KR100366782B1 - 무기재료용 바인더, 무기재료를 주재료로 하는 성형체 및그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기재료용 바인더와 이를 이용한 무기재료 성형체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 무기재료용 바인더는 길이가 0.05∼2.0mm 되는 천연섬유를 물에 혼합한 수성 슬러리로 제조되며, 상기 천연섬유는 목재펄프와 인피(靭皮,체관부, phloem)펄프와의 중량비가 20 : 80 ∼ 80 : 20의 범위로 혼합됨에 기술적 특징이 있다.

상기 무기재료용 바인더를 이용한 무기재료 성형체는 무기재료에 본 발명의 바인더를 함침시키고 탈수한 후, 이에 함유된 천연섬유를 가열 처리함으로써 유기 물질의 혼합에 의하여 초래되는 결점을 줄인 성형체가 제조되며, 상기와 같이 무기재료에 본 발명의 바인더를 함침시키고 탈수한 후, 가열처리를 하는 일련의 공정이 본 발명 무기재료를 주재료로 하는 성형체의 제조 방법이다.

본 발명에 의한 바인더는 무기섬유와 무기분말의 성형체에 있어서 종래에 존해하지 않았던 천연섬유를 이용한 결합제를 제공함으로써 열용융 바인더와 같은 고온 처리가 필요치 않고, 별도의 특수 건조 설비도 필요하지 않다.

그리고, 천연섬유 자체는 고체이기 때문에 다른 첨가물과도 자유롭게 혼합될 수 있기 때문에 내 알카리성, 내산성 등의 부가 기능을 부여하는 것이 용이할 뿐 아니라, 사용후의 폐기에 있어서도 종이와 같이 환경친화적인 처리가 되어있어 적절한 처리 후에 재이용이 가능한 이점도 있다.

Description

무기재료용 바인더, 무기재료를 주재료로 하는 성형체 및 그 제조 방법{Binder for inorganic material, preform consisted of inorganic material and the binder, and its production method}

본발명은 무기분말 또는/ 및 무기섬유 등 무기물질의 결합제로 사용되는 바인더에 관한 것이다.

종래, 무기물질용 바인더로서는 PVA 섬유, 합성섬유(폴리에틸렌 섬유, 아크릴 섬유)와 같은 열용해성 섬유를 사용한 것이나, 라텍스와 같은 에멀젼형 바인더를 사용한 것이 있다.

예를들어, 탄소섬유 쉬트(sheet)나 글래스 페이퍼(glass paper)의 경우에는 변성 PVA 섬유 5∼10wt%를 사용해 제조되고 있으며, 세라믹 판상의 것은 라텍스를 사용해 다양한 성형체가 제조되고 있다.

그러나, 이러한 종래의 바인더는 다음과 같은 결점을 가지고 있다.

PVA 섬유, 합성섬유 등의 열용해성 섬유를 사용할 경우 얇은 쉬트상의 것이면 제조가 가능하나, 압착 건조하지 않으면 두께가 5mm 이상이 되는 것을 제조하기가 곤란하기 때문에 상기와 같은 열용해성 섬유를 사용할 경우에는 압착 건조하는 별도의 공정이 추가되어야만 하고, 풍간건조만으로는 바인더로서의 특성을 발휘할 수 없다는 문제가 있다.

한편, 라텍스와 같은 에멀젼 형 바인더는 바인더 자체의 경화성이 약하기 때문에, 이를 사용하여 제조되는 쉬트의 피막 강도가 약하게 된다. 따라서, 유연한 제품을 제조하는 경우에는 가능하지만, 강도가 요구되는 쉬트에는 적용하기가 곤란하다. 따라서, 어느 정도의 강도를 유지시키고자 할 때는 다량의 라텍스를 사용하지 않으면 안되기 때문에 재료가 원래 가지고 있던 재료 자체의 기능을 잃어버리게 된다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 가압하는 과정 없이 풍간건조만으로도 바인더의 효과를 발휘할 수 있으며, 재료 본래의 기능을 손상시키는 유기재료를 최소한으로 억제할 수 있는 바인더를 제공함과 동시에 무기재료를 주재료로 하여 유기물질의 함유량을 최소한으로 억제한 성형체 및 그 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명 바인더에 사용되는 섬유 길이를 보인 히스토그램.

도 2는 종래 바인더에 사용되는 섬유 길이를 보인 히스토그램.

상기 본 발명의 목적은 길이가 0.05∼2.0mm 되는 천연섬유를 물에 혼합하여 수성 슬러리로 제조한 무기재료용 바인더와, 목재 펄프와 인피 펄프와의 중량비가 20 : 80∼80 : 20의 범위로 혼합된 상기 천연섬유에 의하여 달성된다.

본 발명은 압착하지 않으면 안되는 열용융성 섬유로 구성되는 바인더 대신 특수한 고해성(叩解性)을 이용하여 쉬트화 하기 어려운 길이 0.05∼2.0mm의 짧은 섬유를 사용함에 특징이 있다.

0.05∼2.0mm 정도로 길이가 짧은 천연섬유는, 종래 그 사용 용도가 거의 없었기 때문에 공업적으로 생산되지는 않았으나, 본 발명자는 상기의 짧은 천연섬유에 바인더로서의 기능이 있슴을 발견하였으며, 상기의 천연섬유와 종래의 섬유 바인더를 비교한 결과를 도 1과 도 2에 도시하였다.

상기의 천연섬유를 사용함으로써 압착 건조를 하지 않고도 무기재료의 성형체를 얻을 수 있다. 더욱이 섬유경(徑)이 크고 소섬유(fibril)화 하기 쉬운 목재 펄프와 가늘면서도 어느 정도의 강도를 갖는 인피 펄프를 사용하면 보다 효과적이다. 또한, 천연섬유이기 때문에 가열하여 쉽게 소각, 제거할 수 있는 장점이 있다.

따라서, 무기재료에 전술한 무기재료용 바인더를 함침시키고 탈수한 후, 이에 함유된 천연섬유를 가열 처리함으로써 유기 물질의 혼합에 의하여 초래되는 결점을 줄인 성형체를 제조할 수 있으며, 이와 같이 무기재료에 상기의 무기재료용 바인더를 함침시키고 탈수한 후, 가열처리를 하는 일련의 공정이 본 발명 무기재료를 주요 재료로 하는 성형체의 제조 방법에 대한 특징이 된다.

본 발명은 천연섬유로 된 펄프류에 착안하고, 그 특성을 이용한 바인더에 관한 것이다. 특별히 한정하는 것은 아니지만 본 발명에 사용되는 천연섬유는 목재 펄프, 인피 펄프, 면 펄프 등이 최적이며, 특히 목재 펄프에 대해서는 어떠한 것을 사용해도 되나 일반적으로 섬유가 길고 가소성이 있는 N-BKP를 사용하는 것이 좋다. 그리고, 인피 펄프로는 마(痲), 닥나무, 삼지닥나무 등이 있으며, 면 펄프로는 어떤 종류의 것도 가능하다.

상기와 같은 천연섬유를 이용한 바인더의 제조 방법은 다음과 같다.

우선, 리파이너(refiner)등을 이용하여 섬유를 자른 다음, 여수도(濾水度) 300∼700 ml(캐나다 후리네스)의 조건으로 펄프를 특수한 분쇄기에서 장시간 처리하여 직경 0.005∼1mm 정도로 소섬유화 함과 동시에 섬유길이를 0.05∼2.0mm로 한다.

즉, 종래의 설비에서 종이로 이용할 수 없을 정도까지 섬유 길이를 짧게 한다. 상기와 같이, 본 발명은 종래에 종이로서 이용할 수 없기 때문에 거의 제조되지 않았던 짧은 펄프를 이용한 바인더에 관한 것이다.

그리고, 본 발명에 있어서는 상기 천연섬유를 섬유경이나 섬유길이의 특성을 고려하여 복수의 펄프를 혼합하여 사용하고 있는 바, 목재 펄프와 인피 펄프를 조합하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다.즉, 상기한 N-BKP와 같은 목재펄프는 섬유의 직경이 크고 피브릴화하기 쉽다는 특징을 가지고 있고, 인피펄프의 경우에는 섬유의 직경이 작고 인장강도를 보유하고 있기 때문에, 상기 목재펄프와 인피 펄프를 서로 조합함으로써, 상기 목재펄프와 인피펄프의 단점을 상호 보완하여 수처리용 필터와 같은 성형체를 제조할 때 필요로 하는 바인더의 특성을 최대한 살릴 수 있음을 알 수 있다.그리고, 더욱 바람직하게는 목재 펄프와 인피 펄프의 중량비가 20 : 80 ∼ 80 : 20의 범위 내에 있도록 혼합시킨 것을 분쇄기에 투입하여 장시간 처리함으로써 섬유 길이가 일정하게 조절된 것을 사용하는 것이 좋다. 상기와 같이 하여 본 발명의 바인더는 수성 슬러리의 상태로 얻어질 수 있다.

그리고, 상기 수성 슬러리의 고형분 농도를 특별히 한정하지는 않지만, 취급의 용이함이나 탈수성형의 효율성 등을 고려한다면 0.5∼5.0 중량 % 정도가 바람직하다.

또한, 상기와 같이 제조되는 바인더에는 여러 가지 기능을 부여하기 위하여 여러 가지 첨가물을 혼합해서 사용할 수 있다. 예를 들어, 유연성 및 내약품성을 부여하는 경우에는 여러 가지 라텍스를 1∼50 중량 % 첨가하여 섬유 표면을 피복시킨다. 그리고, 일반적으로 사용되고 있는 습윤지력 증강제를 첨가함으로써 내수성이 뛰어난 기능도 부여할 수 있다.

한편, 본 발명의 주재료로 사용되는 무기재료는 무기분말 및 무기섬유로서 특별히 한정되는 것은 없으나, 무기분말의 예로서는 물라이트(3Al₂O₂·2SiO₂) 분말, 실리카 분말, SiC 분말, 분말 활성탄 등이 있다. 또한, 알루미나 분말, 규소토, 입상의 활성탄 등의 물질도 이용할 수 있으며, 그 입경은 0.5∼200㎛ 정도의 입자를 사용하는 것이 바람직하다.

무기 섬유의 예로는 세라믹 섬유, 물라이트 섬유, 알루미나 섬유, 글래스 섬유, 탄소섬유, 특수 탄소섬유, 락크 울(rock wool,鑛質綿)등을 들 수 있으며, 섬유 입경은 1∼20㎛ 정도가 바람직하고 섬유길이는 1∼20 mm 정도까지 사용이 가능하다.

상기의 바인더와 무기재료를 사용하여 성형체를 얻는 방법은 다음과 같다.

우선, 적당한 다공성 중공판상(中空板狀)의 금형 위에 65∼200메쉬(mesh)의 스테인레스강으로 제작된 금속망(金屬網)을 장착한 형틀에 전술한 무기분말과 무기섬유 및 천연섬유를 함유하는 수성 슬러리로 구성되는 본 발명의 바인더와, 무기재료의 혼합물을 장입한 후, 형틀 내부에서 물을 흡인·탈수함으로써 가성형체를 제조한 다음, 이를 가열처리 하여 잔류 수분을 증발시킴과 동시에 바인더에 의한 접착이 이루어지도록 함으로써 최종 성형체가 완성된다.

상기와 같이 제조된 성형체는 무기분말과 무기섬유의 기능을 저하시키지 않고도 뛰어난 강도와 조직 균일성을 갖는다. 그리고 이 성형체에 무기재료로 된 바인더를 함침 도포 가공한 후, 성형체를 500℃ 이상으로 열처리하면 유기물이 소실되어 유기물질을 최소한으로 억제한 성형체를 얻을 수 있다.

상기 성형체의 제조에 있어서, 바인더의 사용량에 제한은 없으나, 무기섬유 및 무기분말 100중량부에 대하여 바인더를 1∼20 중량부 정도의 비율로 사용하는 것이 바람직하다. 바인더의 사용량이 1중량부 미만일 경우에는 성형체의 강도가 충분치 않을 가능성이 있으며, 20중량부를 초과하면 바인더를 구성하는 섬유가 조밀하게 집적되어 섬유들 사이에 형성되는 틈이 감소하여 탈수가 곤란하게 되고, 이에 따라 다량의 수분이 함유되어 성형체의 성형이 어렵게 된다.

그리고, 상기의 수성 슬러리에는 분산제, 안정제 등의 이미 알려진 다양한 첨가제를 종래와 같은 정도의 첨가량으로 배합해도 된다.

이상과 같이, 본 발명의 바인더는 상기 무기재료의 쉬트나 성형체의 성형에 유효하며, 종래 얻을 수 없었던 강도와 특수한 기능을 가진 무기물질 제품을 얻는것이 가능할 뿐 아니라 본 발명의 바인더를 사용하면 무기 분말과 무기 섬유로 된 여러 가지 상품을 제공할 수 있다.

본 발명의 무기 재료용 바인더, 무기재료를 주요한 재료로 하는 성형체 및 그의 제작 방법에 대한 상기 기술적 구성과 구체적인 작용효과에 대한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 아래의 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.

우선, 성형체의 강도에 대한 실시예와 비교예는 다음과 같다.

실시예 1

글래스 섬유(평균 섬유경 2㎛) 95중량부와 본 발명의 바인더 5중량부를 5000중량부의 물에 분산시키고 균일하게 교반 혼합하여 수성 슬러리를 제조한 다음, 이 수성 슬러리를 300mm ×300mm의 형틀에 장입한 후, 흡인성형 및 탈수성형 하여 두께 3mm의 평판을 제조하였다. 완성된 성형판은 가로 300mm, 세로 300mm, 두께 3mm, 밀도 0.13g/cc이며, 이 평판의 인장 강도는 종래의 것보다 약 1.5배 정도가 되었다.

실시예 2

알루미나 분말(평균입도 2㎛) 60 중량부와 알루미나 섬유(평균 섬유경 3㎛) 35중량부 및 본 발명의 바인더 5중량부를 500중량부의 물에 분산시키고 실시예1과 동일한 방법으로 처리하였다.

이때 얻어진 성형체는 가로 300mm, 세로 300mm, 밀도 1.0 g/㏄이었으며, 이 성형체를 농도 10%의 실리카 졸 용액에 함침처리한 후, 120℃에서 60분 건조시킨 다음 1100℃에서 10분간 소성하였다. 이때 얻어진 성형체는 가로 300mm, 세로 300mm, 밀도 1.1g/㏄ 이었고, 굴곡 강도는 성형체 전부분에서 일정하였다.

실시예 3

본 발명의 바인더 500 중량부와 라텍스 50중량부를 500중량부의 물에 분산시킨 후, 황산반토(황산알루미늄,Al₂(SO₄)₃) 5중량부를 투입하고 고속 교반으로 균일하게 혼합하여 수성 슬러리 바인더를 제조하였다.

그리고, 탄소섬유(평균 섬유경 17㎛) 95중량부와 상기의 바인더 5중량부를 5000중량부의 물에 함침시키고 300 ×300의 초형을 사용하여 실시예1과 같이 처리하였다. 제조된 성형체는 가로 300mm, 세로 300mm, 높이 5mm, 밀도 0.1 g/㏄이었으며, 이 성형체는 접힘굴곡시 손상되지 않을 정도의 충분한 유연성과 강도를 갖는다.

비교예 1

상기 실시예에 있어서 바인더로서 열용융섬유인 폴리에스테르 섬유, 이에스(ES)섬유, 합성펄프를 사용하여 판상 성형체를 만들었으나, 실시예 수준의 안정된 평판을 얻을 수 없었다.

비교예 2

실시예 3과 같은 탄소섬유를 사용하고, 바인더로서 피이브이에이 섬유를 적용하여 평판상 성형체를 얻었다. 이 평판은 45°굴곡시 절단되었다.

다음, 잔류 염소 제거 능력을 나타내는 실시예는 다음과 같다.

실시예 4

입상활성탄(입자경 150㎛) 95중량부와 본 발명의 바인더 5 중량부를 2000중량부의 물에 분산시키고 균일하게 교반 혼합시켜 수성 슬러리를 만든 후, 내경 30mm, 두께 5mm 폴리에스테르 부직포 코어를 65 mm의 경의 금형에 장착하고 폴리에스테르 부직포 코어의 내경으로부터 수성 슬러리를 흡입하여 주입한 다음, 탈형 성형을 실시하여 얻어진 외경 65mm, 높이 100mm의 팽창된 원통체를 120℃에서 180분 가열함으로써 성형체를 제조하였다.

완성된 성형체는 외경 64mm, 높이 100mm, 밀도 0.35 g/㏄이었으며, 이것을 사용하여 잔류 염소 테스트를 실시한 결과, 선택적으로 염소를 흡수하는 것으로 확인 되었다.

상기의 원통형 성형체를 하우징으로 하여 2ppm의 염소수 공시액을 3 ℓ/min로 통과시키면서 매 1000㎖마다 물을 채취하여 잔류 염소 제거 능력을 시험한 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

통 수 량	잔 류 염 소
1000ℓ 통과 후	0.05 ppm
2000ℓ 통과 후	0.08 ppm
6000ℓ 통과 후	0.29 ppm

상기의 결과를 종래품과 비교해보면 잔류 염소 제거 능력이 130% 이상 향상됨을 알 수 있었다.

실시예 5

활성탄섬유(섬유경 15㎛) 95중량부와 본 발명의 바인더 5중량부를 5000중량부의 물에 분산시키고 균일하게 교반 혼합한 수성 슬러리를 제조한다.

외경 60mm, 내경 45mm, 높이 30mm의 금형을 이전 초형에 장착한 후, 상기 수성 슬러리를 흡인한 다음 탈수 성형하여 만들어진 외경 45mm, 높이 30mm 원주상의 수성 성형체을 120℃에서 180분 가열하여 성형체를 얻었다.

완성된 상기 성형체는 외경 45mm, 높이 30mm, 밀도 0.17 g/㏄이었으며, 이것을 이용해 잔류염소 테스트를 실시한 결과, 종래품에 비교해 120% 이상의 효과가 있었다. 그 결과를 다음의 표 2에 나타내었다.

통 수 량	잔 류 염 소
	실시예 5	비교예3
100ℓ통과 후	0.01 ppm	0.15 ppm
200ℓ통과 후	0.03 ppm	0.31 ppm
300ℓ통과 후	0.03 ppm	0.44 ppm
500ℓ통과 후	0.04 ppm	-
1000ℓ통과 후	0.05 ppm	-

비교예 3

실시예 5에 있어서 바인더로서 PVA 섬유를 사용하여 원주상 성형체를 제조하였다. 이 성형체에 있어서 잔류 염소 테스트를 행한 결과 다음의 표 2와 같았으며, 이로부터 활성탄섬유의 표면에 형성되는 PVA 피막이 활성탄섬유의 기능을 저해하는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의한 바인더는 무기섬유와 무기분말의 성형체에 있어서 종래에 존재하지 않았던 천연섬유를 이용한 바인더제를 제공하는 것으로, 천연섬유를 이용함으로써 소량으로 충분한 보형성을 가질 수 있으며, 열용융 바인더와 같이 고온으로 처리하지 않아도 됨은 물론 어떠한 특수 건조 설비도 필요하지 않다.

그리고, 천연섬유 자체는 고체이기 때문에 다른 첨가물과도 자유롭게 혼합될 수 있기 때문에 내 알카리성, 내산성 등의 부가 기능을 부여하는 것이 용이할 뿐 아니라, 본 발명의 바인더를 사용한 성형체에 무기 바인더를 더욱 함침시키고 800℃ 이상의 열처리로 바인더를 건조시키면, 천연섬유는 소실하고 균일한 강도의 무기제품을 제조할 수가 있다.

또한, 무기섬유 및 무기분말을 가지고 있는 특유한 섬유에 대해서도 본 발명의 바인더를 사용하면 합성화학 바인더와 같이 무기물질 표면을 덮을 수 없기 때문에 무기 섬유의 기능을 저하시키지 않으면서도 무기 섬유 본래의 기능을 발휘할 수 있는 성형체를 얻을 수 있을 뿐 아니라 사용후의 폐기에 있어서도 종이와 같이 환경친화적인 처리가 되어있어 적절한 처리 후에 재이용이 가능한 이점도 있다.

Claims (5)

1. 목재 펄프와 인피 펄프의 중량비를 20:80 ∼ 80:20의 범위로 혼합하여 천연섬유를 구성하고, 이 천연섬유를 분쇄기에 투입한 다음 장시간 처리하여 0.05∼2mm의 섬유길이를 갖는 수성 슬러리 형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 무기재료용 바인더.
2. 삭제
3. 삭제
4. 적당한 다공성 중공판상(中空板狀)의 금형 위에 65∼200메쉬(mesh)의 스테인레스강으로 제작된 금속망(金屬網)을 장착한 형틀에,

   섬유 입경이 1∼20㎛ 정도이고 섬유길이가 1∼20 mm 정도인 세라믹 섬유, 물라이트 섬유, 알루미나 섬유, 글래스 섬유, 탄소섬유, 특수 탄소섬유, 락크 울(rock wool,鑛質綿)등과 같은 무기섬유 및 그 입경이 0.5∼200㎛ 정도의 입자를 갖는 물라이트(3Al₂O₂·2SiO₂) 분말, 실리카 분말, SiC 분말, 분말 활성탄, 알루미나 분말, 규소토, 입상의 활성탄과 같은 무기분말로 이루어진 무기재료 100중량부에 대하여,

   상기 제 1항의 수성슬러리 상태의 무기재료용 바인더를 1~20중량부 정도의 비율로 장입한 후, 형틀 내부에서 물을 흡인·탈수함으로써 가성형체를 제조한 다음,

   상기 무기재료용 바인더에 함유되는 천연섬유를 120℃정도에서 60~180분정도로 가열 처리하여 잔류 수분을 증발시킴과 동시에 바인더에 의한 접착이 이루어지도록 하여 제조하는 것을 특징으로 하는 무기재료를 주재료로 하는 성형체.
5. 적당한 다공성 중공판상(中空板狀)의 금형 위에 65∼200메쉬(mesh)의 스테인레스강으로 제작된 금속망(金屬網)을 장착한 형틀에,

   섬유 입경이 1∼20㎛ 정도이고 섬유길이가 1∼20 mm 정도인 세라믹 섬유, 물라이트 섬유, 알루미나 섬유, 글래스 섬유, 탄소섬유, 특수 탄소섬유, 락크 울(rock wool,鑛質綿)등과 같은 무기섬유 및 그 입경이 0.5∼200㎛ 정도의 입자를 갖는 물라이트(3Al₂O₂·2SiO₂) 분말, 실리카 분말, SiC 분말, 분말 활성탄, 알루미나 분말, 규소토, 입상의 활성탄과 같은 무기분말로 이루어진 무기재료 100중량부에 대하여,

   상기 제 1항의 수성슬러리 상태의 무기재료용 바인더를 1~20중량부 정도의 비율로 장입한 후, 형틀 내부에서 물을 흡인·탈수함으로써 가성형체를 제조한 다음,

   상기 무기재료용 바인더에 함유되는 천연섬유를 120℃정도에서 60~180분정도로 가열 처리하여 잔류 수분을 증발시킴과 동시에 바인더에 의한 접착이 이루어지도록 함을 특징으로 하는 무기재료를 주재료로 하는 성형체의 제조 방법.