KR100741227B1 - 발포유리 경량단열재 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포유리 경량단열재 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 수산화칼슘(CaOH₂)과, 수산화마그네슘(MgOH₂) 또는 백운석(MgCO_3·CaCO₃)과, 인산(H₃PO₄)과의 수화반응에 의하여 형성된 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트 [Ca_10(1-x)Mg_10x(PO₄)₆(OH)₂:여기서 _x는 Ca, Mg의 몰농도를 말함]분말과 유리분말과의 혼합 소성에 의하여 형성되고, 또한 적정 압력 하에서 프레스성형됨으로써, 제조공정이 간단하고 순백색의 초미립자로 형성되므로 불연성으로 화재시 유해가스의 발생 염려가 없으며 가볍고 단열 및 방음성이 뛰어남은 물론, 패널, 보오드 등 건축용품 및 생활용품으로의 적용시 다양한 색상 연출이 가능하여 상품의 가치를 한층 증진시킬 수 있다.

發泡유리, apatite, 斷熱材, panel, 타일, board

Description

발포유리 경량단열재 및 그의 제조방법{lightweight heat insulator of foamed glass and method for producing the same}

본 발명은 발포유리 경량단열재 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 경량성, 단열성 및 불연성이 뛰어나 건축자재용 패널 또는 타일 등으로 적절히 적용될 수 있는 발포유리 경량단열재 및 그의 제조방법에 대한 것이다.

건축용으로 사용되고 있는 소위 스티로폼이라고 널리 알려진 폴리스티렌포옴(polystyrene foam)이나 폴리우레탄포옴(polyurethane foam)은 가볍고 단열 및 내화성은 양호하나 연소가 잘되며 화재시 유독가스를 방출하므로 인명피해가 큰 단점이 있어서, 최근에는 이를 대체할 수 있는 건축용 발포재가 새로이 많이 개발되고 있다.

그 중 가장 대표적인 것으로 거품유리라고도하는 발포유리를 들 수 있으며, 발포유리는 무기질인 유리의 특성과 기포에 기인하여 경량성, 단열성, 불연성 등의 특성을 발휘하므로 보온단열재, 방음 및 차음재로서 구조물이나 건축물에 많이 적용되고 있다.

그러나, 지금까지의 발포유리는 일반 병유리, 판유리를 원료로 하여 카본, 석회석, 인회석을 사용하여 유리분말을 발포시킨 것으로서, 이들 발포유리는 기공분포의 균일화 및 기공 크기의 조절에 어려움이 있으며 특히 카본을 사용할 경우 소성방법 등의 처리 절차가 복잡하고 색상이 검어서 밝은 색상의 완제품을 생산할 수 없는 단점이 있었다.

본 발명은 종래의 발포유리에서의 상기와 같은 문제점을 해결하여 보다 물성이 개선된 발포유리를 제공하고자 예의 연구를 경주한 결과, 칼슘에 마그네슘을 포괄시킨 아파타이트를 유리분말의 발포에 적용함으로써 기공율, 기공크기, 비중 및 흡수율을 조정할 수 있는 발포유리를 얻을 수 있음을 알게 되었으며, 기존의 발포유리와는 달리 방음 및 단열 등 물성이 뛰어나고 불연성이어서 화재시 유독가스가 발생하지 않고 제조공정이 간단하면서도 압축강도 및 열전도도 등의 물성이 우수하고 초미립자이어서 고급 건축자재를 비롯하여 다용도로 적용될 수 있는 경량의 발포유리 단열재를 개발하게 되었다.

본 발명에 의한 발포유리 경량단열재는 수산화칼슘(CaOH₂)과, 수산화마그네슘(MgOH₂) 또는 백운석(MgCO_3·CaCO₃)과, 인산(H₃PO₄)과의 수화반응에 의하여 형성된 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트[Ca_{10 (1-x)}Mg_10x(PO₄)₆(OH)₂:여기서 _x는 Ca, Mg의 몰농도를 말함]분말과 유리분말과의 혼합, 소성에 의하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의한 발포유리 경량단열재는 수산화칼슘(CaOH₂)과 수산화마그네슘(MgOH₂) 또는 백운석(MgCO_3·CaCO₃)을 물 또는 알코올 등의 극성용매에 희석하여 혼합한 다음, 반응용매가 비등하지 않는 50-100℃미만의 온도범위 내에서 가열하면서 교반하는 단계;

상기 교반공정 중에 25-85％의 인산(H₃PO₄)을 투입한 다음, 계속하여 PH 8-10, 100℃을 유지하면서 교반한 후, 건조, 분쇄하고 체 거름하여 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트[Ca_{10 (1-x)}Mg_10x(PO₄)₆(OH)₂:여기서 _x는 Ca, Mg의 몰농도를 말함]를 얻는 단계;

상기 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트를, 유리분말 중량 기준

~

에 해당하는 양으로 첨가, 혼합하여 건조하고 체 거름하는 단계;와

혼합분말을 성형한 다음, 전기로에 투입하여 5℃/분로 서서히 상승하여 800-900℃까지 승온시킨 후 그 온도에서 10-30분간 유지시켜 소성시킨 다음, 상온에서 자연 냉각시키는 단계;로 이루어지는 것을 또한 특징으로 한다.

상기 혼합 및 교반공정에서 사용되는 반응용매로는 물 또는 알코올 등의 극성용매가 적당하고, 교반공정시의 온도는 이들 반응용매가 비등하지 않을 정도의 온도이어야 한다. 그러므로 100℃보다 낮아야 하고 또 50℃이하이면 반응이 일어나지 않으므로 50-100℃미만의 온도범위 내에서 가열하면서 교반하여야 한다.

또한 상기 교반공정 중에 투입되는 인산(H₃PO₄)은 수산기(OH^-) 발생을 위하여 전체 반응용액이 PH 8-10의 알칼리성을 유지할 수 있는 범위 내에서 첨가 혼합된다.

그리고 본 발명에서는 유리중량에 대하여, 상기 생성된 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트[Ca_10(1-x)Mg_10x(PO₄)₆(OH)₂(여기서, _x 는 Ca, Mg의 몰농도를 말함)]는 상기 유리중량의

~

비율의 양으로 첨가되는 데, 그 첨가량이 상기 하한보다 적으면 발포가 되질 않고 상기 상한 보다 많으면 과다 발포가 일어나므로 상기 범위내로 첨가되어야 한다.

상기 성형공정은 프레스성형 또는 거푸집 성형 등 공지의 모든 방법이 적용될 수 있으며, 그 중 50-100㎏/㎠의 압력 하에서 프레스 성형할 경우 성형체의 표면상태가 양호하고 보다 압축강도를 높일 수 있으며 로스(loss)가 적고 작업이 용이하므로 가장 바람직하다. 이 때 압력이 50㎏/㎠이하이면 발포가 너무 많이 일어나고 또 100㎏/㎠이 넘으면 발포가 적게 일어나므로 부적당하다.

그리고 소성시 전기로의 온도를 서서히 상승하여 800-900℃까지 승온시키고 그 온도에서 10-30분간 유지시키는 것이 유리의 용융과 발포측면에서 가장 적당하며, 발포유리의 내부까지 완전히 발포되므로 소성시의 온도 및 시간은 중요하다.

또한 상기 소성공정 후 냉각 시킬 때 자연 냉각시키면 발포유리가 깨어지지 않으므로 급냉에 따른 균열을 방지할 수 있어서 권장된다.

이상 공정들에 의해 형성된 본 발명에서의 원료물질인 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트는 칼슘과 마그네슘을 고용체로 한 평균입경 4㎛인 미세분말로 형성 된다.

여기에 유리분말을 투입하여 상기 일정 온도에서 소성시키면 물(H₂O)이 생성되고 이 물이 수증기로 기화함에 따라 기포가 형성되어 본 발명의 발포유리가 생성된다.

즉 본 발명에서의 주요 반응 기구는 다음과 같다.

Ca₅Mg₅(PO₄)₆(OH)₂ → 5CaO5MgO3P₂O₅ + H₂O↑

또한 본 발명에 의한 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트는 그 조성 성분인 마그네슘(Mg)의 양이 칼슘(Ca)의 양보다 많아질수록 최종 발포유리의 밀도, 압축강도 및 열전도도는 작아지고, 수분흡수율이 커지므로 양 성분의 양을 적절히 조절함으로써 최종 발포유리의 물성을 조정할 수 있다.

본 발명에 따른 발포유리 경량단열재의 제조방법을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 대표적 실시례를 들어 설명하나, 이 실시례들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 정신 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 그 변형 및 정정이 가능함은 당업계에 숙지된 자라면 금방 이해할 수 있을 것이다.

(실시례 1)

소주병, 맥주병, 쥬스병 또는 판유리 등 각종 폐유리조각을 볼밀에 넣어 240메쉬(mesh) 이하로 분쇄하여 유리분말을 준비하였다.

수산화칼슘(CaOH₂)과 수산화마그네슘(MgOH₂)을 0.7:0.3의 몰비로 물에 희석하여 혼합한 다음 90℃로 계속 가열하면서 강하게 교반하였으며, 교반공정 중에 25 ％의 인산(H₃PO₄)을 투입하여 PH 8을 유지하면서 2시간 정도 추가 가열 교반하였다. 그 후 건조한 다음 분쇄하여 150메쉬 이하로 체 거름하여 일반식 Ca_{9 .7}Mg_{0 .3}(PO₄)₆(OH)₂의 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트를 얻었다.

형성된 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트 분말 20kg을, 상기 준비된 유리분말 100kg에 첨가하여 잘 혼합하고 건조한 후 100메쉬 이하로 체 거름하여 발포유리 원료분말을 제조하였다.

원료분말을 프레스 금형에 넣어 50㎏/㎠의 압력하에서 성형한 다음, 전기로에 투입하여 5℃/분로 상승하여 850℃까지 승온시킨 후 그 온도에서 30분간 유지시켜 소성시킨 다음, 자연 냉각시키고 원하는 크기의 판상형태로 정형 및 재단하였다.

이렇게 하여 형성된 발포유리의 물리적 특성을 ASTM에 따른 분석방법에 따라 측정한 바, 다음 표 1과 같은 결과를 얻었다.

표 1

물성	측정치
밀도(g/㎤)	0.45
열전도(㎉/hr.m℃)	0.08
수분흡수율(％)	5
압축강도(㎏/㎠)	21
선팽창계수(m/m℃)	8.5×1×10-6
곡강도(㎏/㎠)	18

(실시례 2)

수산화칼슘(CaOH₂)과 수산화마그네슘(MgOH₂)을 1:1의 동일한 몰비로 물에 희석하고 혼합한 것을 제외하고는, 모든 절차를 상기 실시례 1에서와 동일한 조건하에서 처리하여 일반식 Ca₅Mg₅(PO₄)₆(OH)₂의 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트를 합성하였고 최종 발포유리를 얻었다.

얻어진 발포유리를 상기 실시례 1에서와 같은 절차에 따라 시험한 결과 다음 표 2에서와 같은 결과를 나타내었다.

표 2

물성	측정치
밀도(g/㎤)	0.36
열전도(㎉/hr.m℃)	0.06
수분흡수율(％)	34
압축강도(㎏/㎠)	16
선팽창계수(m/m℃)	8.2×1×10-6
곡강도(㎏/㎠)	12

(실시례 3)

수산화칼슘(CaOH₂)과 수산화마그네슘(MgOH₂)을 1:19의 비율로 되도록 조절하 여 물에 희석한 다음 혼합한 것을 제외하고는, 실시례 2에서와 마찬가지로, 상기 실시례 1에서와 동일한 조건하에서 처리하였으며, 그 결과 일반식 Ca_0.5Mg_9.5(PO₄)₆(OH)₂의 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트를 합성하였고, 이 아파타이트를 상기 실시례 1, 2에서와 동량 첨가하고 동일하게 후속 처리하여 최종 발포유리를 얻었다.

얻어진 발포유리를 상기 실시례 1에서와 같은 절차에 따라 시험한 결과 다음 표 3에서와 같은 결과를 나타내었다.

즉 본 실시례 3과 표 1-3으로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 발포유리는 마그네슘(Mg)의 양이 많을수록 수분흡수율이 높아지고, 압축강도, 밀도, 열전도도는 낮아지므로, 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg)의 첨가량을 조절하면 원하는 용도에 따라 발포유리의 물성을 최적치로 조정할 수 있음을 알았다.

표 3

물성	측정치
밀도(g/㎤)	0.25
열전도(㎉/hr.m℃)	0.06
수분흡수율(％)	85
압축강도(㎏/㎠)	9
선팽창계수(m/m℃)	8.0×1×10-6
곡강도(㎏/㎠)	6

(비교 실시례 1)

비표면적 3000㎠/g인 분쇄된 폐유리 75중량％에, 규산나트륨(Na₂SiO₃:sodium silicate) 20중량％, 50㎠/g의 비표면적을 갖는 탄소 7.5중량％, 황산염(sulfate) 12.5중량％, 활성실리카(active silica) 40중량％, 삼산화붕소(B₂O₃:boric oxide) 20중량％로 이루어진 첨가제 25중량％를 혼합하고, 얻어진 혼합물을 150메쉬의 크기로 분쇄하여 원료 혼합물을 얻었다.

얻어진 원료혼합물을 형틀에 넣고 500℃까지의 온도로 소성한 다음 900℃에서 발포시키고, 형성된 발포유리 블럭을 700℃에서 안정화시킨 후 30℃에서 어닐링하여 최종 발포유리제품을 완성하였다.

비교 실시례 1을 통해 형성된 발포유리 제품은 그 색상이 검어서 최종 제품의 품질향상에 한계가 있었으며, 또한 그 물성에 있어서도 상기 실시례 1-3에서와 동일한 방식으로 측정한 결과, 다음 표 4에 나타내는 바와 같이 상기 실시례들의 표 1-3에 나타난 결과와는 비교할 수 없을 정도로 그 물성이 현격히 저조함을 확인할 수 있었다.

표 4

물성	측정치
밀도(g/㎤)	0.20
열전도(㎉/hr.m℃)	0.04
수분흡수율(％)	0.2
압축강도(㎏/㎠)	7
선팽창계수(m/m℃)	5.0×1×10-6
곡강도(㎏/㎠)	5

이상과 같이 특정 구성성분과 방식에 의해 제조된 본 발명에 의한 발포유리 경량단열재는 불연성이어서 화재시 유해가스의 방출 염려가 없고 인체에 무해하며 경량이면서도 방음성 및 단열성이 뛰어나고, 색상이 순백색이고 초미립자로 형성될 수 있으므로 패널이나 타일로의 적용시 다양한 색상의 연출이 가능하여서 외관품질이 수려하다.

또한 기존의 발포유리의 제조시 필요로 하였던 여러 가지 첨가제가 불필요하여 제조가 간단하고 최종 적용 용도에 따라 발포유리의 기공율도 임의로 조정할 수 있다.

Claims (3)

1. 발포유리 경량단열재는 수산화칼슘(CaOH₂)과, 수산화마그네슘(MgOH₂) 또는 백운석(MgCO_3·CaCO₃)과, 인산(H₃PO₄)과의 수화반응에 의하여 형성된 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트[Ca_{10 (1-x)}Mg_10x(PO₄)₆(OH)₂:여기서 _x는 Ca, Mg의 몰농도를 말함]분말과 유리분말과의 혼합 및 소성에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 발포유리 경량단열재.
2. 수산화칼슘(CaOH₂)과 수산화마그네슘(MgOH₂) 또는 백운석(MgCO_3·CaCO₃)을 물에 희석하여 혼합한 다음, 물이 비등하지 않는 50℃이상 100℃미만의 온도범위 내에서 가열하면서 교반하는 단계;

   상기 교반공정 중에 25-85％의 인산(H₃PO₄)을 투입한 다음, 계속하여 PH 8-10, 100℃을 유지하면서 교반한 후, 건조, 분쇄하여 체 거름하여 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트[Ca_10(1-x)Mg_10x(PO₄)₆(OH)₂:여기서 _x는 Ca, Mg의 몰농도를 말함]를 얻는 단계;

   상기 칼슘·마그네슘 수산화 아파타이트를, 유리분말 중량 기준으로

   

   ~

   

   에 해당하는 양으로 첨가, 혼합하여 건조하고 체 거름하는 단계;와

   혼합분말을 성형한 다음, 전기로에 투입하여 5℃/분로 상승하여 800-900℃까지 승온시킨 후 그 온도에서 10-30분간 유지시켜 소성시킨 다음, 상온에서 자연 냉각시키는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 발포유리 경량단열재의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 성형공정이 50-100㎏/㎠ 압력하의 프레스성형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량단열재의 제조방법.