하여 pH를 7~8로 조정하고, 10분 동안 추가 교반하여 수성 바인더 조성물을 제조하였다. 제조된 수성 바인더 조성물의 고형분은 대략 10중량%(9.5~10.5 중량%)였다.

실시예 2 내지 8 및 비교예 1 내지 5.

표 1 및 2에 기재된 성분별 함량을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수성 바인더 조성물을 제조하였다.

성분(중량부)	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
환원당	7.07	7.11	5.96	7.12	7.07	6.01
아미노산	2.18	2.20	1.84	2.20	2.18	1.86
알루미늄 황산 암모늄	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03
제1 보강제-1 (PVA)	3.12	1.57	13.14	0.00	4.68	2.65
제1 보강제-2 (Cellu)	0.00	0.00	0.00	0.47	0.00	0.00
제2 보강제 (PAE)	3.12	5.23	2.63	3.14	1.56	15.03
커플링제	0.04	0.04	0.04	0.04	0.04	0.04
발수제	0.31	0.31	0.26	0.31	0.31	0.27
방진유	0.53	0.53	0.45	0.53	0.53	0.45
암모니아수	0.35	0.36	0.30	0.36	0.35	0.30
물	83.23	82.62	75.36	85.80	83.23	73.37
총량	100	100	100	100	100	100
조성물의 고형분(중량%)	9.96	10.04	9.97	10.02	10.0	10.01

성분(중량부)	실시예 7	실시예 8	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5
환원당	7.50	6.80	7.04	6.66	9.06	7.58	3.0
아미노산	2.32	2.10	2.17	2.06	0.00	2.34	1.3
알루미늄 황산 암모늄	0.03	0.03	0.03	0.03	0.04	0.03	0.02
제1 보강제-1 (PVA)	1.10	3.00	0.00	9.79	4.00	0.89	23.07
제1 보강제-2 (Cellu)	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
제2 보강제 (PAE)	1.66	3.00	7.76	0.00	4.00	0.89	21.07
커플링제	0.04	0.04	0.04	0.04	0.05	0.04	0.03
발수제	0.33	0.30	0.31	0.29	0.40	0.33	0.21
방진유	0.56	0.51	0.53	0.50	0.68	0.57	0.13
암모니아수	0.38	0.34	0.35	0.33	0.45	0.38	0.24
물	86.07	83.87	81.76	80.30	81.31	86.94	50.93
총량	100	100	100	100	100	100	100
조성물의 고형분(중량%)	10.03	9.58	10.03	10.04	9.96	10.0	10.33

실시예 및 비교예에서 사용한 제1 보강제의 화합물명 및 물성을 표 3에 나타냈다.

구분	화합물명	물성
제1 보강제-1	폴리비닐알코올	Mw: 22,000±2,000g/mol
제1 보강제-2	하이드록시에틸 셀룰로오스(Natrosol 250)	Mw: 90,000g/mol

실험예. 수성 바인더 조성물을 이용한 섬유상 재료의 결속

고온의 유리물을 스피너에 통과시켜 시간당 2,100kg의 속도로 섬유화시키면서, 집면실로 내려오는 유리 섬유에 상기 실시예 및 비교예의 바인더 조성물을 16L/분의 양으로 분사한 후, 건조 공정을 거쳐 유리 재료를 얻었다. 제조된 유리 재료를 100mm X 100mm X 50mm(가로X세로X두께)의 크기로 절단하여 시편을 제조하였다. 이후 상기 시편을 대상으로 하기와 같은 방법으로 물성을 측정하였으며, 그 결과를 표 4에 나타냈다.

(1) 압축율

압축율 측정용 지그에 시편을 결속시킨 후, 만능시험기의 중앙에 위치시킨다. 이후 40kgf의 하중일 때 압축된 변위를 측정하였으며, 실시예 및 비교예 각 3개의 시편을 사용하여 압축율을 측정하고 산술평균값을 계산하였다. 이때, 압축율은 하기 수학식 1로 계산하였다.

[수학식 1]

압축율(%) = [(초기 두께-압축 변위)/초기 두께] X 100

(2) 흡수량

유리 재료를 254mmX254mm (길이X너비) 크기로 절단하여 3개의 샘플을 준비하고, 0.01g까지 정확하게 무게(W1)를 측정했다. 이후 수조에 상온의 물을 바닥으로부터 10Step(1step당 30mm)까지 채우고 샘플을 넣은 다음 Screen(사각메쉬철망)을 바닥으로부터 7Step에 오게끔 고정하고, 15분 동안 흡수시켰다. 15분 후 샘플을 꺼내고 한 모서리를 손끝으로 쥐고 150±5초 동안 수직으로 세워 물방울이 떨어지도록 했다. 이후 미리 칭량한 은박 접시(W2)에 샘플을 놓고, 0.01g까지 정확하게 무게를 측정하였으며, 3개의 샘플의 평균값(W3)을 계산했다. 또한, 흡수량은 하기 수학식 2로 계산하였다.

[수학식 2]

흡수량 (kg/m²) = [(W3 - W2 - W1] X 15.5

(3) 포름알데히드 방출량

KS M ISO 16000 및 KS M 1998에 규정된 소형 챔버법에 따라 시편을 소형 챔버에 방치한 후 7일째의 챔버 공기를 포집하고, 포집한 공기를 HPLC(액체 크로마토그래피)로 분석하였다. 구체적인 시험방법은 공기청정협회에서 설정한 방법을 따랐다.

(4) 분진율

유리 재료를 절단하여 4개씩 폭 1.5cm, 너비 10cm의 크기의 샘플로 제작하였다. 초기 무게를 계량한 후, 샘플을 분진율 측정기에 위치시키고, 1m/분의 속도로 전후 좌우로 흔들었다. 총 측정 시간은 시료당 10분 동안 진행하였고, 분진율 측정기가 자동으로 멈춘 뒤 샘플 무게(분진 후 무게)를 계량하였다. 이때, 분진율(%)은 하기 수학식 3으로 계산하였다.

[수학식 3]

분진율 = [(분진 후 무게/초기 무게)-1] X 100

(5) 불연 성능

제조된 시편에 대한 불연 및 준불연 여부를 불연성 시험은 KS F ISO 1182에 규정된 방법을 통해 측정하였다. 구체적으로, 불연 성능은 가열로에서의 온도 상승 폭의 정도로 정량화할 수 있으며, 특히, 750℃의 가열로에서 평형 온도보다 20℃ 이상 상승하지 않았을 경우, '합격'으로 평가하였다.

(6) 절단 가공성

유리 재료를 절단기를 이용하여 절단했을 때, 절단면 내 보푸라기 등의 외관을 관찰하여 절단 가공성을 평가하였다. 이때, 절단 가공성은 0에 가까울수록 절단면에 보푸라기가 많이 발생하는 등 외관이 불량한 것이고, 5에 가까울수록 절단면 내에 보푸라기가 없어 절단 가공성이 우수한 것으로 판단하였다.

구분	압축률(%)	흡수량 (kg/m²)	포름알데히드 방출량(mg/m³ㆍhr)	분진율(%)	불연 성능	절단 가공성
(목표)	10 이하	4.0 이하	0.008 이하	0.5 미만	합격	4이상
실시예 1	9.1	3.2	미검출	0.3	합격	4
실시예 2	9.7	2.8	미검출	0.4	합격	4
실시예 3	8.9	3.9	미검출	0.2	합격	4.5
실시예 4	9.5	3.5	미검출	0.3	합격	4
실시예 5	9.2	3.6	미검출	0.4	합격	4
실시예 6	9.1	3.1	미검출	0.4	합격	4
실시예 7	9.8	3.2	미검출	0.4	합격	4
실시예 8	8.7	3.9	미검출	0.3	합격	4.5
비교예 1	11.5	3.2	미검출	0.7	합격	3
비교예 2	9.8	8.0	미검출	0.6	합격	3
비교예 3	10.8	5.7	미검출	0.7	합격	2
비교예 4	11.0	3.9	미검출	0.6	합격	3
비교예 5	8.9	11.0	미검출	0.5	합격	4

표 4에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 8의 조성물로 결속된 섬유상 재료는 압축율 및 절단 가공성 등의 기계적 물성이 우수하고, 내수성이 우수하여 흡수량이 적으며, 포름알데히드 방출량 및 분진율도 낮고, 불연성이었다.

반면, 제1 보강제를 미포함하는 비교예 1, 및 제1 보강제와 제2 보강제의 총량(고형분 기준)이 소량인 비교예 4는 압축율 및 절단 가공성이 부족하고, 분진율이 높았다.

또한, 제2 보강제를 미포함하는 비교예 2는 내수성이 부족하여 흡수량이 많고, 분진율이 높고, 절단 가공성이 부족했다.

또한, 아미노산을 미포함하는 비교예 3은 압축율 및 절단 가공성이 부족하고, 내수성이 부족하여 흡수량이 많고, 분진율도 높았다.

또한, 제1 보강제와 제2 보강제의 총량(고형분 기준)이 과량인 비교예 5는 내수성이 부족하여 흡수량이 많고, 분진율이 높았다.

Claims

환원당, 아미노산, 제1 보강제 및 제2 보강제를 포함하는 조성물로서,
상기 제1 보강제는 수산기를 포함하는 중량평균분자량 5,000 내지 200,000 g/mol의 수지이며,
상기 제2 보강제는 폴리아미드계 수지이며,
상기 제1 보강제와 제2 보강제의 총량이 조성물의 고형분을 기준으로 3 내지 50 중량%이고,
상기 제1 보강제와 제2 보강제를 고형분 기준으로 1:0.1 내지 1:5.0의 중량비로 포함하는, 수성 바인더 조성물.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제1 보강제는 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 포함하는, 수성 바인더 조성물:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
R¹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 지방족 탄화수소기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로고리기이고,
n은 100 내지 5,000의 정수이다.
청구항 1에 있어서,
0.5 내지 20 중량부의 환원당 및 0.5 내지 10 중량부의 아미노산을 포함하는, 수성 바인더 조성물.
청구항 1, 청구항 3 및 청구항 4 중 어느 하나의 수성 바인더 조성물을 사용하여 결속된 섬유상 재료.
청구항 5에 있어서,
상기 섬유상 재료는 KS M ISO 16000-9에 기재된 소형챔버법으로 측정한 휘발성 유기화합물의 방출량이 0.008mg/m³ㆍhr 이하인, 결속된 섬유상 재료.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 보강제는 아민기 함유 제1 단량체, 카르복시기 함유 제2 단량체, 및 에폭시기 함유 제3 단량체로부터 제조된, 수성 바인더 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 보강제는 중량평균분자량 15,000 내지 100,000 g/mol의 수지인, 수성 바인더 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 보강제와 제2 보강제의 고형분 함량의 총량이 조성물의 고형분을 기준으로 6 내지 30 중량%인, 수성 바인더 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 보강제와 제2 보강제를 고형분 기준으로 1:0.5 내지 1:1.5의 중량비로 포함하는, 수성 바인더 조성물.