KR101527909B1 - 주조용 무기 바인더 조성물 - Google Patents

주조용 무기 바인더 조성물 Download PDF

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KR101527909B1
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이만식
배민아
김명환
하상호
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은, 물유리 40~70 중량부, 나노 실리카 5~35 중량부, Li계 내수성 첨가제 0.1~10 중량부, 유기규소화합물 0.1~10 중량부 및 소착방지 첨가제 1~10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 무기 바인더 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기 무기 바인더 조성물을 이용하여 제조되는 중자 및 상기 중자를 포함하여 제조되는 주형에 관한 것이다.

Description

주조용 무기 바인더 조성물 {inorganic binder composition for castings}
본 발명은 주조용 무기 바인더 조성물에 관한 것으로서, 상세하게는 무기 바인더 조성물로서, 물유리에 나노 실리카, Li계 내수성 첨가제, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제를 포함하여 고온·다습한 기후에도 적합하도록 강도 및 내수성을 보완함은 물론, 소착을 개선한 친환경적 주조용 무기 바인더 조성물에 관한 것이다.
우리나라 주물 주조 산업은 조선, 자동차부품, 산업기계, 공작기계 등 모든 산업에 공헌해온 바는 매우 크다. 주물 주조 산업은 국가 산업발전에 없어서는 안 될 중요한 뿌리산업 이지만, 현재 주물 주조 산업을 둘러싼 환경문제, 원부자재의 가격변동, 정책, 인력부족 등 그 주변 환경은 그리 좋지 않다. 무엇보다 환경문제는 주물 주조 산업이 해결해야 하는 우선 목표로 설정되고 있다. 현재 주조산업 현장에서는 금속의 용해, 중자 제조, 주조 공정에서 발생하는 환경오염 물질의 배출을 차단하기 위하여 주조현장의 환경오염을 개선하고 있으나 Muskle 법, 교토의정서 등에 의해 지구온난화 가스 배출 규제를 받고 있기에 근원적인 오염물질의 배출을 없앨 수 있는 방안과 에너지 저감 및 작업환경 개선, 제조현장 녹색화 기술방안이 절실히 필요하다.
즉, 유기 바인더를 다년간 폭넓게 대량 생산방식에서부터 소형 제품 및 다형상 중자 조형에 사용해 왔으나, 상기 유기 바인더는 중자 조형 시 유독한 증기가 발생하며, 주형 및 형 해체 때에 벤젠과 같은 VOC 물질 및 이산화탄소가 발생되어 환경에 악영향을 미친다. 또한, 소결과정에서 다량의 열에너지를 필요로 하고, 성형체 내에 회분이나 탄소의 잔류등의 문제로 사재생이 어려운 문제점이 있는 바, 환경문제를 해결하고 중자의 생산성을 향상시키기 위하여 친환경적인 주조용 무기 바인더가 개발되고 있다.
무기 바인더는 저온에서 경화가 가능하며 유해물질을 수반하지 않기 때문에 작업 환경이 양호하고 중자제조 및 주조 공정에서 가스 발생량이 적어 주조 결함이 감소할 뿐 아니라, 이와 관련 된 환경 오염방지 시설의 설치가 필요하지 않아 생산비용이 저감되는 효과가 있다.
이에, 대한민국 공개특허 10-2011-0106372호는 모래를 수산화나트룸, 테트라에틸실리케이트와 혼합하여 주물을 위한 모래주형 및 코어를 만들기 위한 무기 바인더로 사용하고자 하는 기술을 공개하고 있다. 또한, 대한민국 등록특허 10-1027030호에서는 수산화나트륨 용액 및 고체 물질 함량이 70%인 알칼리 규산염제, 비정질 구형 이산화규소의 물질이 포함된 현탁액을 사용하고자 하는 기술을 공개하고 있고, 유럽 등록특허 제1057554호는 알킬실리케이트, 알킬실리케이트 저중합체를 포함하는 양측부 결합제 시스템을 사용하여 주형 몰드와 코어 생산을 위한 기술을 공개하고 있다.
그러나, 상기 무기 바인더는 물유리를 주원료로 하여 각종의 첨가제를 첨가하여 개발 된 것으로서 친환경적이며 성형성, 유동성 특성은 개선하였으나, 물유리 특유의 흡습성으로 인해 내수성이 취약하여 수분에 의한 팽윤, 강도저하, 용출 등의 문제점을 나타내어, 우리나라의 하절기 기후 특성인 고온??다습한 기후에서 사용이 불가능하다.
또한, 상기 주조용 무기 바인더는 물유리[xSiO2-yNa2O]를 기반으로 한 액상으로 이루어져 있어, 열간성질 및 내열성이 부족하여 주형 및 형 해체 시 모래가 금속 표면에 잔류하는 소착문제가 발생된다.
이에, 대한민국 공개특허 10-2013-0102982호는 구상의 산화철을 첨가하여 소착을 방지하고자 하는 기술을 공개하고 있다. 또한 대한민국 등록특허 10-1027030호는 액상에 분산 된 SiO2를 따로 투입함으로서 중자의 강도를 높이고 소착이 방지하고자 하는 기술을 공개하고 있다.
상기에서와 같이 입자상의 소착방지 첨가제를 투입하여 소착을 방지하는 기술은 친환경 무기 바인더의 상용화에 많은 기여가 있었으나, 생산성 측면에서 추가 공정이 더해진다는 점과, 첨가제의 관리 및 바인더의 보관 안전성 문제로 인해 실제 산업현장에서의 사용은 기피되고 있다.
따라서 본 발명자는 상기와 같은 점에 착안하여 안출한 것으로, 무기 바인더 조성물로서 물유리에 나노 실리카, Li계 내수성 첨가제, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제를 포함하여 유동성이 양호하고, 고온·다습한 기후에도 적합하도록 강도 및 내수성을 보완함은 물론, 소착이 개선된 상용 가능한 친환경적 주조용 무기 바인더 조성물을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명은 주조용 무기 바인더를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 주조용 무기 바인더 조성물을 이용하여 제조되는 중자를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 중자를 포함하여 제조되는 주형을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,
물유리 40~70 중량부, 나노 실리카 5~35 중량부, Li계 내수성 첨가제 0.1~10 중량부, 유기규소화합물 0.1~10 중량부 및 소착방지 첨가제 1~10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 무기 바인더 조성물을 제공한다.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면,
상기 무기 바인더 조성물을 이용하여 제조되는 중자를 제공한다.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
상기 중자를 포함하여 제조되는 주형을 제공한다.
상기 본 발명의 주조용 무기 바인더는, 모래 주형 및 중자 제작 시 혼련사의 유동성을 유지하면서 Si 함량을 올려 강도 및 내수성을 보완하여 작업 효율성을 향상시켜 무기 바인더의 상용화가 가능하도록 한다.
또한, 무기 바인더를 사용함에 따라, 친환경적으로 모래주형 및 중자를 제작할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 주조용 무기 바인더를 사용함에 따라, 주물 제작 시 용탕과 주형 사이의 표면 에너지를 저하시키고 용탕의 고온에 의한 당류의 탄화 작용에 의해 소착을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수용성 용액에 용해된 무기 바인더의 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 2013년 기준 울산 계절별 온습도 분도포를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 소착방지 첨가제를 포함하지 않은 무기 바인더로 제조된 중자의 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 단당류의 소착방지 첨가제를 포함한 무기 바인더로 제조된 중자의 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 다당류의 소착방지 첨가제를 포함한 무기 바인더로 제조된 중자의 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Li계 내수성 첨가제가 혼합된 무기 바인더로 제조된 중자의 강도를 나타낸 그래프이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 실리카가 혼합된 무기 바인더로 제조된 중자의 강도를 나타낸 그래프이다
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 유기규소화합물로 혼합된 무기 바인더로 제조한 중자의 강도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 Li계 내수성 첨가제, 나노실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제가 모두 혼합된 무기 바인더로 제조된 중자의 강도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 Li계 내수성 첨가제, 나노실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제가 모두 혼합된 무기 바인더로 제조된 중자의 내수성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 중자와 기존 상용화 무기 바인더에 의해 제조된 중자의 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 주조용 무기 바인더 조성물에 관한 것으로서, 상세하게는 무기 바인더 조성물로서, 물유리에 나노 실리카, Li계 내수성 첨가제, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제를 포함하여 고온·다습한 기후에도 적합하도록 강도 및 내수성을 보완함은 물론, 소착을 개선한 친환경적 주조용 무기 바인더 조성물에 관한 것이다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
일 측면으로 본 발명은,
물유리 40~70 중량부, 나노 실리카 5~35 중량부, Li계 내수성 첨가제 0.1~10 중량부, 유기규소화합물 0.1~10 중량부 및 소착방지 첨가제 1~10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 무기 바인더 조성물에 관한 것이다.
상세하게는, 상기 물유리는 SiO2 25~36 중량%, Na2O 7~15 중량%을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노 실리카는 5~20 나노미터 크기의 입자와 구조를 가지는 이산화규소(SiO2) 입자로서, 미세한 기공이 입자 표면과 평행하게 나와 있거나, 기공의 방향이 불규칙해 외부물질이 내부로 쉽게 접근하기 힘든 성질이 있다. 또한 물유리와 합성 시 Si의 함량을 높여 강도를 향상시킴은 물론, 나노 실리카 입자의 구조에 의하여 바인더 조성물의 내수성 및 발수성을 향상시킬 수 있게 된다. 이 때, 상기 나노 실리카는 35 중량부를 초과하여 포함하는 경우에는 무기 바인더의 유동성을 저하시키고 과량의 실리카 입자에 의하여 경화가 저해되는 문제점이 있으므로, 바람직하게는 5~35중량부를 포함하도록 한다.
본 발명에 있어서 상기 Li계 내수성 첨가제는 리튬카보네이드, 리튬실리케이트, 리튬하이드록사이드, 리튬설페이트, 리튬브로마이드 및 리튬아세테이트 중에서 선택되는 하나 이상인 것으로서, 상기 Li계 내수성 첨가제는 SiO2 농도가 물유리만큼 높고 몰비가 8에 가까운 경우에도 실온에서 안정하고 점도가 낮은 특징을 갖는다. 또한, 상기 Li계 내수성 첨가제는 물유리중의 Na이온과 혼합 알칼리 효과를 가짐에 따라 완성된 무기 바인더의 화학적 내구성을 강화시키면서 내수성을 향상시킬 수 있게 된다. 이 때, 상기 Li계 내수성 첨가제는 10 중량부를 초과하여 포함되는 경우, 무기 바인더의 망목구조의 붕괴로 인하여 오히려 화학적 내구성 및 내수성을 저하시키게 되므로, 상기 Li계 내수성 첨가제는 본 발명의 무기 바인더에 0.1 내지 10 중량부를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 유기규소화합물은 동일 분자 중에 유기재료와 화학 결합하는 유기관능기와 무기재료와 반응할 수 있는 가수분해기를 가지고 있어 유기재료와 무기재료를 결합시키는 기능을 할 수 있다. 이를 통하여 본 발명의 무기 바인더 조성물의 기계적 강도와 내수성을 향상시켜 품질을 개량하게 되는 바, 소수성을 부여하는 역할을 한다. 바람직하게는 상기 유기규소화합물은 테트라에톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 소듐메틸실리코네이트, 메틸트리메톡시실란, 포타슘메틸실리코네이트, 부틸트리메톡시실란 및 비닐트리메톡시실란 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는 상기 유기규소화합물은 본 발명의 무기 바인더에 0.1~10 중량부가 포함되도록 한다. 이는, 상기 유기규소화합물이 10 중량부를 초과하는 경우에 무기 바인더의 가격 상승과 더불어 최종 완성된 무기 바인더 조성물의 물성이 오히려 저하될 수 있기 때문이다.
본 발명에 있어서 소착방지 첨가제는 단당류, 다당류 및 이당류 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 단당류는 포도당, 프룩토스, 마노스, 갈락토스, 글루코스 및 리보스 중에서 선택되는 하나 이상인 것이고, 상기 다당류는 스타치, 글라이코젠, 셀룰로우스, 키틴 및 펙틴 중에서 선택되는 하나 이상인 것이며, 상기 이당류는 맥아당, 설탕, 유당, 엿당 및 젖당 중에서 선택되는 하나 이상인 것이다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 무기 바인더 조성물은 무기 첨가제 또는 경화제를 더 포함하여 무기 바인더의 강도, 유연성 및 경도를 더 향상시킬 수 있다. 이 때, 상기 경화제로는 소듐하이드록사이드, 소듐카보네이트, 포타슘하이드록사이드, 포타슘카보이네트, 소듐포스페이트, 디소듐포스페이트, 트리소듐포스페이트 및 소듐설페이트 중에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 경화제의 첨가량이 과다한 경우 무기 바인더의 물과 친화력을 높여 무기 바인더의 내수성을 저하시키므로, 상기 무기 바인더 조성물 전체 중량에 대해 상기 경화제는 0.1~5.0 중량부가 포함되도록 하는 것이 보다 바람직하다.
이와 같이 본 발명은 물유리에, 첨가제로서 나노실리카, Li계 내수성 첨가제, 유기규소 화합물 및 당류를 포함함으로써 바인더 조성 간의 결합력을 높여 바인더의 강도와, 바인더 조성물의 내수성 및 발수성을 향상시키면서도, 물과의 결합력을 높여 수용성 용액상에 완전히 용해시킬 수 있는 특성이 있다. 관련하여, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수용성 용액에 용해된 무기 바인더의 사진을 나타낸 것으로, 이를 참고하면, 본 발명에 따른 바인더 조성물의 우수한 용해성을 확인할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 바인더 조성물에 의한 중자 제조시 수용액 상에 완전히 용해됨에 따라 중자 제조시 모래와의 결합력을 향상시키면서 강도 및 내수성이 우수하고 소착이 방지되는 중자 및 주형을 제조할 수 있게 된다.
특히, 본 발명은 하절기 높은 온도 및 습도에서도 내수성 및 강도를 만족할 수 있어, 온도 30~40℃, 상대습도 60~70% (절대습도 20~30g/m3)에서 3시간 내습 후 초기 강도 대비 60% 이상의 강도를 가질 수 있음을 특징으로 한다.
도 2는 2013년 기준 울산 계절별 온습도 분포도를 나타낸 것으로서, 이를 참고하면, 타사의 무기바인더로 제조 된 중자 및 주형의 경우 절대습도 15g/m3 이상에서 모두 붕괴되나, 본 발명의 무기바인더를 이용하여 제조 된 중자 및 주형은 절대습도 30g/m3에서도 핸들링 강도를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 38℃, 상대습도 65% (절대습도 30g/m3) 3시간 내습 후 초기 강도 대비 60% 이상의 강도를 나타내는 것이 보다 바람직하다.
다른 측면으로 본 발명은,
상기 주조용 무기 바인더 조성물을 이용하여 제조되는 중자를 제공한다.
또 다른 측면으로 본 발명은,
상기 중자를 포함하여 제조되는 주형을 제공한다.
상기 주조용 무기 바인더 조성물이 물유리에 Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제를 모두 포함함에 따라 이를 이용하여 제조된 상기 중자 및 주형은 강도, 유동성, 내수성, 탈사 및 소착이 개선된 특징을 나타낸다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하나 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 무기 바인더를 구성하는 물유리의 제조
무기 바인더 내에 Si 함량이 상승하는 경우, 경화 시 경도, 강도가 상승하는 효과가 있으나 수지의 성질인 점도, 유연성, 무기 바인더 고형분, 작업성 등이 저하되므로 유리와 같은 성질을 가지게 되고, Na 함량이 증가하는 경우 물에 대한 용해도 증가로 무기 바인더의 특성에는 양호하나 건조 시 내수성 저하, 강도 및 경도의 저하 등 물리적인 특성이 떨어지게 된다.
이에 본 실시예에서는 상기와 같은 물성을 고려하여 물유리를 제조하였고, XRF 분석을 통해 그 성분을 분석하여 하기 표 1에 나타내었다.
성분 실시예 1
Si 79.8
Na 19.7
Al 0.24
K 0.17
Fe 0.08
<실시예 2> 첨가제 혼합에 의한 무기 바인더의 흡습성 변화
<실시예 2-1> Li계 내수성 첨가제 혼합
상기 실시예 1에서 제조 된 물유리에 Li계 내수성 첨가제를 투입하여 무기 바인더를 합성한 후, 흡습성 평가를 실시하였다. 일정량의 시료(0.05g)를 건조 시킨 후 무게를 측정하였으며, 이후 증류수 20ml를 첨가하여 침적시킨 뒤 48시간 후 잔존하는 무기 바인더의 양(%)을 관찰함으로써 무기 바인더의 내수성 변화를 확인하였다. 실험결과는 하기 표 2에 나타내었다.
성분명 시료1 시료2 시료3 시료4
물유리 95 90 85 80
Li계 내수성 첨가제 5 10 15 20
바인더 잔존률(%) 8.23 91.16 98.83 98.47
점도(cps) 32 42 456 1460
<실시예 2-2> 나노 실리카의 혼합
상기 실시예 1에서 제조 된 물유리에 나노 실리카를 투입하여 무기 바인더를 합성한 후 상기 실시예 2-1과 동일한 방법으로 흡습성 평가를 실시하였다. 이에 따른 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
성분명 시료5 시료6 시료7 시료8
물유리 90 80 70 60
나노실리카 10 20 30 40
바인더 잔존률(%) 3.63 8.23 98.27 99.64
점도(cps) 22 42 234 1840
<실시예 2-3> 유기규소화합물의 혼합
상기 실시예 1에서 제조 된 물유리에 유기규소화합물을 투입하여 무기 바인더를 합성한 후 상기 실시예 2-1과 동일한 방법으로 흡습성 평가를 실시하였다. 이에 따른 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
성분명 시료9 시료10 시료11 시료12
물유리 95 90 85 80
유기규소화합물 5 10 15 20
바인더 잔존률(%) 8.23 4.56 10.7 10.76
점도(cps) 62 42 32 16
상기 실시예 2는 첨가제 혼합에 의한 무기 바인더의 흡습성을 평가한 것이다.
상기 실시예 2-1은 물유리에 Li계 내수성 첨가제를 투입하여 무기 바인더를 합성한 것으로서, 표 2를 참고하면, Li계 내수성 첨가제의 함량이 높을수록 바인더 잔존율 및 점도가 증가됨을 확인할 수 있는 바, Li계 내수성 첨가제의 함량이 증가할수록 내수성이 향상되고 점도가 증가됨을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 2-2는 물유리에 나노실리카를 투입하여 무기 바인더를 합성한 것으로서, 상기 표 3을 참고하면, 무기 바인더를 구성하는 규소의 함량이 증가됨에 따라 바인더 잔존율 및 점도가 증가됨을 확인할 수 있는 바, 나노실리카의 함량이 증가할수록 내수성이 향상되고 점도가 증가됨을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 2-3은 물유리에 유기규소화합물을 투입하여 무기 바인더를 합성한 것으로서, 상기 표 4를 참고하면, 유기규소화합물의 함량변화에 따른 바인더 잔존율의 변화가 적음에 따라, 유기규소화합물은 무기 바인더의 내수성 개선에는 크게 기여하지 않음을 알 수 있다. 반면, 유기규소화합물의 함량이 증가할수록 점도가 낮아짐을 확인할 수 있었다.
<실시예 3> 무기 바인더 소착 개선 평가
<실시예 3-1> 소착방지 첨가제가 포함되지 않은 무기 바인더
상기 실시예 1에서 제조 된 물유리에 Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카 및 유기규소화합물을 첨가·합성하여 무기 바인더를 제조하였다. 상기 제조 된 무기 바인더를 ASF 55 베트남사를 사용하여 중자를 제조하였으며, 모래 대비 1~4 %의 상기 바인더를 혼합하여 175x22.4x22.4mm(LxWxH) 직사각형 모양의 시험 중자를 제조하였다. 이후 저압 주조를 통해 소착 여부를 확인하였다.
그 결과를 도 3에 나타내었다.
상기 도 3을 참고하면, 상기 바인더는 물유리를 기반으로 한 액상으로 이루어져 있어, 열간 성질 및 내열성이 부족하여 모래가 금속표면에 잔류하는 소착문제가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 3-2> 소착방지 첨가제를 포함하는 무기 바인더
상기 실시예 3-1에서 제조 된 바인더를 소착방지 첨가제인 1~10%의 단당류 또는 다당류와 합성한 후 상기 실시예 3-1과 동일한 방법으로 시편을 제조하고, 저압 주조를 통해 소착 시험을 진행 하였다.
그 결과는 하기 도 4 및 도 5에 나타내었다.
상기 도 4는 단당류를 첨가한 경우이고 도 5는 다당류를 첨가한 경우로서 이를 참고하면, 다당류 및 단당류를 포함하는 소착방지 첨가제를 사용한 무기 바인더의 경우 소착이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 첨가 된 다당류 및 단당류가 용탕과 접촉 시 탄화되면서 주물 표면의 표면에너지를 낮추어 소착을 막는 역할을 하는 것으로 판단된다.
<실시예 4> 무기 바인더를 이용하여 제작된 중자의 강도 변화
상기 실시예 2-1 내지 실시예 2-3에서 제조된 무기 바인더를 사용하여 중자를 제조한 후, 각각의 중자에 대해 강도변화를 측정하였다. 즉, 상기 실시예 2-1 내지 실시예 2-3은 Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카 및 유기규소화합물을 각각 첨가하여 제조한 무기 바인더로서, 이에 의해 제조된 시료 1 내지 시료 12 각각에 대해 중자를 제조하였다.
또한, 소착방지 첨가제에 상기 실시예 2-1 내지 실시예 2-3에 의해 제조된 시료 1 내지 시료 12를 Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물이 모두 포함되도록 투입하고 상기 소착방지 첨가제와 혼합함으로써, Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제가 모두 포함된 무기 바인더를 제조하였으며, 이를 이용하여 중자를 제조하고 강도 변화를 측정하였다.
중자의 제조 및 강도변화 측정은, 주물사용 믹서기(YOUNGJIN MACHINERY CO., LTD)에 AFS 55 베트남사 모래 대비 1~4 %의 상기 각각의 무기 바인더를 혼합하여 혼련사를 준비하고, 상기 준비된 혼련사를 주물용 시험 중자기(YOUNGJIN MACHINERY CO., LTD)를 사용하여 175x22.4x22.4mm(LxWxH) 직사각형 모양의 시험 중자를 제조하여 KS A 5304에 준하여 압축강도시험을 실시하였다.
<실시예 4-1> Li계 내수성 첨가제의 함량에 따른 중자의 강도 측정
상기 실시예 2-1의 Li계 내수성 첨가제의 함량을 달리하여 합성한 무기 바인더 시료 1 내지 시료 4를 사용하여 중자를 제조하였다. 상기 시료 각각에 대해 제조된 중자를 core 1 내지 core 4로 라벨링하고, 각각의 중자에 대해 강도를 측정하여 도 6에 나타내었다.
도 6을 참고하면, Li계 내수성 첨가제에 의해 중자의 강도가 증가됨에 따라 core 2에서는 core 1에 비해 3배 향상된 중자의 강도를 확인할 수 있다. 반면에 Core3에서는 Li계 내수성 첨가제의 함량이 core2에 비해 더 증가되었으나 중자의 강도는 core2에 비해 저하됨을 확인할 수 있었다. 이는 상기 실시예 2-1에서 확인할 수 있는 바와 같이 Li계 내수성 첨가제의 함량이 증가됨에 따라 무기 바인더의 점도가 증가되어 모래 유동성이 저하됨에 따라 중자의 충진성이 떨어지기 때문인 것으로 판단된다.
<실시예 4-2> 나노 실리카의 함량에 따른 중자의 강도 측정
상기 실시예 2-2의 나노 실리카의 함량을 달리하여 합성한 무기 바인더 시료 5 내지 시료 8을 사용하여 중자를 제조하였다. 상기 시료 각각에 대해 제조된 중자를 core 5 내지 core 8로 라벨링하고, 각각의 중자에 대해 강도를 측정하여 도 7에 나타내었다.
도 7을 참고하면, 나노 실리카의 함량 증가는 중자의 강도를 향상시키지만, 상기 나노 실리카 함량이 일정량 이상으로 증가되면 오히려 강도가 저하됨을 확인할 수 있었다. 이는 상기 실시예 2-2에서 확인할 수 있는 바와 같이 나노 실리카의 함량이 증가됨에 따라 점도가 증가되고, 과량의 실리카 입자가 존재함으로써 무기 바인더의 경화를 방해하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 과량의 나노 실리카는 무기 바인더 합성과정에서 충분히 반응되지 않는 것으로 판단된다.
<실시예 4-3> 유기규소화합물의 함량에 따른 중자의 강도 측정
상기 실시예 2-3의 유기규소화합물의 함량을 달리하여 합성한 무기 바인더 시료 9 내지 시료 12를 사용하여 중자를 제조하였다. 상기 시료 각각에 대해 제조된 중자를 core 9 내지 core 12로 라벨링하고, 각각의 중자에 대해 강도를 측정하여 도 8에 나타내었다.
도 8를 참고하면, 유기규소화합물의 함량은 중자 강도에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 나타났으나, 상기 실시예 2-3의 표 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 유기규소화합물의 함량이 증가할수록 점도가 저하되므로, 중자 성형에 필요한 유동성을 가진 중자를 제조하기 위해서는 상기 유기규소화합물의 적절한 혼합이 필요한 것으로 판단된다.
<실시예 4-4> Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제의 포함여부에 따른 중자의 강도 측정
소착방지 첨가제에 상기 실시예 2-1 내지 실시예 2-3에 의해 제조된 시료 1 내지 시료 12를 Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물이 모두 포함되도록 투입하고 상기 소착방지 첨가제와 혼합함으로써, Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제가 모두 포함된 무기 바인더를 제조하였으며, 이를 이용하여 중자를 제조하였다.
상기 제조된 중자는 core 13 내지 core 16으로 라벨링하였으며, 각각의 중자의 조성 및 강도에 대한 결과는 하기 표 5 와 도 9에 나타내었다.
중자명 Core 13 Core 14 Core 15 Core 16
첨가 무기 바인더 시료1+시료5
+시료9+소착방지 첨가제		 시료1+시료6
+시료9+소착방지 첨가제		 시료2+시료6
+시료10+소착방지 첨가제		 시료1+시료6
+시료10+소착방지 첨가제
상기 표 5 및 도 9을 참고하면, 종래 상용화되어 사용되고 있는 무기 바인더(독일 A사) 보다 상기 첨가제를 투입하여 제조 된 무기 바인더의 강도 값이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 첨가제들이 상호 보완되어 중자의 강도를 향상시키는 것으로 판단된다.
<실시예 5> 무기 바인더를 이용하여 제작된 중자의 내수성 변화
상기 실시예 4-4에서 제작 된 중자인 core 13 내지 core16을 항온 항습기 내의 습도가 38℃, 65%에서 30g/m3의 절대습도를 가지는 조건에서 3시간 방치 한 후 중자 각각의 강도를 측정하여 중자의 내수성을 확인하였다.
그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10을 참고하면, 종래에 상용화되어 사용되고 있는 무기 바인더(독일 A사)는 내수성에 취약하여 30g/m3의 절대습도에서 3시간 방치 시 자중에 의한 붕괴 및 강도 저하로 인해 사용이 불가한 상태가 됨을 확인할 수 있었다. 반면에 Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제를 모두 포함하는 무기 바인더로 제조 된 중자는 흡습 시험 시 종래에 상용화되어 사용되고 있는 무기 바인더(독일 A사) 보다 높은 강도를 나타내었으며 자중에 의한 중자 붕괴를 나타내지 않았다.
특히, Core 14와 Core16의 경우 뛰어난 내수성을 나타내었다.
<실시예 6> 무기 바인더를 이용하여 제작된 중자의 특성 평가
상기 실시예 4-4에서 제조한 중자인 core 16과 기존 독일 A사 제품으로 제조한 중자에 대해 그 특성을 비교 평가하여 표 6 및 도 11에 나타내었다.
구분 독일
A사		 core 16
강도
[항절력N/㎠]		 172.9 233.3
유동성 양호 양호
내수성
[절대습도30g/㎥]		 1hr 3hr
소착 양호 양호
탈사 양호 우수
상기 표6 및 도 11을 참고하면, Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제가 모두 포함된 무기 바인더를 이용하여 제조된 중자인 core 16의 경우, 기존의 독일 A사와 비교하여 전반적으로 개선된 물리적 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
즉, 상기 본 발명의 무기 바인더에 의해 제조된 중자인 core 16의 경우, 기존의 독일 A사와 비교하여 강도에 있어서 60.4N/㎠가 증가된 233.3N/㎠로 우수한 강도를 나타냄은 물론, 유동성과 소착 및 탈사에 있어서 개선된 물리적 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
특히, 상기 본 발명의 무기 바인더에 의해 제조된 중자인 core 16의 경우, 내수성에 있어서 절대습도 30g/m3의 조건에서 3시간을 방치한 후에도 우수한 강도를 나타냄은 물론 자중에 의한 중자 붕괴가 나타나지 않았으나 독일 A사의 경우에는 상기 동일 조건에서 1시간 방치함에 한해서 우수한 강도를 나타냄을 확인할 수 있었는바, 본 발명의 무기 바인더에 의해 제조된 중자의 경우 기존의 독일 A사보다 내수성이 현저히 개선되었음을 확인할 수 있었다.
상기 결과들을 참고하면, 본 발명의 주조용 무기 바인더는 물유리에 Li계 내수성 첨가제, 나노 실리카, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제를 모두 포함함으로써, 유동성을 유지하면서도 강도 및 내수성을 개선하고 소착을 방지하여 탈사가 용이함에 따라, 작업 효율을 향상시킴은 물론, 상용화가 가능할 것으로 판단된다.
또한, 상기 본 발명의 무기 바인더를 사용함으로써, 전반적으로 강도, 유동성, 내수성, 탈사, 소착이 개선 된 친환경적인 주형 및 중자를 제작할 수 있는 것으로 판단된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

  1. 물유리 40~70 중량부, 나노 실리카 5~35 중량부, Li계 내수성 첨가제 0.1~10 중량부, 유기규소화합물 0.1~10 중량부 및 소착방지 첨가제 1~10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 무기 바인더 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 물유리는 SiO2 25~36 중량%, Na2O 7~15 중량%을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주조용 무기 바인더 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 Li계 내수성 첨가제는 리튬카보네이드, 리튬실리케이트, 리튬하이드록사이드, 리튬설페이트, 리튬브로마이드 및 리튬아세테이트 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 주조용 무기 바인더 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유기규소화합물은 메틸트리에톡시실란, 소듐메틸실리코네이트, 메틸트리메톡시실란, 포타슘메틸실리코네이트, 부틸드리메톡시실란 및 비닐트리메톡시실란 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 주조용 무기 바인더 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소착방지 첨가제는 단당류, 다당류 및 이당류 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 주조용 무기 바인더 조성물.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 무기 바인더 조성물을 이용하여 제조되는 중자.
  7. 제 6 항에 따른 중자를 포함하여 제조되는 주형.
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