KR101401654B1 - 차폐재료, 그 제조방법 및 방사선 차폐조 - Google Patents

차폐재료, 그 제조방법 및 방사선 차폐조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차폐재료, 그 제조방법 및 방사선 차폐조에 관한 것이다. 본 발명은 수용화한 규소 함유 무기물을 포함하는 개질제, 제올라이트, 및 시멘트를 포함하는 차폐재료 및 그 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 수용화한 규소 함유 무기물을 포함하는 개질제, 제올라이트, 분말 발포재, 및 합성수지재를 포함하는 차폐재료 및 그 제조방법를 제공한다. 아울러, 본 발명은 상기 제1차폐재료 및 제2차폐재료를 포함하는 방사선 차폐조를 제공한다. 본 발명에 따르면, 우수한 단열기능, 내화기능 및 방사선 차폐기능 등을 갖는다.

Description

차폐재료, 그 제조방법 및 방사선 차폐조{SHIELDING MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND CONTAINER FOR SHIELDING RADIAL RAYS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 단열기능, 내화기능 및 방사선 차폐기능 등을 가지는 차폐재료, 그 제조방법, 및 상기 차폐재료를 이용한 방사선 차폐조에 관한 것이다.
일반적으로, 규소(Si)를 함유하는 규소 화합물은 다양한 분야에 사용되고 있다. 규소 화합물은 예를 들어 콘크리트의 기계적 물성 등을 강화시키기 위한 성능 향상제나, 각종 구조물의 단열이나 내화성을 위한 내화재료, 그리고 방사선이나 전자파 등을 차폐하기 위한 차폐재료 등으로 사용되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1113463호에는 알칼리 규산염 수용액을 포함하는 내화도료의 제조방법이 제시되어 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2012-0086770호에는 알칼리규산염과 메틸규산칼륨을 포함하는 수성 알칼리규산염계 콘크리트 표면강화제가 제시되어 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1145703호에는 실리콘 폴리머를 이용한 방사선 차폐 시트가 제시되어 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2012-0037389호는 규소 화합물을 이용한 근적외선 차폐 코팅제가 제시되어 있다. 그리고 일본 공개특허공보 특개2009-281964호 및 일본 공개특허공보 특개2006-329915호에도 방사선 차폐에 관한 기술이 제시되어 있다.
그러나 종래 기술에 따른 차폐재료는 차폐 성능이 약하다. 또한, 그 제조와 관련하여서는 산업적으로 제조가 어렵거나 비용이 많이 소요되고, 효율적이고 안정적으로 제조하기 어려운 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1113463호 대한민국 공개특허 제10-2012-0086770호 대한민국 등록특허 제10-1145703호 대한민국 공개특허 제10-2012-0037389호 일본 공개특허공보 특개2009-281964호 일본 공개특허공보 특개2006-329915호
이에, 본 발명은 우수한 단열기능, 내화기능 및 방사선 차폐기능 등을 가지는 차폐재료, 그 제조방법 및 방사선 차폐조를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
규소 함유 무기물을 수용화한 친수성 콜로이드 입자를 포함하는 개질제;
제올라이트; 및
시멘트를 포함하는 차폐재료를 제공한다.
또한, 본 발명은,
규소 함유 무기물을 수용화한 친수성 콜로이드 입자를 포함하는 개질제;
제올라이트;
분말 발포재; 및
합성수지재를 포함하는 차폐재료를 제공한다.
이때, 상기 친수성 콜로이드 입자는 규소 화합물, 가성 소다, 붕사 및 물의 혼합물이 가열되어 형성되고, 1 ~ 300㎚의 평균 크기를 가질 수 있다.
아울러, 본 발명은,
규소 함유 무기물을 수용화한 친수성 콜로이드 입자를 포함하는 개질제를 제조하는 단계; 및
상기 개질제에 제올라이트 및 시멘트를 혼합하는 단계를 포함하는 차폐재료의 제조방법을 제공한다.
이에 더하여, 본 발명은,
규소 함유 무기물을 수용화한 친수성 콜로이드 입자를 포함하는 개질제를 제조하는 단계; 및
상기 개질제에 제올라이트, 분말 발포재 및 합성수재를 혼합하는 단계를 포함하는 차폐재료의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 개질제를 제조하는 단계는,
투액성의 원료 용기에 규소 화합물을 수용하여 반응조에 투입하고, 상기 반응조에 물을 주수한 다음, 가열하는 제1가열 공정;
상기 반응조에 가성 소다를 더 투입하여 가열하는 제2가열 공정; 및
상기 반응조에 붕사를 더 투입하여 가열하되, 상기 제2가열 공정을 통해 형성된 반응조 내의 액체를 규소 화합물을 향하여 분사시키면서 가열하는 제3가열 공정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 개질제를 제조하는 단계는, 상기 제3가열 공정을 통해 형성된 반응조 내의 액체를 반응조 내에 환류시켜 재가열하는 제4가열 공정을 더 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명은,
외벽과 내벽을 가지는 용기 본체와,
상기 용기 본체의 개구부에 결합되고, 외개부와 내개부를 가지는 뚜껑체를 포함하며,
상기 외벽과 외개부 중에서 선택된 하나 이상은 제1항에 따른 차폐재료를 포함하고,
상기 내벽과 내개부 중에서 선택된 하나 이상은 제2항에 따른 차폐재료를 포함하는 방사선 차폐조를 제공한다.
본 발명에 따르면, 우수한 단열기능, 내화기능 및 방사선 차폐기능 등을 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 용이하게 실시할 수 있고, 범용성도 높다.
도 1은 본 발명의 예시적인 형태에 따른 개질제 제조장치의 일부를 보인 측면도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 도 1에 보인 개질제 제조장치를 구성하는 반응조 가온용 케이싱의 일부를 보인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 형태에 따른 방사선 차폐조의 분리 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 것으로, 이는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 수용화한 규소 함유 무기물을 포함하는 개질제; 제올라이트; 및 시멘트를 포함하는 차폐재료(이하, '제1차폐재료'라 한다.)를 제공한다. 또한, 본 발명은 수용화한 규소 함유 무기물을 포함하는 개질제; 제올라이트; 분말 발포재; 및 합성수지재를 포함하는 차폐재료(이하, '제2차폐재료'라 한다.)를 제공한다.
본 발명에서, 상기 제1차폐재료 및 제2차폐재료는 예를 들어 단열기능, 내화기능, 및/또는 방사선 차폐기능 등을 필요로 하는 여러 산업분야에서 폭넓게 이용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 재질제는 제1 및 제2차폐재료를 구성하는 유효 성분으로서, 이는 수용화한 규소 함유 무기물을 적어도 포함한다. 본 발명에서, '수용화한 규소 함유 무기물'이란 규소 함유 무기물을 수용화하여 친수성 콜로이드(colloid) 입자 형태를 갖게 한 것으로서, 이는 예를 들어 규소 함유 무기물이 콜로이드 입자 형태로 물에 분산된 것일 수 있다. 이때, 콜로이드 입자로서의 수용화한 규소 함유 무기물은, 예를 들어 평균 입도 300㎚(나노미터) 이하의 크기를 가질 수 있으며, 구체적인 예를 들면 1㎚ ~ 300㎚의 평균 크기, 보다 구체적인 예를 들면 1㎚ ~ 200㎚의 평균 크기를 가질 수 있다.
상기 개질제는 위와 같은 수용화한 규소 함유 무기물을 적어도 포함하되, 미세화된 물 분자를 더 포함할 수 있다. 즉, 개질제는 아래에서 예시되는 제조 방법을 통해 제조되어, 규소 함유 무기물을 수용화한 친수성 콜로이드 입자와, 미세화된 물 분자를 포함하는 콜로이드 수용액일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제1차폐재료의 제조 방법으로서, 수용화한 규소 함유 무기물을 포함하는 개질제를 제조하는 단계; 및 상기 개질제에 제올라이트 및 시멘트를 혼합하는 단계를 포함하는 차폐재료의 제조방법을 제공한다.
아울러, 본 발명은 상기 제2차폐재료의 제조 방법으로서, 수용화한 규소 함유 무기물을 포함하는 개질제를 제조하는 단계; 및 상기 개질제에 제올라이트, 분말 발포재 및 합성수재를 혼합하는 단계를 포함하는 차폐재료의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법의 예시적인 형태를 설명하면 다음과 같다. 이하, 본 발명에 따른 제조방법의 설명을 통하여 제1차폐재료 및 제2차폐재료의 구성을 함께 설명한다.
(1) 개질제의 제조
본 발명에서, 개질제는 상기한 바와 같이 수용화한 규소 함유 무기물을 적어도 포함한다. 보다 구체적으로, 개질제는 규소 함유 무기물을 수용화한 친수성 콜로이드 입자를 적어도 포함한다.
상기 개질제의 제조에 사용되는 원료는 규소 화합물, 가성 소다(NaOH), 붕사 및 물을 포함한다. 보다 구체적으로, 개질제는 규소 화합물, 가성 소다(NaOH), 붕사 및 물을 적어도 포함하는 원료를 반응조에서 가열하여 제조한다.
본 발명에서, 상기 개질제의 원료로 사용되는 상기 규소 화합물은 분자 내에 하나 이상의 규소(Si)를 함유하는 것이면 제한되지 않는다. 규소 화합물은, 예를 들어 규소를 함유하는 무기물이면 좋다. 규소 화합물은 예를 들어 규소를 함유하는 천연광물(규소 암석)로부터 선택될 수 있으며, 구체적인 예를 들어 일정한 함량 범위범로 규소(Si) 성분을 함유하고, 규칙적인 원자 배열(결정 구조)을 보유하는 것이나 유기물로서의 기능을 잃은 것 등 복수 종류의 무기질을 포함하는 천연산의 암석을 예로 들 수 있다. 규소 화합물은, 원적외선을 방출하는 기능을 가지고 있어도 좋다. 또한, 규소 화합물은 천연 규소 암석으로 한정되는 것은 아니며, 이는 금속실리콘이나 알칼리규산염 등으로부터 선택될 수 있다. 이때, 금속실리콘을 구성하는 금속은, 예를 들어 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 철(Fe) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 붕사는 분자 내에 하나 이상의 붕소 원소(B)를 함유하는 무기물로부터 선택될 수 있으며, 이는 예를 들어 사붕산나트륨(Na3B4O7) 및 이의 수화물(Na3B4O7ㆍ10H2O)등으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 개질제의 원료는, 바람직한 형태에 따라서 상기 성분들 이외에, 규불화수소산(Hexafluorosilicic Acid, H2SiF6)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 규불화수소산(H2SiF6)은 상기 각 원료들의 효과적인 분산을 수행하면서 이와 함께 방사선 차폐능 등의 차폐 성능을 더욱 향상시킨다.
위와 같은 원료를 사용하여 개질제를 제조함에 있어서, 각 원료들을 반응조 내에 순차적으로 투입하여 가열할 수 있다. 예를 들어, 먼저 반응조에 규소 화합물과 투입하여 가열한 다음, 이후 가성 소다(NaOH)와 붕사는 순차적으로 투입하여 가열할 수 있다. 또한, 반응을 완료하기 전에 중간 생성물을 반응조 내에 분사시키면서 진행할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 규소 화합물과 물로부터 형성된 액체; 규소 화합물, 가성 소다(NaOH) 및 물로부터 형성된 액체; 또는 규소 화합물, 가성 소다(NaOH), 붕사 및 물로부터 형성된 액체를 반응조 내에 분사시키면서 가열할 수 있다.
상기 개질제는 도 1 내지 도 3에 보인 개질제 제조장치(10)를 이용하여 제조할 수 있다. 도 1 내지 도 3에 보인 개질제 제조장치(10)는 본 발명에 따른 개질제의 제조에 유용하게 사용된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 예시적인 형태에 따라서, 상기 개질제의 제조는, 투액성의 원료 용기(11)에 규소 화합물을 수용하여 반응조(12)에 투입하고, 상기 반응조(12)에 물을 주수한 다음, 가열하는 제1가열 공정; 상기 반응조(12)에 가성 소다(S)를 더 투입하여 가열하는 제2가열 공정; 및 상기 반응조(12)에 붕사(B)를 더 투입하여 가열하되, 상기 제2가열 공정을 통해 형성된 반응조(12) 내의 액체(R)를 규소 화합물을 향하여 분사시키면서 가열하는 제3가열 공정을 포할 수 있다.
또한, 상기 개질제의 제조는, 상기 제3가열 공정에 후속하여 진행되는 것으로서, 상기 제3가열 공정을 통해 형성된 반응조(12) 내의 액체(R)를 반응조(12) 내에 환류(return)시켜 재가열하는 제4가열 공정을 더 포함할 수 있다. 이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 개질제 제조의 예시적인 형태를 설명하면 다음과 같다. 이때, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명함에 있어서, 상기 개질제의 원료 중에서, 규소 화합물은 금속실리콘(MS)을 예로 들어 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 3에 보인 개질제 제조장치(10)에 대해 설명한다.
개질제 제조장치(10)는, 밀폐가 가능한 반응조(12)와, 상기 반응조(12) 내에 물을 주수하는 급수경로(13)와, 상기 반응조(12) 내에 가성 소다(S) 및 붕사(B)를 투입하는 투입경로(15)와, 상기 반응조(12) 내에 수용된 수용물(원료)의 온도를 상승시키는 가열수단(16)을 포함한다. 또한, 제조장치(10)는, 상기 반응조(12) 내에 형성된 액체(R)를 빼내어 상기 금속실리콘(MS)을 향하여 분사하는 분사수단(18)을 더 포함할 수 있다.
예시적인 형태에 따라서, 상기 제조장치(10)는 금속실리콘(MS)을 수용할 수 있는 원료 용기(11)와, 상기 원료 용기(11)를 탑재하여 반응조(12) 내부로 이송, 투입할 수 있는 대차(31)를 더 포함할 수 있다. 이때, 원료 용기(11)는, 물이 통과할 수 있는 투액성이며, 이는 예를 들어 망상체이다. 또한, 상기 대차(31)는 레일(22)을 따라 반응조(12) 내부를 출입할 수 있다. 상기 망상체의 원료 용기(11)에 수용되는 금속실리콘(MS)은, 예를 들어 입자 또는 덩어리 형태가 될 수 있다.
상기 반응조(12)는 밀폐성으로서, 이는 예를 들어 원형이나 사각형 등의 단면 형상(일례로, 원형 단면으로서의 원통형)을 가질 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 그의 축심이 대략 수평이 되도록 배치되어 있다. 상기 원료 용기(11)는 투액성(물 투과성)을 가지는 망상체로서, 이는 반응조(12) 안에 평행으로 배치된 1대의 레일(22) 위에 배치되어, 반응조(12) 내부를 출입할 수 있다.
상기 투입경로(15)는 반응조(12)의 상부에 설치될 수 있다. 이러한 투입경로(15)를 통해 가성 소다(S)와 붕사(B)가 적량 투입된다. 그리고 투입경로(15)의 상부에는 원료, 즉 가성 소다(S)와 붕사(B)의 투입을 용이하게 하는 호퍼(hopper)가 구비될 수 있다. 또한, 투입경로(15)에는 개폐장치(32)가 설치될 수 있다. 이때, 상기 개폐장치(32)는 가성 소다(S)와 붕사(B)의 투입을 차단할 수 있는 기능을 가짐을 물론, 투입되는 양을 조절할 수 있는 기능을 가질 수 있다.
상기 가성 소다(S)와 붕사(B)는 투입경로(15)를 통해 동시에 투입되거나, 각각 별도로 하여 순차적으로 투입될 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 상기 투입경로(15)를 통해 먼저 가성 소다(S)가 투입된 후, 소정 시간이 경과한 후에 상기 투입경로(15)를 통해 붕사(B)가 순차적으로 투입될 수 있다.
또한, 상기 반응조(12)의 일측에는 가열수단(16)이 설치되어 있으며, 상기 반응조(12)의 일측 상부, 즉 가열수단(16)이 설치된 쪽의 상부에는 반응조(12) 안과 관통하는 배기통(26)이 설치되어 있다. 이러한 배기통(26)을 통해 반응조(12) 안에서 형성된 가스 등이 외부로 배출될 수 있다. 아울러, 상기 반응조(12)의 타측, 즉 가열수단(16)이 설치된 쪽의 반대측에는 출입구(28)가 설치되어 있다. 그리고 출입구(28)에는 뚜껑체(29)가 설치되어 있다. 상기 출입구(28)를 통해 원료 용기(11)가 출입되며, 상기 뚜껑체(29)는 출입구(28)를 개폐한다.
상기 가열수단(16)은 반응조(12) 내에 열을 공급한다. 가열수단(16)은 반응조(12) 내에 열을 공급하여, 반응조(12) 내에 수용된 수용물(원료)을 가온시킬 수 있는 것이면 좋다. 가열수단(16)은, 예를 들어 반응조(12)의 내부에 배치된 발열통(23)과, 상기 발열통(23)의 내부로 화염을 방사하는 버너(24)를 포함할 수 있다.
따라서 상기 버너(24)로부터 방사되는 화염에 의하여 발열통(23)이 가온되고, 상기 가온된 발열통(23)에 의하여 반응조(12) 안의 수용물(원료)이 가열될 수 있다. 그리고 발열통(23)의 일단에는 화염에 의해 발생된 고온 기체가 배출되는 배기경로(27)가 형성될 수 있다. 이때, 예시적인 형태에 따라서, 고온 기체는 배기경로(27)를 통해, 반응조(12)의 외부로 배출될 수 있다. 즉, 화염에 의해 발생된 고온 기체는 발열통(23)에 형성된 배기경로(27)를 통하여 반응조(12)의 내부로 배출된 다음, 상기 반응조(12)의 상부에 설치된 배기통(26)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
바람직한 형태에 따라서, 상기 화염에 의해 발생된 고온 기체는 포집되어 재사용되는 것이 좋다. 이를 위해, 상기 가열수단(16)은, 상기 반응조(12)의 하부에 설치된 반응조 가온용 케이싱(25)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상부가 개방된 박스 형태의 반응조 가온용 케이싱(25)이 반응조(12)의 하부에 더 설치될 수 있다. 그리고 상기 반응조 가온용 케이싱(25)은 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 박스 형태를 가지되, 보다 구체적으로 상부가 개방된 'ㄷ'자 형상의 단면을 벽체를 가지되, 내부에는 중간벽(25b)이 형성되고, 상기 중간벽(25b)에 의해 구획실(25a)이 마련될 수 있다. 그리고 중간벽(25b)에는 통기구(25c)가 형성될 수 있으며, 상기 구획실(25a)의 반대쪽에는 벤트부(30)가 형성될 수 있다. 따라서 도 3을 참조하면, 발열통(23) 내부에서 발생된 고온 기체는 배기경로(27)를 통해 반응조 가온용 케이싱(25) 안을 통과하여 유동하면서 반응조(12)에 열을 효과적으로 전달한다.
보다 구체적으로, 상기 발열통(23)의 내부에서 화염에 의해 발생된 고온 기체는 배기경로(27)를 통과하여, 반응조 가온용 케이싱(25) 안에 형성된 구획실(25a)의 안으로 포집되고, 이후 중간벽(25b)에 형성된 통기구(25c)를 통해 타측 방향, 즉 반응조(12)의 출입구(28)를 향하여 유동하면서 통과한다. 이에 따라, 반응조 가온용 케이싱(25) 내부가 가온되면서 반응조(12)에 열을 전달한다. 즉, 고온 기체는 가온용 케이싱(25)의 내부에서 반응조(12)의 출입구(28) 쪽으로 향하여 확산되되, 반응조(12)의 하부 외주면을 따라 유동, 확산되면서 흐르게 된다. 이는 결국 반응조(12)의 하부에 열을 전달하여 원료에 효과적으로 열을 공급한다. 이후, 고온 기체는 가열수단(16)의 반대 쪽에 설치되고, 반응조 가온용 케이싱(25) 안과 연통한 상태로 설치된 벤트부(30)를 통해 외부 대기 중으로 방출될 수 있다.
또한, 상기 분사수단(18)은 원료 용기(11)를 향해 액체(R)를 분사, 보다 구체적으로 반응조(12) 내에 형성된 액체(R)를 원료 용기(11)에 수용된 금속실리콘(MS)을 향하여 분사한다. 이때, 상기 분사수단(18)을 통해 생성된 액체(R)는 가열에 의해 생성된 것으로서, 이는 예를 들어 금속실리콘(MS)과 물로부터 형성된 액체(R)이거나, 금속실리콘(MS), 가성 소다(S) 및 물로부터 형성된 액체(R)일 수 있으며, 또는 금속실리콘(MS), 가성 소다(S), 붕사(B) 및 물로부터 형성된 액체(R)일 수 있다. 상기 분사수단(18)은, 위와 같은 액체(R)를 금속실리콘(MS)을 향하여 분사할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 이러한 분사수단(18)은, 예를 들어 반응조(12)의 측면이나 하부에 연통되어 반응조(12) 내의 액체(R)를 유입시키는 유입경로와; 상기 유입경로와 연결되어, 유입경로로부터 유입된 액체(R)를 반응조(12)의 상부로 공급, 분사하는 공급경로와; 상기 유입경로와 공급경로의 사이에 설치되어 액체(R)를 흡입, 펌핑하는 펌프를 포함할 수 있다. 그리고 공급경로의 말단, 즉 반응조(12)의 상부에 장입되는 공급경로의 말단에는 복수의 분사노즐이 설치될 수 있다.
본 발명의 예시적인 형태에 따라서, 상기 제조장치(10)는 반응조(12) 내부에 형성된 액체(R)를 환류시켜 반응조(12) 내부로 재투입하는 환류수단을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 환류수단은, 도 2에 예시한 바와 같이, 반응조(12)의 일측에 연통되어 반응조(12) 내의 액체(R)를 유입하는 흐름경로(19)와, 상기 흐름경로(19)로부터 유입된 액체(R)를 수용하여 저류시키는 보조탱크(20)와, 보조탱크(20) 내에 수용된 액체(R)를 반응조(12) 내부로 주입하는 환류경로(21)와, 상기 환류경로(21)의 라인(line) 상에 설치되어 보조탱크(20) 내의 액체(R)를 흡입, 펌핑하는 펌프(P)를 포함할 수 있다. 이때, 이와 같은 환류수단을 통해 주입되는 액체(R), 즉 상기 환류경로(21)를 통해 반응조(12) 내부로 주입되는 액체(R)는 금속실리콘(MS), 가성 소다(S) 및 물로부터 형성된 액체(R)이거나, 금속실리콘(MS), 가성 소다(S), 붕사(B) 및 물로부터 형성된 액체(R)일 수 있다.
본 발명에서 상기 경로들(13)(15)(19)(21)은 금속관이나 플라스틱관 등으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 각 경로들(13)(15)(19)(21)은 플렉시블(flexible)한 것일 수 있다. 아울러, 각 경로들(13)(15)(19)(21)에는 밸브(valve)가 설치될 수 있으며, 상기 밸브는 원료나 액체의 흐름을 개폐하거나, 유량을 조절할 수 있는 것을 포함한다. 부가적으로, 각 경로들(13)(15)(19)(21)에는 필요에 따라 흡입/토출 펌프 등이 설치될 수 있다.
위와 같은 개질제 제조장치(10)를 이용하여, 개질제를 제조하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 아래의 제조 과정은 일례일 뿐이다.
먼저, 도 1과 같이 금속실리콘(MS)을 수용한 원료 용기(11)를 대차(31)에 올려서 개질제 제조장치(10)까지 운반하고, 뚜껑체(29)를 개방하여 출입구(28)를 통해 대차(31)를 반응조(12) 내부로 투입한다. 이후, 뚜껑체(29)를 결합시켜 출입구(28)를 밀폐시킨 다음, 반응조(12)의 상부에 설치된 급수경로(13)를 통해 반응조(12) 내부로 물을 주수한다. 소정의 주수가 끝나면 가열수단(16)의 버너(24)를 점화하고 가열한다. 이때, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 금속실리콘(MS) 100 중량부에 대하여, 물을 20 ~ 500중량부로 주수할 수 있다.
다음으로, 상기 반응조(12) 내부의 액체(R)의 온도가 약 40 ~ 80℃에 도달하면, 투입경로(15)의 개폐수단(32)을 개방하여 가성 소다(S)를 반응조(12) 내부로 투입하여 가열한다. 일례로, 반응조(12) 내부의 액체(R)의 온도가 약 60℃에 도달하면 가성 소다(S)를 투입할 수 있다. 특별히 한정하는 것은 아니지만, 금속실리콘(MS) 100 중량부에 대하여, 상기 가성 소다(S)를 0.1 ~ 50중량부로 투입할 수 있다. 이에 따라, 가성 소다(S)와 액체(R)가 반응한다. 이때, 가성 소다(S)의 주입 후, 액체(R)의 온도를 약 90 ~ 110℃에 도달하도록 가열하여 반응시킨다. 이 과정에서 반응조(12) 안의 액체(R)를 상기 분사수단(18)을 통해 원료 용기(11) 안의 금속실리콘(MS)을 향하여 분사함으로써, 금속실리콘(MS)의 용해를 촉진할 수 있다. 보다 구체적으로, 가성 소다(S)를 반응조(12) 내부에 투입하여 가열함과 동시에, 상기 분사수단(18)을 통해 반응조(12) 내의 액체(R)를 금속실리콘(MS)을 향하여 분사시킬 수 있다. 이 경우, 금속실리콘(MS)의 용해가 촉진되면서 가성 소다(S)와의 반응성이 향상될 수 있다.
상기 가성 소다(S)의 투입 후, 예를 들어 30분 내지 120분 정도 시간이 경과하면 상기 투입경로(15)를 통해 반응조(12) 내부로 붕사(B)를 투입한다. 일례로, 반응조(12) 내부의 액체(R)의 온도가 약 99℃에 도달하면 붕사(B)를 투입할 수 있다. 특별히 한정하는 것은 아니지만, 금속실리콘(MS) 100 중량부에 대하여, 상기 붕사(B)를 0.05 ~ 30중량부로 투입할 수 있다. 이때, 붕사(B)의 투입 후에는, 가열을 계속 진행하여 반응조(B)의 온도를 예를 들어 100 ~ 150℃가 되게 하고, 예를 들어 30분 내지 150분 동안 반응시킬 수 있다. 또한, 이 과정에서 반응조(12) 안의 액체(R)를 상기 분사수단(18)을 통해 원료 용기(11) 안의 금속실리콘(MS)을 향하여 분사함으로써, 금속실리콘(MS)의 용해를 촉진할 수 있다. 보다 구체적으로, 붕사(B)를 반응조(12) 내부에 투입하여 가열함과 동시에, 상기 분사수단(18)을 통해 반응조(12) 내의 액체(R)를 금속실리콘(MS)을 향하여 분사시킬 수 있다. 이 경우, 금속실리콘(MS)의 용해가 촉진되면서 붕사(B)와의 반응성이 향상될 수 있다.
상기 붕사(B)의 투입 후, 반응조(12) 내부에 형성된 액체(R)의 비중 및 pH를 측정하여, 적정 비중과 pH를 가지면 반응을 완료한다. 구체적인 예를 들어, 상기 붕사(B)의 투입 후, 반응조(12) 내부에 형성된 액체(R)의 비중 및 pH를 측정하여, 비중이 약 1.3 ~ 1.4 범위에 있고, pH가 11 이상이면 반응을 종결한다. 예를 들어, 붕사(B)의 투입 후, 상기한 바와 같이 약 30분 내지 150분이 경과하면, 적정 비중과 pH를 가질 수 있으며, 이러한 액체(R)는 양질의 수용화한 규소 함유 무기물을 포함하고 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 붕사(B)의 투입 후, 약 50분 정도가 경과하면, 비중 1.35 정도, pH 12 ~ 13이 되면 반응 완료로 판단하고, 버너(24) 등을 정지한다. 그리고 실온 수준까지 냉각하여 반응조(12) 안의 액체(R)를 꺼내어 개질제의 제조를 완료한다. 이때, 수득된 액체(R)는 친수성 콜로이드 입자 형태로서, 방사선 차폐 등의 우수한 차폐 성능을 가지는 양질의 수용화한 규소 함유 무기물을 포함하고 있다.
본 발명의 예시적인 형태에 따라서, 상기 붕사(B)의 투입 후, 반응조(12) 내부에 형성된 액체(R)를 환류수단을 이용하여 환류시켜 재가열할 수 있다. 즉, 붕사(B)의 투입 후, 반응조(12) 내부에 액체(R)가 생성되면, 이를 흐름경로(19), 보조탱크(20) 및 환류경로(21)를 이용하여, 상기 반응조(12) 내부에 액체(R)를 반응조(12)의 내부로 재투입하여 가열할 수 있다. 이와 같은 환류를 통한 재가열은 1회 이상 반복할 수 있으며, 이는 반응을 촉진하여 더욱 우수한 차폐 성능을 가지는 양질의 수용화한 규소 함유 무기물을 수득할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 개질제의 제조는 반응조(12)에 규불화수소산(H2SiF6)을 투입하는 공정을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 규불화수소산(H2SiF6)은 급수경로(13), 투입경로(15) 및 분사수단(18) 중에서 선택된 하나 이상을 통하여 투입되거나, 금속실리콘(MS)과 혼합되어 투입될 수 있다.
위와 같은 공정을 거쳐 제조된 개질제는, 전술한 바와 같이 수용화한 규소 함유 무기물을 적어도 포함한다. 보다 구체적으로, 수용화한 규소 함유 무기물과 미세화된 물 분자를 포함한다. 이때, 상기와 같이 제조된 수용화한 규소 함유 무기물은, 300㎚ 이하의 크기를 가지면서, 콜로이드(colloid) 상태로 친수성 미립자로 형성되며, 이는 강전해질 특성을 가져, 특히 방사선 차폐에 유용하다.
(2) 재료의 혼합
차폐재료를 제조함에 있어, 상기한 바와 같은 개질제에 임의의 결합재 성분 등 을 혼합한다.
먼저, 본 발명에 따른 제1차폐재료는, 위와 같은 공정을 거쳐서 제조된 개질제에 제올라이트 및 시멘트를 혼합하여 얻어진다. 이때, 제올라이트는, 제올라이트 암석(외경 약 1 ~ 150mm 정도) 및 제올라이트 분말(약 10 ~ 500메시 정도) 등으로부터 선택될 수 있다.
그리고 상기 시멘트는 산업적으로 사용되고 있는 통상적인 것으로부터 선택될 수 있다. 시멘트는, 예를 들어 포틀랜드 시멘트, 알루미나 시멘트 등을 예로 들 수 있다.
본 발명에서, 상기 제1차폐재료는, 상기와 같이 제조된 개질제 100중량부에 대하여, 예를 들어 제올라이트 10 ~ 80중량부와 시멘트 5 ~ 80중량부를 포함할 수 있다. 이때, 개질제의 중량은 고형분 기준이다. 즉, 제1차폐재료는, 상기와 같이 규소 함유 무기물을 수용화하여 제조된 친수성 콜로이드 입자 100중량부(고형분 기준)에 대하여, 제올라이트 10 ~ 80중량부와 시멘트 5 ~ 80중량부를 혼합하여 얻어질 수 있다. 또한, 제1차폐재료는 개질제, 제올라이트 및 시멘트 이외에 다른 부가 성분을 더 포함할 수 있다. 상기 부가 성분은 제1차폐재료의 적용 대상에 따라 선택될 수 있으며, 이는 예를 들어 콘크리트에 적용되는 경우 모래나 골재 등으로부터 선택될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 제2차폐재료는, 위와 같은 공정을 거쳐서 제조된 개질제에 제올라이트, 분말 발포재 및 합성수지재를 혼합하여 얻어진다. 이때, 제올라이트는 상기 제1차폐재료에서 예시한 바와 같다. 그리고 상기 분말 발포재는 발포성을 가지는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 가열에 의해 발포될 수 있는 무기물(탄산나트륨 등), 코크스가루 및 화산재(제철 후 남은 찌꺼기 재 또는 플라이애쉬도 가능) 등으로부터 선택될 수 있다. 그리고 상기 합성수지재는 특별히 제한되지 않으나, 이는 예를 들어 우레탄수지, 페놀수지, 에폭시수지 및 아크릴수지 등으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 제2차폐재료의 경우, 상기와 같이 제조된 개질제 100중량부에 대하여, 예를 들어 제올라이트 5 ~ 70중량부, 분말 발포재 30 ~ 90중량부 및 합성수지재 5 ~ 80중량부를 포함할 수 있다. 이때, 개질제의 중량은 제1차폐재료에서 설명한 바와 같이 고형분 기준이다. 즉, 제2차폐재료는, 상기와 같이 규소 함유 무기물을 수용화하여 제조된 친수성 콜로이드 입자 100중량부(고형분 기준)에 대하여, 제올라이트 5 ~ 70중량부, 분말 발포재 30 ~ 90중량부 및 합성수지재 5 ~ 80중량부를 혼합하여 얻어질 수 있다.
구체적인 형태에 따라서, 상기 제2차폐재료는 상기와 같이 규소 함유 무기물을 수용화하여 제조된 친수성 콜로이드 입자 100중량부(고형분 기준)에 대하여, 제올라이트 5 ~ 70중량부, 분말 발포재로서의 코크스가루 30 ~ 80중량부, 분말 발포재로서의 화산재 5 ~ 40중량부, 그리고 합성수지재로서의 우레탄수지 0.5 ~ 20중량부, 및 합성수지재로서의 페놀수지 5 ~ 40중량부를 혼합하여 얻어질 수 있다. 아울러, 제2차폐재료의 경우에도 개질제, 제올라이트, 분발 발포재 및 합성수지재 이외에 다른 부가 성분을 더 포함할 수 있고, 이러한 부가 성분은 제2차폐재료의 적용 대상에 따라 선택될 수 있으며, 이는 예를 들어 콘크리트에 적용되는 경우 모래, 골재 및 시멘트 등으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 제2차폐재료는 상기의 혼합물을 소정의 형상으로 성형한 후, 예를 들어 200 ~ 400℃ 정도로 가열하여 발포시키고 고화시킴으로써, 제2차폐재료의 성형체로 제조될 수 있다.
본 발명에서, 상기 제1차폐재료와 제2차폐재료의 혼합비율은 한 예를 나타낸 것으로 여기에 한정하지 않는다.
한편, 위와 같은 본 발명에 따른 제1차폐재료 및 제2차폐재료는 방사선 차폐조를 형성할 수 있다. 이하, 첨부된 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 방사선 차폐조를 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 방사선 차폐조는, 예를 들어 방사성 폐기물이 투입 가능한 대략적인 입방체의 상자모양인 용기 본체(100)와, 상기 용기 본체(100)의 윗면의 개구부를 개폐하기 위한 뚜껑체(200)를 구비할 수 있다.
그리고 상기 용기 본체(100)는, 용기 본체(100)의 외부를 형성하는 외벽(110)과, 상기 외벽(110)의 내부를 전면적으로 피복하는 상태로 고착된 내벽(120)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 뚜껑체(200)는 용기 본체(100)의 윗면 개구부를 개폐 가능한 외개부(210)와, 상기 개구부 안에 기밀 상태로 결합되고, 외개부(210)의 아랫면에 고착된 내개부(220)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 외벽(110) 및 외개부(210) 중에서 선택된 하나 이상은 상기 본 발명의 제1차폐재료를 포함하고, 상기 내벽(120) 및 내개부(220) 중에서 선택된 하나 이상은 상기 본 발명의 제2차폐재료를 포함할 수 있다.
구체적인 예를 들어, 상기 제1차폐재료를 구성하는 혼합물을 상자 모양으로 성형하여 고화시킴으로써 외벽(110)을 형성할 수 있다. 그리고 상기 제1차폐재료를 구성하는 혼합물을 평판 모양으로 성형하여 고화시킴으로써 외개부(210)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제2차폐재료로서, 상기 규소 함유 무기물을 수용화한 개질제에 제올라이트, 분말 발포재 및 합성수지재를 혼합하여 가열발포를 시킨 후 고화시켜, 상기 내벽(120)과 내개부(220)를 각각 형성할 수 있다. 이때, 상기 제2차폐재료를 구성하는 상기 혼합물을 평평한 판의 형태로 형성하고 발포, 고화 시킨 것을 외벽(110)의 안면에 고착함으로써 내벽(120)을 형성하는 것이 가능하고, 외개부(210)의 아랫면에 고착함으로써 내개부(220)를 형성하는 것이 가능하다.
[실시예]
제2차폐재료를 이용하여 3개의 방사선 차폐조의 제조하였다. 이때, 3개의 방사선 차폐조는 모두 내용적이 1m3으로서 동일하게 하되, 벽의 두께(외벽의 두께)만 40mm, 60mm, 80mm로 달리하였다. 그리고 제2차폐재료는 상기와 같은 방법으로 제조한 개질제 100중량부(고형분)에 제올라이트 10중량부, 코크스가루 50중량부, 화산재(플라이애쉬) 30중량부, 우레탄수지 10중량부, 및 페놀수지 20중량부를 혼합하여 얻었다. 개질제는 도 1에 보인 바와 같은 장치를 이용하되, 원료로는 규산염 광물, 가성 소다(NaOH), 붕사(Na3B4O7), 규불화수소산(H2SiF6) 및 물을 혼합 사용하여 제조하였다.
상기 각 차폐조의 내부에 방사성 물질을 포함하는 토양(2.9 u S v/ h, 10000 Bq/kg, 비중 1.8)을 밀폐하고, 그 외부에서 방사선량을 측정한 다음, 차폐율을 산출하였다. 그 결과는 아래와 같다.
- 벽의 두께 40mm: 0.210 u S v/ h(차폐율 92.8%)
- 벽의 두께 60mm: 0.125 u S v/ h(차폐율 95.7%)
- 벽의 두께 80mm: 0.045 u S v/ h( 차폐율 98.4%)
통상의 콘크리트재 방사선 차폐조와 비교하기 위해, 통상적으로 사용되는 콘크리트재(모래 + 골재 + 시멘트의 혼합물)를 이용하여 동일한 용적 크기(내용적 1m3)의 방사선 차폐조를 제조하였다. 이때, 벽의 두께는 105mm로서 상기 실시예들보다 두껍게 제조하였다. 이후, 방사선 차폐조 내부에, 상기와 동일한 방사성 토양을 밀폐하고 그 외부에서 방사선량을 측정하고 차폐율을 산출하였으며, 그 결과 약 93.5%의 차폐율을 보였다.
본 발명의 상기 실시예에 따른 방사선 차폐조의 경우, 통상의 콘트리트재의 방사선 차폐조보다 벽 두께가 절반 이하임에 불구하고, 콘크리트재보다 높은 차폐율을 보임을 알 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 차폐재료는 우수한 방사선 차폐 기능을 갖는다. 또한, 상기 제1차폐재료 및 제2차폐재료를 형성하기 위한 원료는 쉽게 구할 수 있는 것이므로 비교적 쉽게 실시가 가능하다.
본 발명에 따른 제1차폐재료 및 제2차폐재료는 그 차폐 대상이 방사성 물질로 한정되지 않으며, 다양한 용도로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 제1차폐재료 및 제2차폐재료는 방사선 차폐 기능뿐만이 아니라 단열기능 및 내화기능 등에서도 탁월한 성능을 가져 범용성이 높다. 구체적으로, 본 발명에 따른 제1차폐재료 및 제2차폐재료는 일반 주택용이나 산업용 건물 등의 건축재료 등으로 사용될 수 있으며, 보다 구체적인 예를 들어 각종 건물의 단열재, 내화재 및 콘크리트 보강재 등으로 사용될 수 있다. 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 상기의 실시 형태는 본 발명의 한 예를 보여주는 것으로서, 본 발명은 상기의 실시형태에 한정되지 않는다.
10 : 개질제 제조장치 11 : 원료용기
12 : 반응조 13 : 급수경로
15 : 투입경로 16 : 가열수단
18 : 분사수단 19 : 흐름경로
20 : 보조탱크 21 : 환류경로
22 : 레일 23 : 발열통
24 : 버너 25 : 반응조 가온용 케이싱
25a : 구획실 25b : 중간벽
25c : 통기구 26 : 배기통
27 : 배기경로 28 : 출입구
29 : 뚜껑체 30 : 벤트부
32 : 개폐수단 100 : 용기 본체
110 : 외벽 120 : 내벽
200 : 뚜껑체 210 : 외개부
220 : 내개부 B : 붕사
S : 가성 소다 MS : 금속실리콘
P : 펌프 R : 액체

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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  7. 규소 함유 무기물을 수용화한 친수성 콜로이드 입자를 포함하는 개질제를 제조하는 단계; 및
    상기 개질제에 제올라이트 및 시멘트를 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 개질제를 제조하는 단계는 개질제 제조장치에서 규소 화합물, 가성 소다, 붕사, 규불화수소산(H2SiF6) 및 물을 포함하는 원료를 가열하여 제조하되,
    상기 개질제 제조장치는,
    상기 규소 화합물을 수용하는 투액성의 원료 용기;
    상기 규소 화합물을 수용한 원료 용기가 투입되는 밀폐성의 반응조;
    상기 반응조 내에 물을 주수하는 급수경로;
    상기 반응조 내에 가성 소다, 붕사 및 규불화수소산(H2SiF6)을 투입하는 투입경로;
    상기 반응조 내에 열을 공급하는 가열수단; 및
    상기 반응조 내에 형성된 액체를 상기 원료 용기에 수용된 규소 화합물을 향하여 분사하는 분사수단을 포함하고,
    상기 가열수단은,
    상기 반응조의 내부에 배치된 발열통;
    상기 발열통의 내부로 화염을 방사하는 버너; 및
    상기 반응조의 하부에 설치되고, 상기 발열통의 내부에서 화염에 의해 발생된 고온 기체가 상기 반응조의 하부 외주면을 따라 흐르게 하는 반응조 가온용 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재료의 제조방법.
  8. 규소 함유 무기물을 수용화한 친수성 콜로이드 입자를 포함하는 개질제를 제조하는 단계; 및
    상기 개질제에 제올라이트, 분말 발포재 및 합성수재를 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 개질제를 제조하는 단계는 개질제 제조장치에서 규소 화합물, 가성 소다, 붕사, 규불화수소산(H2SiF6) 및 물을 포함하는 원료를 가열하여 제조하되,
    상기 개질제 제조장치는,
    상기 규소 화합물을 수용하는 투액성의 원료 용기;
    상기 규소 화합물을 수용한 원료 용기가 투입되는 밀폐성의 반응조;
    상기 반응조 내에 물을 주수하는 급수경로;
    상기 반응조 내에 가성 소다, 붕사 및 규불화수소산(H2SiF6)을 투입하는 투입경로;
    상기 반응조 내에 열을 공급하는 가열수단; 및
    상기 반응조 내에 형성된 액체를 상기 원료 용기에 수용된 규소 화합물을 향하여 분사하는 분사수단을 포함하고,
    상기 가열수단은,
    상기 반응조의 내부에 배치된 발열통;
    상기 발열통의 내부로 화염을 방사하는 버너; 및
    상기 반응조의 하부에 설치되고, 상기 발열통의 내부에서 화염에 의해 발생된 고온 기체가 상기 반응조의 하부 외주면을 따라 흐르게 하는 반응조 가온용 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재료의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 개질제를 제조하는 단계는,
    투액성의 원료 용기에 규소 화합물을 수용하여 반응조에 투입하고, 상기 반응조에 물을 주수한 다음, 가열하는 제1가열 공정;
    상기 반응조에 규불화수소산(H2SiF6)을 투입하는 공정;
    상기 반응조에 가성 소다를 더 투입하여 가열하는 제2가열 공정; 및
    상기 반응조에 붕사를 더 투입하여 가열하되, 상기 제2가열 공정을 통해 형성된 반응조 내의 액체를 규소 화합물을 향하여 분사시키면서 가열하는 제3가열 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재료의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 개질제를 제조하는 단계는, 상기 제3가열 공정을 통해 형성된 반응조 내의 액체를 반응조 내에 환류시켜 재가열하는 제4가열 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재료의 제조방법.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 친수성 콜로이드 입자는 1 ~ 300㎚의 평균 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 방사선 차폐재료의 제조방법.
  12. 삭제
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