KR101646155B1 - 플라이애시 경량발포성형체 제조용 조성물, 이를 이용한 다공성 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체 - Google Patents

플라이애시 경량발포성형체 제조용 조성물, 이를 이용한 다공성 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경량 발포성형체를 제공하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 다공성 경량 발포성형체를 제조하기 위한 플라이애시를 포함하는 조성물로, 플라이애시 50~80중량%와 알칼리규산염 20~50중량%로 구성된 혼합물 100중량부에 대하여, 알칼리수산화물 4~8중량부, 산 1~5중량부, 강도보강재 1~5중량부 및 물 1~10중량부를 포함하여 구성되는 플라이애시 경량 발포성형체 제조용 조성물이 개시되고, 상기 조성물을 이용한 다공성 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체에 관한 것으로, 특히 고강도, 고내열성, 단열성 및 흡음성이 우수한 다공성 플라이애시를 사용한 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체에 관한 것이 개시된다.

Description

플라이애시 경량발포성형체 제조용 조성물, 이를 이용한 다공성 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체{Fly ash composition for preparing a light-weight molded foam article and method for producing a light-weight molded foam article using them and a light-weight molded foam article made thereby}
본 발명은 경량 발포성형체를 제공하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 경량발포성형체를 제조하기 위한 플라이애시를 포함하는 조성물과 이를 이용한 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체에 관한 것으로, 특히 고강도, 고내열성, 단열성 및 흡음성이 우수한 다공성 플라이애시를 사용한 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체에 관한 것이다.
일반적으로 무기질 발포 성형체는 무기질 분체 슬러리에 기포제를 첨가하여 다공성 발포 슬러리를 형성하고 이를 건조 소결하여 발포 경화체를 제조하는 것이 일반적이다. 이러한 예로, 일본공개특허공보 특개2005-320188호(특허문헌 1)에서는 도시 쓰레기 소각회에 철산화물, 탄화규소 및 탄소를 발포제로 첨가하여 1000~1250℃에서 소성하여 무기발포 발포성형체를 제조하는 방법이 개시되어 있고, 일본공개특허공보 특개2004-123425호(특허문헌 2)에서는 무기물 폐재의 분쇄물에 조개껍질을 분쇄한 분체를 혼합하여 850~1100℃로 가열하여 용융 발포시켜 성형체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 무기발포체는 미생물 담지체나 농원예 토양개량재 또는 건축용, 토목용 등에 사용되는 경량 다공질 골재 등에 사용된다. 이러한 고온에서의 소성 발포체 제조방법은 물성은 우수하나 제품의 부가가치에 비하여 에너지 비용의 과다로 경제성이 문제점으로 되고 있는 경우가 많다.
무기질 분체를 800℃ 이상의 비교적 높은 온도에서 소성하지 않고 발포시키는 방법은 대한민국 등록특허공보 제10-0760040호(특허문헌 3) 및 대한민국 등록특허공보 제10-0785652호(특허문헌 4)에서 세라믹 분말, 규산염 발포제 및 첨가제를 적당량 배합하여 슬러리화 하고 이를 발포시킨 후 80~250℃에서 약 2시간 가열하여 발포 세라믹을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은 성형체의 강도가 약하여 이를 보강하기 위해 첨가제로 섬유 및 수지 등을 첨가하여야 하며 사용 후 폐기 시에 유기물 첨가에 의한 자연분해가 어려운 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0550234호(특허문헌 5)에서는 메타규산염, 알루미나시멘트, 메타인산, 탄산나트륨 및 물을 배합하여 불연성 발포 단열재를 제조하는 방법이 개시되어 있으나 이 방법에 의해 제조된 단열재는 압축강도가 약 2.5~3.8㎏／㎠에 불과하여 구조재료로의 사용은 어려운 단점이 있을 것을 판단된다.
대한민국 등록특허공보 제10-0580230호(특허문헌 6)에서는 규산소다, 점토, 폐콘크리트, 산화칼슘, 시멘트 등을 혼합하여 비교적 저온(200~300℃)에서 발포시켜 경량골재를 제조하는 방법이 개시되어 있으나 이 방법은 규산소다의 사용량이 75~95%정도로 너무 과량 사용되어 경제성이 문제시 된다.
최근에는 일본공개특허공보 특개2008-162873호(특허문헌 7), 일본공개특허공보 특개2007-161559호(특허문헌 8) 및 일본공개특허공보 특개2006-231311호(특허문헌 9) 등에서 규산소다 중의 실라놀기를 축합시켜 분자량이 4000~8000 정도인 실록산 및 실라놀염 다분자량 용액을 제조하여 이를 석탄회, 맥반석, 메타카오린 등의 무기물 분체와 혼합하여 350~550℃의 온도범위에서 발포시켜 단열성, 투수성, 통기성, 흡음성 등이 우수하고 폐기 시에 환경문제를 일으키는 물질을 전혀 함유하지 않아 친환경 무기 발포체 성형체의 제조방법으로 알려져 있다. 그러나 본 방법에 의한 발포체의 압축강도는 40~50㎏／㎠ 정도로 100㎏／㎠ 이상의 고강도가 요구되는 건축용 판재나 구조재로 사용하기에는 부적합하고 규산소다의 사용량이 너무 과다하여 경제성이 문제시 된다.
따라서 첨가제에 의한 2차 공해의 발생 우려가 없으며 원재료의 비용이 저렴하고 제조공정이 단순하면서도 제반 물성이 우수한 무기물 발포성형체의 제조방법이 요구되고 있다. 특히 고강도이면서 흡음성이나 충격 흡수성이 큰 무기질 발포성형체는 건축물의 벽재, 바닥재, 천장재, 및 도로 흡음벽 등, 재료들의 시장성이 매우 크므로 현재 대량으로 사용되고 있는 ALC 경량판재나 석고보드, 유리섬유 흡음재 등과의 경쟁제품이나 대체품으로의 개발이 필요하다.
일본공개특허공보 특개2005-320188호 (2005. 11. 17 공개) 일본공개특허공보 특개2004-123425호 (2004. 04. 22. 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-0760040호(2007. 09. 12. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0785652호(2007. 12. 07. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0550234호 (2006. 02. 01. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0580230호 (2006. 05. 09. 등록) 일본공개특허공보 특개2008-162873호 (2008. 07. 17. 공개) 일본공개특허공보 특개2007-161559호 (2007. 06. 28. 공개) 일본공개특허공보 특개2006-231311호 (2006. 09. 07. 공개)
본 발명의 목적은 화력발전소에 대량으로 발생하는 플라이애시와 알칼리규산염, 알칼리수산화물, 강도 보강재 및 물로 구성되는 고강도 경량 발포성형체의 제조용 조성물을 제공하고, 이를 이용하여 단순한 가열 또는 기포제 첨가만으로 수많은 연속 및 독립기포가 내포된 다공성 플라이애시 경량 발포성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플라이애시를 사용하여 고강도, 단열성, 투수성, 통기성, 흡음성, 내산성, 내동해성 등 제반 물성이 우수한 플라이애시 발포성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 플라이애시를 사용하여 건축용 벽재, 천장재, 바닥재 등의 불연성 흡음재와 도로 방음벽 등에 사용되는 흡음성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 플라이애시를 사용하여 규산소다와 가성소다의 혼합물을 첨가하여 지오폴리머 중합반응을 약 250℃ 이상에서 급격히 형성시켜 수분의 증발에 의한 다공성 발포 성형체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 플라이애시를 사용하여 규산소다와 가성소다의 혼합물을 첨가하여 슬러리를 형성하고 여기에 가스(공기, 질소, 탄산가스 등) 및 알루미늄 금속분말을 첨가하여 상온(25℃)에서 기포를 발생시켜 다공성 발포 성형체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결한 본 발명의 플라이애시 경량 발포성형체 제조용 조성물은 플라이애시 50~80중량%와 알칼리규산염 20~50중량%를 포함하여 구성된 혼합물 100중량부에 대하여, 알칼리수산화물 4~8중량부, 산 1~5중량부, 강도보강재 1~5중량부 및 물 1~10중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 플라이애시는 입자크기 50㎛ 이하이고, SiO2/Al2O3의 몰비가 1.5~2.5 범위인 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 알칼리규산염은 SiO2/(Na,K)2O의 몰비가 1.5~3.5 범위인 것으로 수분 함량이 40~60 중량%인 규산소다(Na2SiO3nH2O) 또는 규산칼륨(K2SiO3nH2O) 수용액을 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 알칼리수산화물은 순도 98%의 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 입상시료를 농도 8~16몰의 수용액으로 조제하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 산은 분말 상태 또는 수용액 상태의 붕산(H3BO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 강도보강재는 농업용으로 사용하고 난 후의 부직포, 폴리에스테르, 폴리아크릴 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 유기질 폐섬유, 폐유리섬유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 플라이애시, 알칼리규산염, 알칼리수산화물, 산, 강도보강재를 내알칼리성 용기의 혼합기에 넣고, 물을 첨가하면서 5~10분간 충분히 교반하여 페이스트를 형성하고, 상기 페이스트를 일정한 높이의 장방형의 형틀에 주입하고, 가열기에 넣어 200~500℃의 온도범위에서 5~15분간 가열하여 발포성형체를 형성하고, 발포된 성형체는 실온까지 서서히 냉각하여 형틀에서 탈형하는 과정을 포함하여 이루어지는 플라이애시를 이용한 경량 발포성형체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 플라이애시, 알칼리규산염, 알칼리수산화물, 산, 강도보강재를 내알칼리성 용기의 혼합기에 넣고, 물을 첨가하면서 10분 이상 충분히 교반하여 페이스트를 형성하고, 상기 페이스트에 알루미늄 분말 또는 발포가스를 주입하여 기포를 발생시킨 다음, 장방형의 형틀에 주입하여 상온에서 1~28일간 양생시킨 후, 탈형하는 과정을 포함하여 이루어지는 플라이애시를 이용한 경량 발포성형체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 제공되는 플라이애시를 포함하는 발포성형체 제조용 조성물을 이용하는 제조방법에 따라 성형된 플라이애시 경량 발포 성형체는 플라이애시, 알칼리 규산염, 및 기타 첨가제만을 사용하여 고강도의 제반 물성이 우수한 다공성 경량 발포성형체를 제조 할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 플라이애시 발포성형체의 제조방법에 의하면, 화력발전소에서 폐기물로 다량 발생하는 플라이애시와 농업부산물이 폐섬유를 사용하므로써, 폐기물의 재활용, CO2 발생량 저감 등의 친환경적 특성 및 그 제조비용을 절감할 수 있는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 사용되는 플라이애시 입자의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 플라이애시 발포성형체의 절단표면을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 실리콘 몰드를 사용하여 제조된 플라이애시 발포성형체의 사진이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술에 관한 구체적인 설명에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명은 경량 발포성형체를 제조하기 위한 플라이애시를 포함하는 조성물과 이를 이용한 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체에 관한 것으로, 특히 고강도, 고내열성, 단열성 및 흡음성이 우수한 다공성 플라이애시를 사용한 경량 발포성형체의 제조방법 및 그 발포성형체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따라 제공되는 플라이애시 경량 발포성형체 제조용 조성물은 플라이애시 50~80 중량%와 알칼리규산염 20~50 중량%를 포함하여 이루어진 혼합물 100중량부에 대하여, 알칼리수산화물 4~8중량부, 산 1~5중량부, 강도보강재 1~5중량부 및 물 1~10중량부를 혼합하여 이루어지는 것에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 플라이애시는 도 1에 도시된 바와 같이, 입자크기 50㎛ 이하이고, SiO2/Al2O3의 몰비가 1.5~2.5 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 입자크기 및 몰비를 한정하는 이유는 만일 상기 플라이애시의 입자크기가 50㎛를 초과한 입자가 다량 포함되어 있을 경우 지오폴리머 생성반응이 너무 늣게 진행되는 단점이 있을 수 있고, 상기 몰비가 적을 경우에는 지오폴리머 생성이 불완전하게 되는 문제가 있고, 몰비가 너무 높을 경우에는 과잉의 알칼리 첨가로 인한 비경제적인 단점이 있을 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 플라이애시는 소각(Incineration) 또는 연소(combustion) 후에 남아 있는 무기질 산화물로 정의된다. 플라이애시의 대부분이 화력발전소에서 발생하고 있으며 그 이외에도 폐기물 소각로와 열병합 발전소 및 기타 산업현장에서 석탄의 연소공정으로 인하여도 발생되고 있다. 플라이애시의 조성은 주로 SiO2, Al2O3, Fe2O3 등의 무기산화물로 구성되어 있으며, 비정질이거나 석영, 산화철, 뮬라이트 등의 결정질 금속산화물이 소량 생성되기도 한다.
본 발명에서는 석탄화력발전소에서 대량 발생하는 플라이애시를 사용하는 것으로, 상기 플라이애시는 도 1에 도시된 바와 같이, 입도가 약 50㎛ 이하인 구형의 미립자로 화력발전소에서 발생하는 플라이애시의 대표적인 화학조성은 하기 표 1과 같다. 이때, 상기 플라이애시의 입도가 50㎛ 이상인 것을 포함하고 있다면, 필요에 따라 입도가 50㎛이하를 만족하도록 분쇄하여 사용할 수 있다.
화학성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O K2O MgO TiO2 SO3
중량% 52.2 22.8 3.85 3.41 0.13 1.49 0.89 1.18 2.90
본 발명에 따르면, 상기 알칼리규산염은 SiO2/(Na,K)2O의 몰비가 1.5~3.5범위인 것으로 수분 함량이 40~60중량%인 규산소다(Na2SiO3nH2O) 또는 규산칼륨(K2SiO3nH2O) 수용액을 사용하며, 필요에 따라 슬러리의 점도 조절을 위하여 소량의 물을 첨가할 수 있으며, 이때 상기 물은 알칼리규산염의 총량에 대하여 2.5~20 중량%를 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 임계치 범위를 벗어날 경우에는 발포가 충분히 일어나지 않거나 압축강도가 저하되는 문제가 있을 수 있다. 이때, 상기 몰비가 적을 경우에는 지오폴리머 생성이 불완전하게 되는 문제가 있고, 몰비가 너무 높을 경우에는 과잉의 알칼리 첨가로 인한 비경제적인 단점이 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 알칼리수산화물은 순도 98%의 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 입상시료를 물에 희석하여 농도 8~16몰의 수용액으로 조제하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 농도를 한정하는 이유는 농도 8몰 미만의 수용액을 사용할 경우에는 지오폴리머 생성이 불완전하게 되는 문제가 있고, 16몰을 초과할 경우에는 과잉의 알칼리 첨가로 인한 비경제적인 단점이 있다. 바람직하게 그 사용량은 플라이애시와 알칼리규산염의 혼합물 100중량부에 대하여 4~8중량부를 혼합하는 것이 좋다. 만일, 그 혼합량이 4중량부 미만일 경우에는 압축 및 휨강도가 저하되는 문제가 있고, 8중량부를 초과할 경우에는 균일한 발포가 일어나지 않는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 산은 알칼리 성분의 고정에 사용되는 것으로, 분말 상태 또는 수용액 상태의 붕산(H3BO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 산의 사용량은 플라이애시와 알칼리규산염의 혼합물 100중량부에 대하여 1~5중량부를 혼합하는 것이 바람직하며, 만일 그 사용량이 1중량부 미만일 경우에는 거품 생성이 덜 되는 문제가 있고, 5중량부를 초과할 경우에는 발포력이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 강도보강재는 농업용으로 사용하고 난 후의 부직포, 폴리에스테르, 폴리아크릴 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 것으로, 인장강도가 0.95~1.5GPa이고, 비중은 0.9~1.3g/㎤, 단면의 굵기는 14~660㎛인 물성을 만족하는 유기질 폐섬유, 폐유리섬유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것에 그 특징이 있다.
상기 강도 보강재는 플라이애시와 알칼리규산염의 혼합물 100중량부에 대하여 1~5중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 만일 그 사용량이 1중량부 미만일 경우에는 휨 및 압축강도를 증진시키지 못하는 단점이 있고, 5중량부를 초과할 경우에는 분산의 어려움이 발생하여 발포력이 감소되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 조성물을 구성하는 물은 최종적으로 준비되는 조성물을 혼합기에서 혼합시켜 페이스트 상태로 준비시, 상기 페이스트의 점도를 조절하기 위하여 첨가되는 것으로, 그 사용량은 플라이애시와 알칼리규산염의 혼합물 100중량부에 대하여 1~10중량부를 첨가하는 것이 바람직하다. 만일 1중량부 미만일 경우에는 발포가 충분히 일어나지 않는 단점이 있고, 10중량부를 초과할 경우에는 압축강도가 저하되는 문제가 있다.
한편, 본 발명에서는 이상에서 개시되는 본 발명의 조성물을 이용하여 플라애시를 이용한 다공성 경량 발포성형체를 제조하는 제조방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 플라이애시를 이용한 경량발포성형체의 제조방법은 플라이애시, 알칼리규산염, 알칼리수산화물, 산, 강도보강재를 내알칼리성 용기의 혼합기에 넣고, 물을 첨가하면서 5~10분 동안 충분히 교반하여 페이스트를 형성하고, 상기 페이스트를 일정한 높이의 장방형의 형틀에 주입하고, 가열기에 넣어 200~500℃의 온도범위에서 30~60분간 가열하여 발포성형체를 형성하고, 발포된 성형체는 실온까지 서서히 냉각하여 형틀에서 탈형하는 과정을 포함하여 이루어지거나, 또는, 플라이애시, 알칼리규산염, 알칼리수산화물, 산, 강도보강재를 내알칼리성 용기의 혼합기에 넣고, 물을 첨가하면서 5~10분 동안 충분히 교반하여 페이스트를 형성하고, 상기 페이스트에 알루미늄 분말 또는 발포가스를 주입하여 기포를 발생시킨 다음, 장방형의 형틀에 주입하여 상온에서 1~28일간 양생시킨 후, 탈형하는 과정을 포함하여 이루어지는 것에 그 특징이 있다. 이때, 사용되는 상기 장방형의 형틀은 실리콘 몰드일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 제조방법에서 상기 페이스트를 구성하기 위해 사용된 각각의 성분들은 위 개시된 바와같이, 플라이애시 50~80 중량%와 알칼리규산염 20~50 중량%로 구성되도록 투입하고, 그 혼합물 100중량부에 대하여, 알칼리수산화물 4~8중량부, 산 1~5중량부, 강도보강재 1~5중량부 및 물 1~10중량부를 혼합하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 상기 플라이애시는 입자크기 50㎛ 이하이고, SiO2/Al2O3의 몰비가 1.5~2.5 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 플라이애시는 소각(Incineration) 또는 연소(combustion) 후에 남아 있는 무기질 산화물로 정의된다. 플라이애시의 대부분이 화력발전소에서 발생하고 있으며 그 이외에도 폐기물 소각로와 열병합 발전소 및 기타 산업현장에서 석탄의 연소공정으로 인하여도 발생되고 있다. 플라이애시의 조성은 주로 SiO2, Al2O3, Fe2O3 등의 무기산화물로 구성되어 있으며, 비정질이거나 석영, 산화철, 뮬라이트 등의 결정질 금속산화물이 소량 생성되기도 한다.
본 발명에서는 석탄화력발전소에서 대량 발생하는 플라이애시를 사용하는 것으로, 상기 플라이애시는 도 1에 도시된 바와 같이, 입도가 약 50㎛ 이하인 구형의 미립자로 화력발전소에서 발생하는 플라이애시의 대표적인 화학조성은 하기 표 2와 같다.
화학성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O K2O MgO TiO2 SO3
중량% 52.2 22.8 3.85 3.41 0.13 1.49 0.89 1.18 2.90
본 발명에 따르면, 상기 알칼리규산염은 SiO2/(Na,K)2O의 몰비가 1.5~3.5 범위인 것으로 수분 함량이 40~60 중량%인 규산소다(Na2SiO3nH2O) 또는 규산칼륨(K2SiO3nH2O) 수용액을 사용하며, 필요에 따라 슬러리의 점도 조절을 위하여 소량의 물을 첨가할 수 있으며, 이때 상기 물은 알칼리규산염의 총량에 대하여 2.5~20중량%를 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 임계치 범위를 벗어날 경우에는 발포가 충분히 일어나지 않거나, 압축강도가 저하되는 문제가 있을 수 있다
본 발명에 따르면, 상기 알칼리수산화물은 순도 98%의 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 입상시료를 물에 희석하여 농도 8~16몰의 수용액으로 조제하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 농도를 한정하는 이유는 농도 8몰 미만의 수용액을 사용할 경우에는 지오폴리머 생성이 불완전하게 되는 문제가 있고, 16몰을 초과할 경우에는 과잉의 알칼리 첨가로 비경제적인 단점이 있다. 바람직하게 그 사용량은 플라이애시와 알칼리규산염의 혼합물 100중량부에 대하여 4~8중량부를 혼합하는 것이 좋다. 만일, 그 혼합량이 4중량부 미만일 경우에는 압축 및 휨강도가 저하되는 문제가 있고, 8중량부를 초과할 경우에는 균일한 발포가 일어나지 않는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 산은 알칼리 성분의 고정에 사용되는 것으로, 분말 상태 또는 수용액 상태의 붕산(H3BO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 산의 사용량은 플라이애시와 알칼리규산염의 혼합물 100중량부에 대하여 1~5중량부를 혼합하는 것이 바람직하며, 만일 그 사용량이 1중량부 미만일 경우에는 거품 생성이 덜 되는 문제가 있고, 5중량부를 초과할 경우에는 발포력이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
바람직하게 상기 알칼리 성분의 고정에 사용된 산은 붕산(H3BO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH), 황산(H2SO4) 등으로 분말 상태의 것이나, 또는 수용액 상태의 것을 플라이애시와 혼합하기 전에 먼저 알칼리 규산염 용액에 첨가하여 충분히 교반하여 완전히 용해시켜 사용한다. 알칼리규산염 용액에 산을 첨가하는 것은 지오폴리머 반응 후의 잔여 알칼리가 대기 중의 수분이나 수중에서 풀어지는 현상을 방지하여 내수성을 증진시키기 위한 것으로, 알칼리와 반응하여 생성된 금속염인 붕산소다(Na2BO4), 인산소다(Na2HPO4), 아세트산나트륨(NaCH3COO), 황산소다(Na2SO4) 등은 수분에 대하여 안정성을 가지게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 강도보강재는 농업용으로 사용하고 난 후의 부직포, 폴리에스테르, 폴리아크릴 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 유기질 폐섬유, 폐유리섬유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것에 그 특징이 있다. 특별하게 한정할 필요는 없으나, 인장강도가 0.95~1.5GPa이고, 비중은 0.9~1.3g/ ㎤, 단면의 굵기는 14~660㎛인 물성을 만족하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 강도 보강재는 플라이애시와 알칼리규산염의 혼합물 100중량부에 대하여 1~5중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 만일 그 사용량이 1중량부 미만일 경우에는 휨 및 압축강도를 증진시키지 못하는 단점이 있고, 5중량부를 초과할 경우에는 분산의 어려움이 발생하여 발포력이 감소되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 조성물을 구성하는 물은 최종적으로 준비되는 조성물을 혼합기에서 혼합시켜 페이스트 상태로 준비시, 상기 페이스트의 점도를 조절하기 위하여 첨가되는 것으로, 그 사용량은 플라이애시와 알칼리규산염의 혼합물 100중량부에 대하여 1~10중량부를 첨가하는 것이 바람직하다. 만일 1중량부 미만일 경우에는 발포가 충분히 일어나지 않는 단점이 있고, 10중량부를 초과할 경우에는 압축강도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따라 제공되는 일실시형태의 조성물이 완전하게 혼합된 페이스트를 형성한 다음, 이를 일정 크기의 판상의 형틀에 주입하여 가열시켜 발포하는 제조방법을 설명하면, 상기한 페이스트는 수분 함량을 조정하여 자체의 슬럼프에 의해 스스로 수평을 이루게 한 후 상부에 일정 높이의 덮개를 씌워 페이스트의 발포 정도를 억제 또는 조장하여 제품의 비중을 조절한다. 알칼리규산염, 물 등의 첨가량 등의 변화나 발포체 비중의 조정은 덮개의 높이를 조절하여 발포성형체의 공극률을 변화시켜 필요에 따라 비중이나 강도 등의 물성이 다른 제품군을 생한산 할 수 있다.
상기 페이스트가 주입된 상기 형틀을 200~500℃에서 급격히 가열하여 페이스트 중의 황성분과 용액의 알칼리와의 반응으로 생성된 황화소다 가스나 수분의 증발에 의한 기포의 발생으로 발포되고 수분이 완전히 증발될 때까지 가열한 후 상온으로 서서히 냉각시킨다. 상기 가열기는 일반 전기로 또는 전자레인지를 사용할 수 있으며 전자레인지를 사용할 경우에 형틀은 세라믹 용기 혹은 전자레인지에 안정한 재료를 사용하여야 하고, 반응시간은 약 35분 정도로 발포가 완전히 형성된 후 전자레인지에서 끄집어내어 상온까지 서서히 냉각시킨다. 반면, 전기로에서는 60~120분간 반응시킨다. 그 후 형틀로부터 탈형시킨 다음 탈형된 제품은 압축강도, 굽힘강도, 흡음률, 비중, 열전도율 등 제반 물성을 측정하였다. 형틀의 모양은 제품의 규격에 따라 다양한 형태의 형틀을 제조하여 사용할 수 있다.
한편, 고온가열과정을 거치지 않고, 상온에서 발포성형체를 제조하는 본 발명에 따른 다른 제조방법에서는 상기 페이스트에 알루미늄 분말을 주입하여 기포를 발생시킨 다음, 장방형의 형틀에 주입하여 상온에서 1~28일간 양생시킨 후, 탈형하는 과정을 포함하여 이루어지는 것으로, 바람직하게 상기 알루미늄 분말은 상기 페이스트 100중량부에 대하여 0.3~0.8중량부를 주입하는 것이 좋다,
상기 알루미늄 분말을 0.3중량부 미만을 사용할 시 균일하고 적절한 발포가 일어나지 못하며, 0.8중량부를 초과하여 사용할 시에는 기공이 작아지는 단점이 있고, 상기 알루미늄 분말이 고가로 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
이상에서 설명되지 않은 도 2는 본 발명의 일제조방법에 따라 제조된 플라이애시 발포성형체의 절단표면을 나타낸 사진이고, 도 3은 본 발명의 일제조방법에 따라 실리콘 몰드를 사용하여 제조된 플라이애시 발포성형체의 사진을 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 보다 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 일실시형태로서, 하기에 개시되는 실시예들로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지 변형가능하게 되는 것이다.
[실시예 1~6 및 비교예 1~2]
하기 표 3에 나타낸 바와 같은 조성으로 발포성형체 조성물을 내알칼리성 용기의 혼합기에 넣고, 물을 첨가하면서 5~10분간 충분히 교반하여 페이스트를 형성하고, 상기 페이스트를 H×W×D=150×300×200의 규격을 가지는 장방형의 형틀에 주입하고, 가열기에 넣어 200~500℃의 온도범위에서 30~60분간 가열하여 발포성형체를 형성하고, 발포된 성형체는 실온까지 서서히 냉각하여 형틀에서 탈형하는 과정을 거쳐 도 2에 도시된 바와 같은 단면 표면을 가지는 다공성 경량 발포성형체 시편을 준비한 다음, 상기 시편의 물성을 측정하여보았으며 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
발포성형체 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2
플라이애시+알칼리규산염
혼합물		 플라이애시
(중량%)		 50 55 60 70 75 80 70 80
규산소다
(중량%)		 50 45 40 30 25 20 30 20
가성소다(중량부) 7 7 7 7 7 7 - -
붕산(중량부) 3 3 3 3 3 3 - -
폐아크릴섬유(중량부) 2 2 2 2 2 2 - -
폐유리섬유(중량부) 1 1 1 1 1 1 - -
물(중량부) 2 3 4 5 7 10 5 10
상기 표 3에서, 알칼리규산염으로 규산소다를 사용하였고, 알칼리수산화물로 가성소다를 사용하였으며, 상기 플라이애시와 규산소다는 각각의 단위가 중량%이고, 기타 각각의 구성물의 혼합량은 상기 플라이애시와 규산소다의 혼합물 100중량부에 대한 중량비로 혼합하는 것으로 그 단위는 중량부이다.
* 플라이 애시 : 보령화력발전소에서 발생된 입자크기 50㎛ 이하인 것을 사용하였다.
* 규산소다: (주)영일화성의 PH12~13인 3호를 사용하였다.
* 가성소다 : 영진화학의 순도 98%의 공업용 제품을 사용하였다. 농도 10몰의 수용액상태로 조제하여 사용하였다.
* 붕산은 (주)삼성켐텍의 칠레 수입산 제품을 사용하였고,
* 폐 아크릴 섬유: (주)중천 것을 사용하였으며,
* 폐유리 섬유: 한국오웬스코닝 제품을 사용하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2
물
성		 압축강도
(㎏/㎠)		 50 84 95 120 100 90 44 37
굽힘강도
(㎏/㎠)		 10 25 40 30 26 15 21 18
흡음률(%) 87 85 90 90 80 85 90 85
흡수율(%) 15 17 15 18 15 15 20 17
열전도도
(kcal/m.h)		 0.02 0.04 0.05 0.05 0.04 0.05 0.05 0.05
비중 0.3 0.4 0.5 0.6 0.9 1.3 0.6 1.3
위 표 4에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 플라이애시 발포성형체는 겉보기 비중이 약 0.5~1.3이고 압축강도 50~120㎏／㎠, 굽휨강도 10~40㎏／㎠이며, 흡수율 15~17%, 흡음률은 1000Hz에서 약 80~90%, 열전도도 약 0.02~0.05kcal/m.h. 로 매우 우수한 물성을 가지고 있음을 알 수 있었다.
한편, 표 1에서 보면 석탄화력발전소에서 발생하는 플라이애시에는 약 2.9%의 SO3 성분이 함유되어 있어 규산소다 용액에 플라이애시 혼합 시에 규산소다의 알칼리성분과 황성분의 반응으로 Na2S 가스가 발생되므로 밀폐된 공간에서 작업할 경우 배기장치를 필수적으로 설치하여야 한다. 또한, 수분의 증발에 의한 기포발생 뿐만 아니라 이 Na2S 가스의 발생으로 기포가 발생하는 것으로 관측되어 진다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
상기한 실시예에서 제조한 발포 성형체의 물성은 다음과 같은 방법으로 측정하였다.
압축강도는 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 측정방법, 굽힘강도는 KS F2406 콘크리트의 휨강도 측정방법, 흡음률은 KS F 2805 잔향실법 흡음률 측정 방법에 의한 수직입사 흡음특성, 열전도도는 KS L3121 내화 단열벽돌의 열전도도 측정방법에 따라 측정하였고, 흡수율은 시료를 물속에 담근 후 약 30분경과 후 표면의 수분을 헝겊 등으로 닦아내고 낸 다음 흡수된 수분량을 측정하였다.
본 발명에 따른 플라이애시 발포성형체는 강도가 요구되는 건축 내장재, 천장재, 바닥재, 흡음재, 도로 방음벽 등에 활용 될 수 있다. 이외에 용융금속, 배기가스 등의 여과재로 활용 가능성이 있다.

Claims (18)

  1. 입자크기 50㎛ 이하이고, SiO2/Al2O3의 몰비가 1.5~2.5 범위인 플라이애시 50~80 중량%와, SiO2/(Na,K)2O의 몰비가 1.5~3.5 범위인 것으로 수분 함량이 40~60 중량%인 규산소다(Na2SiO3nH2O) 또는 규산칼륨(K2SiO3nH2O) 수용액 20~50 중량%로 구성된 혼합물 100중량부에 대하여, 순도 98%의 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 입상시료를 농도 8~16몰의 수용액으로 조제하여 된 알칼리수산화물 4~8중량부, 분말 상태 또는 수용액 상태의 붕산(H3BO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 산 1~5중량부, 강도보강재 1~5중량부 및 물 1~10중량부를 포함하여 구성되는 것으로,
    상기 강도보강재는 농업용으로 사용하고 난 후의 부직포, 폴리에스테르, 폴리아크릴 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 것으로, 인장강도가 0.95~1.5GPa이고, 비중은 0.9~1.3g/㎤, 단면의 굵기는 14~660㎛인 물성을 만족하는 유기질 폐섬유, 폐유리섬유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라이애시 경량 발포성형체 제조용 조성물.
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  7. 입자크기 50㎛ 이하이고, SiO2/Al2O3의 몰비가 1.5~2.5 범위인 플라이애시 50~80 중량%와, SiO2/(Na,K)2O의 몰비가 1.5~3.5 범위인 것으로 수분 함량이 40~60 중량%인 규산소다(Na2SiO3nH2O) 또는 규산칼륨(K2SiO3nH2O) 수용액 20~50 중량%로 구성된 혼합물 100중량부에 대하여, 순도 98%의 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 입상시료를 농도 8~16몰의 수용액으로 조제하여 된 알칼리수산화물 4~8중량부, 분말 상태 또는 수용액 상태의 붕산(H3BO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 산 1~5중량부, 강도보강재 1~5중량부를 포함하도록 내알칼리성 용기의 혼합기에 넣고, 물 1~10중량부를 포함하도록 첨가하면서 10분 이상 충분히 교반하여 페이스트를 형성하고, 상기 페이스트를 일정한 높이의 장방형의 형틀에 주입하고, 가열기에 넣어 250~500℃의 온도범위에서 5~10분간 가열하여 발포성형체를 형성하고, 발포된 성형체는 실온까지 서서히 냉각하여 형틀에서 탈형하는 과정을 포함하여 이루어지는 것으로,
    상기 강도보강재는 농업용으로 사용하고 난 후의 부직포, 폴리에스테르, 폴리아크릴 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 것으로, 인장강도가 0.95~1.5GPa이고, 비중은 0.9~1.3g/㎤, 단면의 굵기는 14~660㎛인 물성을 만족하는 유기질 폐섬유, 폐유리섬유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라이애시를 이용한 경량 발포성형체의 제조방법.
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  13. 입자크기 50㎛ 이하이고, SiO2/Al2O3의 몰비가 1.5~2.5 범위인 플라이애시 50~80 중량%와, SiO2/(Na,K)2O의 몰비가 1.5~3.5 범위인 것으로 수분 함량이 40~60 중량%인 규산소다(Na2SiO3nH2O) 또는 규산칼륨(K2SiO3nH2O) 수용액 20~50 중량%로 구성된 혼합물 100중량부에 대하여, 순도 98%의 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 입상시료를 농도 8~16몰의 수용액으로 조제하여 된 알칼리수산화물 4~8중량부, 분말 상태 또는 수용액 상태의 붕산(H3BO3), 인산(H3PO4), 아세트산(CH3COOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 산 1~5중량부, 강도보강재 1~5중량부를 포함하도록 내알칼리성 용기의 혼합기에 넣고, 물 1~10중량부를 포함하도록 첨가하면서 5~10분간 충분히 교반하여 페이스트를 형성하고, 상기 페이스트 100중량부에 대하여 알루미늄 분말 0.3~0.8중량부를 주입하여 상온에서 기포를 발생시킨 다음, 장방형의 형틀에 주입하여 상온에서 1~28일간 양생시킨 후, 탈형하는 과정을 포함하여 이루어지는 것으로,
    상기 강도보강재는 농업용으로 사용하고 난 후의 부직포, 폴리에스테르, 폴리아크릴 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 것으로, 인장강도가 0.95~1.5GPa이고, 비중은 0.9~1.3g/㎤, 단면의 굵기는 14~660㎛인 물성을 만족하는 유기질 폐섬유, 폐유리섬유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라이애시를 이용한 경량 발포성형체의 제조방법.
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