KR102326914B1 - 고강도 지오폴리머의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존 대비 강도가 적극 향상된 우수한 내구성의 지오폴리머를 제공하는 한편, 세라믹 표면 코팅에 기인하여 발수 및 방수 기능이 적극 부여됨과 더불어 자체 입자간 결합력 강화로 하여금 성형성 향상이 극대화 유도됨에 따라 생산의 효율성, 취급과 사용, 유지 및 관리 보수가 용이한 고강도 지오폴리머의 제조방법에 관한 것으로, 플라이애쉬로 이루어지는 무기필러 결합재와 무기필러 결합재의 경화를 지연시키기 위한 경화지연제 및 물을 혼합한 후 교반하는 성형원료 획득단계(S10);와, 성형원료를 몰드에 장입한 후 부직포로 밀봉하여 습윤양생하는 성형원료 양생단계(S20);와, 부직포를 제거하여 밀봉을 해제하고, 탈형 후 자연건조하여 완성하는 성형체 획득단계(S30);로 구성된다.
Description
본 발명은 산업 부산물인 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말 등을 활용하여 친환경적이고 이산화탄소 발생량이 적은 지오폴리머와 관련한 기술사상을 개진한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 대비 강도가 적극 향상된 우수한 내구성의 지오폴리머를 제공하는 한편, 세라믹 표면 코팅에 기인하여 발수 및 방수 기능이 적극 부여됨과 더불어 자체 입자 간 결합력 강화로 하여금 성형성 향상이 극대화 유도됨에 따라 생산의 효율성, 취급과 사용, 유지 및 관리 보수가 용이한 고강도 지오폴리머의 제조방법에 관한 것이다.
최근 기후 온난화와 탄소 배출량 규제가 전 세계적 이슈로 자리 잡으면서 시멘트를 사용하지 않는 결합재인 '지오폴리머'에 대한 관심이 높아지고 있다.
예컨대 시멘트는 오래전부터 널리 사용되어 온 주요 건설자재로써 2015년 기준 전 세계 생산량이 56억 톤으로, 산업 전 분야를 통틀어 물 다음으로 가장 많이 소비되는 재료로 알려졌다. 이러한 시멘트는 높은 내구성 및 강도 등 우수한 물성으로 인해 없어서는 안 될 건설자재이지만 제조과정에서 많은 에너지가 사용되고, 이산화탄소와 대기오염 물질이 다량 발생하는 등의 치명적인 문제점이 동반되었다.
한편, 지오폴리머는 산업 부산물인 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말 등을 활용하는 결합재로 기존 시멘트 결합재에 비해 친환경적이고 이산화탄소 발생량이 최소화되며, 중급속 또한 발생하지 않는 등 다양한 장점을 보유하고 있다. 그러나 지오폴리머는 시멘트에 비해 물성과 경제성이 떨어진다는 단점으로 인해 사용성이 극히 제안되었는바, 최근에는 다양한 사용처에 적용 가능한 수준의 물성을 갖는 지오폴리머들이 개발되고 있고, 그 결과 실제로 건설 현장에서 시멘트 대신 사용되는 사례가 증가하고 있다.
상기와 같이 시멘트의 대체 소재로 많은 관심을 받고 있는 지오폴리머에 대한 기술사례 중 하나로 등록특허공보 제10-1619584호 "폐촉매 슬래그를 이용한 고강도 지오폴리머 제조방법"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 실리카와 알루미나 및 칼시아를 포함하는 폐촉매 슬래그 및 알칼리 활성화제 용액을 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물을 경화하는 단계 및 상기 경화된 경화물을 양생하는 단계를 거쳐 목적으로 하는 수준의 지오폴리머를 획득한다. 이에 따라 폐자원을 이용한 지오폴리머 합성에 있어 특정 성분을 포함하는 폐촉매 슬래그를 이용하여 알카리 활성화제 용액과의 혼합, 경화 및 양생을 통해 지오폴리머를 합성하되, 특히 원료 입도, 경화 온도 및 양생 기간을 최적화하여 높은 압축강도를 갖는 지오폴리머를 생산할 수 있었다.
상기와 유사한 기술 중 다른 하나로 등록특허공보 제10-2184380호 "용융 슬래그를 이용한 지오폴리머 블록 조성물 및 이의 제조방법"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 시멘트를 대체하여 IGCC 플랜트에서 배출되어 폐기해야 하는 IGCC 용융슬래그, 폐기물 용융슬래그, 고로 슬래그 등을 사용함으로써 환경보호에 이바지할 수 있음은 물론 재료값, 생산비, 제조시간 단축 등 원가 절감에 적극 기여할 수 있는 기술이다.
상기와 유사한 기술 중 또 다른 하나로 등록특허공보 제10-2120114호 "용융 슬래그를 이용한 지오폴리머 제조 방법"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 석탄가스화 공정에서 배출된 용융슬래그를 분쇄하는 단계와, 상기 분쇄된 용융슬래그와 알칼리 활성화제를 혼합하여 반죽 시료를 만드는 단계와, 상기 반죽 시료를 금형에 충진한 성형체를 23~25℃에서 전양생(pre-curing)하는 단계와, 상기 단계를 거친 상기 성형체를 70~80℃의 건조기에서 24시간 양생하는 단계와, 상기 단계 후 상기 성형체를 탈형하여 23~25℃에서 재령(aging)하는 단계를 포함하는 기술이다.
상기와 같이 기존에는 폐자재나 친환경 소재를 이용하여 자연보호에 이바지함은 물론 재료값, 생산비, 제조시간 단축 등에 기인하여 원가 절감이 유도되는 기술 개발에 집중되었다. 하지만 용융 슬래그 등 산업 폐기물을 이용한 지오폴리머는 제조를 위한 많은 공정이 요구되는 등 성형 과정 일체가 매우 번거롭고 복잡하며, 이에 따라 균일한 품질의 결과물을 획득할 수 없었기에 많은 장점을 보유한 반면 널리 사용되지 못하였다.
따라서 본 발명은 간결하고 안정적인 제조기술을 제공하며, 특히 우수한 품질의 지오폴리머를 균일하고 신속하게 생산할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기의 제반 문제점을 보다 적극적으로 해소하기 위하여 창출된 것으로, 지오폴리머를 구성하기 위한 최적의 소재를 엄선하여 확보하고, 확보된 소재들로 하여금 가장 균일하고 안정적으로 고강도 지오폴리머를 생산할 수 있는 기술 제공을 주된 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 지오폴리머의 표면에 방수 코팅과 같은 기능성을 부여하고, 또는 표면 발색 또는 불특정 다공성 표면을 형성시켜 심미성을 확보 유도하는 등 지오폴리머의 보다 다양한 사용처를 확보시키기 위한 기술 제공을 다른 해결과제로 한다.
상기의 해결 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서 제안하는 고강도 지오폴리머의 제조방법은 다음과 같다.
본 발명의 고강도 지오폴리머는 플라이애쉬로 이루어지는 무기필러 결합재와 무기필러 결합재의 경화를 지연시키기 위한 경화지연제 및 물을 혼합한 후 교반하는 성형원료 획득단계(S10);와, 성형원료를 몰드에 장입한 후 부직포로 밀봉하여 습윤양생하는 성형원료 양생단계(S20);와, 부직포를 제거하여 밀봉을 해제하고, 탈형 후 자연건조하여 완성하는 성형체 획득단계(S30);로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무기필러 결합재는 무기질 인산 마그네슘 또는 경소 산화 마그네시아 또는 중소 산화 마그네시아 또는 인산 알루미늄 또는 1인산 암모늄 또는 카올리 또는 규산N 또는 규산K 또는 규산N-3호 또는 황산칼슘 또는 알루미나시멘트 또는 천연돌가루 또는 규회석 또는 산화마그네슘 또는 메타카오린 또는 펄라이트 중 어느 하나 이상의 소재가 더 첨가된 혼합물인 것을 포함한다.
또한, 상기 성형체 획득단계(S30)로부터 획득한 성형체의 표면을 코팅처리하는 성형체 표면코팅단계(S40)를 더 포함하고, 상기 성형체 표면코팅단계(S40)는 하도용 세라믹코팅제 또는 중도용 세라믹코팅제 또는 상도용 세라믹코팅제 중 어느 하나의 세라믹코팅제를 획득하는 코팅제 획득단계(S41);와, 획득한 세라믹코팅제를 성형체의 표면에 코팅처리하는 코팅제 도포단계(S42);로 이루어지는 것을 포함한다.
또한, 상기 하도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리메톡시실란과 3-글리시독시프로필트리메톡시실란을 8:2의 중량비로 투입하는 단계;와, 실리카졸과 포름산을 9:1의 중량비로 혼합된 용액을 상기 반응기에 투입하는 단계;와, 반응기를 15~20℃에서 91~92rpm으로 운전시켜 10~30분간 교반한 후 65~70℃로 승온하여 100~120분간 연계 교반하는 단계;와, 78~80rpm으로 조절하여 11~12시간 동안 교반 반응한 후 이소프로판올(IPA)을 투입 및 용해시키는 단계;로 이루어지는 것을 포함한다.
또한, 상기 하도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리에톡시실란과, γ-아미노프로필트리에톡시실란과, 이소프로판올을 투입하는 원료 투입단계(S41);와, 투입된 원료를 45~50℃로 55~60분간 가열하면서 평균 입자크기가 11~12㎚인 실리카졸을 적하시키는 실리카졸 적하단계(S42);와, 실리카졸이 적하된 원료에 초산을 투입하여 pH를 4로 조정하며, 11~12시간동안 반응시켜 완성하는 초산 투입단계(S43);로 이루어지는 것을 포함한다.
또한, 상기 중도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리에톡시실란과, γ-아미노프로필트리에톡시실란과, 이소프로판올을 투입하는 원료 투입단계(S41);와, 투입된 원료를 45~50℃로 55~60분간 가열하면서 평균 입자크기가 11~12㎚인 실리카졸을 적하시키는 실리카졸 적하단계(S42);와, 실리카졸이 적하된 원료에 초산을 투입하여 pH를 4로 조정하며, 11~12시간동안 반응시켜 하도용 세라믹코팅제를 획득하는 초산 투입단계(S43);와, 하도용 세라믹코팅제에 무기안료를 첨가하고 평균 입자크기가 24~25㎚인 티타늄졸과 알루미나졸을 첨가하여 완성하는 부가원료 투입단계(S44);로 이루어지는 것을 포함한다.
또한, 상기 상도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리에톡시실란과, γ-아미노프로필트리에톡시실란과, 이소프로판올을 투입하는 원료 투입단계(S41);와, 투입된 원료를 45~50℃로 55~60분간 가열하면서 평균 입자크기가 11~12㎚인 실리카졸을 적하시키는 실리카졸 적하단계(S42);와, 실리카졸이 적하된 원료에 초산을 투입하여 pH를 4로 조정하며, 11~12시간동안 반응시켜 하도용 세라믹코팅제를 획득하는 초산 투입단계(S43);와, 하도용 세라믹코팅제에 불소수지를 첨가하고 경화촉매로 트리메틸아민을 가한 후 상온에서 4~5일간 숙성시켜 완성하는 부가원료 투입단계(S44);로 이루어지는 것을 포함한다.
또한, 상기 성형원료 수득단계(S10)는 황산칼슘으로 구성된 백화방지제와, 씨카101 및 스테아린산 아연으로 구성된 구체방수제가 더 첨가되어 방수 기능이 부여되는 것을 포함한다.
또한, 상기 성형원료 수득단계(S10)는 수산화칼륨과 수산화리튬 및 실리카졸로 구성된 내수성바인더가 더 첨가되는 것을 포함한다.
또한, 상기 내수성바인더는 실리카졸을 물과 교반한 후 65~70℃로 가온하는 제1용액 획득단계(S11);와, 수산화칼륨과 수산화리튬을 물에 용해한 후 65~70℃로 가온하는 제2용액 획득단계(S12);와, 제1용액에 제2용액을 혼합한 후 산화마그네슘을 더 첨가하여 교반하는 내수성 개선단계(S13);를 포함한다.
한편, 상기 경화지연제는 인산칼륨인 것을 포함한다.
상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 다양한 테스트를 거친 최적의 소재들로 엄선함으로써 제조과정에서 안정적인 화학 작용이 유발되어 제품 불량의 리스크를 최소화하고, 더불어 양생과 건조시 균열이나 형태 변형을 적극 방지하는 등 우수한 품질의 지오폴리머를 안정적으로 신속하게 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명이 제안하는 내수성 바인더의 부가 첨가에 기인하여 지오폴리머의 자체 결합력을 적극 향상시켜 지오폴리머 성형체의 제작을 용이하게 함과 더불어, 성형체 제조 후에도 쉽게 파손되거나 마모되지 않아 사용의 효율성과 취급 및 관리 등이 용이한 이점이 있다.
또한, 본 발명은 표면 세라믹 코팅 또는 표면 방수 코팅 등의 표면처리로 하여금 기존에는 찾아볼 수 없는 기능이 부여되어 건축자재, 도기, 인테리어 소품 등 다양한 사용처를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 고강도 지오폴리머의 제조과정을 순차적으로 나열한 플로차트.
도 2는 본 발명이 제안하는 지오폴리머 성형원료가 몰드에 장입된 형태를 나타낸 실제 제조 사진.
도 3은 몰드에 장입된 지오폴리머 성형원료의 양생과 건조 과정을 나타낸 실제 제조 사진.
도 2는 본 발명이 제안하는 지오폴리머 성형원료가 몰드에 장입된 형태를 나타낸 실제 제조 사진.
도 3은 몰드에 장입된 지오폴리머 성형원료의 양생과 건조 과정을 나타낸 실제 제조 사진.
이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명의 구성 및 이로 인한 작용, 효과에 대해 일괄적으로 기술하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그리고 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명은 산업 부산물인 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말 등을 활용하여 친환경적이고 이산화탄소 발생량이 적은 지오폴리머의 기술사상에 관하여 개시된다.
무엇보다 본 발명은 기존 대비 강도가 적극 향상된 우수한 내구성의 지오폴리머를 제공하는 한편, 세라믹 표면 코팅에 기인하여 발수 및 방수 기능이 적극 부여됨과 더불어 자체 입자간 결합력 강화로 하여금 성형성 향상이 극대화 유도됨에 따라 생산의 효율성, 취급과 사용, 유지 및 관리 보수가 용이한 고강도 지오폴리머의 제조방법에 관련됨을 주지한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 고강도 지오폴리머의 제조과정을 순차적으로 나열한 플로차트이다.
도 1과 같이 본 발명의 고강도 지오폴리머는 플라이애쉬로 이루어지는 무기필러 결합재와 무기필러 결합재의 경화를 지연시키기 위한 경화지연제 및 물을 혼합한 후 교반하는 성형원료 획득단계(S10);와, 성형원료를 몰드에 장입한 후 부직포로 밀봉하여 습윤양생하는 성형원료 양생단계(S20);와, 부직포를 제거하여 밀봉을 해제하고, 탈형 후 자연건조하여 완성하는 성형체 획득단계(S30);로 구성된다.
상기 무기필러 결합재는 지오폴리머를 구성하기 위한 성형원료를 의미하며, 성형원료의 주성분이 되는 플라이애쉬는 화력발전소 등의 연소보일러에서 부산되는 석탄재로서 연소폐가스 중에 포함되어 있는 재료 집진기에 의해 회수되는 미세한 입상의 난사를 일컫는다. 이러한 플라이애쉬는 단순히 대기오염을 유발시키는 물질 중 하나일 뿐이지만, 플라이애쉬는 자체적으로 콘크리트 구조물의 유동성을 개선, 블리딩 현상 감소, 수화 발열량 감소, 알칼리골재반응 억제, 콘크리트 수밀성 향상 등의 기능을 보유하고 있기 때문에 지오폴리머의 주소재로 사용하기에 탁월하다.
상기 성형원료 수득단계(S10)에서 무기필러 결합재를 구성하는 가장 바람직한 소재로는 플라이애쉬(hc-type)와 카올린, 규산K, 실리카흄, 규산N-3호의 혼합물이다.
아래 표 1은 본 발명이 제안하는 고강도 지오폴리머의 성형원료 중량비를 나타낸 것이다.
| 무기필러 결합재 | ||||
| 플라이애쉬 | 카올린 | 규산K | 실리카흄 | 규산N-3호 |
| 48~52중량% | 9~10중량% | 29~30중량% | 9~10중량% | 1~2중량% |
<성형원료 중량비>
상기와 같이 본 발명의 무기필러 결합재는 플라이애쉬 48~52 중량%와, 카올리 9~10 중량%와, 규산K 29~30 중량%와, 실리카흄 9~10 중량%와, 규산N-3호 1~2 중량%로 구성된다.
한편, 상기 무기필러 결합재를 그대로 사용할 경우 플라이애쉬와 규산K가 많은 양의 수분을 흡수하기 때문에 경화가 촉진되고, 결과적으로 해당 성형원료로는 원하는 형상의 제품으로 성형하는 것이 매우 어렵다.
따라서, 본 발명은 성형원료 획득단계(S10)에서 수분 흡수율을 억제시켜 경화를 지연케 하는 경화지연제가 더 첨가된다. 상기 경화지연제는 인산칼륨, 붕산, 황산마그네슘, 인산알루미늄 중 어느 하나 또는 인산칼륨에 붕산, 황산마그네슘, 인산알루미늄 중 어느 하나와 혼합한 것이나, 바람직하게는 인산칼륨만으로 구성하는 것이 목적으로 하는 수준으로 경화를 지연시킬 수 있다.
아래 표 2는 본 발명이 제안하는 무기필러 결합재로 제조된 지오폴리머의 강도 성능을 측정한 표이다.
<강도 측정 비교표>
여기에서 시편 1은 등록특허공보 제10-1619584호 "폐촉매 슬래그를 이용한 고강도 지오폴리머 제조방법"의 제반 내용에 기초하여 재현한 고강도 지오폴리머이고, 시편 2는 본 발명이 제안하는 플라이애쉬 48~52 중량%와, 카올리 9~10 중량%와, 규산K 29~30 중량%와, 실리카흄 9~10 중량%와, 규산N-3호 1~2 중량%로 구성되는 무기필러 결합재에 기초하여 제조된 고강도 지오폴리머이며, 시편 3은 시중에 판매 중인 통상의 지오폴리머이다.
상기 표 2와 같이 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 시편 3은 고강도로 제작된 시편 1, 2와 비교할 수 없을 정도로 그 성능에서 큰 차이가 있었으며, 시편 1과 2는 목적으로 하는 수준 이상의 강도를 나타내었으나, 그 중에서도 본 발명이 제안하는 시편 2의 강도가 조금 더 우수함을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 무기필러 결합재는 플라이애쉬(hc-type)와 카올린, 규산K, 실리카흄, 규산N-3호로 구성되는 것이 바람직하나, 그 외에도 무기질 인산 마그네슘, 경소 산화 마그네시아, 중소 산화 마그네시아, 인산 알루미늄, 1인산 암모늄, 규산N, 황산칼슘, 알루미나시멘트, 천연돌가루, 규회석, 산화마그네슘, 메타카오린, 펄라이트 중 어느 하나 또는 복수가 더 첨가되거나 대체될 수도 있다.
도 2는 본 발명이 제안하는 지오폴리머 성형원료가 몰드에 장입된 형태를 나타낸 실제 제조 사진이다.
도 2와 같이 플라이애쉬(hc-type)와 카올린, 규산K, 실리카흄, 규산N-3호로 구성된 무기필러 결합재 또는 플라이애쉬(hc-type)와 카올린, 규산K, 실리카흄, 규산N-3호를 비롯 무기질 인산 마그네슘, 경소 산화 마그네시아, 중소 산화 마그네시아, 인산 알루미늄, 1인산 암모늄, 규산N, 황산칼슘, 알루미나시멘트, 천연돌가루, 규회석, 산화마그네슘, 메타카오린, 펄라이트 중 어느 하나 또는 복수가 더 첨가된 무기필러 결합재를 기특정 형상의 몰드에 장입하고, 무기필러 결합재가 장입된 몰드에 물을 더 투입함으로써 본 발명이 제안하는 지오폴리머의 성형원료가 마련된다.
도 3은 몰드에 장입된 지오폴리머 성형원료의 양생과 건조 과정을 나타낸 실제 제조 사진이다.
도 3과 같이 부직포로 밀봉된 상태로 습윤양생하고 밀봉 해제 및 탈형한 후 자연건조하여 완성하며, 이는 성형원료 양생단계(S20)와 성형체 획득단계(S30)를 교차 진행하면서 이루어진다.
상기 성형원료 양생단계(S20)는 몰드에 장입된 성형원료를 부직포로 밀봉시킨 상태에서 7일 또는 14일 또는 28일 중 어느 하나의 기간동안 습윤양생하는 공정을 의미하고, 성형체 획득단계(S30)는 부직포를 제거하여 밀봉을 해제시킨 후 28일 간 자연건조하는 공정을 의미한다.
상기와 같이 본 발명은 성형원료 수득단계(S10);와, 성형원료 양생단계(S20);와, 성형체 획득단계(S30);를 거쳐 목적으로 하는 수준의 물성과 기능을 발휘하는 고강도 지오폴리머 성형체를 획득할 수 있다.
한편, 본 발명의 고강도 지오폴리머 성형체는 자체 물성 향상을 위해 내수성 바인더가 더 첨가될 수도 있고, 백화를 방지하기 위한 백화방지제와 방수 기능 부여를 위한 구체방수제가 더 첨가될 수도 있다.
상기 내수성바인더를 첨가하는 공정은 지오폴리머 성형원료를 획득하는 성형원료 수득단계(S10)에서 이루어지며, 상기 내수성바인더는 점착력과 집합력 등이 우수한 수산화칼륨과 수산화리튬 및 실리카졸로 구성될 수 있다.
상기 내수성바인더는 지오폴리머 성형원료를 획득하는 성형원료 수득단계(S10)에서 실리카졸을 물과 교반한 후 65~70℃로 가온하는 제1용액 획득단계(S11);와, 수산화칼륨과 수산화리튬을 물에 용해한 후 65~70℃로 가온하는 제2용액 획득단계(S12);와, 제1용액에 제2용액을 혼합한 후 산화마그네슘을 더 첨가하여 교반하는 내수성 개선단계(S13);를 거쳐 획득하고, 이렇게 획득한 내수성바인더를 무기필러 결합재와 지연제가 교반되는 시점에 투입하여 성형원료에 점착력과 밀집력 및 결합력을 발휘되게 한다.
상기 백화방지제로는 황산칼슘으로 구성하는 것이 바람직하나, 황산칼슘 외에도 수산화칼슘, 황산소다, 황산칼륨 중 어느 하나 또는 복수가 더 첨가될 수도 있으며, 내수성바인더와 같이 동일하게 무기필러 결합재와 지연제가 교반되는 시점에 투입되어 추후 성형물의 백화를 방지 유도되게 한다. 일반적으로 백화는 성형체 내의 수분이 증발하면서 염루가 하얗게 남는 것으로, 상기 백화방지제가 성형체 내 수분 증발을 최대한 억제하며 수분이 증발하되 염루가 남는 것을 적극 방지되게 한다.
상기 구체방수제는 씨카 101과 스테아린산 아연으로 구성된다.
상기 씨카 101은 규산질계qnsakfehvh 방수제로써 구체 내부 모세현관 차폐효과가 우수한 신소재 방수용 슬러리이다. 몰비는 25% 내외라서 무기필러 결합재와 지연제가 교반되는 시점에 물과 함께 배합하여 성형원료에 투입된다. 상기 씨카 101은 침투성 방수제로써 무기필러 결합재와 지연제간 결합력이 뛰어나고, 자체적으로 접착력을 구비하여 성형원료의 교반을 용이하게 도모하기도 한다.
상기 스테아린산 아연은 백색분말로 물에 불용성이기 때문에 벤젠이나 열을 가한 염소화 탄화수소를 통해 용융시켜 첨가한다.스테아린산 아연은 소수성이라 해당 용융액을 도포한 물체는 방수 기능이 구현되고, 씨카 101과 혼합 사용될 경우 그 기능은 배가된다.
한편, 본 발명의 고강도 지오폴리머 제조방법은 성형체 획득단계(S30)로부터 획득한 성형체의 표면을 코팅처리하는 성형체 표면코팅단계(S40)를 더 포함한다.
상기 성형체 표면코팅단계(S40)에서 사용되는 표면 코팅제로는 세라믹 코팅제를 사용하며, 상기 세라믹 코팅제는 하도용과 중도용 및 상도용으로 구분 제공되며, 상기의 세라믹 코팅제를 획득하기 위한 코팅제 획득단계(S41)와, 획득한 세라믹코팅제를 성형체의 표면에 코팅처리하는 코팅제 도포단계(S42)로 진행된다.
예컨대 상기 하도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리메톡시실란과 3-글리시독시프로필트리메톡시실란을 8:2의 중량비로 투입하는 단계;와, 실리카졸과 포름산을 9:1의 중량비로 혼합된 용액을 상기 반응기에 투입하는 단계;와, 반응기를 15~20℃에서 91~92rpm으로 운전시켜 10~30분간 교반한 후 65~70℃로 승온하여 100~120분간 연계 교반하는 단계;와, 78~80rpm으로 조절하여 11~12시간 동안 교반 반응한 후 이소프로판올(IPA)을 투입 및 용해시키는 단계;로 이루어진다.
상기 하도용 세라믹 코팅제는 메틸트리메톡시실란(MTMS) 33~37 중량%와, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS) 3~4 중량%와, 이소프로판 32~33 중량%와, 실리카졸 27~28 중량%와, 포름산 1~2중량%의 중량비로 이루어지는 것이 원하는 수준의 코팅제를 제조할 수 있다.
다른 방식으로는 상기 하도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리에톡시실란과, γ-아미노프로필트리에톡시실란과, 이소프로판올을 투입하는 원료 투입단계(S41);와, 투입된 원료를 45~50℃로 55~60분간 가열하면서 평균 입자크기가 11~12㎚인 실리카졸을 적하시키는 실리카졸 적하단계(S42);와, 실리카졸이 적하된 원료에 초산을 투입하여 pH를 4로 조정하며, 11~12시간동안 반응시켜 완성하는 초산 투입단계(S43);로 이루어진다.
아래 실시예 1은 본 발명이 제안하는 하도용 세라믹 코팅제의 제조방법에 관한 것이다.
냉각기 및 교반기가 일체로 구비된 5ℓ반응기에 메틸트리에톡시실란 200g, γ-아미노프로필트리에톡시실란 40g, 이소프로판올 150g을 투입하고, 50℃에서 1 시간 동안 가열 교반시키면서 평균 입자 크기가 12nm인 실리카졸(Ludox LS-30, 30 wt% SiO2, Dupont) 50g을 서서히 적하시킨다. 모두 적하시킨 후 초산을 적당량 투입하여 pH를 4로 조정하고 12시간 동안 계속 반응시켜 하도용 세라믹코팅제인 폴리실록산을 얻는다.
상기 실시예 1의 방법과 과정을 거쳐 본원이 제안하는 하도용 세라믹 코팅제인 폴리실록산을 획득할 수 있다.
한편, 상기 중도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리에톡시실란과, γ-아미노프로필트리에톡시실란과, 이소프로판올을 투입하는 원료 투입단계(S41);와, 투입된 원료를 45~50℃로 55~60분간 가열하면서 평균 입자크기가 11~12㎚인 실리카졸을 적하시키는 실리카졸 적하단계(S42);와, 실리카졸이 적하된 원료에 초산을 투입하여 pH를 4로 조정하며, 11~12시간동안 반응시켜 하도용 세라믹코팅제를 획득하는 초산 투입단계(S43);와, 하도용 세라믹코팅제에 무기안료를 첨가하고 평균 입자크기가 24~25㎚인 티타늄졸과 알루미나졸을 첨가하여 완성하는 부가원료 투입단계(S44);로 이루어진다.
상기와 같이 중도용 세라믹코팅제는 하도용 세라믹코팅제를 먼저 제조한 후 여기에 무기안료, 티타늄졸, 알루미나졸을 첨가하여 획득한다.
아래 실시예 2는 본 발명이 제안하는 중도용 세라믹 코팅제의 제조방법에 관한 것이다.
냉각기 및 교반기가 일체로 구비된 5ℓ반응기에 메틸트리에톡시실란 200g, γ-아미노프로필트리에톡시실란 40g, 이소프로판올 150g을 투입하고, 50℃에서 1 시간 동안 가열 교반시키면서 평균 입자 크기가 12nm인 실리카졸(Ludox LS-30, 30 wt% SiO2, Dupont) 50g을 서서히 적하시킨다. 모두 적하시킨 후 초산을 적당량 투입하여 pH를 4로 조정하고 12시간 동안 계속 반응시켜 하도용 세라믹코팅제인 폴리실록산을 얻으며, 하도용 세라믹코팅제에 다양한 색상의 무기안료를 첨가하고 평균입자크기가 25nm 인 티타늄졸 50g과 알루미나졸 50g을 첨가하여 제조한다.
상기 실시예 2의 방법과 과정을 거쳐 본원이 제안하는 중도용 세라믹 코팅제를 획득할 수 있다.
그리고 상기 상도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리에톡시실란과, γ-아미노프로필트리에톡시실란과, 이소프로판올을 투입하는 원료 투입단계(S41);와, 투입된 원료를 45~50℃로 55~60분간 가열하면서 평균 입자크기가 11~12㎚인 실리카졸을 적하시키는 실리카졸 적하단계(S42);와, 실리카졸이 적하된 원료에 초산을 투입하여 pH를 4로 조정하며, 11~12시간동안 반응시켜 하도용 세라믹코팅제를 획득하는 초산 투입단계(S43);와, 하도용 세라믹코팅제에 불소수지를 첨가하고 경화촉매로 트리메틸아민을 가한 후 상온에서 4~5일간 숙성시켜 완성하는 부가원료 투입단계(S44);로 이루어진다.
아래 실시예 3은 본 발명이 제안하는 상도용 세라믹 코팅제의 제조방법에 관한 것이다.
냉각기 및 교반기가 일체로 구비된 5ℓ반응기에 메틸트리에톡시실란 200g, γ-아미노프로필트리에톡시실란 40g, 이소프로판올 150g을 투입하고, 50℃에서 1 시간 동안 가열 교반시키면서 평균 입자 크기가 12nm인 실리카졸(Ludox LS-30, 30 wt% SiO2, Dupont) 50g을 서서히 적하시킨다. 모두 적하시킨 후 초산을 적당량 투입하여 pH를 4로 조정하고 12시간 동안 계속 반응시켜 하도용 세라믹코팅제인 폴리실록산을 얻으며, 하도용 세라믹코팅제에 불소수지(FC-C-1022, 한국정밀화학)를 13g 첨가시키고 경화촉매로 트리메틸아민 10g을 가한 후 상온에서 5일간 숙성시켜 상도용 세라믹코팅제를 제조한다.
상기 실시예 3의 방법과 과정을 거쳐 본원이 제안하는 상도용 세라믹 코팅제를 획득할 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 지오폴리머는 다양한 테스트를 거친 최적의 소재들로 엄선함으로써 제조과정에서 안정적인 화학 작용이 유발되어 제품 불량의 리스크를 최소화하고, 더불어 양생과 건조시 균열이나 형태 변형을 적극 방지하는 등 우수한 품질의 지오폴리머를 안정적으로 신속하게 생산할 수 있다.
또한, 내수성 바인더의 부가 첨가에 기인하여 지오폴리머의 자체 결합력을 적극 향상시켜 지오폴리머 성형체의 제작을 용이하게 함과 더불어, 성형체 제조 후에도 쉽게 파손되거나 마모되지 않아 사용의 효율성과 취급 및 관리 등이 용이하다.
또한, 표면 세라믹 코팅 또는 표면 방수 코팅 등의 표면처리로 하여금 기존에는 찾아볼 수 없는 기능이 부여되어 건축자재, 도기, 인테리어 소품 등 다양한 사용처를 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S10. 성형원료 수득단계 S11. 제1용액 획득단계
S12. 제2용액 획득단계 S13. 내수성 개선단계
S20. 성형원료 양생단계
S30. 성형체 획득단계
S40. 성형체 표면코팅단계 S41. 원료 투입단계
S42. 실리카졸 적하단계 S43. 초산 투입단계
S44. 부가원료 투입단계
S12. 제2용액 획득단계 S13. 내수성 개선단계
S20. 성형원료 양생단계
S30. 성형체 획득단계
S40. 성형체 표면코팅단계 S41. 원료 투입단계
S42. 실리카졸 적하단계 S43. 초산 투입단계
S44. 부가원료 투입단계
Claims (6)
- 플라이애쉬로 이루어지는 무기필러 결합재와 무기필러 결합재의 경화를 지연시키기 위한 경화지연제 및 물을 혼합한 후 교반하는 성형원료 획득단계(S10);와, 성형원료를 몰드에 장입한 후 부직포로 밀봉하여 습윤양생하는 성형원료 양생단계(S20);와, 부직포를 제거하여 밀봉을 해제하고, 탈형 후 자연건조하여 완성하는 성형체 획득단계(S30);로 구성되는 고강도 지오폴리머의 제조방법에 있어서,
상기 성형체 획득단계(S30)로부터 획득한 성형체의 표면을 코팅처리하는 성형체 표면코팅단계(S40)를 더 포함하되, 상기 성형체 표면코팅단계(S40)는 하도용 세라믹코팅제를 획득하는 코팅제 획득단계(S41);와, 획득한 하도용 세라믹코팅제를 성형체의 표면에 코팅처리하는 코팅제 도포단계(S42);로 이루어지고,
상기 하도용 세라믹코팅제는 냉각기와 교반기가 일체로 구비된 반응기에 메틸트리메톡시실란과 3-글리시독시프로필트리메톡시실란을 8:2의 중량비로 투입하고, 실리카졸과 포름산을 9:1의 중량비로 혼합된 용액을 상기 반응기에 투입하며, 반응기를 15~20℃에서 91~92rpm으로 운전시켜 10~30분간 교반한 후 65~70℃로 승온하여 100~120분간 연계 교반하고, 78~80rpm으로 조절하여 11~12시간 동안 교반 반응하며, 이소프로판올(IPA)을 투입 및 용해시켜 이루어지는 것을 포함하는 고강도 지오폴리머의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 무기필러 결합재는 무기질 인산 마그네슘 또는 경소 산화 마그네시아 또는 중소 산화 마그네시아 또는 인산 알루미늄 또는 1인산 암모늄 또는 카올리 또는 규산N 또는 규산K 또는 규산N-3호 또는 황산칼슘 또는 알루미나시멘트 또는 천연돌가루 또는 규회석 또는 산화마그네슘 또는 메타카오린 또는 펄라이트 중 어느 하나 이상의 소재가 더 첨가된 혼합물인 것을 포함하는 고강도 지오폴리머의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 성형원료 수득단계(S10)는 황산칼슘으로 구성된 백화방지제와, 씨카101 및 스테아린산 아연으로 구성된 구체방수제가 더 첨가되어 방수 기능이 부여되는 것을 포함하는 고강도 지오폴리머의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 성형원료 수득단계(S10)는 수산화칼륨과 수산화리튬 및 실리카졸로 구성된 내수성바인더가 더 첨가되는 것을 포함하는 고강도 지오폴리머의 제조방법.
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| CN117567176A (zh) * | 2023-12-04 | 2024-02-20 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种水工混凝土低温熔融耐磨修补防护层及其施工方法 |
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