KR101372517B1 - 내화성 커튼월용 경량 무기발포 내화보드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존 알루미늄 커튼월 시스템의 내화성을 향상시키고 화재 등으로 인한 고층 빌딩의 취약성을 개선할 수 있는 커튼월용 경량 무기발포 내화보드를 제공하기 위한 것으로서, 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 있어서, 플라이애쉬, 규석분말 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 혼화재와, 폐유리분말, 유리연마슬러지 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 슬러지와, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종을 혼합한 제1의 분체와; 상기 제1의 분체에 그라파이트, 산화철, 규산나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기계 발포제를 첨가하여 제2의 분체를 제조한 후, 상기 제2의 분체에 소듐실리케이트와 물을 혼합한 혼합수를 상기 제2의 분체 100중량부에 대하여 1∼50중량부를 혼입하여 발포체를 제조하고, 상기 제조된 발포체에 함유된 수분과 유기물을 증발시킨 후, 700∼780℃에서 소성한 것을 특징으로 한다.
이와 같은 경량 무기발포 내화보드에 의하면, 고층빌딩 알루미늄 커튼월의 내화성능을 향상시킬 수 있으며 층간 개구부 및 구조체와 커튼월 사이를 통해 전파되는 화재를 예방할 수 있다.

Description

내화성 커튼월용 경량 무기발포 내화보드{Fire resistant curtain wall light weight board}
본 발명은 고층건물에 적용되는 내화성 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 관한 것으로서, 특히 알루미늄 커튼월의 화재발생 시 문제로 지적되는 유기계 단열재 및 섬유류 및 무기계 섬유류를 대체하고 고층건축물의 화재확산을 방지하기 사용되는 내화성 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 관한 것이다.
고층빌딩 커튼월 시스템 소재로는 알루미늄과 유리가 주를 이루며 현재는 이들 소재로 구성된 유닛화된 시스템으로 고층건물의 외벽을 마감하고 있다. 또한 커튼월 시스템용 알루미늄 복합패널은 패널 내부에 단열재로 미네랄 울 및 글라스 울이나 유기계 재료를 사용하여 단열 성능을 높이고 있다. 하지만 무기계 소재인 미네랄 울이나 글라스 울은 특성상 수분에 취약하고 뭉침이나 처짐 현상 등이 발생하여 단열효과가 떨어지며 유기계 소재인 폴리에스터 울 등은 화재 취약성 및 일산화탄소 발생에 의한 인체 유해성 등으로 건물 적용에 한계를 갖는다.
국내 건축물의 고층화 대형화에 따라 알루미늄과 유리를 소재로 한 경량 커튼월 시스템이 주로 사용되고 있다. 경량 커튼월 시스템은 건축소재의 경량화 기술이 절대적으로 요구되며 바람에 의한 파손을 방지하기 위한 내풍압 특성도 요구된다. 하지만 기존의 커튼월 소재인 알루미늄과 유리는 내화 및 방화성능이 부족하여 층간화재전파를 막기에 한계가 있다. 특히 고층 빌딩의 화재전파에서 보듯이 경량 알루미늄이 열에 녹아 층사이로 화재가 전파되어 상층부로 이동하므로 커튼월 구획간의 연소 확대를 방지하기 위한 조치가 필요하다. 화재연소 확대방지를 위해 차열성, 차염성 등의 내화성능이 반드시 필요하지만 현재의 커튼월용 소재로서는 방화구획간의 연소확대 방지성능을 확보할 수 없다.
또한 기존 커튼월 소재인 알루미늄 및 유리의 열전도율은 0.6∼1.0kcal/mh 수준으로 매우 높아 에너지 절약에 한계가 있어 알루미늄 복합패널 등은 패널 내부에 단열재로 무기계인 미네랄 울 및 글라스 울과 유기계인 폴리에스테르 울 및 폴리우렌탄 등의 재료를 사용해야 한다.
무기계 단열소재는 제품 특성상 단독으로는 패널 형태로 가공하기 힘들뿐만 아니라 내수성이 약하고, 여전히 단열성능이 유기계 단열소재에 크게 못 미치고, 또한 무게가 무겁기 때문에 시공성이 나쁘다. 최근 비중이 낮은 인공경량소재(0.4∼0.5g/cm2)를 사용한 단열보드 제조에 대한 연구가 있었으나 보드의 열전도율이 0.1kcal/mh 정도로 일반 유기단열재 보다 여전히 성능이 많이 떨어지고 있다.
또한 소재의 특성상 무기계는 수분에 취약하여 뭉침 및 처짐 현상 등이 발생하여 단열효과가 불량하고 유기계는 화재에 대한 취약성을 극복할 수 있는 새로운 소재의 개발이 시급하다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 기존 알루미늄 커튼월 시스템의 내화성을 향상시키고 화재 등으로 인한 고층 빌딩의 취약성을 개선할 수 있는 커튼월용 경량 무기발포 내화보드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 무기결합재의 조성물로 되는 경량 무기발포 내화보드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 무기결합재 조성물 또는 경량 무기발포 내화보드를 알루미늄 커튼월 등의 건축물 외벽에 적용할 수 있는 경량 무기발포 내화보드를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 발명자는 필수성분으로 플라이애쉬, 실리카퓸, 퓸드실리카 등의 미분말 및 규석분말, 결합재로 사용하기 위한 폐유리분말 및 발포제 등을 이용한 부정형 조성물 및 이 조성물을 이용하여 제조한 경량 무기발포 내화보드를 제조하여 고층건축물의 알루미늄 커튼월에 적용하면 화재방지 성능이 필요한 고층빌딩 알루미늄 커튼월의 수직 화재전파를 차단하고 내화성능을 확보할 수 있다는 사실을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드는 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 있어서, 플라이애쉬, 규석분말 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 혼화재와, 폐유리분말, 유리연마슬러지 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 슬러지와, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종을 혼합한 제1의 분체와; 상기 제1의 분체에 그라파이트, 산화철, 규산나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기계 발포제를 첨가하여 제2의 분체를 제조한 후, 상기 제2의 분체에 소듐실리케이트와 물을 혼합한 혼합수를 상기 제2의 분체 100중량부에 대하여 1∼50중량부를 혼입하여 발포체를 제조하고, 상기 제조된 발포체에 함유된 수분과 유기물을 증발시킨 후, 700∼780℃에서 소성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 있어서, 상기 제1의 분체 100중량%에 대하여 퓸드실리카 5∼20중량%를 더 첨가하여 제조된 제1의 분체를 사용하여 제2의 분체가 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 의하면, 고층빌딩 알루미늄 커튼월의 내화성능을 향상시킬 수 있으며 기존의 알루미늄 커튼월의 유기계 단열재 및 무기계 섬유류 단열재에서 발생하는 층간의 화재전파을 효과적으로 예방할 수 있다. 최근에 초고층건축물의 시공이 빈번해 짐에 따라 화재에 의한 위험도 또한 증가하고 있는데 본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드를 적용함에 따라 화재 안전성을 향상시킬 수 있다. 현재, 화재에 대한 안전성 확보를 위한 무기보드의 조성은 거의 대부분이 석고보드나 규산칼슘계 재료가 주를 이루고 있으나 무겁기 때문에 접합이 곤란하므로 내화성능을 확보하기는 어렵다. 또한, 석고보드나 규산칼슘보드는 수분에 약하고 쉽게 부서지는 단점을 지니고 있다.
또한, 본 발명에 따른 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 의하면, 알루미늄 커튼월 구조에서 사용되는 단열재인 폴리에스테르 울과 글라스 울이 적용된 부위를 불연재료인 경량 무기발포 내화패널로 대체하는 기술로 기존 단열재의 내화성능 부족에서 오는 화재 전파를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 단열성능 또한 우수하기 때문에 이용성이 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 의하면, 기존의 단열재료에 비해 내화성능이 월등하게 우수하며 석고보드 등의 내화재료에 비해서도 강도가 크고 흡수율이 적기 때문에 시공 편의성 및 활용도 등에서 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 의하면, 활용범위가 넓기 때문에 관련 신기술 확보가 가능하고 관련 제품 개발 및 상업화에 따른 국내 제반 기술력을 증대할 수 있으며 국내 고유 기술 개발에 의한 세계적 수준의 선도 기술을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드를 적용한 알루미늄 커튼월 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드의 제조를 위한 무기발포제의 발포 메커니즘을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드의 제조를 위한 조성물 내부의 미세구조를 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 4는 알루미늄 커튼월의 화재 사례이다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 플라이애쉬, 규석분말 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 혼화재;와 폐유리분말, 유리연마슬러지 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 슬러지;와 그라파이트(Graphite), 산화철(Fe2O3), 규산나트륨(Na2SiO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기계 발포제; 및 첨가제로 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종을 첨가하며, 상기 혼화재, 슬러지 및 무기계 발포제의 그 구성된 혼합물 대비 첨가제 10∼40중량%를 첨가하고; 그 첨가되어 혼합된 혼합물 대비 퓸드실리카 5∼20중량%를 포함하도록 첨가하여 되는 조성물이 개시된다.
또한, 본 발명에서는 상기에 개시되는 조성물로 된 분체를 제조하고, 상기 제조된 분체에 소듐실리케이트와 물의 비를 7:3으로 하여 제조된 혼합수를 소량 혼입하여 잘 섞이도록 발포체를 제조하고, 상기 제조된 발포체에 함유된 수분과 유기물을 증발시켜 완전히 건조시킨 다음, 전기로를 이용하여 700∼780℃에서 소성하여 되는 내화성 커튼월용 무기발포 내화보드가 개시된다.
여기서, 상기 혼합수는 상기 분체 100중량부에 대하여 1∼50중량부를 혼입하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 고내화성 경량 무기발포 내화보드를 제조하기 위한 조성물에 있어서, 플라이애쉬 및 규석분말, 실리카퓸 및 고로슬래그 미분말, 퓸드실리카의 함량은 각각 10∼40 중량%, 10∼40 중량%, 5∼20 중량%가 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.
플라이애쉬 및 규석분말, 실리카퓸, 퓸드실리카는 발포체에 필러 역할과 기능성을 부여하는 기능성 재료로서 사용된다. 이 중 플라이애쉬 및 규석분말은 가장 널리 사용되는 혼화재로서 자체적으로 결합할 수 있는 결합성은 거의 발휘하지 못하지만 산업부산물로 값이 싸기 때문에 널리 사용된다. 본 조성물 중 플라이애쉬 및 규석분말의 함량이 10중량% 미만이면 경량 무기발포 내화보드의 제조시 작업성이 크게 저하되고 무거워지며 40중량%을 초과하면 발포가 충분히 일어나지 못해 발포체를 제조할 수 없으며 강도를 향상시키는 효과가 낮다.
실리카퓸 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 경우보다 가벼운 발포체를 제작할 수 있으나 플라이애쉬보다 가격이 비싸다. 실리카퓸의 함량이 10중량% 미만이면 무기결합재 내화보드의 제조시 작업성이 크게 저하되며, 40중량%를 초과하면 조성물의 표면구조가 치밀해지지 못해 강도를 향상시키는 효과가 낮다.
본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드를 제조하기 위한 조성물 중 플라이애쉬 및 규석분말, 실리카퓸과 혼합하여 적용할 수 있는 퓸드실리카는 자체적인 내부 기공을 가지고 있으므로 기존에 마이크로필러 역할뿐 만 아니라 초경량 발포체 제조에 사용할 수 있으며, 혼화재인 플라이애쉬를 혼입한 경우보다 발포체 제조에 우수한 효과를 가진다. 퓸드실리카는 5∼20 중량%를 혼합하여 사용할 수 있는데 중량이 5중량% 미만이면 무기발포 내화보드의 제조시 단열성능이 크게 향상되지 못하며, 20중량%를 초과하면 발포체 제조 및 강도를 향상시키는 효과가 낮다.
본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드를 제조하기 위한 조성물 중 폐유리분말이나 유리연마슬러지는 연화되어 무기발포 패널의 골격을 형성하게 된다.
폐유리분말이나 유리연마슬러지는 약 600℃를 전후하여 연화점을 가지며, 이후 700℃정도에서 유리의 용융에 따라 발포제의 효과가 발현되는 특징을 이용한다. 도2의(a)는 유리분말이나 유리연마슬러지가 발포제가 혼합되어 있는 상태로서 균일한 혼합이 중요하고, 도2의(b)와 같이 발포제를 유리로 둘러싸는 것이 중요하다. 이를 위해서는 유리분말이나 유리연마슬러지 자체의 연화점이 발포제의 온도보다 낮아야 하고, 유리분말이나 유리연마슬러지 입자의 크기도 변수로 작용하기도 한다. 이 발생된 가스가 도2의 (c)와 같이 경량유리 내부에 폐기공을 만든다. 유리분말이나 유리연마슬러지에 발포제를 첨가하여 일정온도에서 소성시키면 발포제를 둘러싼 유리가 녹게 되고 동시에 그 속에 들어있는 발포제 자체의 분해 또는 유리의 구성성분과 반응에 의해 기체를 발생하게 되어 기공이 만들어지게 되며 그 자체를 고정화 안정화시킴으로써 경량 무기발포 내화보드를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드를 제조하기 위한 조성물에는 무기계 발포제가 사용되며 무기계 발포제는 그라파이트, 탄산칼슘(CaCO3), 산화철(Fe2O3), 규산나트륨 등이 사용 가능하다. 발포제는 각각의 특성에 따라 하기에 개시되는 바와 같이 가스 발생 방법에 차이가 있다.
Graphite + O2 → CO2
CaCO3 → CaO + CO2
2Fe2O3 → 4FeO + O2
무기계 발포제는 0.1∼5.0중량%를 사용하는데 0.1중량% 미만이면 발포가 되지 않아 경량 무기발포 내화보드를 제작할 수 없으며 5.0중량%를 초과하면 기공생성이 불량하고 기공이 과다성장 및 병합하여 무기발포 내화패널을 제조할 수 없다.
본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드는 제품을 소성하고 절단하여 정형의 경량 무기발포 내화보드를 제조하는데 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 경량 무기발포 내화보드는 천연원료를 사용하는 석고보드나 규산칼슘 보드와는 달리 산업부산물인 플라이애쉬를 사용하므로 경제적인 측면에서도 유리하다. 또한 국내에서는 산업부산물로 다량의 플라이애쉬가 발생되고 있어 천연자원의 대체 및 고부가가치화를 위한 제품 개발에도 적극 대응할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
[실시예 1]
플라이애쉬 1,000g 및 실리카퓸 1,000g과 분말도가 약 3,000∼3,500㎠ 폐유리분말 및 유리연마슬러지 5,000g을 사용하였다. 폐유리분말 및 유리연마 슬러지는 일반 판유리 조성과 유사한 soda-lime계 유리임을 확인할 수 있었으며, 유리분말 및 유리연마슬러지의 비중은 2.5 g/㎤ 이었다. SiO2함량은 64∼72% 수준, Na2O는 3∼9% 수준이었으며 특히 강열감량은 2∼7% 수준이었다.
플라이애쉬 및 실리카퓸, 폐유리분말이 혼합된 분체에 발포제인 그라파이트 50g을 첨가하여 분체를 제조하였다.
제조된 분체에 소듐실리케이트와 물의 비를 7:3으로 하여 제조된 혼합수를 소량 혼입하여 잘 섞이도록 발포체를 제조하였고, 제조된 발포체를 함수율이 0%에 근접하도록 수분과 유기물을 증발시켰다. 이때 수분이 남아 완전히 건조되지 않으면 소성시 전기로 내부에서 탈수와 유기물의 휘발로 인해 입구 부분에 수증기와 가스가 다량으로 발생하게 되며 이로 인하여 성형체가 서로 뭉치거나 크랙이 발생하는 문제점이 발생하게 된다.
소성은 전기로를 이용하였으며 700∼780℃에서 소성하였다. 소성온도는 첨가되는 물질이나 발포제에 따라 과다 발포되는 등 전혀 다른 형상을 보이고 압축강도 및 흡수율 또한 달라지며 외부피막이 형성되는 등 형태 또한 달라지므로 최대한 단시간에 발포되는 조건을 고려한다. 발포된 발포체는 상단부 및 하단부를 절단한 후 경량 무기발포 내화보드를 제조하였다.
상기 제조된 무기발포 내화보드의 물성을 측정한 결과, 그 밀도는 0.44 g/㎤, 압축강도는 55.8 kg/㎠, 열전도율은 0.12 W/mK 이었다.

Claims (2)

  1. 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드에 있어서,
    플라이애쉬, 규석분말 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 혼화재와,
    폐유리분말, 유리연마슬러지 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 슬러지와,
    실리카퓸, 고로슬래그 미분말 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종을 혼합한 제1의 분체와;
    상기 제1의 분체에 그라파이트, 산화철, 규산나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기계 발포제를 첨가하여 제2의 분체를 제조한 후,
    상기 제2의 분체에 소듐실리케이트와 물을 혼합한 혼합수를 상기 제2의 분체 100중량부에 대하여 1∼50중량부를 혼입하여 발포체를 제조하고, 상기 제조된 발포체에 함유된 수분과 유기물을 증발시킨 후, 700∼780℃에서 소성한 것을 특징으로 하는 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 분체 100중량%에 대하여 퓸드실리카 5∼20중량%를 더 첨가하여 제조된 제1의 분체를 사용하여 제2의 분체가 제조된 것을 특징으로 하는 고층빌딩 알루미늄 커튼월용 경량 무기발포 내화보드.
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