KR102069187B1 - 과립형 발포유리 및 발포유리 코팅층의 형성 방법 및 이를 이용한 불연성 단열재 - Google Patents

과립형 발포유리 및 발포유리 코팅층의 형성 방법 및 이를 이용한 불연성 단열재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분말 형태의 폐유리를 준비하는 제 1 단계; 상기 분말 형태의 폐유리를 결합제와 혼합하여 과립 형태의 성형체를 형성하는 제 2 단계; 및 상기 과립 형태의 성형체를 소성하여 발포시키는 제 3 단계;를 포함하는, 과립형 발포유리 형성 방법.을 제공한다.

Description

과립형 발포유리 및 발포유리 코팅층의 형성 방법 및 이를 이용한 불연성 단열재{Methods for fabricating granular foam glass and coating layer of foam glass and flame-proof thermal insulating material using the same}
본 발명은 과립형 발포유리 및 발포유리 코팅층의 형성 방법 및 이를 이용한 불연성 단열재에 관한 것으로서, 구체적으로는 폐유리를 원료로 하여 과립형 발포유리 및 발포유리 코팅층을 형성하는 방법과 이를 이용한 불연성 단열재에 관한 것이다.
발포유리는 경량이면서 불꽃차단, 단열, 내열, 흡음 등에 탁월한 성능을 발휘하여 산업설비 방수, 내열성, 내구성이 요구되는 경우에 사용되며, 특히 구조물이나 건축물에 있어서 훌륭한 보온단열재 및 흡음재로 쓰인다.
발포유리의 제조 원리는 1930년대 후반에 이미 제안된 바 있다. 그 일예로서 특별한 조성의 유리에 탄소와 같은 환원제와 산화물, 설페이트(sulfate) 또는 다른 형태의 산화성분들을 함유하는 기포형성제를 함께 혼합하여 이를 분쇄한 후, 이 분쇄된 혼합물을 일정한 용기 또는 틀에 넣어 연화 또는 용융 전까지 소성시키는 것이다.
이 열처리 과정에서 탄소와 황산화물(또는 산화제 또는 유리의 산화물) 사이에 산화-환원반응이 일어나고 그 결과 용융된 유리는 SO2 , CO2 , N2 , H2S 또는 다른 가스를 함유하게 되며 이것이 저밀도이며 열전도 및 복사에 저항이 되는 구조를 형성하게 하는 물질을 만들며 유리내에 기공을 형성한다. 그 결과 가장 최상의 결과를 얻을 경우 유리의 구조는 물 또는 수증기, 또는 다른 액체 및 기체 등이 스며들지 않는 밀폐기공을 갖게 된다.
이와 같은 제조 원리에 따라 제조되는 발포유리 블록의 제조 공정에 대해서는 많은 연구결과 및 관련 특허가 제안된 바 있다. 미국의 피츠버그 코닝(Pittsburg Corning)사에서 상용화한 발포유리를 제조하기 위해서는 일차적으로 특별한 조성의 발포유리 제조용 원료유리를 제조하여야 한다. 이를 위해서 통상의 유리 제조용 원료 성분에다 발포유리가 될 수 있도록 CaCO3, MgCO3, Na2O, As2O3 등의 여러 성분을 가하여 1300∼1600℃의 용융과정을 거쳐 발포유리를 만들 수 있는 발포유리제조용 원료유리를 만들고 있다. 그리고 이렇게 만들어진 유리를 분쇄하고 여기에 다른 성분과 반응하여 직접적인 발포제 역할을 하는 기체를 생성하는 발포조제인 탄소성분 등을 첨가하여 잘 혼합한 다음, 이 혼합된 발포유리 제조용 원료유리 분말을 일정한 용기에 담아 400∼650℃에서 예열하고, 800∼900℃의 조건하에서 발포과정을 거친 후 안정화를 위한 냉각, 서냉 등의 열처리 과정을 거친 것을 일정한 크기로 절단하여 포장 판매하고 있다.
그러나 이 공정은 발포유리 제조용 원료유리를 만드는 과정에서 상기한 바와 같이 용융시 열처리 온도가 1300∼1600℃로 되어 다량의 에너지가 소요되고, 그에 따른 시설투자 및 관리비용이 필요하기 때문에, 발포유리 제조용 원료유리의 생산비용이 발포유리 생산원가의 절반 이상을 차지하고 있다.
한편, 발포유리를 제조함에 있어서 유리의 발포구간을 가능한 정확하게 예측하여 저온에서 제조하는 것이 매우 중요하다. 그러나 이와 같은 제조원리에 따라 발포유리 블록의 제조공정에 대해서는 많은 연구결과 및 관련 특허가 제안된 바 있으나, 발포유리 생성구간에 대한 연구는 미미하였다.
종래부터 발포유리 생성구간에 대한 정확한 예측을 위한 실험은 고온현미경 등을 이용한 실시간적인 이미지를 통하여 거시적인 단계에서 진행되고 있는 것이 현실이었다. 이는 유리의 정확한 발포구간을 예측할 수가 없으며 단위 또한 밀리미터(mm)단위로 밖에 측정을 할 수가 없는 한계가 있었다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폐유리를 이용함으로써 특별한 조성을 만들기 위한 유리의 용융, 가수분해 또는 기타의 어떠한 사전 공정도 필요로 하지 않으면서도 균일한 기공분포를 갖는 효율적인 기능의 과립형 발포유리 및 발포유리 코팅층을 제조하는 방법과 이를 이용하는 불연성 단열재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 과립형 발포유리 형성 방법을 제공한다. 상기 과립형 발포유리 형성 방법은 분말 형태의 폐유리를 준비하는 제 1 단계; 상기 분말 형태의 폐유리를 결합제와 혼합하여 과립 형태의 성형체를 형성하는 제 2 단계; 및 상기 과립 형태의 성형체를 소성하여 발포시키는 제 3 단계;를 포함한다.
상기 과립형 발포유리 형성 방법에서, 상기 제 2 단계는 상기 분말 형태의 폐유리를 결합제와 혼합하여 과립 형태의 폐유리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 단계의 상기 결합제는 메틸셀룰로스(methyl cellulose) 또는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)을 포함하며, 상기 과립 형태의 폐유리 중에서 상기 결합제의 함량은 8 내지 12 wt%일 수 있다.
상기 과립형 발포유리 형성 방법에서, 상기 제 2 단계는 상기 분말 형태의 폐유리를 결합제 및 용매와 혼합하여 압출 성형체용 혼련물을 형성하는 단계; 상기 압출 성형체용 혼련물을 압출성형하여 압출물을 형성하는 단계; 및 상기 압출물을 절단하여 과립형 압출성형물을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 단계의 상기 결합제는 메틸셀룰로스(methyl cellulose) 또는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)을 포함하며, 상기 압출 성형체용 혼련물 중에서 상기 결합제의 함량은 1 내지 5 wt%일 수 있다.
상기 과립형 발포유리 형성 방법에서, 분말 형태의 폐유리를 준비하는 제 1 단계;는 폐유리를 분쇄하는 단계; 및 상기 폐유리를 밀링하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 과립형 발포유리 형성 방법에서, 상기 폐유리는 소듐-실리케이트 또는 보로알루미노-실리케이트 조성의 폐유리를 포함할 수 있다.
상기 과립형 발포유리 형성 방법에서, 상기 과립 형태의 성형체를 소성하여 발포시키는 제 3 단계;는 상기 과립 형태의 성형체를 800 내지 1100℃에서 1 내지 4 시간 동안 소성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의한 발포유리 코팅층 형성 방법을 제공한다. 상기 발포유리 코팅층 형성 방법은 상술한 상기 과립형 발포유리를 무기질 바인더와 혼합하여 발포유리 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 발포유리 혼합물을 대상체의 적어도 일부에 코팅하는 단계;를 포함한다.
상기 발포유리 코팅층 형성 방법에서, 상기 무기질 바인더는 무기 실리케이트계 용액을 포함하며, 상기 발포유리 혼합물 중에서 상기 무기질 바인더의 함량은 25 내지 50 wt%일 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 의한 불연성 단열재를 제공한다. 상기 불연성 단열재는 대상체; 및 상기 대상체 표면에 상술한 상기 발포유리 코팅층;을 포함한다.
상기 불연성 단열재에서, 상기 대상체는 스티로폼, 플라스틱, 금속, 목재 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 폐기처분되는 폐유리를 이용하여 발포형성제의 첨가 없이 공정제어를 통하여 발포유리를 제조하므로 공정이 단순화되어 공정제어가 용이하면서도 균일한 기공구조를 가진 심미적 특성이 우수한 발포유리를 제조할 수 있으므로 다양한 건축 및 환경관련 물품에 사용될 수 있다. 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발포유리 코팅층 형성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포유리 코팅층 형성 방법에서 과립 형태의 폐유리를 소성하여 발포시키는 단계를 수행한 과립화된 발포유리의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포유리 코팅층 형성 방법에서 과립 형태의 폐유리를 소성하여 발포시키는 단계를 수행한 과립화된 발포유리를 촬영한 SEM 사진들이다.
도 4는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 발포유리 코팅층 형성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 변형된 실시예의 압출성형체용 혼련물을 성형하기 위한 압출성형기이다.
도 6은 상기 압출성형기를 이용하여 혼련물을 성형하고 건조한 압출물의 사진(왼쪽)과 일부분의 확대사진(오른쪽)이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 상기 압출물을 절단하여 과립화한 시료 및 이를 소성한 시료의 사진들 이다
도 8은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 과립형태의 압출물을 소성하여 발포시키는 단계를 수행한 과립화된 발포유리의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 과립 형태의 압출물을 소성하여 발포시키는 단계를 수행한 과립화된 발포유리를 촬영한 SEM 사진들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 불연성 단열재들과 비교예에 따른 단열재를 촬영한 사진들이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 불연성 단열재의 단면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 12는 본 발명의 다양한 다른 실시예들에 따른 불연성 단열재를 촬영한 사진들이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 불연성 단열재와 비교예에 따른 단열재에 대한 화염방사 테스트의 결과를 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 생활상이나 산업적으로 발생되는 폐유리를 이용하여 발포유리의 제조를 위한 다른 특별한 전처리공정을 거치지 않고 폐유리를 직접 발포시켜 발포유리를 제조하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 과립형 발포유리의 형성 방법(S110 내지 S150) 및 발포유리 코팅층 형성 방법(S110 내지 S170)을 단계별로 표시한 순서도이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 따르는 발포유리의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하면, 발포유리 원료로서 폐유리를 준비한다(S110). 상기 폐유리는, 예를 들어, 소듐-실리케이트(sodium-silicate) 또는 보로알루미노-실리케이트(boroalumino-silicate) 조성의 폐유리를 포함한다. 이러한 소듐-실리케이트 또는 보로알루미노-실리케이트 조성 폐유리를 발포유리의 원료로 사용하는 경우에는 별도의 발포형성제의 첨가 없이도 발포유리의 제조가 가능하기 때문이다.
다음, 준비된 폐유리를 분쇄하고 밀링하여 발포용 원료분말을 제조한다(S120, S130). 이때 준비된 폐유리는 디스크밀, 볼밀 등의 분쇄장치을 이용한 습식분쇄공정으로 분쇄된다. 이때 용매로는 물, 에틸 알코올, 메틸 알코올 및 아세톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 용매를 사용할 수 있다.
효율적인 분쇄를 위해 상기 폐유리의 분쇄는 복수의 단계를 거쳐 진행될 수 있다. 예를 들어, 폐유리를 조크러셔, 디스크밀등의 건식방법으로 1차 조분쇄한 후 이를 볼밀, 비드밀 등의 분쇄장치를 이용한 습식분쇄공정으로 더욱 미세한 분말로 2차 미분쇄할 수 있다.
최종적으로 분쇄된 분말의 입도는 미세할수록 바람직하나, 분말의 제조에 투입되는 경제적인 비용을 고려하여 분말의 크기가 1 내지 10㎛ 크기가 되도록 조절할 수 있다.
이후 폐유리 분말을 결합제와 혼합하여 과립 형태의 폐유리를 형성한다(S140). 상기 결합제는 메틸셀룰로스(methyl cellulose) 또는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)을 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 형성된 상기 과립 형태의 폐유리 중에서 상기 결합제의 함량이 8 내지 12 wt%일 수 있다. 결합제의 함량이 8 wt% 보다 낮은 경우 폐유리 분말 간의 결합이 불량해지며, 결합제의 함량이 12 wt% 보다 높은 경우 평균적인 형상이 과립 형태로 구현되지 않는 문제점이 나타난다.
계속하여, 상기 과립 형태의 폐유리를 소성하여 발포시킨다(S150). 바람직하게는, 상기 과립 형태의 폐유리를 800 내지 1100℃에서 1 내지 4 시간 동안 소성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포유리 코팅층 형성 방법에서 과립 형태의 폐유리를 소성하여 발포시키는 단계(S150)를 수행한 과립화된 발포유리의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 단계(S150)를 수행한 과립화된 발포유리의 평균밀도는 0.8286g/cm3이며, 기공율(porosity)은 62.7%인 것으로 나타났다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포유리 코팅층 형성 방법에서 과립 형태의 폐유리를 소성하여 발포시키는 단계를 수행한 과립화된 발포유리를 각각 저배율과 고배율로 촬영한 SEM 사진들이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 과립 형태의 폐유리를 소성하여 발포시키는 단계(S150)를 수행한 과립화된 발포유리에서 기공이 존재함을 확인할 수 있다.
본 발명에 있어서, 발포유리의 생성 메카니즘을 아래 식 1을 참조하여 설명한다.
식1)
Figure 112016086405059-pat00001
식 1에 나타나는 바와 같이, 특정 조성을 가지는 원료유리, 예를 들어 소듐-실리케이트와 같이 상기 식 1의 M이 Na인 경우, 물을 가하면 가수분해에 의하여 물속의 H+ 이온과 유리의 Na+ 이온이 서로 교환되며 NaOH 알칼리 용액이 형성되게 된다(1Step). 다음, NaOH 알칼리 용액의 OH- 이온이 유리에 침투하며 SiO2 방목구조를 파괴하게 된다(2Step). 이후 소성 발포 공정을 거치면서, 가수분해결과 유리에 함유된 유리상태 수분 또는 OH- 성분이 분해되어 연화 또는 용융된 유리입자의 내부에 기포를 형성하게 되고 이와 같이 유리입자 내부에 트랩(trap)된 결과 유리 내에 기포가 형성되어 발포유리가 된다.
본 발명의 실시예를 따르는 제조공정에 의하여 제조된 과립형 발포유리는 균일한 미세 기공구조를 가지며 우수한 기계적 특성과 더불어 뛰어난 심미성까지 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 제조방법에 의하여 제조된 발포유리의 물성은 0.287 g/cm3의 밀도값과 88%의 기공율, 1.4 MPa의 압축강도, 그리고 25℃에서 0.070 kcal/mh℃ 열전도도를 나타낼 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 과립형 발포유리 형성 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 과립형 발포유리의 형성 방법(S10 내지 S70)을 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 과립형 발포유리 형성 방법은 분말 형태의 폐유리를 준비하는 단계; 상기 분말 형태의 폐유리를 결합제와 용매를 혼합하여 압출 성형체용 혼련물을 얻는 단계; 상기 혼련물을 원하는 형상으로 압출하여 성형체를 얻는 단계; 과립 형태의 압출물을 소성하여 발포시키는 단계;를 포함한다.
먼저, 발포유리 원료로서 폐유리를 준비한다(S10). 상기 폐유리는, 예를 들어, 소듐-실리케이트(sodium-silicate) 또는 보로알루미노-실리케이트(boroalumino-silicate) 조성의 폐유리를 포함한다. 이러한 소듐-실리케이트 또는 보로알루미노-실리케이트 조성 폐유리를 발포유리의 원료로 사용하는 경우에는 별도의 발포형성제의 첨가 없이도 발포유리의 제조가 가능하기 때문이다.
다음, 준비된 폐유리를 분쇄하고 밀링하여 발포용 원료분말을 제조한다(S20, S30). 이때 준비된 폐유리는 이때 준비된 폐유리는 디스크밀, 볼밀 등의 분쇄장치을 이용한 습식분쇄공정으로 분쇄된다. 이때 용매로는 물, 에틸 알코올, 메틸 알코올 및 아세톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 용매를 사용할 수 있다.
효율적인 분쇄를 위해 상기 폐유리의 분쇄는 복수의 단계를 거쳐 진행될 수 있다. 예를 들어, 폐유리를 조크러셔, 디스크밀등의 건식방법으로 1차 조분쇄한 후 이를 볼밀, 비드밀 등의 분쇄장치를 이용한 습식분쇄공정으로 더욱 미세한 분말로 2차 미분쇄할 수 있다.
최종적으로 분쇄된 분말의 입도는 미세할수록 바람직하나, 분말의 제조에 투입되는 경제적인 비용을 고려하여 분말의 크기가 1 내지 10㎛ 크기가 되도록 조절 할 수 있다.
이후 오븐 등의 건조장치를 이용하여 미세한 폐유리 분말 얻고(S40) 이를 결합제와 용매를 혼합하여 압출 성형체용 혼련물을 얻는다(S50). 상기 결합제는 메틸셀룰로스(methyl cellulose) 또는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)을 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 결합제의 함량이 1 내지 5 wt%인 것을 특징으로 할 수 있다. 결합제의 함량이 1 wt% 보다 낮은 경우 폐유리 분말 간의 결합이 불량해지며, 결합제의 함량이 5 wt% 보다 높은 경우 후속의 압출공정에서 압출 불량이 나타날 수 있다. 한편 용매의 첨가량은 바람직하게는 10wt% 내지 60wt% 특히 25wt% 내지 45wt% 인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 변형된 실시예의 압출성형체용 혼련물을 성형하기 위한 압출성형기이고, 도 6은 상기 압출성형기를 이용하여 혼련물을 성형하고 건조한 압출물의 사진(왼쪽)과 일부분의 확대사진(오른쪽)이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 압출성형체용 혼련물을 압출성형기(도 5 참조)를 이용하여 압출성형을 진행하여 원하는 모양 및 크기의 압출물(도 6 참조)을 얻고, 압출성형물을 건조시킨다(S60). 본발명의 변형된 실시예에서는 가늘고 긴 원기둥 모양을 제조할 수 있는 압출성형몰드를 선택하여 압출공정을 진행하였다.
상기 압출물의 건조는 전기오븐 등을 이용한 가열건조 및 대기중 방치를 통한 자연건조를 선택하여 진행 할 수 있으며 현 실시예에서는 자연건조를 진행하였다. 가열건조를 진행할 경우 생산시간의 단축의 장점이 있으나 가열건조로 인한 급속한 용매의 휘발등으로 인해 표면의 갈라짐 등이 발생할 우려가 있지만 압출성형을 위한 혼련물 제조시 추가 실험을 통해 첨가제 및 용매의 함량을 면밀히 조정하면 극복할 수 있다.
도 7a는 상기 압출물을 절단하여 과립화한 시료의 사진들이고, 도 7b는 도 7a의 결과물을 소성한 시료의 사진들이고, 도 8은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 과립형태의 압출물을 소성하여 발포시키는 단계(도 4의 S70)를 수행한 과립화된 발포유리의 특성을 나타내는 그래프이고, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 과립 형태의 압출물을 소성하여 발포시키는 단계를 수행한 과립화된 발포유리를 촬영한 SEM 사진들이다.
먼저, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 건조된 압출물을 과립형태의 성형체를 얻기 위해 적당한 길이로 절단하여 건조된 성형체를 얻었다(도 7a). 자동화 공정을 위해서는 압출성형기의 성형체 토출부분에 커터를 달아 회전, 절단시키면 연속공정으로 압출성형된 과립을 얻을 수 있다. 압출성형시 몰드의 지름, 회전커터의 속도를 조절하면 과립의 지름과 길이를 원하는 형태로 얻을 수 있다. 계속하여, 상기 과립형태의 압출물을 800 내지 1100℃에서 1 내지 4 시간 동안 소성할 수 있다(S70, 도 7b).
도 8을 참조하면, 본 발명의 변형된 실시예에서 단계(S70)를 수행한 과립형 발포유리의 평균밀도는 0.7122g/cm3이며, 기공율(porosity)은 71.4%인 것으로 나타났다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 과립형 압출성형물을 소성하여 발포시키는 단계를 수행한 과립형 발포유리를 각각 저배율과 고배율로 촬영한 전자현미경 사진들이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 과립형 압출성형물을 소성하여 발포시키는 단계(S70)를 수행한 과립화된 발포유리에서 기공이 존재함을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서 다양한 색상을 가지는 컬러 발포유리의 제조방법이 제공될 수 있다. 컬러 발포유리는 착색제로서 금속산화물을 폐유리 분말에 첨가함으로써 구현할 수 있다. 이때 착색제로서 이용되는 금속산화물은 예를 들어, 코발트산화물(Co3O4) 또는 망간산화물(MnO3)일 수 있다. 이러한 금속산화물이 첨가된 폐유리 분말을 소성 및 발포하는 경우 특정한 색상이 착색된 컬러 발포유리를 제조할 수 있다.
착색제인 금속산화물은 폐유리를 분쇄하는 과정에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 준비된 폐유리를 건식분쇄공정으로 1차 조분쇄하여 제조한 폐유리 분말에 상기 금속산화물를 첨가한 후 습식분쇄공정으로 2차 미분쇄를 실시하여 폐유리 분말을 제조할 수 있다. 혹은 2차 미분쇄까지 완료된 분말에 상기 금속산화물을 첨가한 후 이후의 공정을 진행하는 것도 가능하다. 이 이외에도 준비된 폐유리의 분쇄 전에 금속산화물을 첨가한 후 분쇄과정을 진행하거나 혹은 폐유리를 분쇄하여 최종 폐유리 분말을 제조한 후 성형 전에 금속산화물을 첨가하는 등 소성 및 발포과정 전에 금속산화물을 첨가하는 것이라면 어떠한 방법이라도 무방하다.
이러한 본 발명의 실시예와 같은 발포유리 제조는 기본적으로 미발포 전구체가 승온되는 과정에서 발포되는 단계를 거치게 된다. 여기서 미발포 전구체란 아직 발포가 일어나지 않은 상태이나 가열됨에 따라 발포가 일어날 수 있는 상태에 놓인 유리를 말한다. 이때 미발포 전구체는 유리분말 또는 일정한 형태를 가진 벌크형태(유리분말을 가압하여 성형한 성형체를 포함한다)일 수 있다. 이러한 미발포 전구체의 발포구간을 정확히 예측함으로써 발포유리 제조공정의 제어를 보다 정밀하게 수행할 수 있게 된다.
종래에는 통상적으로 발포유리의 구간을 예측하기 위해서는 거시적 관점에서 고온현미경을 이용하였다. 그러나 본 발명의 유리의 발포구간 예측방법에 의하면, 이러한 고온현미경을 이용하지 않고 여러 조건 하에서 발포 시 발생되는 성형체의 길이변화 또는 부피변화를 팽창계수 측정장비를 이용하여 측정함으로써 거시적, 미시적 관점 모두를 만족시키는 유리의 발포 생성구간과 거동을 예측할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 유리의 발포구간 예측방법에 의하면 팽창계수 측정장비를 통하여 나오는 수축 또는 팽창에 대한 곡선을 이용하여 유리의 열적거동을 관찰하는 기술적 특징을 가지므로 발포유리의 제조에 있어서 더 정확한 발포온도구간 설정을 가능하게 한다.
도 1 또는 도 4를 참조하여 설명한 상술한 단계를 수행하여 과립형 발포유리를 형성한 이후에, 소성된 상기 과립 형태의 폐유리(또는 과립형 압출성형물)를 무기질 바인더와 혼합하여 발포유리 혼합물을 형성하는 단계(도 1의 S160) 및 상기 발포유리 혼합물을 대상체 상에 코팅하는 단계(도 1의 S170)를 순차적으로 수행한다. 상기 무기질 바인더는 무기 실리케이트계 용액을 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 형성된 상기 발포유리 혼합물 중에서 상기 무기질 바인더의 함량이 25 내지 50 wt%일 수 있다.
상기 발포유리 혼합물을 대상체 상에 코팅하는 단계(S170)를 수행함으로써 대상체 상에 발포유리 코팅층이 형성된 불연성 단열재가 구현된다. 상기 대상체는 스티로폼, 플라스틱, 금속, 목재 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
한편, 소성된 상기 과립형 발포유리를 무기질 바인더와 혼합하여 원하는 모양의 틀에 부어 건조하면 일정한 형태의 단열재를 만들 수도 있다. 상기 무기질 바인더는 무기실리케이트계 용액을 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 형성된 상기 발포유리 혼합물 중에서 상기 무기질 바인더의 함량이 25 내지 50 wt%일 수 있다.
또한, 상기 발포유리 혼합물을 단열을 필요로 하는 대상의 표면에 코팅하거나 대상물 사이의 틈에 부어 과립형 발포유리가 적용된 불연성 단열 충진층을 형성할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 불연성 단열재들과 비교예에 따른 단열재를 촬영한 사진들이다. 도 10의 (a)는 본 발명의 비교예에 따른 단열재인 순수 스티로폼이며, (b) 및 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 불연성 단열재로서 스티로폼 상에 상술한 발포유리 코팅층이 형성된 것이다. (b) 보다 (c)의 경우 발포유리 코팅층의 두께가 더 두꺼우며, 코팅층의 두께가 다르면 불연성 단열재의 색상도 달라짐을 확인할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 불연성 단열재의 단면을 촬영한 SEM 사진이다. 도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 불연성 단열재로서 스티로폼 상에 형성된 상술한 발포유리 코팅층의 두께를 측정한 것이며, 도 11b는 도 11a에 도시된 발포유리 코팅층 중에서 A 영역을 확대한 것이다. 발포유리 코팅층의 두께는 코팅 방법에 따라서 변형이 가능하다. 코팅 방법은 스프레이 코팅과 딥 코팅을 사용할 수 있는 바, 5mm 이하의 두께의 코팅층을 구현하고자 하는 경우 스프레이 코팅 방법이 적합할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다양한 다른 실시예들에 따른 불연성 단열재를 촬영한 사진들이다. 도 12를 참조하면, 다양한 대상체 상에 상술한 발포유리 코팅층을 형성할 수 있음을 실험으로 확인하였다. 즉, 대상체가 알루미나(a), 플라스틱(b), 목재(c), 철(d)인 경우에서도 상술한 발포유리 코팅층이 형성될 수 있음을 실험으로 확인하였다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 불연성 단열재와 비교예에 따른 단열재에 대한 화염방사 테스트의 결과를 나타낸 사진이다. 도 13의 좌측은 본 발명의 비교예에 따른 단열재인 순수 스티로폼에 대하여 화염방사 테스트를 수행한 결과이며, 도 13의 우측은 본 발명의 실시예로서 스티로폼 상에 상술한 발포유리 코팅층이 형성된 불연성 단열재에 대하여 화염방사 테스트를 수행한 결과이다. 이러한 결과에 따르면, 순수 스티로폼은 화염에 적어도 일부분이 연소되는 것을 확인할 수 있었으나, 발포유리 코팅층이 형성된 스티로폼은 화염에도 연소되지 않고 부풀어 팽창하는 정도의 불연성을 확인할 수 있었다. 즉, 스티로폼에 형성된 발포유리 코팅층이 화염에 연소되지 않는 특성을 이용하여 불연성 단열재를 구현할 수 있음을 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (12)

  1. 소듐-실리케이트 또는 보로알루미노-실리케이트 조성의 분말 형태의 폐유리를 준비하는 제 1 단계;
    상기 분말 형태의 폐유리를 발포형성제의 첨가 없이 결합제 및 용매와 혼합하여 압출 성형체용 혼련물을 형성하는 단계; 상기 압출 성형체용 혼련물을 압출성형하여 압출물을 형성하는 단계; 및 상기 압출물을 절단하여 과립형 압출성형물을 형성하는 단계; 를 구비하는, 과립 형태의 성형체를 형성하는 제 2 단계;
    상기 과립 형태의 성형체를 800 내지 1100℃에서 1 내지 4 시간 동안 소성하여 발포시켜 과립형 발포유리 형성하는 제 3 단계;
    상기 과립형 발포유리를 무기질 바인더와 혼합하여 발포유리 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 무기질 바인더는 무기 실리케이트계 용액을 포함하며, 상기 발포유리 혼합물 중에서 상기 무기질 바인더의 함량이 25 내지 50 wt%인, 제 4 단계; 및
    상기 발포유리 혼합물을 스티로폼, 플라스틱, 금속, 목재 또는 세라믹을 포함하는 대상체의 적어도 일부 상에 코팅하여 발포유리 코팅층을 형성하는 제 5 단계; 를 포함하여 수행함으로써,
    상기 스티로폼, 플라스틱, 금속, 목재 또는 세라믹을 포함하는 대상체 상에 상기 발포유리 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는,
    불연성 단열재의 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 상기 결합제는 메틸셀룰로스(methyl cellulose) 또는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)을 포함하며, 상기 과립 형태의 폐유리 중에서 상기 결합제의 함량이 8 내지 12 wt%인 것을 특징으로 하는, 불연성 단열재의 형성 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 상기 결합제는 메틸셀룰로스(methyl cellulose) 또는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)을 포함하며, 상기 압출 성형체용 혼련물 중에서 상기 결합제의 함량이 1 내지 5 wt%인 것을 특징으로 하는, 불연성 단열재의 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    분말 형태의 폐유리를 준비하는 제 1 단계;는 폐유리를 분쇄하는 단계; 및 상기 폐유리를 밀링하는 단계;를 포함하는, 불연성 단열재의 형성 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 스티로폼, 플라스틱, 금속, 목재 또는 세라믹을 포함하는 대상체; 및
    상기 대상체 표면에 제 1 항에 의해 형성된 상기 발포유리 코팅층;
    을 포함하는, 불연성 단열재.
  12. 삭제
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