KR100641811B1 - 고강도 발포 세라믹 성형체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건축자재로 사용되며 불연성, 단열성, 경량성, 흡음성, 항균성, 접착성 등의 기능성을 지닌 세라믹 성형체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate) 용액에 압축강도 증가를 위한 점토 또는 벤토라이트를 일정비율로 혼합하여 1차 혼합물을 제조하고 상기 1차 혼합물에 가열 팽창된 질석 또는 펄라이트와 황토분말을 각각 일정비율로 혼합 교반하여 2차 혼합물을 제조한 다음 성형틀에 2차 혼합물을 충진시키고 고온의 마이크로웨이브로에서 가열 발포시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 고강도 발포 세라믹 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
소듐 알루미노 실리케이트, 점토, 벤토라이트, 질석, 펄라이트, 마이크로웨이브로

Description

고강도 발포 세라믹 성형체 및 그 제조방법{The foamed ceramics shape of high strength and the making method thereof}
본 발명은 건축자재로 사용되며 불연성, 단열성, 경량성, 흡음성, 항균성, 접착성 등의 기능성을 지닌 세라믹 성형체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate) 용액에 압축강도 증가를 위한 점토 또는 벤토라이트를 일정비율로 혼합하여 1차 혼합물을 제조하고 상기 1차 혼합물에 가열 팽창된 질석 또는 펄라이트와 황토분말을 각각 일정비율로 혼합 교반하여 2차 혼합물을 제조한 다음 성형틀에 2차 혼합물을 충진시키고 고온의 마이크로웨이브로에서 가열 발포시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 고강도 발포 세라믹 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질석은 흑운모의 변질작용에 의해 생성되는 소재로 진주광택이 나며 산(酸)에 쉽게 분해되고 양이온 교환능력이 크며, 가열 팽창된 질석은 다공질(多孔質)로 흡수능력이 좋아서 내열재료 및 방음재(防音材)로서 널리 이용되 고 있으나, 900℃ 정도로 가열시 원래 두께의 20배 정도까지 팽창하는 자체 탄성 을 지니고 있어 가열 팽창된 질석을 건축자재로 가공시 가열프레스 단계 등의 성형단계가 있는 공정에서는 전혀 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 펄라이트는 진주암, 흑요석, 송지석 등을 고온에서 열처리하여 팽창시킨 불연성 무기질재질로 화재시 유독가스의 발생위험이 전혀 없고 무수한 공극이 형성되어 있어 가볍고 흡음성 및 단열성이 우수한 특성을 지니고 있으나, 건축자재로 가공시 가열프레스 단계 등의 가압성형단계가 있는 공정에서는 펄라이트 입자의 공극이 깨짐으로써 완제품의 접착력, 흡음성 등이 저하되는 문제점이 있었다.
종래에는 상기와 같은 특성을 지닌 펄라이트를 이용하여 본 출원인이 특허출원번호 제 10-2003-0054548호의 펄라이트를 이용한 다기능, 다공질 세라믹 형상을 갖는 건축자재의 제조방법을 선출원하였으며, 상기 선출원된 발명은 내열, 단열 및 흡음재로서 펄라이트 입자와 결합재인 소듐 실리코 알루미네이트(Sodium Silico Aluminate)(Na2O·Al2O3X·SiO2)로 된 액상규산소다와 경화제와 물이 일정비율로 배합된 배합재를 교반기에서 혼합 및 반죽하고 반죽된 펄라이트에 과다하게 첨가된 배합재를 망사식 콘베이어를 이용하여 이송시켜 걸러낸 다음 일정 형상의 성형몰드에 넣되 성형물의 중앙에 부직포를 수평하게 삽입한 상태에서 프레스식 성형기로 가압 성형하고 탈형하여 일반 연속건조로에서 60 ~ 250℃로 서서히 가온하여 1 ~ 2시간 정도 양생 건조한 후 냉각시켜 건축재를 완성하도록 되어 있는 것이나, 상기 제조방법으로 제조된 세라믹 건축자재는 소듐 실리코 알루미네이트로 된 액상규산소다가 물에 용해되는 성질을 지니고 있어 물이나 습기에 의해 세라믹 건축자재의 경도 및 강도가 크게 저하되며, 프레스로 가압성형시 펄라이트 입자가 가압되면서 깨져 펄라이트 입자의 공극을 차단함으로써 흡음성이 저하되고 원래의 입자가 파괴되어 강도가 저하되며 부스러진 입자가 세라믹 건축자재의 표면에서 계속적으로 묻어나와 판넬 등의 기타 자재에 접착성이 떨어지고, 양생 및 건조가공시 고온에서 급온시켜 건조하게 되면 표면에 크렉이 발생되거나 변형되어 저온에서 부터 서서히 가온시켜 양생 건조해야 하므로 많은 시간이 소요되어 생산시간 및 생산비용이 증가하게 되는 문제점들이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로 결합재로서 물에 대한 용해성이 낮고 고온에서 발포성질을 지닌 소듐 알루미노 실리케이트 용액을 이용하여 완성된 세라믹 성형체가 물에 대한 용해성이 낮아 경도 및 강도가 저하되는 것을 방지하며, 프레스 가압성형방법이 아닌 고온 발포성형방법을 새롭게 적용하여 펄라이트 입자가 가압되면서 깨져 압축강도 및 접착성이 저하되는 것을 방지하고, 가열 팽창된 질석의 경우에도 고온 발포성형방법에 의해 고강도에 단열성 등이 우수한 발포 세라믹 성형체를 제조할 수 있도록 하며, 표면에 크렉이나 변형없이 단시간에 가볍고 단열성 및 흡읍성 등 우수한 고강도 발포 세라믹 성형체를 제조할 수 있도록 하는 것에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 결합재로서 물에 대한 용해성이 낮고 고온에서 발포성을 지닌 소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate) 용액에 압축강도 증가를 위한 점토 또는 벤토라이트를 일정비율로 혼합하여 1차 혼합물을 제조하고 상기 1차 혼합물에 가열 팽창된 질석 또는 펄라이트와 황토분말을 각각 일정비율로 혼합 교반하여 2차 혼합물을 제조한 다음 성형틀에 2차 혼합물을 충진시키고 고온의 마이크로웨이브로에서 가열 발포시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 고강도 발포 세라믹 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이하 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 고강도 발포 세라믹 성형체는 완전 불연재(不燃材)로 높은 단열성, 접착성, 경량성, 내수성이 유지되면서도 압축강도와 흡음성과 항균성 및 탈취효과 등이 강화된 것으로 건축 내외장재 등의 다양한 용도로 사용된다.
먼저 본 발명에 따른 세라믹 성형체를 제조하기 위한 혼합물을 제조하는 단계로, 결합재로서 물에 대한 용해성이 낮고 고온에서 발포성을 지닌 소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate) 용액(Na2O·Al2O3·SiO2·xH 2O) 100중량부에 대하여 압축강도 및 접착력 증가를 위한 점토 또는 벤토라이트를 5 ~ 25중량부 혼합하여 1차 혼합물을 제조하고, 상기 1차 혼합물 100중량부에 대하여 무기질 재질로 다공질(多孔質)로 되어 있으며 가볍고 흡음성 및 단열성이 우수한 가열 팽창된 질 석 또는 펄라이트를 45 ~ 90중량부를 혼합하여 2차 혼합물을 제조하게 된다.
상기 소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate) 용액은 결합재로 작용하는 것으로 산화나트륨(Na2O) 30중량%와 이산화규소(SiO2) 7.5중량%와 산화알루미늄(Al2O3) 0.3 ~ 5중량%와 물(H2O) 57.5 ~ 62.2중량%의 비율로 특정된 것을 사용하는데, 상기 특정 비율로 조성된 소듐 알루미노 실리케이트 용액은 물에 대한 용해성이 낮고 백화현상이 발생하지 않으며 압축강도 및 접착성이 크고 300℃에서는 대략 30분 이내에 발포되고 800℃에서는 대략 1분 이내에 발포되는 특성을 지니고 있다.
상기 점토 또는 벤토라이트는 일반적으로 단열성과 접착성이 우수한 재질로 완제품의 압축강도 및 접착성을 증가시키기 위해 소정의 비율로 첨가되며, 점토 또는 벤토라이트의 입자크기가 1 ~ 10μm 정도인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 소듐 알루미노 실리케이트와 점토 또는 벤토라이트가 혼합된 1차 혼합물은 혼합된 상태로 서서히 응고되기 때문에 혼합한 후 10분이내에 가열 팽창된 질석 또는 펄라이트를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 1차 혼합물에 첨가 혼합되는 가열 팽창된 질석 또는 펄라이트는 가볍고 다공질로 불연성과 단열성 및 흡음성을 지닌 것으로, 가열 팽창된 질석은 입자의 크기가 0.8 ~ 10mm 정도인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 펄라이트는 입자의 크기가 0.5 ~ 10mm 정도인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 필요에 따라서는 상기 2차 혼합물에 상기 1차 혼합물 100중량부에 대하여 기능성을 부여하기 위하여 황토분말을 5 ~ 10중량부 혼합할 수 있으며, 상기 황토분말은 일반적으로 항균성 및 탈취효과가 우수하고 일정한 습도조절, 원적외선 방사 등의 기능성을 발휘하기 위해 첨가되는 것으로 1 ~ 10μm 정도의 입도를 지닌 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 1차혼합물에 가열 팽창된 질석 또는 펄라이트와 황토분말을 혼합시 대략 2 ~ 5분정도 고르게 교반 혼합하는 것이 바람직하며, 장시간 교반 혼합하게 되면 질석 또는 펄라이트의 공극을 1차 혼합물이 차단하여 세라믹 성형체의 단열성 및 흡음성 등이 저하된다.
다음에는 상기 2차 혼합물을 발포성형하는 단계로, 소정의 형상을 지닌 성형몰드에 상기 2차 혼합물을 충진하되, 대략 1/2 ~ 2/3 정도까지만 충진하고 300 ~ 800℃로 가온된 상태의 마이크로웨이브로(microwave furnace)에 넣고 1 ~ 30분 정도로 가열하여 발포시키게 된다.
상기 성형몰드는 세라믹 등의 부도체 재질로 되어 있는 것으로 통상의 마이크로웨이브로(microwave furnace)에서 발생되는 마이크로파에 영향을 받지 않도록 되어 있다.
필요에 따라서 상기 성형몰드에 2차 혼합물을 충진하는 과정에서 가운데 부분에 종이섬유나 부직포 또는 폴리에스테르 등의 벌집형상의 얇은 지지대를 수평상태로 삽입하여 완성된 세라믹 성형체의 강도를 증가시킬 수도 있다.
상기 마이크로웨이브로(microwave furnace)는 초단파보다 주파수가 높은 300 ~ 3,000MHz의 UHF(ultrahigh frequency:데시미터파), 3 ~ 300GHz의 SHF(superhigh frequency:센티미터파)의 마이크로파를 발생시키는 통상의 가열장치로, 마이크로파의 특성상 상기 2차 혼합물을 내부에서 부터 가열시켜 고온에서도 크렉이나 변형없이 단시간에 고르게 가열 건조시킬 수 있는 통상의 가열장치이며, 본 발명에서는 (주)진양플라텍社의 microwave로를 사용하였다.
상기 가열온도는 300℃ 이상에서 가열시 발포되는 소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate)의 특성에 따라 특정된 것이며, 가열시간은 성형체의 두께와 크기에 따라 조정할 수 있다.
일정의 온도 및 시간 조건에서 가열된 2차 혼합물은 무한정 발포되는 것이 아니고 소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate)의 첨가량에 비례하며 일반적으로 성형몰드에 넣어진 상기 2차혼합물 부피의 1.5 ~ 2배 정도로 발포되어 세라믹 성형체가 완성된다.
본 발명에 따른 실시예는 다음과 같다.
< 실시예 1 >
소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate)(산화나트륨(Na2O) 30중량%, 이산화규소(SiO2) 7.5중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 2중량%, 물(H2 O) 60.5중량%로 구성된 것) 용액 100g에 점토 10g을 혼합하여 1차 혼합물을 제조하고, 상기 1차 혼합물 100g을 취하여 가열 팽창된 질석 60g을 혼합하여 2차 혼합물을 제조한다. 상기와 같은 비율로 제조된 2차 혼합물을 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 50mm의 세라믹 성형몰드내에 충진시키되, 2/3 정도의 높이까지만 채워 넣고 마이크로웨이브로((주)진양플라텍社의 microwave로)에서 500℃로 20분정도 가열 발포시켜 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 50mm의 세라믹 성형체를 제조한다.
< 실시예 2 >
소듐 알루미노 실리케이트(sodium aluminosilicate)(산화나트륨(Na2O) 30중량%, 이산화규소(SiO2) 7.5중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 2중량%, 물(H2 O) 60.5중량%로 구성된 것) 용액 100g에 벤토라이트 10g을 혼합하여 1차 혼합물을 제조하고, 상기 1차 혼합물 100g을 취하여 펄라이트 60g을 혼합하여 2차 혼합물을 제조한다. 상기와 같은 비율로 제조된 2차 혼합물을 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 50mm의 세라믹 성형몰드내에 충진시키되, 2/3 정도의 높이까지만 채워 넣고 마이크로웨이브로((주)진양플라텍社의 microwave로)에서 500℃로 20분정도 가열 발포시켜 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 50mm의 세라믹 성형체를 제조한다.
< 비교예 >
펄라이트 430g과 소듐 실리코 알루미네이로 된 액상규산소다 132.5g과 경화 제(석고) 45g과 물 60g이 일정비율로 배합된 배합재를 교반기에서 혼합 및 반죽하고 반죽된 배합재를 망사식 콘베이어를 이용하여 이송시켜 걸러낸 다음 금속제 성형몰드에 넣고 프레스식 성형기로 가압하여 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 50mm로 제작한 후 탈형하여 일반 연속건조로에서 60 ~ 250℃로 서서히 가온하여 2시간 정도 양생 건조한 후 냉각시켜 세라믹 성형체를 제조한다.
상기와 같이 제조된 실시예 1 및 2와 비교예를 각각 동일한 조건하에서 밀도(경량성), 굽힘강도, 압축강도, 열저항, 열전도율, 연소성, 접착성을 측정하였으며, 그 결과는 < 표 1 >과 같다.
상기 접착성 측정은 금속제 판넬에 접착제를 1mm 두께로 도포한 후 실시예 1 및 2와 비교예를 접착한 후 20시간 후의 접착력을 시험한 것이다.
< 표 1 > 실시예 1 및 2와 비교예의 측정결과
구분 시험항목 실시예 1 실시예 2 비교예 비 고
밀도(kg/㎥) 289 280 337 경량성
굽힘강도(N/㎠) 58 56 47
압축강도(N/㎠) 93 89 71
열저항(㎡h℃/㎉) 0.211 0.189 0.114
열전도율(w/mK) 0.032 0.034 0.093
연소성(sec) 0 0 0
접착성 양호 양호 미흡
상기 < 표 1 >의 측정결과와 같이 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 세라믹 성형체는 비교예의 세라믹 성형체보다 동일 크기를 지니고 있으나 밀도가 작아 가볍고 굽힘강도 및 압축강도가 높아 고강도를 나타내며 열저항이 크고 열전도율이 작아 내열성 및 단열성이 우수하며 접착성 또한 우수한 발포 세라믹 성형체를 제공할 수 있음 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의하면 결합재로서 물에 대한 용해성이 낮고 고온에서 발포성질을 지닌 소듐 알루미노 실리케이트 용액을 이용하여 완성된 세라믹 성형체는 압축강도가 높고 가벼우며 내수성이 뛰어나며, 프레스 가압성형방법이 아닌 고온 발포성형방법을 새롭게 적용하여 펄라이트 입자가 가압되면서 깨져 압축강도 및 접착성이 저하되는 것이 방지되고, 가열 팽창된 질석의 경우에도 고온 발포성형방법에 의해 고강도에 단열성 등이 우수한 발포 세라믹 성형체를 제조할 수 있으며, 표면에 크렉이나 변형없이 단시간에 가볍고 단열성 및 흡읍성 등이 우수한 고강도 발포 세라믹 성형체를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 결합재로서 소듐 알루미노 실리케이트 용액과, 압축강도 및 접착력 증가를 위한 점토 또는 벤토라이트와, 다공질로 가볍고 흡음성 및 단열성이 우수한 가열 팽창된 질석 또는 펄라이트를 혼합하여 가열 성형하는 세라믹 성형체의 제조방법에 있어서, 물에 대한 용해성이 낮고 고온에서 발포성을 지니도록 산화나트륨(Na2O) 30중량%와 이산화규소(SiO2) 7.5중량%와 산화알루미늄(Al2O3) 0.3 ~ 5중량%와 물(H2O) 57.5 ~ 62.2중량%의 비율로 특정되어 있는 소듐 알루미노 실리케이트 용액 100중량부에 대하여 상기 점토 또는 벤토라이트를 5 ~ 25중량부 혼합하여 1차 혼합물을 제조하고, 1차 혼합물 100중량부에 대하여 상기 가열 팽창된 질석 또는 펄라이트를 45 ~ 90중량부를 혼합하여 2차 혼합물을 제조한 후 세라믹소재의 성형몰드에 2차 혼합물을 충진하고 300 ~ 800℃로 가온된 상태의 마이크로웨이브로에 넣어 1 ~ 30분 정도로 가열 발포시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 고강도 발포 세라믹 성형체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 2차 혼합물에 1차 혼합물 100중량부에 대하여 1 ~ 10μm의 입자크기를 지닌 황토분말 5 ~ 10중량부를 첨가 혼합하는 것을 특징으로 하는 고강도 발포 세라믹 성형체의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 성형몰드에 2차 혼합물을 충진하는 과정에서 가운데 부분에 종이섬유나 부직포 또는 폴리에스테르로 된 벌집형상의 얇은 지지대를 수평상태로 삽입하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고강도 발포 세라믹 성형체의 제조방법.
  5. 삭제
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