KR101220930B1 - 친환경 지오폴리머를 이용한 조형물 조성물 및 조형물 제조방법. - Google Patents

친환경 지오폴리머를 이용한 조형물 조성물 및 조형물 제조방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 지오폴리머를 이용한 조형물 조성물 및 조형물 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 조형물 조성물은 흙 100중량부에 대하여 고로 슬래그 : 플라이 애쉬의 비율이 90 : 10 ~ 10 : 90인 분말상의 지오폴리머 20 내지 50중량부 및 규산나트륨 : 인산염의 무게 비가 30 ~ 70 : 1 ~ 10인 액상 자극제 25 내지 70중량부로 구성되며, 본 발명의 조형물 제조방법은 하기 단계를 포함한다.
(i) 원형을 조각하는 단계, (ii) 조각된 원형의 표면에 액상의 재료를 적층하여 외부 몰드를 제조하는 단계, (iii) 외부 몰드에서 조각된 원형을 제거한 후 외부 몰드의 내부에 3~7cm의 두께의 찰흙 층을 형성한 후 이 찰흙 층 표면에 액상의 재료를 적층하여 주입구가 형성된 내부 몰드를 제조하는 단계, (iv) 찰흙 층을 제거하고 외부 몰드와 내부 몰드를 연결함과 동시에 모드 하부를 밀봉하는 단계 및 (v) 하부 몰드에 형성된 주입구를 통하여 제1항 기재의 조형물 조성물을 주입한 후 양생시키고 탈형하는 단계.
색인어
조형물, 지오폴리머, 액상자극제, 몰드

Description

친환경 지오폴리머를 이용한 조형물 조성물 및 조형물 제조방법. {Shaped article composition by use of the environmental-friendly geopolymer and production of shaped article }
본 발명은 친환경 지오폴리머를 이용한 조형물 조성물 및 조형물 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하기로는 초기 및 후기 압축강도가 우수하고 내구성 및 내열성이 뛰어 난 조형물 조성물 및 조형물 제조방법에 관한 것이다.
공원이나 건물 앞에 설치되는 조형물은 대부분 금속을 용해하여 주물로 그 형태를 주형한 다음 표면을 세공하는 방법으로 제조되었기 때문에 조형물 제작에 장기간 걸릴 뿐만 아니라, 비용이 지나치게 고가이고 중량이 많이 나가서 운반과 설치작업에 어려움이 많았다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 한국특허 제10-0537355호에서는 금속제 프레임과 금속관을 이용하여 조형물을 제작하는 기술을 개시하고 있다. 이 기술에 의하여 상기한 바와 같은 문제점들을 많이 해결하였으나 여전히 제조비용이 고가이고 중량이 많이 나갈 뿐만 아니라 내구성이 부족한 등의 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결한 기술로는 한국특허 제10-0458904호를 들 수 있다. 이 기술은 산청토, 연탄재, 고령토 등으로 이루어지는 흙 조성물을 성형한 다음 1000 내지 1350℃의 온도로 소성시키는 것으로 구성된다.
이 기술에 의하여 얻어진 조형물은 경량성은 확보하게 되었으나, 충격강도가 약하고 고온의 소송공정이 필요하므로 제작비용이 여전히 고가라는 문제점을 가지고 있다.
상기 기술의 문제점을 해결하기 위하여 한국특허 제10-0803668호에서는 다수의 몰드 조각을 조립하여 몰드를 형성하고, 이러한 몰드 조각을 조립하고 조형 재료인 콘크리트를 타설한 다음 굳혀 조형물을 형성하되, 하부로부터 상부로 진행하면서 몰드 조작을 조립하면서 조형 재료를 타설하는 방법을 개시하고 있다.
이 기술에 의하여 얻어진 조형물은 어느 정도의 충격강도를 가지며, 제조단가도 비교적 저렴하다는 장점도 가진다. 그러나 여러 조각의 몰드의 제조에 많은 비용과 시간이 소요되며, 특히 얻어진 조형물의 외관이 좋지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 선행기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제조원가가 저렴하며 내구성이 우수한 조형물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 중량이 가벼운 조형물을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 외관 특성이 우수한 조형물을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 내수성이 우수한 조형물을 제공하는 것이다.
본 발명의 조형물 조성물은 흙 100중량부에 대하여 분말상의 지오폴리머 20 내지 50중량부 및 액상 자극제 25 내지 70중량부로 구성된다.
본 발명의 조형물 조성방법은, (i) 원형을 조각하는 단계, (ii) 조각된 원형의 표면에 액상의 재료를 적층하여 외부 몰드를 제조하는 단계, (iii) 외부 몰드에서 조각된 원형을 제거한 후 외부 몰드의 내부에 3~7cm의 두께의 찰흙 층을 형성한 후 이 찰흙 층 표면에 액상의 재료를 적층하여 주입구가 형성된 내부 몰드를 제조하는 단계, (iv) 찰흙 층을 제거하고 외부 몰드와 내부 몰드를 연결함과 동시에 모드 하부를 밀봉하는 단계 및 (v) 하부 몰드에 형성된 주입구를 통하여 조형물 조성물을 주입한 후 양생시키고 탈형하는 단계를 포함한다.
본 발명의 조형물은 외관이 미려하고 내구성이 우수할 뿐만 아니라 제조원가가 저렴하고 중량기 가벼워서 일반 공원의 조형물로서 효과적으로 사용될 수 있음은 물론, 내수성이 우수하여 공원형 물놀이 시설물, 바다나 개천에 인접한 편의시설물이나 조형물로도 효과적으로 사용될 수 있다.
도1은 외부 몰드의 사시도이고,
도2는 내부 몰드의 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 외부 몰드의 프랜지
11 : 내부 몰드의 프랜지
20 : 외부 몰드의 체결구
21 : 내부 몰드의 체결구
30 : 주입구
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
지오폴리머는 고농도 알칼리 용액과 알루미노실리케이트 혹은 포졸란 물질의 축중합에 의하여 생성될 수 있으며, 생성된 지오폴리머는 우수한 기계적 특성과 화학적 저항특성을 발휘하는 것으로 보고되고 있다.
또한 세라믹과 같은 특성의 지오폴리머는 고온에서도 우수한 열적 저항특성을 발휘하는 것으로 알려져 있다. 시멘트에 의한 모르타르가 고온에 노출될 경우, 물의 증발(105℃), C-S-H 겔의 분해(105~440℃), Ca(OH)2의 분해(440~580℃) 및 CaCO3의 분해(580~1007℃) 등과 같이 4단계로 분해되기 때문에 시멘트 모르타르는 강도를 잃어버리게 되지만, 메타카올린과 포타슘 실리케이트 혹은 소디움 실리케이트를 사용하여 제조된 지오폴리머는 1,200~1,400℃의 온도에서도 안정한 열적 저항특성을 가지고 있다. 또한 내수성 역시 시멘트 모르타르에 비하여 현저하게 우수하다.
본 발명에서 사용되는 분말상의 지오폴리머는 한국특허출원 제10-2009-0103208호에 개시된 분말상의 지오폴리머이며, 고로 슬래그 : 플라이 애시의 무게 비가 90 : 10 ~ 10 : 90인 혼합물이다. 액상 자극제는 규산나트륨 : 인산염의 무게비가 30 ~ 70 : 1 ~ 10인 혼합물이다.
분말상 지오폴리머의 사용 비율이 상기 범위 미만의 경우에는 본 발명에서 제시하고 있는 조기강도 발현을 달성할 수 없어 작업시간이 기존 방법에 의한 것보다 크게 개선되지 않는 것과 최종 강도 역시 인조 조형물과 같은 강한 결합력과 강도를 요하는 분야에는 적용하는데 문제점이 발생하며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 흙성분의 사용 제한으로 흙 고유의 심미성이 저해되고, 과다한 바인더의 사용으로 비용상승 및 조성물내의 분말도가 증가하므로 표면의 치밀화가 향상되어 표면 기공감소로 내부의 수분 증발시 크랙이 발생하고, 바인더의 조기강도 발현 특성으로 작업시간 단축에 의해 최소한의 시간확보가 어려운 문제점이 발생한다.
액상 자극제의 사용 비율이 상기 범위 미만의 경우에는 성형이 어려우며, 상기 범위 미만을 사용하고 물로 성형가능한 양을 맞추더라도 지오폴리머 분말의 충분한 자극효과가 저해되므로 조기강도발현 및 장기강도가 기준 미달하는 문제점이 발생하며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 유동성 향상 및 작업시간, 작업성 등은 높아지나 액상과다사용으로 비용이 상승하고, 불필요한 액상이 성형체내에 지속적으로 존재하면서 경화시간을 지연하고, 고유동화 및 저점도화를 통하여 재료분리에 의한 변형을 일으킬 수 있으며, 이를 통하여 밴딩되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명에서 사용되는 흙은 특별히 제한되지는 않으나, 수축 반응을 억제하기 위하여 모래와 같은 잔골재(직경 0.15~4.0mm)가 70~80중량% 정도 혼합된 것이 바람직하다. 필요한 경우 일반 흙과 점토(검은 색), 황토, 백토, 적토 등과 같은 색상을 가진 흙을 혼합 사용할 수도 있으며, 색상을 가진 흙 단독으로도 사용될 수 있다. 흙의 사용량을 늘리기 위해서는 700℃ 정도의 온도로 소성한 흙이나 점토 벽돌 파쇄물을 사용할 수도 있다.
본 발명의 조형물 조성방법에서, (i) 원형을 조각하는 단계는 표현하고자 하는 형태를 조각용 점토 등을 사용하여 조각하는 것이다.
(ii) 조각된 원형의 표면에 액상의 재료를 피복하여 외부 몰드를 제조하는 단계에서 사용 가능한 액상의 재료는 FRP, 액상의 석고 등을 들 수 있다. 몰드의 강도를 고려할 때 FRP의 사용이 바람직하며, 몰드의 두께는 7~13mm 범위가 적절하다. 이 범위 미만의 경우에는 강도가 부족하게 되며, 이 범위를 초과하는 경우에는 제조원가가 지나치게 상승하게 된다.
몰드와 조각된 원형의 분리를 용이하게 하기 위하여 액상의 재료를 조각된 원형 표면에 피복 전에 미리 이형제를 도포하는 것이 바람직하다.
외부 몰드 제조 시 그 외부에 도 1과 같은 플랜지를 형성하는 것이 필요하다. 이 플랜지는 외부 몰드를 내부 몰드와 결합시키는 역할과 몰드의 이송 시 손잡이 역할을 한다. 플랜지의 두께는 3~7cm 범위가 적절하다.
(iii) 외부 몰드에서 조각된 원형을 제거한 후 외부 몰드의 내부에 3~10cm의 두께의 찰흙 층을 형성한 후 이 찰흙 층 표면에 액상의 재료를 피복하여 주입구가 형성된 내부 몰드를 제조하는 단계에서 찰흙 층의 두께가 상기 범위 미만의 경우에는 얻어지는 조형물의 강도가 부족하게 되며, 이 범위를 초과하는 경우에는 얻어지는 조형물의 중량이 지나치게 무거워진다.
내부 몰드 제조 시에도 도 2와 같이 플랜지를 형성하는 것이 필요하다.
(iv) 찰흙 층을 제거하고 외부 몰드와 내부 몰드를 연결함과 동시에 몰드 하부를 밀봉하는 단계에서, 외부 몰드와 내부 몰드의 연결 및 하부 몰드의 밀봉은 외부 몰드와 내부 몰드를 적층하고 두 몰드의 플랜지를 볼트와 너트로 결합함으로써 이루어진다.
(v) 하부 몰드에 형성된 주입구를 통하여 조형물 조성물을 주입한 후 양생시키고 탈형하는 단계에서, 양생시키는 과정은 습도 90% 이상이고 온도 50~80℃인 양생실에서 5~10시간 동안 습윤 양생 후, 20~40℃의 온도로 유지되는 열실에서 1~5일 동안 양생시키는 것으로 구성된다.
양생이 완료된 조형물은 탈형되어 야외 실온에서 1~10일간 안정화 공정을 거치는 것이 바람직하다.
얻어진 조형물은 필요할 경우 마감 처리 후 오염 방지제, 방수제, 크랙방지제 등을 코팅할 수도 있으며, 채색을 할 수도 있다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 하기 단계를 포함하는 조형물 제조방법.
    (i) 원형을 조각하는 단계, (ii) 조각된 원형의 표면에 액상의 재료를 적층하여 외부 몰드를 제조하는 단계, (iii) 외부 몰드에서 조각된 원형을 제거한 후 외부 몰드의 내부에 3~7cm의 두께의 찰흙 층을 형성한 후 이 찰흙 층 표면에 액상의 재료를 적층하여 주입구가 형성된 내부 몰드를 제조하는 단계, (iv) 찰흙 층을 제거하고 외부 몰드와 내부 몰드를 연결함과 동시에 몰드 하부를 밀봉하는 단계 및 (v) 하부 몰드에 형성된 주입구를 통하여 흙 100중량부에 대하여 고로 슬래그 : 플라이 애쉬의 비율이 90 : 10 ~ 10 : 90인 분말상의 지오폴리머 20 내지 50중량부 및 규산나트륨 : 인산염의 무게 비가 30 ~ 70 : 1 ~ 10인 액상 자극제 25 내지 70중량부로 구성되는 조형물 조성물을 주입한 후 양생시키고 탈형하는 단계.
  4. 제3항에 있어서, 액상의 재료는 FRP인 것을 특징으로 조형물 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 외부 몰드 및 내부 몰드의 제조단계에서 몰드 외부에 3~7cm 두께의 플랜지를 형성시키는 것을 특징으로 하는 조형물 제조방법.
  6. 제3항에 있어서, 외부 몰드와 내부 몰드의 연결 및 하부 몰드의 밀봉방법은 외부 몰드와 내부 몰드의 각 프랜지를 적층한 다음, 볼트와 너트로 결합시키는 것을 특징으로 하는 조형물 제조방법.
  7. 제3항에 있어서, 양생시키는 과정은 습도 90% 이상이고 온도 50~80℃인 양생실에서 5~10시간 동안 습윤 양생 후, 20~40℃의 온도로 유지되는 열실에서 1~5일 동안 양생시키는 것을 특징으로 하는 조형물 제조방법.
  8. 제3항에 있어서, 흙은 직경 0.15~4.0㎜인 잔골재가 70~80중량% 혼합된 것을 특징으로 하는 조형물 제조방법
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