KR102562392B1 - 내오염성이 우수한 시멘트 판재 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내오염성이 우수한 시멘트 판재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 시멘트 판재는 시멘트 혼합물의 수화 반응에 의해 형성된 개방형 공극을 고분자 첨가제가 채우는 표면 구조의 시멘트 성형체를 포함하고, 상기 성형체 상에 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 도입함으로써 현저히 낮은 수분 흡수율과 함께 높은 내오염성, 내후성, 내열성 및 내스크래치성을 구현할 수 있으므로, 건축 분야, 예를 들어, 주방 상판, 욕조, 세안대 등에 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 내오염성이 우수한 시멘트 판재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 시멘트 혼합물(또는 콘크리트)은 몰드에 채우고 압축한 후, 이를 소정 기간 물에 침지시키는 양생 과정을 거쳐 성형체로 제조되며, 상기 성형체는 몰드에 따라 다양한 형상을 가지게 되고, 이러한 성형체는 건축 분야에서 흔히 사용된다. 상기 시멘트 혼합물은 시멘트 분말과 골재(자갈, 모래 등)를 포함한다. 양생 과정에서, 시멘트 분말은 물과 화학 반응(수화반응)을 통해 수화물을 형성하며, 시간이 지날수록 굳고 단단해진다.
한편, 양생 과정 중 시멘트 분말의 수화반응이 일어나면서, 수화물이 빠져나간 자리 또는 반응하지 않고 남은 물이 빠져나간 자리에는 공극이 형성된다. 이렇게 형성된 공극은 시멘트 성형체 내부에서 외부표면까지 연결되는 개방형 공극으로서, 성형체의 수분 흡수율을 높여 내구성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다. 구체적으로 시멘트 성형체에 흡수된 수분은 빙점 이하 온도에서 빙결되어 부피가 팽창될 수 있는데, 이와 같은 수분의 부피 팽창이 반복적으로 지속되면 성형체 내부에 균열이 발생되므로 성형체의 내구성을 저하시키는 원인이 된다.
이에 종래에는 공정 및 레시피 제어를 통해 시멘트 성형체의 수분 흡수율을 개선하려는 사례가 다수 있었으나, 개선 정도에 미미하여 완전한 수분 흡수율의 제어가 어려운 문제가 있었다. 또한, 수분 흡수율이 제어된다 하더라도, 많은 미세기공과 이들이 연결되는 시멘트 성형체의 구조적 특징으로 인하여 표면의 친수화가 유도되므로 표면의 내오염성이 낮고, 내후성, 내열성 및 내스크래치성 등이 좋지 않아 성형체의 수명 및 심미성에 좋지 않은 한계가 있다.
이에, 본 발명의 목적은 수분 흡수율이 현저히 낮으면서 내오염성, 내후성, 내열성, 내스크래치성 등의 성능이 우수하여 시멘트 성형체의 수명 및 심미성이 양호한 물품 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서,
본 발명은 일실시예에서,
시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물로부터 형성되는 시멘트 성형체; 및
상기 시멘트 성형체 상에 위치하고 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 포함하되,
상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머 및 실라잔 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며,
ANSI Z124.6에 따른 청결도(cleanability)가 40 미만인 시멘트 판재를 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물로부터 시멘트 성형체를 제조하는 단계; 및
상기 시멘트 성형체 상에 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머 및 실라잔 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 시멘트 판재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 시멘트 판재는 시멘트 혼합물의 수화 반응에 의해 형성된 개방형 공극을 고분자 첨가제가 채우는 표면 구조의 시멘트 성형체를 포함하고, 상기 성형체 상에 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 도입함으로써 현저히 낮은 수분 흡수율과 함께 높은 내오염성, 내후성, 내열성 및 내스크래치성을 구현할 수 있으므로, 건축 분야, 예를 들어, 주방 상판, 욕조, 세안대 등에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명하고, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에서, "색좌표"란, CIE(국제조명위원회, Commossion International de l'Eclairage)에서 규정한 색상 값인 CIE 색공간에서의 좌표를 의미하며, CIE 색공간에서의 임의의 위치는 L*, a*, b* 3가지 좌표값으로 표현될 수 있다.
여기서, L* 값은 밝기를 나타내는 것으로 L*=0 이면 흑색(black)을 나타내며, L*=100 이면 백색(white)을 나타낸다. 또한, a* 값은 해당 색좌표를 갖는 색이 순수한 적색(pure magenta)과 순수한 녹색(pure green) 중 어느 쪽으로 치우쳤는지를 나타내며, b* 값은 해당 색좌표를 갖는 색이 순수한 황색(pure yellow)과 순수한 청색(pure blue) 중 어느 쪽으로 치우쳤는지를 나타낸다.
구체적으로, 상기 a* 값은 -a 내지 +a의 범위를 가지며, a*의 최대값(a* max)은 순수한 적색(pure magenta)을 나타내며, a*의 최소값(a* min)은 순수한 녹색(pure green)을 나타낸다. 예를 들어, a* 값이 음수이면 순수한 녹색에 치우친 색상이며, 양수이면 순수한 적색에 치우친 색상을 의미한다. a*=80과 a*=50을 비교하였을 때, a*=80이 a*=50보다 순수한 적색에 가깝게 위치함을 의미한다. 이와 더불어, 상기 b* 값은 -b 내지 +b의 범위를 가진다. b*의 최대값(b* max)은 순수한 황색(pure yellow)을 나타내며, b*의 최소값(b* min)은 순수한 청색(pure blue)을 나타낸다. 예를 들어, b* 값이 음수이면 순순한 황색에 치우친 색상이며, 양수이면 순수한 청색에 치우친 색상을 의미한다. b*=80과 b*=20을 비교하였을 때, b*=80이 b*=20보다 순수한 황색에 가깝게 위치함을 의미한다.
또한, 본 발명에서, "색편차" 또는 "색좌표 편차"란, CIE 색공간에서의 두 색간의 거리를 의미한다. 즉, 거리가 멀면 색상의 차이가 크게 나는 것이고 거리가 가까울수록 색상의 차이가 거의 없다는 것을 의미하며, 이는 하기 수학식 1로 나타내는 ΔE*로 표시할 수 있다:
[수학식 1]
본 발명은 내오염성이 우수한 시멘트 판재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 시멘트 혼합물(또는 콘크리트)의 양생 과정 중 시멘트 분말의 수화반응이 일어나면서, 수화물이 빠져나간 자리 또는 반응하지 않고 남은 물이 빠져나간 자리에는 공극이 형성된다. 이렇게 형성된 공극은 시멘트 성형체 내부에서 외부표면까지 연결되는 개방형 공극으로서, 성형체의 수분 흡수율을 높여 내구성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다. 구체적으로 시멘트 성형체에 흡수된 수분은 빙점 이하 온도에서 빙결되어 부피가 팽창될 수 있는데, 이와 같은 수분의 부피 팽창이 반복적으로 지속되면 성형체 내부에 균열을 발생시키는 원인이 된다.
이에 종래에는 공정 및 레시피 제어를 통해 시멘트 성형체의 수분 흡수율을 개선하려는 사례가 다수 있었으나, 개선 정도에 미미하여 완전한 수분 흡수율의 제어가 어려운 문제가 있었다. 또한, 수분 흡수율이 제어된다 하더라도, 많은 미세기공과 이들이 연결되는 시멘트 성형체의 구조적 특징으로 인하여 표면의 친수화가 유도되므로 표면의 내오염성이 낮고, 내후성, 내열성 및 내스크래치성 등이 좋지 않아 성형체의 수명 및 심미성에 나쁜 한계가 있다.
이에, 본 발명은 내오염성이 우수한 시멘트 판재 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 시멘트 판재는 시멘트 혼합물의 수화 반응에 의해 형성된 개방형 공극을 고분자 첨가제가 채우는 표면 구조의 시멘트 성형체 상에 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 도입함으로써 현저히 낮은 수분 흡수율과 함께 높은 내오염성, 내후성, 내열성 및 내스크래치성 등을 구현할 수 있으므로, 건축 분야, 예를 들어, 주방 상판, 욕조, 세안대 등에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
시멘트 판재
본 발명은 일실시예에서,
시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물로부터 형성되는 시멘트 성형체; 및
상기 시멘트 성형체 상에 위치하고 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 포함하는 시멘트 판재를 제공한다.
본 발명에 따른 시멘트 판재는 시멘트 성형체 및 상기 성형체 상에 코팅층을 포함하는 구조를 가지며, 상기 코팅층은 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 구성을 갖는다.
이때, 상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머 및 실라잔 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.
예를 들어, 상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머로서 비반응성 관능기인 알킬기와 함께 반응성 관능기를 1 이상 포함하는 실록산 단위, 구체적으로는 단관능성 실록산 단위(M 단위), 이관능성 실록산 단위(D 단위), 삼관능성 실록산 단위(T 단위) 및/또는 사관능성 실록산 단위(Q 단위)가 서로 가수분해 및/또는 축합되어 3차원적으로 그물망 구조 또는 네트워크 구조를 갖는 3차원 네트워크형 알킬실록산 올리고머를 포함할 수 있다.
여기서, "알킬"이란 직쇄(linear) 또는 분지(branched) 형태의 포화 탄화수소로부터 유도된 작용기로서, 예를 들면, 탄소수 1 내지 5를 갖는 메틸기(methyl group), 에틸기(ethyl group), n-프로필기(n-propyl group), 이소프로필기(iso-propyl group), n-부틸기(n-butyl group), sec-부틸기(sec-butyl group), t-부틸기(tert-butyl group), n-펜틸기(n-pentyl group)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 알킬실록산 올리고머는 메틸실록산 올리고머, 에틸실록산 올리고머, 프로필실록산 올리고머 등을 들 수 있다.
또한, 상기 규소(Si) 함유 중합체는 유기 실라잔 올리고머 및 무기 실라잔 올리고머를 함유하는 유무기 하이브리드 실라잔 올리고머를 포함할 수 있다. 일반적으로 실라잔 중합체는 규소(Si) 원자 및 질소(N) 원자를 포함하는 실라잔기에 탄소 원자의 포함 유무에 따라 무기 실라잔 중합체와 유기 실라잔 중합체로 구분되는데, 무기 실라잔 중합체는 분자 구조 내에 Si-N 결합, Si-H 결합 및 N-H 결합으로 이루어져 있어 열분해 혹은 가수분해에 의해 유리와 유사하게 고밀도 및 고경도 특성을 나타내나 취성이 취약하고, 경화 시 고온이 요구되는 문제가 있다. 이에, 본 발명에 따른 실라잔 올리고머는 유기 실라잔 올리고머와 무기 실라잔 올리고머를 일정 비율로 함유하는 유무기 하이브리드 실리잔 올리고머를 포함하여 코팅층에 고밀도 및 고경도를 구현함과 동시에, 코팅층 제조 작업성/공정성을 개선할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 유무기 하이브리드 실라잔 올리고머는 유기 실라잔 올리고머와 무기 실라잔 올리고머를 35~45 : 0.1~10 중량 비율로 포함할 수 있고, 구체적으로는 유기 실라잔 올리고머와 무기 실라잔 올리고머를 35~45 : 0.1~5 중량 비율; 35~45 : 0.1~3 중량 비율; 35~45 : 0.1~2 중량 비율; 35~45 : 0.1~1 중량 비율; 38~42 : 0.1~5 중량 비율; 또는 37~43 : 0.1~3 중량 비율로 포함할 수 있다.
본 발명은 유무기 하이브리드 실라잔 올리고머에 포함된 유기 실라잔 올리고머와 무기 실라잔 올리고머의 함량 비율을 상기와 같은 비율로 포함함으로써 과량의 무기 실라잔 올리고머로 인해 제조단가가 상승하는 것을 방지하는 한편, 유기 실라잔 올리고머의 함량이 낮아 코팅층의 내오염성이 충분히 구현되지 않거나, 저함량의 무기 실라잔 올리고머로 인해 시멘트 판재의 표면 경도가 저하되는 것을 막을 수 있다.
또한, 상기 코팅층의 평균 두께는 시멘트 판재의 내오염성과 내스크래치성을 저하하지 않는 범위에서 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 구체적으로는 1 내지 30 ㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 상기 코팅층의 평균 두께는 1 내지 25 ㎛, 1 내지 22 ㎛, 1 내지 20 ㎛, 1 내지 18 ㎛, 1 내지 15 ㎛, 1 내지 10 ㎛, 1 내지 8 ㎛, 5 내지 30 ㎛, 10 내지 30 ㎛, 15 내지 30 ㎛, 5 내지 20 ㎛, 10 내지 20 ㎛, 15 내지 20 ㎛, 10 내지 15 ㎛, 2 내지 10 ㎛ 또는 3 내지 8 ㎛일 수 있다.
상기 코팅층의 평균 두께는 코팅층에 포함된 규소(Si) 함유 중합체 종류에 따라 상이할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 코팅층은 알킬실록산 올리고머를 포함하는 경우 평균 두께가 7 내지 20㎛일 수 있고, 유무기 하이브리드 실라잔 올리고머를 포함하는 경우 평균 두께가 4 내지 7㎛일 수 있다.
한편, 상기 시멘트 성형체는 당업계에서 통상적으로 사용되는 시멘트 혼합물을 성형한 것일 수 있으며, 구체적으로는 시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물로부터 형성되어 고분자 첨가제로 채워진 개방형 공극을 표면에 포함하는 것일 수 있다. 상기 시멘트 성형체는 시멘트 조성물의 양생 후 열 처리에 의해 형성될 수 있는데, 상기 양생 과정에서 개방형 공극이 형성되고, 열 처리 단계에서 고분자 첨가제의 용융이 유도되어 양생 과정에서 형성된 개방형 공극을 채울 수 있다.
상기 시멘트 성형체는 몰드의 형상에 따라 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 시멘트 조성물을 판상의 몰드에 채워 성형체를 제조하는 경우 제조된 시멘트 성형체는 슬래브(slab) 형상을 가질 수 있다.
여기서, 상기 시멘트 혼합물은 시멘트 분말, 골재 및 혼화재를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 시멘트 분말은 시멘트 혼합물의 양생 단계에서 수화 반응을 통해 골재를 결합해주는 바인더 역할을 하며, 그 종류는 특별히 제한되지 않으며 공지된 재료를 사용할 수 있다. 상기 시멘트 분말의 직경은 예를 들어, 100㎛ 이하, 80 ㎛이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 또는 30㎛ 이하일 수 있다.
또한, 상기 골재는 시멘트 성형체의 우수한 강도를 구현하기 위해 첨가되는 재료로서, 규산질 천연 광물인 석영, 규암, 규사, 화강암, 및 반암 중 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 공지된 골재를 제한 없이 사용할 수 있다.
아울러, 상기 혼화재는 시멘트 성형체의 성질 개량을 위해 쓰이는 재료로서, 실리카퓸, 지르코늄 실리카퓸, 메타카올린, 고로슬래그 중 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 공지된 혼화재를 제한 없이 사용할 수 있다.
이외에도, 상기 시멘트 혼합물은 건축 분야의 공지된 첨가재가 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 감수제, AE제, 소포제, 유동화제, 방수제 중 1 종 또는 2종의 혼화제, 안료 등의 첨가재를 추가로 포함할 수 있다.
상기 시멘트 혼합물에서, 각 조성의 함량은 시멘트 성형체의 용도 및 목적에 따라, 요구되는 물성을 구현하기 위하여 적절히 선택될 수 있다.
또한, 상기 고분자 첨가제는 양생 단계에서 시멘트 혼합물 내 물과 반응하지 않는 고분자, 다시 말해, 양생 단계에서 수화물을 형성하지 않는 고분자 분말을 의미할 수 있다. 즉, 본 발명에서, 고분자 첨가제는 양생 단계에서 물리적, 화학적 변형이 일어나지 않는 고분자를 모두 포함하는 의미로 사용될 수 있고, 예를 들어, 양생 단계에서 물리적, 화학적 변형이 일어나지 않는 비교적 분자량이 작은 왁스도 고분자 첨가제에 해당할 수 있다.
아울러, 용어 「고분자 분말」은 후술하는 종횡비 및 구형화도 중에서 1 이상을 만족하는 형상의 고분자를 의미할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명에서는 후술하는 종횡비와 구형화도를 만족하지 못하는 형태의 고분자를 「섬유」로 호칭할 수 있다. 섬유 형태의 고분자는 그 형상 중 어느 일 방향의 길이가 길기 때문에 섬유간 꼬임이나 연결에 의해, 용융 시 오히려 개방형 공극과 연결된 공간을 형성할 수 있고, 이러한 공간은 시멘트 성형체의 수분 흡수율을 높일 수 있다.
이와 더불어, 상기에서 용어 「개방형 공극(Open pore)」은, 시멘트 시멘트 성형체 내부에서 시멘트 성형체 외부로 이어져, 표면까지 유체 연결된 틈 또는 통로를 의미한다. 즉, 양생 과정에서 시멘트 분말과 물이 수화 반응하게 되면, 시멘트 성형체 내부에서 표면까지 유체가 이동할 수 있는 틈 또는 통로가 형성될 수 있는데, 이를 개방형 공극이라 칭한다. 상기 개방형 공극이 시멘트 성형체 내부에서 표면까지 유체 연결됨에 따라, 예를 들어, 외부의 수분이 개방형 공극을 통해 시멘트 성형체 내부에 침투할 수 있고, 그 결과 개방형 공극을 포함하는 시멘트 성형체의 수분 흡수율이 높아질 수 있다. 예를 들어, 개방형 공극의 형성 비율이 높을수록 성형체는 높은 수분 흡수율을 나타낸다.
한편, 본 출원에 따른 성형체의 경우, 양생 과정에서 반응하지 않은 고분자 첨가제가 열처리를 통해 용융되면서 유동성을 갖는 용융물이 되고, 이러한 용융물은 시멘트 성형체 표면까지 이어진 개방형 공극의 유체 연결된 틈 또는 통로를 이동하게 된다. 이러한 과정을 통해, 고분자 첨가제가 개방형 공극에 채우게 된다. 여기서 「고분자 첨가제가 개방형 공극을 채운다」는 것은 외부 수분이 시멘트 성형체 내부로 유입되지 않도록 개방형 공극의 유체 연결된 틈 또는 통로 전체를 채우거나, 또는 그 일부를 채우는 것도 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 상기와 같이 개방형 공극에 고분자 첨가제가 채워짐에 따라, 외부의 수분이 개방형 공극을 통해 시멘트 성형체 내부로 침투되는 것이 차단될 수 있고, 따라서, 본 출원에 따른 시멘트 성형체의 낮은 수분 흡수율이 구현될 수 있다.
하나의 예로서, 본 발명에서 사용되는 시멘트 성형체는 개방형 공극이 고분자 첨가제로 채워진 구조를 가짐으로써 ASTM C97 또는 KS F2530:2000에 따른 수분 흡수율이 0.2% 이하일 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.18% 이하, 0.16% 이하, 구체적으로, 0.15% 이하, 0.13% 이하, 0.11% 이하, 0.1% 이하, 0.099% 이하, 0.095% 이하, 0.09% 이하, 0.085% 이하 또는 0.08% 이하의 낮은 수분 흡수율을 나타낼 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 본 출원에 따른 고분자 첨가제는 양생 단계에서 수화 반응, 물리적 또는 화학적 변형이 일어나지 않아야 하고, 열 처리 단계에서는 유동성을 갖는 용융물로 형성되어야 한다. 이와 관련하여, 양생 단계의 온도와 고분자 첨가제의 용융점의 상대적인 크기가 고려될 수 있다. 예를 들어, 고분자 첨가제의 용융점은 양생 온도를 초과할 수 있다. 구체적으로, 상기 양생 온도는 25 내지 100℃ 범위 내일 수 있고, 고분자 첨가제의 용융점은 상기 온도 범위 보다 높을 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 고분자 첨가제는 용융점이 100℃ 초과, 110℃ 초과, 120℃ 초과 또는 130℃ 초과인 열가소성 고분자 분말일 수 있다. 상기 고분자 첨가제는 상술한 범위 내의 용융점을 가짐에 따라, 양생 단계에서 수화 반응, 물리적, 화학적 변형이 일어나지 않으며, 열 처리 단계에서 유동성을 가질 수 있다. 또한, 상기 열가소성 고분자 분말의 용융점 상한은, 예를 들어, 180℃ 이하, 175℃ 이하, 170℃ 또는 165℃ 이하일 수 있다. 용융점이 상기 범위를 초과하는 열가소성 고분자 분말의 경우, 용융물이 되기 위해서 상기 온도 범위 이상으로 열 처리를 수행해야 되는데, 이러한 열 처리는 오히려 시멘트 성형체를 손상시킬 수 있다.
본 출원에 따른 시멘트 성형체의 낮은 수분 흡수성은, 고분자 첨가제가 채워진 개방형 공극의 비율을 높이는 것으로 달성할 수 있고, 이는 시멘트 혼합물에 대한 고분자 첨가제의 분산성과 연관이 있다. 구체적으로, 시멘트 혼합물에 고분자 첨가제를 효과적으로 분산시킬수록 고분자 첨가제가 채워진 개방형 공극의 비율이 높아질 수 있다. 분산성 개선과 관련하여, 고분자 첨가제의 입경은 시멘트 혼합물에 포함된 시멘트 분말의 입경과 유사하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 첨가제 입경은 상한이 100㎛ 이하, 80㎛ 이하, 60㎛ 이하, 구체적으로는 50㎛ 이하, 40㎛ 이하 보다 구체적으로는 30㎛ 이하일 수 있고, 하한이 1㎛ 이상, 3㎛ 이상, 5㎛ 이상, 7㎛ 이상 또는 10㎛ 이상일 수 있다. 고분자 첨가제의 입경이 상기 하한 범위 미만인 경우, 입자의 뭉침 현상 때문에 시멘트 분말과 효과적으로 혼합되기 어렵고, 제조된 시멘트 성형체는 기계적 강도가 저하되는 문제가 있을 수 있다. 또한, 고분자 첨가제의 입경이 상기 범위 초과인 경우, 분말의 크기가 지나치게 커서 분말 간 적당한 거리를 유지하기 어려워 분산성이 낮아질 수 있다.
이와 더불어, 상기 고분자 첨가제의 형상은 폐쇄형 공극의 형성과 연관된다. 구체적으로, 고분자 첨가제의 형상이 구형에 가까울수록 첨가제가 차지하던 공간에 개방형 공극이 아닌 폐쇄형 공극이 형성될 수 있다. 이러한 첨가제의 형상은 종횡비(aspect ratio, 장축 길이/단축 길이) 및 구형화도(roudness)로 평가될 수 있다. 하나의 예로서, 본 발명의 고분자 첨가제는 1.00 이상 1.05 미만, 보다 구체적으로는 1.02 이상 1.05 미만의 종횡비를 가질 수 있고, 0.95 내지 1.00, 보다 구체적으로는 0.98 내지 1.00의 구형화도를 가질 수 있으며, 상기 종횡비 및 구형화도는 1에 가까울수록 분말의 형상은 구형에 가까운 것으로 해석될 수 있다. 상기 고분자 첨가제의 형상이 상술한 종횡비 및 구형화도의 범위를 만족하는 경우에, 분말의 흐름성 및 균일도가 높아져서 시멘트 조성물에 적용함에 있어서 분말의 취급이 용이하고, 상기 분말이 적용된 시멘트 조성물은 우수한 분산성이 구현될 수 있다. 특히, 우수한 분산성이 구현된 시멘트 조성물로부터 형성된 시멘트 성형체 분말이 채워진 개방형 공극의 비율이 향상되어 낮은 수분 흡수율이 구현될 수 있다.
또한, 상기 고분자 첨가제는 폴리올레핀계 열가소성 고분자 분말일 수 있으며, 구체적으로는 폴리프로필렌 분말 및 폴리에틸렌 분말 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 고분자 첨가제는 폴리프로필렌 분말일 수 있다.
아울러, 상기 시멘트 성형체는 고분자 첨가제 용융 시 형성되는 폐쇄형 공극(Closed pore)을 추가로 포함할 수 있다.
상기에서 용어 「폐쇄형 공극(Closed pore)」은 개방형 공극과 달리 시멘트 성형체 표면과 유체 연결되지 않거나 단절된 (또는 밀폐된) 틈 또는 공간을 의미한다. 따라서, 폐쇄형 공극은 외부로부터 시멘트 성형체 내부로 흡수되는 수분의 함량, 즉, 시멘트 성형체의 수분 흡수율에 영향을 미치지 않는다. 상기 폐쇄형 공극은 양생과 무관하게, 시멘트 성형체를 형성하는 조성물의 성분 중 일부가 차지하던 공간일 수 있다. 구체적으로, 양생 이후 열처리 과정에서 용융된 고분자 첨가제가 인접한 개방형 공극으로 이동하면서, 원래 고분자 첨가제가 차치하던 자리에 폐쇄형 공극이 형성된다. 즉, 폐쇄형 공극은 고분자 첨가제 이동 및/또는 용융에 의해 형성되는 것으로 이해될 수 있다.
이러한 폐쇄형 공극의 형성은 고분자 첨가제의 형상과 관련된다. 예를 들어, 고분자 첨가제, 즉 열가소성 고분자 분말의 종횡비 및 구형화가 1.2 이상, 1.5 이상, 1.8 이상, 2.0 이상인 섬유의 경우, 열 처리 과정에서 고분자 첨가제가 개방형 공극을 채우지만, 일 방향으로 길게 형성된 특유의 형상에 의해 섬유가 서로 연결되면서, 성형체 내부에서 외부 표면까지 연결된 일 종의 개방형 통로를 형성하게 되고, 이에 따라, 섬유가 있던 자리에는 폐쇄형이 아닌 개방형 공극이 형성될 수 있다. 따라서, 분말 대신 섬유를 사용하는 경우, 시멘트 혼합물의 수화 반응을 통해 형성된 개방형 공극과 섬유에 의해 형성된 개방형 공극이 모두 존재하게 되므로, 시멘트 성형체의 낮은 수분 흡수율을 구현하기 어려울 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 폐쇄형 공극은 100㎛ 이하, 80㎛ 이하, 60㎛ 이하, 구체적으로는 50㎛ 이하, 보다 구체적으로는 30㎛ 이하의 평균 직경을 가질 수 있다. 상기 폐쇄형 공극의 평균 직경은 고분자 첨가제의 입경에 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 작은 입경을 가지는 고분자 첨가제가 용융되면 고분자 첨가제가 차지하는 공간에 상대적으로 작은 직경을 가지는 폐쇄형 공극이 형성될 수 있다. 또한, 상대적으로 큰 입경을 가지는 고분자 첨가제가 용융되면 고분자 첨가제가 차지하는 공간에 상대적으로 큰 직경을 가지는 폐쇄형 공극이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 판재는 상기와 같은 구성을 가짐으로써 수분 흡수율이 현저히 낮을 뿐만 아니라, 물품 표면의 내오염성과 내스크래치성 등의 물성을 현저히 향상시킬 수 있다.
하나의 예로서, 본 발명의 시멘트 판재는 내오염성이 우수하여 ANSI Z124.6에 따른 청결도(cleanability)가 40 미만일 수 있으며, 구체적으로는 상기 청결도가 39 이하, 38 이하, 1 내지 39, 1 내지 38, 1 내지 37, 1 내지 35, 1 내지 30, 1 내지 25, 1 내지 22, 5 내지 39, 10 내지 39, 15 내지 39, 15 내지 37, 15 내지 35, 15 내지 30, 15 내지 25, 15 내지 22, 20 내지 39, 25 내지 39, 30 내지 39, 35 내지 39, 또는 19 내지 38일 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 시멘트 판재는 내스크래치성이 향상되어 0.50±0.01 mm 직경의 다이아몬트 팁을 이용한 내스크래치성 평가 시 스크래치가 발생하는 하중, 즉 다이아몬드 팁이 코팅층에 침입하는 최소 하중이 1.0N 이상일 수 있으며, 구체적으로는 1.0N 내지 3.0N, 1.0N 내지 2.5N, 1.0N 내지 2.2N, 1.1N 내지 2.2N, 1.5N 내지 3.0N, 1.5N 내지 2.5N, 1.5N 내지 2.2N 또는 1.8N 내지 2.2N일 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 판재는 상술된 바와 같이 수분 흡수율이 낮을 뿐만 아니라 표면의 내오염성, 내후성, 내열성, 내스크래치성 등의 물성을 현저히 우수하므로, 건축 분야, 예를 들어, 주방 상판, 욕조, 세안대 등에 유용하게 사용될 수 있다.
시멘트 판재의 제조방법
또한, 본 발명은
시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물로부터 고분자 첨가제로 채워진 개방형 공극을 표면에 포함하는 시멘트 성형체를 제조하는 단계; 및
상기 시멘트 성형체 상에 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머 및 실라잔 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 시멘트 판재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 시멘트 판재의 제조방법은 고분자 첨가제로 채워진 개방형 공극을 표면에 포함하는 시멘트 성형체를 제조하고, 제조된 시멘트 성형체 상에 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 형성함으로써 수행된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 시멘트 판재의 제조방법은 시멘트 성형체를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 시멘트 성형체를 제조하는 단계는 하기와 같은 단계에 의해 수행될 수 있다:
시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물을 양생하여 개방형 공극을 갖는 전구체를 제조하는 단계;
상기 전구체를 열 처리하여 전구체의 개방형 공극이 고분자 첨가제로 채워진 시멘트 성형체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 시멘트 혼합물은 제조되는 성형체의 주 성분으로, 시멘트 분말, 골재 등을 포함하며, 이외 다른 공지된 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 고분자 첨가제는 개방형 공극을 채우는 재료이고, 고분자 첨가제의 함량에 따라 제조되는 성형체의 수분 흡수율이 소정 조절될 수 있다. 예를 들어, 고분자 첨가제의 함량이 높을수록 고분자 첨가제가 채워진 개방형 공극의 비율이 증가하게 되어 제조된 시멘트 성형체의 수분 흡수율이 낮게 조절될 수 있다.
다만, 고분자 첨가제의 함량이 지나치게 많은 경우 폐쇄형 공극의 비율이 증가됨에 따라, 성형체의 기계적 강도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 고분자 첨가제의 적정 함량은 시멘트 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부 범위 내일 수 있다.
또한, 상기 양생은, 고분자 첨가제의 물리적, 화학적 변형이 일어나지 않는 온도 범위 내에서 양생을 할 수 있으며, 시멘트 조성물을 물에 소정 기간 침지시키는 것으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 양생은 25 내지 100℃의 온도 범위 내에서 다양한 방식으로 수행될 수 있으며, 예를 들어, 상온(약 25℃)의 물에서 장기간(약 28일) 양생하는 수중 양생, 단기간(1시간 내지 1일) 증기로 양생하는 증기 양생, 또는 고온(약 50℃ 이상)의 물에서 단기간 (1시간 내지 1일) 양생하는 열수 양생으로 수행될 수 있다. 또한, 양생 기간은 특별히 한정되지 않으며, 양생 방법 및 시멘트 조성물의 조성에 따라 1시간 내지 28일 범위 내에서 선택될 수 있다.
상기 양생 과정에서 시멘트와 물이 수화 반응을 하여 수화물을 형성하며, 전구체는 상기 수화물 또는 수화 반응을 하지 않고 남은 물에 의해 형성된 개방형 공극을 가지게 된다.
하나의 예시에서, 상기 방법은 시멘트 분말 및 상기 시멘트 분말 내에 분산된 고분자 첨가제를 포함하는 혼합 분말에, 물을 첨가하여 시멘트 조성물을 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 혼합 분말은 건식 믹싱(mixing)에 의해 시멘트 분말과 고분자 첨가제가 균일하게 분산된 상태로 존재할 수 있다. 상기 시멘트 분말과 고분자 첨가제가 균일하게 분산된 상태로 존재하기 위해서, 두 분말 간 입경이 유사하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 시멘트 분말과 고분자 첨가제의 입경은 1 내지 100㎛, 5 내지 80㎛, 10 내지 60㎛ 또는 20 내지 40㎛ 범위 내일 수 있다. 상기 혼합 분말이 균일한 분산 상태로 존재함에 따라, 열 처리 과정에서 형성된 분말이 성형체 전반에 걸쳐 형성된 개방형 공극에 효과적으로 채워질 수 있다. 또한, 상기 단계에서 물 이외 감수제, AE제, 소포제, 유동화제, 방수제 중 1 종 또는 2종의 혼화제, 안료 등의 첨가재를 추가로 첨가할 수 있다.
이와 더불어, 상기 시멘트 성형체를 제조하는 단계는 양생 전에, 상기 시멘트 조성물을 몰드 내에 채우고 압축하여 시멘트 조성물에 형상을 부여하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 압축은 공지된 프레스 장치를 이용하여 수행될 수 있으며, 예를 들어, 상기 압축은 1축 프레스 장치 또는 진공-진동-압축 프레스 장치로 수행될 수 있다. 상기 압축은 프레스 장치에 따라 다양한 조건으로 진행될 수 있다. 예를 들어, 1축 프레스 장치의 경우 50 내지 150 MPa 압력 조건에서, 1 내지 10분 동안 압축을 진행하며, 진공-진동-압축 프레스 장치의 경우 1 내지 20mbar 진공도, 1000 내지 5000rpm 진동 조건에서 1 내지 5 분 동안 압축을 진행할 수 있다. 상기 압축을 통해 전구체에 대한 효과적인 패킹이 가능하고, 그에 따라, 제조되는 성형체의 수분 흡수율이 보다 낮게 구현될 수 있다.
또한, 몰드의 형상에 의해 시멘트 조성물의 형상이 부여되면, 양생 과정을 거쳐 형성된 성형체는 시멘트 조성물의 형상은 그대로 유지된다. 따라서, 판상의 몰드를 사용할 경우, 제조되는 성형체는 슬라브 형태로 제조될 수 있다.
아울러, 상기 시멘트 성형체를 제조하는 단계는 양생을 통하여 제조된 개방형 공극을 갖는 전구체를 열처리하여 개방형 공극이 고분자 첨가제로 채워진 시멘트 성형체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 열 처리는 고형의 분말을 유동성이 있는 용융물로 상 변화시키기 위한 과정이고, 이러한 열 처리는 고분자 첨가제의 용융점 이상 온도에서 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 고분자 첨가제는 용융점이 100℃ 초과, 110℃ 초과, 120℃ 초과 또는 130℃ 초과인 열가소성 고분자 분말일 수 있고, 이때, 열 처리는 시멘트 성형체에 손상이 가해지지 않는 온도 이하에서, 보다 구체적으로는 100℃ 내지 200℃로 수행될 수 있다. 그 예로서, 상기 열 처리 온도는 상한이 200℃ 이하, 190℃ 이하, 180℃ 이하 또는 170℃ 이하일 수 있고, 하한이 100℃ 이상, 110℃ 이상, 120℃ 이상 또는 130℃ 이상일 수 있다. 하나의 예로서, 상기 열처리는 120℃ 내지 190℃, 140℃ 내지 180℃ 또는 150℃ 내지 170℃에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 열 처리 시간은 상 변화 시간 및 용융물에 의해 개방형 공극이 채워지는 시간을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 예를 들어, 1분 내지 30분 범위 내에서 수행될 수 있다.
이와 더불어, 상기 열 처리는 상압 (대기 분위기)에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 가압 또는 감압 조건에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열 처리는 감압 조건에서 수행될 수 있고, 예를 들면, 진공 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 진공 분위기는 예를 들어, 10-3 torr 이하의 압력으로 감압되는 분위기를 의미할 수 있다. 상기 열 처리가 진공 분위기에서 수행됨에 따라, 성형체 내부와 외부 간의 압력 차가 발생하여, 개방형 공극 내 용융물의 이동성이 향상되어 보다 낮은 수분 흡수율을 구현하는데 기여할 수 있다. 또한, 상기 열 처리는 가압 조건에서 수행될 수 있고, 예를 들면, 오토클레이브에 의해 수행될 수 있다. 상기 오토클레이브는 전구체에 고온 및 고압을 가하는 과정으로서, 열 처리를 오토클레이브를 수행함에 따라, 남은 수화물의 양생 촉진과 분말의 용융물 형성이 동시에 진행되어 수분 흡수율의 개선 측면에서 보다 효율적일 수 있다. 상기 오토클레이브의 공정 조건은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 150℃ 내지 220℃ 온도, 5 내지 25bar 압력, 3 내지 16 시간 범위 내에서 수행될 수 있다.
상기 단계에 의해 제조된 시멘트 성형체는 열 처리에 의해 고분자 첨가제가 용융되면서 형성된 폐쇄형 공극을 더 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 시멘트 판재의 제조방법은 제조된 시멘트 성형체 상에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 코팅층을 형성하는 단계는 하기와 같은 단계에 의해 수행될 수 있다:
규소(Si) 함유 중합체를 포함하는 코팅 조성물을 시멘트 성형체 상에 도포하는 단계; 및
도포된 코팅 조성물을 경화하여 코팅층을 형성하는 단계.
상기 코팅 조성물은 앞서 설명한 바와 같이 규소(Si) 함유 중합체를 포함하고, 상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머 및 실라잔 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다. 예를 들어, 상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머로서 비반응성 관능기인 메틸기와 함께 반응성 관능기를 1 이상 포함하는 실록산 단위, 구체적으로는 단관능성 실록산 단위(M 단위), 이관능성 실록산 단위(D 단위), 삼관능성 실록산 단위(T 단위) 및또는 사관능성 실록산 단위(Q 단위)가 서로 가수분해 및/또는 축합되어 3차원적으로 그물망 구조 또는 네트워크 구조를 갖는 3차원 네트워크형 메틸실록산 올리고머를 포함할 수 있고; 및/또는 유기 실라잔 올리고머 및 무기 실라잔 올리고머를 함유하는 유무기 하이브리드 실라잔 올리고머를 포함할 수 있다.
상기 유무기 하이브리드 실라잔 올리고머는 유기 실라잔 올리고머와 무기 실라잔 올리고머를 35~45 : 0.1~10 중량 비율로 포함할 수 있고, 구체적으로는 유기 실라잔 올리고머와 무기 실라잔 올리고머를 35~45 : 0.1~5 중량 비율; 35~45 : 0.1~3 중량 비율; 35~45 : 0.1~2 중량 비율; 35~45 : 0.1~1 중량 비율; 38~42 : 0.1~5 중량 비율; 또는 37~43 : 0.1~3 중량 비율로 포함할 수 있다.
본 발명은 유무기 하이브리드 실라잔 올리고머에 포함된 유기 실라잔 올리고머와 무기 실라잔 올리고머의 함량 비율을 상기와 같은 비율로 포함함으로써 과량의 무기 실라잔 올리고머로 인해 제조단가가 상승하는 것을 방지하는 한편, 유기 실라잔 올리고머의 함량이 낮아 코팅층의 내오염성이 충분히 구현되지 않거나, 저함량의 무기 실라잔 올리고머로 인해 시멘트 판재의 표면 경도가 저하되는 것을 막을 수 있다.
또한, 상기 코팅 조성물은 조성물의 도포를 용이하게 하기 위하여 끓는점이 1 기압에서 30℃ 내지 120℃인 유기 용제나; 경화제 등을 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
아울러, 코팅 조성물의 도포는 당업계에서 코팅 조성물을 도포하는 통상적인 방법이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 도포는 스프레이 코팅, 바(bar) 코팅, 롤러 코팅, 프린팅, 스핀 코팅 등에 의해 수행될 수 있다.
이와 더불어, 도포된 코팅 조성물의 경화는 1기압, 상온(22±2℃)에서 수행될 수 있으나, 공정성 측면에서 열을 가하여 수행될 수도 있다. 구체적으로 코팅 조성물을 1기압 상온에서 경화시키는 경우 24시간 이후에 사용이 가능하나 경화된 코팅층의 물성을 극대화하기 위하여 조성물을 완전히 경화시키는 경우 약 96시간 이상 걸릴 수 있다. 따라서, 본 발명은 공정성 측면에서 도포된 코팅 조성물을 1기압 및 20℃ 내지 200℃의 온도에서 경화시킬 수 있으며, 보다 구체적으로는 1기압 및 20℃ 내지 180℃, 20℃ 내지 160℃, 20℃ 내지 140℃, 20℃ 내지 120℃, 20℃ 내지 100℃, 40℃ 내지 200℃, 60℃ 내지 200℃, 80℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 200℃, 40℃ 내지 180℃, 60℃ 내지 150℃, 80℃ 내지 120℃ 또는 90℃ 내지 110℃에서 경화시킬 수 있다.
또한, 상기 경화는 10분 내지 200분 동안 수행될 수 있으며, 구체적으로는 10분 내지 180분, 10분 내지 150분, 10분 내지 120분, 10분 내지 60분, 30분 내지 150분, 30분 내지 100분 또는 40분 내지 60분 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 판재의 제조방법은 상기와 같이 간단한 과정을 통해 제조가 가능하므로 생산성이 뛰어날 뿐만 아니라, 현저히 낮은 수분 흡수율과 함께 표면 경도 등이 우수하므로 내오염성, 내후성, 내열성, 내스크래치성 등이 뛰어난 시멘트 판재를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1.
백색 포틀랜드 시멘트 분말 30 중량부 (탄산칼슘 10 중량부, 포틀랜드 시멘트 90 중량부), 골재 60 중량부, 혼화재 8 중량부 및 종횡비 및 구형화도가 각각 1.0 및 1.0 이고, 3~30㎛의 입경을 갖는 폴리프로필렌 분말 2 중량부를 균일하게 혼합하여 혼합 분말을 제조하였다. 입도 분석기를 이용하여 상기 폴리프로필렌 분말의 입경(D50)을 측정하였고, 그 결과 23.5㎛이었다.
상기 혼합 분말에 물 10 중량부 및 혼화제 2 중량부를 첨가하여 시멘트 조성물을 제조한 후, 몰드에 채워 전구체를 제조하였다.
1축 프레스 설비를 이용하여 상기 전구체를 100 MPa 조건에서 5분 동안 압축하고, 80℃의 물에서 양생하였다. 양생이 완료된 후 진공 분위기에서 160℃의 열 처리를 수행하여 시멘트 성형체를 제조하였다.
실시예 1.
3차원 네트워크형 메틸 실록산 올리고머 (동점도: 25℃에서 1.2±0.1 ㎟/s)를 제조예 1에서 제조된 시멘트 성형체 표면에 스프레이 코팅하고, 100±5℃에서 40±5분 동안 경화하여 시멘트 성형체 상에 코팅층이 형성된 시멘트 판재를 제조하였다. 이때, 상기 코팅층의 평균 두께는 12±2 ㎛이었다.
실시예 2.
유무기 하이브리드 실라잔 올리고머 (유기 실라잔 올리고머:무기 실라잔 올리고머= 39~41: 0.1~10 중량 기준)를 제조예 1에서 제조된 시멘트 성형체 표면에 스프레이 코팅하고, 100±5℃에서 40±5분 동안 경화하여 시멘트 성형체 상에 코팅층이 형성된 시멘트 판재를 제조하였다. 이때, 상기 코팅층의 평균 두께는 4.5~5.5 ㎛이었다.
비교예 1.
종래 당업계에서 판매되고, 불포화 폴리에스테르 수지 및 석영계 샌드와 분말을 포함하는 엔지니어드 스톤(E-stone) 시편을 준비하였다.
비교예 2.
유무기 하이브리드 실라잔 올리고머 대신에 무기 실라잔 올리고머를 사용한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 수행하여 시멘트 판재를 제조하였다.
실험예.
본 발명에 따른 시멘트 판재의 물성을 평가하기 위하여 제조예 1에서 얻은 시멘트 성형체, 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에서 얻은 시편을 대상으로 하기와 같은 실험을 수행하였다.
가) 내오염성 평가
ANSI Z124.6:2007에 따른 청결도(cleanability)를 측정하였다. 구체적으로, 각 시편 표면을 표준 정련 컴파운드를 사용하여 손으로 20회 문질러 깨끗하게 한 후, 오염 물질로서, 흑색 크래용 (Black Crayon), 흑색 액체 구두약 (Black Liquid Shoe Polish), 청색 수성 잉크 (Blue Washable Ink), 젠티안 바이올렛액 (Gentian Violet Solution), 비트 주스 (Beet Juice), 포도 주스 (Grape Juice), 립스틱 (Lipstick, 대비되는 색상), 염색약 (Hair Dye, 대비되는 색상), 1% 요오드 용액 (Iodine solution, 1% 알코올 용액), 젖은 티백 (Wet Tea Bag)을 이용하여 (액체) 2방울 떨어뜨리거나, (고체) 바른 다음, 온도 및 상대 습도가 23±2℃ 및 50±5%인 조건 하에서 16시간 방치시켰다. 그 후, 시편 표면의 청색 수성 잉크를 종이타월로 제거하고, 제거된 정도를 150±50 피트(ft) 거리에서 1615±540 lx의 조도 조건에서 육안으로 관찰하여 평가하였다. 이때, 오염 정도의 기준은 다음과 같이 점수화 하였으며, 각 오염 물질에 대한 점수를 합산하여 총점을 산출하였다:
- 1점: 수돗물로 무명 또는 거친털 브러쉬를 사용하여 손으로 20회 문질러 세척 후 건조하여 얼룩이 없는 상태 (이때 얼룩은 표면질감 또는 색상의 변화로 정의됨),
- 2점: 알코올 또는 나프타를 사용하여 20회 문지르고 수돗물 세척 및 건조 후 얼룩이 없는 상태,
- 3점: 표준정련 파우더를 사용하여 20회 스크럽 후 수돗물로 세척하고 건조 후 얼룩이 없는 상태 (이때 파우더로 광택을 줄여서 얼룩이 생기지 않도록 유의),
- 4점: 앞의 경우와 동일하게 40회 문지른 후 얼룩이 없는 상태,
- 5점: 위의 모든 처리에도 얼룩이 남아있는 상태, 600 그릿의 연마 천으로 가볍게 샌딩 처리 해야 하며, 깊이는 가장 가까운 0.025 mm (0.001 in.)까지 측정 되어야 함.
나) 내후성 평가
또한, 각 시편들을 대상으로 CIE LAB 색차계(Spectro-guide, BYK)로 표면의 색좌표(L*, a*, b*)를 3회 반복 측정하였다. 그런 다음, 각 시편들을 QSUV 장비(QSUV, Q-LAB)에 거치하고, 표면에 물을 분사하면서 340 nm의 자외선을 0.5 W/m2의 강도로 조사하는 가속 시험을 1,000시간 동안 수행하였으며, 이때 장비 내부의 온도 및 습도를 40℃ 및 65%로 유지하였다. 가속 시험된 각 시편들의 표면 색좌표를 3회 반복 측정하였으며, 측정된 값의 평균값과 하기 수학식 1을 이용하여 가속시험 전후의 색좌표 편차(ΔE)를 산출하였다:
[수학식 1]
다) 내열성 평가
아울러, 각 시편들을 대상으로 CIE LAB 색차계(Spectro-guide, BYK)로 표면의 색좌표(L*, a*, b*)를 3회 반복 측정하고, 오븐에 고정시킨 후, 200℃에 4시간 동안 가열하였다. 그런 다음, 가열된 각 시편의 색좌표를 3회 반복 측정하고, 측정된 값으로부터 앞서 내후성 평가와 동일한 방법으로 열처리 전후의 색좌표 편차(ΔE)를 산출하였다.
라) 내스크래치성 평가
23±2℃, 50±5% 조건 하에서, 스크래치 시험기(Erichsen scratch tester 413)를 사용하여 각 시편의 내스크래치성을 평가하였다. 구체적으로, 시험기에 시편을 고정시키고, 시험기에 장착된 다이아몬드 팁(diamond tip, 직경: 0.50±0.01 mm)이 원형을 그리며 시편 표면을 지나가게 한 후 팁이 지나간 표면의 스크래치 발생할 때의 하중을 측정하였다. 이때, 상기 다이아몬드 팁이 이동하는 속도는 35±5 mm/s로 조절하고, 팁에 가해지는 하중은 및 1N, 1.5N, 2N 또는 2.5 N이었으며, 스크래치 길이가 40 mm 이상인 경우 스크래치가 발생한 것으로 하였다.
| 내오염성 | 내후성 [ΔE] | 내열성 [ΔE] | 내스크래치성 | |
| 실시예 1 | 20점 | 1.1 | 1.1 | 1.2 N |
| 실시예 2 | 37점 | 0.9 | 1.3 | 2.0 N |
| 제조예 1 (무처리군) |
89점 | 5.2 | 0.4 | 2.0 N |
| 비교예 1 | 40점 | 5.5 | 12 | 1.4 N |
| 비교예 2 | 72점 | 4.3 | 0.8 | 1.6 N |
본 발명에 따른 시멘트 판재는 낮은 수분 흡수율과 함께 높은 내오염성, 내후성, 내열성 및 내스크래치성을 나타내는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 시멘트 성형체 상에 규소(Si) 함유 올리고머를 포함하는 코팅층이 구비된 실시예의 시편은 내오염성 평가 시 38점 이하로 낮고, 내후성 및 내열성 평가 시 표면의 색좌표 편차(ΔE)가 모두 2.0 이하로 현저히 낮은 것으로 확인되었다. 여기서, 색좌표 편차(ΔE)가 2.0 이하라는 것은 표면의 색상 변화를 인간의 시력으로 인지할 수 없음을 의미하므로, 실시예의 시편은 가혹 조건 및 고온 조건에 대한 저항성이 높음을 알 수 있다. 또한, 실시예의 시편은 1.0N 이상의 높은 내스크래치성을 나타내며, 특히 실라잔 올리고머를 코팅층에 함유하는 실시예 2의 시편은 시멘트 성형체와 동등한 높은 내스크래치성을 갖는 것을 알 수 있다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 시멘트 판재는 낮은 수분 흡수율을 가질 뿐만 아니라 높은 내오염성, 내후성, 내열성 및 내스크래치성을 갖는 것을 알 수 있다.
Claims (16)
- 시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물로부터 형성되는 시멘트 성형체; 및
상기 시멘트 성형체 상에 위치하고 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 포함하되,
상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머 및 실라잔 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며,
ANSI Z124.6에 따른 청결도(cleanability)가 40 미만이고,
고분자 첨가제는 1.00 이상 1.05 미만 종횡비 및 0.95 내지 1.00의 구형화도의 범위를 만족하는 시멘트 판재.
- 제1항에 있어서,
실리콘 올리고머는 3차원 네트워크형 알킬실록산 올리고머를 포함하는 시멘트 판재.
- 제1항에 있어서,
실라잔 올리고머는 유기 실라잔 올리고머 및 무기 실라잔 올리고머를 함유하는 유무기 하이브리드 실라잔 올리고머를 포함하는 시멘트 판재.
- 제3항에 있어서,
유기 실라잔 올리고머와 무기 실라잔 올리고머는 35~45 : 0.1~10 중량 비율로 포함되는 시멘트 판재.
- 제1항에 있어서,
코팅층의 평균 두께는 1 내지 30 ㎛인 시멘트 판재.
- 제1항에 있어서,
코팅층은 0.50±0.01 mm 직경의 다이아몬트 팁을 이용한 내스크래치성 평가 시, 스크래치가 발생하는 하중이 1.0N 이상인 시멘트 판재.
- 제1항에 있어서,
시멘트 성형체는 시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물로부터 형성되고, 고분자 첨가제로 채워진 개방형 공극을 표면에 포함하는 시멘트 판재.
- 제7항에 있어서,
고분자 첨가제는 용융점이 100℃를 초과하는 열가소성 고분자 분말인 시멘트 판재.
- 제7에 있어서,
고분자 첨가제는 폴리올레핀계 수지 분말인 것을 특징으로 하는 시멘트 판재.
- 제9항에 있어서,
상기 폴리올레핀계 수지 분말은 폴리프로필렌 분말 및 폴리에틸렌 분말 중 어느 하나 이상을 포함하는 시멘트 판재.
- 제7항에 있어서,
시멘트 성형체는 폐쇄형 공극을 더 포함하고,
상기 폐쇄형 공극의 평균 직경은 100㎛ 이하인 시멘트 판재.
- 제1항에 있어서,
시멘트 성형체는 ASTM C97 또는 KS F2530:2000 규격에 따른 수분 흡수율이 0.2% 이하인 시멘트 판재.
- 시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물로부터 시멘트 성형체를 제조하는 단계; 및
상기 시멘트 성형체 상에 규소(Si) 함유 중합체를 함유하는 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 규소(Si) 함유 중합체는 실리콘 올리고머 및 실라잔 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고,
고분자 첨가제는 1.00 이상 1.05 미만 종횡비 및 0.95 내지 1.00의 구형화도의 범위를 만족하는 시멘트 판재의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
코팅층을 형성하는 단계는,
규소(Si) 함유 중합체를 포함하는 코팅 조성물을 시멘트 성형체 상에 도포하는 단계; 및
도포된 코팅 조성물을 20℃ 내지 200℃에서 경화하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 시멘트 판재의 제조방법.
- 제14항에 있어서,
시멘트 성형체를 제조하는 단계는,
시멘트 혼합물 및 고분자 첨가제를 포함하는 시멘트 조성물을 양생하여 개방형 공극을 갖는 전구체를 제조하는 단계;
상기 전구체를 열 처리하여 전구체의 개방형 공극이 고분자 첨가제로 채워진 시멘트 성형체를 제조하는 단계를 포함하는 시멘트 판재의 제조방법.
- 제15항에 있어서,
열처리 온도는 100℃ 내지 200℃인 시멘트 판재의 제조방법.
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