KR101262447B1

KR101262447B1 - 인조석 제조용 페이스트 조성물, 이를 이용한 인조석 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 무기 바인더계 인조석

Info

Publication number: KR101262447B1
Application number: KR1020090129855A
Authority: KR
Inventors: 최종식; 정승문; 정정호; 박창환; 고해승; 임호연
Original assignee: (주)엘지하우시스
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2013-05-08
Also published as: KR20110072778A

Abstract

무기 바인더와 알칼리 금속이온 함유 용액을 포함하는 인조석 제조용페이스트 조성물에, 이를 이용한 인조석 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 무기 바인더계 인조석에 대하여 개시한다.

본 발명에 따른 인조석 제조용 페이스트 조성물은 종석 골재, 바인더 및 용매를 포함하되, 상기 바인더는 무기 바인더이고, 상기 용매는 알칼리 금속이온 함유 용액인 것을 특징으로 한다.

Description

인조석 제조용 페이스트 조성물, 이를 이용한 인조석 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 무기 바인더계 인조석{PASTE COMPOSITION FOR MANUFACTURING ARTIFICIAL STONE, METHOD OF MANUFACTURING ARTIFICIAL STONE USING THE PASTE COMPOSITION AND INORAGNIC BINDER ARTIFICIAL STONE MANUFACTURED THE METHOD}

본 발명은 건축용 외장재나 내장재로 사용되는 인조석에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인조석을 제조하기 위한 페이스트 조성물에 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물과 같은 무기 바인더와 알칼리 금속이온 함유 용액을 포함시킴으로써, 기존 시멘트계 인조석의 백화현상, 내구성 등의 문제점과 유기 바인더계 인조석의 내열성, 내산성 등의 문제점을 해결할 수 있는 인조석 제조용 페이스트 조성물, 이를 이용한 인조석 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 무기 바인더계 인조석에 관한 것이다.

인조석이란 천연석에 반대되는 석재로서, 인위적으로 제작된 석재를 말한다. 이러한 인조석은 인조대리석, 인조화강암 등이 있으며, 주로 건축용 내장재 혹은 외장재로 사용된다.

현재 사용되는 인조석 중 가장 대표적인 것은 시멘트계 인조석이다. 시멘트계 인조석은 저렴한 가격으로 생산 가능하여 건축용 내장재로 흔히 사용되고 있다.

그러나, 시멘트계 인조석은 온도 변화에 따른 내구성이 약해지는 문제점이 있다.

또한, 시멘트계 인조석은 시멘트 경화시에 수화반응에 의해 형성되는 가용성의 알칼리화합물이나 수산화칼슘 성분이 모세관 현상으로 인해 인조석 내부의 기공을 통하여 표면으로 석출되거나 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 불용성의 탄산칼슘을 형성함으로써 백화현상을 발생시킨다. 따라서, 시멘트계 인조석을 건축용 외장재로 장기간 사용할 경우 외관의 손상이 심해지므로, 건축용 외장재로의 사용은 지양되고 있다.

상기와 같은 시멘트계 인조석의 문제점을 해결하고자, 상기 시멘트계인조석을 제조하기 위한 페이스트에 시멘트의 일부를 가용성의 알칼리화합물이나 수산화칼슘에 반응성이 있는 알루미노실리케이트나 실리카를 치환하여, 고온 고압에서 수열반응을 시킴으로써 수산화칼슘의 농도를 낮추는 방법이 제시되었다.

그러나, 시멘트의 40% 이상을 알루미노실리케이트나 실리카로 치환할 경우 백화현상을 최대한 억제할 수 있으나 자연석의 질감과 외관이 좋지 못하며, 결정적으로 강도가 급격히 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 알루미노실리케이트나 실리카는 인조석의 강도를 확보하기 이하여 시멘트의 15~30% 범위 내에서만 제한적으로 첨가되고 있다. 그러나, 이 경우 백화현 상의 억제력이 저하된다.

또한, 시멘트계 인조석의 문제점인 백화현상을 억제하고자, 시멘트의일부를 유기고분자로 치환한 유기 바인더계 인조석이 제시되었다. 그러나, 유기 바인더계 인조석의 경우, 내열성, 내산성, 표면경도의 문제점이 있어, 여전히 건축용 외장재로 사용하기 어렵다.

본 발명의 목적은 기존 시멘트계 인조석의 백화현상, 내구성 등의 문제점과 유기 바인더계 인조석의 내열성, 내산성 등의 문제점을 해결할 수 있는 인조석 제조용 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 제시된 페이스트 조성물을 이용하여 백화현상을 억제하고, 고강도, 고밀도의 물성을 가질 수 있는 인조석 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 제시된 제조 방법을 이용하여 건축용 내외장재로 사용할 수 있는 무기 바인더계 인조석을 제공하는 것이다.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 인조석 제조용 페이스트 조성물은 종석 골재, 바인더 및 용매를 포함하되, 상기 바인더는 무기 바인더이고, 상기 용매는 알칼리 금속이온 함유 용액인 것을 특징으로 한다.

상기 페이스트 조성물의 바람직한 조성으로, 무기 바인더 10~30중량%, 종석 골재 15~70중량% 및 용매 10~75중량%를 포함하는 것을 제시할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 인조석 제조 방법은 (a) 무기 바인더 10~30중량%, 종속 골재 15~70중량% 및 알칼리 금속이온 함유 용액 10~75중량%을 혼합하여 인조석 페이스트 제조하는 단계; (b) 몰드에 상기 인조석 페이스트를 푸어링(pouring)하는 단계; (c) 상기 인조석 페이스트를 양생하는 단계; 및 (d) 상기 양생된 결과물의 표면을 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 무기 바인더계 인조석은 내부에 알루미노실리케이트 폴리머 및 칼슘실리케이트 수화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 인조석 제조용 페이스트에 비정질 활성 알루미노실리케이트와 같은 무기 바인더를 포함시킴으로써 백화현상을 억제할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 인조석 제조 방법으로 제조된 무기 바인더계 인조석은 무기 바인더 및 알칼리 금속이온 함유 용액을 함께 원료물질로 이용함으로써 무기 바인더의 결합력을 높일 수 있고, 아울러 기공률을 낮추어 고강도 및 수밀성이 높일 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명에 따른 인조석 제조용 페이스트 조성물, 이를 이용한 인조석 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 무기 바인더계 인조석에 대하여 상세히 설명하기 로 한다.

이때, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

인조석 제조용 페이스트 조성물

본 발명에 따른 인조석 제조용 페이스트 조성물은 기본적으로 바인더, 종석 골재, 바인더 및 용매를 포함한다.

다만, 본 발명에서, 상기 바인더는 무기 바인더이고, 상기 용매는 알칼리 금속이온 함유 용액이다.

무기 바인더

무기 바인더는 알칼리 금속이온 함유 용액과 반응하여 알루미노실리케이트 고분자를 형성한다.

이러한 무기 바인더는 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물일 수 있다. 이러한, 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물은 메타카올린, 플라이애쉬, 규조토 등이 이용될 수 있다. 이들 화합물은 단독으로 이용되거나 2 이상을 혼합하여 이용할 수 있다.

상기 무기 바인더는 페이스트 조성물 내에서 10~30중량%로 함유되는 것이 바 람직하다. 무기 바인더가 10중량% 미만으로 첨가되면 백화현상을 방지할 수 없으며, 3차원 망상구조를 갖는 알루미노실리케이트 폴리머과 효과적으로 형성되지 못하여 강도의 저하를 가져올 수 있다. 또한 무기 바인더가 30중량%를 초과할 경우, 인조석의 경도가 저하되어 건축용 외장재로 사용하기 어려운 문제점이 있다.

알칼리 금속이온 함유 용액

알칼리 금속이온 함유 용액은 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물 등의 무기 바인더를 알루미네이트, 실리케이트 등으로 용해시켜 알루미노실리케이트 고분자 형성을 촉진한다.

상기 알칼리 금속이온 함유 용액은 pH 12 이상의 강알칼리성의 액티베이터(activator) 용액으로 물, 바람직하게는 증류수에 수산화나트륨, 수산화칼슘, 물유리 등이 포함되어 형성될 수 있다.

알칼리 금속이온 함유 용액은 인조석 제조용 페이스트 조성물을 구성하는 다른 물질들의 함량에 따라 결정될 수 있으며, 10~75중량%의 함량비로 포함될 수 있다.

종석 골재

종석 골재는 대리석, 사문암, 화강암 등의 천연석이나, 인조석을 분쇄하여 얻어지는 것으로 규석과 천연석 미분 등을 함유한다. 종속 골재는 인조석의 기초 재료로서, 인조석에 경도를 부여하는 역할을 한다.

이러한 종석 골재는 패킹 밀도(packing density)를 높이기 위하여, 규석과 500㎛ 이하의 고운모래의 미분말과 2~10mm의 굵은 종석을 혼합하여 이용하는 것이 바람직하다.

상기 종석 골재는 페이스트 조성물 내에서 15~70중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 종석 골재가 15중량% 미만으로 첨가되면 인조석의 경도가 낮아 외장재로 사용하기 어려우며, 70중량%를 초과하면 무기 바인더의 상대적인 함량이 낮아져서, 인조석의 강도가 저하되는 문제점과 페이스트 조성물을 구성하는 다른 물질들과 혼합시 작업성(workability)이 저하되는 문제점이 있다.

상기 종석, 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물, 알칼리 금속이온 함유 용액이 혼합된 페이스트는 반응조건과 조성비에 따라 알루미노실리케이트 용해 반응, 알루미노실리케이트의 재결합에 의한 중합반응 및 칼슘과 실리케이트의 결합반응 등 여러 반응들이 동시에 또는 순차적으로 진행된다.

상기 반응들 중 알루미노실리케이트 용해 반응에서는 메타카올린 또는 플라이애쉬와 같은 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물이 pH 12 이상의 강알칼리 용액에서 표면의 알루미늄 이온과 실리콘 이온이 용해되면서 사면체의 알루미네이트(AlO₄), 실리케이트(SiO₄), 알루미네트와 실리케이트가 결합된 올리고시알레이트(oligosialate) 등을 형성한다.

알루미노실리케이트 용해 반응에서 형성된 이온들은 알칼리 촉매 조건에서 올리고시알레이트의 재결합 반응인 중합 반응에 의해 폴리시알레이트를 형성한다.

올리고시알레이트의 중합 반응은 알루미늄 이온과 실리콘 이온의 조성비와 반응조건에 따라 Si-O-Al-O-, Si-O-Al-O-Si-O-, Si-O-Al-O-Si-O-Si-O- 등의 단위체를 형성하며, 3차원 망상구조를 갖는 폴리머 형태의 고강도 구조체를 형성한다.

알루미노실리케이트 폴리머는 3차원 망상구조를 통하여, 고온에서의 구조 안정성이 높고, 초기 강도 발현 속도가 빨라 인조석 제조 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 알루미노실리케이트 폴리머는 낮은 온도에서 경화되어 에너지 소비가 적으며, 광물성분으로 구성된 친환경 재료로써의 장점을 가진다.

한편, 알루미노실리케이트에서 용해된 실리케이트의 일부 이온들은 수산화칼슘과 반응하여, 칼슘실리케이트 수화물을 형성하고, 또한, 반응 온도와 조성비에 따라 토버모라이트와 같은 결정질 또는 세미 결정질 물질을 형성한다.

따라서, 본 발명에 따른 페이스트 조성물에서 무기 바인더로 비정질 활성 알루미노실리케이트의 함량비를 높이고, 이를 pH 12 이상의 강알칼리성 액티베이터 용액인 알칼리 금속이온 함유 용액에 첨가함으로써 무기 바인더의 결합력을 높이고 기공률을 낮출 수 있어서, 고강도, 수밀성의 특성을 이룰 수 있다.

즉, 본 발명에서 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물은 강알칼리성인 알칼리 금속이온 함유 용액과 반응하여 알루미노실리케이트 폴리머 및 칼슘실리케이트 수화물을 형성한다.

인조석 제조 방법

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인조석 제조 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 인조석 제조 방법은 인조석 페이스트 마련 단계(S110), 푸어링 단계(S120), 양생 단계(S130) 및 표면 처리 단계(S140)를 포함한다.

인조석 페이스트 마련 단계(S110)에서는 무기 바인더 10~30중량%, 종속 골재 15~70중량%, 와 알칼리 금속이온 함유 용액 10~75중량%을 첨가하여 인조석 페이스트 마련한다.

이때, 무기 바인더는 메타카올린, 플라이애쉬, 규조토 등과 같은 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물일 수 있다.

비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물 중 메타카올린은 카올린을 600℃ ~ 900℃의 온도에서 열처리하여 활성화시킴으로써 수득할 수 있다.

또한, 알칼리 금속이온 함유 용액은 물, 바람직하게는 증류수에 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 물유리 중 하나 이상의 물질을 용해하여 제작할 수 있다.

푸어링 단계(S120)에서는 몰드에 상기 인조석 페이스트를 푸어링(pouring)한다. 몰드는 제조하고자 하는 인조석의 형상을 결정하는 역할을 한다.

이때, 몰드의 내면은 양생 후 인조석의 분리를 쉽게 하기 위하여 이형 물질을 코팅할 수 있다.

양생 단계(S130)에서는 인조석 페이스트를 양생한다. 본 단계에서 페이스트 조성물이 점점 굳어지면서 인조석이 형성된다.

양생은 0℃ ~ 150℃의 온도 및 65% 이상의 상대습도 조건에서 12~36시간동안 진행될 수 있다.

표면 처리 단계(S140)에서는 형성된 인조석의 표면을 처리하여, 최종인조석이 제조된다.

제조된 인조석의 형태는 몰드 내부의 형태에 의해 결정된다. 다만, 대량 생산의 목적으로 몰드 내부의 사이즈가 매우 큰 경우, 원하는 인조석 제품의 사이즈로 완성하기 위하여 제조된 인조석을 절단하는 과정이 필요하다. 이때, 절단은 제조된 인조석의 표면 처리 전 또는 표면 처리 후에 이루어질 수 있다.

무기 바인더계 인조석

상기와 같이, 종석 골재에 비정질 활성 알루미노실리케이트화합물을 혼합하여, 알칼리 금속이온 함유 용액으로 반응시킨 후 양생 과정을 통하여 제조된 인조석은 내부에 알루미노실리케이트 폴리머와 칼슘 실리케이트 수화물이 형성되어 있어, 백화 현상을 억제할 수 있으며, 고강도, 고밀도의 무기바인더계 인조석이 될 수 있다.

물론, 본 발명에 따른 무기 바인더계 인조석은 원료 물질인 무기 바인더의 종류, 제조 과정에서의 반응 온도, 알칼리 금속이온 함유 용액의 pH와 알칼리 금속이온의 종류 등에 따라 약간씩 달라질 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 인조석의 제조

(1) 실시예

12M NaOH 용액과 물유리(Na2O 18중량%, SiO2 36%)를 1:2의 중량비로 혼합한 알칼리 금속이온 함유 용액(pH 13~14)을 준비하였으며, 카올린 분말을 10℃/min의 승온 속도로 800℃로 가열한 후 6시간 동안 유지하여 메타카올린으로 활성화하고, 이를 냉각하였다.

메타카올린 15중량%, 규석과 천연석 미분 25중량%, 과립 종석 40% 를 혼합한 후, 알칼리 금속이온 함유 용액 20중량%를 첨가하면서 교반하여 인조석 제조용 페이스트를 제조하였다.

제조된 페이스트를 직경 60mm의 원형 몰드에 담아 실링한 후, 60℃,상대습도 98%의 조건 하에서 24시간 동안 양생하여 인조석을 제조하였다.

(2) 비교예

시멘트 23중량%, 규석과 천연석 미분 12중량%, 과립 종석 58%를 혼합한 후, 물 7중량%를 첨가하면서 교반하여 인조석 제조용 페이스트를 제조한 후, 실시예와 동일한 조건으로 양생하여 인조석을 제조하였다.

2. 물성 측정 및 평가

실시예 및 비교예에 따라 제조된 인조석의 물성은 물성은 3점 굴곡강도와 물의 흡수율에 대해 측정하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.

[표 1]

	굴곡강도 (Mpa)	흡수율 (%)
비교예	13	2.7
실시예	15	2.5

표 1을 참조하면, 시멘트가 첨가되지 않은 무기바인더계 인조석인 실시예의 경우, 시멘트계 인조석인 비교예에 비하여 조금 더 우수한 굴곡강도를 나타내었으며, 물의 흡수율 또한 약간 더 낮은 것을 볼 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 인조석 제조용 페이스트 조성물은 시멘트를 첨가하지 않고도 우수한 강도 등을 확보할 수 있으며, 또한 시멘트를 첨가하지 않음으로써 종래의 시멘트계 인조석에서 문제시되는 백화 현상을 억제할 수 있고, 또한 종래의 시멘트계 인조석이나 유기바인더계 인조석에 비하여 환경에 악영향을 미치는 요소를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.

Claims

종석 골재, 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물인 무기 바인더 및 물에 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 물유리 중 하나 이상의 물질이 용해되어 형성된 알칼리 금속이온 함유 용액을 포함하되,

상기 종석 골재는 15~70중량%로 포함되고, 상기 무기 바인더는 10~30중량%로 포함되며, 상기 알칼리 금속이온 함유 용액은 10~75중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 인조석 제조용 페이스트 조성물.
삭제
제1항에 있어서,

상기 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물은 메타카올린, 플라이애쉬, 규조토 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 인조석 제조용 페이스트 조성물.
삭제
삭제
(a) 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물인 무기 바인더 10~30중량%, 종석 골재 15~70중량% 및 물에 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 물유리 중 하나 이상의 물질이 용해되어 형성된 알칼리 금속이온 함유 용액 10~75중량%을 혼합하여 인조석 페이스트 제조하는 단계;

(b) 몰드에 상기 인조석 페이스트를 푸어링(pouring)하는 단계;

(c) 상기 인조석 페이스트를 양생하는 단계; 및

(d) 상기 양생된 결과물의 표면을 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인조석 제조 방법.
삭제
제6항에 있어서,

상기 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물은 메타카올린, 플라이애쉬, 규조토 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 인조석 제조 방법.
제8항에 있어서,

상기 메타카올린은 카올린을 600℃ ~ 900℃의 온도에서 열처리하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 인조석 제조 방법.
삭제
제6항에 있어서,

상기 양생은 0℃ ~ 150℃의 온도 및 65% 이상의 상대습도 조건에서 12~36시 간동안 진행되는 것을 특징으로 하는 인조석 제조 방법.
제6항, 제8항, 제9항 및 제11항 중 어느 하나의 항에 기재된 인조석 제조 방법으로 제조되어, 내부에 알루미노실리케이트 폴리머 및 칼슘실리케이트 수화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 바인더계 인조석.