KR101833548B1 - 계면접착성이 향상된 경량용 단열 석고 모르타르 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계면접착력을 개선시킨 경량용 모르타르 조성물에 관한 것으로, 상기 조성물은 단열을 위해 팽창 폴리스티렌(expanded polystyrene, EPS)을 경량 골재로 포함하고, 특정 범위의 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르를 혼화제로 포함하여 계면접착력을 개선시키고, 이에 따라 모르타르 자체의 처짐 저항성을 개선시킨다.

Description

계면접착성이 향상된 경량용 단열 석고 모르타르 조성물{Light Plaster Mortar Composition Having Improved Wet Adhesion}

본 발명은 석고를 바인더로 하는 모르타르 조성물로 단열성을 향상시키고, 계면접착성을 향상시킨 경량용 석고 모르타르 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단열을 위해 팽창 폴리스티렌(expanded polystyrene, EPS)을 경량 골재로 사용하는 경우 발생되는 재료분리 문제를 특정범위의 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르를 혼화제로 사용함으로써, 블록과 모르타르 사이의 낮은 계면 접착성을 개선시킨 경량용 석고 모르타르 조성물에 관한 것이다.

건축물들이 초고층화되면서 경량을 갖는 자재들에 대한 요구 증가로 등장한 경량용 모르타르는 시공 목적에 따라 결합제로 시멘트 또는 석고를 선택하고, 모르타르를 가볍게 할 목적으로 부석, 펄라이트 등 경량 골재의 종류 및 비율을 조절하고, 그외에 소석회, 모래, 석회석 등 중량 골재를 주성분으로 배합하여 만들어진다. 그리고, 여기에 증점성, 보수성, 이송성 등을 개선하기 위해 혼화제가 사용되어지고 있다.

한편, 천연 셀룰로오스 펄프로 제조되는 각종 셀룰로오스 에테르(cellulose ether) 및 그 유도체는, 증점제, 보수제 또는 재료분리 저감제 등의 명칭으로, 시멘트 또는 석고를 결합제로 사용하는 모르타르의 건축용 재료에 혼화제로 널리 사용되고 있다. 모르타르에 혼입된　셀룰로오스 에테르는 보수작용 및 증점작용과 같은 고유 기능을 발휘한다.

WO 2006/100531에서는 시멘트를 결합제로 하고 경량을 목적으로 부석 67%를 주 성분으로 하여 벤토나이트(Bentonite), 셀룰로오스 에테르 등 증점제를 혼합하여 벽과 바닥에 동시 적용할 수 있는 경량 모르타르 조성물을 개시하고 있다.

공개 특허 10-2010-0012554에서는 발포 유리를 유효성분으로 포함하는 석고 조성물로 제조되는 단열성 및 흡음성이 개선된 경량 내외장재에 대해 개시하고 있다.

또한, 미국 특허 4,654,085에서는 석고나 시멘트 모르타르에서 중요한 특성 중 하나인 모르타르에서 발생하는 처짐 저항성(sag resistance)을 해결하기 위해, 변성전분, 폴리아크릴아마이드 및 셀룰로오스 에테르가 95-75:20-5:1 비율로 함유되는 조성물을 사용하는 것을 개시하고 있다.

또 다른 미국 특허 4,043,827에서는 건조 모르타르의 처짐 저항성(Sag resistance)를 개선하기 위해 클레이(clay), 장쇄 유기 폴리머(longchain organic polymers)를 사용하는 것을 개시하고 있다.

그러나, 단열 석고 모르타르 분야에서 경량 골재를 사용하는 경우 경량 골재의 불균일 혼합으로 인한 재료 분리 문제, 또한 이로 인한 블록과 모르타르 계면 사이에 발생하는 계면접착성의 저하는 여전히 해결되지 않고 있다.

이에 본 발명자들은 경량용 단열 석고 모르타르에 대한 연구를 하면서, 팽창 폴리스티렌를 경량 골재로 활용하여 단열효과를 증가시킨 경량용 석고 모르타르 조성물에 특정 치환도(Degree of Substitution)를 갖는 셀룰로오스 에테르를 사용하는 경우, 경량 골재의 사용으로 발생되는 재료 분리에 의한 블록과 모르타르 계면 사이의 낮은 계면접착성(Wet adhesion)을 개선시킬 수 있음을 밝혀 본 발명을 완성하였다.

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 경량 골재의 사용에 따른 재료 분리에 의한 블록과 모르타르 계면 사이에 발생하는 낮은 계면접착성을 개선시킨 경량용 석고 모르타르 조성물을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 경량 골재로서 팽창 폴리스티렌을 포함하는 경량용 석고 모르타르 조성물에 혼화제로서 특정 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 계면접착성이 향상된 경량용 석고 모르타르 조성물을 제공한다.

여기서, 상기 셀룰로오스 에테르로는 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스 및 메틸셀룰로오스로 이루어진 군에서 일종 이상 선택될 수 있다.

또한, 이들은 메틸기 치환도(MeO)가 28 내지 31%이며, 히드록시 프로필(HPO)기 또는 히드폭시 에틸(HEO)기 치환도가 0 내지 3% 범위에 있는 것이 바람직하다.

상기 경량 골재인 팽창 폴리스티렌은 상기 모르타르 조성물 전체 중량에 기초하여 1.0 내지 5중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 팽창 폴리스티렌은 단위 용적 중량이 11 내지 14g/l이고, 입자 크기가 0.2 내지 0.4mm인 것이 사용되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 셀룰로오스 에테르는 상기 팽창 폴리스티렌을 포함하는 모르타르 조성물 100중량부에 대하여 0.05 내지 0.5중량부의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 경량 골재로서 EPS를 사용하여 단열효과를 향상시킨 경량용 석고 모르타르 조성물을 얻을 수 있으며, 이러한 조성물에 특정 치환도(Degree of Substitution)의 셀룰로오스 에테르를 사용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 경량용 석고 모르타르에 경량골재 EPS를 사용하여 단열효과를 얻을 수 있어, 열 손실을 방지하여 에너지를 절감할 수 있다.

둘째, 경량용 석고 모르타르 조성물의 경량화로 인해 발생하는 재료분리 현상을 특정 치환도의 셀룰로오스 에테르를 사용하여 방지함으로써, 모르타르의 균일한 믹싱을 용이하게 한다.

셋째, 균일한 모르타르 믹싱으로 인해 블록과 모르타르의 계면에서의 계면 접착성(Wet Adhesion)을 향상시킨다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 경량 골재로서 팽창 폴리스티렌을 포함하는 경량용 석고 모르타르 조성물에 혼화제로서 특정 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 계면접착성이 향상된 경량용 석고 모르타르 조성물이다.

본 구현예에 따르면, 경량 골재로서 팽창 폴리스티렌(EPS)를 사용함으로써 단열 효과를 증가시킬 수 있으며, 따라서, EPS는 석고 모르타르 조성물 전체 중량을 기초하여 1.0 내지 5.0중량%의 양으로 포함될 수 있다.

상기 EPS 함량이 1중량% 미만일 경우 경량용 석고 모르타르의 효과인 단열효과가 없을 뿐만 아니라, 경량효과도 거의 없고, 또한 5.0중량%를 초과하는 경우 경량용 모르타르의 계면 접착성(Wet Adhesion)의 개선효과가 없으며, 처짐 저항성 또한 좋지 않아 시공에 어려움이 있을 수 있다.

또한, 사용되는 EPS는 단위 용적 중량(g/ℓ)이 11 내지 14이고, 입자 크기(mm)가 0.2 내지 0.4의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

그러나, EPS의 사용은 물과 모르타르의 혼합이 빠르게 진행되는 기계 믹싱 시 EPS의 비친수성(Hydrophobic)에 의해 재료분리 현상이 나타나 블록과 모르타르의 계면 접착력(Wet Adhesion)이 저하되어 궁극적으로 처짐 저항성이 좋지 않게 될 수 있다.

이를 보완하기 위하여, 혼화제로서 특정 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르를 포함시킨다.

상기 특정 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르로는 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스 및 메틸 셀룰로오스로 이루어진 군에서 일종 이상 선택될 수 있으며, 이들은 메틸기 치환도(MeO)가 28 내지 31%이며, 히드록시 프로필(HPO) 또는 히드록시 에틸(HEO) 치환도가 0 내지 3% 범위에 있는 것이 바람직하다.

상기 메틸기 치환도가 높으면 소수성(Hydrophobicity)이 높아지며, 히드록시 프로필(HPO)기 또는 히드록시 에틸(HEO)기가 적을 경우 역시 소수성이 높아지게 되며, 이로 인하여 소수성을 나타내는 EPS의 모르타르 내에서 재료 분리가 나타나는 현상을 같은 소수성을 나타내는 셀룰로오스 에테르를 사용하여 재료 분리를 방지하여 궁극적으로 블록과 모르타르 사이의 계면 접착성(Wet Adhesion)을 향상시킬 수 있다.

따라서, 메틸기 치환도가 28% 미만일 경우, 즉 히드록시 프로필(HPO)기 또는 히드록시 에틸(HEO)기 치환도가 3%를 초과할 경우 소수성이 떨어지는 효과가 발생하여 EPS의 재료분리 현상을 개선하지 못할 수 있다.

상기와 같은 특정 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르는 석고 모르타르 조성물 100중량부에 대하여 0.05 내지 0.5 중량부의 범위 내에서 사용될 수 있으며, 셀룰로오스 에테르의 사용이 물과 모르타르의 균일 혼합을 가능하게 한다. 결과적으로 재료분리 현상을 방지를 통해 블록과 모르타르 계면 사이의 접착성(Wet adhesion)을 개선시킬 수 있다.

한편, 상기 모르타르 조성물에는 경량 골재로서 EPS 이외에 이 분야에서 일반적으로 사용되는, 석고, 무기질 충전재, 및 소석회 등이 사용될 수 있다.

상기 석고는 주결합재로서의 역할을 수행하며, 이러한 석고로는, 예를 들어, 수화반응을 통한 응결 경화 능력이 있는 반수석고가 사용될 수도 있고, 무수석고가 사용될 수도 있다.

상기 무기질 충전재로는 규석 또는 석회석 분말이 주로 사용되며, 이는 결합재와 결합재 사이의 공극을 충진하는 역할과 작업성을 개선하는 역할을 수행한다. 여기서, '결합재'란 주로 물과의 화학 반응을 통해 응결 및 경화되어 결합력을 발휘하는 석고 입자를 의미한다.

상기 소석회는 pH를 조절하고 작업성을 개선하는 역할을 수행한다.

또한, 혼화제로서 특정 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르 이외에, 변성 전분, 공기 연행제 및 지연제 등의 기능성 첨가제가 사용될 수 있으며, 여기서 상기 지연제로는 주로 시트르산(citric acid) 또는 타르타르산(taratric acid) 등의 유기산 또는 유기산 염이 사용되며 석고의 수화반응을 지연시킴으로서 작업시간을 확보하는 역할을 수행한다.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 5 및 비교예 1

본 실시예 1 내지 5 및 비교예 1은 경량 골재로서 EPS 사용이 단열 효과에 미치는 영향을 확인하였다.

실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 경량용 모르타르 조성물을 하기 표 1에 나타낸 성분과 함량으로 준비하고, 0.5mm 이하의 입경을 갖는 석고, 무기질 충진재로서 0.5 내지 1.5mm의 입경을 갖는 석회석 분말과 0.5mm이하의 입경을 갖는 소석회 분말, 그리고 0.5mm 이하의 입경을 갖는 미분 석회석 및 경량 골재로서 EPS를 혼합하고, 이어서, 혼화제로서 셀룰로오스 에테르, 변성전분, 공기연행제 및 지연제를 혼합하여 석고 모르타르 조성물을 제조하였다.

구분		비교예1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
석고	<0.5mm	60	59	57	55	53	50
소석회	<0.5mm	10	10	10	10	10	10
미분석회석	<0.5mm	10	10	10	10	10	10
석회석	0.5~1.5mm	20	20	20	20	20	20
경량 골재	EPS	0	1.0	3.0	5.0	7.0	10.0
합	-	100	100	100	100	100	100
CE	-	0.20	0.20	0.20	0.20	0.20	0.20
변성전분	-	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02
공기연행제	-	0.015	0.015	0.015	0.015	0.015	0.015
지연제	-	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05

*EPS : Kommanditgesllschaft Herbert Dietrich Schulze GmbH, B933B

*CE : 셀룰로오스 에테르 (브룩필드 점도계로 20℃, 20rpm 조건하, 2중량% 수용액 점도는 30,000cps이고, 메틸기 치환도가 30%이고, 히드록시에틸기 치환도가 2%인 HEMC)

*변성전분 : 하이드로프로필 스타치

*공기연행제 : 올레핀 설포네이트

*지연제 : 타르타르산

평가예 1

상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1로부터 얻은 모르타르 조성물에 대하여 물요구량, 이송압력, 플로우 및 열전도계수에 대하여 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

- 물요구량 : PFT G5의 수위 게이지로 측정

- 이송 압력 : PFT G5의 이송 호수 사이에 걸리는 압력 측정

- 풀로우 : EN 1015-3에 준수하여 측정

- 열전도도 : 열전도 분석기를 사용하여 KS F9106에 의거하여 측정함.

구분	물요구량	이송압력	풀로우	열전도도
단위	l/h	bar	mm	W/m.K
비교예 1	800	10	170	0.85
실시예 1	800	10	175	0.32
실시예 2	800	10	181	0.40
실시예 3	800	10	190	0.32
실시예 4	800	10	200	1.04
실시예 5	800	10	220	1.25

상기 표 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1과 실시예1를 비교하여 보면 EPS를 사용한 실시예 1의 경우에서 열전도계수가 감소하였음을 알 수 있으며, 이는 단열효과가 개선됨을 나타내는 것이다.

한편, EPS 함량이 5중량% 이상인 실시예 4 및 실시예 5에서 단열효과가 다시 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 6 내지 8 및 비교예 2 내지 3

본 실시예 6 내지 9 및 비교예 2를 통하여 셀룰로오스 에테르의 치환도와 계면 접착성과의 관계를 확인하였다.

하기 표 3에 나타난 바와 같이 경량용 단열 모르타르 가이드 배합 조건을 참조하되, 사용되는 셀룰로오스 에테르의 종류와 치환도를 달리하여 하기 표 4와 같이 단열 석고 모르타르를 제조하였다.

구분		함량
석고	<0.5mm	57
소석회	<0.5mm	10
미분 석회석	<0.5mm	10
석회석	0.5~1.5mm	20
경량 골재	EPS	3
합	-	100
CE	-	0.20
변성전분	-	0.02
공기연행제	-	0.015
지연제	-	0.05

구분	CE의 종류	메틸기 치환도(%)	히드록시프로필(HPO) 또는 히드록시에틸 치환도(%)
비교예 2	HEMC	23	9
비교예 3	HPMC	23	9
실시예 6	HEMC	28	3
실시예 7	HPMC	28	3
실시예 8	MC	30	0

* HEMC : 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스

* HPMC : 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스

* MC : 메틸 셀룰로오스

평가예 2

상기 실시예 6 내지 8 및 비교예 2 내지 3으로부터 얻은 모르타르 조성물에 대하여 물요구량, 이송 압력, 풀로우, 낙하한 모르타르양, 및 처짐 저항성을 평가 하여 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

- 낙하한 모르타르양 : : 20KG 모르타르를 건식 몰탈 혼합 방법(V-mixer, 20분)으로 제조한후 PFT G5 연속 믹서를 사용하여 물과 혼합 후 1㎡ 면적의 블록에 스프레이 했을 때 모르타르가 블록에 붙지 못하고 떨어지는 총량(g)

- 처짐 저항성 :기계 믹서에 의해 스프레이 후 몰탈이 벽면에서 떨어지지 않고 붙어 있는 정도를 육안으로 점수를 매김.(점수가 높을수록 ○ 개수가 많음)

구분	물요구량	이송압력	풀로우	낙하한 모르타르양	처짐 저항성
단위	l/h	bar	mm	g	관능
비교예 2	780	12	177	640	○○
비교예 3	780	12	176	520	○◐
실시예 6	780	12	175	200	○○○
실시예 7	780	12	175	200	○○○
실시예 8	780	12	176	100	○○○

상기 표 5를 통해 알 수 있는 바와 같이, 메틸기의 치환도가 증가할수록 낙하한 모르타르 양이 감소함을 확인할 수 있으며, 특히 메틸기 치환도가 28% 이상으로 증가할 경우에 낙하한 모르타르 양이 현저히 감소함을 확인할 수 있고, 이는 블록과 모르타르 사이의 계면접착성이 향상되었음을 나타내는 것이다.

또한, 비교예 2와 비교예 3을 비교하면, HPMC가 HEMC에 비하여 낙하한 모르타르 양이 약간 적었으나, 실시예 7 및 8을 보면, 치환체에 관계없이, 메틸기의 치환도가 28% 이상이면 낙하한 모르타르 양이 유사함을 알 수 있다.

상기 실시예를 통해 경량용 모르타르 조성물 100중량부에 대해 EPS 함량이 0.1 내지 5.0중량부일 경우에 단열효과가 있음을 확인할 수 있었고, 메틸기 치환도가 28 내지 31%이며, 히드록시 프로필 또는 히드록시 에틸 치환도가 0 내지 3%인 셀룰로오스 에테르를 사용할 때 경량 골재를 재료로 사용시 발생하는 재료분리 현상을 방지하여 블록과 모르타르의 계면 접착성(Wet Adhesion)이 향상됨을 확인할 수 있다.

본 발명은 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 경량 골재로서 팽창 폴리스티렌을 포함하는 경량용 석고 모르타르 조성물에, 혼화제로서 특정 치환도를 갖는 셀룰로오스 에테르를 포함하되,
   여기서, 상기 셀룰로오스 에테르로는 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스 및 메틸 셀룰로오스로 이루어진 군에서 일종 이상 선택되고,
   여기서, 상기 셀룰로오스 에테르의 메틸기 치환도(MeO)는 28 내지 31%이며, 히드록시프로필(HPO)기 또는 히드록시에틸(HEO)기 치환도는 0 내지 3%이고,
   여기서, 상기 경량 골재인 팽창 폴리스티렌은 상기 모르타르 조성물 전체 중량에 기초하여 1.0 내지 5중량%의 범위 내에서 사용되는 것인 계면접착성이 향상된 경량용 석고 모르타르 조성물.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 경량 골재인 팽창 폴리스티렌은 단위 용적 중량이 11 내지 14g/l이고, 입자 크기가 0.2 내지 0.4mm인 계면접착성이 향상된 경량용 석고 모르타르 조성물.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 셀룰로오스 에테르는 상기 팽창 폴리스티렌을 포함하는 모르타르 조성물 100중량부에 대하여 0.05 내지 0.5중량부의 범위 내에서 사용되는 것인 계면접착성이 향상된 경량용 석고 모르타르 조성물.