KR20010034854A - 내열제품 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내열제품은 세라믹 결합제 및 질석을 포함하며, 제품의 건조 중량의 35 내지 95 %는 질석이며 질석의 60 % 이상은 1 mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는다.

Description

내열제품 및 그 제조방법{HEAT RESISTANT PRODUCT AND METHOD}
많은 적용에서 단열 및 특히 내화성이 요구된다. 중요한 예로는 빌딩과 선박의 방화벽 및 방화문, 기차 및 다른 차량들의 천정, 벽 및 내부 패널 및, 예를 들면 날개의 앞날, 기수 및 원추(cones)와 같은 고성능 항공기의 열막이 등이 있다.
지금까지 이들 적용에서 단열의 향상을 위해 각종 코팅 재료들이 제안되어져 왔으나 이들은 불충분하며/또는 비용이 맞지 않는다고 알려져 있으므로, 훨씬 저렴하고 확실한 단열제품을 제공할 필요가 있다.
ZA-A-9701233(WO-A-9730951)에는 고온에서 질석과립을 송풍한 후 결합제와 혼합시키는 것으로 이루어지는 불연성 주형부의 생산을 기재하고 있다. 이와 같은 경우, 결합제에는 인이 함유되어 있는데, 이것은 본 발명과 관련된 적용에 바람직하지 않다.
본 발명은 내열제품 및 그 제품의 제조방법에 관한 것이다
도 1은 벌집 구조 위에 결합된 제품의 한 예의 개략 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 구조에 대한 방화 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 제품의 다른 예의 사진이다.
도 4는 두께 25 mm, 스팬 길이 120 mm 및 부하율 2mm/분을 갖는 샘플에 대한 굽힘강도 및 밀도 사이의 관계를 나타내는 그래프도이다.
본 발명의 제 1면에 따르면, 내열제품은 세라믹 결합제와 질석으로 이루어지며, 제품의 건조 중량의 35 % 내지 95 %는 질석으로, 질석의 60 % 이상은 1mm 체를 통과하지 않는 입도를 갖는다.
본 발명의 제 2면에 따르면, 내열제품의 제조방법은 질석 과립과 세라믹 결합제의 혼합; 및 혼합물의 건조로 이루어지며, 여기서 제품의 건조 중량의 35 % 내지 95 % 는 질석으로, 질석의 60 % 이상은 1mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는다.
본 발명자들은 질석 과립과 세라믹 결합제의 혼합물을 사용함으로써 매우 비용 효과적인 제품을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 이것은 종이제조 또는 기타 방법을 사용하여 제조한, 매우 조밀한 제품인 공지의 운모 시이트 및 패널과 대조를 이룬다. 새로운 제품은 상기 시이트보다 훨씬 덜 조밀하며 트랩된 공기에 의해 단열이 향상된다. 더우기, 생성제품은 매우 경량이라 취급이 훨씬 용이하며, 적용에 따라 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명자들은 기존제품의 문제임이 연마되거나 또는 체로 친 너무 큰 밀도를 갖는 입자를 사용하여 제품을 제조하는 것임을 발견하였다. 이것은 트랩된 공기가 포함되는 공극을 감소시켜 제품의 내열성을 감소시킨다. 한편, 입도가 너무 크면 제품 내에 제품의 한 측면으로부터 다른 측면 까지 그것을 통해 열이 전도될 수 있는 개방 공기 통로가 있을 수 있다. 철저한 범위 내에 있는 입자를 사용함으로써, 이들 문제 모두가 극복되며 동시에 경량의 제품이 생산된다.
또한, 본 발명자들은 생성품이 예를 들면 밀도 범위가 250 내지 300 Kg/m3이고, 굽힘강도가 0.15 내지 0.45 MPa인 우수한 기계적 강도 특성을 갖는 것을 발견하였다.
실험은 독립(self-supporting)제품에서 적당한 굽힘강도를 얻기 위해 밀도는 140 Kg/m3이상이 바람직하다는 것을 나타낸다. 더우기, 질석의 비율이 커질수록, 제품의 중량은 가벼워진다. 그러므로, 본 발명자들은 질석이 건조중량으로 95 %가 혼합된 제품의 밀도는 약 730 Kg/m3인 반면, 질석이 건조 중량으로 35 % 혼합된 제품의 밀도는 약 350 Kg/m3임을 발견하였다.
바람직하게, 제품의 건조질량의 50 내지 90 %는 질석으로, 그 60 % 이상은 1 mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는다.
한 형태로, 제품은 실질적으로 단단하며 얼마간 나무등과 같이 취급될 수 있으므로 원하는 형태로 절단될 수 있다. 제품은 비교적 부서지기 쉬우므로 통상적으로 제품에 점착된 하중 지지 시이트들 사이에 샌드위치된다. 이들 하중지지 시이트들은 섬유 보강 재료 시이트, 강철 또는 패널이 구성 또는 반-구성 성분으로 작용하도록 하는 어느 기타 재료를 포함할 수 있다.
다른 적용에서는 제품이 아티클의 표면에 점착된다. 그러므로, 실질적으로 단단한 제품을 생산한 후 아티클에 점착시키거나 또는 더욱 편리하게, 제품을 아티클 위에서 그 자체로, 예를 들면 몰딩에 의해 형성시키거나 또는 아티클의 위에 분무하여 형성시킨다.
본 제품의 중요한 적용은 공지의 샌드위치 구조를 갖는다. 전형적으로, 이들은 발포금속, 플라스틱, 나무, 엔드그래인 발사(endgrain balsa) 또는 금속, 플라스틱, 또는 페놀 유리 적층판 또는 기타 적당한 재료 등의 평면부재 사이에 샌드위치된 조성물질 등과 같은 코어 재료를 포함한다.
이들 샌드위치 구조는 구조공학에서 상당히 중요하며 매우 낮은 중량, 고강도, 내구성 및 제조비용 절감을 포함하여, 기존 재료를 극복하는 중요한 이점을 제공하기 때문에 항공우주 및 기타 공업에서 광범위하게 사용된다. 그러나, 이와 같은 샌드위치 구조는 일반적으로 170 ℃ 이상에서는 작동하지 않는다. 본 발명에 따른 제품을 표면에 점착시키면, 구조는 더 높은 온도에서 사용될 수 있다. 제품이 코어로서 포함된다면, 열전도도 및 내화성이 향상된다.
제품은 다양한 두께 및 굳기로 제조될 수 있고 금속, 나무 및 복합물을 포함한 대부분의 표면에 점착될 수 있다. 제품은 복잡한 성형 주변에 주형될 수 있고 가요성의 매우 얇은 층으로 생산될 수 있다. 필요하다면, 유리섬유, 직조유리섬유 또는 기타 섬유성 재료를 제품의 보강을 위해 사용할 수 있다. 이것은 제품의 두께 및 사용된 결합제에 의존한다.
원칙적으로, 어떠한 세라믹 결합제도 사용될 수 있으며, 전형적으로 알칼리 규산염 또는 블렌드로 이루어진 결합제를 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화규소 또는 기타 세리믹과 같은 충전제와 함께 사용될 수 있다. 바람직한 결합제는 규산나트륨을 기재로 한 블렌드와 같은 2부분 결합제의 점착부를 포함한다. 이와 같은 결합제의 시판예는 Fortafix Limited 사의 Al/CS 및 Aremco 571이다. Al/CS 결합제는 규산나트륨 블렌드의 제 1부와 알루미나 충전제의 제 2부로 이루어진다. 본 발명자들은 (충전제 없이) 오직 점착부 만을 사용함으로써 또는 가능하게는 충전제를 분말형 질석으로 대체함으로써 매우 양호한 제품을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 혼합물의 건조단계는 가열, 또는 임의로 초단파복사의 사용에 의해 지원되는 진공건조를 포함한 기타 건조법으로 실시될 수 있다.
사용한 질석의 양은 제품의 원하는 밀도와 강도 및 제품이 사용되는 방법에 의존한다. 제품이 시이트 사이에서 지지된다면 그 때 제품의 건조중량의 최대 95%는 질석이다. 다른 적용에는 더 낮은 비율이 더 적당할 것이며, 바람직한 범위는 50 내지 90 %이다.
제품은 다양한 방법으로 제조될 수 있고 바람직한 접근으로, 2 단계법이 사용되는데, 제 1 단계는 세라믹 결합제를 사용한 입자의 코팅, 및 결합제의 소결/건조로 이루어진다. 제 2 단계는 (바람직하게, 1단계에서 사용한 것과는 다른)세라믹 결합제를 사용한 예비 코팅된 입자의 코팅, 및 가압 또는 비가압하의 결합제의 소결/건조로 이루어진다.
건조단계는 혼합물을, 일반적으로 40 내지 120 ℃의 범위에서 가열함으로써 편리하게 실시된다. 그러나, 열 발생을 요구하지 않는 진공건조와 같은 기타 형태의 건조도 사용할 수 있다. 전형적으로, 혼합물은 코팅과정을 최적화하기 위해 교반될 것이다. 선택적으로, 입자 및 결합제가 압밀된 물질을 생성하고 그 후 개개의 코팅된 입자로 분리되는 것을 가져오는 교반은 사용되지 않는다.
제 1단계와 같이, 제 2 단계의 건조부분은 혼합물을 가열함으로써 또는 진공건조와 같이 열을 포함하지 않는 몇몇 기타 방법에 의해 실시될 수 있다.
생성품은 내열성일 것이며 바람직하게 또한 단열인 방화벽등으로 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 적용은 다음과 같다.
1. 건물 및 선박의 방화벽 및 방화문.
2. 열원, 예를 들면 자동차 및 트럭의 배기다기관 근처의 방화표면.
3. 석면 재료가 사용되었던 케이블 산업.
4. 전기 모터, 정류자, 절연체.
5. 비행기용 여객실 및 화물실 손잡이 .
6. 열차의 천정, 벽 및 내부 패널.
7. 고성능 비행기의 열막이, 예를 들면, 날개의 앞날, 기수, 및 원추.
8. 태양 또는 기타 방사열로부터의 보호.
시험은 본 발명에 따른 단열 제품이 다수의 중요한 특성을 가짐을 나타낸다.
1. 열적성질, 본 제품은 최대 1000 ℃ 까지 열을 견딜 수 있다.
2. 연소하지 않는 내화성.
3. 밀도에 의존하는 낮은 열전도도.
4. 24 kV/mm 보다 우수한 전기절연성.
5. 극단파에 대한 투과성.
6. 아크 또는 아크 부식에 대한 양호한 내성.
7. 질석은 대부분의 화학약품에 대해 불활성이다.
8. 기계적 특성, 특히 내압축성이 매우 양호하다.
9. 양호한 인장 및 굴곡강도.
이들 특성은 밀도 및 기계적 강도와 함께 질석과 결합제의 독특한 혼합물 및 사용된 방법에 따라 변할 수 있고, 적용에 따라 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 내열 제품의 몇몇 예 및 그들의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조로하여 설명하였다.
도 1은 예를 들면, 종래의 방법으로 알루미늄으로 제조된 벌집 코어(1)를 나타낸다. 이 코어는 코어(1)에 점착된 한 쌍의 페놀스킨(2,3) 사이에 샌드위치 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이 샌드위치 구조는 주목할만한 내화성을 갖지 않으므로 내화성 향상을 위해 질석 단열층(4)을 페놀스킨(2)위에 제공한다. 이것은 다음의 방법으로 달성된다.
종래의 2부분 세라믹 접착제 Al/CS를 선택하여 점착부(규산나트륨의 블렌드) 120 g을 분말질석 2 g 및 질석과립 26g과 혼합시켰다. 분말질석은 일반적으로 세라믹 접착제와 함께 사용되는 종래의 알루미나 충전제를 대신하며 충전제와 동일한 비율로 사용된다.
본 실시예에서, 과립은 입자의 93 %가 8 mm 체를 통과하고, 입자의 32 %가 4 mm체를 통과하고, 입자의 4 %가 2 mm체를 통과하는 입도를 갖는, 박리된 질석으로 이루어졌다.
페놀스킨(2)의 노출된 표면은 기름기가 없어졌고, 150 mm×150 mm ×12 mm 의 크기를 가졌다. 접착제(Fortafix Al/CS)/분말질석 70 g을 페놀스킨 또는 보드 (2)의 깨끗한 표면 위에 도포한 후, 보드를 점착표면이 위를 향하도록 결합 지그(jig)에 놓았다.
질석과립과 접착제의 혼합물을 페놀스킨(2)의 예비 코팅된 표면 위에 약 8mm의 두께로 도포하였다. 그 다음, 분말질석의 얇은 층을 상기의 미리 코팅된 혼합물의 노출 표면에 걸쳐 고르게 펼치고 생성물을 방출지를 갖는 강철 대망막판을 사용하여 전면적에 걸쳐 꺽쇠로 고정시켰다. 그 후, 구조물을 예열된 오븐에 60 ℃에서 1시간 동안 놓아 질석과립을 층(4)으로 결합시키고 상기 층을 페놀스킨(2)에 점착시킨다. 몇몇 경우에, 더 높은 온도를 사용함으로써 더욱 개량된 특성을 얻을 수 있다.
층(4)의 표면에 걸쳐 분말질석의 얇은 층을 제공하는 것은, 상기 혼합법에서 분말질석을 사용하는 것과 마찬가지로 선택적이라는 것을 이해하여야 한다. 결합제에서 분말 충전제를 대체 또는 삭제하는 것은 비용절감을 제공할 뿐만 아니라 실행에 역효과 없이 상당한 중량 감소를 제공한다.
도 1에 나타낸 구조의 실행은 구조물 위에 열전기쌍을 도 1에 표시한 위치에 놓고 평가하였다. 제 1열 열전기쌍(10)은 페놀스킨(3)의 표면에 놓고, 제 2열 열전기쌍(11)은 페놀스킨(2)과 층(4)의 사이에 놓고; 제 3열 열전기쌍은 비코팅된, 층(4)의 외표면 위에 놓았다. 도 2에서 알 수 있듯이, 연소시험은 1000 ℃에서 화염이 층(4)의 노출면 위에 놓일 때, 제 1열 열전기쌍이 구조의 반대면 위의 온도가 15분 동안 130 ℃를 초과하지 않는다는 것을 표시함을 나타낸다. 제 2열 열전기쌍은 층(4)과 페놀스킨(2) 사이의 온도가 220 ℃를 초과하지 않는다는 것을 나타낸다.
층(4)을 가로질러 열이 상당히 감소하는 점에서, 종래의 접착제를 사용하여 지지 표면에 상기 구조를 접착시킬 수 있다.
도 3은 실질적으로 단단한 구조를 갖는 독립제품의 또 다른 형태를 나타낸다. 이것은 지지 보드 또는 판 사이에 코어로서 사용될 수 있고, 예를 들면 질석(도시하지 않음)으로 제조된다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 제품은 상당한 구조를 갖고 과립은 명백하게 보이며 최대 크기는 15 mm이다. 제품은 상기와 같이 나무와 유사한 방법으로 취급할 수 있다. 본 제품은 주형법으로 형성되며, 더 복잡한 형태 또한 적당한 주형을 사용하여 얻을 수 있다는 것이 명백하다. 이것은 본 발명의 다양성을 나타낸다.
코어 재료를 생산하는 바람직한 방법은 2 단계로 이루어진다.
제 1 단계는 질석과립 및 세라믹 결합제(본 실시예에서는 규산나트륨의 블렌드)를, 질석 대 결합제를 중량으로 최소 1: 0.5의 비율로, 혼합시키는 것을 요건으로 한다. 그 후 이것을 최대 120 ℃에서 최소 ½시간동안 소결한다. 이것은 제 2 단계에서 사용될 예비코팅된 질석을 생산한다.
제 2 단계는 제 1 단계로부터 예비코팅된 질석을, 예비 코팅된 질석 대 결합제를 중량으로 최소 1:0.5의 비율로, 세라믹 결합제로 코팅시키는 것을 요건으로 한다. 그 후 이것을 최대 100 ℃에서 최소 ½시간동안 가압하에 (보통 주형 내에서)소결한다.
이 제품은 점착스킨과 또는 점착스킨 없이 사용하기에 적당하다.
본 발명자들은 제품 샘플의 밀도에 따른 기계적 실행의 변화를 조사하였고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이, 비교적 낮은 밀도에서 적당한 굽힘강도를 얻었다.
또한, 본 발명자들은 알루미늄 스킨을 갖는 또는 갖지 않는 제품의 샘플에 대해 굽힘 시험을 실시하였다. 이들 시험은 비록 스팬 길이 120 mm를 사용했지만, 표준 ASTM C-393에 따라서 밀도 250Kg.m3, 두께 15 mm의 샘플에 대해 실시하였다.
샘플은 스킨없이 및 두께 1.5 mm의 알루미늄 합금 스킨을 갖고 시험하였다. 결과를 아래에 나타내었다.
평균 굽힘강도(MPa)
스킨 없음 0.31
알루미늄 스킨(1.5 mm) 5.93
또한, 본 발명자들은 제품의 열전도도를 시험하였다. 시험은 열영상기술 (thermal imaging technique)을 사용하여 실시하였다. 밀도가 250 Kg/m3인 패널에 대해 0.06W/m/K값을 얻었다.

Claims (23)

  1. 제품의 건조중량의 35 % 내지 95 %가 질석이며, 질석의 60 % 이상은 1 mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는 세라믹 결합제와 질석으로 이루어진 내열제품.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제품의 건조중량의 50 % 내지 95 %가 질석이며, 질석의 60 % 이상은 1 mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는 내열제품.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제품이 실질적으로 단단한 내열제품.
  4. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 결합제가 2부분 결합제의 점착부를 포함하는 내열제품.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 결합제가 분말질석과 혼합된, 2부분 결합제의 점착부를 포함하는 내열제품.
  6. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 유리섬유 또는 기타 섬유성 재료 보강재를 추가로 포함하는 내열제품.
  7. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 질석 과립이 최대 15 mm까지의 크기를 갖는 내열제품.
  8. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제품이 제품에 점착된 지지 시이트들 사이에 샌드위치된 내열제품.
  9. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제품이 아티클의 표면 위에 점착된 내열제품.
  10. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제품이 아티클의 표면 위에 주형된 내열제품.
  11. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제품이 아티클의 표면 위에 분무된 내열제품.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 아티클이 벌집구조로 이루어진 내열제품.
  13. 제 12항에 있어서, 벌집구조와 상기 제품 사이에 샌드위치된 페놀 유리 적층판을 추가로 포함하는 내열제품.
  14. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 질석이 질석의 80 % 이상이 2 mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는 내열제품.
  15. 상기 항 중 어느 하나의 항에 따른 내열제품으로 이루어진 방화벽.
  16. 질석과립과 세라믹 결합제를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 건조하는 단계 이루어지는 건조중량의 35 % 내지 95 %가 질석이며, 질석의 60 % 이상이 1 mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는 내열제품의 제조방법.
  17. 제 16항에 있어서, 건조단계가 혼합물의 가열, 또는 혼합물의 진공건조로 이루어지는 내열제품의 제조방법.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 상기 혼합물이 건조단계 중 주형 또는 압축으로 유지되는 내열제품의 제조방법.
  19. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 상기 혼합물이 건조단계 전에 아티클의 표면 위에 코팅되는 내열제품의 제조방법.
  20. 제 16항 내지 제 19항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제조방법은 두단계로 실시되며, 제 1 단계는 입자를 세라믹 결합제로 코팅하는 단계, 및 결합제를 소결/건조하는 단계로 이루어지며, 제 2 단계는 예비 코팅된 입자를 세라믹 결합제로 코팅하는 단계, 및 결합제를 소결/건조하는 단계로 이루어지는 내열제품의 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서, 제 18항을 인용할 경우, 제 2단계가 주형 또는 압축으로 유지되는 내열제품의 제조방법.
  22. 제 16항 내지 제 21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제품의 건조중량의 50 % 내지 95 %가 질석이며, 질석의 60 % 이상은 1 mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는 내열제품의 제조방법.
  23. 제 16항 내지 제 22항 중 어느 하나의 항에 있어서, 질석이 질석의 80 % 이상이 2 mm체를 통과하지 않는 입도를 갖는 내열제품의 제조방법.
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