KR101733672B1 - 석분을 이용한 친환경 벽지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석분을 이용한 친환경 벽지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 자세하게는 본 발명은 석분(stone powder)을 주재료로 사용하여 기존의 흙을 주재료로 사용하는 벽지에 비하여 높은 강도를 가져 내구성이 향상되고, 항균성, 단열성, 불연성 등의 기능성이 향상된 친환경 벽지 및 그 제조방법에 대한 것이다.

Description

석분을 이용한 친환경 벽지 및 그 제조방법 {Wall Pater using stone powder and manufacturing method thereof}
본 발명은 석분을 이용한 친환경 벽지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 자세하게는 본 발명은 석분(stone powder)을 주재료로 사용하여 기존의 흙을 주재료로 사용하는 벽지에 비하여 높은 강도를 가져 내구성이 향상되고, 항균성, 단열성, 불연성 등의 기능성이 향상된 친환경 벽지 및 그 제조방법에 대한 것이다.
일반적으로 벽지는 펄프원료와 부원료를 혼합하는 원료 혼합공정, 상기 혼합원료를 물에 혼입하여 습지를 형성하고 그 형성된 습지에 가압탈수와 건조처리과정을 하는 성형공정, 상기 성형된 초지에 색상처리, 도공처리, 광택처리 등을 하는 가공공정, 상기 가공된 초지를 재단하여 롤 형태로 권취저장하고 이를 선별포장하는 제품완성 공정을 통해 제조된다.
이때, 벽지의 밀도 및 중량을 증가시키고, 백색도와 인쇄적성을 개선시키기 위하여, 펄프원료 이외에 탈크, 탄산칼슘, 점토, 산화티탄 등을 첨가하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 종래의 벽지는 식물성 펄프의 재질 특성으로 인해 곰팡이 이나 바이러스, 기타, 대장균, 녹농균 등의 병원균이 쉽게 번식하며, 습기에 매우 취약하고 외력에 의해 쉽게 찢어져 내구성이나 취급효율이 저하된다는 문제가 있었다.
근래에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 목재펄프를 화학적으로 가공하거나 합성수지재를 코팅하여 종이의 질을 개선하고자 하는 시도들이 이루어지고 있으나, 이와 같은 화학펄프 및 합성수지재를 이용한 벽지는 내구성 등의 물성은 향상된 반면, 화학처리와 합성수지의 사용으로 인하여 인체에 유해한 독성물질을 방출하게 되는 한계가 있었다.
또한, 병원균의 번식 및 인체에 유해한 독성물질의 방출을 막기 위하여, 친환경 재료, 특히 황토 등의 흙 성분을 소재로 한 벽지를 개발하고자 하는 시도들 또한 이루어지고 있으나, 황토 등을 주재료로 사용하는 경우 강도가 충분히 발현되기 어려울 뿐만 아니라, 습도나 온도와 같은 환경 변화에 따른 형태 변화 또는 갈라짐 현상 등이 쉽게 발생하는 문제가 있었다. 또한, 이러한 문제점들을 보강하기 위하여 접착제와 같은 기타 합성물질들을 다량 혼합하여 사용할 경우, 친환경 자재로서의 의미가 없어진다는 한계점이 있었다.
한편, 대리석과 같은 석재로 이루어진 건축자재는 특유의 표면 광택 및 높은 강도로 인하여 고급 건축자재로 사용되고 있으나, 석재의 특성상 성형이 어려우며, 외부 충격으로 인한 파손이 생기기 쉬우며, 석재의 채굴, 가공 및 이동 상의 어려움으로 인하여 시공 및 보수에 과다한 비용이 소모된다는 단점이 있었다.
이에, 불연성 친환경 재료 사용시 합성물질의 사용량을 최소화하면서도 높은 강도 및 내구성을 구현할 수 있는 벽지 소재의 개발이 필요하였다.
한국공개특허 제2006-0040261호 (2006.05.10 공개)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 종래의 벽지와 달리, 합성물질의 사용량을 최소화하면서도 높은 강도를 구현할 수 있는 불연성 친환경 벽지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 습기나 온도 변화에 강하여 형태의 변화나 갈라짐 현상이 거의 없으며, 높은 원적외선 방사율, 탈취성, 내곰팡이성, 항균성 등의 기능성을 가지는 친환경 벽지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 석분(stone powder), 펄프 및 젤라틴 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 벽지를 제공한다. 이때, 상기 석분은 황토석, 대리석, 맥반석, 화강석, 옥석 중 어느 하나의 분말을 포함할 수 있으며, 상기 젤라틴 첨가제는 아교를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 친환경 벽지는 석분 35~45 wt%, 펄프 50~60 wt% 및 젤라틴 첨가제 3~7 wt%를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 친환경 벽지는 석분, 펄프 혼합액 및 젤라틴 혼합액을 혼합하여 습지를 제조하는 단계; 상기 제조된 습지를 프레스에 의해 가압 탈수하는 성형단계; 및 상기 성형된 초지를 스팀기에 의해 건조 처리하는 건조 단계;를 통하여 제조될 수 있다.
이때, 상기 펄프 혼합액은 펄프와 물을 3:7~5:5(w/w)의 비율로 혼합한 혼합액이 사용되는 것이 바람직하며, 상기 젤라틴 혼합액은 젤라틴 성분과 물을 3:7~5:5(w/w)의 비율로 혼합한 혼합액이 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 친환경 벽지는 석분을 주재료로 사용하여 합성물질의 사용량을 최소화하면서도 높은 강도를 구현할 수 있으며, 외부 환경 변화에 따른 형태변화나 갈라짐 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 친환경 벽지는 석재에 비하여 채굴, 가공, 이동 비용 등을 줄여 석재의 고급스러운 외관을 구현하면서도 시공비용을 획기적으로 줄일 수 있으며, 높은 원적외선 방사율 및 탈취성, 내곰팡이성, 항균성 등의 다양한 특성들을 가져 고 기능성 건축 자재를 구현할 수 있다.
도 1a,1b - 본 발명의 실시예에 따라 제조된 친환경 벽지의 탈취 시험결과 (1a: 암모니아, 1b: 폼알데하이드)를 보여주는 사진
도 2a,2b - 본 발명의 실시예에 따라 제조된 친환경 벽지의 원적외선 방사율(2a) 및 방사에너지(2b) 시험결과를 보여주는 사진
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
종래의 흙을 주재료로 사용하는 친환경 벽지는 강도가 충분히 발현되기 어려울 뿐만 아니라, 습도와 온도와 같은 외부 환경에 따라 형태 변화가 일어나기 쉽다는 문제가 있었다. 또한, 강도를 높이기 위하여 접착제 성분을 다량 혼합하여 사용할 경우, 친환경 소재인 흙 자체의 함량이 낮아지게 된다.
한편, 대리석과 같은 석재는 고강도이긴 하나 벽지로의 성형이 어려우며, 채굴, 가공 및 이동 상의 어려움으로 인하여 재료 조달에 과다한 비용이 소모된다는 단점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 석분(stone powder)을 벽지의 주재료로 사용하는 것을 특징으로 한다. 석분은 입자의 치밀함으로 인하여 첨가제를 다량 사용하지 않아도 높은 강도를 구현할 수 있고, 주변 환경에 따른 부피 변형률이 낮아 장기간 사용시에도 형태 변화가 거의 발생하지 않는다. 또한, 석재 모양을 유지할 필요가 없어 석재를 사용함에도 채굴, 가공 및 이송 비용을 획기적으로 낮출 수 있으며, 성형이 용이하다.
상기 석분은 황토석, 대리석, 맥반석, 화강석, 옥석 등 다양한 암석의 분말 형태가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 항균성, 항곰팡이성, 자외선 방출 등 다양한 기능을 가지는 황토석이 사용될 수 있다.
이때, 상기 석분의 함량은 35~45 wt%인 것이 바람직하며, 상기 석분의 함량이 45 wt%를 초과하는 경우 벽지의 성형성이 떨어지게 되며, 석분의 함량이 35 wt% 미만인 경우 벽지의 강도 및 물성이 떨어지게 된다.
상기 석분은 광산 또는 석재 가공 공장 등 다양한 경로를 통하여 쉽게 얻을 수 있으며, 벽지에 사용되기 전에 입자를 균일하게 하고 불순물을 제거하기 위하여 전처리 과정을 거치는 것이 바람직하다. 석분의 입자가 불균일하고 불순물이 다량 함유되는 경우 타 성분들과의 혼화성 및 응집성이 떨어져 벽지 자체의 물성이 낮아질 수 있다.
상기 전처리 과정은 다양한 방법에 의하여 이루어질 수 있으나, 일 실시예로 다양한 경로를 통하여 공급되는 석분을 급속 가열한 후 열수처리 하여 불순물을 제거하고, 롤러 밀, 진동 볼밀, 제트 밀, 터보 밀, 포트 밀 등에 의한 미분쇄 과정을 거쳐 균일한 입도를 가지도록 할 수 있다.
상기 급속 가열은 석분을 구성하는 이종 성분간의 열팽창 계수의 차이에 의하여 입계에서 미소균열을 야기함으로써, 불순물을 분리하고 추후 분쇄 과정을 용이하게 하기 위한 것이다. 상기 급속 가열은 다양한 방법으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 900MHz~5GHz의 전자기파를 이용하여 1~10분의 단시간에 석분의 온도를 700~800℃까지 상승시킴으로써 이루어질 수 있다.
급속 가열된 석분은 분리된 불순물을 제거하기 위하여 열수처리 과정을 거치게 되는데, 이때 열수처리는 200~250℃의 온도에서 20~40시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 열수처리 과정을 거진 석분은 건조 후 미분쇄 과정을 통하여 최종적으로 0.1~1mm의 균일한 입자 크기를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 친환경 벽지는 석분의 성형성을 높이기 위하여, 펄프 및 젤라틴 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 젤라틴 첨가제 성분은 석분 입자간의 응집력을 높임과 동시에 유연성을 부가하는 역할을 하며, 상기 펄프 성분은 벽지를 구성하는 기본 재료로서, 상기 젤라틴 첨가제 성분을 빨아들임과 동시에 석분들은 연결하는 충진재 역할을 하여 젤라틴 첨가제 성분과 석분과의 혼화성을 높이고 응집력을 더욱 향상시킨다.
상기 젤라틴 첨가제는 젤라틴 성분을 포함하는 다양한 재료가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 천연재료인 아교가 사용되는 것이 바람직하다. 상기 아교는 동물의 가죽, 힘줄, 창자, 뼈 등을 고아 그 액체를 고형화한 물질로서 화재시 바로 탄화되어 유독가스 발생량이 적고 화재의 진행속도를 낮출 수 있다.
또한, 아교는 적은 함량으로도 높은 접착효과를 얻을 수 있으며, 소재 특유의 유연성으로 인하여 벽지의 갈라짐이나 형태 변화를 최소화할 수 있다.
한편, 상기 아교는 아교의 유동학적 특성을 향상시키고, 특히 석분과의 혼화성을 높이기 위하여, 아교 전체 중량 대비 1~10 중량부의 글리세린이 추가로 첨가되어 사용될 수 있다. 상기 글리세린은 제조단계에서 아교 혼합액에 함께 혼합되어 투입되는 것이 바람직하다.
상기 젤라틴 첨가제의 함량은 5~15 wt%인 것이 바람직한며, 상기 젤라틴 첨가제의 함량이 15 wt%를 초과하는 경우 벽지가 휘거나 형태가 변형되는 현상이 발생할 수 있으며, 젤라틴 첨가제의 함량이 5 wt% 미만인 경우 벽지의 성형이 이루어지기 어렵다.
또한, 상기 펄프의 함량은 50~60 wt%인 것이 바람직한데, 상기 펄프의 함량이 60 wt%를 초과하는 경우 벽지의 난연성 및 물성이 떨어지게 되며, 펄프의 함량이 50 wt% 미만인 경우 석분과 젤라틴 첨가제의 혼화성 및 석분의 응집력이 떨어지게 된다.
한편, 본 발명의 친환경 벽지는 성분간의 응집력을 높이고 장기간 사용시에도 석분이 이탈되는 것을 최소화하기 위하여, 석분 전체 중량 대비 0.1~10 중량부의 점토 성분을 추가로 포함할 수 있다. 이때, 상기 점토 성분은 제조단계에서 점토, 유기산, 용매를 혼합한 혼합액을 함께 혼합하여 투입되는 것이 바람직하다.
상기 점토 성분은 용매 중에서 분산할 수 있는 것이면 종류를 가리지 않으며, 일 실시예로 운모, 버미큘라이트, 몬모릴로나이트, 베이델라이트, 사포나이트, 헥토라이트, 스티븐사이트, 스멕타이트, 카올리나이트, 견운모 등이 사용될 수 있다.
상기 유기산은 상기 점토 성분의 분산성을 향상시키기 위한 것으로, 용매 중에서 분산할 수 있는 것이면 종류를 가리지 않으며, 일 실시예로 옥살산, 말론산, 구연산, 석신산, 글루타르산, 아디프산, 피멜산, 수베르산, 말레산, 푸말산, 프탈산 등의 카르복실산 및 그 염이 사용될 수 있다. 상기 유기산은 점토 성분의 분산성을 향상시키기 위하여, 상기 점토 성분의 전체 중량 대비 50~100 중량부가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 용매는 물, 수용성 유기용매 또는 이들의 혼합용매 등이 사용될 수 있으며, 구체적으로는 메타놀, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등의 수용성 알코올과 물의 혼합용매가 사용될 수 있다. 상기 점토 및 유기산 성분과 용매는 3:7~5:5(w/w)의 비율, 바람직하게는 4:6의 비율로로 혼합되는 것이 바람직하며, 혼합과정에서 필요에 따라 교반이나 가열 과정이 동반될 수 있다.
한편, 본 발명의 친환경 벽지는 석분, 펄프 혼합액 및 젤라틴 혼합액을 혼합하여 습지를 제조하는 단계, 상기 제조된 습지를 프레스에 의해 가압 탈수하는 성형단계, 및 상기 성형된 초지를 스팀기에 의해 건조 처리하는 건조 단계를 통하여 제조될 수 있다.
이를 자세히 살펴보면, 먼저 펄프와 용매를 3:7~5:5(w/w)의 비율, 바람직하게는 4:6의 비율로 혼합한 혼합액과, 젤라틴 성분과 용매를 3:7~5:5(w/w)의 비율, 바람직하게는 4:6의 비율로로 혼합한 혼합액을 준비한 후, 상기 혼합액들과 석분을 혼합하여 걸죽한 형태의 습지를 제조한다.
상기 습지 제조 단계에서는 필요에 따라 전술한 바와 같이 점토 혼합액이 추가로 혼합될 수 있으며, 상기 용매는 물 또는 건조에 의하여 제거될 수 있는 유기용매 등이 사용될 수 있다.
이와 같이 제조된 습지는 통상의 종이가공용 프레스에 의해 가압 탈수한 후, 저온 스팀기에 의하여 건조처리 과정을 거치게 된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예 및 실험예들을 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
[실시예]
친환경 벽지의 제조
황토석 분말, 펄프와 물을 4:6(w/w)의 비율로 혼합한 혼합액 및 아교와 물을 4:6(w/w)의 비율로로 혼합한 혼합액을 혼합 후 반죽하여 습지를 제조하였다. 이후, 상기 습지를 종이가공용 프레스에 의해 가압 탈수한 후, 저온 스팀기에 의하여 건조처리하여 하기 표 1의 조성을 가진 친환경 벽지를 제조하였다.
비교예1 실시예1 실시예2 실시예3 비교예2
황토석 분말 25 35 40 45 55
펄프 70 60 55 50 40
아교 5 3 5 7 5
[실험예 1]
인열강도 측정
상기 실시예 및 비교예에 대하여 인열강도(tear strength)를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. (비교예 2의 경우 성형이 어려워 측정이 불가하였음)
비교예1 실시예1 실시예2 실시예3 비교예2
인열강도
(gf)		 MD 55 70 77 83 -
CD 62 75 80 85 -
[실험예 2]
항곰팡이성 측정
상기 실시예 및 비교예에 대하여 항곰팡이성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 공팜이 균주는 Aspergillus niger ATCC 9642, Penicillium pinophilum ATCC 11797, Chaetomium globosum ATCC 6205, Gliockadium virens ATCC 9645, Aureobasidium pullulans ATCC 15233의 혼합균주를 사용하였으며, 시험중 온도는 (29.1 ± 0.2)℃, 습도는 (99.0 ± 1.0)% R.H.로 유지하였으며, 접종 후 4주 후 결과를 측정하였다.
(등급기준 : "0"은 시험편의 접종한 부분에 균사의 발육이 인지되지 않음. "1"은 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 10% 미만임. "2"는 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 10~30% 임. "3"은 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 30~60% 임. "4"은 시험편의 접종한 부분에 인지되는 균사 발육부분의 면적이 전 면적의 60% 이상임.)
비교예1 실시예1 실시예2 실시예3
등급 1 0 0 0
[실험예 3]
항균성 측정
상기 실시예 및 비교예에 대하여 항균성을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다. 균주는 Escherichia coli ATCC 25922(1.6x10^6 CFU/ml)과 Staphylococcus aureus ATCC 6538(1.2x10^6 CFU/ml)를 각각 사용하였으며, 시험 중 온도는 (37.2 ± 0.2)℃, 습도는 (31.4 ± 0.3)% R.H.로 유지하였다.
시험항목 초기농도
(CFU/mL)		 24시간 후 농도
(CFU/mL)		 세균 감소율
(%)
Escherichia coli ATCC 25922에 의한 항균시험 비교예1 1.6x10^4 6.2x10^4 -
실시예1 1.6x10^4 <10 99.9
실시예2 1.6x10^4 <10 99.9
실시예3 1.6x10^4 <10 99.9
Staphylococcus aureus ATCC 6538에 의한 항균시험 비교예1 1.2x10^4 5.0x10^4 -
실시예1 1.2x10^4 <10 99.9
실시예2 1.2x10^4 <10 99.9
실시예3 1.2x10^4 <10 99.9
[실험예 4]
탈취성능 측정
상기 실시예 2의 시료를 반응기에 넣고 밀봉한 후, 시험가스의 초기농도를 50μmol/mol으로 주입하고, 시험가스의 농도를 초기(0분), 30분, 60분, 90분, 120분에서 측정하여 그 변화를 하기 표 5,6 및 도 1a,b에 표시하였다.
시험 중 온도는 (20.6 ± 0.3)℃, 습도는(52.1 ± 0.4)% R.H.로 유지하였으며, 시료가 없는 상태에서 동일한 시험을 진행하여 이를 balnk 농도로 표시하였다. 각 시간대별 시험가스의 제거율은 다음 식에 의해 계산하였다.
시험가스의 제거율(%) = [{(blank 농도)-(sample 농도)}/(blank 농도)]X100
시험항목 Blank 농도
 Sample 농도
 탈취율(%)
암모니아 (NH3)
 0분 50 50 0.0
30분 49 4 91.8
60분 49 2 95.9
90분 49 2 95.9
120분 49 1 98.0
시험항목 Blank 농도
 Sample 농도
 탈취율(%)
폼알데하이드 (HCHO)
 0분 50 50 0.0
30분 49 17 63.3
60분 49 17 65.3
90분 49 17 65.3
120분 49 17 65.3
[실험예 5]
원적외선 방사율 및 방사에너지 측정
상기 실시예 2의 시료에 대하여 원적외선 방사율과 원적외선 방사에너지를 측정하여 하기 표 7 및 도 2a,b에 표시하였다. 시험결과는 시험 중 온도는 (22.5 ± 0.1)℃, 습도는(23.3 ± 0.3)% R.H.로 유지하였다.
시험항목 단위 시험결과
원적외선 방사율
(측정온도:40℃, 측정파장:5㎛~20㎛)
-
0.90
원적외선 방사에너지
(측정온도:40℃, 측정파장:5㎛~20㎛)		 W/m2 2.66x102
상기 실험결과에서 확인할 수 있듯이, 본 발명은 석분을 이용하여 높은 원적외선 방사율 및 방사에너지를 가지며, 탈취성, 내곰팡이성, 항균성 등 다양한 기능을 가지는 기능성 벽지를 공급할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 황토석을 급속가열, 열수처리 및 미분쇄하여 황토석분을 준비하는 전처리 단계;
    상기 황토석분, 펄프 혼합액 및 아교 혼합액을 혼합하여 습지를 제조하는 단계;
    상기 제조된 습지를 프레스에 의해 가압 탈수하는 성형단계; 및
    상기 성형된 초지를 스팀기에 의해 건조 처리하는 건조 단계;를 포함하고,
    상기 급속가열은, 900MHz~5GHz의 전자기파를 이용하여 1~10분 동안에 석분의 온도를 700~800℃까지 상승시킴으로써 수행되고,
    상기 열수처리는, 200~250℃의 온도에서 20~40시간 동안 이루어지며,
    상기 미분쇄는 롤러 밀, 진동 볼밀, 제트 밀, 터보 밀 또는 포트 밀을 통해 수행되어, 상기 황토석분이 0.1~1mm의 균일한 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 황토석분을 이용한 친환경 벽지의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 펄프 혼합액이 펄프와 용매를 3:7~5:5(w/w)의 비율로 혼합한 혼합액인 것을 특징으로 하는, 황토석분을 이용한 친환경 벽지의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 아교 혼합액이 아교 성분과 용매를 3:7~5:5(w/w)의 비율로 혼합한 혼합액인 것을 특징으로 하는, 황토석분을 이용한 친환경 벽지의 제조방법.
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