KR100562986B1 - 실리카 폼을 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율이 높은 경량의 내화 단열재를 제조하기 위한 방법으로 다공질 실리카를 이용하고 이를 일정한 형상을 갖도록 결합제를 사용하여 정형의 내화 단열재를 성형하는 기술에 관한 것이다.

본 발명은 균일한 특성의 단열재를 제조하기 위하여 실리카 성분을 함유하는 다공질의 실리카를 원료로 제공하는 단계와, 상기 실리카에 충분한 기계적 강도를 갖도록 하기 위하여 무기 결합제와 충진제를 첨가 혼합하는 단계, 결합제가 첨가된 실리카를 성형틀에 넣어 성형하는 단계, 상기 무기결합제를 첨가한 상태에서 건조하는 단계, 상기 건조된 상태에서 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로하는 실리카 폼을 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조 방법을 요지로한다.

실리카겔, 다공질실리카, 경량실리카, 구형실리카

Description

실리카 폼을 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조방법{Fabrication method of light weight silica foam insulating refractory}

도 1은 인산알루미늄과 알루미나를 혼합하여 제조된 경량단열재의 사진

본 발명은 실리카폼을 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 단열재에 다공질 실리카를 사용하여 단열효과가 향상되고 또한 경량으로 인하여 시공이 용이한 실리카 폼을 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조방법에 관한 것이다.

종래에 단열을 위해서 사용되는 단열재로는 보통 3 마이크론 내외의 직경을 갖는 유리섬유 또는 단열을 하고자 하는 부분의 온도가 높을 경우에는 암면 또는 세라믹 섬유를 이용하여 만들어진 펠트(felt) 또는 판상의 보드(board)를 이용한다.

유리섬유 또는 세라믹 섬유는 섬유의 형상 때문에 섬유사이 사이에 많은 빈 공간을 가지고 있게 되며 이 공간들이 열의 전달을 막아 단열 효과를 갖도록 해준 다.

이와 같이 섬유 사이에 존재하는 빈 공간의 단열의 기능을 이용하여 섬유상의 재료를 단열의 재료로 사용하는 것의 이치는 보온의 목적으로 담요나 이불 같은 것을 차갑게 또는 뜨겁게 보온하는 역할에 사용하는 것과 같은 이치이다.

일반적으로 3-400℃ 용의 단열재로는 유리섬유 펠트(felt)를 사용하고 있으며 고온에서는 고온용의 세라믹 화이버 펠트(felt)를 단열시키고자 하는 부분에 고정시켜 사용하거나 또는 일정한 형상을 유지해야 하는 경우는 상기의 세라믹 화이버 또는 암면 같은 섬유상의 내화물질에 결합제를 첨가하여 판상으로 만들어 사용한다. 이와 같은 단열재는 특성이 미흡하거나 제조원가가 고가인 이유로 활용이 제한되어 왔다.

그러나 최근 발포유리를 제조하기 위한 기술로서 통상적인 방법으로 실리카 겔을 제조하고 실리카겔을 습윤 공기중에 노출시켜 적당량의 수분을 흡수하게 하는 등 (공개번호 특2001-0106171), 이를 단열재로 사용하기 위하여 일정 형상을 하고 있는 내화 거푸집에 투입하여 이들을 980℃ - 1300℃ 의 온도에서 소성하여 성형체를 만드는 방법이 개발되어있다.

그러나 상기의 방법은 실리카 겔을 제조하기 위하여 통상의 방법이외의 첨가제와 다수의 공정 변수를 조절하는 것으로 알려져 있으며 성형체를 제조하기 위하여 실리카 겔 원료를 내화 거푸집에 넣고 고온에서 발포시켜 성형한다.

그러나 이방법은, 첫째 실리카 겔이 발포되고 형성된 다공질의 실리카 겔이 서로 융착되어 결합력을 갖도록 하기 위하여는 발포온도보다 높은 온도에서 열처리 하여야 하므로 그 과정이 용이한 것처럼 보이나 실제 융착시키기 위하여 높아지는 온도로 열처리하는 과정에 표면에서 우선적으로 발표되는 다공질 구형의 실리카가 단열재 역할을 하므로 내부의 실리카겔의 발포를 방해하는 역할을 한다.

고온에서 다공질의 구조가 무너지기 시작하여 형성된 다공질로 인한 단열 효과를 잃어 버리게 되며 온도가 낮을 경우에는 낮은 기계적 강도로 인하여 성형이 어렵게 된다. 그러므로 다공질 실리카의 구조가 최적으로 유지되도록 하면서 성형체를 만들 수 있는 방법을 고안하게되었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 고온에서 융착하기 위한 열처리 공정을 거치지 않고 다공질 실리카를 이용하여 실리카의 다공질 구조를 최적의 상태로 유지하면서 동시에 용이하게 성형할 수 있는 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적은 균일한 특성의 단열재를 제조하기 위하여 실리카 성분을 함유하는 다공질의 실리카를 원료로 제공하는 단계와, 상기 실리카에 충분한 기계적 강도를 갖도록 하기 위하여 무기 결합제와 충진제를 첨가 혼합하는 단계, 결합제가 첨가된 실리카를 성형틀에 넣어 성형하는 단계, 상기 무기결합제를 첨가한 상태에서 건조하는 단계, 상기 건조된 상태에서 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로하는 실리카 폼을 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 내열성을 갖는 경량의 다공질 구형 실리카(silica )를 기본 원료로 하고 여기에 결합제를 첨가하여 원하는 형상의 단열재를 만든다.

균일한 특성의 단열재를 제조하기 위하여 98% 이상의 실리카 성분을 함유하는 다공질의 구형 실리카를 원료로 하며 이것이 원하는 형상을 유지하고 충분한 기계적 강도를 갖도록 하기 위하여 무기 결합제를 첨가 혼합하고 건조하거나 열처리 한다

결합제를 다공질 구형 실리카와 혼합한 후 성형 틀에 넣은 후 적당한 방법으로 충진 시킨 후 성형 틀과 함께 50℃ ~ 2000℃ 의 건조 오븐에서 건조시킨다. 건조가 완료된 후 틀에서 제거하면 원하는 형상의 성형체가 제조되어 이를 열처리하면 사용 중 변형되지 않는 다공질 실리카의 성형체가 완성된다.

이때 사용하는 무기결합제에 따라 사용온도가 제한된다. 결합제는 여러종류의 물유리, 인산 알루미늄, 통상의 시멘트 혼합방법 등 다양하게 사용할 수 있다.

물유리는 일반적으로 Na의 함량에 따라 구분되며 사용하는 물유리의 종류에 따라 그리고 전체적으로 사용하는 물유리의 양에 따라 내열성이 달라지게 되므로 사용온도에 따라 선택사용 하여야 한다. .

유기 결합제는 건조후 상온에서 높은 강도를 나타내지만 대부분이 유기물의 연소후에는 결합강도를 잃어버리게 되는 경우가 많다. 그러므로 고온에서도 결합력 을 갖을 수 있는 무기 결합제를 사용하면 용이하게 정형의 경량단열재를 제조할 수 있다.

이하에 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

비교예1

성형 틀에 실리카 겔을 넣고 1050℃ 와 1100℃ 로 승온하고 각각의 온도에서 1시간 유지 후 자연 냉각되도록 한다. 이때에 제조되는 형상은 열을 받는 표면 부분만 발포되고 내부는 거의 반응이 되지않고 부피의 변화도 없는 상태로서 서로의 결합력은 거의 없는 상태로서 취급이 곤란한 상태이다.

비교예 2

성형틀에 실리카 겔을 넣고 1200도와 1250도로 승온하고 각각의 온도에서 1시간 유지후 자연냉각되도록 한다. 이때에 발포는 가능하나 성형체의 중앙부분이 산처럼 튀어 나와 그 밑부분은 빈 공간을 만들게 되어 변형되므로 목적하는 형상을 제조하기가 곤란하다.

비교예 3

미리 제조된 다공질 실리카 3 리터(무게로 약 600-700그람, 밀도의 변화가 있으므로 부피를 기준으로 함)에 인산알루미늄 28% 180그람을 첨가 혼합하여 성형건조한후 1000℃ 와 1100℃ 에서 각각 1시간 열처리하였으나 강도가 약한 편이다.

실시예

미리 제조된 다공질 실리카를 3 리터 (무게로 약 600-700그람, 밀도의 변화가 있으므로 부피를 기준으로 함)를 사용하여 여기에 결합제로 인산알루미늄을 그 리고 충진제로 실리카, 알루미나를 아래와 같이 사용하였으며, 벤토나이트를 사용할 수 도 있다. 여기서 알루미나의 양은 다공질 실리카 1리터당 17g~67g의 범위에서 첨가하여 성형하게 된다.

여기서 강도 판단은 취급할 때의 강도로서 통상적으로 단열 보드를 취급하는 경우와 같이 무리하게 힘을 가하지 않는 상태에서 부서지거나 균열이 가면 약한 것으로 그리고 외부에서 약간의 충격을 주어도 온전한 경우는 강한것으로, 이의 중간은 적당으로 표시하였다. 그리고 인산알루미늄의 농도는 54에서 60%로서(60%로 간주함) 물을 섞어서 조정하였다.

예로 60% 인산 알루미늄 100그람은 60그람의 인산 알루미늄 과 40그람의 물로 구성되어있으며 30% 인산 알루미늄 100그람은 30그람의 인산 알루미늄과 70그람의 물로 구성되어있다.

실시예(번호)	인산알루미늄농도 및 량	충진제 및 양	열처리온도/시간	결과(강, 중, 약)
1	60% 180그람	알루미나 100그람	1100도/1시간	강
2	60% 180그람	알루미나 100그람	1000도/1시간	강
3	60% 180그람	알루미나 200그람	1100도/1시간	강 약간무거움
4	30% 180그람	알루미나 100그람	1100도/1시간	강
5	30% 180그람	알루미나 200그람	1000도/1시간	강 약간무거움
6	30% 180그람	알루미나 100그람	1000도/1시간	강
7	30% 180그람	알루미나 100그람	900도/1시간	강
8	30% 180그람	알루미나 50그람	1000도/1시간	중
8	30% 180그람	알루미나 30그람	1000도/1시간	약
10	15% 180그람	알루미나 100그람	1000도/1시간	중
11	5% 180그람	알루미나 100그람	1000도/1시간	약

알루미나를 사용한 실시예의 결과는 실리카를 충진제로 사용한 성형체의 결과와 동일하게 결합제의 양과 충진제의 양에 의하여 강도가 결정되었다. 이와 같이 다공질 실리카 1리터당 인산알루미늄을 무게로 환산하여 9~36그람을 첨가하고, 충진재로 알루미나 혹은 실리카를 50그람 이상 사용하여 열처리하면 적당한 강도를 갖는 성형체를 제조할 수 있다. 한편, 열처리 온도는 900~1100℃ 범위에서 열처리하게 된다.

본 발명에서는 다공질 실리카를 골재로 하고 충진제로 세라믹 분말, 그리고 무기 결합제를 사용하여 일정한 모양으로 통상적인 세라믹 제조방법과 같이 경량 단열재를 제조할 수 있다. 여기서 충진제는 알루미나와 실리카 분말을 결합제로는 인산 알루미늄을 사용한다. 상기한 바와 같이 본 발명은 실리카 겔을 열처리하여 용이하게 제조되는 다공질 실리카를 이용하여 경량의 단열효과가 있는 경량단열재를 제조하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 균일한 특성의 단열재를 제조하기 위하여 실리카 성분을 함유하는 다공질의 실리카를 원료로 제공하는 단계와,

   상기 실리카에 충분한 기계적 강도를 갖도록 하기 위하여 무기 결합제와 충진제를 첨가 혼합하는 단계,

   결합제가 첨가된 실리카를 성형틀에 넣어 성형하는 단계,

   상기 무기결합제를 첨가한 상태에서 건조하는 단계,

   상기 건조된 상태에서 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로하는 다공질 실리카를 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 결합제는 인산알루니늄인 것을 특징으로 하는 실리카 폼을 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 결합제로는 인산 알루미늄을 다공질 실리카 1리터당 9 ~ 36g 첨가하는 것을 특징으로 하는 경량 정형 내화 단열재의 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 충진제로는 실리카, 알루미나 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 다공질 실리카를 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 알루미나의 양은 다공질 실리카 1리터당 17g~67g 의 범위내에서 첨가하여 성형하는 것을 특징으로 하는 다공질 실리카폼을 이용한 경량 정형 내화단열재의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 건조단계에서 50 ~ 200℃ 의 범위에서 건조하는 것을 특징으로 하는 실리카 폼을 이용한 경량정형 내화단열재의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 성형 및 건조단계 이후, 900 ~ 1100℃ 범위에서 열처리하는 것을 특징으로하는 다공질 실리카를 이용한 경량 정형 내화 단열재의 제조 방법.

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