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KR20230071263A - 불연성 내화 도료 조성물 및 그 조성물 키트 - Google Patents

불연성 내화 도료 조성물 및 그 조성물 키트 Download PDF

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KR20230071263A
KR20230071263A KR1020210157260A KR20210157260A KR20230071263A KR 20230071263 A KR20230071263 A KR 20230071263A KR 1020210157260 A KR1020210157260 A KR 1020210157260A KR 20210157260 A KR20210157260 A KR 20210157260A KR 20230071263 A KR20230071263 A KR 20230071263A
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변무원
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Abstract

본 발명은 바인더 수지 수용액, 물, 실란 화합물, 팽창흑연, 내열성 충진재(무기질 단열재), 곡물가루, 및 설탕을 포함하는 내화 도료 조성물에 관한 것으로, 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 실란 화합물 30~100중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함한다. 본 발명의 내화 도료 조성물은 실란 화합물이 물과 반응하여 경화되기 때문에, 바인더 수지 수용액, 물, 팽창흑연, 내열성 충진재, 곡물가루, 및 설탕이 혼합된 혼합물(I), 및 미량의 산이 첨가된 실란 화합물(II)로 구성되는 키트로 제공된다. 혼합물(I)은 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함한다. 실란 화합물(II)은 실란 화합물 100중량부에 산 1.0∼3.0중량부가 혼합된 혼합물이다.

Description

불연성 내화 도료 조성물 및 그 조성물 키트{Nonflammable Fire-resistant Coating Composition and a Kit for Preparing the Same}
본 발명은 건축물이나 선박 등의 철골 구조물을 구성하는 H-빔(H-beam), 철판 등에 도포하여 건축물이나 선박 등을 화재로부터 보호하기 위한 불연성 내화 도료 조성물에 관한 것이다.
철골 구조물로 건축되는 대부분의 건축물은 화재가 발생하면 고열로 인하여 철골 구조물이 약화될 수 있다. 고열로 인하여 철골 구조물이 약화되면, 건축물이 붕괴되는 대형사고가 발생한다. 따라서 화재가 나더라도, 철골 구조물이 붕괴되지 않도록, H-빔이나 철판 표면에 불연성 내화 도료 조성물을 도포하여 철골 구조물을 보호하도록 하고 있다.
화재로부터 철골 구조물을 보호하기 위하여 철골 구조물에 도포되는 내화 도료 조성물은 다양하게 개발되어 사용되고 있다.
한국특허 제0982176호는 카르복실산 유도체를 함유하는 인계 난연제, 금속산화물, 및 팽창흑연으로 구성된 불연 단열성의 페이스트 조성물을 개시한다.
한국특허 제0996720호는 바인더 수지, 물, 팽창성 흑연, 및 백등유로 이루어지고, 건조속도와 장기 보관성이 우수한 불연성 도막 형성용 조성물을 개시한다.
한국특허 제1601708호는 팽창흑연을 200~1,000℃로 가열하여 팽창시킨 흑연을 코팅제에 침잠하고, 상기 코팅제 내에 침잠된 팽창된 흑연을 그 상태에서 분쇄하여 불연성 도막 코팅제를 제조하는 방법을 개시한다.
한국특허공개 제2019-0111598호는 페놀수지 혼합물을 발포 성형한 페놀 폼의 표면에 팽창흑연, 접착성 수지, 및 유기용매를 혼합한 조성물을 도포하여 페놀 폼에 불연성의 팽창흑연 도막을 형성하는 방법을 개시한다.
불연성 내화 도료(코팅) 조성물에는 화재시 불연 및 단열 효과를 부여하기 위하여 중요한 성분 중의 하나로 팽창흑연(expandable graphite)이 사용된다. 팽창흑연은 천연 인편흑연을 산성재료로 화학 처리를 하여 흑연의 층간에 산성 화합물을 침투시켜 건조한 것으로 60∼300메쉬(mesh)의 입도를 갖는다. 팽창흑연은 150℃ 이상으로 가열하면 200∼300배로 팽창한다. 팽창흑연은 그 자체가 불연성이기 때문에 불연 또는 난연 제품에 다양하게 적용된다.
팽창흑연은 그 자체가 불연성이기 때문에 불연 또는 난연성 도막을 형성하는 코팅 조성물의 중요한 성분이지만, 화재로 인하여 도막이 연소되는 경우, 비산(飛散)하는 문제가 있다. 팽창흑연은 150℃ 이상으로 가열되면 200∼300배로 팽창하기 때문에, 팽창된 흑연이 비산하지 않고 고착된 흑연층을 형성한다면 그 흑연층으로 인하여 방염, 차열, 단열 효과가 나타나서 더 이상의 연소가 진행되지 않을 수 있다. 그러나 팽창된 흑연이 비산해버리면 방염, 차열, 단열 효과는 기대할 수 없고, 연소가 진행되어 화재가 증폭된다.
따라서, 화재시에 철골 구조물에 도포된 내화 도료 조성물로부터 팽창된 흑연이 비산되지 않고 고착되게 할 수 있는 도료 조성물을 제조하는 것이 중요한 관건이다. 화재시에 팽창된 흑연이 비산하지 않고 고착된 층을 형성한다는 것은 바로 열을 그만큼 잘 차단할 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 화재시에 팽창된 흑연이 비산하지 않는다는 것은 불연성 또는 단열성을 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.
내화 도료 조성물이 갖추어야 할 다른 중요한 특성은 도포된 코팅층이 탈리되지 않아야 한다는 점이다. 코팅층이 탈리되지 않기 위해서는 기재(substrate: H-빔 또는 철판)에 도포된 코팅층(도막)의 두께가 얇아야 하고, 코팅층과 기재와의 결합력이 우수해야 한다. 종래의 내화 도료 조성물은 도막의 두께가 6mm 이상 20mm 정도이다. 때로는 도막의 두께가 30mm가 넘는 경우도 있다. 이처럼 도막의 두께가 두꺼워지면, 시간이 경과함에 따라 도막 자체의 하중에 의해 기재로부터 분리되는 탈리 현상이 발생한다. 특히 벽면이 아닌 천정에 도막을 형성하는 경우에는 탈리 현상이 더 심각하다. 그런데 도막의 두께가 얇으면 단열성이 양호하지 못한 문제가 발생한다. 이러한 상반되는 이유 때문에 도막의 두께가 얇으면서 우수한 단열성을 갖는 내화 코팅 조성물을 개발하는 것이 궁극의 목표라 할 수 있다.
화재와 같은 상황에서 기재에 도포된 도막이 가열되면 도막 내의 팽창 흑연이 팽창하게 된다. 이때 팽창된 도막(코팅층)은 비산되지 않고 기재에 부착되어 있어야 불연 및 단열 효과를 지속할 수 있다. 따라서 화재시에 팽창된 도막이 비산되지 않고 기재에 견고하게 부착되어야 하는 것은 내화 도료 조성물의 또다른 필수 요건이다.
내화 도료 조성물의 또다른 문제점은 화재시 시안화수소, 다이옥신, 비스페놀A, 불화수소 등과 같은 유독가스가 방출된다는 점이다. 이러한 유독가스는 기재와 도막(코팅층)의 견고한 결합력을 위하여 사용되는 바인더 수지가 연소될 때 주로 발생한다. 따라서 기재와 도막(코팅층)의 견고한 결합력을 유지하면서 연소시 유독가스 방출을 줄일 수 있어야 한다. 그렇게 하기 위해서는 바인더 수지를 가급적 적게 사용하거나, 그 수지를 대체할 성분을 찾는 것도 내화 도료 조성물이 해결해야 할 중요한 과제이다.
기재에 도포된 도막은 H-빔이나 철판의 부식 방지를 위하여 방수성을 가져야 하기 때문에, 이러한 방수성은 내화 도료 조성물의 또다른 요건이다.
본 발명자는 상기 요건을 갖춘 내화 도료 조성물을 개발하고자 많은 연구를 거듭하여 아래와 같은 특허를 출원하였다.
본 발명자는 도막이 연소될 때 팽창흑연이 비산하지 않고 팽창된 상태로 기재에 고착된 흑연층을 형성함으로써 불연 및 단열 효과가 우수하고, 도막이 2.0mm 이하의 얇은 두께로 형성되더라도 불연성이 불연성 내화 코팅 조성물을 개발하여 특허출원 제2020-72283호로 출원하였다(2020.06.15. 출원).
본 발명자는 연소된 도막의 결합력을 향상시켜 1,000∼1,200℃의 고온에서 발포된 팽창흑연 발포층이 3시간 이상 탈리되지 않도록 바인더 수지 외에 설탕을 사용한 내화 도료 조성물을 개발하여 특허출원 제2020-174099호로 출원하였다(2020.12.14. 출원).
본 발명자는 특허출원 제2020-174099호의 도료 조성물에서 바인더 수지 대신에 물을 사용함으로써 연소시 유해가스가 배출되지 않는 내화 도료 조성물을 개발하여 특허출원 제2021-1436호로 출원하였다(2021.01.06. 출원).
특허출원 제2021-1436호의 내화 도료 조성물은 10mm 이상의 두께로 발포된 후에도 탈리되지 않았으나, 연소 시간이 경과하면서 발포층이 비산하여 발포층의 두께가 점차 얇아지는 현상이 발생하였다. 예를 들어, 1,000℃ 이상의 고온에서 발포된 팽창흑연 발포층의 최초 두께는 약 15mm 정도이었으나, 1시간 후에는 약 13mm 정도가 되었고, 2시간 후에는 약 8mm 정도가 되었고, 3시간 후에는 약 5mm 정도가 되었다. 이는 연소 시간이 경과함에 따라 발포층이 비산한 결과로서, 발포층의 두께가 얇아질수록 열전도는 증가하여 단열이나 내화 성능이 그만큼 저하된다. 본 발명자는 특허출원 제2021-1436호의 내화 도료 조성물의 결점을 보완하여 1,000℃ 이상의 고온에서 발포된 팽창흑연 발포층이 최소 2시간 후에도 비산하지 않고, 유해가스 발생을 최소화하도록 수성 바인더 수지(바인더 수지 수용액)을 사용하고, 무기질 울을 함유시킨 내화 도료 조성물을 개발하여 특허출원 제2021-67503호로 출원하였다(2021.05.26. 출원).
본 발명자는 특허출원 제2021-67503호의 내화 도료 조성물에서 수성 바인더 수지 대신에 물을 사용하더라도 거의 동일한 효과가 있음을 확인하고 이에 대하여 특허출원 제2021-75832호로 출원하였다(2021.06.11. 출원).
상기 특허출원 제2021-67503호 및 제2021-75832호의 내화 도료 조성물은 우수한 불연 및 단열 효과, 3mm 이하의 얇은 도막 두께, 탈리 현상 방지, 연소시 비산 방지, 방수성, 및 연소시 유독가스 발생의 최소화를 달성할 수 있는 완벽한 요건을 갖는 것으로 평가되었다. 그러나 이들 내화 도료 조성물은 기재에 도포하는 작업과정에서 또다른 문제가 노출되었다.
내화 도료 조성물은 H-빔이나 철판에 도포하는 경우 분사 노즐을 이용한 분사방식 또는 롤러나 브러쉬를 이용한 미장 방식으로 도포하게 되는데, 작업효율을 위해 주로 분사 방식으로 도포한다. 분사 노즐은 그 직경이 통상 0.5mm 이상 5.0mm 범위이다. 도포된 표면을 균일하게 하기 위해서는 직경이 1.0mm 이하의 분사 노즐을 사용해야 하는데, 이 경우 특허출원 제2021-67503호 및 제2021-75832호의 내화 도료 조성물은 분사가 원활하게 되지 못함을 알게 되었다. 이는 첨가된 무기질 충진재(내열성 단열재)이 용매인 바인더 수지 용액이나 물에 균일하게 혼합되지 않기 때문인 것으로 추정된다.
특허출원 제2021-67503호 및 제2021-75832호의 내화 도료 조성물을 직경이 3.0mm 이상의 분사 노즐을 사용하여 분사하는 경우에는 표면이 균일하게 도포되지는 않지만 분사 자체에 큰 어려움은 없다. 하지만, 대부분의 철골 구조물에서는 표면을 균일하게 도포해야 하기 때문에, 직경이 1.0mm 이하의 분사 노즐을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명자는 기본적으로 제2021-67503호 및 제2021-75832호의 내화 도료 조성물에 내열성 충진재가 균일하게 혼합되어 직경이 1.0mm 이하의 분사 노즐을 사용하는 경우 도포된 표면이 균일하게 형성될 수 있는 본 발명의 내화 도료 조성물을 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 건축물의 철골 구조물을 형성하는 H-빔이나 철판에 도포하여 형성된 불연성 도막이 연소되는 경우에 팽창흑연이 비산하지 않고 팽창된 상태로 기재 표면에 고착됨으로써 불연 및 단열 효과가 우수한 새로운 내화 도료 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 불연성 도막이 연소되는 경우에 1,000℃ 이상의 고온에서 3시간 동안 연소 후에도 팽창흑연이 비산하지 않음으로써 불연 및 단열 효과를 극대화할 수 있는 내화 도료 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 도막이 4.0mm 이하의 얇은 두께로 형성되더라도 우수한 불연 및 단열 효과를 갖는 내화 도료 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 용매로서 수용성 수지 또는 물을 사용함으로써 화재시 유해가스 배출을 최소화 할 수 있는 내화 도료 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 분사 노즐을 사용하여 도포하는 경우 도포된 표면이 균일하게 형성되도록 작업성이 우수한 내화 도료 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 직경이 1.0mm 이하의 분사 노즐을 사용하더라도 외관이 미려한 도막이 형성되는 내화 도료 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 내화 도료 조성물을 조제할 수 있도록 조성물 키트(kit)를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 불연성 내화 도료 조성물은 바인더 수지, 물, 실란 화합물, 팽창흑연, 내열성 충진재(무기질 단열재), 곡물가루, 및 설탕을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바인더 수지는 결합력을 부여하기 위한 바인더 및 다른 성분들을 용해시키기 위한 용매로서의 역할을 하는 것으로, 20∼40중량%의 수지와 80∼60중량%의 물로 구성된 수성 수지 용액이다. 수성 수지이기 때문에 유성 수지에 비하여 연소시에 유해가스 배출을 최소화할 수 있다. 수지는 아크릴 수지, 초산비닐 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 폴리올 등이 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용될 수 있다.
바인더 수지가 물을 함유하고 있지만, 본 발명의 내화 도료 조성물은 용매로서 물을 부가적으로 포함할 수 있다.
실란 화합물은 물과 결합하여 경화되는 경화제로서의 역할을 하는 것으로, 미량의 산이 첨가된 실란 화합물을 사용한다. 100중량부의 실란 화합물에 1.0∼3.0중량부의 산이 첨가된다.
팽창흑연은 150℃ 이상으로 가열하였을 때 100∼300배로 팽창하고 60∼300메쉬의 입도를 갖는 것으로 탄소성분이 95중량% 이상인 것이 바람직하게 사용된다.
내열성 충진재(무기질 단열재)는 탄소섬유, 유리섬유, 세라믹섬유, 미네랄섬유, 실리카섬유, 케블라, 아라미드섬유 등의 무기질 섬유 및 퍼라이트, 규조토, 흑연, 팽창된 흑연, 그래핀, 이산화티탄(TiO2), 탈크, 탄산칼슘, 석고 등의 무기물로부터 선택되는 1종 이상의 내열성 섬유 또는 무기물로서, 섬유장(纖維長)이나 입자의 크기가 0.01∼5.0mm인 것이 바람직하게 사용될 수 있다.
곡물가루는 글루텐을 함유하는 곡물가루가 바람직하며, 밀가루, 보리, 호밀, 귀리, 옥수수, 쌀 등의 1종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 곡물가루는 내열성 충진재가 균일하게 분포되도록 하여 분사 작업을 원활하게 해주는 역할을 한다. 곡물가루에 함유된 글루텐이 물과 반응하여 결합력이 증가되며, 내화 도료의 발포층 균열을 방지하고, 설탕과 결합하여 탄화되며, 발포층의 강도를 높여 탈리를 방지한다.
설탕은 물에 용해되어 실란 화합물, 팽창흑연, 및 곡물가루 입자를 결합시키는 결합제, 및 도료 조성물을 기재에 접착시키는 접착제로서의 역할을 한다.
본 발명의 불연성 내화 도료 조성물은 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 실란 화합물 30~100중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80 중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함한다. 상기 조성물은 페이스트(paste) 상태로서 분사노즐을 통하여 분사하거나 브러쉬 또는 롤러를 사용하여 기재에 도포할 수 있다.
본 발명의 내화 도료 조성물은 실란 화합물이 물과 반응하여 경화됨으로써 수 시간 내에 겔(gel)화 되기 때문에 조성물 자체로 유통할 수 없다. 따라서, 본 발명의 도료 조성물을 조제하기 위해서는 조성물 키트(kit)로 제공되어야 한다. 본 발명의 코팅 조성물을 제조하기 위한 조성물 키트는 바인더 수지 수용액, 물, 팽창흑연, 내열성 충진재, 곡물가루, 및 설탕이 혼합된 혼합물(I), 및 미량의 산이 첨가된 실란 화합물(II)로 구성된다. 팽창흑연 및 내열성 충진재는 실란 화합물(II)에 포함될 수도 있다. 하지만, 실란 화합물(II)은 수지 수용액 또는 물로부터 반드시 분리되어야 한다.
상기 혼합물(I)은 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함한다. 상기 실란 화합물(II)은 실란 화합물 100중량부에 산 1.0∼3.0중량부가 혼합된 혼합물이다.
본 발명의 내화 도료 조성물은 상기 혼합물(I)과 실란 화합물(II)을 혼합하여 제조한다. 제조된 도료 조성물은 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 실란 화합물 30~100중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80 중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함하도록 혼합물(I)과 실란 화합물(II)을 혼합한다. 혼합물(I)과 실란 화합물(II)은 작업 현장에서 30분∼1시간 동안 교반하여 본 발명의 내화 도료 조성물을 제조한다.
제조된 내화 도료 조성물은 분사 노즐을 이용하여 분사시켜 철골 구조물의 H-빔이나 철판에 도막을 형성한다. 1차 도포한 후, 도막이 건조되면 다시 2차 도포하여 최종 2∼4mm 두께의 도막을 형성한다.
이하 본 발명의 구체적인 내용을 하기에 상세히 설명한다.
본 발명은 건축물의 철골 구조물을 형성하는 H-빔이나 철판에 도포하여 형성된 불연성 도막이 연소되는 경우에 팽창흑연이 비산하지 않고 팽창된 상태로 기재 표면에 고착됨으로써 불연 및 단열 효과가 우수하고, 1,000℃ 이상의 고온에서 3시간 동안 연소 후에도 팽창흑연이 비산하지 않음으로써 불연 및 단열 효과를 극대화할 수 있으며, 4.0mm 이하의 얇은 두께의 도막이 형성되더라도 우수한 불연 및 단열 효과를 나타내고, 분사 노즐을 사용하여 도포하는 경우 도포된 표면이 균일하게 형성되도록 작업성이 우수한 내화 도료 조성물을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 실란 화합물이 물과 반응하여 수 시간 내에 겔화되기 때문에, 바인더 수지 수용액, 물, 팽창흑연, 내열성 충진재, 곡물가루, 및 설탕이 혼합된 혼합물(I), 및 미량의 산이 첨가된 실란 화합물(II)로 구성되는 조성물 키트(kit)를 제공한다.
본 발명은 건축물이나 선박 등의 철골 구조물을 구성하는 H-빔(H-beam), 철판 등에 도포하여 건축물이나 선박 등을 화재로부터 보호하기 위한 불연성 내화 도료 조성물로서, 바인더 수지, 물, 실란 화합물, 팽창흑연, 내열성 충진재(무기질 단열재), 곡물가루, 및 설탕을 포함하는 것을 특징으로 한다.
내화 도료 조성물은 화재시 건축물의 철골 구조물이 약화되어 붕괴되는 사고를 방지하여 대형사고로 인한 인명과 재산을 보호할 목적으로 철골 구조물에 도포되는 조성물이다. 따라서 내화 도료 조성물은 엄격한 시험요건을 충족해야 한다. 예를 들어, 내화 도료 조성물의 시험규정에 따르면, 철판에 도포된 도료 조성물을 950℃ 이상의 온도에서 1∼3시간 연소시켰을 때 철판 반대쪽의 온도가 538℃ 이하를 유지해야 한다. 구체적으로, 3층 높이(약 10m) 이내의 건축물에 사용되는 내화 도료 조성물은 950℃ 이상의 온도에서 1시간 연소시켰을 때 철판 반대쪽의 온도가 538℃ 이하를 유지해야 하고, 3층 이상 12층 이내의 높이(약 10m 이상 50m 이내)의 건축물에서는 950℃ 이상의 온도에서 2시간 연소시켰을 때 철판 반대쪽의 온도가 538℃ 이하를 유지해야 하며, 12층 이상의 높이(약 50m 이상) 이내의 건축물에서는 3시간 연소시켰을 때 철판 반대쪽의 온도가 538℃ 이하를 유지해야 한다. 이는 소방차가 출동하여 화재를 진화하기 위해 걸리는 예상 시간을 고려한 것으로, 내화 도료 조성물의 가장 중요한 기능은 화재시 불연성 및 단열성이라 하겠다.
화재시 철골 구조물에 도포된 내화 도료 조성물이 우수한 불연성 및 단열성을 갖기 위해서는 구조물에 도포된 도막(코팅층)이 탈리되지 않아야 하고, 화재시 연소된 도막(코팅층)이 비산되지 않아야 하며, 화재시 유독가스의 발생을 최소화하고, 도포작업시 작업성이 우수해야 한다. 본 발명의 내화 도료 조성물은 상기 요건을 모두 충족하도록 개발되었다.
바인더 수지는 결합력을 부여하기 위한 바인더 및 다른 성분들을 용해시키기 위한 용매로서의 역할을 하는 것으로, 20∼40중량%의 수지와 80∼60중량%의 물로 구성된 수지 수용액이다. 수성 수지이기 때문에 유성 수지에 비하여 연소시에 유해가스 배출을 최소화할 수 있다. 수지는 아크릴 수지, 초산비닐 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 폴리올 등이 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용될 수 있다.
바인더 수지가 물을 함유하고 있지만, 본 발명의 내화 도료 조성물은 용매로서 물을 부가적으로 포함할 수 있다. 바인더 수지 수용액 100중량부 당 물은 0∼50중량부로 부가될 수 있다. 부가되는 물의 양은 바인더 수지가 함유하고 있는 물의 양에 따라 변할 수 있다.
실란 화합물은 물과 결합하여 경화되는 경화제로서의 역할을 하는 것으로, 미량의 산이 첨가된 실란 화합물을 사용한다. 실란 화합물은 물과 결합하여 실록산을 형성하는데, 이 실록산이 경화되어 방수성을 갖게 된다. 100중량부의 실란 화합물에 1.0∼3.0중량부의 산이 첨가된다. 산은 초산, 염산 또는 황산이 바람직하다. 미량의 산이 첨가된 실란 화합물은 1년 이상 경과 후에도 변하거나 겔(gel)화가 일어나지 않기 때문에 저장안정성이 좋다. 실란 화합물은 도포된 도막에서 겔화제와 접착제 역할을 하는 것으로, 1,000℃ 이상의 고열에서도 발포된 팽창흑연과 결합하여 팽창흑연이 비산되지 않고 기재에 고착된 흑연층을 형성한다. 실란 화합물은 수지 수용액 100중량부 당 30∼100중량부로 첨가된다. 실란 화합물은 물과 결합하여 조성물을 경화시키기 위한 것으로, 30중량부 이하로 첨가되면 경화가 약해지고, 100중량부 이상으로 첨가되면 경화에 불필요한 양이 첨가되게 된다.
실란 화합물은 메틸트리메톡시실란(CH3-Si-(OCH3)3), 테트라에톡시실란(Si-(OC2H5)4), 글리시독시프로필트리메톡시실란(CH2(O)CHCH2OC3H6-Si-(OCH3)3), 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(H2C=CH(CH3)C(O)OC3H6-Si-(OCH3)3), 및 비닐트리메톡시실란(H2C=CH-Si-(OCH3)3)으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 메틸트리메톡시실란(MTMS)이 바람직하게 사용될 수 있다. MTMS는 다우 코닝사의 XIAMETER(등록상표) OFS-6070 실란으로 시판되고 있다.
팽창흑연은 150℃ 이상으로 가열하였을 때 100∼300배로 팽창하고 60∼300메쉬의 입도를 갖는 것으로 탄소성분이 95중량% 이상인 것이 바람직하게 사용된다. 팽창흑연은 화재시 팽창되어 기재에 고착된 발포흑연층을 형성한다. 팽창흑연은 2,000℃ 이상의 온도에서도 연소되지 않기 때문에 불연 및 단열 효과가 탁월하다. 시판되는 제품을 구입하여 이용할 수 있다. 팽창흑연은 수지 수용액 100중량부 당 10∼50중량부로 첨가된다. 팽창흑연은 연소되어 발포층을 형성시키기 위한 것으로, 10중량부 이하로 첨가되면 발포층이 충분히 형성되지 않고, 50중량부 이상으로 첨가되면 불필요한 양이 사용되게 된다.
내열성 충진재(무기질 단열재)는 탄소섬유, 유리섬유, 세라믹섬유, 미네랄섬유, 실리카섬유, 케블라, 아라미드섬유 등의 무기질 섬유, 및 퍼라이트, 규조토, 흑연, 팽창된 흑연, 그래핀, 이산화티탄(TiO2), 탈크, 탄산칼슘, 석고 등의 무기물로부터 선택되는 1종 이상의 내열성 섬유 또는 무기물로서, 섬유장(纖維長)이나 입자의 크기가 0.01∼5.0mm인 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 세라믹섬유나 미네랄섬유와 같은 내열성 섬유는 섬유장이 5.0mm 이하의 단섬유(fibers)가 적층된 시이트(sheet) 상으로 제조되는 것으로, 그 시이트를 분쇄하여 사용할 수 있다. 탄소섬유와 같이 장섬유로 제조되는 경우에는 섬유장이 5.0mm 이하가 되도록 절단하여 사용한다. 내열성 충진재는 불연 및 단열 기능을 부여하고, 조성물의 점도를 조절하며, 바인더 수지 등에 의하여 발포흑연과 결합하여 장시간 연소 후에도 발포층 두께가 얇아지지 않도록 하는 역할을 한다.
내열성 충진재는 수지 수용액 100중량부 당 10∼70중량부로 첨가된다. 내열성 충진재는 팽창흑연과 함께 불연성을 부여하기 위한 것으로, 첨가되는 팽창흑연의 양을 고려하여 10∼70중량부 범위에서 선택할 수 있다.
곡물가루는 글루텐을 함유하는 곡물가루가 바람직하며, 밀가루, 보리, 호밀, 귀리, 옥수수, 쌀 등의 1종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 곡물가루는 내열성 충진재가 균일하게 분포되도록 하여 분사 작업을 원활하게 해주는 역할을 한다. 곡물가루가 함유되지 않은 내화 도료 조성물은 내열성 충진재가 균일하게 분포되지 않아 분사 노즐을 통해 분사될 때 도포된 도막이 매끄럽지 못하게 형성된다. 곡물가루는 수지 수용액 100중량부 당 10∼80중량부로 첨가된다. 곡물가루는 내열성 충진재가 균일하게 분포되도록 하여 분사 작업을 원활하게 하기 위한 것으로, 10중량부 이하로 첨가되면 내열성 충진재가 균일하게 분포되지 않으며, 80중량부 이상으로 첨가되면 불필요한 양이 사용되게 된다. 곡물가루에 함유된 글루텐이 물과 반응하여 결합력이 증가되며, 내화 도료의 발포층 균열을 방지하고, 설탕과 결합하여 탄화되며, 발포층의 강도를 높여 탈리를 방지한다.
설탕은 물에 용해되어 실란 화합물, 팽창흑연, 및 곡물가루 입자를 결합시키는 결합제, 및 도료 조성물을 기재에 접착시키는 접착제로서의 역할을 한다. 설탕은 액상 과당, 포도당 등을 포함할 수 있다. 대표적인 액상 과당으로는 고과당 옥수수 시럽(HFCS: High Fructose Corn Syrup)이 있으며, 이는 한 예로 설탕 76중량%와 물 24중량%로 이루어진다. 설탕은 수지 수용액 100중량부 당 25∼100중량부로 첨가된다. 설탕은 물에 용해되어 실란 화합물, 팽창흑연, 및 곡물가루 입자를 결합시키는 결합제, 및 도료 조성물을 기재에 접착시키는 접착제로서의 역할을 하기 위한 것으로, 25중량부 이하로 첨가되면 충분한 결합력을 부여하지 못하고, 100중량부 이상으로 첨가되면 불필요한 양이 사용되게 된다.
본 발명의 불연성 내화 도료 조성물은 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 실란 화합물 30~100중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함한다. 상기 조성물은 페이스트(paste) 상태로서 분사노즐을 통하여 분사하거나 브러쉬 또는 롤러를 사용하여 기재에 도포할 수 있다.
본 발명의 내화 도료 조성물은 실란 화합물과 물과의 반응으로 인하여 수 시간 내에, 빠르게는 1∼2시간 내에 겔(gel)화 된다. 실란 화합물이 도료 조성물에서 겔화제로서의 역할을 하기 때문이다. 따라서, 겔화 되기 전에 도포작업을 해야 한다.
본 발명의 내화 도료 조성물은 실란 화합물이 물과 반응하여 경화됨으로써 수 시간 내에 겔화되기 때문에 조성물 자체로 유통할 수 없다. 따라서, 본 발명의 도료 조성물을 조제하기 위해서는 조성물 키트(kit)로 제공되어야 한다. 본 발명의 코팅 조성물을 제조하기 위한 조성물 키트는 바인더 수지 수용액, 물, 팽창흑연, 내열성 충진재, 곡물가루, 및 설탕이 혼합된 혼합물(I), 및 미량의 산이 첨가된 실란 화합물(II)로 구성된다. 팽창흑연 및 내열성 충진재는 실란 화합물(II)에 포함될 수도 있다. 하지만, 실란 화합물(II)은 수지 수용액 또는 물로부터 반드시 분리되어야 한다.
혼합물(I)은 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80 중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함한다. 실란 화합물(II)은 실란 화합물 100중량부에 산 1.0∼3.0중량부가 혼합된 혼합물이다.
본 발명의 내화 도료 조성물은 혼합물(I)과 실란 화합물(II)을 혼합하여 제조한다. 제조된 도료 조성물은 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 실란 화합물 30~100중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80 중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함하도록 혼합물(I)과 실란 화합물(II)을 혼합한다. 혼합물(I)과 실란 화합물(II)은 작업 현장에서 30분∼1시간 동안 교반하여 본 발명의 내화 도료 조성물을 제조한다.
본 발명의 내화 도료 조성물에는 일반 도료 조성물(페인트)에 첨가되는 분산제, 레벨링제(leveling agent) 등이 첨가될 수 있다. 분산제는 조성물 내의 각 성분들의 분산을 좋게 하는 촉매 역할을 하고, 레벨링제는 도포 후의 표면을 평활하게 하여 매끄러운 표면을 나타내준다. 이들 첨가제는 수지 용액 100중량부 기준으로, 1∼20중량부로 첨가될 수 있다.
제조된 내화 도료 조성물은 분사 노즐을 이용하여 분사시켜 철골 구조물의 H-빔이나 철판에 도막을 형성한다. 1차 도포한 후, 도막이 건조되면 다시 2차 도포하여 최종 2∼4mm 두께의 도막을 형성한다. 1∼3회 도포하여 2∼4mm 두께의 도막을 형성할 수도 있다.
본 발명의 내화 도료 조성물은 철골 구조물의 H-빔이나 철판 외에도, 불연성이나 단열성을 요하는 각종 건축자재 또는 건축물의 내외 벽면에 도포하여 사용할 수 있다. 도막이 도포되는 기재로는 철재, 목재, 합판, 종이, 알미늄 시트(알미늄 호일), 직물 시트, 부직포 시트, 스티로폼, 우레탄폼, PE 발포폼, 세라믹 울 판재, 미네랄 울 판재, 글라스 울 판재 등과 같은 각종 건축자재가 적용가능하다.
기재에 1∼3회 도포하여 2∼4mm 두께의 도막을 형성할 수 있기 때문에, 도막의 자체 하중에 의한 탈리 현상을 방지할 수 있고, 도막이 얇게 형성되더라도 불연성 및 단열성이 우수한 내화 도료 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 내화 도료 조성물은 배관이 관통하는 벽면이나 바닥면의 공간(틈새)에 충전하여 화염이나 유독가스를 차단할 수 있는 내화 충전재로도 사용할 수 있다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 보다 구체화될 것이며, 하시 실시예는 본 발명의 예시 목적으로 제시될 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하거나 제한하는 것은 아니다.
실시예 1-8 및 비교실시예 1-6: 내화 도료 조성물의 조성 및 시험 결과
표 1에 나타난 조성에 따라 실시예 1-8 및 비교실시예 1-6의 내화 도료 조성물을 제조하였다. 사용된 각 성분은 아래와 같다.
바인더 수지 수용액으로는 고형분이 33중량%인 초산비닐 수지 수용액을 사용하였다. 필요한 경우 용매로 물을 부가하였다.
곡물가루는 밀가루와 호밀가루를 7:3으로(중량부) 혼합한 것을 사용하였다.
설탕은 시중에서 구입한 백설탕을 사용하였다
팽창흑연은 150℃ 이상으로 가열하였을 때 약 200배로 팽창하는 80메쉬의 입도를 갖는 탄소성분이 95중량% 이상인 것을 사용하였다.
내열성 충진재는 세라믹 울 단섬유로 제조된 시판되는 세라믹 울 시이트(sheet)를 사용하였다.
실란 화합물로는 다우 코닝사의 XIAMETER(등록상표) OFS-6070 실란인 메틸트리메톡시실란(CH3-Si-(OCH3)3)을 사용하였다. 실란 화합물 100중량부에는 1.0중량부의 초산이 첨가되었다.
상기 내화 도료 조성물에는 일반 도료(페인트) 조성물에 첨가되는 첨가제로 분산제와 레벨링제를 미량 첨가하였다. 분산제로는 폴리아크릴산나트륨을 사용하였고, 레벨링제로는 폴리옥시에틸렌 옥틸 페닐 에테르를 사용하였다.
상기 성분들을 교반기에서 혼합하여 각각의 내화 도료 조성물을 제조하였다.
Figure pat00001
코팅 작업 및 도막 두께 측정 : 직경이 1.0mm 이하인 분사 노즐을 사용하여 1.0mm 두께의 철판에 1차 도포하고 충분히 건조된 후 2차 도포하였다. 충분히 건조된 후 3차 도포하였다. 실시예 1-6 및 비교실시예 3-6에서는 3회 도포하였고, 실시예 7-8 및 비교실시예 1-2에서는 2회 도포하였다. 형성된 도막의 두께를 측정하여 표 1에 나타내었다. 곡물가루가 함유된 실시예 1-6은 작업성이 ‘양호’하였고, 실시예 7-8도 ‘중간’ 정도의 작업성으로 작업에 문제가 발생하지 않았다. 곡물가루가 함유된 비교실시예 2, 4 및 6은 작업성이 ‘양호’ 또는 ‘중간’이었으나, 곡물가루가 함유되지 않은 비교실시예 1, 3 및 5는 작업성이 ‘불량’하여 도포면이 균일하지 못하였다.
연소시험 : 실시예 1-8 및 비교실시예 1-6의 도료 조성물을 도포한 도막을 향하여 1,000∼1,100℃의 토오치(torch)로 3시간 연소시켰다. 3시간 가열 후, 기재(철판)의 비가열면 온도를 측정하여 표 1에 나타내었다. 실시예 1-8은 모두 내화 도료 조성물의 시험요건인 538℃ 이하로 측정되었다. 비교실시예 1-6은 모두 538℃를 초과한 650℃ 이상으로 측정되었다.
비산 : 3시간 연소 중에, 실시예 1-6에서는 연소발포된 도막이 비산되지 않았고, 실시예 7-8에서는 약간의 비산이 발생하였으나 단열효과에 영향을 미치지는 않았다. 비교실시예 2-6에서는 연소발포된 도막이 대부분 비산하였고, 비교실시예 1에서는 약간의 비산이 발생하였다.
탈리 : 3시간 연소 중에, 실시예 1-7에서는 연소발포된 도막이 탈리되지 않았고, 실시예 8에서는 부분적으로 탈리되었으나 단열효과에 영향을 미치지는 않았다. 비교실시예 1-6에서는 도막이 대부분 탈리되었다.
발포층 강도 : 3시간 연소 후에, 실시예 1-8에서는 연소된 발포층이 기재에 부착되어 단열효과를 지속할 수 있었고, 연소된 재와 같이 약한 강도를 갖지 않고, 형태성을 유지할 정도의 충분한 강도를 나타냈다. 비교실시예 1-6에서는 발포층이 탈리되어 강도 측정이 불가하였다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (10)

  1. 바인더 수지 수용액, 물, 실란 화합물, 팽창흑연, 내열성 충진재(무기질 단열재), 곡물가루, 및 설탕을 포함하는 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 실란 화합물 30~100중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80 중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 바인더 수지 수용액은 20∼40중량%의 수지와 80∼60중량%의 물로 구성된 수성 수지 용액으로, 상기 수지는 아크릴 수지, 초산비닐 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 폴리올 단독 또는 2종 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 실란 화합물은 100중량부의 실란 화합물에 0.1∼3.0중량부의 초산, 염산 또는 황산이 첨가된 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 실란 화합물은 메틸트리메톡시실란(CH3-Si-(OCH3)3), 테트라에톡시실란(Si-(OC2H5)4), 글리시독시프로필트리메톡시실란(CH2(O)CHCH2OC3H6-Si-(OCH3)3), 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(H2C=CH(CH3)C(O)OC3H6-Si-(OCH3)3), 및 비닐트리메톡시실란(H2C=CH-Si-(OCH3)3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 팽창흑연은 150℃ 이상으로 가열하였을 때 100∼300배로 팽창하고 60∼300메쉬의 입도를 갖는 것으로 탄소성분이 95중량% 이상인 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 내열성 충진재는 탄소섬유, 유리섬유, 세라믹섬유, 미네랄섬유, 실리카섬유, 케블라, 및 아라미드섬유의 무기질 섬유, 및 퍼라이트, 규조토, 흑연, 팽창된 흑연, 그래핀, 이산화티탄(TiO2), 탈크, 탄산칼슘, 및 석고의 무기물로부터 선택되는 1종 이상의 내열성 섬유 또는 무기물로서, 섬유장(纖維長)이나 입자의 크기가 0.01∼5.0mm인 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 곡물가루는 글루텐을 함유하는 곡물가루로서, 밀가루, 보리, 호밀, 귀리, 옥수수, 및 쌀로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물.
  9. 바인더 수지 수용액, 물, 팽창흑연, 내열성 충진재, 곡물가루, 및 설탕이 혼합된 혼합물(I); 및
    미량의 산이 첨가된 실란 화합물(II);
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제9항의 어느 한 항에 따른 불연성 내화 도료 조성물을 제조하기 위한 조성물 키트(kit).
  10. 제9항에 있어서, 상기 혼합물(I)은 바인더 수지 수용액 100중량부 당, 물 0∼50중량부, 팽창흑연 10∼50중량부, 내열성 충진재 10∼70중량부, 곡물가루 10∼80중량부, 및 설탕 25~100중량부를 포함하고, 상기 실란 화합물(II)은 실란 화합물 100중량부에 산 1.0∼3.0중량부가 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는 불연성 내화 도료 조성물을 제조하기 위한 조성물 키트(kit).
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