KR19990081345A - 도전성 발열체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도전성 발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소계 재료, 시멘트계 결합재, 혼합재를 일정 배합비로 혼합하고 이를 가압성형한 다음 이를 양생시킴으로써 높은 열 효율과 경제성을 가지고 있어 종래의 융설시스템과 난방시스템에 사용되어오던 열 케이블(Heating cable)이나 니크롬선 등을 효율적으로 대체할 수 있으며 우수한 강도 특성과 전기전도성을 갖는 도전성 발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

도전성 발열체 및 그 제조방법

본 발명은 도전성 발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소계 재료, 시멘트계 결합재, 혼합재를 일정 배합비로 혼합하고 이를 가압성형한 다음 이를 양생시킴으로써 높은 열 효율과 경제성을 가지고 있어 종래의 융설시스템과 난방시스템에 사용되어오던 열 케이블(Heating cable)이나 니크롬선 등을 효율적으로 대체할 수 있으며 우수한 강도 특성과 전기전도성을 갖는 도전성 발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 전기전도성 발열 콘크리트는 전기전도 발열특성을 갖도록 시멘트계 재료에 도전성 분말 및 물을 작업성이 좋게 혼합한 후 형틀에 부어 넣고, 대기 중에서 양생시키는 방법으로 제조되어 이를 현장에 타설하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 이러한 방법으로 제조된 전기전도성 발열 콘크리트는 특정한 도전성 재료 및 배합비에서 전기전도성이 제한된 범위를 가지며, 전열 특성을 이용한 제품에 있어 가장 중요한 요소인 저항 안정성이나 저항 균일성의 확보가 어려울 뿐만 아니라 강도 특성이 좋지 않기 때문에 정교한 발열 설계가 필요한 난방시스템의 적용이나 정교한 열량설계와 함께 높은 강도를 요구하는 도로 제설시스템에 적용하기가 힘든 문제가 있다. 이러한 전기전도성 발열 콘크리트의 강도 및 전기전도 특성의 문제를 해결하기 위해 도전성 발열체를 제조하는 방법이 제안되었다. 그러나, 탄소계 재료와 시멘트계 재료를 일정한 작업성을 가지도록 혼합시킨 후 그대로 형틀에 부어 자연상태로 양생시키는 종래의 성형방법은 전기전도성을 좋게 하기 위해 탄소계 골재를 과다하게 사용함으로써 강도 저하의 문제 및 경제성의 문제 등 많은 단점을 보였다. 또한, 탄소계 재료의 특성으로 인해 시멘트계 결합재의 양생에 필요한 양보다 과량의 물을 사용함으로써 시멘트계 결합재의 강도 발현 특성이 저하되고, 양생에 사용되고 남는 잉여수에 의해 시멘트계 결합재에서 용출된 칼슘 이온, 수산기 이온 등이 전기전도 특성에 대해 부정적인 영향을 주는 문제가 있었다. 이러한 문제들은 섬세한 발열량의 설계가 요구되는 난방시스템의 적용에 부적합한 전기전도 특성을 나타나게 할 뿐만 아니라 강한 내구성 및 강도가 요구되는 고속도로, 비행장 활주로 등에 대한 적용을 어렵게 하였다.

본 발명에서는 상기 문제를 개선하기 위해 시멘트계 결합재, 탄소계 재료, 혼합재, 배합수 등을 혼합하되, 가압성형에 적합한 최적의 물성을 갖도록 탄소계 재료의 혼합비율을 낮추고 배합수의 사용량을 적게하여 혼합하고 성형한 다음, 이를 양생함으로써 높은 강도 뿐만 아니라 안정적이고 균일한 저항특성, 높은 열효율 및 경제성을 가지고 있어 종래의 융설시스템과 난방시스템에 사용되던 열케이블(Heating cable) 또는 니크롬선 등을 효율적으로 대체할 수 있는 도전성 발열체 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 시멘트계 결합재와 시멘트계 결합재 100 중량부에 대하여 50 ∼ 150 중량부의 탄소계 재료, 5 ∼ 30 중량부의 혼합재와 탄소계 재료를 제외한 시멘트계 혼합물 건배합 100 중량부에 대하여 20 ∼ 40 중량부의 배합수를 포함하는 도전성 발열체를 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 시멘트계 결합재, 탄소계 재료, 혼합재, 배합수를 70 ∼ 450 rpm으로 혼합하고, 이를 성형틀에 넣고 50 ∼ 300 ㎏f/㎠으로 20 ∼ 240초 동안 가압한 다음, 양생시키는 도전성 발열체의 제조방법을 또다른 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 기존에 사용되던 발열재료가 가지고 있는 니크롬선이나 열 케이블(Heating Cable) 등으로 경제성, 발열특성 및 안전성 문제로 인해 시공 범위가 제한되어 일반화가 어려운 문제를 개선하기 위해 시멘트계 결합재, 탄소계 재료, 혼합재, 배합수 등을 혼합하되, 가압성형에 적합한 최적의 물성을 갖도록 탄소계 재료의 혼합비율을 낮추고 배합수의 사용량을 적게하여 혼합하고 성형한 다음, 이를 양생하여 도전성 발열체를 제조함으로써 저항 안정성 및 균일성이 우수하고, 높은 강도를 가짐으로 낮은 가격으로 넓은 면적을 시공할 수 있으며, 효율적인 열 공급이 가능하고 내구성이 우수한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 도전성 발열체는 경제성 및 열 효율성 등의 문제로 기피되어왔던 도로융설시스템, 전열난방 등에 광범위하게 적용되는 것이 가능해 사회 전체적으로 에너지 절감, 교통안전확보, 환경보호 등에 많이 기여할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 도전성 발열체를 제조방법에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 도전성 발열체의 결합재로 사용되는 시멘트계 결합재로는 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 초조강 포틀랜드 시멘트 등과 같은 포틀랜드 시멘트, 슬래그 시멘트, 플라이애쉬 시멘트, 알루미나 시멘트 등과 같은 혼합 시멘트; 백 시멘트, 초속경 시멘트, 팽창 시멘트, 고강도 시멘트 등의 특수 시멘트를 사용할 수 있다.

그리고, 도전성 발열체에 전기전도성을 부여하기 위해 사용하는 탄소계 재료는 토상흑연, 인상흑연, 코크스 및 인조흑연 중에서 선택하여 사용한다. 이때, 발열체내의 탄소계 재료의 최적 분포 및 충전 상태가 전기전도성 및 저항 안정성, 저항 균일성, 강도에 큰 영향을 주기 때문에 탄소계 재료의 입도를 세밀하게 조정해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 이를 위해 탄소계 재료를 재료 특성에 따라 4 ∼ 200 메쉬의 입도를 갖는 것을 사용하며, 바람직하기로는 이중에서 4 ∼ 50 메쉬의 입도를 갖는 탄소계 재료가 15 ∼ 80%, 50 ∼ 200 메쉬를 갖는 재료가 20 ∼ 85%로 분포되도록 입도를 설정하는 것이 좋다. 또한, 강도특성과 전기전도 특성을 최적의 상태로 만들기 위해 탄소계 재료와 시멘트계 결합재와의 배합비를 시멘트계 결합재 100 중량부에 대하여 탄소계 재료 50 ∼ 150 중량부가 되도록 사용한다. 만일, 탄소계 재료의 함량이 50 중량부 미만이면 강도는 높아지지만 전기전도 특성이 저하되며, 150 중량부를 초과하면 전기전도성은 좋아지는 반면 강도는 낮아지는 문제가 있다.

그리고, 본 발명에 따른 도전성 발열체의 충전율을 높여 강도를 증진시키고 성형 특성을 향상시키기 위하여 혼합재를 사용한다. 이러한 혼합재로는 마이크로실리카, 탄산칼슘, 카올린 및 슬래그미분말 중에서 선택한 1종을 시멘트계 결합재 100 중량부에 대하여 5 ∼ 30 중량부 첨가한다.

배합수는 탄소계 재료를 제외한 시멘트계 혼합물 건배합 100 중량부에 대하여 20 ∼ 40 중량부를 첨가한다. 만일, 배합수의 첨가량이 20 중량부 미만이면 점도가 매우 낮아져 성형이 이루어지지 않으며, 40 중량부를 초과하면 점도가 매우 큰 상태에서 가압효과가 나올 수 있는 가압전 공극이 형성되지 않기 때문에 가압에 의한 탄소계 재료간의 네트워크 형성이 이루어지지 않고 가압후 성형틀을 즉시 탈형하는 것이 불가능하다.

상술한 바와 같은 도전성 발열체 재료를 균일하게 혼합하는데, 일반적으로 탄소계 재료는 그 종류에 따라 물성의 차이가 있지만 대부분 다공질성 물질로서 물을 흡수하는 능력이 매우 크다. 따라서, 재료 혼합시 시멘트 양생에 필요한 배합수만을 사용하는 경우 배합수의 대부분이 탄소계 재료에 흡수되어 시멘트계 재료와 탄소계 재료가 균일하게 섞이지 않는 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 탄소계 재료의 배합수에 대한 물리적 흡습-배습 과정의 특성과 시멘트계 재료의 양생과정중 나타나는 배합수와의 화학적, 물리적 관계를 잘 응용해야 한다. 물이 흡수되는 현상은 일종의 모세관 현상으로 외부에서 추가적인 힘이 가해지면 다시 배출되는 특성을 갖지만 시멘트계 물질과 배합수와의 반응은 화학적 과정으로 반응이 일단 진행되기 시작하면 원상 복귀되지 않으므로 탄소계 재료에 흡착된 배합수를 시멘트의 반응에 참가시키려면 재료의 투입과정시 혼합기의 교반속도를 70 ∼ 150 rpm으로 1 ∼ 2분 동안과 200 ∼ 450 rpm으로 2 ∼ 3분 동안의 2단계로 수행하는 것이 재료를 균일하게 혼합하는 면에서 바람직하다. 경우에 따라서는 1단계로 70 ∼ 450 rpm으로 1 ∼ 5분 동안 수행하여도 좋다. 이때, 혼합속도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 시멘트계 재료와 탄소계 재료와 재료 분리가 일어날 수 있다. 또한, 교반 시간을 너무 오래주게 되면 발열체 내의 탄소계 재료와 시멘트계 재료들간의 구조적 연결이 이루어지지 않은 상태에서 시멘트의 양생이 진행되어 강도 특성에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

상기와 같은 혼합과정을 거친 다음, 혼합된 재료를 성형틀에 넣고 가압하여 성형체를 제조한다. 혼합된 재료는 점성이 거의 없고 유동성이 좋아 균일 충전이 가능한 일반적인 가압성형재료와 달리 일정 수준의 점도를 가지기 때문에 넓은 면적의 몰드에 균일하게 충전하기가 매우 어렵다. 이러한 불균일한 압력조건에서 부분별 저항 균일성을 얻기 위해서는 각 배합비에서 압력 조건에 따른 전기전도 특성의 변화가 가장 적으면서 탄소계 재료의 파손이 일어나지 않는 최적의 압력 조건을 찾아 적용시켜야 한다. 탄소계 재료를 이용한 발열체의 전기전도 메카니즘은 도전성 재료의 네트워킹에 의해 나타나는 것으로서 상기에서 언급한 탄소계 재료의 입도분포와 가압조건이 네트워킹에 가장 중요한 요소이다. 그러나, 이러한 압력조건에서 성형이 이루어지는 경우, 발열체의 전면에 가해지는 압력이 재료의 불균일한 분포로 인해 약간의 편차를 보이더라도 일정한 수준의 저항 균일성을 얻는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 도전성 발열체의 가압과정시 압력 조건은 탄소계 재료의 배합비율, 발열체의 강도, 저항특성 등을 고려하여 요구되는 수준에 따라 설정하되, 바람직하기로는 50 ∼ 300 ㎏f/㎠의 압력조건을 가하는 것이 좋다. 필요에 따라서는 구체적인 생산 조건을 설정하기 위해서 발열체의 크기, 용도 등에 따라 배합비, 가압조건 등을 상기 범위내에서 적절히 조화시킬 수도 있다. 만일, 압력조건이 50 ㎏f/㎠ 미만이면 탄소계 재료들간의 네트워킹 형성이 이루어지지 않아 전기전도 특성에 부정적인 영향을 주고, 300 ㎏f/㎠를 초과하면 혼합재료의 팽창력으로 성형틀 탈형 과정에서 발열체가 파손되는 문제가 발생하며, 탄소계 재료의 구조체가 파손되면서 물성 통제가 어렵게 되므로 압력 조절에 유의해야 한다. 이때, 가압과정은 한번에 압력을 가하는 충격 가압방식이 아닌 일정한 압력조건에서 재료 배합 특성에 따라 가압시간을 20 ∼ 240초 동안 유지하는 방식을 적용시키는 것이 좋다. 이러한 압력을 유지하는 과정은 점성을 갖는 혼합 재료가 최적의 충전 상태를 유지하는데 절대적으로 필요하다.

그런다음 양생과정을 수행하는데, 가압성형이 끝난 발열체는 양생과정을 거쳐야 제품으로 완성된다. 일반적으로 사용되는 시멘트계 결합재의 양생 방법으로는 대기양생법, 항온항습양생법, 증기양생법, 오토클레이브양생법 등이 있다. 본 발명의 도전성 발열체의 경우도 상기 모든 양생법을 모두 적용할 수 있으나, 발열체의 2차가공을 위해서는 초기 강도 발현이 필요하기 때문에 증기양생법 또는 오토클레이브양생법을 사용한다. 일반적으로 도전성 발열체의 경우 양생초기에 외부에서 증기 상태가 아닌 액체 상태의 수분이 침투되는 경우 전기전도 특성이 크게 떨어지는 특성을 보이기 때문에 오토클레이브양생이나 증기양생시 수증기가 응결되어 액체상태의 수분이 성형체에 침투되는 것을 철저히 차단하는 것이 필요하다. 따라서, 초기에는 증기양생법 또는 오토클레이브양생법으로 양생을 시키고 2 ∼ 7일 동안 외부 조건에서 대기양생시킨다.

이와 같은 과정을 수행하여 제조된 도전성 발열체는 비저항이 0.001 ∼ 1.5 Ω㎝이고, 압축강도는 300 ∼ 700 ㎏f/㎠이고, 휨강도는 60 ∼ 140 ㎏f/㎠의 값을 나타내어, 높은 강도 뿐만 아니라 안정적이고 균일한 저항특성, 높은 열효율 및 경제성을 가지고 있어 종래의 융설시스템과 난방시스템에 사용되던 열케이블(Heating cable) 또는 니크롬선 등을 효율적으로 대체할 수 있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ∼ 5

다음 표 1에 나타낸 조성 및 함량을 가지는 발열체 조성물을 80 rpm으로 2분 동안, 140 rpm으로 3분 동안 혼합하였다. 기혼합된 재료를 성형틀에 투입한 후, 유압 프레스를 이용하여 다음 표 1에 나타낸 조건으로 1분 동안 가압성형하여 성형체 시편을 제조하였다. 그런다음 증기양생법을 이용하여 도전성 발열체를 제조하였다.

실시예 6

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하되, 양생시 오토클레이브 양생법을 사용하여 양생하여 도전성 발열체를 제조하였다.

비교예

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하되, 혼합된 콘크리트 조성물을 가압성형하지 않고, 4×4×16㎝ 몰드로 성형한 다음, 성형후 1일째 탈형하고 7일 동안 대기양생하였다.

실험예

상기 실시예 1 ∼ 6 및 비교예에서 제조한 성형체를 JIS R 5201에 의거하여 압축강도 및 휨강도를 측정하고, 저항측정은 시편의 양 끝부분에 은(Ag) 전극을 바른 후 저항측정기(Multimeter, Fluke사 제품)로 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다. 성형체의 저항 균일성과 안정성 비교를 위해 각 실험 조건에 대하여 다섯 개의 시험체를 제작하여 측정된 비저항의 표준편차를 비교 기준값으로 나타내었다.

상기 표 1에 나타낸 결과로부터 본 발명은 다양한 종류의 시멘트계 결합재와 입도가 조절된 탄소계 재료 및 배합수의 양을 줄이고 혼합재를 함유시켜 성형함으로써 종래의 도전성 발열체와 비교하여 전기전도 특성이 우수하고, 압축강도 및 휨강도도 높은 결과가 나타남을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 도전성 콘크리트 배합에 비하여 탄소계 재료와 물의 함량을 줄여 경제적이고, 강도 특성과 전기전도 특성이 우수한 전기전도 발열성형체를 제조하는 것이 가능하게 되었다. 본 발명에 따른 도전성 발열체를 성형시킨 제품은 섬세한 전기 발열 시스템에 적용이 가능해 난방용으로 사용될 수 있으며, 뛰어난 강도특성이 있어 고속도로, 비행장의 활주로 등 다양한 장소의 융설시스템에 적용이 가능하다.

Claims (6)

1. 시멘트계 결합재와 시멘트계 결합재 100 중량부에 대하여 50 ∼ 150 중량부의 탄소계 재료, 5 ∼ 30 중량부의 혼합재와 탄소계 재료를 제외한 시멘트계 혼합물 건배합 100 중량부에 대하여 20 ∼ 40 중량부의 배합수를 포함하는 것임을 특징으로 하는 도전성 발열체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소계 재료는 토상흑연, 인상흑연, 코크스 및 인조흑연 중에서 선택된 1종인 것임을 특징으로 하는 도전성 발열체.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합재는 마이크로실리카, 탄산칼슘, 카올린 및 슬래그미분말 중에서 선택된 1종인 것임을 특징으로 하는 도전성 발열체.
4. 시멘트계 결합재, 탄소계 재료, 혼합재, 배합수를 70 ∼ 450 rpm으로 혼합하고, 이를 성형틀에 넣고 50 ∼ 300 ㎏f/㎠으로 20 ∼ 240초 동안 가압한 다음, 양생시키는 것을 특징으로 하는 도전성 발열체의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 혼합은 70 ∼ 150 rpm으로 1 ∼ 2분 동안과 200 ∼ 450 rpm으로 2 ∼ 3분 동안의 2단계로 수행하는 것을 특징으로 하는 도전성 발열체의 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 양생은 대기양생법, 항온항습양생법, 증기양생법 또는 오토클레이브양생법인 것을 특징으로 하는 도전성 발열체의 제조방법.