KR101081405B1 - 세라믹 조성물과 이를 이용한 다공성 세라믹 단열재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 샌드위치 판넬이나 방화문 중간재 등으로 널리 사용되고 있는 다공성 세라믹 단열재 및 그 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리분말 44Wt% 내지 60Wt%에 플라이애쉬(Fly Ash) 8Wt% 내지 15 Wt%, 표면 처리제 인터크리트(Intercrete) 4Wt% 내지 8Wt% 및 물유리(Water Glass) 23Wt% 내지 29 Wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 조성물에 관한 것이다.
상기 조성물을 이용하여 제조된 다공성 세라믹 단열재는 가볍고, 화재 시 유해 가스의 방출이 없는 친환경 소재로서, 생산 시 가공 온도를 900℃ 이하로 낮출 수 있어 생산원가가 절감되며 판상 형태로 연속적인 제조가 가능하다는 장점이 있다.

Description

세라믹 조성물과 이를 이용한 다공성 세라믹 단열재 및 그 제조방법 {A ceramic composite, a porous ceramic insulator using the ceramic composite and Making method}
본 발명은 세라믹 조성물과 이를 이용한 다공성 세라믹 단열재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유리분말 44Wt% 내지 60Wt%에 플라이애쉬(Fly Ash) 8Wt% 내지 15 Wt%, 인터크리트(Intercrete) 4Wt% 내지 8Wt% 및 물유리(Water Glass) 23Wt% 내지 29 Wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 조성물과 이를 이용한 다공성 세라믹 단열재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에 에너지 절약 및 온실가스 감축을 위한 많은 노력들이 진행되고 있다. 이러한 측면에서 국내 전체 에너지 소비량의 약 30%를 차지하는 건축물에 있어서도 에너지 절약을 위해서 새로운 조성물 및 이를 이용한 단열재 연구가 활발히 진행되고 있다.
단열재는 열의 이동을 최소로 억제할 목적으로 사용하는 재료로써, 크게 무기계와 유기계로 나눌 수 있다. 국내는 유기 단열재가 70%를 점유하고 있으며, 무기 단열재는 화재 시 불에 잘 타지 않는 소재를 필요로 하는 산업체에서 많이 사용되고 있다.
표 1은 단열재의 종류와 각 단열재의 특성과 시공성 및 유해성 등을 정리한 것이다.
Figure 112010014095172-pat00001
표 1를 참조하면, 대표적인 유기계인 유리면의 경우에는 유리 섬유사이의 밀봉된 공기층이 단열역할을 한다. 유리면은 불연성, 흡음성의 특징과 압축 등에 의한 유효 두께감소 및 단열성 저하 우려는 없다. 그러나 흡수성으로 인해 별도의 방습층 설치가 필요하고, 시공 시 시공자가 따가움을 호소하는 등의 문제점을 가지고 있다.
무기계인 폴리스티렌은 단열효과가 높고 경량이며 사용이 간편하다. 그러나 자외선 등에 약하며 화재발생시 착화나 유독가스 등의 배출 위험이 높아 인체에 치명적인 위험성을 내포하고 있다.
또 다른 무기계인 폴리우레탄의 경우도 시공 후 부피가 줄고 열전도율이 저하되는 단점이 있으며, 화재발생시 유독가스 등의 방출위험이 있다는 문제점을 가지고 있다.
또한 샌드위치 판넬이나 방화문 중간재 등에 사용되고 있는 단열재들 중 유기 단열재들은 단열특성은 뛰어나나 화재 발생에 취약한 구조적인 문제점들로 인해 상품성이 없다거나 다종화하지 못하고 있고, 무기 단열재는 주로 고온의 공정 능력을 필요로 하여 공정 비용이 크다는 문제점을 가지고 있다.
한편, 세라믹 조성물을 이용한 세라믹 단열재 경우에 있어서는 그 제조방법으로 겔 캐스팅(Gel Casting)과 이중 에멀젼(Emulsion)을 동시에 적용한 발포법(Foaming)과 플라이애쉬(Fly Ash), 점토 등을 주원료로 하고 발포제로 탄산칼슘(CaCO3) 및 카본 등을 사용하는 발포법 등이 있다. 이에 의해 제조된 다공성 단열재는 원료의 조성, 입도 등의 물성, 발포제의 종류 및 함량에 따라 기공의 구조가 달라진다.
기타 폐유리를 주원료로 하고 발포제로 삼산화철(Fe2O3)을 사용하면서 소성을 반복하여 개기공(Open Pore)을 형성시키는 2중소성법 있다. 이에 의한 다공성 단열재는 크기가 작은 기공을 형성한다.
그러나 이러한 방법들은 특정 재료의 첨가를 많이 하거나 가압 등을 통한 공정 변경 등을 제외하고는 보통 1000℃ 이상의 온도를 필요로 하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 세라믹 고유의 기능을 보전하면서 세라믹 조성물의 내부에 폐기공을 도입함으로써 경량성, 단열성 및 난연성 등의 특성이 향상되고, 인체에 무해한 친환경성을 가진 세라믹 조성물 및 이를 이용한 다공성 세라믹 단열재를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 저온의 열처리 과정을 가짐으로써, 생산원가를 낮추고 대량생산이 가능하게끔 하는 다공성 세라믹 단열재의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 세라믹 조성물은 유리분말(혹은 폐유리 분말) 44Wt% 내지 60Wt%, 플라이애쉬(Fly Ash) 8Wt% 내지15 Wt%, 표면 처리제인 인터크리트(Intercrete) 4Wt% 내지 8Wt%, 및 물유리(Water Glass) 23Wt% 내지 29 Wt%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 다공성 세라믹 단열재는 상기 조성물로 이루어지며, 비중 0.3 내지 0.5g/cm3, 굴곡 강도 40 Kgf/cm2 이하, 열전도율 0.1 내지 0.14 W/mK의 물성, 및 난연 1급의 난연성을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 다공성 세라믹 단열재의 제조방법은 상기 조성물들을 혼합하는 단계, 혼합된 조성물을 건조 및 분쇄하는 단계, 건조 및 분쇄된 혼합 분말을 열처리로에 넣어 800℃~900℃에서 20분 내지 3시간 소성 및 발포하는 단계, 이와 같이 열처리된 성형체를 자연 냉각하는 단계, 및 냉각된 성형체를 용도에 맞게 절단 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 세라믹 조성물 및 이를 이용한 다공성 세라믹 단열재는 비중이 낮고 이로 인해 열전도율이 낮으며 난연성이 우수한 장점이 있다. 또한 화재 발생 시 유해 가스의 방출이 없는 친환경 소재로서, 생산 시 800℃ 내지 900℃ 이하의 저온 공정이 가능하다. 이로 인해 생산원가가 절감되고 판상 형태의 연속적인 제조가 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에서 제시한 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 단열재는 비중 0.3 내지 0.5g/cm3, 굴곡 강도 40 Kgf/cm2이하, 열전도율 0.1 내지 0.14 W/mK의 물성과 난연 1급의 특성이 있다.
도 1은 각 원료의 조성 비율을 달리하여 제조된 세라믹 단열재 사진이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 조성물 내 유리분말의 성분분석 결과이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 조성물 내 플라이애쉬(Fly Ash)의 성분분석 결과이다.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 조성물 내 인터크리트(Intercrete)의 성분분석 결과이다.
도 3은 본 발명에 따라 조성물을 이용한 다공성 세라믹 단열재의 제조 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 판상 형태의 단열재 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 각 원료의 조성 비율을 달리하여 제조된 세라믹 단열재들의 겉보기 확대사진, 현미경 사진, 수분 흡수정도, 열전도도 및 비중을 나타낸 것이다.
실시예 1은 본 발명이 제안한 조성 범위 내에서 제조된 세라믹 단열재이다. 그 외 실시예 2는 인터크리트(Intercrete) 성분을 첨가하지 않았으며, 실시예 3은 플라이애쉬(Fly ash) 성분을 25 Wt%로 하여 본 발명의 제안 범위를 넘어서 실시하였다. 한편 실시예4에서는 인터크리트(Intercrete)를 첨가하지 않음과 동시에 플라이애쉬(Fly ash) 성분을 29 Wt%로 하여 실시하였다.
실시 예 1, 2, 3에서는 세라믹 소재의 강도를 증진시키기 위하여 게르마늄(Ge) 8 Wt%를 첨가하여 실시하였다.
도 1을 참고하면, 본 발명이 제안한 조성 범위 내에서 제조된 세라믹 단열재만이 수분 흡수율이 상대적으로 적고, 열전도도가 0.181 W/mK로 낮으며, 비중 또한 0.533g/cm3 으로 낮아 가벼우면서 단열 효과도 우수함을 알 수 있다.
도 1의 실시예1처럼 적절한 발포 및 폐기공 크기를 형성하려면 유리분말, 플라이애쉬(Fly Ash), 인터크리트(Intercrete) 및 물유리(Water Glass)가 일정한 조성 범위에 있어야만 본 발명의 목적에 적합한 생산원가가 낮고 경량성, 단열성 및 난연성 등의 특성을 가진 다공성 세라믹 단열재를 제조할 수 있게 되는데, 그 구체적인 이유에 대해 설명하기로 한다.
상기 유리 분말은 일반 유리 분말뿐만 아니라 폐유리 분말의 적용도 가능하다. 유리 분말은 연화점을 낮춰 비교적 낮은 온도에서도 발포가 가능하도록 돕는 기능과 유리화에 의한 강도 개선 및 유지를 목적으로 한다.
본 발명에 사용된 유리분말은 전체 조성물의 44Wt% 내지 60Wt%인 것이 가장 바람직하다. 이는 44Wt% 이하가 되면 기공의 크기가 작아지면서 밀도가 증가하는 현상이 나타나며, 60 Wt% 이상이 되면 표면이 유리화되고 과대 발포 현상이 나타나 바람직하지 않기 때문이다.
상기 플라이애쉬(Fly Ash)는 석탄 연소 후 발생되는 부산물로서 집진기에서 포집되는 미세한 분말 형태이다. 포졸란성(Pozzolan)의 대표 물질로써 석회와 결합하여 물을 만나면 상온에서 시멘트 성질을 가지는 화합물을 생성한다. 현재 플라이애쉬(Fly Ash)는 시멘트 대체재로 우수한 특성을 지니고 있다.
본 발명에 사용된 플라이애쉬(Fly Ash)는 전체 조성물의 8Wt% 내지 15 Wt%인 것이 바람직하다. 8Wt%이하가 되면 과대 발포와 함께 강도가 떨어지며, 15Wt%이상이 되면 발포 현상이 극도로 억제되면서 기공이 작아지고 밀도가 증가되어 바람직하지 않기 때문이다.
상기 인터크리트(Intercrete)는 시멘트 사용 시 급결제로 주로 사용되고 있기도 하다. 그 성분이 주재료인 유리 분말과 비슷하나, 통상의 유리 분말의 성분 중 산화칼슘(CaO) 성분이 조금 많은 재료로써, 발포된 성형체의 상부 표면을 거칠지 않고 매끄럽게 해 주기 위해 사용된다.
발포 정도에 따른 상부표면의 평활도를 개선시켜 부피가 큰 판상 형태의 성형체를 제조할 목적인 경우, 절단 및 가공단계에서 버려지는 부분을 절감시켜 주는 효과가 있다. 본 발명에서는 4Wt% 내지 8 Wt%의 혼합비가 가장 적당하다.
4Wt%이하에서는 발포력에 의해 시료의 상부 표면층이 둥글게 부풀려 올라 상기에서 언급한 바와 같이 큰 판상 형태의 성형체일 경우 절단 시 버려지는 부분이 증가하여 생산원가의 상승 원인이 될 수 있고, 8 Wt% 이상은 성형체의 평탄도 측면에서는 별 차이 없으나 추가량에 의한 생산비 증가가 예상되어 바람직하지 못하다.
상기 물유리(Water Glass)는 수용성 규산염 중 가장 널리 사용되고 있는 무기 화합물이다. 물에 대한 용해성 때문에 물유리(Water Glass)로 불리어 지고 있다. 이는 알카리 금속이 이산화규소(SiO2)와 다양한 몰비로 결합한 화합물로써 규산나트륨(Sodium Silicate), 규산 칼륨(Potassium Silicate), 리튬 실리케이트(Lithium Silicate) 등이 있으며 자체적으로 10% 내지 30% 정도의 물을 포함하고 있다. 물유리(Water Glass)는 순도 높은 모래를 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3)와 함께 1100~1200℃에서 용융시켜 만들어 진다.
본 발명에 사용된 물유리(Water Glass)는 전체 조성물의 23Wt% 내지 29 Wt%인 것이 바람직하다. 23 Wt%이하에서는 발포력이 떨어져 무게가 무거워지며, 29 Wt%이상에서는 과대 발포에 의한 표면 유리화가 진행되어 바람직하지 않기 때문이다.
도 2a, 도 2b, 및 도2c는 본 발명의 일실시례에 따른 세라믹 조성물의 유리분말, 플라이애쉬(Fly ash) 및 인터크리트(Intercrete) 각각의 성분분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 유리분말은 이산화규소(SiO2)가 62.50Wt% 내지 72.50 Wt%, 산화칼슘(CaO)이 9.75Wt% 내지 22.30 Wt%, 및 산화나트륨(Na2O)이 8.00Wt% 내지 13.70Wt%의 성분을 함유하고 있으며, 기타 산화마그네슘(MgO), 알루미나(Al2O3), 산화칼륨(K2O) 등을 3.8Wt% 내지 7.2Wt% 포함하고 있다.
또한 도 2b에 도시된 바와 같이, 플라이애쉬(Fly ash)는 SiO2 54.5Wt%, 알루미나(Al2O3) 21.1Wt% 및 삼산화철(Fe2O3) 3.49Wt%로 세 성분의 합이 70Wt% 이상 함유되어 있으며 기타 산화칼슘(CaO), 삼산화황(SO3), 오산화인(P2O5), 이산화티타늄(TiO2), 산화나트륨(Na2O), 산화스트론튬(SrO), 산화바륨(BaO) 등의 성분을 포함하고 있다.
또한 도 2c에 도시된 바와 같이, 인터크리트(Intercrete)는 이산화규소(SiO2) 62.40Wt%, 산화칼슘(CaO) 22.5Wt% 및 산화나트륨(Na2O) 7.70Wt%의 성분을 포함하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 조성물을 이용한 다공성 세라믹 단열재를 제조하는 전체 공정도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 판상 형태의 단열재 사진이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다공성 세라믹 단열재 제조방법은 혼합단계(S310), 건조 및 분쇄단계(S320), 열처리단계(S330), 냉각단계(S340) 및 절단 및 가공단계(S350)를 구비한다.
상기 혼합단계(S310)에서는 유리분말(혹은 폐유리 분말) 44Wt% 내지 60Wt%에 플라이애쉬(Fly Ash) 8Wt% 내지 15 Wt%와 표면 처리제인 인터크리트(Intercrete) 4Wt% 내지 8Wt% 및 물유리(Water Glass) 23Wt% 내지 29 Wt%를 혼합한다.
상기 건조 및 분쇄단계(S320)에서는 이와 같이 혼합된 조성물을 건조한 후 분쇄한다.
상기 열처리단계(S330)에서는 상기 분쇄된 조성물을 열처리하여 소성 및 발포한다. 이때 열처리 온도를 800℃ 내지 900℃의 저온으로 하여 소성 및 발포 할 수 있으므로 제조 단가의 절감을 가져올 수 있다.
상기 냉각단계(S340)에서는 열처리된 성형체를 냉각한다. 이 때 냉각은 자연 냉각을 하는 것이 바람직하나 대량 생산 시에는 공정 회전률 등을 고려하여 일정 온도 이하에서는 강제 공냉식을 적용하여 그 시간을 단축시킬 수도 있다.
상기 절단 및 가공단계(S350)에서는 용도에 맞게 성형체를 절단 및 가공한다. 특히 도 4에서 보이는 사진과 같이, 큰 판상 형태(950 x 650mm)의 연속적인 제조가 가능하여 이를 중간재로 이용하는 제품의 적용에 유용하다.
지금까지 본 발명과 비슷한 형태의 연구와 개발이 학계를 비롯해 여러 연구기관에서 진행되어 왔지만, 그 수준이 연구를 진행하는 환경 하에 있어 부피가 작은 이른바 실험실 수준의 시료 개발에 거친 것이 대부분이었다. 또한 부피가 큰 형태의 성형체를 개발한다 하더라도 기공 크기의 균일도 측면에서 낮은 수준에 머물러 왔는데, 이의 원인으로 여러 가지가 있을 수 있겠지만, 특히 원료로 사용되는 각 재료의 특성 균일도가 그 원인 중 하나라고 추정되고 있다.
예를 들면 광물의 경우 어느 지역의 원료인지에 대한 철저한 이력 관리를 하지 않으면 같은 이름의 광물일지라도 이를 이용한 제품의 특성 균일도를 장담할 수 없게 된다.
본 발명에서는 각 재료의 철저한 이력 관리와 함께 각 시료의 세부적인 특성을 관리하는 방법과 각 원료의 조성비 및 열처리 온도 등에 대해 많은 시행착오를 겪으며, 가장 공정 마진이 있는 조건의 추출에 지속적인 노력을 시행한 결과, 연속적인 제조공정을 통해 부피가 큰 성형체를 제조할 수 있게 되었으며 이를 통해 본격적인 대량생산의 기본 토대를 구출할 수 있게 되었다.
살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 다공성 세라믹 단열재의 제조방법에 의하면, 적절한 폐기공 조직이 생성되어 경량성, 단열성 및 난연성 등의 특성이 우수한 다공성 세라믹 단열재를 제조할 수 있으며, 연속공정을 통해 큰 판상형태로 제조할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (9)

  1. 유리분말 44.00Wt% 내지 60.00 Wt%;
    플라이애쉬(Fly Ash) 8.00Wt% 내지 15.00 Wt%;
    인터크리트(Intercrete) 4.00Wt% 내지 8.00 Wt%; 및
    물유리(Water Glass) 23.00Wt% 내지 29.00 Wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유리분말은
    62.50Wt% 내지 72.50 Wt%의 이산화규소(SiO2);
    9.75Wt% 내지 22.30 Wt%의 산화칼슘(CaO); 및
    8.00Wt% 내지 13.70 Wt%의 산화나트륨(Na2O)를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 플라이애쉬(Fly Ash)는
    54.5Wt%의 이산화규소(SiO2);
    21.1Wt%의 알루미나(Al2O3); 및
    3.49Wt%의 삼산화철(Fe2O3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 인터크리트(Intercrete)는
    62.40Wt%의 이산화규소(SiO2);
    22.50Wt%의 산화칼슘(CaO); 및
    7.70Wt%의 산화나트륨(Na2O)를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유리분말은
    폐유리 분말인 것을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
  6. 제 1항 기재의 조성물로 이루어지며, 비중 0.3 내지 0.5g/cm3, 굴곡 강도 40 Kgf/cm2 이하, 열전도율 0.1 내지 0.14 W/mK의 물성 및 난연 1급의 난연성을 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 단열재.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 기재된 조성물로 이루어진 다공성 세라믹 단열재 제조방법에 있어서,
    상기 조성물의 혼합단계;
    혼합된 분말의 건조 및 분쇄단계;
    건조 및 분쇄된 분말의 소성 및 발포를 위한 열처리단계;
    열처리된 성형체의 냉각단계; 및
    냉각된 성형체의 절단 및 가공단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 단열재의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 열처리단계는
    800℃ 내지 900℃에서 20분 내지 3시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 단열재의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 조성물의 혼합단계에서
    상기 유리분말, 상기 플라이애쉬, 상기 인터크리트 및 상기 물유리 외에 게르마늄(Ge)을 첨가하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 단열재의 제조 방법.
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