KR101356399B1 - 기계화학적 방법에 의한 페로니켈슬래그와 석탄회를 이용한 불연성 마그네슘보드 제조 - Google Patents

기계화학적 방법에 의한 페로니켈슬래그와 석탄회를 이용한 불연성 마그네슘보드 제조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제철용 마그네슘산화물(MgO) 원료외에는 별다른 사용 용도가 없는 페로니켈슬래그와 화혁발전소에서 발생하는 석탄회 등의 산업부산물을 이용하여 기계화학적 분쇄방법에 의해 활성화 미분을 제조하고, 이를 페로니켈슬래그는 불연재제조용으로 수입되는 고가의 MgO를 대체하고, 석탄회는 물유리와 수산화나트륨이나 수산화나트륨과의 결합제의 원료로 사용하여 경량 불연성 보드 제조방법에 관한 것이다. 특히, 발생상태로부터 건조·분쇄 활성화에 의해 매립용으로 폐기되는 2가지의 산업부산물의 미분말의 전량 재활용할 수 있는 발명으로, 제철부산물인 페로니켈의 새로운 용도 개발과 동시에 석탄회의 자원재활용을 통한 고부가의 불연성 소재를 제조하는 효과를 갖는다.

Description

기계화학적 방법에 의한 페로니켈슬래그와 석탄회를 이용한 불연성 마그네슘보드 제조 {Method for manufacture of fire-resistant board from ferronickel slag and coal-fly ash by mechanochemical milling}
본 발명은 제철용 MgO 원료외에는 별다른 사용 용도가 없는 페로니켈슬래그와 화혁발전소에서 발생하는 석탄회 등의 산업부산물을 이용하여 기계화학적 분쇄방법에 의해 활성화 미분을 제조하고, 이를 페로니켈슬래그는 불연재제조용으로 수입되는 고가의 MgO를 대체하고, 석탄회는 물유리와 수산화나트륨이나 수산화나트륨과의 결합제의 원료로 사용하여 경량 불연성 보드 제조방법에 관한 것이다. 특히, 발생상태로부터 건조·분쇄 활성화에 의해 매립용으로 폐기되는 2가지의 산업부산물의 미분말의 전량 재활용할 수 있는 발명으로, 제철부산물인 페로니켈슬래그의 새로운 용도 개발과 동시에 석탄회의 자원재활용을 통한 고부가의 불연성 소재를 제조하는 효과를 갖는다.
현재, 국내에서 페로니켈제련소를 준공하여 연간 20만 톤의 페로니켈을 생산되고 있다. 페로니켈 제조를 위한 니켈광 제련 시 발생하는 부산물을 페로니켈슬래그라 한다. 이 페로니켈을 제련할 경우, 원료, 제선, 제강 등의 복잡한 연결생산 라인을 거치면서 페로니켈슬래그가 부산물로 발생하게 된다. 페로니켈 원료는 사문암을 모암으로 하는 산화 니켈광이며, 니켈 품위는 약 2~3%으로 낮고, 그 외의 함유물인 이산화규소(SiO2,) 산화마그네슘(MgO), 산화철(FeO)과 산화칼슘(CaO) 등으로 대부분은 슬래그로서 생성되며, 니켈 1톤 생산시 약 30톤의 페로니켈 슬래그가 발생된다. 이 페로니켈슬래그는 이산화규소(SiO2) 41~54%와 산화마그네슘(MgO) 28.8~35%가 주성분을 이루고 있다. 페로니켈 제조방법은 전기로법, 로터리 킬른법 2종류로 구분되며, 페로니켈슬래그는 용융상태로부터 냉각하는 방법에 따라 서냉시킨 괴재슬래그와 고압의 물로 급냉시킨 수재슬래그로 크게 구별할 수 있다. 괴재슬래그는 고온의 액상슬래그를 냉각장에서 대기 중에 서서히 냉각시킨 것으로 결정구조가 형성되면서 단단한 암석상태의 슬래그가 되는데, 이것을 나중에 파쇄하여 입도구분을 하게 된다. 또한 수재 슬래그는 모래형태로 발생되며 그대로 이용되는 것이 보통이다. 이들 슬래그는 천연자원의 보호과 자원 재활용측면에서 사문암의 대체재, 콘크리트용 세골재, 기능성 소재, 시멘트원료 등으로 최대한 활용이 되어야 하나, 시장상황의 여건 등으로 매립용으로 사용되고 있을 뿐이다.
이들 발생슬래그는 모두 공정상의 문제점으로 인하여 괴재 슬래그의 경우, 조성의 불균형으로 인해 서냉시 모두 붕괴되어 다량의 분진이 발생하여 용도를 찾지 못하고 있는 상태이며, 수재슬래그의 경우, 입도의 불균형과 입형의 불안정성, 다량의 유리상 분진의 발생으로 인하여 건자재, 골재등으로의 사용상 큰 제약을 받게 되고, 석면과 같은 유리상 재료의 취급 사용으로 인하여 안전성 및 사용자의 사용 기피등의 불안으로 인하여 많은 문제점을 안고 있다.
한편, 근래 전력소비량의 급증과 원자력발전소의 부지확보 곤란, 천연가스발전소의 연료비 부담가중 및 석유연료의 대량소비억제 정책 등으로 화력발전소의 전력생산 의존비율이 증가함에 따라 현재 연간 600만톤 이상 발생되고 있으며, 매년 그 발생량이 증가추세에 있는 석탄회의 처리문제가 관심사로 대두되고 있다. 이와 같이 화력발전소에서 다량 부산되는 폐석탄회는 그 화학적, 구조적 성질상 자원으로서의 우수한 활용가치를 가지고 있음에도 불구하고 활용기술개발의 미흡 및 관심부족 등으로 그동안 대부분 회처리장에 매립하거나 도로노반재 및 구조물 뒷채움재 등과 같이 단순 재활용에만 활용되고 있는 실정이어서, 석탄회의 다양한 유효활용방안 창출 및 고부가가치 사용재료로서의 적용 기술 개발이 절실한 실정이다.
한편, 현재 벽체용, 칸막이 충진용 등의 용도에 사용되어지고 있는 석고보드는 석고에 혼화재를 혼합하여 판상으로 제조한 후 종이를 상·하면에 부착한 형태로 사용되고 있는데, 강도가 약하여 시공시 조심해서 다루어야 한다. 또한 주원료인 석고가 수분을 다량 흡수하고 강도를 보강하기 위해 상·하면에 부착한 보드용 원지도 수분에 대한 저항력이 약하며 습기가 많은 부위에는 사용하지 못하고, 주원료가 연질의 석고이기 때문에 나사못 유지력이 약하여 벽체용으로 사용할 때에는 나사못을 박거나 기타 재료를 부착하기 위한 가공이 필요한 부위에는 사용상 많은 문제점들이 있다. 이에 기존의 석고보드를 대체할 수 있는 강도, 불연성 및 내수성이 우수한 새로운 건축용 불연 보드의 개발이 요구되어 왔다.
석고보드 이외의 종래의 판넬은 멜라민수지등의 유기물 수지가 주된 바인더로 사용되어 왔으며, 그 첨가량이 최소한 10% 이상 요구되고 있다. 이러한 종래의 판넬은 유기물의 특성상 내열성 및 내화성에 한계가 있고, 화재 발생시 유독가스의 발생 위험성이 있으며, 고온에서 판재의 강도를 유지하지 못하는 단점을 가지고 있다. 따라서 강도 및 내열 성능의 문제점과 지적된 점들을 보완하는 새로운 건축용 판넬인 마그네슘산화물 보드가 개발 및 제조가 되어왔다. 마그네슘보드는 불연성, 내화성, 방수성 및 보온성을 갖는 산화마그네슘(MgO)을 주성분으로 하여 압축 성형되는 제품으로 화재 발생으로 인한 인명 및 물적 피해손실을 최소화할 수 있고, 온도 및 수분으로 인한 수축 팽창되는 것을 방지하여 반영구적으로 사용할 수 있어 건축물의 장수명 및 건축물의 경량화에 기여할 수 있도록 제작된 판넬이다. 일반적으로 산화마그네슘은 융점(2800℃)이 높고, 고온에서 내염기성 및 전기절연성이 뛰어나고 열팽창계수 및 열전도율이 크며, 특히 빛의 투과율이 높고 값이 저렴하다. 이로 인해 내열재료, 고온절연재료, 고온광학, 조명재료 등으로서 널리 사용되고 있다. 마그네슘보드는 물, 목분 또는 펄라이트 및 산화마그네슘(MgO)과 염화마그네슘(MgCl2)이 주성분이며, 보강재로서 각종 섬유가 첨가되는 것으로 알려져 있다.
그러나, 마그네슘 산화물 원료의 산지의 편재성과 광석 보유국의 자국 자원 보호를 위한 쿼터제도의 도입으로 인하여 국내에서 제조하기가 불가능할 정도로 원료가격이 고가이며, 현재 산화마그네슘의 순도가 높을 경우에만 불연성 경량 벽체를 만들 수 있기 때문에 고순도의 MgO를 대체하고 국내에서 조달이 가능한 저가의 페로니켈슬래그와 석탄회를 활용할 수 있는 방법을 고안하게 되었다.
이에 따라, 여러 가지 용도 개발측면에서 연구를 하여 페로니켈슬래그와 석탄회의 용도창출을 위해 페로니켈슬래그와 석탄회를 활성화하여 사용하는 것이 MgO 대체의 필수적 공정임을 발명자는 알게 되고, 마그네슘 보드의 주원료인 MgO 대체원료로 사용하기 위해 본 발명을 착안하게 되었다.
따라서 본 발명자는 페로니켈슬래그를 건조한 후, 회전로에서 분쇄한 후, 최근 제안된 기계화학적 반응에 의한 표면 활성화를 유도하는 레이몬드밀이나 원심진동밀을 이용하여 석탄회와 슬래그 미분말을 활성화하고 입도를 조정하여, 불연성 경량 벽체용 마그네슘(MgO)산화물 대체재로 사용하고자 하였다.
따라서 본 발명에서는 고가의 산화마그네슘을 저가의 국내자원인 페로니켈슬래그와 석탄회로 대체하여 탁월한 물리적 특성과 내화불연성능을 갖는 마그네슘 보드를 제조하게 되었다.
통상의 수재 슬래그 발생상태를 보면 수재 슬래그는 수분사 공정으로 인하여 급냉된 페로니켈슬래그가 잠재성 수경성을 가진 것을 발견하고, 수산화나트륨이나 수산화칼륨 등의 알카리 활성화 조건 등의 적절한 활성조건이 주어지면 고화되는 과정을 겪게 된다는 것에 착안하여 페로니켈슬래그와 석탄회를 경량벽체용 마그네슘 산화물보드에 고가의 MgO 대체용으로 페로니켈슬래그와 석탄회를 적용하였으며, 본 발명은 건조, 분쇄, 기계화학적 활성화, 혼합, 성형과 양생을 거치는 공정을 발명하게 되었다.
본 발명은 고가의 산화마그네슘을 기존의 마그네슘보드에 사용되는 전량 부산물이며 저가인 페로니켈슬래그와 석탄회로 대체하여 페로니켈 수재슬래그를 건조한 후 볼밀에서 조쇄한 후, 석탄회와 함께 진동원심밀 및 레이몬드밀 등을 이용한 기계화학적 분쇄활성화를 이용하고, 입도조정후, 활성화 미분을 만들어 규산나트륨과 수산화나트륨이나 수산화칼륨 등의 첨가제와 혼합, 성형, 양생 등의 공정을 거쳐 마그네슘 산화물 보드를 제조하는 공정기술을 제공하는데 있다.
본 발명의 페로니켈슬래그, 석탄회, 반응자극제, 물유리 및 보강용 신소재를 활용한 불연보드 제조방법은 시멘트 대체재료로서 입도 범위가 1~500㎛이고, 밀도 1.9~2.4g㎤, 비표면적 2,800~5400㎠/g, 45㎛체잔분 40%이하, 화학적 주요성분이 SiO2 58~68질량%, Al2O3 24~30질량%, Fe2O3 5~8질량%, CaO 2~4질량%, Na2O 0.3~1.5질량%인 석탄회 미분말을 대체비(중량비)로 1.0~80.0% 혼입·사용하고, 석탄회 미분말의 반응촉진 및 활성화를 위한 반응자극제로서 백색분말형태이며, 순도가 96% 이상인 수산화나트륨(NaOH)을 페로니켈슬래그와 석탄회 미분말의 혼합물(페로니켈슬래그 질량+석탄회미분말의 혼입질량)에 대한 질량비로 0.02~10질량% 첨가하여 사용하고, 페로니켈슬래그와 석탄회 미분말의 알칼리 활성화를 통한 보드 경화체의 소요강도 확보 및 강도증진을 위하여 밀도 1.38~2.0g/㎤, 물불용분 0.2%이하, 몰비가 2.0~3.4, pH12~13인 액상의 물유리를 페로니켈슬래그와 석탄회 미분말의 혼합물(페로니켈슬래그 질량+석탄회미분말의 혼입질량)에 대한 질량비로 0.05~25질량% 첨가하여 사용하고 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 페로니켈슬래그, 석탄회, 반응자극제, 물유리 및 보강용 신소재를 활용한 불연보드를 제조하는 데 있어, 국내 석탄화력발전소에서 연간 약 600만톤 이상 발생되고 있으며, 최근 원자료발전소의 입지확보 곤란, 천연가스발전소의 연료비 부담 가중, 석유연료의 대량소비 억제 등으로 인하여 화력발전소의 전력생산 의존도가 높아짐에 따라 그 발생량이 매년 증가추세에 있는 석탄회를 대량 재활용함으로서 폐석탄회 매립에 따른 막대한 소요비용 절감, 부지확보곤란 등의 문제해소, 매립지 주변의 생태계 파괴 문제 해결과 유한한 천연자원의 고갈방지, 지구환경보존효과는 물론 정부의 에너지 절감시책에 부응하여 자원순환형 사회구축에 이바지 하는 등의 효과가 기대된다.
특히, 불연성 경량건축소재인 마그네슘 보드의 기본소재인 고가의 산화마그네슘을 석탄회로 일부 또는 전량으로 대체함으로서 고가의 자원의 수입 대체 효과 및 폐기슬래그의 재활용을 통하여 환경파괴 방지 및 고부가소재를 생산하여 경제적으로 큰 효과가 있다.
<도1>은 페로니켈슬래그와 석탄회의 활성화 분쇄 및 마그네슘산화물 보드제조 공정도.
<도2>는 아크릴 에멀젼 첨가량에 따른 실시예 마그네슘보드의 흡수량 변화.
<표1>은 페로니켈슬래그와 석탄회의 물리ㆍ화학적 특성.
<표2>는 사용된 원심진동밀과 레이몬드밀 설비 제원.
<표3>은 볼밀 분쇄후(1시간 후) 입도분포.
<표4>는 활성화된 혼합 미분말의 입도분포.
<표5> 페로니켈슬래그와 석탄회 대체율(%)에 따른 주성분 혼합비율.
<표6> 목분과 펄라이트 충진제에 대한 주성분 혼합 비율.
<표7> 목분을 전량 펄라이트로 대체한 경우의 상대적 비율.
<표8>은 실시예3~8예에서 사용된 보드 제조시의 화학조성과 성분.
<표9>는 실시예3~실시예8에서 제조된 마그네슘산화물을 페로니켈슬래그와 석탄회로 대체한 마그네슘보드의 표면 흡수량·흡수율 실험결과.
<표10>은 마그네슘보드의 가스 유해성 시험.
<표11>은 실시예3, 4, 5, 6, 7, 8의 물성치 요약.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 재료를 사용한다.
본 발명에서는 주성분이 중량퍼센트로 산화칼슘(CaO) 0.39~5.16질량%, 이산화규소(SiO2) 41~54질량%, 산화알루미늄(Al2O3) 1.7~2.5질량%, 수산화마그네슘(MgO) 28.8~35.0질량%인 페로니켈슬래그이다.
또한, 화학발전소에서 부산되는 석탄회 미분말을 페로니켈슬래그 대체비(질량비)로 1.0~80.0질량% 혼입·사용하고, 석탄회 미분말은 입도 범위가1~500㎛이고, 밀도 1.9~2.4g㎤, 비표면적 2,800~5400㎠/g, 45㎛체잔분 40%이하, 화학적 주요성분이 중량퍼센트로 이산화규소(SiO2)58~68%, 산화알루미늄(Al2O3)24~30%, 산화철(Fe2O3)5~8%, 산화칼슘(CaO)2~4%, 산화나트륨(Na2O)0.3~1.5%인 것을 사용하며, 석탄회 미분말의 알칼리 활성화를 통한 보드 경화체의 강도증진 반응자극제와 물유리를 사용한다. 반응자극제는 백색분말형태이며, 순도가 96% 이상인 수산화나트륨(NaOH)이나 순도 97.5%인 수산화칼륨(KOH) 중량비로 0.02~10% 첨가하여 사용하고, 페로니켈슬래그와 석탄회 미분말의 알칼리 활성화를 통한 보드 경화체의 소요강도 확보 및 강도증진을 위하여 밀도 1.38~2.0g/㎤, 물불용분 0.2%이하, 몰비가 2.0~3.4, pH12~13인 액상의 물유리를 페로니켈슬래그와 석탄회 미분말의 혼합물(페로니켈슬래그 중량+석탄회미분말의 혼입중량)에 대한 중량비로 0.05~25% 첨가하여 사용한다.
본 발명에서는 불연보드의 석탄회, 반응자극제, 물유리 및 보강용 신소재를 활용한 품질특성을 분석하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
상기 발명의 목적을 달성하기 위해 공정중 페로니켈슬래그로부터 수분을 제거하기 위한 건조공정과 조쇄인 볼밀분쇄, 페로니켈슬래그와 석탄회에 기계화학적 반응 특성을 부여하는 원심진동밀과 레이몬드밀 등의 공정을 도입하여 활성화하는데 특징이 있다.
바람직하게는, 상기 공정중 분쇄시 페로니켈슬래그를 필수적으로 평균입도 100메쉬 이하가 되도록 기계화학적 기능을 갖는 원심진동밀, 레이몬드밀로 분쇄하여 사용한다. 이러한 페로니켈슬래그 미분말은 전량 산화마그네슘(MgO) 대체재로 사용하거나, 고화제로 규산나트륨과 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 첨가하며, 이때 석탄회를 20%까지 사용하며 포졸란 반응을 하여 마그네슘 보드내의 수화물이 형성되어 강도가 증진된다.
이하 실시예를 통하여 설명한다. 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.
페로니켈수재 슬래그 1000kg과 석탄회 500kg을 발생상태에서 입수한 그대로 200~250℃에서 2시간 건조하였다. 잔류 수분 각각 0.7%, 0.5%이었다.
<표1>은 일반적 페로니켈슬래그의 물리화학적 특성을 나타낸다.
(단위 : 중량%)
화학적
조성
 산화칼슘
(CaO)		 산화규소
(SiO2)		 산화
마그네슘
(MgO)		 전철분
(T.Fe)		 니켈(Ni) 산화
알루미늄
(Al2O3)
0.39 ~
5.16		 41~54 28.8 ~
35.0		 5.6~7.4 0.02 1.7~2.5
입도분포
(mesh)		 5이상 5~8 8~14 14~35 35~48
48~65
 65이하
(%) 26.75 37.45 27.78 7.61 0.21 0.12 0.08
일반적으로 석탄회는 입도범위 1~500㎛이고, 밀도 1.9~2.4g/㎤, 비표면적 2800~5400㎠/g, 화학적 주요성분으로 중량퍼센트로 이산화규소(SiO2) 58~68%, 수산화알루미늄(Al2O3) 24~30%, 산화철(Fe2O3) 5~8%, 산화칼슘(CaO) 2~4%, 산화마그네슘(MgO), 산화나트륨(Na2O) 0.3~1.5%로 구성되어있다.
실시예 1에서 건조한 시료를 일반 볼밀에서 분쇄한 후, 다시 레이몬드밀과 원심진동밀에서 활성화분쇄를 시행하였다. 레이몬드밀과 원심진동밀의 사양은 <표2>와 같다. 이 레이몬드밀과 원심진동밀은 분쇄 및 분급 설비로 최대처리량 시간당 1톤으로, 블로우 타입의 사이클론, 그리고 백 필터가 장착되어 있다. 활성, 건조된 제품은 송풍 펌프나 팬으로 이송된다. <표3>은 볼밀분쇄 후의 입도분포이며, <표4>는 활성화된 미분 슬래그의 입도분포이다.
원심진동밀 레이몬드밀
건식분말 생산성(kg) 300~850 350~2500
전력 소모량(kW) 18 37
원자재 습도(%) 5 5
초기 최대 입도(mm) 5 10
최종 입도(㎛) 10~60 7~45
mesh 건식(%) 습식(%)
<5 25.00 21.39 31.24 31.68
5~8 34.43 26.34 39.55 37.62
8~14 25.20 33.86 15.01 19.80
14~35 11.07 13.86 10.34 7.92
35~48 1.64 1.78 1.42 0.99
48~65 1.23 1.19 1.22 0.78
>65 1.43 1.58 1.22 1.19
메쉬
(%)		 100/150 150/180 180/250 250/300 300/350 350<
볼밀/원심진동밀 8.3 9.7 13.4 13.6 25.5 29.5
볼밀/레이몬드밀 4.6 11.4 14.2 17.3 20.7 31.8
<표8>은 실시예3, 실시예4, 실시예5, 실시예6, 실시예7, 실시예8에서 사용한 각 보드제조원료 종류별 화학조성을 나타낸다.
기존에 생산되는 마그네슘보드의 성분은 표에 나타낸 바와 같이 주성분이 펄라이트나 목분과 산화마그네슘(MgO)으로 구성되어 있다. 실시예1과 실시예2를 통해 제조된 미분말을 주성분으로 하고, 본 실시예에서는 주성분인 MgO를 전량 실시예1과 실시예2를 통해 제조된 페로니켈슬래그와 석탄회 비율 20, 40, 60, 80, 100% 전량대체하고, 충진제로 목분을 사용 후, 충진제를 포함한 고형분에 규산나트륨과 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 <표5>에 나타나 있는 비율로 혼합후 유리섬유 메쉬를 적층시킨 다음 롤러나 가압프레스를 이용하여 제조하였으며, 사용목적에 따라 소정의 두께와 크기를 갖는 판상체로 압축·성형하였다. 이때 압축·성형과정에서 충진물이 잘 분산될 수 있도록 금형에 진동을 가하였다. 건조 양생시에는 2차에 걸쳐 양생하였다.
페로니켈슬래그 40 30 20 10 0
목분 50 50 50 50 50
석탄회 10 20 30 40 50
<표8>에 본 실시예4의 보드 제조시의 화학조성을 나타내었다.
본 실시예에서는 마그네슘보드의 성분은 충진제로 목분과 펄라이트로 구성되어 있다. 따라서 본 실시예에서는 페로니켈슬래그와 석탄회를, 충진제로 목분과 펄라이트를 1:1로 혼합하여 사용하고 바인더로는 규산나트륨 용액에 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 혼합하여 사용하고, 유리섬유 메쉬를 적층시킨 다음 롤러나 가압프레스를 이용하여 제조하였으며, 사용목적에 따라 소정의 두께와 크기를 갖는 판상체로 압축·성형하였다. 이때 압축·성형과정에서 충진물이 잘 분산될 수 있도록 금형에 진동을 가하였다. 이후 양생실에서 2차에 걸쳐 양생하였다.
페로니켈슬래그 40 30 20 10 0
목분 25 25 25 25 25
펄라이트 25 25 25 25 25
석탄회 10 20 30 40 50
<표8>은 본 실시예5에 사용한 보드제조시의 화학조성을 나타낸 결과이다.
본 실시예에서는 충진제로 펄라이트와 페로니켈슬래그를 석탄회로 20%, 40%, 60%, 80%, 100% 대체하여 고화제로 규산나트륨과 수산화나트륨이나 수산화칼륨과 유리섬유 메쉬를 적층시킨 다음 롤러나 가압프레스를 이용하여 제조하였으며, 사용목적에 따라 소정의 두께와 크기를 갖는 판상체로 압축·성형하였다. 이때 압축·성형과정에서 충진물이 잘 분산될 수 있도록 금형에 진동을 가하였다. 고화제로 염화마그네슘 사용시 2차에 걸쳐 양생하였다.
페로니켈슬래그 40 30 20 10 0
펄라이트 50 50 50 50 50
산화마그네슘(MgO) 10 20 30 40 50
<표8>은 본 실시예6에 사용한 각 보드의 화학조성을 나타낸 결과이다.
본 실시예에서는 실시예3과 동일하게 페로니켈슬래그대신 석탄회를 20%, 40%, 60%, 80%, 100%로 대체하고 충진제인 목분과 펄라이트의 혼합재료를 포함한 고형분에 규산나트륨과 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 넣고 유리섬유 메쉬를 적층시킨 다음 롤러나 가압프레스를 이용하여 제조하였으며, 사용목적에 따라 소정의 두께와 크기를 갖는 판상체로 압축·성형하였다. 이때 압축·성형과정에서 충진물이 잘 분산될 수 있도록 금형에 진동을 가하였다.
<표8>은 본 실시예7에 사용한 보드 제조시의 화학조성을 나타낸 결과이다.
본 실시예에서는 실시예6과 동일하게 시행하되 멜라민수지 대신에 페놀수지를 사용하고 나머지는 동일한 조건에서 실시하였다.
실시예 8에서 마그네슘보드의 성분은 <표8>에 나타낸 바와 같이 주성분이 산화마그네슘, 펄라이트, 목분과 석탄회로 구성되어 있다. 따라서 본 실시예에서는 실시예4와 동일하게 시험하였으나 충진제로 수산화알루미늄 초미분을 첨가하고 페로니켈슬래그 대신에 석탄회 대체율을 20, 40, 60, 80, 100%로 하여 강도발현에 대한 향상을 꾀하고자 하였다. 충진제인 목분과 펄라이트를 포함한 고형분에 규산나트륨용액에 KOH나 NaOH를 혼합하고, 유리섬유 메쉬를 적층시킨 다음 롤러나 가압프레스를 이용하여 제조하였으며, 사용목적에 따라 소정의 두께와 크기를 갖는 판상체로 압축·성형하였다. 이때 압축·성형과정에서 충진물이 잘 분산될 수 있도록 금형에 진동을 가하였다.
성분(%) 실시예3 실시예4
석탄회 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50
페로니켈
슬래그		 40 30 20 10 0 40 30 20 10 0
목분 50 50 50 50 50 25 25 25 25 25
펄라이트 - - - - - 25 25 25 25 25
Al(OH)3 - - - - - - - - - -
수지 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
성분(%) 실시예5 실시예6
석탄회 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50
페로니켈
슬래그		 40 30 20 10 0 40 30 20 10 0
목분 - - - - - 25 25 25 25 25
펄라이트 50 50 50 50 50 25 25 25 25 25
Al(OH)3 - - - - - - - - - -
수지 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 5 5 5 5 5
성분(%) 실시예7 실시예8
석탄회 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50
페로니켈
슬래그		 40 30 20 10 0 40 30 20 10 0
목분 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25
펄라이트 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25
Al(OH)3 - - - - - 3 3 3 3 3
수지 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
* 1. 페로니켈슬래그내의 MgO함량 = 35%
* 2. 수지 및 Al(OH)3는 첨가제로 따로 계산
실시예3~실시예8 시행 후 제조 판넬 표면의 미세조직을 관찰하기 위하여 주사전자현미경 관찰을 행하였으며, 제조되어진 내화성 경량보드의 기본 물성을 확인하기 위하여 실시예9~실시예14에 걸쳐서 흡수율, 측색도 시험, 굽힘 파괴하중 시험, 표면박리강도, 나사못 유지력 시험을 실시하였다. 또한 내화성능 향상 여부를 판단하기 위하여 간이내화시험과, 실험용 쥐를 이용하여 가스유해성 테스트를 실시하였다.
흡수율(KS F 3504)은 시편을 건조한 후 수평으로 유지하고 윗면에 약 60mm의 유리관 또는 금속관을 놓고, 시편과 접촉하는 부분의 바깥 둘레부를 실링재를 사용하여 물이 새지 않도록 막는다. 높이 50mm가 되도록 물을 채운 후 3시간을 놓아둔 후 표면의 수분을 닦아내고 무게를 측정하였다.
아래 <도2>는 중량대비 에멀젼 첨가량에 따른 흡수량을 시험기간에 따라 그래프로 나타낸 것이다. <도2>에서 보는 바와 같이 에멀젼을 중량대비 5% 첨가하였을 경우 흡수량이 급격히 감소함을 알 수 있으며, 5%와 8% 첨가시 흡수율에 큰 차이를 나타내지 않음을 알 수 있다. 따라서 아크릴 에멀젼을 5% 이상 첨가시 방수능 향상에는 큰 의미가 없을 것을 알 수 있다. 표는 아크릴 에멀젼을 5% 첨가함에 따라 향상된 제품의 흡수량과 흡수율을 나타내었다. 흡수량의 경우 목질 마그네슘보드에 비하여 실시예14 개선 마그네슘보드가 약 66.67% 적음을 알 수 있었다. 또한 표면 흡수율의 경우도 실시예 마그네슘보드의 수치가 현격히 적음을 관찰 할 수 있다. 이러한 현상은 바인더로 첨가된 아크릴 에멀젼의 표면 피막 형성과 방수능이 우수한 수산화알루미늄 미립자의 복합적인 효과 때문인 것으로 사료된다. 수산화알루미늄은 그 자체로 방수성을 지니고 있을 뿐만 아니라 수 ㎛에 이르는 미분이므로 보드 제조를 위해 압착시 공극 충진 효과 극대화로 인한 방수 효과도 있을 것으로 사료된다.
시험항목 시험방법 시험 결과
실시예3 실시예4
표면흡수량
(g)		 KSF3504 1.2 1.8 0.8 1.9 1.5 1.3 1.2 1.9 1.8 1.3
표면흡수율
(%)		 자체실험 0.80 0.75 0.79 0.80 0.89 0.70 0.75 0.72 0.79 0.62
시험항목 시험방법 시험 결과
실시예5 실시예6
표면흡수량
(g)		 KSF3504 1.1 1.0 1.2 1.5 1.6 1.2 1.3 1.5 1.2 1.1
표면흡수율
(%)		 자체실험 0.65 0.67 0.69 0.65 0.64 0.68 0.69 0.60 0.65 0.71
시험항목 시험방법 시험 결과
실시예7 실시예8
표면흡수량
(g)		 KSF3504 1.3 1.0 1.1 1.2 1.3 1.2 1.1 1.3 1.3 1.2
표면흡수율
(%)		 자체실험 0.67 0.65 0.69 0.61 0.61 0.61 0.64 0.63 0.64 0.61
측색도 시험을 위해 기존의 마그네슘보드와 개발제품의 상대 백색도 비교 시험으로 X-rite사의 SP62모델을 사용하여 측정하였다.
기존의 마그네슘보드는 목분으로 인해 생산된 제품의 표면 색상이 옅은 황색을 띤다. 이러한 표면의 색상으로 인해 옅은 색의 색상 코팅시에 보드 표면 색상의 은폐와 코팅후의 표면 색상차이라는 문제를 일으킨다. 따라서 종래의 마그네슘보드 함량에 나타나 있는 목분의 일정량을 펄라이트로 대체함으로써 장기적은 엘로우잉 현상과 제조시에 나타나는 표면 색상이 개선되었다. 밝기 또한 더 밝게 측정되었다. 실시예3의 마그네슘 보드와 실시예4 상태의 제품을 자연 상태의 광에 500시간 방치한 후 보드의 색도를 측정한 결과로 실시예3 제품에 비하여 밝기가 더 밝고 엘로우잉 현상도 훨씬 저감되었음을 알 수 있다. 여기에 사용된 무기계 경량 미립자는 크기가 0.1mm~1mm 이하인 것을 사용하며, 그 사용량은 용도에 따라 목분량의 50% 정도로 조정해서 사용하였다.
이러한 일반적인 마그네슘보드는 목분 함량이 50%에 정도이며, 이러한 목분의 영향으로 장기간 습윤 조건하에서는 옐로우잉 현상이 발생하며, 다른 성분에 비해 상대적으로 무거워 부피당 무게 비중을 많이 차지하고 있다. 또한, 입자가 큰 목분은 보드표면에 큰 핀홀을 만들어 외관 및 외장 도장 후 이러한 핀홀로 인한 외관상의 문제점을 발생시킨다.
강도와 내수성 향상을 위해 제조과정에서 아크릴계 에멀젼을 투입시킴으로써 이 두가지 사항에 대한 개선 효과를 나타낼 수 있다. 아크릴계 에멀젼은 섬유강화 시멘트 판넬 제작과정에서도 투입시 굽힘강도 향상이 나타나는 것이 일반적이며, 개발 마그네슘보드 제조시 사용되는 아크릴계 에멀젼은 로레이트(laurate) 계열로 우수한 내수성을 지니고 있는 에멀젼이다.
각 실시예에 대하여 굽힘 파괴 하중시험(KS F 3504)을 시행하였다. 스팬율 350mm로 하고, 집중 하중을 스팬 중앙의 전체 나비에 가하여 시험을 진행하였다.
<표7>에 국내에 공급되는 보드와 본 발명에 의한 마그네슘보드의 물성시험 결과를 나타낸 것이다. 각 보드 종류별 굽힘파괴하중을 나타낸 것이다. 관찰되는 바와 같이 개발 마그네슘보드가 약57kg으로 비교적 높은 굽힘파괴하중을 나타내었으며, 실시예8 보드가 가장 높은 수치의 굽힘파괴하중을 나타내었으나, 보드의 변형량은 가장 적은 수치를 나타내었다. 이는 비교적 강도는 좋은 편이나 취성이 강하여 약간의 충격에도 보드가 파괴될 수 있을 것으로 판단되어 취급시 주의를 요하는 제품이라 할 수 있다. 대체 목분 마그네슘 보드의 경우 변형량이 파괴시까지 비교적 양호한 수치를 나타내었다. 실시예3 보드의 경우, 굽힘파괴 강도는 약한 편이나 변형율이 매우 우수함을 알 수 있다.
석고보드는 파괴시 양면에 부착되어져 있는 보드용 원지와 석고면의 분리가 완전히 이루어지지 않았기 때문에 하중에 따른 변형이 큰 것으로 관측되었다.
실시예 3~8의 표면박리강도(KS F 3200)을 측정하였다. 강 또는 알루미늄 블록에 시험편을 접착하고, 시험편의 표면에 수직으로 인장하중을 가하여 박리파괴시 최대하중을 측정한다.
MgO 대체 석탄회 마그네슘 보드가 가장 높은 부착강도 값을 나타내었다. 목분 대체 보드의 경우 부착강도가 최고치에서 하락하다가 다시 증가되었다 하락함을 알 수 있다. 이는 보드 내부에 존재하는 섬유 메쉬로 인해 초기 탈락 이후 2차적으로 강도를 발현하기 때문인 것으로 사료된다. 석고보드의 경우 비교적 낮은 강도와 낮은 변형에도 쉽게 탈락현상이 일어남을 관찰할 수 있다.
실시예 3~8의 나사못 유지력 시험(KS F 3200)을 시행하였다. 지름 2.7mm, 길이 16mm의 나사못을 시험체에 수직으로 나사부 11mm를 박아 넣고 시험편을 고정하여 나사못을 수직을 잡아당겨 측정한다.
실시예8의 보드가 가장 높은 수치를 나타내었다. 이는 주성분인 목분과 펄라이트, MgCl2의 복합적 영향 때문인 것으로 사료된다. 나사못 유지력의 경우 시공 후 보드가 얼마나 시공면에 잘 부착되어 있는가를 단적으로 나타내는 것으로 MgO 마그네슘보드의 경우, 일반 석고보드에 대비하여 그 성능이 우수함을 알 수 있었다.
위에서 설명한 바와 같이 MgO 마그네슘보드의 경우 대부분 표준 비교 대상인 석고보드에 비하여 그 물리적 성능이 우수함을 관찰할 수 있었다.
실시예3~8에 대한 불연성 실험을 행하였다. 3mm, 6mm, 9mm 개발 마그네슘 보드에 30분간 산소 토치를 이용하여 가열하면서 표면의 온도변화를 나타낸 간이내화시험 결과이다. 각 보드의 전면부와 후면부의 온도변화를 가열시간에 따라 3mm 마그네슘보드의 전면부 표면온도가 단시간에 가장 높게 관측됨을 알 수 있었으며, 전면부와 후면부의 온도편차는 보드 종류와 두께에 따라 유사하게 나타났다. 일반 석고보드는 후면부의 온도가 약300℃ 정도였으며 3mm 마그네슘보드는 이보다 높게 관측되었다. 하지만 6mm와 9mm MgO대체 마그네슘보드의 경우는 석고보드보다 후면부의 온도가 낮아 우수한 단열성능을 보였다. 또한 석고보드의 경우는 가열시간 약9분경과 후 보드에 균열이 발생하여 실험이 불가하였다. 6mm와 9mm 마그네슘보드는 30분 동안 거의 일정한 단열 특성을 나타내었으며, 균열의 발생이 전혀 관찰되지 않았다. 따라서 석고보드에 비하여 우수한 단열특성과 내화성능을 가진 것은 6mm 이상의 마그네슘보드인 것으로 사료된다.
<표7>은 보드의 전면부와 후면부의 최고온도 편차를 비교한 것이다. 그림에서 관찰되는 바와 같이 3mm 마그네슘보드가 가장 온도 편차가 적음을 알 수 있었으며, 석고보드에 비하여 6mm와 9mm 개선 마그네슘보드의 온도편차가 높음을 알 수 있었다. 위 두 가지 결과로 볼 때 6mm와 9mm의 마그네슘 보드가 9mm 석고보드와 비교하여 내열성능과 단열성능이 월등히 우수함을 관찰할 수 있었다.
기존의 마그네슘보드는 화재 발생시 화염과 유독가스가 발생한다. 이것은 마그네슘보드에 함유되어 있는 목분에 의해 발생되는 것으로 목분량이 많을수록 그 발생 빈도와 유독가스량은 증가하는 경향을 보인다. 이러한 발생 경향은 KS F 2271의 불연성 시험시 충분히 그 기준은 통과하지만 제품의 보다 나은 품질요구에 따른 개발이 필요하다.
페로니켈슬래그 : 마그네슘산화물(4:1) 마그네슘보드(9mm) 연소시 8마리 실험용 쥐의 행동 정지시간을 <표9>로 나타낸 것이다. 기존 보드의 경우 실험용 쥐의 행동정지시간이 약 600~880초 까지 다양하게 분포하고 있음을 알 수 있으며, 평균 747초의 행동정지시간을 나타내었다. 대체 마그네슘보드의 경우는 약 850~900초까지 거의 균일하게 쥐의 행동정지시간이 분포하고 있음을 관찰할 수 있었으며, 평균 885초를 나타내었다.
따라서 기존의 마그네슘보드에 비하여 가스유해성이 크게 개선되었음을 알 수 있었다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 실시예3의 경우의 목분을 대체하여 실시예4의 무기질의 펄라이트와 실시예8의 수산화알루미늄계 미립자를 사용함으로써 화염 및 유독가스의 발생량을 줄일 수 있었다.
이러한 수산화알루미늄계 미립자는 산화규소(SiO2) 62.0~68.0 중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 18.0~23.0 중량%, 산화나트륨(Na2O) 0.05~8.0 중량%로 이루어진 군에서 선택한 제품을 사용하며, 그 입자의 크기는 0.01~0.05mm인 것을 사용하였다. 이러한 수산화알루미늄계 미립자를 사용하면 <표9>와 같이 제품의 가스유해성능이 향상됨을 알 수 있었다.
보시시실시예5 실시예6 KS F 2271
동85540초 이상
보발드실시예7 실시예8 KS F 2271
동832 824 540초 이상
편0128 32
페로니켈슬래그를 대신한 석탄회의 비율 굽힘파괴하중량(kg)/변위(mm) 표면박리실험 나사못유지실험 내화도(최고온도(전면/후면))℃
실시예3 20 22/6.8 32.0/0.9 25.3/0.6 1201/270
40 21.7/9.4 32.0/0.9 25.2/0.5 1198/320
60 20.3/9.3 31.8/0.8 24.8/0.5 1120/331
80 20.1/9.2 31.5/0.7 23.9/0.4 1129/345
100 15.2/8.3 28.2/0.4 20.2/0.2 1138/352
실시예4 20 65/1.1 55.1/0.48 67.3/1.0 1100/256
40 63.5/1.0 55.0/0.48 67.2/0.9 1121/267
60 62.2/0.9 49.2/0.47 66.2/0.8 1120/276
80 61.3/0.8 49.0/0.46 66.1/0.8 1112/273
100 52.1/0.5 40.2/0.39 58.2/0.5 1130/295
실시예5 20 37.1/3.8 78.4/0.49 30.1/0.7 1200/240
40 36.2/3.7 76.5/0.48 28.9/0.7 1180/247
60 33.4/3.6 76.1/0.47 29.2/0.6 1192/259
80 32.9/3.5 75.3/0.44 27.3/0.6 1198/269
100 29.3/2.8 69.3/0.35 25.1/0.13 1184/280
실시예6 20 35.2/4.2 58.3/0.47 65.0/0.9 1150/296
40 35.1/4.2 56.1/0.45 63.5/0.5 1149/295
60 34.8/4.1 55.5/0.45 64.6/0.8 1151/302
80 33.5/4.0 54.6/0.43 62.8/0.8 1148/305
100 29.3/3.5 43.2/0.36 57.2/0.5 1130/309
실시예7 20 32.6/4.1 55.2/0.49 64.8/0.9 1180/280
40 31.9/4.0 54.3/0.48 63.2/0.8 1192/285
60 30.7/3.8 53.2/0.45 62.4/0.8 1193/288
80 30.8/3.8 51.3/0.43 61.9/0.7 1198/298
100 28.7/3.1 45.3/0.25 52.3/0.5 1187/312
실시예8 20 70.2/0.9 75.2/0.39 70.2/1.1 1190/240
40 69.8/0.8 74.9/0.38 69.3/1.0 1181/250
60 68.7/0.8 74.5/0.38 68.2/1.0 1170/259
80 66.5/0.7 68.2/0.35 68.1/0.9 1189/270
100 53.2/0.5 52.3/0.31 59.2/0.6 1190/278
없음.

Claims (8)

  1. 페로니켈 제조 공정에서 발생한 페로니켈슬래그와 화력발전소에서 발생하는 부산물인 석탄회를 원료로 불연성 산화물보드를 제조하는 공정으로, 페로니켈슬래그를 건조하는 제1공정과; 조분쇄와 활성화하는 제2공정과; 석탄회 활성화 분말을 제조하고 입도 조정하는 제3공정과; 제3공정에서 제조된 미분말을 규산소다 용액과 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 첨가하고 목분이나 펄라이트를 첨가한 후 혼합하는 제4공정과; 제4공정에서 혼합된 제조된 혼합물을 소정의 두께와 크기를 갖도록 성형하는 제5공정과; 제5공정에서 성형된 혼합물을 고화하는 제6공정과; 제6공정에서 고화된 혼합물을 양생하는 제7공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기계화학적 방법에 의한 페로니켈슬래그와 석탄회를 이용한 불연성 마그네슘보드 제조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1항에 있어서, 석탄회 미분말의 반응촉진 및 활성화를 위한 반응자극제로서 백색분말형태이며, 순도가 96% 이상인 수산화나트륨(NaOH)을 석탄회 미분말의 혼합물에 대한 질량비로 0.02~10질량% 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 하는 기계화학적 방법에 의한 페로니켈슬래그와 석탄회를 이용한 불연성 마그네슘보드 제조.
  5. 삭제
  6. 청구항 1항에서 상기 제2공정은 기계화학적 활성화를 위해 레이몬드밀과 원심진동밀을 이용하여 조분쇄·활성화하는 것을 특징으로 하는 기계화학적 방법에 의한 페로니켈슬래그와 석탄회를 이용한 불연성 마그네슘보드 제조.
  7. 청구항 1항에서 상기 제2공정에서 조분쇄·활성화되는 분쇄슬래그의 입도는 100메쉬 이하로 미분쇄하는 것을 특징으로 하는 기계화학적 방법에 의한 페로니켈슬래그와 석탄회를 이용한 불연성 마그네슘보드 제조.
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