KR100230521B1 - 고강도 단열재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

필라멘트 형태로 분산된 방향족 폴리에테르 아미드 섬유 1~5중량%와 섬유상 규회석 20~70중량%를 함유하고, 매트릭스가 규산 칼슘 수화물로 이루어지고, 밀도가 1.3~1.9g/cm3인, 석면을 함유하지 않는 가공가능한 고강도의 단열재가 제공된다.

Description

고강도 단열재 및 그 제조방법
본 발명은 석면을 함유하지 않는 고강도 단열재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일본공업규격(JIS)C2210에 규정되어 있는 전기절연성 시멘트판(통상, “헤밋(hemit)” 또는 “럼버(lumber)”로 불림)은 포틀랜드시멘트(Portland cement)를 바인더로서 사용하여 석면을 성형함으로써 형성되고 있다. 헤밋(hemit)은 표면절삭성, 공작성 등의 기계적 특성이 양호한 동시에 쉽게 절단되고, 내열성이 우수하여 기계적 강도가 우수하기 때문에 전기절연체 뿐만 아니라 단열체로서 사용되고 있으며, 예를 들어, 열프레스용 단열판, 유도전기로용 케이싱 등을 제조하기 위해 사용되는 재료는 사용전에 반드시 절단되어야 하고, 고강도이어야 한다.
그러나, 상기 JIS규격상품은 석면을 40% 함유하기 때문에 다량의 유해한 석면섬유분진이 발생하므로, 석면함유재료와 마찬가지의 강도 및 가공특성을 지니는 비석면재료를 제공할 필요가 있었다.
종래, 석면을 함유하지 않는 시멘트질 대체품으로서 포틀랜드시멘트를 사용하여 탤크분말과 럴프를 혼합해서 얻은, 밀도 1.6~2.0g/cm3의 단열재가 제안되어 있었으나(일본 특개소 61-109205), 이 재료는 보강용 섬유로서 펄프만을 사용했기 때문에, 가열에 의해 기계적 강도 및 크기가 심하게 감소된다고 하는 결점을 지니고 있었다. 또한, 인성도 불충분하여, 고하중을 인가하거나 구속한 상태하에 재료를 가열할 경우 재료에 균열이 생기기 쉬우므로, 비록 석면을 함유하지 않는 경우라 할지라도 헤밋 대체품으로서 받아들일 수는 없었다.
본 발명의 목적은 헤밋 또는 럼버와 마찬가지의 기계가공특성을 지니고, 내열성, 고강도 등의 특성이 우수하여, 적당한 전기특성을 지니는, 석면을 함유하지 않는 단열재를 제공하는 것이다.
본 발명은 필라멘트형태로 분산된 방향족 폴리에테르 아미드 섬유 1~5중량%와 섬유상 규회석 20~70중량%를 함유하는, 가공가능한 고강도의 단열재를 제공한다. 또, 이 단열재는 규산칼슘 수화물로 이루어진 매트릭스를 지니며, 밀도는 1.3~1.9g/cm3이다.
또한, 본 발명은, 섬유분산제를 함유하는 물에 방향족 폴리에테르 아미드 섬유를 분산하고; 얻어진 분산액에 무기바인더로서 규산염 미분말과 포플랜드시멘트를, 비반응성 충전물로서 섬유상 규회석을 각각 첨가하고; 혼합물을 혼련하고; 밀도가 1.3~1.9g/cm3인 성형테를 얻을 수 있도록 혼련혼합물을 탈수프레스성형하고; 최종적으로 성형물을 오토클레이브속에서 양생하여 고강도의 단열재를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 원리에 따라 제공된 단열재에 있어서, 방향족 폴리에테르 아미드 섬유는 그 함량이 적을 때에도 커다란 보강효과를 발휘하여, 단열재에 높은 인성을 부여하고 있다. 그 섬유함량은 0.5~5.0중량%사이로 선택하는 것이 바람직하며, 0.5중량%미만일 경우는, 각종 용도에 있어 단열재의 강도가 불충분하게 되고, 5.0중량%를 초과할 경우는, 제조공정에 있어 섬유를 균일하게 분산시키기 곤란하게 되고, 그 결과, 섬유덩어리가 잔류하여 재료의 가공성을 감소시킨다. 본 실시예에 있어서, 섬유의 길이는 312mm로 선택하는 것이 바람직하며, 3mm미만일 경우는 보강효과가 불충분하고, 또한, 12mm를 초과하는 경우는, 제조공정에 있어 분산성이 나쁘므로 앞서 설명한 과잉배합의 경우와 마찬가지로 바람직하지 못한 결과를 초래하게 된다.
섬유상 규회석은 본 발명에 따른 단열재의 기계가공성에 중요한 역할을 행한다. 즉, 섬유상 규회석의 배합은, 단열재가 고밀도 성형체일 경우에도 단열재의 절삭을 용이하게 해주며, 또한, 방향족 폴리에테르 아미드 섬유는, 그들의 커다란 인성 때문에 절삭이 어렵고, 시멘트질 성형체 또는 규산 칼슘질 성형체의 보강에 사용할 경우, 보강효과가 크더라도 절삭 마무리된 표면에 보풀이 발생하기 쉽다. 그러나, 본 발명의 원리에 따라 제공된 다량의 섬유상 규회석을 함유하는 단열재에 있어서는, 섬유보풀이 생기지 않아 아름답게 가공된 표면을 제공한다. 본 발명의 재료가 절단후 보풀이 없는 제품을 제공하는 이유는, 단열재에 있어서, 방향족 폴리에테르아미드 섬유부근에 존재하는 딱딱한 섬유상 규회석입자가 기계공구의 모서리 선단에서 도망가려고 하는 방향족 폴리에테르 아미드 섬유를 포획하여 모서리선단의 절삭을 원조하기 때문이다.
또한, 섬유상 규회석은 단열재의 열수축률을 감소시키고, 굴곡강도를 향상시키는 데에도 유용하다.
상기 작용은, 섬유상 규회석의 함량이 20중량% 미만일 경우는 충분히 실행되지 않지만, 그 함량을 70중량%를 넘게 할 경우도 강도가 감소되므로 바람직하지 않다.
본 실시예에서는, 기계가공성을 확보하면서 충분한 강도를 얻기 위해서 재료의 밀도를 1.3~1.9g/cm3사이로 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 1.9g/cm3이상의 밀도를 지니는 고밀도 제품은 비록 강도는 높더라도 절삭가공이 곤란하고, 또한, 제품의 내열성도 나쁘게 된다.
다음에, 본 발명에 따른 단열재의 제조방법에 대해 설명한다.
우선, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산 나트륨 등의 섬유분산제를 용해시킨 물을 준비한 후, 이 물에 방향족 폴리에테르아미드 섬유를 첨가하고 교반하여 분산시킨다. 방향족 폴리에테르 아미드섬유는 테이진사로부터 시판되고 있고(상품명 : TECHNORA), TECHNORA는 섬유 분산제로서 사용할 수 있고, 이들의 멀티필라멘트사는 미리 대략 길이 3~12mm로 절단해둔다. 섬유분산액에는, 방향족 폴리에테르 아미드 섬유를 첨가하는 외에도, 필요에 따라 펄프, 감수제 등의 성형 보조제를 섬유첨가전에 또는 섬유전체와 동시에 첨가하여 분산 또는 용해시킨다.
충분히 교반을 행하여 섬유가 필라멘트형태로 분산되어 있는 분산액을 얻은 경우에는, 이 분산액에 무기바인더를 첨가한다. 바인더로서는 포플랜드시멘트와 규산염질 미분말을 사용하는 것이 바람직하며, 규산염질 미분말로서는 실리카파우더, 실리카 플라워(silica flour)등을 사용할 수도 있다. 특별히, 미세한 규산염질원료, 예를 들어, 실리카플라워는 원료의 균일한 혼합물에 배합되기가 어려우므로 상기 섬유분산액의 제조시에 첨가하여 분산시켜 두어도 된다. 규산질미분말은 성형후의 오토클레이브처리에 있어서 포플랜드시멘트에서 분리된 석회와 반응함으로써 규산칼슘을 생성한다. 이 원료는 포플랜드시멘트에 대해 30~100중량%정도 첨가한다.
또한, 무기바인더의 첨가와 동시에 또는 그 첨가후에 섬유상 규회석을 액에 첨가하여 충분히 혼합한다. 폴리에틸렌 옥시드, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산나트륨 등의 섬유분산제는 혼합과정에서 시멘트중의 알칼리에 의해 변질되어, 실잦음성, 점도 및 물 보유성을 잃어버리는 한편, 분말응집작용을 나타내어 탈수 성형성을 향상시킨다. 그러므로, 본 발명에 따른 제조방법에서 사용하는 섬유 분산제로서 전술한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 설명한 바와 같이 얻어진 균일모르타르를 탈수 프레스 성형한다. 이때, 성형조건을 조절해서, 최종제품의 밀도가 1.3~1.9g/cm3가 되도록 한다.
얻어진 성형체는 상법에 따라 상온에서 예비양생하고, 오토클레이브속으로 옮겨, 대략 150~179℃의 가열가압상태하에 대략 7~10시간 양생한다. 이 처리조건하에서는 생성된 규산 칼슘이 거의 소위 C-S-H단계에 있지만, 방향족 폴리에테르아미드섬유의 열화를 방지하기 위하여, 상기 오토클레이브양생조건보다도 가혹하지 않은 처리조건하에서 주의깊게 처리할 필요가 있다.
처리된 성형에는 필요에 따라 절삭, 구멍뚫기, 표면 연마 등의 가공을 행한후 사용한다.
[실시예]
다음의 실시예 및 비교예에서 사용되는 섬유상 규회석(규격 A60)은 인도제이다.
섬유상 입자의 평균직경은 16㎛, 평균길이는 150㎛이다. 방향족 폴리에테르 아미드섬유로서는 TECHNORA T 320(테이진사 제품 : 필라멘트 직경 12㎛ : 1500 데니르의 1000필라멘트의 멀티필라멘트사)을 길이 6mm로 절단하여 사용하였다. 포플랜드시멘트, 실리카파우더, 실리카플라워를 서로 60:20:20중량비로 혼합하여 무기바인더를 형성하였다. 감수제로서 KAO MIGHTY(카오사제품)를 사용하고, 섬유분산제로서 사용된 폴리에틸렌옥시드는 ALCOXE E160(메이세이카가쿠코교사제품)이었다.
제품테스트방법은 다음과 같다.
1. 굴곡 강도 및 인성 : 105℃ 또는 200℃에서 24시간 가열한 시험편(160mm×120mm×10mm)을 100mm의 간격으로 3점 휨시험을 행하였다. 인성은 휨시험의 응력-굴곡 곡선에 있어서 2mm까지의 굴곡량의 면적(가공량)을 시험편의 단면적으로 나누어서 얻은 값으로 표시하였다.
2. 열수축률 : 상기 휨시험편을 200℃에서 24시간 가열한 때의 수축률을 측정하였다.
3. 절삭면의 평활성 : 제품표면을 밀러를 사용하여 밀링절삭하고, 절삭면에 발생한 용해되지 않은 섬유다발에 의한 방향족 폴리에테르 아미드섬유의 보플 및 필의 존재를 측정하였다. 비교를 위한 평활성의 범주는 다음과 같다.
A : 보풀 및 필이 없는 균일하고 평활한 면
B : 보플이 약간 있는 평활한 면
C : 섬유다발이 불충분하게 분산되어 보플을 지니는 부분적으로 불균일한 면
D : 섬유다발이 대부분 분산되지 않아 불균일한 면
4. 구멍뚫기시험 : 직경 10mm의 드릴을 사용하여 회전속도 260rpm, 공급속도 40mm/분으로 하부판을 사용하는 일없이 구멍뚫기가공을 행하고, 드릴의 펀칭에 의한 시료내에 발생한 노치크기를 측정하였다.
5. 절단시험 : 다이아몬드조각톱(외형 : 356mm, 모서리두께 : 3mm)을 사용하여 회전속도 180rpm, 공급속도 2000mm/분으로 하여 시료를 절단해서, 시료의 절단부에 존재하는 노치의 크기를 측정하였다.
[실시예 1]
펄프, 실리카플라워 및 감수제를 물에 서로 혼합하고, 얻어진 혼합액의 소정량을 옴니믹서에 취한다. 다음, 폴리에틸렌 옥시드, 섬유분산제를 혼합액에 첨가하고 더욱 교반한다. 그후, 방향족 폴리에테르 아미드섬유를 혼합액에 첨가하고 충분히 교반해서 필라멘트상태로 되게 하다.
섬유상 규회석, 포플랜드시멘트, 실리카파우더 및 감수제를 액에 첨가하고 교반하여 균일한 모르타르를 제조한다.
얻어진 모르타르를 최종제품의 밀도가 1.6g/cm3가 되는 조건하에 탈수프레스 성형하여 120mm×150mm×15mm의 플레이트를 제조하고, 상온에서 12시간 예비양생하고, 오토클레이브속에서, 179℃에서 10시간 양생한다.
상술한 제조방법에 있어서, 섬유상 규회석을 사용하지 않거나 조성물의 양을 변화시키는 조건으로 3종류의 단열재를 제조한다. 표 1은 이들 실시예의 각각의 원료조성과 제품특성을 나타낸 것이다.
[표 1]
[실시예 2]
섬유상 규회석과 무기바인더의 조성비는 그대로 두고, 방향족 폴리에테르 아미드 섬유의 조성비를 변동시킨 채로 실시예 1의 경우와 동일한 공정으로 3종류의 단열재를 제조하였다.
표 2는 각각의 실시예의 원료조성과 제품 특성을 나타낸 것이다.
[표 2]
[실시예 3]
실시예 1의 경우와 동일한 공정으로 표 3의 원료조성으로 3종류의 단열재를 제조하였다.
표 3은 얻어진 단열재의 특성을 나타낸 것이다.
[표 3]
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단열재는 필라멘트형태로 분산된 방향족 폴리에테르 아미드섬유와 섬유상 규회석 사이의 상승효과에 기인하여 단열재가 석면을 함유하지 않는 경우에도 향상된 강도와 인성을 지니며, 내열성 및 기계가공특성도 우수하므로, 본 발명에 따른 단열재는 석면시멘트판, 즉, 전기절연판, 단열재 등으로서 사용되는 헤밋용 대체품으로서 사용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 필라멘트형태로 물에 분산된 방향족 폴리에테르 아미드섬유 1~5중량%와 섬유상 규회석 20~70중량%를 함유하고, 매트릭스가 규산 칼슘 수화물로 이루어지며, 밀도가 1.3~1.9g/cm3인 것을 특징으로 하는 고강도 단열재.
  2. 필라멘트형태로 물에 분산된 방향족 폴리에테르 아미드섬유 1~5중량%와, 섬유상 규회석 20~70중량%와, 포틀랜드시멘트 : 실리카 파우더 : 실리카 플라워가 각각 60:20:20중량비로 혼합된 무기바인더로 이루어지고, 밀도가 1.3~1.9g/cm3인 것을 특징으로 하는 고강도 단열재.
  3. 제2항에 있어서, 펄프 1중량%와 감수제 0.1중량%를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 단열재.
  4. 섬유분산제를 함유하는 물에 방향족 폴리에테르 아미드 섬유를 분산시켜 분산액을 얻는 공정과 : 분산액에, 무기바인더로서의 포틀랜드 시멘트 및 미세규산염질 분말과, 비반응성 충전물로서의 섬유상 규회석을 첨가하는 공정과 ; 무기바인더 및 충전혼합물을 혼련하는 공정과 ; 혼련된 혼합물을 성형체의 밀도가 1.3~1.9g/cm3이 되도록 하는 조건하에 탈수 프레스성형하는 공정과 ; 오토클레이브속에서 성형체를 양생하는 공정으로 이루어지는 단열재의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 섬유분산제로서 폴리에틸렌 옥시드, 폴리아크릴 아미드 및 폴리아크릴산나트륨중의 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법.
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