KR101383875B1 - 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포에 의한 기공형성과 다공성 무기 충진제의 경화가 동시에 구현되어 단열성능이 우수하고 화염에 안전한 고온 내화성 단열재 조성물 제조방법에 관한 것으로, 규산염의 수분을 제거한 다공성 실리카 분말을 사용함으로써 부분 경화되고 강도가 저하되는 것을 방지하도록 하는 것이다.
본 발명은 규산염 5~35 중량부를 투입하는 단계와; 다공성 무기충진제 10~78 중량부를 투입하는 단계와; 이들을 혼합하는 1차 혼합 단계와; 마그네슘 인산염계 무기질바인더 15~55 중량부를 투입하는 단계 및; 이들을 재차 혼합하는 2차 혼합 단계로 이루어지는 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법에 있어서, 상기 규산염은 무기산을 투입하여 pH 3.0~8.0을 유지하여 겔(Gellation)화가 이루어지면서 다공성을 갖는 실리카 화합물을 생성한 후 80^oC 이상의 온도로 건조하여 수분이 증발되면 분쇄하여 다공성을 갖는 실리카 분말로 제조한 것을 사용함으로써 이루어지는 것이다.

Description

무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법{A MANUFACTURING METHOD OF COMPOSITION FOR ADIABATIC MATERIAL WITH inorganic porous material }

본 발명은 발포에 의한 기공형성과 다공성 무기 충진제의 경화가 동시에 구현되어 단열성능이 우수하고 화염에 안전한 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법에 관한 것으로, 규산염의 수분을 제거한 다공성 실리카 분말을 사용함으로써 모르타르 시공 시 부분적으로 경화되고 강도가 저하되는 것을 방지하도록 하는 것이다.

일반적으로, 단열재란 열이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 흐름을 방지하는 구조체로서, 열손실 및 열획득을 효율적으로 차단하여 과도한 에너지 손실을 절약할 수 있게 하며, 표면 온도 편차로 인해 발생하는 이슬점 발생현상(결로 현상)을 방지한다. 특히 고온의 산업설비는 열에 매우 취약하여 수명이 단축되며, 화염에 직접 노출되면 기계장치가 파손되는 우려가 있으며, 작업자의 안전이 위협받고 있기 때문에 이를 방지하고자 내화성 단열재를 기계장치의 내ㆍ외장재로 사용하고 있다. 또한, 공간 내의 온도 변화를 줄임으로써 쾌적감을 한층 높여주고, 부가적으로 소음이나 진동의 전달을 감소시켜 흡음 및 방음의 효과까지 병행하여 얻을 수 있다.

종래의 내화성 단열재로는 무기질 소재인 유리섬유 또는 암면섬유, 세라믹섬유 등을 주로 이용하여 휄트 또는 판상화하여 사용하고 있다. 종래의 내화성 단열재의 대표격인 유리섬유는 주로 휄트로서 사용하는 경우가 많은데, 이 경우 섬유질 간의 기공에 의해 열의 전달을 막아 방한용 또는 방서용 단열재뿐만 아니라, 방음의 기능을 하고 있어 충진제, 두루마리, 비포장의 형태로 외벽, 천정, 지하에 단열재로서 가장 널리 사용되고 있다.

그러나 상기 유리섬유의 경우 반가공된 상태로 제품이 출하되기에 현장에서 작업 시 절단 등에 의하여 발생된 유리가루가 비산되어 피부 혹은 폐에 부착될 경우 가려움증 및 폐질환이 유발되는 등의 문제점이 있으며, 시공 후에도 노화로 인하여 유리질 간의 결합제로 사용된 수지성분이 분해되는 경우, 유리질 가루가 공기 중에 비산되어 주변 환경의 공해요인으로 작용하게 되며, 또한, 최근 국제 암면 연구센터(IARC)가 유리섬유를 발암가능물질로 분류하고 있는 점 등이 상기 유리섬유의 확대 사용에 장애가 되고 있다.

또한 암면, 석면 등을 이용하는 세라믹 섬유의 경우에는 결합제를 이용하여 판상으로 제조하거나, 또는 암면 섬유직물 및 부직물의 상태로 이용하고 있으나, 상기 유리섬유와 마찬가지로 노화된 암면 및 석면섬유로부터 비산되는 먼지는 환경공해를 일으키며, 암의 원인이 되는 심각한 발암물질이기 때문에 사용규제가 점차 강화됨으로써 상기 된 문제점을 개선하고자 가공공정의 개선 등이 이루어지고 있기는 하나, 공정단계의 증가에 따라 가공비가 증가되며, 본래의 기능이 소멸되는 등의 문제점이 나타나고 있다.

상기와 같은 문제점으로 인하여 유리섬유, 석면섬유 또는 세라믹섬유와 같은 무기질 섬유로 되어 있는 단열제의 사용이 기피되고 있는 실정이며, 이를 대체하기 위한 방법으로 무기질 발포제를 이용하여 무기 다공질 단열재를 구성하거나, 단열성능이 우수한 물질을 유ㆍ무기 바인더와 혼합하여 가공한 단열재에 관한 연구가 지속되고 있는 실정으로, 한국 공개 특허공보 제 2003-0075259호, 동 공개 특허공보 제 2004-01011708호가 종래기술로 제시되고 있으나, 규산 나트륨과 실리카를 주성분으로 하는 광물성 입자를 물과 조된 단열제는 장기간 사용하는 경우 과다하게 백화현상 등을 일으키는 문제점이 발생하거나, 성형을 위하여 고온의 열을 필요로 함으로써, 에너지의 투입이 많아 생산 단가가 높아지는 한편 고온에 의한 융착으로 구형의 계면이 파손되어 단열효과가 떨어지고, 기계적 강도의 저하로 결합재에 의한 성형에도 어려움이 따르는 것이었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명자는 국내에 특허등록 10-1021467호로 내화성과 단열성을 동시에 구현하기 위하여 무기질 소재로 단열재를 조성하였으며, 팽창 펄라이트(Perlite), 팽창 질석(Vermiculite), 실리카 에어로겔 등의 단열 충진제를 사용하여 뛰어난 단열 효과를 제공하며, 기존 단열재에 비교하여 환경 친화적이며, 마그네슘 인산염계 무기질바인더를 구성하여 균열과 수축현상이 최소화되며, 상기 마그네슘 인산염계 무기질 바인더의 구성물 중 규회석을 사용하여 우수한 부착성과 단열성을 갖고, 도 1의 흐름도와 같이 규산염 5~35 중량부를 투입하는 단계(S11)와; 다공성 무기충진제 10~78 중량부를 투입하는 단계(S12)와; 이들을 혼합하는 1차 혼합 단계(S13)와; 마그네슘 인산염계 무기질바인더 15~55 중량부를 투입하는 단계(S14) 및; 이들을 재차 혼합하는 2차 혼합 단계(S15)를 거쳐 고온 내화성 단열재 조성물을 획득하는 단계(S16)로 이루어지는 고온 내화성 단열재 조성물 제조방법을 등록받은 바 있다.

상기 된 특허 10-1021467호는 규산염계 물유리를 이용함으로써 알칼리토 산화물과 실리카의 포졸란 반응을 촉진시켜 압축강도를 증가시키며, 100℃ 이상의 고온에서 사용 시 물유리의 발포에 의한 균일한 기공의 형성이 가능하며, 단열 내화물을 시공하였을 경우 에너지 절약을 구현할 수 있는 고성능의 단열 내화물 조성물을 제조하고자, 규산염, 다공성 무기충진제, 마그네슘 인산염계 무기질바인더를 원료로 하여 물과 혼합하여 축합반응을 촉진시켜 기공을 형성시킴과 동시에 낮은 온도에서 시공과 성형이 간편한 고온 내화성 단열재 조성물 제조방법을 제공하는 것이다.

대한민국 특허 등록 10-01021467호(2011.03.04 등록, (주)굿세라)

본 발명은 기존의 특허등록 10-1021467호에서 규산염을 사용함으로써 규산염계 물유리의 특성상 수분을 포함할 수밖에 없고, 이로 인하여 고온 내화성 단열재 조성물을 제조하는 경우 규산염에 포함된 미량의 수분으로 인하여 단열재 조성물의 제조 후 부분경화가 진행되고, 이는 내화성 단열재의 시공 후 전체적인 강도가 저하될 수밖에 없는 문제가 되는 것을 해결하고자 하는 것이다.

본 발명은 규산염 5~35 중량부를 투입하는 단계와; 다공성 무기충진제 10~78 중량부를 투입하는 단계와; 상기 규산염과 다공성 무기충진제를 혼합하는 1차 혼합 단계와; 마그네슘 인산염계 무기질바인더 15~55 중량부를 투입하는 단계 및; 규산염과 다공성 무기충진제 혼합물과 무기질바인더를 재차 혼합하는 2차 혼합 단계로 이루어지는 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법에 있어서, 상기 규산염은 무기산을 투입하여 pH 3.0~8.0을 유지하여 겔(Gellation)화가 이루어지면서 다공성을 갖는 실리카 화합물을 생성한 후 80^oC 이상의 온도로 건조하여 수분이 증발되면 분쇄하여 다공성을 갖는 실리카 분말로 제조한 것을 사용함으로써 이루어지는 것이다.

이러한 본 발명은 겔화가 이루어지는 과정에서 계면활성제를 투입하여 고비면적의 다공성 실리카를 제조하는 것이 가능하고, 단열도를 향상하기 위하여 다공성 무기충진제를 상기 제시된 량보다 추가로 투입하는 것이 가능하다.

본 발명에서 다공성 무기충진제는 팽창 펄라이트, 실리카 에어로겔, 팽창 질석, 규조토, 벤토나이트, 탈크, 제올라이트, 글래스버블, 알루미늄실리케이트 중공합체 중 어느 하나이거나, 이들의 혼합물이고, 상기 마그네슘 인산염계 무기질바인더는 마그네슘계 금속산화물, 인산염, 실리카 화합물이다.

그리고, 마그네슘 인산염계 무기질바인더에서 마그네슘계 금속산화물은 마그네슘 인산염 8 수화물, 산화 마그네슘(MgO), 사소 마그네시아(Dead Burned Magnesia), 경소 마그네시아(Light Burned Magnesia), 전융 마그네시아, 산화 알루미늄, 탄산마그네슘(MgCO3) 중 어느 하나이거나, 이들의 혼합물이고, 마그네슘 인산염계 무기질바인더에서 인산염은 제1 인산칼륨, 제2 인산칼륨, 제3 인산칼륨, 제1 인산나트륨, 제2 인산나트륨, 제3 인산나트륨, 제1 인산칼슘, 제2 인산칼슘, 제1 인산마그네슘, 제2인산마그네슘, 인산 알루미늄 중 어느 하나이거나, 이들의 혼합물이며, 마그네슘 인산염계 무기질바인더에서 실리카 화합물은 규회석, 포크랜트 시멘트, 알루미나 시멘트, 플라이애쉬 시멘트, 고로 시멘트 중 어느 하나이거나, 이들의 혼합물이고, 상기 규산염은 규산나트륨으로서 KS 규격 1종 내지 4종, 규산칼륨으로서 KS 규격 1종 내지 4종이며, 상기 경화지연제는 붕산(Boric acid) 또는 붕사(Borax)이다.

본 발명에 따른 고온 내화성 단열재 조성물의 특징은 균열과 수축현상이 없고, 단시간 내에 경화가 이루어지며, 발포에 의한 다공성 형성이 이루어지는 동시에 다공성 충진제를 이용하여 경화하면 단열효과가 극대화되고, 화염에 접촉하였을 경우에도 전혀 유독가스를 발생하지 않는 것으로, 특히 본 발명은 규산염에 포함되어 있는 수분을 완전히 제거한 다공성 실리카 분말을 사용하게 되므로, 부분경화 현상을 방지하는 한편 강도가 저하되는 현상도 방지하는 효과가 있다.

도 1은 기존 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법 순서도.
도 3은 다공성 실리카 분말(S22)의 전자주사현미경(SEM)에 의한 미세기공 측정 사진.

본 발명을 도 2의 본 발명에 따른 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법의 순서도에 따라 상세히 기술하기로 한다.

본 발명에 따른 무기질 다공성 단열재 조성물은 제철소, 발전소, 소각로 등의 고온용 설비 중 예를 들어, 노(爐) 혹은 래들(Ladle), 턴디쉬(Tundish), 론더(Launder)와 같은 야금용기의 에너지 손실을 방지하기 위한 단열성 및 내화성 물품을 생산하기 위하여 사용되는 것으로서, 규산염 5~35 중량부 및 다공성 무기충진제 10~78 중량부의 혼합물; 마그네슘 인산염계 무기질바인더 15~55 중량부; 및 경화지연제 0~2 중량부를 포함하여 이루어지게 된다.

본 발명에 따른 마그네슘 인산염계 단열 내화물 조성물의 주요한 특성은 고온에서 안정적인 마그네슘 인산염계 내화제를 구성하여 사용중 열적 변화에 따른 팽창을 억제해 주어 균열이 발생하지 않으며, 다공성 소재 즉, 팽창 펄라이트, 팽창 질석, 실리카 에어로겔을 복합적으로 첨가하여 구성함으로서 단열효과를 극대화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 마그네슘 인산염계 단열 내화물 조성물의 또 다른 중요한 특성은 단열 내화재 시공 시 금속성 설비 및 세라믹 설비에 부착성이 향상되고, 시공체와 기존 내화물의 보수작업 시에도 부착상태에 분리나 균열과 같은 결함이 발생하지 않는다는 것이다.

또한, 마그네슘 인산염계 무기질바인더가 다공성 무기충진제인 팽창 펄라이트, 실리카 에어로겔, 팽창 질석, 규조토, 벤토나이트, 탈크, 제올라이트, 글래스버블, 알루미늄실리케이트 중공합체의 결합제 역할을 하는데, 그 양이 15 중량부 미만이면 강도발현이 이루어지지 않으며, 그 양이 55 중량부를 초과하면 강도는 증가되나 단열효과는 기대하기 어렵다.

상기 규산염은 대표적인 것으로는 규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬 등이 있으며, 이들을 통상 "물유리"라 칭한다. 규산염 중의 나트륨 및 칼륨 등의 알칼리금속은 비교적 저온에서도 경화를 증진시켜주며 반응에 직접 참여하여 강도를 향상시키는 작용을 하며, 또한 100℃ 이상의 열을 받게 되면 함유하고 있던 수분이 기화하여 부풀어 지면서 증발하게 되면 무기성 발포체를 구성할 수 있어서 단열효과까지 증가시키는 장점이 있다.

여기서 사용하는 물유리의 양은 5 중량부 미만이면 상기와 같은 효과를 기대할 수 없으며, 35 중량부를 초과하면 첨가하면 몰탈 분말이 서로 엉기게 되어 효과적으로 사용할 수 없게 된다.

그러나 상기와 같이 규산염을 사용하는 경우 함유하고 있는 수분으로 인하여 단열 내화성 조성물의 부분 경화가 발생하는 한편 전체 강도가 저하되는 현상이 발생하게 되므로, 본 발명에서는 규산염을 액상으로 사용하지 않고 규산염을 무기산과 작용하여 겔화하여 무기질 다공성 소재로 건조시킴으로써 함유된 수분을 완전히 제거한 후 사용하도록 함으로써 상기 된 문제를 해결하도록 하는 것이다.

본 발명에서는 규산염의 수분을 제거하기 위하여 규산염에 무기산을 투입하여 pH 3.0~8.0 범위를 유지하도록 하면서 겔화가 이루어지도록 함으로써 다공성을 갖는 실리카 화합물을 제조하고, 상기 다공성을 갖는 실리카 화합물을 최저 80^oC 이상의 온도에서 열풍 건조하여 수분이 모두 증발되게 하고, 수분이 증발된 실리카 화합물을 분쇄하여 다공성을 갖는 실리카 분말을 제조한 후 상기 다공성을 갖는 실리카 분말을 사용함으로써 수분의 증발에 의해 부분 경화나 강도가 저하되는 현상을 방지하게 된다.

여기서 무기산은 인산, 질산, 황산, 염산, 불산, 발효된 목초액 중 하나이거나 이들 혼합물로 이루어지게 된다.

즉, 본 발명은 기존의 무기질 다공성 단열재 조성물의 제조에 있어서, 수분을 함유하고 있는 규산염을 사용하지 않고 수분을 완전히 제거한 다공성을 갖는 실리카 분말을 사용함으로써 고온 내화성 단열재 조성물의 부분 경화나 강도가 저하되는 것을 방지하도록 하는 것이다.

본 발명에서 규산염에 무기산을 투입하여 겔화가 이루어지는 과정에서 계면활성제를 투입하는 경우 다공성 실리카 화합물의 비표면적이 급격히 상승하게 되고, 이는 다공구조가 매우 발달되어 있다는 것을 말하는 것으로, 계면활성제를 사용하여 고비면적의 실리카 화합물을 제조하는 것이 바람직한 것이다.

여기서 계면활성제는 HPC(hydroxypropyl cellulose), PEG(Polyethylene glycol) 중 하나이거나 이들 혼합물을 사용한다.

그리고, 본 발명의 다공성 실리카 분말을 마그네슘 인산염계 무기질 바인더에 투입하여 혼합하게 되면 고온 내화성 단열재 조성물을 얻을 수 있게 되는 것으로, 단열재의 단열도를 향상하기 위해서는 다공성 무기 충진제를 더 투입하는 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 다공성 무기충진제는 팽창 펄라이트, 실리카 에어로겔, 팽창 질석, 규조토, 벤토나이트, 탈크, 제올라이트, 글래스버블, 알루미늄실리케이트 중공합체 중 어느 하나이거나, 이들의 2종 이상의 혼합물로 사용 할 경우 우수한 단열효과 및 경량화를 나타내게 되며, 본 발명에서 사용하는 상기 다공성 무기충진제의 양은 10 중량부 미만이면 상기와 같은 효과를 기대할 수 없으며, 78 중량부를 초과하면 바인더에 의한 결합이 이루지기 어려워 단열재를 구성할 수 없게 된다.

본 발명에 따른 무기질 다공성 단열재 조성물로서 제조된 단열재는 경량성이며, 매우 우수한 단열 및 차음 효과를 나타내게 되고, 또한, 800℃이상의 고온에서도 단열성능이 유지되고 우수한 내열성을 가지며, 유독가스가 발생되지 않게 된다.

이러한 본 발명의 무기질 다공성 단열재 조성물은 제철소, 발전소, 소각로 등의 고온용 설비 예를 들면, 노 혹은 래들, 턴디쉬, 론더와 같은 야금용기의 에너지 손실을 위한 단열성 및 내화성 물품을 생산하기 위하여 사용되는 단열재로서 다양한 분야에 적용될 수 있다.

이제, 본 발명에 따른 무기질 다공성 단열재 조성물의 제조방법을 도 2를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 규산염 5~35 중량부에 무기산을 투입하여 pH 3.0~8.0의 범위를 유지하면서 겔(Gellation)화가 이루어지는 실리카 화합물을 생성하는 단계(S21)와, 상기 실리카 화합물을 80^oC의 온도에서 열풍 건조한 후 분쇄하여 다공성을 갖는 실리카 분말을 제조하는 단계(22)와, 상기에서 제조된 실리카 분말 5~35 중량부를 투입하는 단계(S23)와, 다공성 무기충진제 10~78 중량부를 투입하는 단계(S24)와, 상기 실리카 분말과 다공성 무기충진제를 혼합하는 1차 혼합 단계(S25)와, 마그네슘 인산염계 무기질바인더 15~55 중량부를 투입하는 단계(S26)와, 혼합 단계(S25)에서 혼합된 물질과 무기질바인더를 재차 혼합하는 2차 혼합 단계(S27)를 거쳐 무기질 다공성 단열재 조성물을 획득하는 단계(S28)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

이렇게 제작된 고온 내화성 단열재 조성물은 물을 혼합하여 반죽하고, 이를 몰드를 이용하여 원하는 크기, 두께 및 형상으로 만든 후 경화시키면, 무기질 다공성 단열재가 완성되게 된다.

상기 된 본 발명에서 규산염에 무기산을 투입하여 겔화가 이루어지는 단계에서 계면활성제를 투입하는 경우 다공성 실리카 화합물의 비표면적이 급격히 상승하게 하는 바람직하고, 상디의 다공성 실리카 분말을 마그네슘 인산염계 무기질 바인더에 투입하여 혼합하게 되면 무기질 다공성 단열재 조성물을 얻을 수 있으나 단열재의 단열도를 향상하기 위해서는 다공성 무기 충진제를 더 투입하는 혼합하는 것이 바람직하다.

여기서 무기산은 인산, 질산, 황산, 염산, 불산, 발효된 목초액 중 하나이거나 이들 혼합물을 사용한다.

본 발명은 규산염을 사용하기 때문에 물의 혼합 및 반죽하기 이전에 규산염에 포함된 수분으로 인하여 부분 경화가 발생하는 문제를 해결하는 것으로, 규산염에 무기산을 투입하여 pH 3.0~8.0의 범위를 유지하면서 겔(Gellation)화가 이루어지는 다공성 실리카 화합물을 생성한 후 80^oC 이상의 온도에서 열풍 건조하여 분쇄한 다공성을 갖는 실리카 분말을 사용함으로써, 고온 내화성 단열재 조성물의 운반이나 보관 시 수분에 의한 반응이 일어나지 않아 부분 경화 현상이나 강도가 저하되는 현상을 방지하는 것이다.

Claims (4)

1. 규산염에 무기산을 투입하여 pH 3.0~8.0의 범위를 유지하면서 겔(Gellation)화가 이루어지는 실리카 화합물을 생성하는 단계(S21)와,
   상기 실리카 화합물을 80^oC 이상의 온도에서 열풍 건조한 후 분쇄하여 다공성을 갖는 실리카 분말을 제조하는 단계(S22)와,
   상기에서 제조된 실리카 분말 5~35 중량부를 투입하는 단계(S23)와,
   다공성 무기충진제 10~78 중량부를 투입하는 단계(S24)와,
   상기 실리카 분말과 다공성 무기충진제를 혼합하는 1차 혼합 단계(S25)와,
   마그네슘 인산염계 무기질바인더 15~55 중량부를 투입하는 단계(S26)와,
   상기 실리카 분말과 다공성 무기충진제의 혼합물과 상기 무기질바인더를 재차 혼합하는 2차 혼합 단계(S27)로 이루어지는 것을 특징으로 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 규산염에 무기산을 투입하여 겔(Gellation)화가 이루어지는 과정에서 계면활성제를 투입하여 다공성 실리카 화합물의 비표면적이 급격히 상승하여 고비면적의 실리카 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법.
3. 제1항에 또는 제2항에 있어서, 무기산은 인산, 질산, 황산, 염산, 불산, 발효된 목초액 중 하나이거나 이들 혼합물인 것을 특징으로 하는 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 계면활성제는 HPC(hydroxypropyl cellulose), PEG(Polyethylene glycol) 중 하나이거나 이들 혼합물인 것을 특징으로 하는 무기질 다공성 단열재 조성물의 제조방법.

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