KR100737398B1 - 목탄을 이용한 건조 시멘트 몰탈의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목탄을 이용한 건조 시멘트 몰탈의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 목탄을 소성 및 건조시켜 진동분쇄기로 분쇄하여 목탄을 냉각하는 공정과, 시멘트에 소성 및 건조된 모래를 혼합하여 시멘트 몰탈을 제조하는 공정과, 상기에서 혼합된 시멘트 몰탈에 건조된 목탄을 혼합하는 공정으로 구성되어 있다.

목탄은 1g당 비표면적이 약 200∼400m²이 되는 무기고분자로서 흡착력이 크고 다공성이며, 불순물이 적고 흑색이며 부패하지 않는 특징을 갖고 있다. 이와 같은 목탄의 이화학적 성질을 효과적으로 이용하여 건축자재로 사용되는 시멘트 몰탈 제조에 적용시켜 건축자재 및 생활용품 등 실내에서 발생되는 유해가스를 제거할 뿐만 아니라 목탄의 다공성에 의한 보온효과 및 유류 절감효과를 개선할 수 있다.

Description

목탄을 이용한 건조 시멘트 몰탈의 제조방법{Preparation of dry cement mortar using a charcoal}

도 1은 본 발명의 제조공정도이다.

도 2는 목탄 함량 변화에 따른 목탄 시멘트 몰탈의 압축강도를 나타낸 그래프이다.

도 3은 시간경과에 따른 목탄 시멘트 몰탈의 탈취율 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 목탄을 이용한 건조 시멘트 몰탈의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 목탄을 700∼1,300℃에서 소성 및 건조시켜 햄머크레샤로 3차에 걸쳐 파쇄하고 진동분쇄기로 분쇄하여 입경 100∼450mesh 정도의 목탄을 냉각하는 공정과, 포틀랜드1종 시멘트에 700∼1,300℃에서 소성 및 건조된 입경 170mesh 정도의 모래를 용도에 따라 굵은 모래(왕사) 1∼3mm, 가는 모래(중사) 0.5∼1mm, 0.5mm(세사)로 선별하여 1:1:1(중량비)로 혼합하여 시멘트 몰탈을 제조하는 공정과, 상기에서 혼합된 시멘트 몰탈에 건조된 목탄을 시멘트 25％ : 모래 55∼70％ : 목탄 5∼20％의 중량 비율로 벌크 통에서 혼합하여 스크류 믹서기를 통해 완전히 혼합하는 공정을 통하여 제조된다.

최근 경제 성장과 더불어 전 세계적으로 환경오염이 심각한 문제로 부각되고 있다. 실내공기오염은 매우 다양하고 복잡한 원인에 의해 발생되며, 오염된 공기가 실내로 유입되거나 연소와 흡연 등과 같은 거주자의 활동 그리고 단열재와 내부 마감재 등과 같은 건축자재 및 생활용품 등에서 비롯된다.

이와 같은 요인들로 인해 건물의 실내공기가 악화되면서 선진국에서는 밀폐된 건물 내, 특히 신축건물에서 두통, 현기증, 메스꺼움, 졸음, 눈의 자극, 집중력 감소 등을 호소하는 빌딩증후군이라는 새로운 증상이 나타나 실내환경의 중요성에 대해 큰 관심을 갖게 되었다.

이러한 일련의 동향은 다양한 합성 물질이 함유된 건축자재의 사용이 증가되고 있는 반면, 일반인들은 로하스(LOHAS: Lifestyle of Health and Sustainability) 열풍에 힘입어 환경과 건강 그리고 안전을 지향하는 주거환경에 대한 관심이 높아진데 기인한다. 이러한 국내외적인 여건변화와 소비자의 요구에 따라 건축 및 건축자재업체들은 환경친화적인 소재의 개발과 사용을 통한 "자연 경영"으로 활로를 모색하고 있다. 또한 건축물 내부에서 발생되는 공기 오염물질을 제거하기 위한 연구도 다각적으로 진행되고 있다.

한편 목재탄화를 통해 생산되는 목탄은 친환경적인 소재로 다양한 분야의 자 재로 부각되고 있다. 목탄은 생산하는 방식에 따라 가장 원시적인 방법인 무개제탄법(無蓋製炭法), 갱내제탄법(坑內製炭法), 퇴적제탄법(堆積製炭法)과, 한국, 일본, 중국 등지에서 예로부터 사용해 오던 방법인 축요제탄법(築窯製炭法), 평요제탄법(平窯製炭法), 이동식탄화법(乾溜炭化法), 건류탄화법(乾溜炭化法) 등으로 구분할 수 있다.

특히 축요제탄법은 일반인들에게 알려져 있는 흑탄, 백탄을 구분하는 제탄방식이다. 진흙, 돌, 내화벽돌, 단열시멘트, 콘크리트, 철판 등으로 제탄요를 축조하여 탄화시키며 질이 좋은 목탄을 만들 수 있다.

탄요와 탄화조작의 차이에 따라 흑탄요는 진흙을 사용하여 만들며 탄재를 넣어 350∼400℃로 탄화시키고 최후에 약 700℃로 온도를 높여 목탄을 정련한 후 요입구, 통풍구, 배연구 등을 밀폐하여 2∼3일간 방치 냉각시킨 다음 출탄하는 요내에서 소화하는 방법이다.

백탄요는 요벽은 돌로 만들고 천정은 진흙을 사용하여 만들고, 탄화조작은 300℃로 탄화하고 최후에 요입구를 서서히 넓혀 900∼1,000℃로 목탄을 충분히 정련시켜 벌겋게 달군 후 한 개씩 꺼내어 소분(消粉, 흙, 모래, 회분 등이 혼합된 것)을 덮어 급히 소화하고 냉각시키는 요외소화 방식이다.

이러한 목탄의 성질은 제탄방식 등에 따라 다양하지만, 일반적으로 탄소가 약 80∼90％이며, 그 외 산소, 수소 및 회분(무기성분)을 함유하는 복잡한 탄소질 무기고분자 물질이며, 내부의 공간이 많아 1g당 비표면적은 약 200∼400m2이 된다. 또한 흡착력(吸着力)이 크고 다공성(多孔性)이며, 불순물이 적고 흑색이며 부패하 지 않는 특징을 갖고 있다.

따라서 이러한 목탄의 물리적, 화학적 성질을 효과적으로 이용하여 건축자재로 사용되는 시멘트 몰탈 제조에 사용한다면 건축자재 및 생활용품 등 실내에서 발생되는 유해가스를 제거할 뿐만 아니라 목탄의 다공성에 의한 보온효과 및 유류 절감효과를 개선할 수 있다.

종래에는 시멘트 콘크리트가 건축재에 주로 사용되어 왔으며, 최근에는 전통 한옥 등에서 많이 사용하였던 황토나 맥반석 등이 저층 건물의 건축재로 많이 사용되고 있다. 또한 기존의 시멘트 건축물을 대신하여 목재를 사용한 목조주택 등이 친환경 소재로 다각적으로 사용되고 있다. 그러나 이러한 소재들은 여러 가지 장점에도 불구하고, 시공단가가 높으며, 고층 건물에 적용하기 어렵다는 문제점 때문에 광범위한 이용이 사실상 어려운 실정이다. 또한 이러한 다각적인 시도에도 불구하고, 원료 자체에서 유발되는 환경적인 문제에 대한 해결이 미진한 상황이고, 효과에 대한 지속성 여부 등에 대한 검증이 부족하다고 볼 수 있다.

그 밖에 한국특허공개 2004-0065131(건축용 난방골재 대체용 숯 축열재 제조방법)은 백탄분말, 맥반석분말, 점토, 전기석, 생석회, 희토광물을 분쇄하는 단계와, 반죽하는 단계와, 유압실린더로 압축하는 단계와, 압축제품을 절환하는 단계와, 소성살균하는 단계로 구성되어 있으나, 본 발명과는 기술적 구성이 다른 것이다.

본 발명은 건축자재로 사용되는 시멘트 몰탈에 있어서 백탄 분말을 첨가함으로써 탈취력, 보수력, 항균력 및 포름알데히드와 휘발성유기화합물과 같은 유해가스 제거를 개선시키며, 다공성과 축열성능을 이용하여 건물 축조 후, 보일러 유류를 절감하며, 축열 효과를 향상시키는 데 있다. 또한 시멘트 몰탈에 목탄을 이용하여 친환경 건축자재를 제조함으로써 실내 습도를 적절하게 조절하여 주며, 곰팡이 등의 발생을 억제시켜 쾌적한 주거환경을 조성하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 목탄을 소성 및 건조시켜 진동분쇄기로 분쇄하여 목탄을 제조하는 공정과, 시멘트에 소성 및 건조된 모래를 혼합하여 시멘트 몰탈을 제조하는 공정과, 상기에서 혼합된 시멘트 몰탈에 건조된 목탄을 혼합하는 공정을 포함하는 목탄을 이용한 시멘트 몰탈의 제조방법을 나타내고 있다.

원료인 목탄은 참나무 이외에 졸가지 묘목견, 떡갈나무, 졸참나무, 상수리나무, 밤나무, 낙엽송, 소나무, 삼나무, 노송나무 외 대나무, 왕겨, 야자껍질, 매실, 잣, 뽕나무 등을 사용할 수도 있다.

본 발명은 참나무를 원료로 전통식 목탄가마에서 제조하였으며, 탄화온도는 약 1,000℃ 로서 1,050℃ 이상에서 정련하는 백탄방식을 채택하였다. 본 발명의 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같으며 반드시 아래에 한정되는 것은 아니다.

시멘트 몰탈은 목탄을 미분말로 파쇄 건조하는 공정, 시멘트에 건조된 모래를 혼합하는 공정 및 상기 혼합된 몰탈에 건조된 목탄을 혼합하는 공정을 통하여 제조된다. 포틀랜드 시멘트에 1,300℃에서 소성 건조된 입경 170mesh 정도의 규사와 모래 및 700∼1,300℃에서 소성 건조된 입경 100∼450mesh 정도의 목탄을 20∼30％ : 10∼15％ : 55∼65％ : 5∼20％의 중량 비율로 벌크 통에서 혼합하여 스크류 믹서기를 통해 완전히 혼합한 후 포장한다. 이 경우 강모래의 선별을 용도에 따라 굵은 모래(왕사) 1∼3㎜, 가는 모래(중사) 0.5∼1㎜, 0.5㎜(세사)로 선별하여 1:1:1(중량비)로 혼합하며, 목탄은 햄머크레샤를 이용하여 3차에 걸쳐 파쇄하고 진동분쇄기로 분쇄한 후, 소성, 건조 및 냉각공정을 거쳐 저장한다.

이하 본 발명을 하기의 실시예 및 시험예에 의해 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>; 목탄 제조

참나무원료 10톤을 사용하여 재래식 백탄요에 넣고 273℃ 내외로 탄화가 시작되고, 700∼1,300℃에서 96∼160시간 동안 2차 탄화 과정을 거쳐 목탄을 생산 한 후, 수분함량 10％ 미만으로 건조시켜 햄머크레샤로 3차에 걸쳐 파쇄하고 진동분쇄기로 분쇄하여 입경 100∼450mesh 정도의 목탄분말 500kg을 얻었다.

<실시예 2>; 시멘트 몰탈 제조

포틀랜드 시멘트(KSL 5210, 1종)30wt％에 1300℃에서 소성 건조된 입경 170mesh 정도의 규사 10wt％와 모래 60wt％(굵은 모래(왕사) 1∼3㎜, 가는 모래(중사) 0.5∼1㎜, 0.5㎜(세사))를 선별하여 1:1:1(중량비)로 혼합하여 시멘트 몰탈100Kg을 얻었다.

<실시예 3>; 목탄 시멘트 몰탈 제조

실시예 2에서 혼합된 규사질 시멘트 몰탈 90wt％에 건조된 목탄 10wt％를 벌크 통에서 혼합하여 스크류 믹서기를 통해 완전히 혼합하여 건조된 목탄 시멘트 몰탈 100kg을 얻었다.

<시험예>

건조된 목탄 시멘트 몰탈의 목탄 첨가량에 따른 물성을 조사하기 위하여 재단법인 한국건자재시험연구원에서 표 1과 같이 분석을 실시하였다. 목탄 첨가량은 미첨가구를 대조구로 사용하였으며, 목탄 함량을 5％, 10％, 15％, 20％로 조절하였다. 한편 건조 몰탈의 항균시험(대장균) 및 암모니아 가스 탈취시험은 목탄 함량 10％를 일반시멘트와 비교하여 조사하였다.

표 1. 건조 시멘트 몰탈 분석항목 및 시험방법

시험품목	시험항목	시험방법
건조 시멘트 몰탈	압축강도(7일, 28일)	KSL 5220-'03
	보수성
	공기량
	탈취율	KICM-FIR-1085
	항균시험	KICM-FIR-1002

(1) 압축강도 변화

건조된 목탄 시멘트 몰탈의 목탄 첨가량에 따른 압축강도 변화는 표 2, 도 2와 같다. 건조된 시멘트 몰탈의 압축강도는 7일과 28일을 기준으로 측정하며, KS 일반미장용 몰탈의 압축강도는 7일과 28일을 기준으로 각 각 7.1N/㎟ 이상, 10.2N/㎟ 이상으로 규정하고 있다.

목탄을 첨가하지 않은 미첨가구의 경우 7일째 압축강도가 14.9N/㎟, 28일 경과 후에는 17.9N/㎟를 나타냈으며, 목탄을 5％ 첨가함에 따라 7일째 21.7N/㎟, 28일에는 31.1N/㎟로 기준치와 비교하여 상당히 우수한 압축강도를 보였다.

목탄을 10％ 첨가함에 따라 7일 경과 후 11.2N/㎟, 28일 경과 후에는 13.9N/㎟를 나타냈으며, 15％ 목탄 첨가까지도 KS 일반 미장용 몰탈 기준을 상회하였다. 그러나 목탄을 20％ 이상 첨가하였을 경우에는 기준치 미만의 수치를 나타내어, 건조 몰탈의 목탄 첨가량은 15％ 이하가 적정한 수준인 것으로 판단된다. 또한 목탄 첨가량이 증가할수록 압축강도의 하락이 발생하였다.

<표 2> 목탄 첨가량에 따른 압축강도 변화 (7일, 28일)

항목	압축강도(7일) [N/㎟]	압축강도(28일) [N/㎟]
KS 일반 미장용 몰탈	7.1 이상	10.2 이상
미 첨가구	14.9	17.9
목탄 5％	21.7	31.1
목탄 10％	11.2	13.9
목탄 15％	7.2	11.8
목탄 20％	5.0	8.0

(2) 보수성 변화

보수성이란 물과 몰탈과의 분리를 방지하는 정도를 측정하는 것으로 수치가 높을수록 유리하다. 목탄 첨가량 변화에 따른 건조시멘트 몰탈의 보수성 변화는 표 3과 같다. 목탄을 첨가하지 않은 미첨가구의 경우 68％의 보수성을 나타낸 반면, 목탄을 5％ 첨가함에 따라 76％로 8％의 보수성 증가를 나타냈으며, 목탄 첨가량이 5％ 증가할수록 약 2∼3％의 보수성이 지속적으로 증가하였다.

표 3. 목탄 첨가량에 따른 보수성 변화

항목	보수성(％)
KS 일반 미장용 몰탈	70 이상
미 첨가구	68
목탄 5％	76
목탄 10％	78
목탄 15％	80
목탄 20％	83

(3) 탈취시험

목탄을 첨가한 시멘트 몰탈의 탈취력을 조사한 결과는 표 4, 도 3과 같다.

목탄 첨가량은 10％로 고정하였다. 탈취시험은 암모니아(NH3)가스의 시간경과(30, 60, 90, 120분)에 따른 시료농도 차이에 의해 계산하였다.

일반시멘트 몰탈의 경우 30분경과 후 53.6％의 탈취율을 나타낸 반면, 목탄 첨가 시멘트 몰탈의 경우 61.3％로 약 7.7％의 탈취율 개선이 나타났다. 또한 일반시멘트 몰탈은 120분경과 후 59.5％, 목탄 첨가 시멘트 몰탈은 71.6％로 약 12.1％의 탈취율 차이를 나타내었다. 따라서 시멘트 몰탈에 대한 암모니아 가스의 탈취율은 목탄 첨가에 따라 개선됨을 알 수 있다.

표 4. 건조 시멘트 몰탈의 탈취력

시험항목	탈취시험(NH3)		시험항목	탈취시험(NH3)
	경과시간(분)	탈취율(％)		경과시간(분)	탈취율(％)
일반시멘트 몰탈	30	53.6	목탄 시멘트 몰탈	30	61.3
	60	56.6		60	67.8
	90	58.8		90	70.2
	120	59.5		120	71.6

이상의 시험결과로부터 본 발명의 목탄 시멘트 몰탈은 종래의 건축재에 비하여 보습성 및 탈취율이 우수함을 알 수 있다.

본 발명의 목탄은 흡착력이 크고 다공성이며, 불순물이 적고 흑색이며 부패하지 않는 특징을 갖고 있다. 또한 목탄시멘트 몰탈은 보습성과 흡수율이 우수하여 건축재 및 생활용품에 적용시 실내에서 발생되는 유해가스를 제거할 뿐만 아니라 목탄의 다공성에 의한 보온효과 및 유류 절감효과를 개선할 수 있다.

Claims (7)

1. 나무를 700∼1,300℃에서 탄화시켜 고경질의 탄소를 함유한 숯을 제조한 후, 건조시켜 진동분쇄기로 분쇄하여 입경 100∼450mesh의 목탄을 냉각하여 목탄분말을 얻는 공정과,

   규사를 1,300℃에서 소성 및 건조한 입경 170mesh 정도로 선별한 규사질을 소성시켜 건조한 규사와; 규사 및 모래가 혼합된 포틀랜드시멘트와; 1∼3㎜의 왕사, 0.5∼1㎜의 중사, 0.5㎜이하의 세사를 1:1:1의 중량비로 혼합한 강모래를 10wt％:30wt％:60wt％을 혼합하여 규사질 시멘트 몰탈을 얻는 공정과,

   상기에서 혼합된 규사질 시멘트 몰탈과 건조된 목탄을 80∼95wt％:5∼20wt％의 비율로 혼합하여 목탄 시멘트 몰탈을 제조하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 목탄을 이용한 시멘트 몰탈의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 목탄을 700∼1,300℃에서 탄화시켜 고경질의 탄소를 함유한 숯을 제조한 후, 건조시켜 파쇄 및 분쇄하여 입경 100∼450mesh의 목탄을 냉각하여 목탄분말을 얻는 것을 특징으로 하는 목탄을 이용한 시멘트 몰탈의 제조방법.
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