KR102669286B1 - 슬러지를 함유하는 인조석 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 슬러지를 주성분으로 하는 인조석은 산업폐기물인 폐슬러지와 굴패각 폐기물을 포함함으로써 자원 재활용에 따른 원가절감은 물론 폐기물 처리에 따른 인적, 시간적, 비용적 노력들을 절감할 수 있다. 또한 인조석에 섬유고분자를 더 포함함에 따라 인장강도, 파단강도, 차음성, 내수성 등의 기계적, 화학적 물성이 우수한 효과가 있다.
Description
본 발명은 슬러지를 주성분으로 하는 인조석 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 산업폐기물로 버려지는 석재 슬러지를 이용하여 인조석을 제조함으로써 자원 재활용에 따른 원가 절감은 물론 폐기물 처리에 따른 인적, 시간적, 비용적 노력들을 절감하고 동시에 인장강도, 파단강도, 차음성, 내수성 등의 기계적, 화학적 물성을 만족하는 슬러지를 주성분으로 하는 인조석 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 폐기물을 이용한 건자재는 주로 폐수 슬러지, 제지 슬러지, 폐주물사 등을 주원료로 사용하여 제조하고 있으나 이러한 건자재의 제조 방법들은 이들 폐기물들을 단독으로 사용하지 못하고, 폐기물들을 서로 혼합하여 사용하거나 또는 이들 폐기물들에 시멘트, 세골재, 점토, 황토, 또는 화학약품 등을 혼합하여 건자재를 제조하고 있다.
또한 최근에는 토목 또는 건축공사에서 사용되는 조골재와 세골재 등이 고갈됨에 따라 석산을 굴착하여 채취한 암석을 파쇄하여 골재를 얻고 있는데, 이 과정에서 물을 사용하게 되며 이때 석분과 물이 혼합된 석분 폐슬러지가 부산물로 대량 발생되고 있다.
이러한 석분 폐슬러지를 처리하는 가장 적절한 방법으로 매립하고 있으나 매립한 석분 폐슬러지가 건기에는 바람에 의해 먼지가 비산하여 대기를 오염시키고, 우기에는 빗물에 휩쓸려 하천에 유입되어 수질을 오염시키는 등의 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 하수 슬러지 또는 폐수 슬러지 등을 사용하지 아니하고, 채석장에서 자연적으로 발생되는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법들이 개발되고 있으며, 특히 석분 폐슬러지와 정수장 슬러지를 혼합하여 경량 골재를 제조하는 방법이 있으나 이것 역시 정수 처리과정에서 제거된 중금속과 같은 유해물질이 정수 슬러지에 다량 함유되어 있기 때문에 골재의 표면에 중금속 등이 석출될 우려가 있으며, 석분 폐슬러지와 시멘트를 혼합하여 건자재를 제조할 경우에도 석분 폐슬러지에 함유된 세골재의 표면에 미분이 부착되어 피막이 형성되어 있기 때문에 세골재와 시멘트의 접착을 방해하여 건자재의 기계적 물성, 화학적 물성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 상세하게는 산업폐기물로 버려지는 석재 슬러지에 굴패각과 시멘트 등의 결합재를 더 포함함으로써 친환경적이면서도 동시에 자원 재활용에 따른 원가 절감은 물론 폐기물 처리에 따른 인적, 시간적, 비용적 노력들을 절감하고 동시에 인장강도, 파단강도, 차음성, 내수성 등의 기계적, 화학적 물성을 만족하는 슬러지를 주성분으로 하는 인조석 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 슬러지를 주성분으로 하는 인조석 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태는 시멘트 10 내지 30 중량%, 슬러지 10 내지 30 중량%, 굴패각 40 내지 60 중량%, 모래 1 내지 10 중량%, 충전재 1 내지 10 중량% 및 첨가제 0.1 내지 1 중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 주성분으로 하는 인조석에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 슬러지는 평균입경이 100 내지 200 메쉬(mesh)이며 함수율이 10 내지 20 중량%이며, 상기 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 초조강 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트 및 초속경 시멘트에서 선택되는 어느 하나 또는 복수인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 충전재는 유리섬유, 현무암섬유, 탄소섬유, 셀룰로스 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유 및 금속섬유에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 포함하며, 상기 첨가제는 경화제, 공기연행제, 점도조절제, 난연제, 방수제, 증점제, 안료, 착색제, 가소제, 분산제, 성형제, 응집제 및 강도보조제에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는 a) 석재의 생산과정에서 발생하는 폐슬러지에서 수분을 제거하는 단계; b) 상기 a) 단계의 슬러지에 시멘트, 굴패각, 모래, 충전재 및 첨가제를 혼합하여 인조석 조성물을 제조하는 단계; c) 상기 b) 단계 조성물을 형틀에 투입하고 50 내지 100℃의 온도로 12 내지 36시간 동안 스팀 양생하는 단계; 및 d) 상기 양생된 조성물을 형틀에서 제거한 후 재단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 주성분으로 하는 인조석 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 슬러지를 주성분으로 하는 인조석은 산업폐기물인 폐슬러지와 굴패각 폐기물을 포함함으로써 자원 재활용에 따른 원가절감은 물론 폐기물 처리에 따른 인적, 시간적, 비용적 노력들을 절감할 수 있다. 또한 인조석에 섬유고분자를 더 포함함에 따라 인장강도, 파단강도, 차음성, 내수성 등의 기계적, 화학적 물성이 우수한 효과가 있다.
이하 구체적인 예시를 통해 본 발명에 따른 슬러지를 주성분으로 하는 인조석 및 이의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다. 다만 다음에 소개되는 구체 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.
따라서 본 발명은 이하 제시되는 구체 예들은 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 이하 제시되는 구체 예들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 기재된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허 청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태로 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 발명자는 채석장 등에서 발생하는 석분 폐슬러지가 대부분 폐기되고 있는 문제점을 인지하여 이에 대한 활용을 위해 예의 연구를 거듭하던 중, 석분 폐슬러지와 유사한 폐기물인 굴패각과, 일반 시멘트 성분을 혼합하여 인조석을 제조하였을 때 유해성분이 방출되지 않아 친환경적이면서도 인장강도, 파단강도 등의 기계적 물성과, 내수성, 차음성 등의 화학적 물성을 만족하는 것을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 따른 슬러지를 주성분으로 하는 인조석은 시멘트에 슬러지, 굴패각, 모래, 충전재 및 첨가제를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 시멘트는 슬러지와 굴패각 등을 응집하여 접착하는 성분으로 당업계에서 모르타르 또는 콘크리트 등에 포함되는 것이라면 종류에 한정하지 않으며, 바람직하게는 일반 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 초조강 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트 및 초속경 시멘트 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 시멘트는 분말형태 뿐만 아니라 클링커 형태도 사용 가능하다. 다만 시멘트 클링커를 사용하는 경우 전처리로 소성 및 분쇄과정을 거친 것을 사용하는 것이 바람직하며, 이때 상기 시멘트의 비표면적은 2,000 cm2/g 내지 8,000 cm2/g인 것이 바람직하다.
상기 시멘트는 전체 인조석 조성물 100 중량% 중 10 내지 30 중량%을 포함하는 것이 바람직하다. 시멘트의 첨가량이 상기 범위 미만인 경우 굴패각과 슬러지 등의 응집 효과가 미비하며, 상기 범위를 초과하는 경우 기계적 물성과 화학적 물성, 특히 차음성과 투수성이 하락할 수 있다.
본 발명에서 상기 슬러지는 채석장 등에서 석재 채취 및 가공 시 발생하는 폐기물로서, 석재 채취 과정에서 석분과 물이 혼합된 폐기물이 배출되는데 이를 석재 슬러지라고 한다. 이러한 석재 슬러지는 상술한 바와 같이 대부분 매립을 통해 폐기되고 있었으나, 대기와 수질 오염의 원인이 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 슬러지를 재활용하여 인조석을 제조함으로써 석재 슬러지 배출에 따른 환경 오염을 경감하고 기계적 물성과 화학적 물성을 동시에 확보할 수 있다.
다만 상술한 바와 같이 석재 슬러지를 그대로 쓰기에는 수분의 함량이 너무 많아 인조석의 강도에 영향을 주기 때문에 슬러지를 건조하여 수분을 일정 이상 제거하는 것이 바람직하다.
구체적으로 상기 석재 슬러지를 제조하는 방법은 본 발명에서 한정하지는 않으나, 석재폐기물을 일정 크기로 파쇄하는 파쇄공정과, 파쇄공정을 통해 파쇄된 석재폐기물을 침전시켜 석재 슬러지를 생성하는 슬러지 생성공정, 석재 슬러지를 탈수하는 탈수공정 및 상기 석재 슬러지를 입자 크기별로 분류하는 분류공정을 포함하여 제조될 수 있다.
상기 파쇄공정은 석재폐기물을 일정 크기로 파쇄하는 공정으로, 채석장에서 배출된 폐기물뿐만 아니라 콘크리트를 포함하는 각종 석재폐기물을 파쇄기를 통해 일정 크기로 분쇄하며, 정량공급기를 이용하여 정량의 분쇄된 석재폐기물을 다음 공정으로 이동 및 공급 가능하도록 할 수 있다.
상기 침전공정은 파쇄된 석재폐기물을 이용하여 석재슬러지를 생성하는 과정으로, 먼저 분쇄된 석재폐기물을 수조에 침전시킨 후 정치하여 슬러지가 입자 크기별로 침전될 수 있도록 한다. 그리고 침전된 석재슬러지에서 입자의 크기를 확인하여 원하는 입자 크기의 석재 슬러지를 추출하는 것이다.
다음으로 상기 석재슬러지를 탈수한다. 상기 탈수과정은 석재 슬러지에 포함된 수분을 제거하기 위한 것으로, 필터프레스 등을 이용하여 강제적으로 수분을 제거할 수 있다.
이렇게 탈수가 끝난 석재 슬러지는 함수율이 10 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. 함수율이 상기 범위 미만인 경우 다른 성분들과의 혼화성이 하락할 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 인조석의 기계적 물성에 악영향을 줄 수 있다.
상기 석재 슬러지는 상술한 함수율을 조절하기 위해 추가적으로 건조를 진행할 수도 있다. 이때 상기 건조 공정은 상온에서 1 내지 3일간 진행하는 것이 바람직하다. 또한 수분을 제거하는 과정에서 적정한 함수율을 맞추기 어렵기 때문에 필요에 따라 건조가 진행된 후에 일정량의 수분을 가하여 함수율을 재조정할 수도 있다.
상기 분류공정은 인조석 제조에 적합한 크기의 석재 슬러지만을 추출하는 공정으로, 이때 상기 석재 슬러지의 직경을 한정하는 것은 아니나, 평균입경이 100 내지 200 메쉬(mesh)를 만족하는 것이 좋다. 입경이 상기 범위 미만인 경우 슬러지끼리 뭉치는 현상이 강해지고 다른 성분과의 혼화성이 떨어지며, 상기 범위를 초과하는 경우 인조석의 기계적 물성이 하락할 수 있다.
상기와 같이 제조된 슬러지는 전체 인조석 조성물 100 중량% 중 10 내지 30 중량%를 포함하는 것이 좋다. 슬러지의 함량이 상기 범위 미만인 경우 상술한 폐기물 재활용 효과가 미비하며, 상기 범위를 초과하는 경우 다른 성분들, 특히 시멘트나 굴패각의 첨가량이 감소하여 기계적, 화학적 물성의 하락이 발생할 수 있다.
본 발명에서 상기 굴패각은 양식된 굴의 출하 시 배출되는 굴의 껍질을 통칭하는 것으로, 이 또한 상술한 슬러지와 마찬가지로 폐기물의 일종이다. 이러한 굴패각은 매년 25 내지 30만톤이 배출되고 있으며, 주요 해양오염원 및 주거오염원으로 등장하고 있다.
굴패각은 일반 폐기물로 분류되어 양식어민이 처리하여야 하나, 매립지의 확보, 패각의 수거와 운반비 등의 문제로 효과적인 처리가 불가능한 실정으로 양식어민들이 처리하는데 많은 어려움이 있을뿐만 아니라 폐기 자체도 대부분 매립에 의존하고 있어 해안의 오염에 큰 영향을 주고 있다.
본 발명은 상기와 같이 석재슬러지와 함께 굴패각을 인조석 제조용 조성물에 포함함으로써 폐기물의 생성을 경감할 수 있으며, 동시에 인조석의 기계적, 화학적 물성의 향상을 달성할 수 있다. 특히 굴패각은 양식방법과 방치기간에 따라 조성이 약간 다르지만 탄산칼슘이 95 중량 퍼센트(wt%) 정도이고 나머지는 단백질, 지방, 키틴 등 유기물로 구성되어 있다. 키틴은 갑각류의 외골격을 이루는 주요 구성물질로서 엔-아세틸-디-글루코사민(N-Acetyl-D-glucosamine)이 β-1, 4 로 결합한 무코다당의 일종이며, 이 키틴을 탈아세틸화하면 키토산이 된다.
이러한 키틴 및 키토산은 무독성일 뿐만 아니라, 생물의 합성과 분해에 관여하여 환경오염을 초래하지 않는 천연 고분자 양이온이다. 최근 이들 물질은 잠재적 이용자원으로서 환경폐수 응집제, 중금속 흡착제, 및 단백질 회수제 등 여러 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 또한 키틴 및 키토산 계열의 유도체를 이용한 천연 항균제로서의 기능 역시 키토산의 응용부분의 하나로 대두되고 있다. 이와 관련하여 Sudarshan 등은 일반 대장균에 대하여 키토산 유도체인 키토산 유산염(chitosan lactate)과 키토산 수산화 그루타메이트(chitosan hydroglutamate) 등이 우수한 항균성 물질이라고 보고한 바 있기 때문에 제조되는 인조석의 항균성 향상에도 큰 역할을 할 수 있다.
상기 굴패각은 분말 형태로 첨가하되, 상술한 바와 같이 표면에 부착된 유기물과 염분을 제거하는 것이 좋다. 이때 상기 굴패각은 먼저 증류수가 담긴 수조에 4 내지 6시간 침적하고 꺼내는 작업을 2 내지 3회 반복하여 염분을 완전히 제거한 후, 염기성 물질의 수용액에 다시 침지시켜 표면의 유기물, 특히 단백질을 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 염기성 물질은 단백질을 용해할 수 있는 것이라면 종류에 한정하지 않으며, 예를 들어 수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화알루미늄, 수산화칼륨, 수산화마그네슘, 탄산수소나트륨 및 암모니아 등이 있고, 이들은 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 염기성 물질은 1 내지 10 중량%의 농도가 되도록 물과 혼합한 후, 상기 물에 굴패각을 침지시키는 것이 바람직하다. 이때 상기 굴패각은 단백질의 용해효과를 높이도록 프래나터리 밀(planetary mill) 등의 분쇄수단을 이용하여 미분쇄하는 것이 바람직하다. 또한 상기 염기성 물질 용액은 굴패각의 분말을 첨가한 후에 80 내지 100℃에서 50 내지 200 rpm으로 1 내지 5시간 동안 교반하는 것이 바람직하다.
또한 상기 굴패각은 단백질의 제거 후에 30 내지 40 중량% 염산 100 중량부에 80 내지 120 중량부, 60 내지 65 중량% 질산 100 중량부에 60 내지 80 중량부, 염산과 질산의 혼합무기산 100 중량부에 60 내지 100 중량부를 교반하면서 서서히 첨가한 다음 12 내지 36시간 동안 진탕 용해시켜 중성화하는 것이 바람직하다.
또한 상기 굴패각은 시멘트의 수화반응 시 구조 변화를 억제하여 기계적 물성을 더욱 높이기 위해 소수성물질로 표면을 개질하는 것이 바람직하다.
일반적으로 굴패각 내에는 키토산이 다량 함유되어 있는 바, 상기 키토산은 자연계의 갑각류 겁질에서 유래된 키틴이 가수분해하여 제조되는 것으로, 양전하를 띄는 수용성 고분자이며, 생리활성물질을 흡착할 수 있는 장점을 가진다. 그러나 키토산은 수화현상으로 인해 3차원 구조체는 수용액 상에서 구조가 변화하며, 이는 시멘트 내부에서 크랙으로 작용하는 단점을 가지기 때문에 이를 해소하기 위해 표면을 소수성 성분으로 개질하는 것이다.
상기 키토산의 소수성 개질은 친수성을 발현하는 아민기(-NH2)에 다른 분자를 도입하여 소수성을 유도하는 것으로, 이때 상기 분자는 분자량을 한정하지는 않으나, 필요에 따라 적당히 분해될 수 있도록 생분해성 고분자인 것이 바람직하다.
상기 생분해성 고분자의 예를 들면 폴리-락티드-코-글리콜라이드(PLGA, Poly(lactide-co-glycolide)), 폴리 글리콜라이드(PGA, Poly(Glycolic acid)), 폴리 락타이드(PLA, Poly(Lactic acid)) 및 폴리 카프로락톤(PCL, Poly(Caprolactone)) 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상 사용될 수 있으며, 분자량 또한 한정하지는 않으나 중량평균분자량을 기준으로 500 내지 1,000인 것이 좋다.
상기 키토산의 개질은 굴패각 분말 100 중량부를 기준으로 상기 생분해성 고분자를 50 내지 200 중량부 혼합하며, 이때 DMF(dimethylformamide), DMSO(dimethylsulfoxide), 다이클로로메테인(dichloromethane) 등의 유기용매와 함께 혼합하여 1 내지 7일간 방치시키는 것으로 개질을 진행할 수 있다.
상기 굴패각은 전체 인조석 조성물 100 중량% 중 40 내지 60 중량% 포함하는 것이 좋다. 굴패각의 첨가량이 상기 범위 미만인 경우 인조석의 항균성, 기계적 물성이 하락할 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 다른 성분의 첨가량 저하, 특히 시멘트 성분의 첨가량 저하로 인해 기계적 물성이 하락할 수 있다.
본 발명에서 상기 모래는 주로 골재로 사용되는 것으로서 미세모래, 거친모래 모두 사용이 가능하다. 상기 미세모래는 4번 체(ASTM C125, 4.75mm)를 거의 완전하게 통과하는 물질이 좋으며, 실리카 모래 등을 사용하는 것이 좋다. 상기 거친모래는 4번 채(ASTM C125, 4.75mm)에 주로 남아있는 물질, 예를 들어 실리카 모래, 석영, 대리석, 화강암, 석회석, 방해석, 장석, 충적사, 기타 모래 등 다른 내구성 골재 또는 이들의 혼합물이 좋다.
상기 모래는 전체 인조석 조성물 100 중량% 중 1 내지 10 중량%를 포함하는 것이 좋다. 모래의 첨가량이 상기 범위 미만인 경우 인조석의 기계적 강도가 하락할 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 인조석을 구성하는 슬러지나 굴패각 등의 혼화성을 떨어뜨려 기계적, 화학적 물성이 하락할 수 있다,
상기 충전재는 인조석에 포함되어 인조석에 가해지는 응력에 의한 인장력이나 휨강도를 개선하고 경량화를 위해 첨가되는 것으로, 주로 섬유상의 강화제를 포함할 수 있다.
상기와 같은 충전재로 예를 들면 유리섬유, 현무암섬유, 탄소섬유, 셀룰로스 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유 및 금속섬유 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 충전재로 더욱 바람직하게는 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에틸렌이민 섬유 및 유리섬유의 혼합물을 들 수 있다. 폴리페닐렌설파이드와 폴리에틸렌이민은 모두 엔지니어링 플라스틱의 일종으로 인조석의 기계적, 열적 물성을 향상시킬 수 있으며, 상기 유리섬유는 규소를 주성분으로 하는 섬유로 다른 성분과의 혼화성이 우수하면서도 가볍기 때문에 인조석의 기계적 물성 향상뿐만 아니라 인조석의 경량화도 달성할 수 있다.
상기 폴리페닐렌설파이드 섬유는 열에 대한 안정성을 보이는 고유 물성이 있으며, 결정성이 높기 때문에 내약품성, 방습성 및 내화학성의 우수한 장점을 가진다. 또한 폴리에틸렌이민은 내열성과 동시에 친수성이 높기 때문에 다른 섬유들, 특히 폴리페닐렌설파이드의 높은 소수성을 보완할 수 있다.
다만 상기 섬유들은 기본적으로 고분자 수지이기 때문에 상술한 시멘트나 슬러지 등과의 혼화성이 떨어질 수 있다. 특히 이러한 섬유 고분자의 표면에 요철이 없이 매끄럽기 때문에 계면접합성이 떨어지는 경우가 많다. 따라서 상기 섬유들은 이형단면을 갖는 것이 바람직하다.
상기 섬유상 충전재가 이형단면을 갖는 경우 그 형태를 한정하지 않으며, 방사구금의 형태에 따라 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 중공형, 리본형, 면에 골이 형성된 삼각형(trilobal) 등의 형태를 가질 수 있으며, 바람직하게는 면에 골이 형성된 삼각형(trilobal)의 형태를 갖는 것이 내습성을 향상시킬 수 있어 바람직하다.
또한 상기 섬유상 충전재로 유리섬유를 포함하는 경우, 발수성 및 내후성을 더욱 높이기 위해 상기 유리섬유의 표면에 실리콘을 더 코팅하는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 코팅은 실리콘 및 폴리우레탄을 혼합한 조성물로 형성될 수 있으며, 특히 폴리우레탄은 기계적, 화학적 물성을 높이기 위해 아로마틱계 이소시아네이트를 사용하거나, 알리파틱계 이소시아네이트로 제조된 것을 사용할 수 있다.
상기 코팅은 상술한 조성물을 용액 형태로 욕조에 투입한 후, 상기 욕조에 섬유를 침지시키고 경화함으로써 형성할 수 있다. 이때 코팅 두께는 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 그 두께를 한정하지 않으며, 경화 방법 또한 상기 고분자들의 경화 방법과 동일하게 할 수 있다.
상기 충전재가 섬유상인 경우 그 길이는 1 내지 100mm, 바람직하게는 3 내지 40mm이며, 단면의 직경 또는 두께는 1 내지 50㎛, 바람직하게는 10 내지 40㎛인 것이 좋다. 상기 범위에서 인조석의 품질, 내구 성능과 인장강도, 휨강도 및 인성 등의 물성을 최적의 범위로 조절할 수 있다.
상기 충전재는 조성비를 한정하지 않는다. 일예로 상기 폴리페닐렌설파이드 섬유와 폴리에틸렌이민 섬유 및 유리섬유는 전체 충전재 100 중량% 중에서 각각 30 내지 50 중량%, 20 내지 40 중량% 및 20 내지 40 중량%를 포함할 수 있다. 상기 범위에서 상술한 기계적, 화학적 물성 향상 효과가 발현될 수 있어 좋다.
또한 상기 충전재는 전체 인조석 조성물 100 중량% 중 1 내지 10 중량%를 포함하는 것이 좋다. 충전재의 함량이 상기 범위 미만인 경우 기계적 물성의 향상이 미비하며, 상기 범위를 초과하는 경우 오히려 충전재가 인조석 내에서 크랙으로 작용하여 취성이 증가할 수 있다.
본 발명에서 상기 첨가제는 인조석의 기계적, 화학적 물성을 향상시키거나 보조하기 위해 첨가하는 것으로, 그 종류를 한정하는 것은 아니나 경화제, 공기연행제, 점도조절제, 난연제, 방수제, 증점제, 안료, 착색제, 가소제, 분산제, 성형제, 응집제 및 강도보조제에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 포함할 수 있다.
이 중 상기 경화제는 상술한 슬러지와 굴패각, 시멘트를 응결, 경화하기 위해 첨가하는 것으로, 구체적으로 산화칼륨(K2O), 산화알루미늄(Al2O3), 이산화규소(SiO2), 산화철(Fe2O3) 및 황토를 포함할 수 있다.
상기 성분들은 상술한 슬러지와 굴패각 시멘트 등의 무기질 성분들을 응집하는 역할을 하며, 특히 상기와 같은 금속화합물들은 굴패각과 혼합 시 응집성이 극대화되는 효과를 가진다. 또한 황토는 응집성을 높이는 역할과 동시에 유해성분을 흡착하는 효과를 가진다.
상기 경화제는 조성비를 한정하지 않으나, 산화칼륨 100 중량부에 대하여 산화알루미늄, 이산화규소, 산화철 각 1 내지 10 중량부 및 황토 30 내지 50 중량부를 포함하는 것이 상술한 효과를 발현할 수 있어 바람직하다.
상기 공기연행제는 시멘트의 동결융해작용에 대한 저항 증가 목적으로 사용되며, 발포성이 큰 계면활성제를 의미한다. 이러한 공기연행제로 예를 들면 리그닐술폰산계, 옥시카르본산염류, 알킬아릴술폰산염계, 멜라민술폰산염계, 폴리카르본산염계, 폴리카르복실산계 및 폴리올유도체 등이 있으며 이들은 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용하여도 좋다.
이외에도 상술한 점도조절제, 난연제, 방수제, 증점제 등의 첨가제는 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 종류 및 첨가량을 한정하지 않으며, 제조조건에 따라 하나 또는 둘 이상 첨가할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 조성비로 제조되는 인조석의 제조방법을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제조방법은 a) 석재의 생산과정에서 발생하는 폐슬러지에서 수분을 제거하는 단계; b) 상기 a) 단계의 슬러지에 시멘트, 굴패각, 모래, 충전재 및 첨가제를 혼합하여 인조석 조성물을 제조하는 단계; c) 상기 b) 단계 조성물을 형틀에 투입하고 50 내지 100℃의 온도로 12 내지 36시간 동안 스팀 양생하는 단계; 및 d) 상기 양생된 조성물을 형틀에서 제거한 후 재단하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 a) 단계는 상술한 바와 같이 석재폐기물을 침전시켜 생성된 폐슬러지를 필터프레스에 투입하여 탈수할 수 있다. 또한 상기 b) 단계는 슬러지에 시멘트, 굴패각, 모래, 충전재 및 첨가제를 혼합하여 인조석 조성물을 제조할 수 있는데, 이때 조성비는 시멘트 10 내지 30 중량%, 슬러지 10 내지 30 중량%, 굴패각 40 내지 60 중량%, 모래 1 내지 10 중량%, 충전재 1 내지 10 중량% 및 첨가제 0.1 내지 1 중량%을 포함할 수 있다.
상기 조성물들을 혼합하는 방법은 본 발명에서 한정하지 않으며, 상기 조성물에 물을 혼합하여 혼화성을 더욱 높일 수도 있다. 이때 상기 물의 첨가량은 본 발명에서 한정하지 않으나, 인조석 조성물 100 중량부 대비 100 내지 500 중량부를 포함할 수 있다.
상기 c) 단계는 조성물을 양생, 경화하는 단계로, 제조되는 인조석의 용도에 따라 형틀의 형태를 다르게 가져갈 수 있다. 이때 인조석의 용도로는 바닥재, 벽면재 등과 같은 건축물의 내외장 패널이나 도로의 경계석, 포장재, 보도블럭, 바닥블럭, 잔디블럭 등의 워크웨이(walk-way), 조경용 외장재, 보강토 블럭 등을 포함할 수 있다.
상기 c) 단계에서 양생 경화 시 물과 시멘트의 수화반응으로 인해 열이 발생할 수 있다. 이러한 발열이 지나치게 되면 수화반응이 느려질 수 있기 때문에 이를 조절하기 위해 양생실이나 형틀의 온도를 낮추는 것이 좋다.
상기와 같이 양생, 경화가 끝난 조성물은 탈형한 후, 원하는 크기로 재단하고 표면을 연마할 수 있다(d) 단계). 또한 양생 과정에서 필요에 따라 고압의 프레스를 가하여 압축율을 더욱 높일 수 있다.
본 발명에 따른 슬러지를 주성분으로 하는 인조석은 산업폐기물인 폐슬러지와 굴패각 폐기물을 포함함으로써 자원 재활용에 따른 원가절감은 물론 폐기물 처리에 따른 인적, 시간적, 비용적 노력들을 절감할 수 있다. 또한 인조석에 섬유고분자를 더 포함함에 따라 인장강도, 파단강도, 차음성, 내수성 등의 기계적, 화학적 물성이 우수한 효과가 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예들에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예를 통해 제조된 시편의 물성 측정 방법과 사용된 재료의 제원은 다음과 같다.
(제원)
시편에 사용된 재료의 제원은 하기 표 1과 같다. 다만 실시예 등에 사용된 굴패각은 개질 굴패각으로, 상세하게는 굴패각 100 중량부에 디메틸포름아미드 1,000 중량부, 폴리글리콜라이드(중량평균분자량 800) 100 중량부를 혼합하고 3일간 방치한 것을 사용하였다.
[표 1]
(압축강도)
KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험 방법)에 의거하여 시험을 진행하였으며, 3회 반복 측정하여 그 평균값을 계산하였다.
(휨강도)
KS F 2273(조립용 판의 성능시험 방법)에 의거하여 시험을 진행하였으며, 3회 반복 측정하여 그 평균값을 계산하였다.
(내습성)
ASTM C 1202에 의거하여 투과성을 측정하였다. 실시예 및 비교예를 통해 제조된 조성물을 4 in × 12 in(인치)의 크기를 갖는 원통형 형틀에 넣어 양생, 경화한 후, 경화된 시편의 상단에 물을 분무하되 10 ㎖/분의 양을 1시간 동안 분무하였다. 그리고 시편을 50℃, 상대습도 10±5%의 항온항습기에 1시간 동안 보관한 후, 60V DC로 시편의 상단에 전류를 가해 하단까지 통과하는 전류를 측정하였다.
(차음성)
KS F 2805에 의거하여 흡음율을 측정하였다. 이때 동일 조건으로 3회 측정하였으며, 이들의 평균을 계산하였다. 또한 평균값의 수치가 0과 가까울수록 음을 튕겨내는 성향이 커지며, 1과 가까울수록 모든 음을 빨아들이는 성향이 커지는 것을 뜻한다.
(실시예 1)
표 1의 굴패각 50 중량%, 시멘트 20 중량%, 슬러지 20 중량%, 모래 5 중량%, 충전재(폴리에틸렌 섬유) 4.5 중량%, 충전재 0.5 중량%의 비율로 충분히 혼합한 다음, 650㎜×1,250㎜×1,100㎜ 크기의 철제 거푸집에 넣고 진동기로 진동을 가하여 기포와 공극을 제거하였다. 그리고 상기 거푸집을 60℃의 양생실에서 24시간 동안 스팀 양생한 후 탈형하였다. 탈형된 조성물은 100㎜×300㎜×30㎜의 크기로 제단한 후, 시편의 물성을 측정하였다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에서 시편 제조 시 충전재로 폴리페닐렌설파이드 섬유를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 3)
상기 실시예 1에서 시편 제조 시 충전재로 폴리에틸렌이민 섬유를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 4)
상기 실시예 1에서 시편 제조 시 충전재로 유리 섬유를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 5)
상기 실시예 1에서 시편 제조 시 충전재로 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에틸렌이민 섬유 및 유리 섬유를 각각 40 중량%, 30 중량% 및 30 중량%의 비율로 혼합한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 6)
상기 실시예 5에서 시편 제조 시 충전재인 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에틸렌이민 섬유가 트리로벌(trilobal) 형태의 이형단면을 가지는 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
(실시예 7)
상기 실시예 6에서 시편 제조 시 유리 섬유의 표면에 실리콘과 폴리우레탄이 70 : 30 중량비로 혼합된 조성물을 코팅한 것을 제외하고 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
[표 2]
상기 표 2와 같이 본 발명에 따라 제조된 인조석은 우수한 압축강도와 휨강도, 내습성 및 차음성을 보이고 있다. 구체적으로 섬유상 충전재로 폴리에틸렌 섬유를 첨가한 실시예 1에 비해 각각 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에틸렌이민 섬유, 유리 섬유를 첨가한 실시예 2 내지 4는 모두 압축강도 및 휨강도가 증가한 것을 알 수 있으며, 특히 실시예 2와 실시예 4는 폴리페닐렌설파이드와 유리섬유의 특징인 강한 기계적 물성으로 인해 실시예 3에 비해서도 압축강도 등이 더욱 증가한 것을 알 수 있다.
또한 실시예 2 내지 4의 섬유 모두를 포함한 실시예 5는 기계적 물성과 내습성, 차음성이 더욱 증가한 것을 알 수 있으며, 고분자 섬유인 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리에틸렌이민 섬유의 단면을 이형단면으로 한 실시예 6은 내습성이 더욱 향상된 것을 알 수 있다. 또한 유리섬유의 표면에 실리콘을 코팅한 실시예 7은 소수성이 더욱 증가하여 수분의 침투가 크게 차단됨으로써 가장 우수한 내습성을 보임을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (6)
- 시멘트 10 내지 30 중량%, 슬러지 10 내지 30 중량%, 굴패각 40 내지 60 중량%, 모래 1 내지 10 중량%, 충전재 1 내지 10 중량% 및 첨가제 0.1 내지 1 중량%을 포함하며,
상기 충전재는 전체 100 중량% 중 폴리페닐렌설파이드 섬유 30 내지 50 중량%, 폴리에틸렌이민 섬유 20 내지 40 중량% 및 유리섬유 20 내지 40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 함유하는 인조석.
- 제 1항에 있어서,
상기 슬러지는 평균입경이 100 내지 200 메쉬(mesh)이며 함수율이 10 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 슬러지를 함유하는 인조석.
- 제 1항에 있어서,
상기 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 초조강 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트 및 초속경 시멘트에서 선택되는 어느 하나 또는 복수인 것을 특징으로 하는 슬러지를 함유하는 인조석.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 첨가제는 경화제, 공기연행제, 점도조절제, 난연제, 방수제, 증점제, 안료, 착색제, 가소제, 분산제, 성형제, 응집제 및 강도보조제에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 함유하는 인조석.
- a) 석재의 생산과정에서 발생하는 폐슬러지에서 수분을 제거하는 단계;
b) 상기 a) 단계의 슬러지에 시멘트, 굴패각, 모래, 충전재 및 첨가제를 혼합하여 인조석 조성물을 제조하는 단계;
c) 상기 b) 단계 조성물을 형틀에 투입하고 50 내지 100℃의 온도로 12 내지 36시간 동안 스팀 양생하는 단계; 및
d) 상기 양생된 조성물을 형틀에서 제거한 후 재단하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 함유하는 인조석 제조방법.
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