KR101098266B1 - 내화성 보드의 제조방법 - Google Patents

내화성 보드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄재를 이용하여 우수한 내열성과 강도를 갖는 내화성 보드의 제조에 관한 것이다. 본 발명의 내화성 보드는 기존의 방화석고보드보다 내열성이 우수하고, 강도 또한 동등 이상으로 우수하며, 연소시 인체에도 유해하지 않은 것으로 밝혀졌다. 따라서 산업 폐기물인 석탄재를 효율적으로 재활용함과 동시에 기존의 제품보다 개선된 내화성 보드의 제공에 본 발명의 특징이 있다.

Description

내화성 보드의 제조방법{Preparation Method Of Fireproof Board}
본 발명은 우수한 내열성과 강도를 갖는 내화성 보드에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 내화성 보드의 제조에 내화성이 강한 성분이 함유된 폐석탄재를 활용하면서도 기존의 제품보다 내열성이 우수하고, 강도 또한 동등 이상으로 우수한 내화성 보드에 관한 것이다.
산업이 발달하면서 에너지의 사용량은 기하급수적으로 증가하고 있으며 그 증가추세에 따라 발전량도 증가하고 있다. 발전시설 중 화력발전은 환경의 영향을 받는 수력발전, 풍력발전 및 시설설치 지역의 제약을 받는 원자력발전과는 다르게 전력의 수요가 많은 대도시에도 건설이 가능하며 건설비용이 경제적이고 건설기간이 짧은 장점을 가지고 있어 우리나라는 정부차원에서 화력발전소 건설을 증강하고 있다. 화력발전은 주 에너지원으로 석탄을 사용하기 때문에 화력발전의 설비와 발전량이 증가하면 석탄재의 발생량도 그에 비례해서 매년 증가한다. 석탄재란 화력발전소에서 유무연탄을 연소한 후 발생하는 재(Ash)로서 비산재(Fly Ash)와 바닥재(Bottom Ash)로 구분되며, 석탄을 연소하면 약 1할의 석탄재가 발생하게 된다. 따라서 화력발전소 사용에 따라 폐석탄재가 다량 발생하며 환경오염의 방지, 폐기물의 자원화 및 재활용 촉진의 필요성이 세계 각국 정부의 중요한 관심사로 부각되고 있는 실정이다. 국가적으로나 산업현장에서나 그 처리에 대한 문제로 어려움을 겪고 있는 석탄재를 제품의 원료로 사용함으로써 폐기물을 유효자원화하는 기술이야 말로 환경오염원을 원천적으로 제거할 수 있는 기술로서 환경오염문제를 해결, 유효자원의 재자원화 효과에 의한 자원 확보 및 지역 주민의 생활의 질 개선 등의 효과를 가져올 수 있다. 나아가 우리나라와 같이 자원이 풍부하지 않은 나라에서 상당한 부가가치를 창출할 수 있다는 점에서 더욱 적극적 활용의 필요성이 요구된다.
한편 초고층건축물의 화재로 인한 인명 및 재산 피해는 다른 용도의 건물보다 크다고 볼 수 있다. 초고층건축물의 화재로 인한 건물의 붕괴를 막고, 지상으로 안전하게 피난할 시간을 확보할 수 있도록 초고층건축물의 내화기술을 개발할 필요성이 크다. 현재 초고층건축물의 내화기술에는 기둥, 보 등을 내화 피복하는 기술이 주로 사용되고 있다. 즉 기둥, 보 등의 주요 구조부를 방화석고보드나 내화도료 등으로 감싸는 기술로서 건축물이 화재에 견딜 수 있는 내화시간을 확보하는 역할을 한다. 그러나 초고층건축물의 구조부의 필요한 내화성능에 맞추어 방화석고보드를 여러 장 붙여서 내화성을 확보하고 있는 것이 내화 피복의 기술 수준이므로, 주요구조부에 방화석고보드의 양을 증가시킬수록 건축물의 하중이 증가하면서 주요 기둥 등의 크기가 커지는 등 건축물의 초고층화 과정에 있어 문제점이 발생하며, 이는 결국 건설 비용이 증가하는 결과를 낳는다. 따라서 기존의 방화석고보드보다 경량화되고 저비용으로 제작될 수 있는 내열성능과 강도가 우수하고 가벼운 보드의 개발이 요구되고 있다.
이러한 당업계의 요구를 반영하여 다양한 기술적 시도들이 있었으나 여전히 고내열성을 갖고 경량화 된 보드의 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명에서 석탄재는 내화성이 강한 실리카(SiO2)와 산화 알루미늄(Al2O3) 성분을 주로 함유하고 있으므로 심재 개발에 석탄재를 사용한다면 내화성능 향상을 크게 기대할 수 있다. 또한 폐기물을 재활용함에 있어 가장 큰 어려움으로 폐기물의 독성을 해결하지 못하는 문제는 제품의 실용화에 큰 장애요소가 되고 있으나, 화력발전소에서 석탄을 고온으로 가열하여 탄소 성분과 기타 독성을 제거한 후 남은 폐석탄재를 내화성 보드의 제작에 사용하면 독성 발생등의 문제점을 해결할 수 있다. 본 발명을 통해 지정 폐기물의 조합기술 완성으로 폐기물 재활용률을 높이고, 제품 개발에 폐석탄재를 소비함으로서 환경친화적인 제품생산이 가능할 것으로 기대된다. 본 발명은 폐석탄재를 원료로 사용하는 제품으로서 내열성이 우수한 보드를 제작하고, 강도 등의 기본물성도 기존에 사용하던 제품과 동등 이상의 수준으로 제공하는 데 목적이 있다.
전술한 목적인 내화성 보드를 제작하기 위한 본 발명은
a) 석탄재, 점결제 및 강화제를 포함한 내화보드용 조성물을 제조하는 단계;
b) 상기 제조된 내화보드용 조성물을 성형시키는 단계; 및
c) 성형된 내화보드용 조성물을 열처리하는 단계;
를 포함한다.
이를 구체적으로 좀 더 살피면 다음과 같다.
상기 a) 단계에서 사용되는 석탄재는 내화성이 강한 실리카와 산화알루미늄을 포함하며 함량 정도는 통상적으로 실리카가 40 내지 60 wt%, 산화 알루미늄이 20 내지 40 wt% 의 범위로 알려져 있으나 석탄 채굴지역에 따라 성분 조성비가 다양하게 달라질 수 있음은 당연하다. 석탄재는 비산재와 바닥재로 분류되며 상기 a)단계에서 사용되는 석탄재는 비산재와 바닥재 어느 일방만으로 이루어질 수도 있고 혼합된 형태도 가능하나 바람직하게는 비산재만으로 구성되어 있는 것이 가장 좋다. 석탄재는 다공적인 구형 입자를 가지고 있어 가공성이 좋으며 입자의 크기는 일반적으로 1 내지 200 μm, 바람직하게는 1 내지 100 μm 이다. 또한 필요한 경우에는 내화보드용 조성물 제조의 효율을 도모하는 차원에서 석탄재를 미분기로 10 μm 이하의 미세한 크기로 분쇄하는 것도 가능하다. 내화보드용 조성물에 있어 석탄재의 함량은 바람직하게는 30 내지 70 wt%, 보다 바람직하게는 40 내지 60 wt%를 형성한다.
상기 a) 단계에서 사용될 수 있는 점결제는 본 발명이 목적으로 하는 높은 내열성의 제공 측면에서 알칼리금속규산염 및 금속인산염으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘이 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 무기 점결제의 사용이 바람직하다. 경우에 따라 상기 무기점결제에 유기점결제를 혼합한 점결제의 사용도 가능하며 유기점결제는 아크릴수지, 에폭시수지, 폴리에스터수지 및 페놀수지로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 한다. 점결제가 상기의 무기점결제와 상기의 유기점결제가 혼합된 형태일 때는 혼합물에서 유기 점결제의 함량은 5 내지 30 wt%을 형성한다. 금속인산염에서 사용될 수 있는 금속은 Al, Mg, Ca, Zn, Cu, Fe, Zn, Ba, Ti 및 Mn 로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하며 높은 부착성과 강도를 갖는 금속의 유용성을 감안하여 볼 때 Al, Mg 및 Ca 로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 사용되는 것이 바람직하다. 알칼리금속규산염에 사용될 수 있는 알칼리 금속은 Li, Na, K, Rb 및 Cs 로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하며, 우수한 점결력과 내열성의 제공 측면에서는 Li, Na 및 K 로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 사용되는 것이 바람직하다. 내화보드용 조성물에 있어 점결제의 함량은 바람직하게는 1 내지 20 wt%, 보다 바람직하게는 5 내지 20 wt%을 형성한다.
상기 a) 단계의 강화제는 내화성 보드의 내열성과 강도등의 물성을 더욱 향상시키는 차원에서 조성물에 함유된다. 강화제는 인공 및 천연 강화제를 모두 포함하며 고령토, 점토, 황토, 벤토나이트, 납석, 규석, 경석, 방해석, 석회석, 백운석, 견운모, 제올라이트 및 퍼라이트로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 것을 특징으로 한다. 한편, 상기 점토는 백자토, 청자토, 분청토, 옹기토, 산청토 및 조합토로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 것을 특징으로 한다. 특히 사용되는 점결제의 종류에 따라 점결제가 알칼리금속규산염인 경우에는 강화제로 점토, 경석, 방해석 및 석회석으로 이루어진 군에서, 점결제가 금속인산염인 경우에는 고령토 및 벤토나이트로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택적으로 사용되는 것이 바람직하다. 내화보드용 조성물에 있어 강화제의 함량은 바람직하게는 10 내지 60 wt%, 보다 바람직하게는 20 내지 50 wt%을 형성한다.
상기 a) 단계에서는 경우에 따라 기공형성제를 내화보드용 조성물에 함량비를 적절히 조절하면서 추가로 첨가하는 것도 가능하며 이에 의해서 내화성 보드의 내열성을 더욱 향상시킬 수 있다. 내화성 보드의 내열성을 향상시키기 위하여는 보드내부에 기공이 많이 형성되어 있어야 하는 것이 주된 이유이며, 기공은 열전달을 방해하고 보드 내부에 존재할 수도 있는 수분의 저장소역할을 수행하게 된다. 기공형성제는 과산화수소(H2O2), POE(Polyoxyethylene nonyl phenyl ether) 및 AES(Alcohol ethoxy sulfates) 로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 것을 특징으로 한다. 내화보드용 조성물에 있어 기공형성제의 함량은 바람직하게는 1 내지 5 wt%, 보다 바람직하게는 2 내지 4 wt%를 형성한다.
상기 a) 단계에서 필요에 따라 계면활성제, 경화제, 발수처리제, 섬유 보강제, 급결제, 방수제, 증점제 또는 방청제 등을 내화보드용 조성물에 추가로 첨가하는 것 또한 가능하다. 계면활성제는 단백질 기포제 또는 유산 에스테르계인 고점성 계면 활성제를 사용하는 것이 바람직하며, 발수처리제는 당업자에게 잘 알려진 Polon-C(신네쯔사 제품)와 같은 시판 제품을 사용할 수 있으며, 섬유 보강제는 폴리에틸렌섬유 또는 유리 단섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 경화제는 분말 경화제와 액상 경화제를 모두 포함하며 급결제, 방수제, 증점제 또는 방청제 등은 필요에 따라 원하는 물성을 얻기 위한 차원에서 첨가될 수 있다.
상기 b) 단계는 상기 a) 단계에서 제조된 내화보드용 조성물을 성형시키는 단계로서 성형성을 보다 좋게 하기 위하여 물의 존재하에서 수행될 수 있다. 상기 내화보드용 조성물에 추가로 첨가될 수 있는 물의 양은 내화보드용 조성물 총 중량 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부가 바람직하다. 성형 방법으로는 가압성형 및 진동성형 등과 같은 통상의 성형법을 이용할 수 있으며, 성형 압력으로는 20 내지 1000 kgf/cm2 의 다양한 범위의 적용이 가능하다. 진동성형법은 회전모터 또는 초음파 발생기를 이용하는 방법을 사용할 수 있다.
상기 b) 단계에서 성형된 내화보드용 조성물이 일정 수준의 물을 함유하고 있는 경우에는 성형된 내화보드용 조성물을 열처리하는 단계 이전에 건조 단계를 추가로 포함하여 상기 조성물에 포함된 물을 제거하는 것이 바람직하다. 성형된 내화보드용 조성물을 건조하는 방법은 당업계에 공지된 건조 방법 중에서 자유롭게 선택될 수 있다. 건조 조건은 특별히 제한되지는 않으나, 통상의 조건인 100 내지 300 ℃의 온도에서, 3 내지 15 시간 건조시키는 것이 바람직하다.
상기 c) 단계는 상기 b) 단계에서 성형된 내화보드용 조성물을 열처리하는 단계로 열처리 조건으로는 400 내지 1400 ℃ 의 온도에서 1 내지 10 시간, 바람직하게는 1 내지 7 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 성형된 내화보드를 열처리하는 방법은 특별히 제한되지는 않으나, 가스로 및 전기로 등과 같은 통상의 고온로를 사용하여 수행할 수 있다.
석탄재가 포함된 내화보드용 조성물을 이용하여 제조된 본 발명의 내화성 보드는 기존의 방화석고보드보다 향상된 내열성을 보이며, 제조에 이용된 내화보드용 조성물에 석탄재 함량 정도가 증가할수록 내화성 보드의 강도가 향상되는 경향을 보인다. 또한 쥐의 행동 정지 시간을 기준으로 측정된 가스 유해성 결과로 미루어 볼 때 본 발명인 내화성 보드의 연소로 인하여도 인체에 유해한 가스가 배출되지 않는 것으로 판단된다. 따라서 본 발명의 내화성 보드는 기존의 방화석고보드보다 경량이면서 개선된 특징으로 인하여 대체용으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
이하 각 과정에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
하기의 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이는 발명의 구성 및 효과를 이해시키기 위한 것 일뿐, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1]
비산재 40 wt%, 규산나트륨 7 wt%, 방해석 3 wt% 및 경석 50 wt% 을 혼합하여 내화보드용 조성물을 제조하고, 내화보드용 조성물 100 중량부에 대하여 물을 7 중량부 첨가하여 성형을 위한 혼합물을 제조하였다. 그 후 물이 첨가된 혼합물을 진동성형기 위에 장착된 몰드에 붓고 성형을 실시하였다. 진동 성형기 하부에는 초음파 발생기 8개가 균일하게 배열되어 있으며, 40 kHz의 초음파로 1 분간 진동하였다. 성형된 보드를 상온에서 12 시간 유지한 후 200 ℃에서 12시간 건조시켰다. 건조물을 가스 소성로를 이용하여 1100 ℃ 조건에서 6시간 열처리하여 내화성 보드를 제조하였다. 제조된 내화보드의 내열온도, 압축강도 및 가스 유해성을 측정하여 하기 표 1 에 기록하였다. 내열온도는 승온 과정에서 균열 또는 파단으로 인한 시편 수축이 시작되는 온도로 측정되었고, 압축강도는 KSF 4724 규정에 의거하여 측정되었다. 가스 유해성은 KSF 2271 규정에 의거하여 보드의 연소로 인한 쥐의 행동 정지 시간을 기준으로 측정하였고 쥐가 행동을 정지하지 않은 경우에는 15 분으로 기록하였다.
[실시예 2]
비산재 50 wt%, 규산나트륨 7 wt%, 방해석 3 wt% 및 경석 40 wt% 을 혼합하여 내화보드용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.
[실시예 3]
비산재 50 wt%, 규산나트륨 6 wt%, 방해석 1 wt%, 경석 40 wt% 및 POE 3 wt% 을 혼합하여 내화보드용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.
[실시예 4]
비산재 50 wt%, 규산나트륨 5 wt%, 아크릴수지 1 wt%, 방해석 1 wt%, 경석 40 wt% 및 POE 3 wt% 을 혼합하여 내화보드용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.
[실시예 5]
비산재 40 wt%, 규산나트륨 7 wt%, 방해석 3 wt% 및 산청토 50 wt% 을 혼합하여 내화보드용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.
[실시예 6]
비산재 50 wt%, 규산나트륨 7 wt%, 방해석 3 wt% 및 산청토 40 wt% 을 혼합하여 내화보드용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.
[실시예 7]
비산재 50 wt%, 규산나트륨 6 wt%, 방해석 1 wt%, 산청토 40 wt% 및 POE 3 wt% 을 혼합하여 내화보드용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.
[실시예 8]
비산재 50 wt%, 규산나트륨 5 wt%, 아크릴수지 1 wt%, 방해석 1 wt%, 산청토 40 wt% 및 POE 3 wt% 을 혼합하여 내화보드용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.
[비교예 1]
주식회사 벽산의 제품으로 시중에 판매되는 방화석고보드의 내열온도, 압축강도 및 가스 유해성을 측정하여 하기 표 1 에 기록하였다.
내열온도 (℃) 압축강도 (N/m2) 쥐의 행동 정지 시간
실시예 1 1110 4770 15 분
실시예 2 1160 4830 15 분
실시예 3 1190 4910 15 분
실시예 4 1180 4880 15 분
실시예 5 1115 4774 15 분
실시예 6 1150 4800 15 분
실시예 7 1160 4980 15 분
실시예 8 1130 4800 15 분
비교예 1 800 4730 15 분
상기의 실시예 및 비교예에서 보는 바와 같이 석탄재를 이용하여 제조되는 본 발명인 내화성 보드는 기존의 방화석고보드보다 내열성이 우수하고, 강도 또한 동등 이상으로 우수함을 알 수 있다. 특히 상기 실시예 2, 3 및 6, 7에서와 같이 기공형성제를 내화보드용 조성물에 추가하는 경우 내열온도와 압축강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 본 발명인 내화성 보드의 연소로 인하여도 인체에 유해하지 않은 것으로 판단된다.

Claims (6)

  1. a) 알칼리금속규산염 및 금속인산염으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘이 선택되는 것을 특징으로 하는 점결제 1 내지 20 wt%, 석탄재 30 내지 70 wt%, 방해석 및 경석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 강화제 10 내지 60 wt% 및 POE(폴리옥시에틸렌 노닐 페닐 에테르, Polyoxyethylene nonyl phenyl ether)임을 특징으로 하는 기공형성제 1 내지 5 wt% 를 포함하는 내화보드용 조성물을 제조하는 단계;
    b) 상기 제조된 내화보드용 조성물을 성형시키는 단계; 및
    c) 성형된 내화보드용 조성물을 열처리하는 단계;
    를 포함하는 내화성 보드의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 점결제는 알칼리금속규산염 및 금속인산염으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘이 선택되는 것을 특징으로 하는 무기점결제에 유기점결제가 추가로 혼합된 형태로 유기 점결제의 함량은 혼합된 점결제에 대하여 5 내지 30 wt%인 것을 특징으로 하는 내화성 보드의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 c) 단계의 열처리 조건으로 400 내지 1400 ℃ 의 온도에서 1 내지 10 시간인 내화성 보드의 제조방법.
  6. 삭제
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