KR101322630B1

KR101322630B1 - 기계화학적 방법에 의한 활성황토 제조

Info

Publication number: KR101322630B1
Application number: KR1020110112081A
Authority: KR
Inventors: 반봉찬
Original assignee: 권혜숙; 반봉찬
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-11-05
Also published as: KR20130047201A

Abstract

본 발명에 의한 황토의 활성화 방법은 기계화학적 방법에 의해 천연 황토의 분쇄활성화하는 방법에 관한 것으로 기존의 활성화 및 황토제조 방법은 천연 황토를 소성하거나 화학물질을 사용하여 활성화하였으나 본 발명에 의한 활성화는 단순 기계화학 분쇄 활성화 방법으로 본 발명의 활성화 방법에 의하여 활성화된 황토는 일반 수산화물과 반응하여 경화반응이 일어나기 때문에 다른 물질과 혼합하여 사용될 때 안정화된 포졸란 생성물이 생성된다. 활성화된 황토에 혼합되는 석회는 물과 수화반응을 일으켜 그 체적이 팽창되기 때문에 황토의 균열을 방지할 수 있다. 본 발명의 활성화 방법에 의하여 활성화된 황토는 황토가 갖는 본래의 물성이나 효과를 그대로 나타낼 수 있다.

Description

기계화학적 방법에 의한 활성황토 제조{Method of active loess by mechanochemical method}

본 발명은 기능성 재료에 사용될 수 있는 황토에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 황토를 이용하여 모든 기능성 재료에 사용될 수 있는 활성 황토를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

황토는 파장이 6~15㎛인 원적외선을 발생시키는 것으로 알려져 있고, 해충이나 곤충 등에 대하여도 방충성을 가지며, 탈취와 같은 화학적 효과를 나타내고 축열성이나 습도 조절 등에 있어서 우수한 효과를 나타내며 인체의 건강에도 여러 가지 긍정적인 효과를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.

그러나 황토는 그 자체의 결합력이 약하다는 결점을 갖고 있다. 따라서 종래에는 황토를 이용한 재료의 결합력을 증진시키기 위하여 여러 가지 섬유성 물질 등을 황토에 혼합하여 결합력을 증진시켜 왔다. 또한 소성 등의 고온에서의 처리를 통해 세라믹 블록등의 최근에 개발된 기술로는 무기 결합재나 기타의 유기 결합재를 황토에 혼합하여 재료를 제조하는 기술이 있다. 또한 건조과정에서 발생을 균열을 방지하고자 팽창제를 다량으로 사용하는 경우고 있다. 황토로 이루어진 이러한 재료는 무기 결합재, 유기 결합재, 기타 팽창제와 같은 물질을 함유하기 때문에 황토가 갖는 본래의 우수한 물성이나 효과를 기대하기 어렵다.

황토의 활성화하는 방법으로는 대한민국 특허출원 제95·38841호(1996년 9월 9일 출원) 및 대한민국 특허출원 1997-019043 이나 대한민국 특허 10-2000-0051023등의 활성화조차도 소성을 통한 활성화를 유도하는 발명이다.

본 발명자는 소성을 사용하지 않고 다른 재료와 혼합하여 사용할 수 있고, 나아가 본 발명에 의한 재료가 황토의 우수한 물성이나 효과를 나타내도록 할 수 있는 황토의 활성화 방법을 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 각종 기능성 재료로 사용될 수 있는 황토를 활성화할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 시멘트등의 고화제를 사용하지 않고도 황토의 물성이나 효과를 나타낼 수 있는 황토 재료를 제조할 수 있는 활성화 황토를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 결합력을 증진시켜 균열을 방지할 수 있는 황토 기능재료를 제조할 수 있는 활성화 황토를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 활성화 황토는 국내에 풍부하게 매장되어 있는 황토를 이용한다. 이제까지 황토는 그 자체로서 시멘트, 팽창제, 볏짚 등과 혼합하여 건축재료로서 사용되어 왔지만. 본 발명에서는 이들 물질들과 혼합하지 않고, 석회와 혼합하여 사용할 수 있도록 활성화된 황토 및 그 활성화 방법을 제공하기 위한 것이다.

광물의 활성화란 어떠한 물질을 에너지를 가한 후 냉각시키면 그 물질은 결정화 되는 시간적 여유가 없기 때문에 높은 결정화 에너지를 내부에 보존하여 언제든지 외부의 자극으로 인하여 화학결합을 할 가능성을 가진 유리상태가 되는 것을 말한다. 황토를 이러한 처리에 의해 활성 황토로 만들면 높은 에너지 상태로 되어 반응성은 커지나 그 분말을 그대로 물과 접촉시켜도 수화반응은 거의 진행되지 않으나 특정조건(알카리 조건)하에 놓이게 되면 아주 현저한 수경성을 보이는 잠재 수경성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 본 발명에서는 황토를 활성화하여 잠재 수경성을 갖도록 한 것이다.

한편, 일반적으로, 분쇄에 의해 고체의 비표면적이 커짐에 따라, 여러 가지 화학반응을 일으킬 가능성이 높아진다. 이와 같은 기계적 조작에 의한 화학변화를 기계적 화학법이라고 하며, 고체물질에 가해진 기계적 에너지가 고체의 형태, 결정구조 등의 변화나, 그에 동반하는 물리화학적 변화를 일으키는 형상이며, 이를 실행하는 데는 유성밀과 진동원심력밀 등이 이용되고 있다.

따라서, 본 발명자는 기계적화학방법을 이용한 분쇄공정을 석면안정화 처리에 도입하여, 별다른 큰 기술적 문제점이 없이 석면을 안정화한 후, 시멘트 원료로 사용하는 것에 착안을 하게 되었다.

상기에 기술한 바와 같이 메카노케미칼 기술 공정에서는 난처리 유해화합물 등을 처리하고, 메카노케미칼 기술에서의 반응에는 화합물에서 이탈한 활성 원소를 안정하게 만드는 활성 칼슘 (칼슘레디컬 Ca)과 활성 산화칼슘(CaO)이 필요하다. 생석회(CaO 단체)는 강고한 Ca=O결합으로 된 비결정성 물질로, 이것을 활성화시키는 에너지가 많이 소모된다. 제철고로수재슬래그속의 Ca는 -Ca-O-Si 등의 결합으로 구성되어, 파쇄 등에 의해 활성화시키는 에너지는 낮추는데 착안하게 되었다. 즉, 제철 고로수재슬래그는 -Si-O 네트웍 속에, Ca원자가 존재하여 물리적 에너지에 의해 얻을 수 있는 파면이 생성, 활성적인 칼슘면이 표출되기 쉽다.

본 발명은 석면을 안정화시키기 위해 기계화학적으로 분쇄활성화하고 석탄재 및 고로 수쇄 슬래그와 메타카올린등의 지오폴리머 원료에 의해 석면을 안정화하는 방법으로, 특히 화력발전소나 철강 제조공정의 폐기물인 석탄재 및 고로 수쇄 슬래기 등의 부산물을 이용하여 석면을 안정화하는 방법에 관한 것이다.

즉 황토를 승온, 고온소성, 급냉 등의 과정을 거쳐 활성화 황토로 만드는 경우 높은 에너지 상태로 되어 반응성은 커지나 그 분말을 그대로 물과 접촉시켜도 수화 반응이 진행되지 않지만 알칼리 상태와 같은 특정조건하에 놓이게 되면 아주 현저한 수경성을 나타내는데 이를 잠재 수경성이라 한다. 본 발명에서는 황토를 활성화하여 잠재 수경성을 가지게 하며 이를 모르터라는 특정조건에 놓이게 하여 수화 반응 및 포졸란 반응을 일으키는 메카니즘을 나타내게 한다.

본 발명의 황토 활성화 방법은 황토를 건조하여 기계화학적 분쇄활성화를 통해 가공하고 황토를 사용 용도에 따라 적절한 크기의 입경을 갖도록 체질하는 것으로 이루어진다.

상온의 자연 건조된 원료 황토는 250 메쉬 정도의 입도로 분쇄하며, 사용 용도에 따라 적절한 크기의 입도로 분쇄할 수 있다. 약 250메쉬로 분쇄된 활성화 황토는 약 2000㎠/g 정도의 비표면적을 갖는다.

본 발명에서는 황토에 활성을 부여하기 위해 기계적화학방법을 이용한 분쇄공정을, 황토처리에 도입하여 별다른 큰 비용이나 큰 기술적 문제점 없이, 단순한 활성화 분쇄공정을 통해, 성분을 가공하여 반응성이 크도록 하고자 한다.

본 발명에 의한 처리에 적절한 것으로 발명된 활성화 방법에서는 소량의 석고나 활성화제를 넣고 기계적화학법이 가능한 레이몬드밀이나 진동원심밀에 넣고 분쇄활성화한다. 그후 조성물에 물유리를 넣어 혼합하였다. 이런 조성물은, 황토 제조로 사용이 가능하고, 이의 침출실험시 기존의 황토와 유사한 특성을 나타내어 안정화와 소재화가 가능하다는 것이 확인되었다.

본 발명의 특징은, 황토를 분쇄할 때 메카노케미스트리 법에 의해 분쇄하여 활성안정화하는 것이며, 특히, 분쇄공정에서 에너지를 부여하여 활성화할 경우, 기계적화학방법의 활성화를 위해 진동원심력밀이나 레이몬드밀을 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.

이하, 실시예를 통하여 황토를 기계적화학법과 지오폴리머 제조방법으로 활성안정화하는 방법을 설명한다.

황토 시료는 시료의 균일도를 유지하기 위하여 다음 방법에 따라 재취, 혼합되어 완전한 하나의 시료로 사용하였다.

시료채취를 위해 크레인으로 적재된 0.1㎥의 활토를 4등분하여 다시 이들중 한 부분을 선택하여 혼합 후, 다시 4등분하며, 시료가 약 0.5~1.0이 될 때까지 같은 방식으로 혼합하고 나누었다.

본 발명의 활성화 방법에 의하여 활성화된 황토는 수산화칼슘과 반응하여 경화반응이 일어나기 때문에, 석회와 혼합하여 사용될 때 안정화된 포졸란 생성물이 생성된다.

본 발명에 따른 활성화된 황토를 물에 반죽한 시편과 수산화칼슘 용액으로 반죽한 시편에 대하여 각각의 응고된 덩어리를 물에 넣어서 교반한 결과, 물에 반죽한 시편은 물에 다시 풀어진 반면 수산화칼슘 용액에 반죽한 황토는 불용성이 덩어리로 그대로 존재하였다. 이로써 본 발명의 활성화 황토는 수산화칼슘과 포졸란 반응에 의하여 경화반응이 일어남을 알 수 있다. 이는 황토중의 실리카 성분이 석회 수화시 생성되는 수산화칼슘과 결합하여 안정화된 포졸란 생성물인 아플라이트가 생성되는 것이며, 3Ca(OH)₂ + 2SiO₂→3CaO2SiO₂3H₂O와 같은 화학반응식으로 이루어진다.

활성화된 황토에 혼합되는 석회는 물과 수화반응을 일으켜 그 체적이 팽창되기 때문에 황토의 균열을 방지할 수 있다.

황토가 물과 반응하게 되면 각 입자간의 응집현상으로 인하여 체적감소가 일어나게 되며 기존의 황토 반죽을 사용할 때 발생하는 균열의 주된 이유가 된다. 여기에 석회를 첨가하게 되면 생석회가 수화반응을 일으키면서 체적 팽창을 야기하게 되며 이 양자간의 수축 팽창을 적절하게 조절하면 균열을 제어할 수가 있게 된다. 이는 화학적 프리스트레스(chemical prestress)를 이용한 것이며, 이에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.

CaO+H₂O→Ca(OH)₂체적 팽창

본 발명의 활성화 황토는 석회와 2:1 정도의 비율로 또는 활성화 황토의 함량이 이보다 적은 비율로 되도록 혼합하고, 그 혼합물을 다시 골재와 혼합하여 모르터 조성물을 제조한다. 상기 혼합물과 골재의 비율은 약 6:4 정도가 바람직하며, 사용 목적에 따라서 이러한 비율은 적절히 조절될 수 있다.

본 발명은 시멘트나 팽창제를 사용하지 않고도 황토의 물성이나 효과를 나타낼 수 있는 황토 건축재료를 제조하기 위하여 사용될 수 있는 활성화된 황토를 제공할 수 있다.

본 발명의 활성화 황토를 이용한 모르터는 원적외선 방사율이 양호하고, 길이변화가 종래의 시멘트 모르터보다도 양호하며, 압축강도 및 응결시간이 양호하며, 건조수축후의 균열이 발생하지 않기 때문에 양호한 건축재료로 사용될 수 있다.

본 발명에 사용된 원심진동밀과 레이몬드밀의 재원은 하기의 <표2>와 같다.

	원심진동밀	레이몬드밀
건식분말 생산성(㎏)	300~850	350~2500
전력 소모량(㎾)	18	37
원자재 습도(%)	5	5
초기 최대 입도(㎜)	5	10
최종 입도(㎛)	10~60	7~45

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기재된 뿐이며 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

(1) 활성화 황토의 제조

자연산 황토를 충분히 건조한 후 200℃까지 1시간동안 건조시키고, 250메쉬로 분쇄하여 비표면적이 약 2000㎠/g인 활성화 황토를 얻었다.

(2) 활성화 황토 모르터의 제조

CaO함량이 90%이상이고 비표면적이 약 5000㎠/g 정도인 석회와 상기 활성화 황토가 1:2가 되도록 혼합하고, 상기 혼합물에 입도 2.5mm이하의 모래를 6:4로 혼합하여 활성화 황토 모르터를 제조하였다. 각 시료는 계량하여 프리믹싱한 후 물을 투입하여 저속으로 1분, 고속으로 2분간 비빔하였다. 양생실은 통상의 표준상태 온도 20±2℃, 습도 65±5%를 유지하였다. 상기 활성화 황토 모르터에 관한 물성을 측정하여 <표1>에 나타내었다.

<비교실시예1>

활성화 황토 대신에 활성화시키지 않은 자연산 황토를 사용하는 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 모르터를 제조하였다. 비교실시예1의 활성화되지 않는 황토 모르터에 관한 물성을 측정하여 <표1>에 나타내었다.

<비교실시예2>

시멘트네 입도 2.5mm이하의 모래를 1:3으로 혼합하여 시멘트 모르터를 제조하였다. 시멘트 모르터에 관한 물성을 측정하여 <표1>에 나타내었다.

		실시예1	비교실시예
		실시예1	1	2
원적외선 방사율		0.93	0.91	-
적외선 열화상 측정		40.1℃에서 39.6℃방사	39℃에서 35.7℃방사	-
길이변화		0.06 x 10^-4%	6%	8 x 10^-4%
압축강도		103	16	110
응결시간	초결	3시간	6시간	10시간
응결시간	종결	7시간	9시간	14시간
수축균열		0개소	16개소	3개소

물성측정 :

상기 실시예 및 비교실시예에서 측정된 물성의 측정방법은 다음과 같다.

1. 원적외선 방사율 측정

30×30×5mm의 시편을 이용하여 방사되는 원적외선을 측정하였다.

2. 적외선 열화상 측정

30×30×5mm의 시편을 이용하여 방사되는 적외선 열화상을 측정하였다.

3. 길이변화시험

JIS-S-1129에 의하여 시험하였다. 3×3×30cm의 몰드에 시료를 부어넣되 시료 양 끝에 길이변화 측정판을 부착시켜 성형하였다. 1일 후 탈형하여 길이변화 측정기에 넣어 28일까지의 길이변화를 측정하였다.

4. 압축강도시험

JIS-S5210의 9.4, 9.5 및 9.6에 의하여 시험하였다. 모르터를 거푸짐(40×40×160mm)에 주입하되, 몰드보다 약 5mm정도 더 높게 주입하였다. 습윤양생실에 2시간 이상 존치한 후, 몰드의 상단면에 맞추어 시료를 깎아냈다. 이후 습윤양생실에 48시간 양생한 후 탈형하였다. 탈형후 양생실에서 28일동안 양생하였다.

5. 응결시간

응결시간을 초결과 종결시간을 육안으로 측정하였다.

6. 수축균열시험

폭×높이×길이가 2.5cm×1cm×180cm인 몰드 3개에 부어넣고 7일 양생후에 발생한 균열의 개수를 조사하는 시험을 하였다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

자연산 황토를 충분히 건조한 후 200℃까지 1시간동안 건조시키고, 유성밀, 레이몬드밀, 진동밀로 이루어지는 기계화학적 설비를 이용하여 250메쉬로 분쇄하여 비표면적이 약 2000㎠/g인 황토를 활성화하는 단계, 그리고 활성화된 황토를 체질하여 제품을 만드는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 황토의 활성화 방법.
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