KR102646868B1 - 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물유리를 입자화시킨 후 열처리하여 발포시킴으로써 형태가 균일하게 발포되는 불연성 단열재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법은 액상의 물유리 중의 수분을 감소시켜 페이스트 형태의 물유리 페이스트를 수득하는 농축단계와, 물유리 페이스트를 열처리하여 발포시키는 발포단계를 포함한다. 그리고 발포단계에서 발포가 균일하게 이루어질 수 있도록 물유리 페이스트를 입자화시킨 후 열처리한다.
본 발명의 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법은 액상의 물유리 중의 수분을 감소시켜 페이스트 형태의 물유리 페이스트를 수득하는 농축단계와, 물유리 페이스트를 열처리하여 발포시키는 발포단계를 포함한다. 그리고 발포단계에서 발포가 균일하게 이루어질 수 있도록 물유리 페이스트를 입자화시킨 후 열처리한다.
Description
본 발명은 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물유리를 입자화시킨 후 열처리하여 발포시킴으로써 형태가 균일하게 발포되는 불연성 단열재의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 건축물에 널리 사용하는 단열재료 난연성 합성수지 섬유, 발포합성수지판, 석재, 유리섬유, 외부패널, 황토, 세라믹 물질, 코르크, 석고 등의 다양한 재료를 사용한다.
특히, 단열성 및 흡음성이 우수하며 시공성을 향상시키기 위해 발포 수지류를 혼합한 유기질을 이용한 보드가 단열재로 널리 사용되고 있는데, 그 종류로는 화학적으로 합성한 스티로폼이라고 불리는 발포 폴리스티렌, 발포폴리우레탄, 발포 염화비닐, 기타 플라스틱류 등이 있다.
그러나 이와 같은 보드는 열에 약하여 건물의 붕괴를 지연시키지 못해 화재진압의 시간적 여유를 얻을 수 없는 단점이 있으며, 화재 발생시에 유독가스를 내뿜어 많은 인명피해를 유발하게 되는 원인이 되고, 시간이 지남에 따라 재질이 열화되어 보온, 방음 등의 기능이 저하되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 난연성 합성수지를 사용하고는 있으나, 이는 화재 시 초기진압에 실패하여 섭씨 1,000℃ 부근까지 이르게 되면 역시 연소하기 때문에 종래의 문제점을 해소하지 못하고 있다. 또한, 쉽게 열화되는 것을 보완하기 위해 석재, 세라믹 물질 등을 사용하고는 있으나, 이 또한 열에는 강하지만 그 무게가 무겁고 방음 및 단열효과를 충분히 거둘 수 없다.
최근에는 물유리를 발포시킨 단열재가 개발되고 있다. 이러한 단열재는 불연성과 단열성이 우수하다는 장점을 갖는다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0127125호에 세라믹화이버와 물유리를 이용한 방화용 친환경 경량 불연단열재 제조방법 및 그 친환경 경량 불연단열재가 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 제10-2020-0137623호에는 판재와 물유를 적층발포시킨 불연판넬이 개시되어 있다.
상기 개시된 기술들은 물유리의 수분을 감소시켜 페이스트 형태의 물유리에 마이크로파를 조사하여 수분을 가열하여 증발시키는 방법으로 단열재를 제조하고 있다.
하지만, 페이스트 형태의 물유리는 일정한 모양의 덩어리로 이루어져 있으므로 이 상태에서 마이크로파를 조사할 경우 수분이 증발하면서 발생된 가스의 배출이 균일하게 이루어지지 않는다. 이에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 위치에 따라 발포정도가 달라지면서 표면이 울퉁불퉁하게 부풀어 오른다. 이에 따라 내부는 밀도가 낮고, 불균일하면서 비교적 큰 공극들이 형성된다. 이러한 단열재는 형태가 균일하지 않고 강도가 약하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 물유리를 입자화시킨 후 열처리하여 발포시킴으로써 형태가 균일하게 발포되는 불연성 단열재의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법은 액상의 물유리 중의 수분을 감소시켜 페이스트 형태의 물유리 페이스트를 수득하는 농축단계와; 상기 물유리 페이스트를 열처리하여 발포시키는 발포단계;를 포함하며, 상기 발포단계에서 발포가 균일하게 이루어질 수 있도록 상기 물유리 페이스트를 입자화시킨 후 열처리한다.
상기 발포단계는 상기 물유리 페이스트를 0.1~10mm의 입도크기로 입자화시킨다.
상기 발포단계는 a)상기 물유리 페이스트 중의 수분을 추가로 감소시켜 고형 물유리를 수득하는 건조단계와, b)상기 고형 물유리를 분쇄하여 분말 물유리를 수득하는 분쇄단계와, c)상기 분말 물유리에 마이크로파를 가하여 상기 분말 물유리 입자들 사이로 가스를 배출시키면서 열처리하는 열처리단계를 포함한다.
상기 열처리단계는 1000 내지 5000MHz의 마이크로파를 1 내지 30분 동안 가하여 열처리한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 물유리를 입자화시킨 후 마이크로파를 조사하여 발포시킴으로써 고르게 발포되어 형태가 균일한 불연성 단열재를 제조할 수 있다.
또한, 물유리를 입자화시킨 후 발포시키므로 열처리에 소요되는 시간과 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따라 물유리를 발포시켜 제조한 단열재의 모습을 나타낸 사진이고,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 제조한 불연성 단열재의 모습을 나타낸 사진이고,
도 3은 비교 예에 따라 제조한 불연성 단열재의 모습을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 제조한 불연성 단열재의 모습을 나타낸 사진이고,
도 3은 비교 예에 따라 제조한 불연성 단열재의 모습을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 불연성 단열재의 제조방법은 액상의 물유리 중의 수분을 감소시켜 페이스트 형태의 물유리 페이스트를 수득하는 농축단계와, 물유리 페이스트를 열처리하여 발포시키는 발포단계를 포함한다. 단계별로 상세하게 살펴본다.
1. 농축단계
먼저, 농축단계에서 액상의 물유리 중의 수분을 감소시켜 페이스트 형태의 물유리 페이스트를 수득한다.
물유리로 액상의 규산나트륨을 이용할 수 있다. 액상의 물유리로 이산화규소(SiO2)함량 30 내지 35중량%, 점도 100 내지 2000cps(20℃)인 것을 이용할 수 있다. 물유리는 실리카와 알칼리금속의 몰비(SiO2/Na2O)가 16~38일 수 있다.
또한, 물유리로 액상의 규산칼륨, 규산리튬을 이용할 수 있다. 또한, 물유리로 액상의 규산나트륨 및 규산칼륨, 규산리튬을 둘 이상 혼합한 것을 이용할 수 이싸ㄷ.
물유리 페이스트를 얻기 위해 액상의 물유리를 가열하여 수분을 감소시켜 농축시킬 수 있다. 물유리의 가열 온도는 60 내지 90℃가 적절하다. 가열온도가 60℃ 미만이면 가열시간이 많이 소요되고, 가열온도가 90℃를 초과하면 물유리가 비등하는 문제점이 발생된다.
물유리의 가열은 건조기나 진공농축기와 같은 통상적인 가열장치를 이용하여 수행할 수 있다.
가열을 통해 농축된 물유리 페이스트는 점도 5,000 내지 50,000cps(20℃)일 수 있다.
2. 발포단계
다음으로, 물유리 페이스트를 열처리하여 발포시킨다.
열처리 방법으로 노(furnace)나 오븐에 투입하여 열처리하거나, 마이크로파 또는 고주파를 가하여 열처리할 수 있다.
물유리 페이스트를 바로 열처리하여 발포가 가능하나, 바람직하게 물유리 페이스트를 입자화시킨 후 열처리하여 발포시킨다. 물유리 페이스트를 입자화시킨 후 입자 상태의 물유리를 열처리할 경우 발포가 균일하게 이루어진다.
일 예로 발포단계는 a)물유리 페이스트 중의 수분을 추가로 감소시켜 고형 물유리를 수득하는 건조단계와, b)고형 물유리를 분쇄하여 분말 물유리를 수득하는 분쇄단계와, c)분말 물유리에 마이크로파를 가하여 분말 물유리 입자들 사이로 가스를 배출시키면서 열처리하는 열처리단계를 포함한다.
건조단계에서 물유리 페이스트 중의 수분을 추가로 감소시킨다. 수분을 추가로 감소시키기 위해 물유리 페이스트를 가열할 수 있다. 물유리 페이스트의 가열은 건조기나 오븐을 이용하여 수행할 수 있다. 이때의 가열온도는 60 내지 90℃가 적절하다.
건조단계를 통해 함수율 5 내지 15중량%의 고형 물유리를 수득할 수 있다.
건조단계 완료 후 분쇄단계를 통해 고형 물유리를 분쇄하여 분말 물유리를 수득한다. 고형 물유리를 분쇄하기 위해 고형 물유리를 믹서기에 투입하여 갈아서 분쇄할 수 있다. 또한, 고형 물유리를 분쇄기에 투입하여 거칠게 분쇄할 수 있다.
분쇄단계에서 수득한 분말 물유리는 입도 크기가 0.1 내지 10mm인 것이 바람직하다. 분말 물유리의 입도크기가 0.1mm 미만이면 발포율이 낮고, 입자가 너무 작아 보관 및 사용이 어렵다. 그리고 분말 물유리의 입도크기가 10mm를 초과하면 발포가 균일하게 이루어지지 않는다.
분쇄단계가 완료되면 분말 물유리를 열처리하여 발포시킨다. 열처리의 일 예로 마이크로파를 이용할 수 있다. 가령, 1000 내지 5000MHz의 마이크로파를 1 내지 30분 동안 가할 수 있다.
마이크로파를 가하면 물유리 내의 수분이 증발하면서 기포를 형성한다. 기포가 형성되면서 물유리는 부피가 팽창하면서 발포된다. 이때 수분이 증발하면서 발생된 가스는 물유리 입자들 사이로 가스가 원활하게 배출된다.
이와 같이 발포되어 제조된 불연성 단열재는 형태가 균일하게 발포된다.
한편, 본 발명은 열처리단계에서 분말 물유리를 성형틀에 투입한 후 열처리를 할 수 있다. 가령, 성형틀 내부공간 부피의 40 내지 80%를 차지하도록 성형틀 내부에 분말 물유리를 채운 후 마이크로파를 가하여 분말 물유리를 발포시킬 수 있다.
그리고 본 발명은 농축단계에서 액상의 물유리에 세라믹 섬유를 혼합한 후 농축시켜 물유리 페이스트를 수득할 수 있다. 일 예로 물유리 100중량부에 대하여 세라믹 섬유 20 내지 200중량부를 혼합할 수 있다.
세라믹 섬유로 유리섬유, 탄소섬유 등을 이용할 수 있다. 세라믹 섬유는 단섬유 또는 장섬유 형태로 물유리에 혼합된다. 세라믹 섬유의 첨가로 인해 불연성 단열재의 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 세라믹 섬유 대신에 셀룰로오스 나노파이버(CNF)가 혼합될 수 있다. 가령, 물유리 100중량부에 대하여 셀룰로오스 나노파이버 20 내지 200중량부를 혼합할 수 있다. 셀룰로오스 나노파이버(CNF:Cellulose nano fiber)는 셀룰로오스 사슬이 다발을 이루어 결합한 나노 또는 마이크로미터 크기의 막대 형태 입자 혹은 섬유를 말한다. 셀룰로오스 나노파이버는 직경 5~100nm, 길이는 10~100㎛일 수 있다.
셀룰로오스 나노파이버의 첨가로 인해 불연성 단열재의 강도를 향상시킬 수 있다. 이외에도 셀룰로오스 나노파이버는 가볍고 물유리 중의 분산이 용이하므로 세라믹 섬유에 비해 품질이 더 우수한 단열재를 제조할 수 있는 장점을 갖는다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
액상의 물유리(1-1호, 주식회사 영일화성, 한국)를 80℃로 가열하여 농축시켜 점도 8,000cP(20℃)의 물유리 페이스트를 수득하였다. 물유리 페이스트를 70℃로 가열하여 함수율 8중량%의 고형 물유리를 얻은 다음, 분쇄기로 분쇄하여 입도크기 1~3mm인 분말 물유리 100g을 수득하였다. 분말 물유리를 전자렌지에 투입한 후 2450MHz의 마이크로파를 5분 동안 가해 발포시켜 불연성 단열재를 제조하였다.
(비교예)
액상의 물유리(1-1호, 주식회사 영일화성, 한국)를 80℃로 가열하여 농축시켜 점도 8,000cP(20℃)의 물유리 페이스트를 수득하였다. 물유리 페이스트를 70℃로 가열하여 함수율 8중량%의 고형 물유리를 얻은 다음, 고형 물유리를 전자렌지에 투입한 후 2450MHz의 마이크로파를 8분 동안 가해 발포시켜 불연성 단열재를 제조하였다.
<발포특성>
실시예에 따라 제조된 불연성 단열재의 단면 이미지를 도 2에 나타내었고, 비교예에 따라 제조된 불연성 단열재의 단면 이미지를 도 3에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따라 제조된 불연성 단열재는 내부의 기공이 균일하고 조밀하게 발포된 것으로 확인되었다. 따라서 물유리를 입자화시킨 후 발포시킬 경우 발포 특성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
이에 반해 비교예에 따라 제조된 불연성 단열재는 도 3에 도시된 바와 같이 울퉁불퉁하게 부풀어 오르면서 내부의 기공이 매우 불균일하면서 비교적 큰 공극들이 형성된 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 이는 도 1의 종래의 단열재 모습과 거의 유사한 형태임을 알 수 있다.
실험을 통해 본 발명은 물유리를 입자화시킨 후 마이크로파를 조사하여 발포시킴으로써 기공이 치밀하면서 형태가 균일한 불연성 단열재를 제조할 수 있음을 확인하였다. 또한, 물유리를 입자화시킨 후 발포시키므로 열처리에 소요되는 시간과 에너지를 상대적으로 절감할 수 있는 것으로 확인되었다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 등록청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Claims (4)
- 액상의 물유리 중의 수분을 감소시켜 페이스트 형태의 물유리 페이스트를 수득하는 농축단계와;
상기 물유리 페이스트를 열처리하여 발포시키는 발포단계;를 포함하며,
상기 발포단계에서 발포가 균일하게 이루어질 수 있도록 상기 물유리 페이스트를 입자화시킨 후 열처리하고,
상기 발포단계는 a)상기 물유리 페이스트 중의 수분을 추가로 감소시켜 고형 물유리를 수득하는 건조단계와, b)상기 고형 물유리를 분쇄하여 0.1~10mm의 입도크기로 입자화된 분말 물유리를 수득하는 분쇄단계와, c)상기 분말 물유리에 마이크로파를 가하여 상기 분말 물유리 입자들 사이로 가스를 배출시키면서 열처리하는 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 열처리단계는 1000 내지 5000MHz의 마이크로파를 1 내지 30분 동안 가하여 열처리하는 것을 특징으로 하는 물유리를 이용한 불연성 단열재의 제조방법.
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