KR100199103B1 - 무기 단열.흡음재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 새로운 무기 단열·흡음재 조성물에 관한 것으로, 퍼얼라이트, 질석, 시멘트, 석고 및 통상의 첨가제로 이루어지는 새로운 무기 단열·흡음재 조성물 및 그 시공방법을 제공하며, 본 발명에 따라서 단열성과 흡음성이 우수함은 물론 안전하고 기계적 물성이 우수한 새로운 단열.흡음재를 얻을 수 있다.

Description

무기 단열·흡음재 조성물
단열이란 열의 이동방지 즉, 필요한 열을 필요한 장소에 보존하고 유출을 방지하며, 불필요한 열의 침입을 방지하며 차단하는 것을 말한다. 이상적인 단열재의 조건으로는 열전도율이 낮으며(0.1kcal/mh℃ 이하), 인체에 무독, 무해하며 연소시 유독개스를 발생하지 않으며, 내구성, 내부식성 및 시공이 간편하고 취급이 용이하며, 타 재료와의 부착이 잘되고, 흡음 및 방음효과가 클수록 좋다.
단열은 주로 건물, 주택, 공장 및 공장의 설비, 기계시설, 발전설비, 보온, 보냉을 요하는 용기나 시설 등 단열을 필요로 하는 분야에 직간접적으로 열의 이동 및 침입을 방지하기 위한 목적으로 여러 가지 방법에 의하여 열을 차단함을 뜻하며, 단열재와 단열목적, 방법, 용도 및 시공법에 따라 그 종류가 다양하며 계속 연구개발되고 있다.
무기 단열재로서, 유리면 단열재는 유리가 주 연료이며, 암면 단열재는 암석이나 슬래그가 주원료로서 불에 타지 않으면서 화재시 연기도 거의 발생하지 않는 불연재이다. 그러나, 일반적으로 무기질 단열재는 유기질 단열재에 비하여 흡수량 및 투습도가 커서 열전도율이 높은 단점이 있으며, 무기질 단열재인 암면, 유리면 등은 섬유상으로 시공시 피부와 접촉하면 자극을 유발하며 인체에 유해하다.
반면에 유기 발포 단열재는 난연재의 첨가로 자기소화성은 있지만 화재시에 연소하는 가연성 물질로 연기가 많이 발생하고 유독성 물질이 배출되기도 한다.
따라서, 유기 단열재는 시공이나 보관시에 화기와 접촉하지 않도록 충분한 주의가 필요하며, 내부 단열재로의 시공도 피해야 한다. 특히, 요소 발포보온재는 사용도중 인체에 해로운 포름알데히드가 방출된다고 하여 카나다 및 미국 일부 지역에서는 사용을 금지하고 있다. 또한, 유기질 단열재는 사용온도가 낮고 그 범위가 좁다.
이에 본 발명자는 상기와 같은 종래 단열재들의 단점을 극복할 수 있는 새로운 단열·흡음재를 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.
제 1도는 본 발명에 따른 무기 단열·흡음재의 코-매트릭스 형성 과정을 나타낸 것이며,
제 2도는 본 발명에 따른 무기 단열·흡음재와 물과의 계면반응을 나타낸 것이다.
본 발명의 단열.흡음재 조성물은 퍼얼라이트, 질석, 시멘트, 석고 및 발수제, 기포제, 접착제, 경화제, 안료, 결착제 등의 통상의 첨가제로 이루어진다. 이들 각각의 특성을 알아보면 다음과 같다.
1. 퍼얼라이트
화산활동으로 분출한 용암이 수중에서 갑자기 응고하여 결정광물이 될 틈이 없이 유리상의 암석이 된 유리질의 화성암 계통의 원석을 분쇄하여 건조, 가열(1000℃ 이상)하면 마치 옥수수 튀기듯이 약 30배 정도의 크기로 팽창된 물질을 얻게 되는데, 이를 퍼얼라이트라 한다.
그 특성으로는 부피비중 약 0.06kg/l, 섬세한 다공성 기포체로 독특한 보온 단열성능(열전도율, 0.03kcal/mh℃)을 가지며, 불에 타지 않고 유독가스를 발생하지 않으며 타 약품과 화학적 반응을 하지 않는다.
이러한 퍼얼라이트의 화학적 조성 및 물리적 특성은 다음 표 1, 2와 같다.
2. 질석(Vermiculite)
질석은 SiO2, MgO, Al2O3을 주성분으로 하는 운모광물을 1200-1300℃의 고온으로 소성시키면 운모입자가 4-15배로 팽창 형성되어 얻어진 다공성을 지닌 2차 광물질인 순수한 무기질 단열재이다.
그 특성으로는 경량, 보온, 보냉, 단열, 방음, 불연, 결로방지에 뛰어나며, 1200℃의 직열에도 타지 않고 고열에도 변형이 되지 않으며, 유독 가스나 연기가 발생하지 않고 내구성, 내후성이 영구적이며, 방사선 차단, 전기 절연체이다. 이러한 질석의 화학조성은 다음 표 3과 같으며, 물적 특성으로는 높은 단열성, 경량, 불연, 방음, 토질개선, 양이온교환능 등을 들 수있다.
3. 시멘트
본 발명에서는 일반적인 포틀랜드 시멘트를 사용할 수 있으며, 블레인(blain)값이 2800g/cm2인 것이 적당하며, 그 특성으로는 다음 표 4 및 표 5와 같다.
4. 석고(Gypsum)
석고는 결정수로서 그 자신 중량의 20-30%의 결정수를 내포하고 있어서 120-130℃ 정도에서는 매우 천천히 결정수를 방출한다. 190℃ 이하에서 열을 계속 가하면 반수석고로 되고 300℃ 정도에서는 무수석고가 된다. 따라서, 가열면의 반대쪽면 온도를 가열면의 온도보다 훨씬 낮은 온도로 비교적 장시간 유지시킬 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 방화재료 및 내화구조용 부재로 사용되는 판재는 초기 방화에 큰 역할을 한다. 이러한 석고의 화학조성은 다음 표 6과 같다.
5. 본 발명의 무기 단열.흡음재에 사용되는 첨가제로는 접착제, 기포제, 발수제, 결착제, 안료, 경화제 등을 예로 들 수 있다.
접착제로는 통상의 무기, 유기 접착제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에틸렌옥사이드수지(Poly Ethylene Oxide : PEO)를 사용할 수 있으며, 이는 백색, 미분상, 연화점 650-670℃, 물에 완전히 용해, 저농도에서 높은 점성이 있으며 불연성이 있고 고강도를 갖는 열가소성 수지이며, 부패하지 않는다.
기포제(STT)로서는 황산에스테르염(R-OSO3Na)이 바람직하며, 이는 백색, 미분상, 물에 용해시 다량의 기포가 발생하며, 저농도에서 높은 발포성이 있다.
발수제로서는 신원화학의 하이-플로우(HIGH-FLOW : Zinc-sterate : ZN-ST) 등을 사용할 수 있으며, 이것은 그 화학분자식이 Zn(C17H35COO)2이며, 백색 미분말이며, 유리 지방산 1.0% 이하, 수분 1.0% 이하, 융점 120℃, 입도는 325메쉬에서 99% 이상 통과이다.
결착제로는 수퍼스트롱 콘화이버(Super strong confiber : S/S)가 바람직하며, 이는, 최초 원료 첨가시 함께 첨가되어, 원료혼합물에 균일하게 분산되어 있는 형태이며, 결착성을 부여하는 보조제로서, 콘크리트 고유의 결합인 수축균열을 억제하고 보다 치밀하며 견고한 콘크리트를 만들어 주기 위한 섬유보강재(합성섬유)이다. 폴리프로필렌 화이버로 된 슈퍼스트롱 콘화이버는 콘크리트/몰탈 1m3속에 약 650-850만개의 화이버(Fiber)가 입체적으로 분포되어 세근보강작용(Micro Reinforcing)을 해줌으로써 콘크리트의 균열을 억제해줌은 물론 충격, 파손, 마모, 투수, 부식 및 동해 등의 여러 가지 콘크리트 성능 저해 요인들에 대한 저항능력을 현저히 증대시켜준다. 사용효과로서는 콘크리트의 수축균열억제, 충격파손, 마모, 침식, 피로, 반복하중에 대한 저항력의 증대, 투수성의 감소, 동결/융해 손상감소, 골재침하현상 감소, 와이어메쉬 또는 메탈라스의 생략(바닥슬래브 미장), 숏콘크리트에서의 와이어메쉬 생략 및 리바운드 손실감소, 사용의 간편, 공기단축, 시공원가의 절감 등을 들 수 있다. 이러한 수퍼스트롱 콘화이버의 특성을 다음 표 7에 나타낸다.
안료로서는 통상의 무기 안료를 사용한다.
경화제로서는 통상의 시멘트용 경화제를 사용한다.
위와 같은 주원료 및 첨가제를 함유하는 본 발명에 따른 무기 단열.흡음재의 각 성분의 조성비는 용도나 환경조건에 따라 적절히 조절, 제조하여 사용할 수 있으나 바람직한 조성비는 다음 표 8에 나타낸다.
단지, 질석, 시멘트, 석고 또는 퍼얼라이트, 시멘트, 석고를 갖고 단열재를 제조할 경우 열전도율 및 다공성이 나빠지게 되며, 물과의 혼합사용시 질석은 자체무게의 90% 정도의 물을 함유하는 반면, 퍼얼라이트는 자체무게의 2.5-3배 정도의 물을 흡수하였다가 방출하는 현상이 발생된다. 따라서 질석과 퍼얼라이트를 적정량 혼합사용함으로써 제품 자체가 물을 방출하거나 흡수하는 현상을 방지하며 이상적인 부착강도를 갖게 된다.
본 발명에 따른 단열·흡음재의 제조방법은 다음과 같다. 주 구성재료인 질석, 퍼얼라이트, 시멘트, 석고에 기타 접착제, 기포제, 발수제, 경화제, 결착제 등의 첨가제를 본 발명에 따른 조성비로 첨가하여 혼합기 내에서 30분간 혼합하여 단열재를 제조한다.
이렇게 혼합된 단열·흡음재를 물과 1:1.4로 혼련한 후 상온(23±2℃)에서 28일간 양생한 후 105±2℃에서 24시간 건조하여 항량(일정한 무게, 수분으로 인하여 더이상의 무게 변화가 일어나지 않는 상태)이 되게 한 다음 측정시료로 사용하여 밀도 및 열전도율, 부착강도, 발수성, 연소성, 유해성, 내열성, 착색성 등을 평가하였으며, 평가방법은 일반 시멘트나 단열재의 표준시험방법에 따랐다.
1. 열전도율 및 밀도
본 발명에 따른 단열·흡음재 시료 및 종래 무기 단열재의 밀도 및 열전도율은 다음 표 9와 같았다.
건축용 단열재가 구비해야 할 물성중에서 가장 중요한 것은 열전도율로서, 열전도율이 작을수록 단열효과가 좋다. 보통 열전도율은 단열재의 재질에 따라 다르며, 일반적으로 유기질 단열재가 무기질 단열재에 비하여 열전도율이 낮다.
단열재의 열전도율은 같은 재질이라 하여도 밀도나 함습량에 따라 다르게 된다. 이는 단열재에 함유되어 있는 공기와 물이 열전도에 영향을 미치게 되기 때문이다.
일반적으로 단열재는 경량화시에 다공성을 가지게 되어 내부에 공기를 함유하게 된다. 또 공기 자체의 열전도율이 0.02kcal/mh℃ 정도로 매우 낮아 공기 함유량이 많을수록 단열 성능이 향상된다. 따라서 밀도가 작을수록 열전도율이 작아지는 것이 일반적인 경향이다.
열전도율에 영향을 주는 요인중의 하나는 수분이다. 물의 열전도율이 0.5kcal/mh℃로서 매우 높아 단열재가 수분을 많이 함유하게 되면 단열재 내의 공기와 치환되어 단열성이 저하된다.
따라서, 단열재의 흡수성이나 투습성은 단열재 내부 및 표면에 수분을 함유시키는 것으로 열전도율을 높이는 원인이 된다.
일반적으로 무기질 단열재는 유기질 단열재에 비하여 흡수량 및 투습도가 큰데 비하여 본 발명에 따른 단열·흡음재는 무기질 원재료에 유기질 첨가제로 피복 및 발포성형을 시킴으로써 유기질 단열재보다도 투습도가 낮고, 특수 제조한 기포제의 첨가로 인하여 물과의 혼합후 발포 성형되어 완제품 자체에 미세한 독립기포를 형성함으로써 이러한 독립된 공기층이 열전도를 방해하는 역할을 함으로 이처럼 낮은 열전도율의 값을 갖게 된다.
본 발명의 이러한 독립된 기포층과 경량인 질석과 퍼얼라이트의 첨가로 인하여 낮은 밀도를 나타냄을 알 수 있다.
2. 발수성
제 2도에서 도식화하여 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 단열·흡음재 시료에서는 계면과 물과의 반응에서 물이 전혀 흡수되지 않고 물방물이 응결되어 제거됨을 육안으로 관찰할 수 있었다.
일반적인 단열재의 흡수성은 단열 및 결로 현상에 큰 악영향을 미친다.
본 발명의 단열·흡음재는 결합재상(結合材相)의 시멘트 수화와 발수성 바인다의 피막형성 과정이 동시에 진행된다. 이러한 코-매트릭스(Co-Matrix)는 제 1도에 나타낸 단순화 모델에 의해 잘 설명된다.
본 발명에 따른 단열·흡음재의 매트릭스에 발수성 바인다를 혼화하면 발수제가 시멘트 풀 중에 균일하게 분산하여 시멘트 수화에 의해 시멘트 겔이 형성되는 동시에 시멘트겔, 미수화 시멘트 입자 혼화물의 표면에 발수성 입자가 붙기 시작한다. 시멘트겔 구조형성에 따른 물이 소비로 발수제 입자는 모세관 공중(孔中)에 침투되어 시멘트 수화가 더욱 진전되고 모세관수가 감소하기 때문에 발수제 입자가 응집되어 시멘트겔, 미수화시멘트 입자 혼화물의 표면에 발수제 입자의 최밀 충전층을 형성함으로 인하여 최대한의 발수성능을 나타낼 수 있다.
3. 연소성
본 발명의 단열·흡음재 시료를 가스불로 가열하였을 때 불에 타지 않았으며 연기도 발생되지 않았다.
4. 유해성
본 발명에 따른 단열·흡음재의 원재료는 모두 인체에 무해한 재료이므로 유해성은 전혀 없다.
본 발명의 단열·흡음재는 섬유상 물질인 암면, 유리면 등을 배제하고 고온에서 발포 성형된 퍼얼라이트나 질석을 사용하므로, 피부와 접촉시 자극을 배제하고 화재 발생시 연소되거나 연기가 발생되지 않으므로 유독가스 또한 배출되지 않는다.
5. 내열성
본 발명 단열·흡음재의 원료인 질석, 퍼얼라이트, 시멘트, 석고는 내화피복제로 사용되는 원료이며, 질석, 퍼얼라이트는 모두 1000℃ 이상에서 발포, 성형시킨 무기재료이므로, 본 발명의 단열·흡음재는 그 내열성이 매우 높은 것으로 평가되었다.
보통 유기질 단열재에 비하여 무기질 단열재의 사용온도가 높으며 기존의 대표적인 재료 및 본 발명의 단열.흡음재의 온도 특성은 다음과 같았다.
위와 같이 본 발명에 따른 단열·흡음재는 고온에서 발포 성형된 원재료의 사용으로 인하여 사용온도 범위가 매우 넓음을 알 수 있다.
6. 강도 및 부착강도
단열재는 구조재료가 아니므로 단열재 자체가 하중을 받도록 시공하는 예는 드물지만 시공 부위에 따라 강도가 요구되는 경우도 있다.
주택의 천정이나 벽재로 사용되는 단열재는 굳이 강도가 클 필요는 없다. 그러나, 바닥재로 사용되는 단열재는 일정 이상의 강도가 요구된다. 일반적으로 강도는 밀도에 따라서 변하게 되는데 밀도가 낮음에도 불구하고 기존에 제품화되어 있는 단열재보다도 강도가 우수함을 알 수 있었으며, 본 발명의 단열·흡음재는 뿜칠용 및 미장용 단열·흡음재이므로 강도보다는 부착강도에 우선하게 된다.
방재시험소에서 시험한 본 발명의 단열.흡음재의 피착면과의 부착강도는 0.64 g/cm 이 나왔다. 이는 일반적인 단열재인 경우 기준치가 0.25 g/cm 이상 이므로 발명의 단열·흡음재가 부착강도가 매우 높음을 알 수 있다. 이러한 높은 접착력이 나타나게 되는 것은 계면활성제 PEO(폴리에틸렌옥사이드)와 시멘트의 이상적인 조화로 인하여 단지 결합성만을 나타내는 것이 아니라 바인다가 콘크리트 피착면에 침투되어 콘크리트 층과의 일체화가 가능하게 되므로 높은 부착강도를 나타냄을 알 수 있다.
7. 착색성
본 발명에 따른 무기 단열재는 사용한 무기 안료의 색상이 시료에 그대로 나타남을 확인할 수 있었다.
일반적인 단열재에 색을 입히는 재료가 착색재이며, 표면을 착색하고 싶은 목적이라면 도료나 뿜어붙이기를 하는 재료도 가능하나, 이는 단열재의 재질감을 손상시키거나 슬래브나 외벽 등에 사용할 경우 소기의 목적을 달성할 수 없다. 착색재는 염료와 안료로 대변되는데, 염료는 물에 용해되는 착색재로 단열재에 시공하면 외부의 경우 빗물 등에 의해 녹게 되어 변색되고 또 주위를 오염시켜 적당하지 않다. 이러한 성질 때문에 본 발명의 단열재는 발색성분이 무기질이고 일반적으로 열, 빛, 알칼리 등에 화학적으로 안정하며 은폐력(하지(下地)나 골재의 색을 보이지 않게 하는 능력)이 큰 안료를 사용하여 다양한 색상을 나타낼 수 있다. 즉, 제품에 무기질 안료가 원료 혼합과정에서 함께 혼합되어 제품 그 자체가 색상을 갖게 되는 것이다.
8.흡음성
일반적으로 단열재의 흡음성은 재질의 비중,제품의 표면처리 방법,시공방법,소리의 주파수 등에 따라 결정되어지며, 흡음율은 이러한 소리의 주파수가 표면에서의 반사와 흡수로서 결정되어 진다.
가. 본 발명의 단열·흡음재는 이중 발포 성형된 제품으로 기포의 공기층 때문에 낮은 비중을 갖고 있으며, 이러한 수많은 미세한 독립된 기포들이 소리주파수의 파장을 흡수하여 기포들 사이에 가두는 역할을 함으로 인하여 높은 흡음율을 나타낸다.
나. 일반적인 뿜칠(Spraying)시공이 가능하므로 제품의 표면처리를 자유자재로 조절 할 수가 있어 표면에 이상적인 요철 부위를 만들어 소리의 주파수를 난 반사시켜 각종 산업기계 공장 소음과 자동차 등의 소음으로 부터 높은 흡음성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 무기 단열·흡음재의 시공방법은 보통 뿜칠(spraying) 및 미장으로 사용면에 시공할 수 있으며, 또한 미리 요구되는 모양이나 형상에 따라 성형가공하여 시공할 수도 있다. 즉, 위와 같이 제조한 단열·흡음재 조성물을 믹서에서 물과 혼련하여 슬러리 상태로 콤프레서 및 흙손을 이용하여 시공면에 적용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 고온에서 발포성형된 무기질 재료를 원료로 하여 이상적인 바인다의 첨가로 제조한 본 발명의 단열.흡음재는 다음과 같이 우수한 단열·흡음재임을 알 수 있다.
1) 열전도율이 0.05kcal/mh℃ 이하로서 불에 타지 않고 유독가스 및 연기를 발생하지 않는다.
2) 미세한 독립된 기포를 갖고 있으므로 경량이며 보온, 보냉, 단열, 불연, 결로방지에 뛰어나다.
3) 무기질 재료를 사용함으로써, 고열에도 변형이 되지 않는다.
4) 발수성 바인다의 피막형성으로 방수 및 결로를 방지할 수 있다.
5) 침투성 바인다의 첨가로 인하여 부착강도가 0.6Kg/cm 이상의 값을 갖는다.
6) 무기질 안료의 첨가로 인하여 색상의 조절이 가능하다.
7) 방사선 차단, 전기절연체인 운모계 광물이 첨가됨으로써 절연성능을 갖는다.
본 발명은 새로운 무기 단열·흡음재 조성물 및 그 시공방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 고온에서 발포성형된 질석, 퍼얼라이트, 시멘트, 석고 및 통상의 첨가제를 함유하는, 단열성과 흡음성을 비롯 물적 특성이 우수한 새로운 단열·흡음재 조성물 및 그 시공방법에 관한 것이다.

Claims (5)

  1. 질석, 시멘트, 석고, 퍼얼라이트를 혼련, 혼합하여 조성되는 단열, 흡음재 조성물에 있어서, 퍼얼라이트; 15-20중량%, 질석; 15-20중량%, 석고; 30-40%의 무기단열, 흡음재에 경화제; 통상의 시멘트경화제 0.0005-0.002중량%, 결착제(수퍼 스트롱콘화이버: Super strong confiber : S/S) 0.004-0.010중량%, 접착제; 열가소성 수지로써 연화점 650-670의 에틸렌옥사이드수지(Poly Ethylene Oxide : PEO) 0.0007-0.001중량%, 기포제; 황산에스테르염0.0008-0.001중량%, 발수제; Zn0.004-0.010중량%, 안료; 통상의 무기안료 0.005-0.010중량% 의 첨가제들을 혼합기 내에서 30분간 혼합하여 제조됨을 특징으로 하는 무기 단열. 흡음재 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 무기 단열, 흡음재 혼합물을 물과 함께 혼합, 혼련하여 시공 부위에 뿜칠, 미장처리 시공된 것을 특징으로 하는 무기 단열. 흡음재 조성물.
  3. 발수재를 첨가하여 발수성이 있으므로 오염이 방지되고, 단열·흡음성능의 변화가 적으며 색상 변화가 적고, 제품 수명이 긴 무기 단열·흡음재 조성물.
  4. 기공있는 소재에 기포재와 접착재를 혼합함으로써 이중 발포 성형 시킨 무기 단열·흡음재 조성물.
  5. 퍼얼라이트, 질석, 시멘트, 석고 및 통상의 첨가제를 물과 혼합, 혼련하여 제조된 무기 단열·흡음재 혼합물을 시공부위에 뿜칠 또는 미장 하거나, 이를 시공부위에 적합한 형태로 성형하여 시공하는 무기 단열·흡음재 조성물.
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