KR101316345B1 - 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스 - Google Patents

우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스에 관한 것으로서, 본 발명의 일태양은 중량%로, 팽창질석: 75~97%, 유기결합제: 1~12%, 무기결합제: 2~13%를 포함하며, 상기 유기결합제는 페놀수지이고, 상기 무기결합제는 붕산 및 붕산소다 중 1종 이상인 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 강도와 단열 성능이 우수하여 다양한 분야의 각종 가열 장치의 단열재로 사용이 가능하고, 특히 철강산업에서 사용되는 래들, 혼선차, 전로 등의 단열재로 사용하기에 매우 적합하며, 에너지 절감 및 작업성 향상 효과가 우수한 불소성 팽창질석계 세라믹스를 제공할 수 있다.

Description

우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스{UNBURNED EXPANDED VERMICULITE-BASED CERAMICS HAVING EXCELLENT STRENGTH AND THERMAL INSULATION}
본 발명은 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스에 관한 것이다.
팽창질석이란 질석을 소정의 입경을 갖도록 파쇄한 뒤, 소성해서 팽창시킨 인공 골재로서, 밀도가 0.07~0.30g/㎤로 매우 낮아서 경량성이 우수하며, 열전도율이 0.06~0.09W/m·K로 단열성이 매우 우수하고, 1400℃까지 내화성을 가지므로 단열재로 사용하기에 매우 우수한 재료이다.
이러한 팽창질석을 주원료로 사용하여 단열재를 제조하는 종래 기술에는 한국 등록특허공보 제0695910호가 있다. 상기 기술은 팽창질석과 에폭시수지 및 페놀수지로 이루어진 유기바인더 및 점토를 함유하는 고강도 질석 보드에 관한 것인데, 과량의 유기바인더를 사용하기 때문에 고온에서는 유기바인더의 열화 또는 분해에 의해 사용이 불가능하고, 상온에서만 사용가능한 건축재, 바닥재 및 가구의 자재 등의 단열재에만 적용할 수 있다는 단점이 있다.
다른 종래 기술로는 한국 등록특허공보 제0707301호와 0895213호가 있다. 제0707301호는 질석 또는 진주암을 규산염과 같은 무기물 결합제와 함께 혼합하여 가압성형하는 공정과 건조공정을 거쳐 단열재를 제조하는 기술이며, 제0895213호는 팽창질석에 액상 규산소다를 분사하여 가압성형함으로써, 단열재를 제조하는 기술이다. 그러나, 상기 기술들에서 사용된 규산염 또는 규산소다는 단열재의 강도를 충분히 향상시키기에는 적합하지 않으며, 상기 물질들을 사용하여 제조된 단열재의 경우 압축강도가 60Kg/㎠에 불과하여, 비중이 무거운 철강의 연속 주조에 사용되는 래들 및 혼선차, 전로 등의 단열재로 사용하기에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.
이에 따라, 상당히 높은 온도에서 진행되는 철강 프로세스 등에도 적용될 수 있도록 고강도를 가짐과 동시에 우수한 단열 성능을 갖는 단열 재료의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 일측면은 상온뿐만 아니라 고온의 환경에서도 안정적으로 사용이 가능한 우수한 강도와 단열 성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일태양은 중량%로, 팽창질석: 75~97%, 유기결합제: 1~12%, 무기결합제: 2~13%를 포함하며, 상기 유기결합제는 페놀수지이고, 상기 무기결합제는 붕산 및 붕산소다 중 1종 이상인 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스를 제공한다.
본 발명의 일태양은 중량%로, 팽창질석: 75~97%, 유기결합제: 1~12%, 무기결합제: 2~13%를 포함하는 원료를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계; 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 얻는 단계; 및 상기 성형체를 건조하는 단계를 포함하며, 상기 유기결합제는 페놀수지이고, 상기 무기결합제는 붕산 및 붕산소다 중 1종 이상인 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 강도와 단열 성능이 우수하여 다양한 분야의 각종 가열 장치의 단열재로 사용이 가능하고, 특히 철강산업에서 사용되는 래들, 혼선차, 전로 등의 단열재로 사용하기에 매우 적합하며, 에너지 절감 및 작업성 향상 효과가 우수한 불소성 팽창질석계 세라믹스를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일태양에 따른 불소성 팽창질석계 세라믹스의 미세조직을 나타내는 사진이다.
본 발명자들은 상온뿐만 아니라 고온의 환경에서도 안정적으로 사용이 가능하고, 특히 철강 프로세스 등에 적용될 수 경우, 노체 외부로의 열방산 저감 효과가 뛰어난 세라믹스를 제조하기 위하여, 심도있게 연구한 결과, 세라믹스의 원료 물질들의 종류와 그 양을 제어함으로써, 우수한 강도와 더불어 단열 성능 또한 우수한 세라믹스를 제조할 수 있다는 식견을 얻게 되었고, 이에 근거하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이하, 본 발명의 불소성 팽창질석계 세라믹스에 대하여 설명한다.
본 발명의 일태양은 중량%로, 팽창질석: 75~97%, 유기결합제: 1~12%, 무기결합제: 2~13%를 포함하며, 상기 유기결합제는 페놀수지이고, 상기 무기결합제는 붕산 및 붕산소다 중 1종 이상인 불소성 팽창질석계 세라믹스를 제공한다.
팽창질석은 밀도와 열전도율이 매우 낮을 뿐만 아니라 고온에서도 우수한 내화성을 가지므로, 단열재로 사용하기에 매우 적합한 원료이다. 따라서, 단열 성능을 향상시키기 위하여 상기 팽창질석은 75%이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 97중량%를 초과하게 되면 상대적으로 유기결합제 또는 무기결합제의 함량이 적어져서 충분한 강도를 확보하지 못할 수 있다. 따라서, 상기 팽창질석은 75~97중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명의 일태양에 따른 팽창질석은 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법에 의해 제조될 수 있으며, 그 입도에 대해서도 특별히 구애받지 않으므로, 상기 팽창질석의 입도 범위를 특별히 한정하지 않는다.
한편, 본 발명에서는 세라믹스의 강도를 향상시키기 위하여, 유기결합제와 무기결합제를 사용하는데, 상기 유기결합제는 400℃이하의 온도에서 강도 발현에 주요한 기여를 하고, 상기 무기결합제는 400~1200℃의 온도범위에서 강도 발현에 주요한 기여를 하는 특성을 가지고 있다. 따라서, 상기 유기결합제와 무기결합제를 복합적이면서도 적정 범위의 양으로 포함시킬 필요가 있다. 이와 같이, 팽창질석의 입자와 입자간 결합을 향상시켜 세라믹스의 강도를 향상시키기 위해서, 상기 유기결합제와 무기결합제는 각각 1중량%와 2중량% 이상으로 첨가될 필요가 있다. 다만, 그 양이 과다하게 많을 경우, 강도는 상당히 증가하나 상대적으로 단열 성능이 저하되므로, 각각 12중량% 및 13중량% 이하로 함유되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 유기결합제로는 다양한 물질이 사용될 수 있으나, 높은 강도를 확보하기 위해서는 페놀수지를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 페놀수지의 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 노볼락(novolak)계 페놀수지와 레졸(resol)계 페놀수지 모두 사용이 가능하다. 상기 무기결합제 또한 다양한 물질이 사용될 수 있으나, 붕산 및 붕산소다 중 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하며, 이 경우 강도 확보에 매우 유리하다.
상기 세라믹스의 미세조직은 층상구조를 갖는 것이 바람직하다. 층상구조로 이루어지는 세라믹스는 이 세라믹스를 이루는 각 층마다 통과하는 열에 대하여 단열 역할을 할 수 있으므로, 단열 성능이 향상될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 조성을 만족하는 세라믹스는 230~500Kg/㎠의 압축강도와 0.09~0.40W/m·K의 열전도도를 갖는데, 이와 같이 강도와 단열 특성이 모두 우수하여, 상온에서 사용되는 다양한 분야의 제품에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 고온의 환경 특히, 제철소에서 사용되는 래들, 혼선차, 전로 등의 단열재로 사용하기에 매우 적합하다. 또한, 본 발명의 불소성 팽창질석계 세라믹스는 기존의 단열재 제조에 사용하는 환경오염의 우려가 있는 무기섬유를 사용하지 않아, 친환경적인 장점이 있다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 다른 특징 중 하나는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조 시 소성공정이 요구되지 않는다는 것이다. 즉, 소성공정을 거치지 않으므로 친환경적이면서도 경제적이라는 장점이 있다.
본 발명의 일태양은 중량%로, 팽창질석: 75~97%, 유기결합제: 1~12%, 무기결합제: 2~13%를 포함하는 원료를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계; 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 얻는 단계; 및 상기 성형체를 건조하는 단계를 포함하며, 상기 유기결합제는 페놀수지이고, 상기 무기결합제는 붕산 및 붕산소다 중 1종 이상인 것을 포함하는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법을 제공한다.
우선, 전술한 바와 같은 조성을 갖는 팽창질석, 유기결합제 및 무기결합제를 포함하는 원료를 준비한 뒤, 상기 원료를 혼합하여 혼합물을 얻는다. 이 때, 상기 원료는 페놀수지를 용해시키기 위한 용매를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 상기 원료들의 혼합을 보다 균일하게 할 수 있다. 상기 용매로는 본 발명의 유기결합제 즉, 페놀수지를 용해시키기 위한 것이라면 모두 사용이 가능하며, 예를 들면 에탄올 또는 메탄올 등이 사용될 수 있다. 상기 용매는 휘발되어 최종적으로 제조되는 세라믹스에는 거의 남지 않게 된다.
상기 혼합 방법으로는 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법은 모두 적용될 수 있으며, 바람직한 예로는 상기 원료를 교반기에 모두 투입한 뒤, 동시에 교반하는 방법이 있을 수 있다. 한편으로는, 상기 원료 중 팽창질석과 무기결합제를 교반하면서 동시에 유기결합제를 투입하여 교반하는 방법이 있을 수 있다. 이 방법은 유기결합제가 액상일 경우 보다 바람직한 교반 방법이며, 이러한 액상 유기결합제를 팽창질석과 무기결합제에 분무하여 교반시킴으로써, 경제성을 향상시킬 수 있다. 또한, 경제성 향상을 위하여 상기 원료를 볼밀링하여 혼합하는 방법이 있을 수 있다. 이 방법은 원료의 혼합과 분쇄를 동시에 겸할 수 있다는 장점이 있다. 이 때, 상기 교반에는 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 교반기를 사용할 수 있고, 볼밀링은 폴리프로필렌 볼밀 또는 고무가 라이닝된 철제 볼밀과 세라믹볼을 사용할 수 있다. 상기 언급한 방법들은 상기 원료들의 균일한 혼합을 위해 복합적으로 사용될 수도 있다.
이 때, 상기 혼합은 3~24시간 동안 행하여지는 것이 바람직하다. 상기 혼합 시간이 3시간 미만이면 균일한 혼합 효과가 떨어질 수 있으며, 24시간을 초과하게 되면, 원료의 혼합 효과 대비 경제성이 떨어질 수 있다.
이후, 원료의 혼합을 통해 얻어진 혼합물을 소정의 형상으로 성형하는 것이 바람직하다. 상기 성형 방법 및 조건에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 일축가압 성형 방법을 사용하여 성형체를 제조할 수 있다. 이 경우 소정의 형상의 금형에 상기 원료 혼합물을 투입하여 50~3000Kg/㎠의 압력을 가해 성형체를 제조하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 압력이 50Kg/㎠미만일 경우에는 성형체의 강도를 확보할 수 없을 뿐만 아니라, 성형 자체가 완젼히 이루어지지 않을 수 있고, 3000Kg/㎠를 초과하는 경우에는 성형체에 균열이 발생하거나 부서질 수 있다. 한편, 대형 기물 또는 복잡한 형상의 경우에는 에머해머를 사용하여 성형하는 것이 보다 바람직하다.
상기와 같이, 성형이 완료된 후에는 성형체를 건조하는 것이 바람직하며, 상기 건조는 50~200℃의 온도 범위에서 행하여지는 것이 바람직하다. 50℃미만일 경우에는 유기결합제의 경화가 충분하지 못하여 압축강도를 충분히 향상시키지 못할 수 있으며, 건조시간이 지나치게 오래 걸리는 단점이 있고, 200℃를 초과하는 경우에는 추가적인 강도 증가 없이 에너지가 많이 소요되므로 제조 비용이 증가할 수 있다.
또한, 상기 건조는 유기결합제의 충분한 경화를 통해 강도 향상을 도모하기 위하여, 0.5시간 이상 행하는 것이 바람직하다. 다만, 건조 시간이 과도하게 길어지는 경우, 강도증가 또는 열전도도의 저하의 효과가 떨어질 수 있으므로, 24시간을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이, 상기 건조 시간은 0.5~24시간 동안 행하는 것이 바람직하다.
상기 건조를 위한 분위기에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 특히 본 발명에는 대기 중에서 상기 건조를 행할 수 있다는 장점이 있다. 기존에는 건조를 위하여 마이크로웨이브를 이용하거나 특별한 장치 혹은 분위기를 조성해야 한다는 불편함이 있었지만, 본 발명의 세라믹스는 일반적인 대기 분위기에서도 제조될 수 있으므로, 제조 비용의 절감 효과를 기대할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.
(실시예)
하기 표 1에 나타난 바와 같이, 세라믹스 제조를 위한 원료를 준비한 뒤, 상기 조성물에 대하여 15중량%의 에탄올을 용매로 첨가하여 교반기를 통해 3시간 동안 교반하여 균일한 혼합물을 얻었다. 상기 혼합물을 가압할 수 있는 금형몰드를 사용하여 200Kg/㎠의 압력으로 200×200×20mm의 크기를 갖는 성형체를 제조한 뒤, 이를 하기 표 1에 나타난 건조조건으로 공기 중에서 건조하여 불소성 고강도 팽창질석계 세라믹스를 제조하였다. 이 때, 페놀수지는 노볼락계 페놀수지를 사용하였다.
이후, 상기와 같이 제조된 세라믹스에 대하여 10×10×10mm의 크기로 절단 및 연마하여 압축강도를 측정하였다. 압축 강도는 만능시험기를 사용하여 크로스헤드(cross-head) 속도 0.5mm/min의 조건으로 측정하였다. 또한, 각 시편을 10×10×2mm로 절단하여 열전도도를 측정하였으며, 이렇게 측정된 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 팽창질석 페놀수지 붕산소다 붕산 건조조건 압축강도
(Kg/㎠)		 열전도도
(W/m·K)
온도
(℃)		 시간
(Hour)
비교예1 88 0 5 7 200 3 48 0.67
비교예2 88 12 0 0 180 3 56 0.55
발명예1 90 4 6 0 180 2 250 0.29
발명예2 85 5 10 0 160 6 451 0.27
발명예3 86 9 5 0 100 12 250 0.24
발명예4 85 10 0 5 200 1 391 0.19
발명예5 93 5 0 2 120 12 265 0.17
발명예6 80 10 0 10 140 10 396 0.29
발명예7 94 3 0 3 90 22 270 0.11
발명예8 97 1 1 1 180 4 239 0.09
발명예9 80 8 6 6 200 3 385 0.30
발명예10 75 12 10 3 140 10 255 0.35
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명이 제안하는 유기결합제와 무기결합제를 모두 사용한 발명예 1 내지 10의 경우에는 239Kg/㎠이상의 압축강도와 0.35W/m·K이하의 열전도도를 갖는 것을 알 수 있다. 즉, 단열재로 사용되기에 매우 적합한 높은 수준의 압축강도와 낮은 열전도도를 갖는 세라믹스가 제조되는 것을 알 수 있다.
반면에, 본 발명이 제안하는 유기결합제인 페놀수지를 첨가하지 않은 비교예 1이나, 무기결합제인 붕산소다 또는 붕산이 첨가되지 않은 비교예 2의 경우에는 압축강도가 각각 48Kg/㎠, 56Kg/㎠로서, 낮은 수준임을 알 수 있고, 열전도도 또한 0.67W/m·K, 0.55W/m·K 수준으로서 본 발명의 세라믹스에 비하여 현저히 높은 열전도도를 갖는 것을 알 수 있다.
한편, 도 1은 발명예 1의 불소성 팽창질석계 세라믹스의 미세조직을 나타내는 사진인데, 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일태양에 따른 세라믹스는 그 미세조직이 층상구조를 가지고 있고, 이를 통해, 단열 성능이 우수할 것이라는 것을 어렵지 않게 유추할 수 있다.

Claims (11)

  1. 중량%로, 팽창질석: 75~97%, 유기결합제: 1~12%, 무기결합제: 2~13%를 포함하며,
    상기 유기결합제는 페놀수지이고, 상기 무기결합제는 붕산 및 붕산소다 중 1종 이상인 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹스는 미세조직이 층상구조를 갖는 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹스는 230~500Kg/㎠의 압축강도와 0.09~0.40W/m·K의 열전도도를 갖는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스.
  4. 중량%로, 팽창질석: 75~97%, 유기결합제: 1~12%, 무기결합제: 2~13%를 포함하는 원료를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계;
    상기 혼합물을 성형하여 성형체를 얻는 단계; 및
    상기 성형체를 건조하는 단계를 포함하며,
    상기 유기결합제는 페놀수지이고, 상기 무기결합제는 붕산 및 붕산소다 중 1종 이상인 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원료는 페놀수지를 용해시키기 위한 용매를 더 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법.
  6. 제4에 있어서,
    상기 혼합은 상기 원료를 동시에 교반하는 방법, 상기 원료 중 팽창질석과 무기결합제를 교반하면서 동시에 유기결합제를 투입하여 교반하는 방법 및 상기 원료를 볼밀링하여 혼합하는 방법으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 방법을 이용하는 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 혼합은 3~24시간동안 행하여지는 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 혼합물 성형 시 50~3000Kg/㎠의 압력을 가해 성형체를 제조하는 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 건조는 50~200℃의 온도 범위에서 행하여지는 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 건조는 0.5~24시간동안 행하여지는 것을 특징으로 하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 건조는 대기 중에서 행하여지는 것을 포함하는 우수한 강도 및 단열성능을 갖는 불소성 팽창질석계 세라믹스의 제조방법.
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