KR101099025B1 - 초경량 시멘트 단열재의 제조방법 - Google Patents

초경량 시멘트 단열재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반 건축물이나 일반 산업현장에서 단열 및 흡음효과를 얻기 위해 사용되는 내수성 및 압축강도가 우수한 초경량의 시멘트 단열재 제조방법에 관한 것이다.
본원에서 개시되는 초경량의 시멘트 단열재의 제조방법은 실리카가 주성분인 규산염(Silicate), 콜로이달 실리카(Colloidal silica), 실리카 겔(Silica gel) 중에서 선택되어지는 1종 이상의 실리카 원료를 열처리시켜 3차원 망상구조를 갖는 실리카 고형물을 얻기 위한 고형화 단계; 열처리에 의해 수득한 실리카 고형물을 미분화를 시키기 위한 분쇄단계; 분쇄단계에서 얻어진 실리카 분말과 시멘트를 혼합하는 분말 혼합단계; 실리카 및 시멘트가 혼합된 분말과 단독의 규산염 또는 첨가제를 혼합하는 슬러리 혼합단계; 초경량 시멘트 단열제를 제조하기 위하여 미세한 기포를 제공하기 위한 최종 가열단계로 이루어져 내수성 및 압축강도가 우수한 초경량의 시멘트 단열재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

초경량 시멘트 단열재의 제조방법{Manufacture method of ultra lightweight foam cement}
본 발명은 일반 건축물이나 일반 산업현장에서 단열 및 흡음효과를 주기 위해 사용되는 무기단열재로 내수성 및 압축강도가 높으면서 비중 0.1 이하의 초경량성을 갖는 시멘트단열재를 제공하기 위한 것으로, 종래의 대표적 단열재인 스치로폼 내지는 발포성 폴리우레탄과 같은 가연성 발포성수지를 대체할 수 있는 불연성의 초경량 시멘트단열재의 제조방법에 관한 것이다
본원에서 개시되는 초경량 시멘트단열재의 제조방법은 실리카가 주성분인 규산염(Silicate), 콜로이달 실리카(Colloidal silica), 실리카 겔(Silica gel) 중에서 선택되어지는 1종 이상의 실리카 원료를 열처리에 의해 고형물을 형성시키기 위한 고형화 단계와 열처리에 의해 수득한 실리카 고형물을 미분화를 시키기 위한 분쇄단계와 분쇄단계에서 얻어진 실리카 분말과 시멘트를 혼합하는 혼합단계와 실리카 및 시멘트가 혼합된 혼합분말과 단독의 규산염 또는 첨가제를 혼합하는 슬러리 혼합단계와 초경량 시멘트단열재를 이루기 위해 미세기포를 제공하고 최종 열처리 단계를 통하여 짧은 시간에 시멘트 입자 사이에 미세한 기포를 존재시키며 시멘트의 수화반응에 의해 압축강도 및 내수성이 우수한 경화체를 형성할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
일반적으로 시중에 판매되고 있는 단열재 종류는 발포폴리스타이렌, 유리면, 발포폴리에틸렌, 폴리우레탄폼, 질석(Vermiculite), 퍼라이트(Perlite), 우레아폼, 셀룰로오즈보온재, 연질섬유판, 페놀폼 및 에어로겔 등을 사용하고 있으나, 발포폴리스타이렌인 경우 단열효과 높고 경량으로 운반 및 시공성이 우수하나 최고 안전사용온도 70 ℃로 고온, 자외선에 약하고 화재발생 시 착화나 유독가스의 발생 위험이 높아 인체에 치명적일 수 있으며, 유리면인 경우 유리섬유 사이에 밀봉된 공기층이 단열층으로 단열성 외에 불연성, 흡음성, 시공성, 운반성이 우수하고, 압축이나 침하에 의한 유효두께 감소, 함수에 의한 단열성 저하 우려가 있으며, 투습 저항이 없으므로 별도의 방습층이 필요하다는 단점을 가지고 있으며, 발포폴리에틸린인 경우 폴리에틸렌수지에 발포제 및 난연제를 배합하여 압출 발포시킨 후 냉각한 판상의 발포제 적층 열융착하여 자기소화성을 갖춘 보온판, 보온통으로 제조한 것으로써, 평균온도상의 열전도율 0.039 kcal/mh℃이하이기 때문에 단열효과가 우수하나 최고안전 사용온도 80 ℃로 화재발생 시 유독가스의 방출로 인한 인체의 유독성을 제공한다는 단점을 갖고 있다.
폴리우레탄인 경우 폴리올(polyol), 폴리이소시아네이트(polyisocyanate) 및 발포제, 난연성을 위한 첨가제가 주원료이며, 폴리우레탄폼을 발포성형한 유기발포체(독립기포구조)의 단열재로써, 내열성(최고안전사용온도 100 ℃)보다는 단열성이 우수하여 냉동기기 등의 보냉재로 적합하나 시공 후 부피가 줄고 열전도율이 저하되는 단점이 있으며, 이 또한 화재발생 시 다른 발포성고분자 재료와 동일하게 유독가스가 방출된다는 단점을 갖고 있다.
질석(Vermiculite)인 경우 운모계 광석으로 1000 ℃ 소성한 유공형의 무기질로 단열, 보온, 불연, 방음, 결로방지에 장점을 갖고 있으며, 퍼라이트인 경우 화산석으로된 진주석을 900~1200 ℃로 소성한후 분쇄하여 소성팽창한 것으로 내부에 미세공극을 가지는 경량구상형의 작은입자로 구성되어 경량골재 및 단열재료로 이용하는 것으로 단열, 보온, 흡음에 효과가 있으나, 질석이나 퍼라이트와 같은 광물을 발포시키기 위해서 1,000 ℃ 이상의 높은 에너지가 필요하다는 단점을 갖고 있다.
에어로겔인 경우 머리카락 1만분의 1 굵기인 구조체들이 솜사탕처럼 얽혀서 공기구멍이 전체부피의 95 %를 차지함에 따라 단열과 방음효과가 매우 뛰어나다는 장점을 갖고 있으나 매우 고가라는 단점으로 일부 첨단산업에만 제한적으로 이용하고 있다.
이와 같이 지금까지 개발되어 있는 발포재는 석유화학제품인 경우 화재발생 시 유독가스 방출에 의한 인체에 치명적인 위해를 가할 위험성이 매우 높을 뿐만 아니라 환경오염을 가속화시킬 수 있으며, 세라믹인 경우 1,000 ℃ 이상의 고온이 필요하여 에너지손실이 크고, 압축성형을 하기 위하여 일정한 틀에 성형을 하기 위한 많은 설비비가 필요하거나 에어로겔과 같이 가격이 고가라는 단점을 가지고 있기 때문에 가격경쟁력을 잃을 뿐만 아니라 에너지절감을 위한 건축 단열소재로써 다방면의 분야에 제한적으로 사용해야할 실정이다.
지금까지 단열재 및 방음재 용도로 개발되어 사용되고 있는 발포물은 석유화학제품인 경우 화재발생 시 유독가스 방출에 의한 인체에 치명적인 위해를 가할 위험성이 매우 높을 뿐만 아니라 환경오염을 가속화시킬 수 있으며, 발포세라믹이나 경량시멘트인 경우 대량의 시스템, 고온 및 제조공정 시간이 장시간 필요하기 에너지손실이 크며, 생산력이 크게 떨어진다는 단점을 갖고 있다.
이와 같이 종래의 단열재에 대한 문제점을 극복하기 위하여 현재 건축물 내에서 열손실을 방지하고 온실가스 방출을 억제하면서 단열효과를 극대화할 수 있는 불연성의 무기 단열재 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 있는 경향에 있다.
상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 에너지 손실을 방지하고 환경친화적인 단열재를 제공하기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔는바, 관련 선행기술을 찾아보면, 한국공개특허 2006-0099979에서는 액상의 규산소다에 산(acid) 또는 양쪽성산화물 또는 양쪽성수산화물을 투입하여 제조한 불완전겔화규산소다를 바인더로 사용하여 제조한 세라믹발포성형물을 이용하여 내부에 중공부를 형성하는 제조방법을 제안하고 있으나, 이는 내부에 중공부가 형성된 불완전겔화규산소다를 바인더로 사용하여 제조한 세라믹발포성물을 제공하고자 하는 것으로, 규산소다에 산(acid) 또는 양쪽성산화물 또는 양쪽성수산화물을 투입하여 제조한 불완전겔상(콜로이드상)의 물질인 불완전겔화규산소다를 단순히 결합제인 바인더로 사용하고 있을 뿐 일반적인 세라믹발포 성형물을 제조하는 것에 불과하기 때문에 기술적 진보가 크지 않다고 설명할 수 있다.
한국공개특허 2006-0092782에서는 분쇄 및 발포된 질석, 진주암, 흑요석, 송지석을 포함하는 각종 발포세라믹입자를 단독 또는 혼용하고, 석고, 시멘트, 지점토, 규산소다, 미완성겔화규산소다, 규산소다시멘트 등을 포함하는 각종 무기접착제 중에서 1종 이상을 혼합하고, 기타의 강화물질로서 스틸화이버, 섬유쇄설물, 종이분쇄물(파우더형 포함), 유리솜(그라스울)을 혼합하여 제조하거나, 철망 또는 합성수지망을 내부에 장착하므로써 내구성을 강화시킨 세라믹 발포성형물을 제안하고 있으나, 이는 세라믹에 포함된 공기층에 의해 단열성을 제공할 수 있으나 발포세라믹을 제조하기 위하여 천연원료인 질석, 진주암, 흑요석, 송지석 등을 포함하는 각종 암석을 원하는 크기로 분쇄하고, 상기 분쇄입자를 800~1400 ℃의 높은 고열로 가열하여야 하기 때문에 발포세라믹을 제조하기 위해 많은 열 에너지가 필요하고, 제조하기 위한 설비비가 많이 소요된다는 문제점을 갖고 있으며, 이 또한 발포세라믹입자에, 석고, 시멘트, 지점토, 규산소다, 미완성겔화규산소다, 규산소다시멘트 등을 포함하는 무기접착제를 혼합한 것에 불과하기 때문에 기술적 진보성이 그다지 크지 않다.
미국공개특허 2006-0151903에서는 규산염을 주성분으로 다공성을 제공하기 위하여 운반가스로 산소, 질소, 공기, 일산화탄소, 이산화탄소 가스를 불어주어 폼(foam)을 제공하는 방법 등을 개시하고 있으나, 세라믹발포와 같이 구체적으로 어떠한 대상물질에 대해 제안을 하고 있지 않을 뿐만 아니라 단순히 산소, 질소, 공기, 일산화탄소, 이산화탄소와 같이 가스상태의 운반가스를 규산염이 포함된 매체에 불어주어 가스에 의한 폼(foam)을 형성시켜 주는 무기결합재 (Inorganic binder)로써 본 발명과는 메카니즘과 해결하고자 하는 기술적 과제 및 사상이 전혀 다르다고 설명할 수 있다.
유럽 공개특허 제1411034호 기술에서는 세라믹 분말을 포함하는 수성 슬러리를 비수성 용매에 부가하고, 균일하게 분산되어 잇는 세라믹 섬유가 비수 용매 단계로부터 분리되어 액상이 그 가운데에 고르게 분산시킨 세라믹 섬유 및 발포를 포함하고, 수성 슬러리를 파이링하는 수성 슬러리를 수득하기 위하여 세라믹 단섬유의 표면에 있는 금속알콕사이드의 반응성 사용을 통하여 고르게 비수성 용매에 세라믹 단섬유를 분산시켜 0.2 g/㎤이하의 밀도와 강도가 충분한 세라믹 단섬유에 의해 효과적으로 보강된 경량 세라믹 발포체를 제안하고 있으나 유기용매인 알콕사이드의 경비가 고가이기 때문에 경제성이 낮을 뿐만 아니라 유기용매를 사용함에 있어서 환경적 피해는 물론 화재 발생의 원인이 될 수 있기 때문에 대량 생산을 위한 발포세라믹 제조에는 한계가 있다고 설명할 수 있다.
일본 공개특허 특개평6-35776호 기술은 (a)규산나트륨, 알루미나 섬유, 감마알루미나 분말, 지르콘 분말, 계면활성제 및 금속 알루미늄 분말을 주성분으로 하는 실리케이트 슬러리와 (b)알루민산나트륨, 알루미나섬유, 감마알루미나 분말, 지르콘 분말 및 계면활성제를 주성분으로 하는 알루미네이트 슬러를 혼합해 거푸집에 부어 겔화와 발포를 동시에 일으켜 당공질 하이드로겔체를 제작해 다공질 하이드로 겔체로부터 나트륨을 리칭(leaching)처리에 의해 제거한 후 건조한 다음 1,200~1,700 ℃의 고온으로 구은 발포형 다공질 세라믹 제조방법을 제안하고 있으나 1,200 ℃ 이상의 고온으로 가열하기 때문에 발포된 세라믹 입자들과의 결합력이 매우 높아져 내구성이 높은 발포세라믹을 제공할 수 있으나, 현재 국제적인 지구온난화 방지를 위한 이산화탄소의 저감기술에 전혀 기여를 못할 뿐만 아니라 고온의 소결방법을 위한 거대한 장비가 필요하다는 커다란 단점을 가지고 있다.
한국공개특허 출원번호 10-2009-0066425호는 본원 발명의 메카니즘과 유사한 방법이 제시되어 있는바, 이는 선택된 실리카의 출발물질을 열처리에 의해 고형분을 수득하고, 얻어진 고형분을 분쇄한 후 규산염 및 첨가제를 혼합하여 대체적으로 낮은 온도에서 가열하면 종래에 시판되고 있는 스치로폼과 같은 초경량의 무기 단열재를 제공할 수 있어 경제성은 물론 화재발생에 의한 유독가스 질식사 방지 및 지구 온난화방지에 크게 기여할 수 있다는 장점을 갖고 있으나, 낮은 온도로 세라믹이 발포된 되었기 때문에 실리카의 입자와 입자 간의 결합력이 크게 떨어질 뿐만 아니라 내수성이 매우 미흡하다는 문제점을 갖고 있다.
또한 최근에는 환경적, 경제적인 이유로 최근에는 ALC(Autoclaved Lightweight Concrete) 또는 발포세라믹이 각광을 받고 있는 추세인바, ALC의 경우 스웨덴에서 개발되고 네덜란드에서 크게 성공하여, 일본 및 유럽에서 널리 사용되고 있는 고온, 고압증기 양생된 경량기포 콘크리트로서 시멘트와 기포제를 넣어 발포시스템에 의해 다공질화한 혼합물을 고온, 고압(온도: 약 180 ℃, 압력: 10 kg/㎠)에서 증기양생시킨 경량 기포 콘크리트의 일종이다.
이와 같이 종래의 발포시스템에 의해 다공질화된 경량기포 콘크리트인 경우 미세기포가 포함된 혼합물을 고온, 고압으로 양생시켜 하기 때문에 거대한 설비비가 필요하며, 경량기포시멘트를 제조하기 위해서 많은 시간이 소요된다는 단점을 갖고 있으며, 발포체의 비중의 대체적으로 0.5 g/㎤ 이상으로서 단열효과가 그다지 높지 않은 문제점이 있고 발포세라믹인 경우 제조방법은 ALC와 유사한 것으로서 제조공정 중 다공질화된 혼합물 중에 포함된 무기물질들이 비중이 상당히 크기 때문에 소포될 가능성이 매우 큼에 따라 비중이 크게 높아지고 단열 및 흡음효과를 크게 떨어뜨릴 수 있다는 문제점을 갖고 있었다.
본원은 종래의 불연성 무기발포제는 화재발생 시 무기물로 구성됨에 따라 유독가스가 방출되지 않아 인명피해를 크게 줄일 수 있고, 대기환경을 크게 보호할 수 있다는 장점을 갖고 있으나, 비중이 높아 흡음 및 단열효과가 종래의 석유화학 제품인 스치로폼이나 발포폴리우레탄 등의 단열재에 뒤떨어지고, 발포세라믹의 제조공정이 길어서 가격 경쟁력이 떨어진다는 문제점을 극복하기 위한 과제를 인식하여 시작된 발명이다.
본원은 종래의 시멘트단열재를 제조할 때와 같이 오토클래이브와 같은 거대한 반응장치 및 장 시간의 반응조건이 필요치 않으면서도 단열효과가 우수한 초경량 시멘트단열재를 간단한 제조공정으로 압축강도 및 내수성이 우수한 불연성의 시멘트단열재를 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
본원은 고온 및 고압에 따른 거대한 유틸리티 시설이 필요없이 간단한 제조공정으로 종래의 무기단열재 발포물을 얻을 때 필연적으로 사용하는 발포제를 사용하지 않으면서 종래의 가연성 발포고분자수지나 ALC의 경량기포 콘크리트를 대체할 수 있는 초경량의 불연성 시멘트단열재를 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
본원은 실리카가 주성분인 규산염(Silicate), 콜로이달 실리카(Colloidal silica), 실리카 겔(Silica gel) 중에서 선택되어지는 1종 이상의 실리카 원료를 열처리에 의해 고형물을 형성시키기 위한 고형화 단계와 열처리에 의해 수득한 실리카 고형물을 미분화를 시키기 위한 분쇄단계와 분쇄단계에서 얻어진 실리카 분말과 시멘트를 혼합하는 분말 혼합단계와 실리카 및 시멘트가 혼합된 분말과 단독의 규산염 또는 첨가제를 혼합하는 슬러리 혼합단계와 초경량 시멘트 단열제를 제조하기 위하여 미세한 기포를 제공하고 최종 열처리하는 가열단계로 이루어져 내수성 및 압축강도가 우수한 초경량의 시멘트단열재를 얻을 수 있는 제조방법을 제공하고자 하는 기술사상의 발명이다.
이하, 본원의 기술사상을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본원은 상기의 제조방법이 적용되면 출발물질인 실리카 입자 사이에 미세한 기포가 존재함에 따라 종래의 발포세라믹이나 기포콘크리트(ALC)와 같이 발포제 및 발포시스템이 전혀 필요치 않고, 수백도 이상의 고온 가열조건이 필요치 않으면서 일정한 형상의 초경량 발포시멘트의 단열재를 얻을 수 있으며, 상기 발포된 시멘트의 비중을 매우 낮게 제조할 수 있어서 단열효과가 우수한 스치로폼 내지는 발포성폴리우레탄과 같은 종래의 가연성 발포성수지를 대체할 수 있는 불연성의 초경량 시멘트단열재를 제공할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
본원의 기술사상을 이용하면, 종래의 방법에서 미세기포가 형성된 무기단열재를 얻기 위해 발포시스템에 의한 발포제의 기포형성단계가 반드시 필요하였던 것에 비하여, 본원에서는 미세기포가 형성된 단열재 및 흡음재를 제조하기 위하여 발포시스템 및 발포제게 의한 기포형성단계가 필요치 않기 때문에 발포시스템을 제조하기 위한 설비비 및 제조공정을 크게 줄이면서 초경량의 발포성 시멘트 단열재를 제조할 수 있어서 가격 및 기술 경쟁력에서 크게 앞설 수 있는 장점을 갖는다.
또한 종래의 무기 단열재를 제조하는 경우 900~1,300 ℃의 높은 열원이 필요하여 온실가스 대량 방출에 의한 지구온난화를 가속화하고, 종래방법에 의해 기포시멘트(ALC)를 제조할 때는 고온.고압이 필요하고 양생을 위해 거대한 시스템이 필요 하여 경제성이 떨어지는 문제점들을 극복하며 제조공정을 최소화할 수 있고, 종래의 석유화학제품인 스치로폼이나 발포폴리우레탄의 단열재를 대체할 수 있도록 단열효과는 물론 내수성 및 압축강도가 우수한 초경량의 시멘트 단열재를 제공할 수 있는 큰 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 초경량의 시멘트 단열재 제조방법을 보다 구체적으로 살펴보면, 실리카가 주성분인 규산염(Silicate), 콜로이달 실리카(Colloidal silica), 실리카 겔(Silica gel) 중에서 선택되어지는 1종 이상의 실리카 원료를 열처리에 의해 3차원망상구조를 갖는 실리카 고형물을 얻는 제1공정과; 제1공정에서 수득한 실리카 고형물을 미분화를 시키기 위한 분쇄를 실시하는 제2공정과; 제2공정에서 얻어진 실리카분말과 시멘트를 혼합하여 혼합분말을 얻는 제3공정과; 제3공정에서 얻은 혼합분말과 규산염 및/또는 첨가제를 혼합하여 슬러리혼합물을 얻는 제4공정과; 제4공정에서 얻은 슬러리혼합물에 초경량 시멘트 단열재를 제조하기 위하여 미세한 기포를 제공하기 위해 열처리를 실시하는 제5공정을 포함하여 이루어짐으로 내수성 및 압축강도가 우수한 초경량의 시멘트 단열재를 얻고자 하는 기술사상을 갖는다.
상기 제1공정인 고형화 단계는 실리카가 주성분인 규산염(Silicate), 콜로이달 실리카(Colloidal silica), 실리카 겔(Silica gel) 중에서 선택되어지는 1종 이상의 실리카 원료가 선택되고, 열처리에 의해 고형물을 형성시키게 되는바, 고형화 단계에 필요한 규산염은 규산나트륨으로 1~4종의 액상 규산나트륨, 올쏘규산나트륨, 이규산나트륨, 분말형규산나트륨이 이용될 수 있고, 규산칼륨, 규산리튬, 알루미늄실리콘산나트륨, 질석, 버미큘라이트 중에서 선택되어 이용될 수 있다.
또한, 콜로이달 실리카는 특별한 제한이 없이 입자의 크기가 1~100 nm의 크기를 가지고, 입자표면에 다수의 OH기를 갖고 있으면서, 내부에는 실록산(Si-O-Si)그룹을 갖고 있어 결합성, 내열성, 조막성 및 흡착성을 갖고 수용액 또는 무기용매에 50 %이하로 분산되어 있으면 사용할 수 있다.
또한, 실리카겔(Silica gel)은 액상의 규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬, 알루미늄실리콘산나트륨 중에서 선택되는 규산염(Silicate)을 산(acid)이나, 중탄산염(Bicarbonate), 이산화탄소(CO2), 글리옥살(Glyoxal), 에틸렌글리콜 디아세테이트(Ethylene glycol diacetate) 중에서 선택되는 물질과 반응시켜 형성된 수분이 포함된 실리카 겔을 직접 사용할 수 있으며, 상기 방법에 의해 형성된 실리카겔은 Si-O-Si의 네트워크를 형성하여 3차원 망상구조를 이루게 되며, 이를 건조 후 미분화한 미분말 실리카를 사용할 수도 있다.
상기 실리카 주성분을 고형화시키기 위한 열처리 공정은 선택된 실리카 물질을 다량의 3차원적 망상구조를 이루게 하여 망상구조 사이 비표면적이 높이도록 하고, 상대적으로 다량의 미세기공 발생에 의한 단열 및 방음효과를 높이기 위해 열처리공정을 수행하는 것으로, 분무 건조에 의한 열처리방법, 대류열풍 건조에 의한 열처리방법, 극초단파에 의한 열처리방법 중에서 선택되는 방법에 의해 수행될 수 있으며, 이 때 열처리 온도는 각각의 열처리방법 조건에 따라 다를 수 있으나 75~650 ℃ 범위의 열처리 온도가 바람직하며, 열처리 시간은 특별한 제한이 없으며, 열처리 과정 중 실리카의 3차원적 망상구조 내부에 있는 수분이 증발됨과 동시에 그 공극에 미세기포가 형성되면 가능하다 할 수 있다.
상기 제2공정인 분쇄공정은 상기 고형화를 위해 열처리 공정에 의해 만들어진 3차원적 망상구조를 이루고 있는 큰 입자의 실리카를 어떠한 방법이라도 미세한 입자를 얻으면 무관하다 할 수 있으며, 압축, 충격, 마모, 절단의 수단 중에서 선택되는 방법에 의해 미분으로 분쇄되는 것이 바람직하고, 다음 공정인 혼합단계에서 균일하게 혼합되고, 최종적으로 가열단계에 의해 균일한 미세기포가 형성된 초경량의 발포세라믹을 제조하기 위해서는 500 ㎛ 이하의 입자크기로 제공되는 것이 바람직하다.
상기 제3공정인 혼합단계는 상기의 열처리 및 분쇄단계에서 만들어진 3차원적인 망상구조의 실리카분말과 시멘트분말을 혼합하는 공정인바, 이 때 본원의 초경량 시멘트 단열재에 부가적인 기능성을 제공하기 위하여 이에 필요한 첨가제를 혼합할 수 있다.
상기 제3공정에서 사용되는 시멘트는 최종 초경량 시멘트단열재의 발포체 용도에 따라 선택되어 사용될 수 있는바, 이에 사용되는 시멘트는 포틀랜드계 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 유정시멘트, 콜로이드 시멘트) 내지는 혼합시멘트(고로 시멘트, Fly ash 시멘트, 실리카 시멘트, 초저발열 시멘트, 지열정 시멘트, RCCP 용 시멘트) 내지는 알루미나 시멘트 내지는 초속결 시멘트 내지는 GRC용 저알칼리 시멘트 1종 내지는 1종 이상의 시멘트를 혼합하여 사용할 수 있으며, 일반적 급결용 경량기포 시멘트의 강화를 위해 제공하기 위해서는 비표면적이 3,000~3,500 ㎠/g인 포틀랜드계 시멘트를 이용하는 것이 유리하며, 초기강도를 높이기 위해서는 비표면적이 4,000~4,600 ㎠/g인 조강포틀랜드 시멘트 내지는 비표면적이 약 6,000 이상 ㎠/g인 초조강포틀랜드 시멘트를, 1년 이상의 장기강도를 발현하면서 치밀한 경화체 조직을 얻기 위해서는 중용열 포틀랜드 시멘트를, 황산염 침입에 대한 저항성을 높이기 위해서는 내황산염 포틀랜드 시멘트를, 장기강도의 발현성을 높이면서 내해수성, 화학적 저항성을 높이고, 알칼리와 반응성을 최소화하기 위해서는 고로시멘트를, 건조수축을 줄이고, 수화열을 작게하면서 장기 강도를 크게 하기 위해서는 플라이에쉬(fly ash) 시멘트를 사용하는 것이 유리하다.
상기 제3공정에서 3차원적인 망상구조의 실리카분말과 시멘트분말의 혼합비율은 실리카분말을 100 중량부로 기준 할 때 시멘트 분말을 10~500 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 50~350 중량부가 유리하고, 더욱 바람직하게는 100~450 중량부가 유리하고, 가장 바람직하게는 150~300 중량부가 유리한 바, 시멘트가 10 중량부 이하로 포함될 경우 시멘트양보다 상대적으로 열처리된 실리카의 함량이 많기 때문에 열처리 과정 중 실리카의 3차원적 망상구조 내부에 있는 수분이 최종 가열단계에 의해 보다 수분이 많은양 증발하면서 초경량의 시멘트 단열재를 제공할 수 있다는 장점을 가질 수 있으나, 상대적으로 강도는 물론 내수성이 취약해 질 수 있다는 문제점을 갖게 되며, 시멘트가 500 중량부 이상으로 포함될 경우 시멘트의 수화반응에 의해 최종적인 강도 및 내수성이 매우 높아질 수 있다는 장점을 가지나, 상대적으로 최종 가열단계에서 실리카의 3차원적 망상구조 내부에 있는 수분이 상대적으로 적게 포함됨에 따라 미세기포 발생량이 적어 단열재의 기능이 없다는 단점이 있기 때문에 상기 농도 범위 내로 혼합하는 것이 바람직하다.
본원의 제3공정에서는 최종물품에 부가적인 기능성을 부여하기 위한 첨가제로 원적외선 및 음이온을 방출할 수 있는 세라믹류나 대기 중의 유해가스를 흡착하기 위한 흡착류나 시멘트 단열재의 내구성을 향상시키기 위한 섬유류와 내수성을 향상시키기 위한 고분자류가 포함될 수 있는바, 상기의 실리카분말과 시멘트분말의 혼합으로 얻어진 분말을 100 중량부로 기준으로 할 때 첨가제는 50 중량부 이하로 포함되는 것이 바람직한 바, 첨가제가 50 중량부 이상으로 포함될 경우 첨가제에 의한 기능성은 높아지나 상대적으로 다른 물성이 저하될 우려가 있기 때문에 첨가제는 총 분말을 대비하여 50 중량부 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 첨가제 중 원적외선 및 음이온을 방출하기 위한 세라믹류는 400 ㎛ 크기 이하의 맥반석, 황토석, 감람석(Olivine), 고령토(Kaolin), 규산염 광물(Silica Mineral), 규조토(Diatomite), 규회석(Wollastonite), 납석(Pyrophyllite), 돌로마이트(Dolomite), 리튬광물(Lithium Minerals), 마그네사이트(Magnesite), 보크사이트(Bauxite), 벤토나이트(Bentonite), 부석(Pumice), 붕산염광물(Borate), 사문석(Serpentine), 산성백토(Acid clay), 산화철(Iron Oxide), 석류석(Garnet), 탄산광물(Carbonate Minerals), 애타풀자이트(Attapulgite), 제올라이트(Zeolite), 세피오라이트(Sepiolite), 연옥(Nephrite), 인회석(Apatite), 일라이트-운모(Illite-Mica), 장석(Feldspar), 진주암(Perlite), 질석(Vermiculite), 제올라이트(Zeolite), 중정석(Barite), 활석(Talc), 규조토(diatomaceous earth), 흑연(Graphite), 헥토라이트(Hectorite), 점토광물(Clay Minerals), 지르코늄 광물(Zirconium Minerals), 티타늄 광물(Titanium Minerals), 투어마린(Tourmaine; 전기석), 흄실리카(Fume silica), 에어로겔(Aerogel) 중 선택되어지는 1종 이상이 포함될 수 있으며, 상기 첨가제 중 유해가스를 흡착하기 위한 흡착류는 700~1,800 ㎡/g의 비표면적을 가진 활성탄, 활성탄소섬유가 포함될 수 있으며, 상기 첨가제 중 시멘트 단열재의 내구성을 향상시키기 위한 섬유류는 본 발명이 낮은 온도에서 초경량 시멘트 단열재를 제공하기 때문에 발포체의 강도가 낮아질 가능성이 있으므로, 시멘트 발포성형 단열재의 강도를 더욱 증가시키기 위하여 단열재 내부의 입자와 입자를 잡아 줄 수 있도록 섬유질로 구성된 것을 제외하고 큰 제한이 없으며, 천연섬유 내지는 인조섬유 중 어떠한 것이라도 사용할 수 있다.
천연섬유인 경우는 셀룰로오즈계 섬유(종묘섬유, 인피섬유, 염맥섬유, 과실섬유) 내지는 스태이플 내지는 필라멘트 형태의 단백질계 섬유 내지는 광물질계 섬유가 포함될 수 있으며, 인조섬유는 유기질섬유(재생섬유, 반합성섬유, 합성섬유) 내지는 무기질섬유(금속섬유, 유리섬유, 암석섬유, 광재섬유, 탄소섬유)가 포함될 수 있다.
상기 시멘트 단열재의 내구성을 향상시키기 위한 섬유류의 굵기는 3 ~ 50 ㎛가 유리하며, 바람직하게는 5 내지 25 ㎛의 굵기가 유리하고, 가장 바람직하게는 5 내지 10 ㎛의 굵기가 유리한 바, 3 ㎛ 이하 굵기의 섬유질은 섬유질의 특성상 가늘수록 외관상 매끄럽고 촉감도 부드러워지는 특징이 있어 물성이 우수하고 이용 가치도 높다는 장점을 갖고 있음에도 불구하고, 유리섬유 이외에 천연섬유 및 인조섬유에서 생산되는 섬유질이 대부분 3 ㎛ 이상의 굵기를 가지고 있기 때문에 섬유질을 첨가하기 위한 선택권이 부족하다는 단점을 갖고 있으며, 50 ㎛ 이상 굵기를 가진 섬유질은 외관상 촉감이 매끄럽지 않으며, 대체적으로 미세섬유질보다 강도가 떨어진다는 단점을 가지고 있기 때문에 상기 범위의 굵기의 섬유질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 섬유의 길이는 1~50 mm가 유리하며, 보다 바람직하게는 5~35 mm가 유리하고, 가장 바람직하게는 10~25 mm가 유리한 바, 섬유질의 길이가 1 mm 이하일 경우 본 발명의 가열단계에서 형성된 3차원적 실리카네트워크의 미세한 다공성의 시멘트 입자 사이에 섬유질이 접속되는 길이가 짧아 결합력이 그다지 크기 않다는 단점을 갖고 있으며, 상기 혼합단계에서 섬유질과 슬러리형태의 세라믹과 균일하게 분산되어야 하나, 50 mm 이상일 경우 섬유질끼리 서로 엉키게 되어 오히려 발포세라믹의 물성을 저해시킬 수 있는 가능성이 크기 때문에 상기 범위의 길이를 가진 섬유질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 시멘트 단열재의 내수성을 향상시키기 위한 고분자류는 수분산성 내지는 수용해성 고분자수지(에멀젼수지) 내지는 미분말의 고분자수지가 포함되어 사용될 수 있는바, 상기 수분산성 내지는 수용성 고분자수지인 경우 고분자수지가 물에 균일하게 분산되어 있거나 물에 용해되어 있는 것을 제외하고는 큰 제한을 두지 않으며, 셀룰로우즈(Cellulose)류; 녹말(Starch), 해조류(Alginate); 젤라틴류; 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol)류; 폴리비닐 피로리돈(polyvinyl pyrrolidone)류; 폴리아크릴산, 스타이렌(styrene)-아크릴산 공중합체, 스타이렌-메타아크릴산 공중합체, 스타이렌-메타아크릴산-아크릴산 에스테르(ester) 공중합체, 스타이렌-a-메틸 스타이렌-아크릴산 공중합체 내지는 스타이렌-a-메칠스타이렌-아크릴산-아크릴산 에스테르 공중합체 등의 스타이렌 아크릴산 수지; 스타이렌-말레인산 공중합체, 스타이렌-무수말레인산 공중합체, 아크릴산-아크릴 니트릴 공중합체, 초산비닐-아크릴산 에스테르 공중합체 내지는 아크릴산-아크릴산 에스테르 공중합체 등의 아크릴계 수지; 비닐 나프탈렌-아크릴산 공중합체, 비닐 나프탈렌-말레인산 공중합체 및 초산비닐-에틸렌 공중합체, 초산비닐-지방산 비닐 에틸렌 공중합체, 초산비닐-말레인산 에스테르 공중합체, 초산비닐-크로톤산 공중합체, 초산비닐-아크릴산 공중합체 등의 초산비닐계 공중합체 중 1종 이상의 수분산성(에멀젼) 고분자 또는 수용해성 고분자가 선택되어지고, 미 분말 고분자수지인 경우 폴리에틸렌테테레프탈레이트(PET), 저밀도 내지는 고밀도 폴리에틸렌(PE), 염화비닐수지(PVC), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리우레탄(PU), 폴리카프로렉톤(Polycaprolacton) 중 선택된 1종 이상의 분말이 선택되어 사용될 수 있다.
상기 미분말 고분자 수지의 입자는 크기가 가능한 미분인 것이 좋으며, 구체적으로 0.1 ㎛~0.5 ㎜ 범위의 분말을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 0.5 ㎛ ~ 0.1 범위가 유리하며, 보다 바람직하기로는 5 ~ 50 ㎛ 범위를 유지하는 것이 유리한바, 분말 입자의 크기가 0.1 ㎛ 미만이면 비표면적이 더욱 커져서 수중에 분산될 가능성은 높으나, 미립자에 의한 분진으로 작업에 불편을 줄 수 있으며, 미분말 고분자를 위한 내수성을 증가시키기 위한 보강제로써, 경제성이 떨어진다는 단점을 갖고 있으며, 0.5 mm를 초과하는 경우에는 비표면적이 적고, 입자의 크기가 크기 때문에 균일하게 세라믹 분말에 융착될 확률이 상대적으로 저조한 문제가 발생하기 때문에 상기 제안한 입자의 크기를 가진 분말수지를 이용하는 것이 유리하다.
본원의 제4공정에서 슬러리혼합물을 얻는 공정은 상기의 제3공정에서 얻어진 실리카와 시멘트 혼합분말과 첨가제에 1~4종의 액상 규산나트륨, 올쏘규산나트륨, 이규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬, 알루미늄실리콘산나트륨 중 1종 이상이 선택되어진 수용성 규산염(Silicate)과 혼합하여 슬러리(Slurry) 상태의 혼합물로 구성될 수 있는바, 이 때 실리카와 시멘트의 혼합분말을 100 중량부로 기준으로 할 때 수용성 규산염은 20~250 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 45~180 중량부가 포함되는 것이 유리하고, 더욱 바람직하게는 85~125 중량부가 포함되는 것이 유리한 바, 실리카 및 시멘트 혼합분말 100 중량부에 대하여 수용성 규산염이 20 중량부 이하로 포함될 경우 혼합물 중에 시멘트가 존재하고 있음에도 불구하고, 적은 농도의 수용성 규산염에 의한 무기바이더의 기능이 떨어져 최종적인 시멘트 단열재의 압축강도가 급격히 저하된다는 문제점을 가지고 있으며, 수용성 규산염이 250 중량부 이상으로 포함될 경우 시멘트 단열재의 압축강도가 높아진다는 장점을 가지나, 백화현상이 나타날 수 있으며, 원료낭비에 의한 경제성이 떨어질 수 있다는 단점을 갖기 때문에 상기 농도의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 제4공정에서 얻은 슬러리혼합물에 미세기포물을 이루기 위한 제5공정의 열처리 공정은 근적외선 가열방법, 적외선가열방법, 극초단파에 의한 가열방법, 오븐(Oven)에 의한 열풍 가열방법을 이용할 수 있으며, 근적외선 가열방법, 적외선가열방법, 상온건조방법, 오븐(Oven)에 의한 열풍 가열방법을 이용할 경우 두께가 얇으면서 내수성이 크게 필요치 않는 초경량 발포성 세라믹을 제조하는데 적합하며,
극초단파에 의한 가열방법은 2,450 MHz의 극초단파를 가하면 극성이 있는 물분자가 극초단파 만큼의 진동열에 의해 온도가 상승하는 것으로 매우 빠른 속도로 물체 내부에 포함된 수분을 빠른 속도로 제거할 수 있다는 장점을 갖기 때문에 두께가 두껍고 대형의 초경량 발포세라믹일 경우 극초단파(일명 전자렌지)에 의한 가열방법을 이용하는 것이 유리하다.
극초단파를 이용한 가열온도는 80~250℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 90~220℃가 유리하며, 가장 바람직하게는 100~200℃의 온도가 바람직한바, 80 ℃의 온도로 가열할 경우 슬러리 혼합단계에 포함된 고점도 슬러리 내부의 수분이 제거속도가 그다지 크지 않을 뿐만 아니라 내수성 향상을 위한 수분산성 또는 수용해성 고분자수지 내지는 미분말의 고분자수지를 본 가열단계에 의한 열원에 의해 열융착을 할 수 없어 내수성은 물론 내구성 역시 저조하다는 단점을 가지고 있으며, 가열온도가 250 ℃를 넘을 경우 빠른 속도로 수분을 증가시킬 수 있으며, 미분말 고분자수지의 녹는점보다 많이 상위하므로 짧은 시간에 시멘트 입자 표면에 쉽게 열융착이 되어 내수성이 크게 증가된다는 장점을 가지나, 고온에 의한 열에너지 손실이 커져 경제성이 낮아지며, 고온에 의한 고분자의 물성변화가 약화되는 단점을 가지므로 상기 제안한 가열온도를 유지하는 것이 바람직하다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 종래의 발포세라믹 제조방법인 경우 1,000 ℃ 이상의 높은 열에너지가 필요하여 지구온난화를 더욱 가속화시킬 수 있으며, 발포세라믹을 제조하기 위하여 발포, 압출, 성형에 필요한 거대한 장비가 필요함에 따라 작업성은 물론 경제성이 매우 저조할 뿐만 아니라 건조과정 중 혼합기포액에 포함된 비중이 큰 무기물 입자에 의해 소포됨에 따라 단열효과가 좋지 않고, 경량기포시멘트의 경우 양생과정 중 거대한 반응기(Autoclave) 설비와 제조과정이 장시간이 소요되기 때문에 기업의 위험요소(Risk)가 크다는 문제점, 그밖의 세라믹 단열재인 경우 내수성 및 압축강도가 미흡하여 무기단열재로서의 장시간의 내구성이 떨어지기 때문에 반영구적으로 단열재의 기능을 발휘하기 어려웠던 종래기술을 제반문제점을 개선 및 해소하는 효과를 갖는다.
본원의 제1공정 내지 제5공정을 거치는 공법이 적용되는 경우 실리카의 출발물질 입자 사이의 미세한 기포가 존재하여 종래의 발포세라믹을 제조할 때와 같이 발포제 및 발포시스템이 전혀 필요치 않고, 고온이 필요치 않으면서 매우 짧은 시간에 일정한 형상의 초경량의 발포세라믹을 제공할 수 있으며, 특히 내수성 및 압축강도가 우수하고, 비중이 매우 낮은 시멘트 단열재를 제조할 수 있어 반영구적으로 단열효과가 우수한 스치로폼 내지는 발포성폴리우레탄과 같은 종래의 가연성 발포성수지를 충분히 대체할 수 있는 불연성의 초경량의 시멘트 단열재를 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 초경량 시멘트 단열재를 제조하기 위한 개략 공정도
본원의 기술사상을 구현하기 위한 발명의 실시내용을 실시예로 기재하기에 앞서, 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 본원의 보호범위는 본원발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이며, 본 명세서에 기재된 예시는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본원의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
이하, 본 발명을 다음의 실시 예에 의하여 본원의 기술사상이 적용되는 예를 상세하게 설명하고자 한다.
실시 예 1
(주)영일화성에서 구입한 물유리(규산나트륨; sodium silicate) 3호를 4각 트레이(tray)에 다량 분취하고, 100 ℃의 드라이오븐에서 5시간 완전 건조시켜 열처리한 후 이를 데시케이터에 옮겨 냉각시킨 다음, 과일용 믹서기로 균일하게 분쇄하였다. 열처리된 규산나트륨 분말 50 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 150 g을 혼합한 후 용액형의 물유리 3호를 50 g을 균일하게 혼합하고, 이를 700 W의 가정용 전자렌지를 이용한 가열방법에 의해 초경량의 발포시멘트을 제조하였다.
실시 예 2
열처리된 규산나트륨 분말 75 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 125 g을 혼합한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 3
열처리된 규산나트륨 분말 100 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 100 g을 혼합한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 4
열처리된 규산나트륨 분말 125 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 75 g을 혼합한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 5
드라이오븐의 가열방법을 이용한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 6
용액형의 물유리 3호 대신에 용액형 규산칼륨(K2SiO3) 50 g을 사용한 것을 제외하고. 실시 예 1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 7
용액형의 물유리 3호 대신에 용액형 규산칼륨(K2SiO3) 50 g을 사용한 후 드라이오븐을 이용한 가열방법을 제외하고. 실시 예 1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 8
(주)영일화성에서 구입한 미분의 실리카 겔 50 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 150 g을 혼합하고, 용액형의 물유리 3호를 50 g을 균일하게 혼합하고, 이를 700 W의 가정용 전자렌지를 이용한 가열방법에 의해 초경량의 발포시멘트을 제조하였다.
실시 예 9
열처리된 규산나트륨 분말 50 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 150 g을 혼합하고, 이곳에 인텍스코리아의 천연섬유(평균 15 mm) 10 g을 혼합한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 10
열처리된 규산나트륨 분말 50 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 150 g을 혼합하고, 이곳에 대원포리머의 아크릴에멀젼수지(상품명: DA-84)을 10 g을 혼합한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 11
열처리된 규산나트륨 분말 50 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 150 g을 혼합하고, 이곳에 황토명가의 황토분말 10 g을 혼합한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
실시 예 12
열처리된 규산나트륨 분말 50 g과 (주)한일시멘트사의 포틀랜드 보통시멘트 150 g을 혼합하고, 이곳에 (주)한일그린텍의 활성탄(비표면적: 평균 1,250 ㎡/g) 10 g을 혼합한 것을 제외하고, 실시 예1과 동일하게 수행하였다.
비교 예 1
(주)영일화성에서 구입한 물유리(규산나트륨; sodium silicate) 3호를 다량 분취하고, 100 ℃의 드라이오븐에서 5시간 완전 건조 시켜 열처리한 후 이를 데시케이터에 옮겨 냉각시킨 다음, 과일용 믹서기로 균일하게 분쇄하였다. 열처리된 규산나트륨 분말 200 g과 수용의 물유리 3호를 50 g을 균일하게 혼합하고, 이를 700 W의 가정용 전자렌지를 이용하여 완전 건조시켜 시멘트가 포함되지 않은 초경량의 무기 단열재를 제조하였다.
비교 예 2
드라이오븐의 가열방법을 이용한 것을 제외하고, 비교 예1과 동일하게 수행하였다.
비교 예 3
(주)영일화성에서 구입한 물유리(규산나트륨; sodium silicate) 3호를 다량 분취하고, 100 ℃의 드라이오븐에서 5시간 완전 건조 시켜 열처리한 후 이를 데시케이터에 옮겨 냉각시킨 다음, 과일용 믹서기로 균일하게 분쇄하였다. 열처리된 규산나트륨 분말 200 g과 대원포리머의 아크릴에멀젼수지(상품명: DA-84) 10 g, 수용의 물유리 3호를 50 g을 균일하게 혼합하고, 이를 700 W의 가정용 전자렌지를 이용하여 완전 건조시켜 시멘트가 포함되지 않은 초경량의 무기 단열재를 제조하였다.
비교 예 4
대원포리머의 아크릴에멀젼수지 대신에 인텍스코리아의 천연섬유(평균 15 mm) 10 g을 혼합한 것을 제외하고는 비교 예3과 동일하게 수행하였다.
비교 예 5
대원포리머의 아크릴에멀젼수지 대신에 (주)한일그린텍의 활성탄(비표면적: 평균 1,250 ㎡/g) 10 g을 혼합한 것을 제외하고는 비교 예3과 동일하게 수행하였다.
비교 예 6
시멘트 100 g과 적당량의 물을 혼합하여 시멘트 슬러리를 제조하였다. 한국산업의 동물성기포제 3 %가 함유된 수용액을 발포시스템에 의해 기포액을 제조하고, 제조된 기포액과 시멘트슬러리를 균일하게 혼합하여 가로×세로×높이=10cm×10cm×10cm의 틀에 옮기고, 25일간 자연 양생시켰다.
비교 예 1~6과 실시 예 1~13의 결과를 표 1에 나타냈다.
구분 비중
(g/㎤)		 압축강도
(kgf/㎠)		 인장강도
(kgf/㎠)		 내수성
(일)		 제조시간
실시 예 1 0.088 44 5.18 13
약 2시간40분
실시 예 2 0.062 42 4.85 14
실시 예 3 0.049 41 4.94 12
실시 예 4 0.030 37 5.12 13
실시 예 5 0.038 34 5.06 13 약 4시간 10분
실시 예 6 0.031 33 5.04 13 약 2시간 50분
실시 예 7 0.048 35 5.88 13 약 4시간 10분
실시 예 8 0.027 33 5.12 12 약 2시간 30분
실시 예 9 0.034 32 8.42 15
약 2시간 50분
실시 예 10 0.036 38 5.16 20
실시 예 11 0.054 34 5.17 13
실시 예 12 0.039 43 4.96 13
비교 예 1 0.034 18 3.44 하루이하 약 2시간 30분
비교 예 2 0.032 16 3.06 하루이하 약 4시간 5분
비교 예 3 0.038 20 4.02 2
약 2시간 30분
비교 예 4 0.033 15 6.84 하루이하
비교 예 5 0.032 16 3.44 하루이하
비교 예 6 0.76 40 5.07 23 25일 이상
상기 표 1의 비교 1~5에서 나타낸 바와 시멘트가 포함되지 않은 발포된 무기단열재는 물에 침적시켰을 경우 하루도 경과 되지 않고 수시간 내에 발포된 무기단열재의 형상체가 붕괴되는 현상을 나타내어 단열재의 기능을 발휘할 수 없음을 확인할 수 있었고, 압축강도 역시 실시예 1~12에 나타난 압축강도보다 평균적으로 1/2 정도로 낮기 때문에 건축구조물의 단열재가 부수적으로 요구하는 압축강도 및 내구성을 충족시키지 못하는 것으로 판단되었다.
또한, 비교 6의 경우와 같이 시멘트가 다량 함유하는 종래의 발포시멘트(ALC)의 제조방법으로 적용하는 경우에는 대부분의 주성분이 시멘트로 구성됨에 따라 단열재에서 요구하는 비중 1 이하로 제조될 가능성이 희박하고. 또한 ALC의 제조에서는 반드시 발포제(기포제) 및 발포시스템이 필요하며 제조기간이 25일 이상 장 기간 소요되는 문제점을 갖는 반면, 본원 제조공법은 실시예 1~12에서 나타낸 바와 같이 시멘트의 함량이 증가할수록 압축강도가 일반적으로 증가됨을 알 수 있었으며, 특히 내수성이 증가하여 10일 이상 물에 침적시켜 놓는 경우에도 발포된 단열재 형상체가 붕괴되거나 훼손되지 않음을 확인할 수 있었으며, 특히 아크릴에멀젼수지를 첨가하였을 경우 발포된 성형체 입자표면에 불용성의 고분자 피막이 형성됨에 따라 내수성이 크게 증가되는 사실을 확인할 수 있었다.
또한 본원의 초경량의 시멘트단열재 내부에 섬유질(Fiber)를 첨가하여 줌으로서 인장강도가 크게 향상되어 물류과정이나 시공과정에서 부주의에 의한 절단/파손의 확률을 낮출 수 있음을 확인하였으며, 기능성을 부여하기 위하여 원적외선 및 음이온 방출을 위한 세라믹 분말 및 유해유기물질의 흡착을 위한 활성탄 분말 또는 섬유를 임의대로 첨가할 수 있음을 확인하였다.
상기 표 1의 결과표에서 확인할 수 있는 바와 같이 지금까지 시판되거나 연구, 개발되고 있는 무기물로 구성된 경량기포 단열재들은 제조방법에 따라 다소 차이가 있겠지만, 비중이 0.5를 상위하기 때문에 단열 및 흡음효과가 그다지 높지 않을 뿐 아니라 제조시간이 장시간 소요되고, 발포공정을 수행하기 위해 높은 에너지가 필요하며 발포시스템의 거대한 장비가 필요하기 때문에 스치로폼이나 발포폴리우레탄과 같은 단열효과가 우수한 석유화학제품의 단열효과를 대체할 만한 기술이 되지 못하였으나, 본원의 새로운 공법은 실시예 1~12와 같이 거대한 발포시스템과 발포제를 전혀 사용하지 않음에도 불구하고, 종래의 발포세라믹 또는 발포 시멘트단열재 물성치 값을 유지하면서 비중을 1/10~1/20까지 낮출 수 있음을 확인할 수 있었고, 제조시간도 대폭 감소시킬 수 있음이 확인되었다.
따라서 본 발명은 현대인들의 실내환경 및 분위기를 개선하기 위한 기능성을 제공할 수 있는 초경량 시멘트 단열재 제조방법을 통해 단열효과가 우수한 스치로폼 또는 발포성 폴리우레탄과 같은 종래의 가연성 발포성수지를 충분히 대체할 수 있는 비중 0.1 이하의 불연성 초경량 발포세라믹을 매우 짧은 시간에 다량으로 제조할 수 있는 새로운 초경량 미세발포체의 제조방법이다.
10 : 열처리 및 고형화단계 20 : 분쇄단계
30 : 분말 혼합단계 40 : 슬러리 혼합단계
50 : 열처리 단계

Claims (10)

  1. 무기단열재로 내수성 및 압축강도가 높으면서 비중 0.1 이하의 초경량성을 갖는 시멘트단열재의 제조방법에 있어서,
    규산염(Silicate), 콜로이달 실리카(Colloidal silica), 실리카 겔(Silica gel), 진주암(Perlite), 질석(Vermiculite) 중에서 선택되는 실리카 원료를 75~650 ℃ 범위의 열처리 공정에 의해 3차원 망상구조를 갖는 실리카 고형물을 형성시키는 제1공정과;
    상기 제1공정에 의해 얻은 실리카 고형물을 압축, 충격, 마모, 절단 중에서 선택되는 수단에 의한 미분화 공정을 통하여 500 ㎛ 이하의 입자크기로 분쇄시키는 제2공정과
    상기 제2공정에 의해 얻은 실리카 분말과 시멘트를 혼합하되, 제2공정에서 수득한 실리카 분말을 100 중량부로 기준 할 때 시멘트 분말 10 ~ 500 중량부 비율로 혼합하여 혼합분말을 얻는 제3공정과
    상기 제3공정에 의해 얻은 혼합분말과 규산염을 혼합하여 슬러리 혼합물을 얻되, 제3공정에서 수득한 혼합분말을 100 중량부 기준 할 때 규산염이 20 ~ 250 중량부 비율로 혼합되어 슬러리 혼합물을 얻는 제4공정과
    상기 제4공정에 의해 얻은 슬러리 혼합물에 미세한 기포를 제공하기 위해 열처리를 실시하는 제5공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1공정과 제5공정에서의 열처리 가열 공정은 근적외선 가열수단, 적외선가열수단, 극초단파에 의한 가열수단, 오븐(Oven)에 의한 열풍 가열수단 중에서 선택되는 열처리 가열 수단이 이용되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1공정과 제4공정에서 사용되는 규산염은 1~4종의 액상 규산나트륨, 올쏘규산나트륨, 이규산나트륨, 분말형규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬, 알루미늄실리콘산나트륨 중에서 선택되어지는 수용성 규산염(Silicate)이 사용되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1공정에서 사용되는 콜로이달 실리카는 입자의 크기가 1~100 nm의 입도크기로 사용되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3공정 수행 시 시멘트단열재의 내수성을 향상을 위해 수분산성, 수용성, 입자성 고분자 수지 중에서 선택되는 첨가제가 추가되되, 실리카와 시멘트 혼합분말을 100 중량부 기준 할 때 첨가제가 50 중량부 이하로 추가 포함되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3공정 수행 시 시멘트단열재에 원적외선이나 음이온 방출을 위한 기능성을 부여하기 위해 첨가제가 추가되되, 400 ㎛ 이하 입자크기의 맥반석, 황토석, 감람석(Olivine), 고령토(Kaolin), 규산염 광물(Silica Mineral), 규조토(Diatomite), 규회석(Wollastonite), 납석(Pyrophyllite), 돌로마이트(Dolomite), 리튬광물(Lithium Minerals), 마그네사이트(Magnesite), 보크사이트(Bauxite), 벤토나이트(Bentonite), 부석(Pumice), 붕산염광물(Borate), 사문석(Serpentine), 산성백토(Acid clay), 산화철(Iron Oxide), 석류석(Garnet), 탄산광물(Carbonate Minerals), 애타풀자이트(Attapulgite), 제올라이트(Zeolite), 세피오라이트(Sepiolite), 연옥(Nephrite), 인회석(Apatite), 일라이트-운모(Illite-Mica), 장석(Feldspar), 진주암(Perlite), 질석(Vermiculite), 제올라이트(Zeolite), 중정석(Barite), 활석(Talc), 규조토(diatomaceous earth), 흑연(Graphite), 헥토라이트(Hectorite), 점토광물(Clay Minerals), 지르코늄 광물(Zirconium Minerals), 티타늄 광물(Titanium Minerals), 투어마린(Tourmaine; 전기석), 흄실리카(Fume silica), 에어로겔(Aerogel) 중에서 선택되는 세라믹 첨가제가 추가되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3공정 수행 시 시멘트단열재가 대기 중의 유해가스 흡착을 위한 기능성을 부여하기 위해 첨가제가 추가되되, 700 ~ 1,800 ㎡/g의 비표면적을 가진 활성탄이나 활성탄소섬유의 첨가제가 추가되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3공정 수행 시 시멘트단열재의 내구성을 높여주기 위해 첨가제가 추가되되, 1~50 mm의 길이를 가지는 천연섬유나 인조섬유 중에서 선택되어 강도보강제로 추가되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트 단열재의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제3공정 수행 시 시멘트단열재의 내수성을 향상을 위해 사용되는 수분산성 내지 수용성 고분자첨가제는 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol)류, 폴리비닐 피로리돈(polyvinyl pyrrolidone)류, 폴리아크릴산, 스타이렌(styrene)-아크릴산 공중합체, 알긴산나트륨, 젤라틴, 셀룰로우즈, 녹말, 스타이렌-메타아크릴산 공중합체, 스타이렌-메타아크릴산-아크릴산 에스테르(ester) 공중합체, 스타이렌-a-메틸 스타이렌-아크릴산 공중합체 내지는 스타이렌-a-메칠스타이렌-아크릴산-아크릴산 에스테르 공중합체의 스타이렌 아크릴산 수지, 스타이렌-말레인산 공중합체, 스타이렌-무수말레인산 공중합체, 아크릴산-아크릴 니트릴 공중합체, 초산비닐-아크릴산 에스테르 공중합체 내지는 아크릴산-아크릴산 에스테르 공중합체의 아크릴계 수지, 비닐 나프탈렌-아크릴산 공중합체, 비닐 나프탈렌-말레인산 공중합체 및 초산비닐-에틸렌 공중합체, 초산비닐-지방산 비닐 에틸렌 공중합체, 초산비닐-말레인산 에스테르 공중합체, 초산비닐-크로톤산 공중합체, 초산비닐-아크릴산 공중합체의 초산비닐계 공중합체 중에서 선택되는 고분자가 사용되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제3공정 수행 시 시멘트단열재의 내수성을 향상을 위해 사용되는 입자성 고분자 수지 첨가제는 폴리에틸렌테테레프탈레이트(PET), 저밀도 내지는 고밀도 폴리에틸렌(PE), 염화비닐수지(PVC), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리우레탄(PU), 폴리카프로렉톤(Polycaprolacton) 중에서 선택되는 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는 초경량 시멘트단열재의 제조방법.
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