KR101698178B1 - 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법 및 이에 의해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법 및 이에 의해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱에 관한 것이다.
본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법은 제1 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제1 난연 수지층을 형성하는 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100); 상기 제1 난연 수지층 상에 제2 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제2 난연 수지층을 형성하는 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200); 상기 제2 난연 수지층 상에 제3 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화하는 과정을 일정한 두께까지 반복하여 수행하는 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300); 상기 제1 난연 수지, 제2 난연 수지 및 제3 난연 수지로 형성된 층을 열건조하여 후경화 처리한 후 금형으로부터 탈형하는 건조 및 탈형 단계(S400); 및 상기 탈형 후 표면에 코팅액을 도포함으로써 마무리칠을 하는 탑 코팅 단계(S500)를 포함한다.
상기한 구성에 의해 본 발명은 팽창흑연이 함유되어 난연성이 우수할 뿐만 아니라 가벼운 중량과 단면적 대비 기계적 강도가 우수하여 덕트(duct)에 적용될 경우 변형이나 균열이 발생하지 않아 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법은 제1 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제1 난연 수지층을 형성하는 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100); 상기 제1 난연 수지층 상에 제2 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제2 난연 수지층을 형성하는 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200); 상기 제2 난연 수지층 상에 제3 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화하는 과정을 일정한 두께까지 반복하여 수행하는 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300); 상기 제1 난연 수지, 제2 난연 수지 및 제3 난연 수지로 형성된 층을 열건조하여 후경화 처리한 후 금형으로부터 탈형하는 건조 및 탈형 단계(S400); 및 상기 탈형 후 표면에 코팅액을 도포함으로써 마무리칠을 하는 탑 코팅 단계(S500)를 포함한다.
상기한 구성에 의해 본 발명은 팽창흑연이 함유되어 난연성이 우수할 뿐만 아니라 가벼운 중량과 단면적 대비 기계적 강도가 우수하여 덕트(duct)에 적용될 경우 변형이나 균열이 발생하지 않아 내구성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법 및 이에 의해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팽창흑연이 함유되어 난연성이 우수할 뿐만 아니라 가벼운 중량과 단면적 대비 기계적 강도가 우수하여 덕트(duct)에 적용될 경우 변형이나 균열이 발생하지 않아 내구성을 향상시킬 수 있는 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법 및 이에 의해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱에 관한 것이다.
일반적으로 섬유강화 플라스틱은 플라스틱을 매트릭스로 하여 유리 섬유, 탄소 섬유, 알라미드 섬유 등으로 강화하여 기계적 강도와 내열성을 좋게 한 플라스틱으로, 보강재로는 유리섬유, 탄소섬유 및 케블라 등이 사용되고, 매트릭스에는 불포화 폴리에스테르와 에폭시 수지 등의 열경화성 수지 혹은 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌 등의 열가소성 수지가 사용되며, 건축자재, 요트나 소형선박의 선체, 욕조 등에 사용된다.
이러한 섬유강화 플라스틱은 상온, 상압에서 제조가 가능한데, 특히 금형을 필요로 하지 않고 난연성이며 내식성이 좋은 장점을 가지고 있다.
일반적으로 난연성 섬유강화 플라스틱을 제조하는 방법에서 사용되는 수지는 메틸올기를 포함하는 열경화성 수지의 형태로 시판되고 있는데, 이러한 메틸올기를 포함하는 열경화성 수지는 페놀 수지나 멜라민 수지를 포름알데히드에 1:2 내지 1:6 정도까지 반응시켜 제조된다.
시판되는 메틸올기를 포함하는 열경화성 수지는 120 내지 180에서 15 kgf/cm2의 압력 이상으로 가압함으로써 성형이 가능하며, 현재 주요 용도는 유리섬유, 펄프, 셀룰로오스 등을 필러로 하여 그릇이나 화장판 또는 PCB 기판 등의 성형에 사용되고 있다.
이러한 수지를 난연화 하기 위해 일반적으로 사용되는 난연재는 크게 할로겐이나 인 또는 아민류를 포함하는 유기계 난연재와 무기질을 주성분으로 하는 무기계 난연재로 나뉜다.
한국 실용등록 제20-0183182호에는 열경화성수지류의 난연화를 위해 무기계 암모늄포스페이트가 사용되고 있으며, 한국특허등록 제10-07566346호에는 실리카 또는 알루미나가 난연제로 사용되고 있으며, 이 외에도 구아니딘, 탄산수소나트륨 등을 난연제로 사용하는 기술이 공개되어 있으나, 상기의 선행기술들을 통해 제조된 난연성 수지들은 내연성시험(KS M 3015 : 2003-A법)에서 난연성 판정이나 20mm 수직연소시험(UL 94 : 1996)에서 V-0 수준이나 건축물에서 사용하기 위한 '건축물 내부마감재료의 난연성능기준'(국토해양부고시 제2009-866호)에서 불연재료로 적합한 물성을 나타내지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 팽창흑연이 함유되어 난연성이 우수할 뿐만 아니라 가벼운 중량과 단면적 대비 기계적 강도가 우수하여 덕트(duct)에 적용될 경우 변형이나 균열이 발생하지 않아 내구성을 향상시킬 수 있는 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법 및 이에 의해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 화재의 확산 및 유독가스의 발생을 억제함과 동시에 열전도를 차단하여 안전하게 시공할 수 있고 난연성 및 단열성이 우수하며 자기소화성을 가지는 팽창흑연을 이용하여 환경 배기 덕트(duct)에 적용 가능한 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법 및 이에 의해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법은 제1 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제1 난연 수지층을 형성하는 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100); 상기 제1 난연 수지층 상에 제2 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제2 난연 수지층을 형성하는 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200); 상기 제2 난연 수지층 상에 제3 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화하는 과정을 일정한 두께까지 반복하여 수행하는 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300); 상기 제1 난연 수지, 제2 난연 수지 및 제3 난연 수지로 형성된 층을 열건조하여 후경화 처리한 후 금형으로부터 탈형하는 건조 및 탈형 단계(S400); 및 상기 탈형 후 표면에 코팅액을 도포함으로써 마무리칠을 하는 탑 코팅 단계(S500)를 포함한다.
상기 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100)는 (1) 에폭시 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고, 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 에폭시 수용액을 제조하는 에폭시수용액제조단계, (2) 상기 에폭시수용액제조단계를 통해 제조된 에폭시 수지 수용액에 무기섬유를 함침하는 무기섬유함침단계 및 (3) 상기 무기섬유함침단계를 통해 에폭시 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 건조하는 경화단계를 포함하여 이루어지고, 상기 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200)는 (1) 우레아 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고, 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 우레아 수용액을 제조하는 우레아수용액제조단계, (2) 상기 우레아수용액제조단계를 통해 제조된 우레아 수지 수용액에 무기섬유를 함침하는 무기섬유함침단계 및 (3) 상기 무기섬유함침단계를 통해 우레아 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 건조하는 경화단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)에서 제3 난연 수지는 제1 난연 수지와 동일하게 에폭시 수지, 난연제 및 팽창흑연을 포함하여 제조되되, 상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)에서 제3 난연 수지를 적층한 후에는 적층되는 제3 난연 수지로 형성된 층 사이에 촙 스트랜드 매트(CHOPPED STRAND MAT)-450g/sq.m를 2회 적층하여 촙 스트랜드 매트층을 형성하는 과정과, 로빙클로스(ROVING CLOTH)-570g/sq.m를 적층하여 로빙클로스층을 형성하는 과정을 교대로 수행할 수 있다.
상기 에폭시수용액제조단계는 에폭시 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 에폭시 수지 수용액을 제조하여 제조되되, 상기 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 난연제 5 내지 30 중량부 및 팽창흑연 5 내지 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 용제 0.3 내지 3 중량부를 투입하여 분산시킨 후에, 분산된 혼합물 100 중량부 대비 정제수 50 내지 60 중량부를 혼합하고 희석하여 제조될 수 있다.
상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지가 사용되되, 상기 비스페놀 A형 에폭시 수지는 에폭시 당량이 186 내지 190인 비스페놀 A형 에폭시 수지와 에폭시 당량이 600 내지 700인 비스페놀 A형 에폭시 수지의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 제조방법으로 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱을 포함한다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법 및 이에 의해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱은 팽창흑연이 함유되어 난연성이 우수할 뿐만 아니라 가벼운 중량과 단면적 대비 기계적 강도가 우수하여 덕트(duct)에 적용될 경우 변형이나 균열이 발생하지 않아 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법 및 이에 의해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱은 화재의 확산 및 유독가스의 발생을 억제함과 동시에 열전도를 차단하여 안전하게 시공할 수 있고 난연성 및 단열성이 우수하며 자기소화성을 가지는 팽창흑연을 이용하여 환경 배기 덕트(duct)에 적용 가능하다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예는, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 실시예 1, 2 및 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱을 준비한 것을 보여주는 사진이다.
도 3a 및 도 3b는 화염테스트를 수행하는 방법을 보여주는 사진이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 보여주는 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 1에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 확대한 사진이다.
도 6은 실시예 2에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 확대한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱 시편의 인장강도 및 인장탄성률을 보여주는 시험결과이다.
도 2는 실시예 1, 2 및 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱을 준비한 것을 보여주는 사진이다.
도 3a 및 도 3b는 화염테스트를 수행하는 방법을 보여주는 사진이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 보여주는 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 1에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 확대한 사진이다.
도 6은 실시예 2에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 확대한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱 시편의 인장강도 및 인장탄성률을 보여주는 시험결과이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 팽창흑연이 함유되어 난연성이 우수할 뿐만 아니라 가벼운 중량과 단면적 대비 기계적 강도가 우수하여 덕트(duct)에 적용될 경우 변형이나 균열이 발생하지 않아 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법은 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100), 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200), 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300), 건조 및 탈형 단계(S400) 및 탑 코팅 단계(S500)를 포함한다.
1. 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100)
상기 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100)는 난연성 섬유강화 플라스틱을 제조하기 위해 제1 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제1 난연 수지층을 형성하는 단계이다.
상기 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100)에서는 제1 난연 수지가 적층되어 경화됨으로써 제1 난연 수지층이 형성되는데, 상기 제1 난연 수지는 에폭시 수지, 난연제 및 팽창흑연을 포함하여 제조될 수 있다.
즉, 본 발명에서 상기 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100)는 (1) 에폭시 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고, 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 에폭시 수용액을 제조하는 에폭시수용액제조단계, (2) 상기 에폭시수용액제조단계를 통해 제조된 에폭시 수지 수용액에 무기섬유를 함침하는 무기섬유함침단계 및 (3) 상기 무기섬유함침단계를 통해 에폭시 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 건조하는 경화단계를 포함하여 이루어진다.
상기 에폭시수용액제조단계는 에폭시 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 에폭시 수지 수용액을 제조하여 제조될 수 있는데, 상기 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 난연제 5 내지 30 중량부 및 팽창흑연 5 내지 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 용제 0.3 내지 3 중량부를 투입하여 분산시킨 후에, 분산된 혼합물 100 중량부 대비 정제수 50 내지 60 중량부를 혼합하고 희석하여 제조될 수 있다.
상기 에폭시 수지는 화재시 경화되어 우수한 난연성능을 나타내는 역할을 하며, 내식성이고 경량으로 비강도가 높으며 내열성 및 단열성이 우수한 성질을 가지는 수지로, 열전도가 낮기 때문에 보온 보냉에 우수하며 액체에서는 130℃, 기계에서는 150℃까지의 높은 온도에서도 사용 가능한 특성을 가지고 있다. 또한, 인장, 신창율이 높고 내충격성이 우수하고 금속 이온의 용출이 없으며 우수한 내약품성 및 기계적인 강도가 우수하다.
예를 들어, 본 발명에서 상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지가 사용될 수 있는데, 상기 비스페놀 A형 에폭시 수지는 우수한 내약품성, 접착성 및 강인성을 제공할 수 있다. 바람직하게는 상기 비스페놀 A형 에폭시 수지는 에폭시 당량이 186 내지 190인 비스페놀 A형 에폭시 수지와 에폭시 당량이 600 내지 700인 비스페놀 A형 에폭시 수지의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 난연제는 상기 에폭시 수지에 난연성을 향상시키기 위하여 사용되는데, 상기 난연제는 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부가 사용될 수 있다. 본 발명에서 상기 난연제의 함량이 3 중량부 미만이면 난연성 향상 효과가 미미하며, 난연제의 함량이 30 중량부를 초과하는 경우에는 에폭시 수지의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
본 발명에서 상기 난연제는 석고, 황토, 탄산칼슘, 수산화알루미늄, 수산화 마그네슘, 소성알루미나 및 붕산아연으로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상이 사용될 수 있다.
상기 팽창흑연은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 40 중량부가 함유되는데, 상기의 팽창흑연이 함유되면 화재발생시 온도가 180℃ 이상으로 상승하는 과정에서 팽창흑연이 30 내지 50배로 팽창하며 숯(Char)을 형성하기 때문에 불연성과 함께 단열성능을 부여하는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 팽창흑연의 함량이 5 중량부 미만이면 상기의 효과가 미미하며, 상기 팽창흑연의 함량이 40 중량부를 초과하게 되면 제조되는 섬유강화 플라스틱의 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이때, 상기 용제는 메탄올 또는 포름알데히드로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 무기섬유함침단계는 상기 에폭시수용액제조단계를 통해 제조된 에폭시 수지 수용액에 무기섬유를 함침하는 단계로, 상기 에폭시수용액제조단계를 통해 제조된 에폭시 수지 수용액에 유리섬유 또는 탄소섬유로 이루어진 무기섬유를 5 내지 10분 동안 함침하여 무기섬유의 표면에 에폭시 수지 수용액을 도포할 수 있다.
상기 경화단계는 상기 무기섬유함침단계를 통해 에폭시 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 건조하여 경화시키는 단계로, 상기 무기섬유함침단계를 통해 에폭시 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 90 내지 100℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 건조함으로써 진행될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 경화단계를 거침으로써 상기 무기섬유함침단계를 통해 무기섬유의 표면에 도포된 에폭시 수지 수용액에 함유되어 있는 수분을 제거할 수 있다.
또한, 상기 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100)에서 형성된 제1 난연 수지층 상에는 카본 써페이스 매트층이 형성될 수 있는데, 상기 카본 써페이스 매트층은 카본 써페이스 매트(CARBON SURFACE MAT)-30g/sq.m를 2회 적층하여 형성된 것으로, 상기 카본 써페이스 매트(CARBON SURFACE MAT)의 구성은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 공지된 기술인 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
2. 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200)
상기 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200)는 상기 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100)에서 제조된 제1 난연 수지층 상에 제2 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제2 난연 수지층을 형성하는 단계이다.
상기 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200)에서는 제2 난연 수지가 적층되어 경화됨으로써 제2 난연 수지층이 형성되는데, 상기 제2 난연 수지는 우레아 수지, 난연제 및 팽창흑연을 포함하여 제조될 수 있다.
즉, 본 발명에서 상기 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200)는 (1) 우레아 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고, 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 우레아 수용액을 제조하는 우레아수용액제조단계, (2) 상기 우레아수용액제조단계를 통해 제조된 우레아 수지 수용액에 무기섬유를 함침하는 무기섬유함침단계 및 (3) 상기 무기섬유함침단계를 통해 우레아 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 건조하는 경화단계를 포함하여 이루어진다.
상기 우레아수용액제조단계는 우레아 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 우레아 수지 수용액을 제조하여 제조될 수 있는데, 상기 우레아 수지 100 중량부에 대하여 난연제 5 내지 30 중량부 및 팽창흑연 5 내지 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 용제 0.3 내지 3 중량부를 투입하여 분산시킨 후에, 분산된 혼합물 100 중량부 대비 정제수 50 내지 60 중량부를 혼합하고 희석하여 제조될 수 있다.
상기 우레아 수지는 내수성, 내화학성, 내염수성과 같은 화학적 특성과 내마모성 및 내충격성과 같은 기계적 물성이 우수한 특성을 갖는 수지로, 수용성으로 인체에 무해한 환경친화적 특성을 갖는 수용성 폴리우레아 수지이다.
예를 들어, 상기 우레아 수지는 폴리에테르디아민 30 내지 40 중량부, 지방족 이소시아네이트 5 내지 10 중량부, DMPA(dimethylol propanionic acid) 2 내지 3 중량부, TEA(triethylamine) 1 내지 2 중량부 및 물 55 내지 65 중량부의 중량비율로 혼합되어 제조될 수 있다.
상기 폴리에테르디아민(polyether diamine)은 기본적인 수지 물성에 영향을 미치는 원료로서, 중량 평균 분자량이 1,000 내지 5,000인 것이 바람직하다.
상기 지방족 이소시아네이트(aliphatic isocyanate)는 isocyanate)는 1,6-헥산 디이소시아네이트(HDI), 이소포론 디이소시아네이트(IPDI) 및 메틸렌 비스(p-시클로헥실 이소시아네이트)(H12MDI)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.
상기 DMPA(dimethylol propaionic acid)는 이온성 작용기(ionic center) 부여제로서, DMPA의 함량이 2 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 수지의 이온화성이 저하되며, 3 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 이온화성의 최적 비율이 떨어져 저장 안정성에 문제가 발생할 수 있다.
상기 TEA(triethylamine)는 수용화에 필요한 중화(neutralization)를 위하여 DMPA의 양에 비례하여 적절하게 사용하며, TEA의 첨가량이 1 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 수용화에 따른 분산성능이 저하되어 분자 구조내 입자 분산성능의 저하를 가져오고, TEA의 첨가량이 2 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 수용화 후 미반응분이 수지 내에 분산, 잔존해 남아있어 아민의 격한 냄새가 발생하고, 저장 안정성에도 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서 상기 난연제는 석고, 황토, 탄산칼슘, 수산화알루미늄, 수산화 마그네슘, 소성알루미나 및 붕산아연으로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상이 사용될 수 있다.
상기 팽창흑연은 우레아 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 40 중량부가 함유되는데, 상기의 팽창흑연이 함유되면 화재발생시 온도가 180℃ 이상으로 상승하는 과정에서 팽창흑연이 30 내지 50배로 팽창하며 숯(Char)을 형성하기 때문에 불연성과 함께 단열성능을 부여하는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 팽창흑연의 함량이 5 중량부 미만이면 상기의 효과가 미미하며, 상기 팽창흑연의 함량이 40 중량부를 초과하게 되면 제조되는 섬유강화 플라스틱의 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이때, 상기 용제는 메탄올 또는 포름알데히드로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 무기섬유함침단계는 상기 우레아수용액제조단계를 통해 제조된 우레아 수지 수용액에 무기섬유를 함침하는 단계로, 상기 우레아수용액제조단계를 통해 제조된 우레아 수지 수용액에 유리섬유 또는 탄소섬유로 이루어진 무기섬유를 5 내지 10분 동안 함침하여 무기섬유의 표면에 우레아 수지 수용액을 도포할 수 있다.
상기 경화단계는 상기 무기섬유함침단계를 통해 우레아 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 건조하여 경화시키는 단계로, 상기 무기섬유함침단계를 통해 우레아 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 90 내지 100℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 건조함으로써 진행될 수 있다.
또한, 상기 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200)에서 형성된 제2난연 수지층 상에는 촙 스트랜드 매트층이 형성될 수 있는데, 상기 촙 스트랜드 매트층은 촙 스트랜드 매트(CHOPPED STRAND MAT)-380g/sq.m를 2회 적층하여 형성된 것으로, 상기 촙 스트랜드 매트는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 및 나일론섬유 중에서 선택된 어느 하나 이상의 섬유로 구성될 수 있고, 상기 촙 스트랜드 매트(CHOPPED STRAND MAT)의 구성은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 공지된 기술인 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
3. 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)
상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)는 제2 난연 수지층 상에 제3 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화하는 과정을 일정한 두께까지 반복하여 수행하는 단계이다.
상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)는 제3 난연 수지를 이용하여 상기 제2 난연 수지층 상에 적층 및 경화하는데, 본 발명에서 상기 제3 난연 수지는 상술한 제1 난연 수지와 동일한 성분으로 제조될 수 있다.
즉, 상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)에서 제3 난연 수지는 제1 난연 수지와 동일하게 에폭시 수지, 난연제 및 팽창흑연을 포함하여 제조되는데, 상기 제3 난연 수지의 제조방법은 상술한 제1 난연 수지의 제조방법과 동일하다.
또한, 본 발명에서는 상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)를 작업자가 원하는 일정한 두께가 될 때까지 진행할 수 있는데, 예를 들어, 상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)는 3 내지 6회 반복하여 진행될 수 있다.
또한, 상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)에서 제3 난연 수지를 적층한 후에는 적층되는 제3 난연 수지로 형성된 층 사이에 촙 스트랜드 매트(CHOPPED STRAND MAT)-450g/sq.m를 2회 적층하여 촙 스트랜드 매트층을 형성하는 과정과, 로빙클로스(ROVING CLOTH)-570g/sq.m를 적층하여 로빙클로스층을 형성하는 과정을 교대로 수행할 수 있다.
4. 건조 및 탈형 단계(S400)
상기 건조 및 탈형 단계(S400)는 상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)를 거쳐 제조된 제1 난연 수지, 제2 난연 수지 및 제3 난연 수지로 형성된 층을 열건조하여 후경화 처리한 후 금형으로부터 탈형하는 단계이다.
본 발명에서 상기 건조 및 탈형 단계(S400)는 60 내지 120℃의 온도로 열건조하여 상기 제1 난연 수지, 제2 난연 수지 및 제3 난연 수지로 형성된 층에 잔류할 수 있는 수분을 제거함으로써 후경화 처리할 수 있다.
5. 탑 코팅 단계(S500)
상기 탑 코팅 단계(S500)는 상기 탈형 후 표면에 코팅액을 도포함으로써 마무리칠을 하는 단계이다.
상기 탑 코팅 단계(S500)는 본 발명에 따라 제조되는 섬유강화 플라스틱의 물성을 강화하기 위한 것으로, 예를 들어, 방수 코팅 등 당해 기술분야에서 적용되는 다양한 코팅액이 이용될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법의 실시예를 더욱 구체적으로 설명하나, 본 발명의 기술적 사상은 하기의 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1 >
먼저, 상기 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 석고 및 황토로 이루어진 난연제 30 중량부 및 팽창흑연 20 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 용제 2 중량부를 투입하여 분산시킨 후에, 분산된 혼합물 100 중량부 대비 정제수 55 중량부를 혼합하고, 유리섬유에 함침한 후 95℃의 온도에서 30분 동안 건조하였고, 카본 써페이스 매트(CARBON SURFACE MAT)-30g/sq.m를 2회 적층하였다.
다음으로, 상기 우레아 수지 100 중량부에 대하여 석고 및 황토로 이루어진 난연제 30 중량부 및 팽창흑연 20 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 용제 2 중량부를 투입하여 분산시킨 후에, 분산된 혼합물 100 중량부 대비 정제수 55 중량부를 혼합하고, 유리섬유에 함침한 후 95℃의 온도에서 30분 동안 건조하였고, 탄소섬유로 이루어진 촙 스트랜드 매트(CHOPPED STRAND MAT)-380g/sq.m를 2회 적층하였다.
그 다음으로, 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 석고 및 황토로 이루어진 난연제 30 중량부 및 팽창흑연 20 중량부를 혼합하여 수지층을 형성한 후 경화하는 과정을 반복 실시하였는데, 상기 수지층 사이에는 촙 스트랜드 매트(CHOPPED STRAND MAT)-450g/sq.m를 2회 적층하여 촙 스트랜드 매트층을 형성하는 과정과, 로빙클로스(ROVING CLOTH)-570g/sq.m를 적층하여 로빙클로스층을 형성하는 과정을 교대로 수행하여 적층하였다.
이어서, 80℃의 온도로 열건조하여 탈형함으로써 실시예 1에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱을 제조하였다.
< 실시예 2 >
실시예 1과 동일한 성분들을 이용하여 난연성 섬유강화 플라스틱을 제조하였는데, 실시예 2에서는 팽창흑연이 35 중량부 포함되도록 하였다.
< 비교예 >
시중에 판매되고 있는 난연성 섬유강화 플라스틱을 준비하여 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱으로 사용하였는데, 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱에는 팽창흑연이 포함되어 있지 않은 것을 구입하여 사용하였다.
< 화염테스트 실험 >
실시예 1, 2에 따라 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱과 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 난연실험을 수행하였다.
도 2는 실시예 1, 2 및 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱을 준비한 것을 보여주는 사진이고, 도 3a 및 도 3b는 화염테스트를 수행하는 방법을 보여주는 사진이며, 도 4는 실시예 1, 2 및 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 보여주는 사진이고, 도 5a 및 도 5b는 실시예 1에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 확대한 사진이며, 도 6은 실시예 2에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱의 화염테스트 결과를 확대한 사진이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2와 같이 팽창흑연을 이용하여 난연성 섬유강화 플라스틱을 제조한 경우에는 화염이 관통되지 않은 것을 확인할 수 있었고, 비교예에 따른 난연성 섬유강화 플라스틱은 후면에 화염이 관통된 것을 확인할 수 있었다.
< 총 열방출률 및 발연성 측정 >
상기 실시예 1 및 2를 통해 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱의 총 열방출률 및 발연성을 측정하였고, 이에 대한 측정 기준을 하기의 [표 1]에 나타내었고, 측정 결과를 하기의 [표 2]에 나타내었다.
| 등급 | 시험 항목 | 시험조건 | 적합기준 | |
| 불연재료 (1급) |
불연성 (전기로 연소) |
최고온도와 최종평형 온도와의온도차(℃) | 750℃, 20분 연소 |
20℃ 이하 |
| 질량감소율 | 30% 이하 | |||
| 가스유해성 | 평균행동정지시간 | 마우스 | 9분 이상 | |
| 준불연재료 (2급) |
콘칼로리미터 | 총열방출량(MJ/m2) | 약 800℃, 10분 연소 |
8 MJ/m2 이하 |
| 열방출율이 20kW/m2를 초과하는 시간(초) | 10초 이하 | |||
| 심재의 전부용융, 관통하는 균열 및 구멍 등의 변화 | 육안 | 심재의 균열, 구멍 및 용융이 없을 것 | ||
| 가스유해성 | 평균행동정지시간 | 마우스 | 9분 이상 | |
| 난연재료 (3급) |
콘칼로리미터 | 총열방출량(MJ/m2) | 약 800℃, 5분 연소 |
8 MJ/m2 이하 |
| 열방출율이 20kW/m2를 초과하는 시간(초) | 10초 이하 | |||
| 심재의 전부용융, 관통하는 균열 및 구멍 등의 변화 | 육안 | 심재의 균열, 구멍 및 용융이 없을 것 | ||
| 가스유해성 | 평균행동정지시간 | 마우스 | 9분 이상 | |
| 실시예 1 | 실시예 2 | 기준 | ||
| 콘칼로리미터 | 총방출률(MJ/m2) | 4.65 | 4.21 | 8 MJ/m2 이하 |
| 열방출율이 20kW/m2를 초과하는 시간(초) | 0 | 0 | 10초 이하 | |
| 심재의 전부용융, 관통하는 균열 및 구멍 등의 변 | 없음 | 없음 | 심재의 균열, 구멍 및 용융이 없을 것 | |
| 발연 | 없음 | 없음 | - | |
| 판정 | 난연 2급 상당 | 난연 2급 상당 | ||
상기 [표 2]에 나타낸 것처럼, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱의 불연성 및 단열성이 우수하여 난연2급에 해당하는 물성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
< 강도 및 탄성률 측정 >
실시예 1에 따라 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱 시편의 인장강도 및 인장탄성률을 한국화학융합시험연구원에 의뢰하였고, 의뢰 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱 시편의 인장강도 및 인장탄성률을 보여주는 시험결과이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱 시편의 인장강도는 562MPa을 나타내고, 인장탄성률을 36.5GPa을 보이는 것을 알 수 있고, 본 발명에 따라 제조된 난연성 섬유강화 플라스틱은 인장강도 및 인장탄성률이 우수함을 알 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (6)
- 제1 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제1 난연 수지층을 형성하는 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100);
상기 제1 난연 수지층 상에 제2 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화시켜 제2 난연 수지층을 형성하는 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200);
상기 제2 난연 수지층 상에 제3 난연 수지를 제조하여 적층한 후 경화하는 과정을 일정한 두께까지 반복하여 수행하는 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300);
상기 제1 난연 수지, 제2 난연 수지 및 제3 난연 수지로 형성된 층을 열건조하여 후경화 처리한 후 금형으로부터 탈형하는 건조 및 탈형 단계(S400); 및
상기 탈형 후 표면에 코팅액을 도포함으로써 마무리칠을 하는 탑 코팅 단계(S500)를 포함하되,
상기 제1 난연 수지 적층 및 경화 단계(S100)는 (1) 에폭시 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고, 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 에폭시 수용액을 제조하는 에폭시수용액제조단계, (2) 상기 에폭시수용액제조단계를 통해 제조된 에폭시 수지 수용액에 무기섬유를 함침하는 무기섬유함침단계 및 (3) 상기 무기섬유함침단계를 통해 에폭시 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 건조하는 경화단계를 포함하여 이루어지고,
상기 에폭시수용액제조단계는 에폭시 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 에폭시 수지 수용액을 제조하여 제조되되, 상기 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 난연제 5 내지 30 중량부 및 팽창흑연 5 내지 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 용제 0.3 내지 3 중량부를 투입하여 분산시킨 후에, 분산된 혼합물 100 중량부 대비 정제수 50 내지 60 중량부를 혼합하고 희석하여 제조되며,
상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지가 사용되되, 상기 비스페놀 A형 에폭시 수지는 에폭시 당량이 186 내지 190인 비스페놀 A형 에폭시 수지와 에폭시 당량이 600 내지 700인 비스페놀 A형 에폭시 수지의 혼합물을 사용하고,
상기 제2 난연 수지 적층 및 경화 단계(S200)는 (1) 우레아 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고, 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 우레아 수용액을 제조하는 우레아수용액제조단계, (2) 상기 우레아수용액제조단계를 통해 제조된 우레아 수지 수용액에 무기섬유를 함침하는 무기섬유함침단계 및 (3) 상기 무기섬유함침단계를 통해 우레아 수지 수용액이 도포된 무기섬유를 건조하는 경화단계를 포함하여 이루어지며,
상기 우레아수용액제조단계는 우레아 수지에 난연제 및 팽창흑연을 혼합하고 용제를 투입하여 분산시킨 후에 물에 희석하여 우레아 수지 수용액을 제조하되, 상기 우레아 수지 100 중량부에 대하여 난연제 5 내지 30 중량부 및 팽창흑연 5 내지 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물 100 중량부 대비 용제 0.3 내지 3 중량부를 투입하여 분산시킨 후에, 분산된 혼합물 100 중량부 대비 정제수 50 내지 60 중량부를 혼합하고 희석하여 제조되고,
상기 우레아 수지는 폴리에테르디아민 30 내지 40 중량부, 지방족 이소시아네이트 5 내지 10 중량부, DMPA(dimethylol propanionic acid) 2 내지 3 중량부, TEA(triethylamine) 1 내지 2 중량부 및 물 55 내지 65 중량부의 중량비율로 혼합되어 제조되는 것을 특징으로 하는 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)에서 제3 난연 수지는 제1 난연 수지와 동일하게 에폭시 수지, 난연제 및 팽창흑연을 포함하여 제조되되,
상기 제3 난연 수지 적층 및 경화 단계(S300)에서 제3 난연 수지를 적층한 후에는 적층되는 제3 난연 수지로 형성된 층 사이에 촙 스트랜드 매트(CHOPPED STRAND MAT)-450g/sq.m를 2회 적층하여 촙 스트랜드 매트층을 형성하는 과정과, 로빙클로스(ROVING CLOTH)-570g/sq.m를 적층하여 로빙클로스층을 형성하는 과정을 교대로 수행하는 것을 특징으로 하는 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 건조 및 탈형 단계(S400)는 60 내지 120℃의 온도로 열건조하여 상기 제1 난연 수지, 제2 난연 수지 및 제3 난연 수지로 형성된 층에 잔류할 수 있는 수분을 제거하여 후경화 처리하는 것을 특징으로 하는 난연성 섬유강화 플라스틱의 제조방법.
- 삭제
- 제 1항, 제 3항 또는 제 4항 중에서 선택된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 난연성 섬유강화 플라스틱.
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