KR20050033352A

KR20050033352A - 불연성 단열재 조성물, 이를 이용한 단열재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050033352A
Application number: KR1020030069347A
Authority: KR
Inventors: 노병대; 김신종
Original assignee: 노병대; 김신종
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2005-04-12
Also published as: KR100550234B1

Abstract

본 발명에서는 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량%; 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량%; 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%; 탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량%; 및 물(H₂O) 12~15 중량%;로 구성되는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재 조성물, 상기한 조성물을 발포시켜 얻어지는 발포체 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 불연성 단열재 조성물, 이를 이용한 단열재 및 그 제조방법에 의해 환경친화적이고, 단열성이 높고 방음효과가 크며, 방진성과 내습성을 갖고, 또한 외관이 우수한 단열재를 제공하게 된다는 효과를 달성한다.

Description

불연성 단열재 조성물, 이를 이용한 단열재 및 그 제조방법{noninflammable composition for adiabatic material, adiabatic material using thereit and the preparation method of the adiabatic material}

본 발명은 불연성 단열재 조성물, 이를 이용한 단열재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 불연성 무기물을 이용하여 단열성, 방음성, 방진성, 내습성에서 우수한 불연성 단열재 조성물, 이를 이용한 단열재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

건축물의 벽면, 바닥, 또는 천정등의 단열시공에 사용되는 단열재는 단열이나 보온의 목적이외에 흡음, 내화, 결로방지효과를 달성하도록 사용되며, 종래 이러한 단열재로서 EPS, 폴리우레탄폼, 석면, 유리솜, 암면, 식물섬유나 합성섬유등이 있었다.

상기 EPS는 발포폴리스티렌(Expandable Polystyrene)으로, 거품 폴리스틸렌, 스티로폼, 발포스티렌, 스티로폴등으로도 다양하게 호칭되며, 스티렌 모노머를 중합한 폴리스티렌수지에 펜탄이나 부탄과 같은 발포제를 첨가시켜 가열 경화시키고 동시에 기포를 발생시켜 발포수지로 만든 것이다.

이러한 EPS는 체적의 98%가 공기이고, 나머지 2%가 수지로서, 희고 가벼우며, 내수성, 단열성, 방음성 및 완충성등이 우수하여, 각종 포장용기, 운송용 포장재, 식육 냉동창고의 벽재, 냉동 파이프의 외장, 조립식 주택의 벽이나 천장 재료등으로 활용된다.

그러나 상기 EPS의 경우 연소가 잘되고, 연소시 높은 발열량을 가지므로, 화재에 매우 취약하다는 문제점이 있다.

상기 폴리우레탄폼은 폴리에스테르계나 폴리에테르계등의 폴리우레탄을 이용한 다공제품으로 초연질, 연질, 경질 폼으로 구분되고, 이중 경질폼이 강성이 있고, 단열성과 저온특성이 좋으므로 단열재로 사용된다.

그러나 상기 폴리우레탄폼은 인화점이 92℃로 높은 물질이고, 유독성 가스를 방출하게 되므로, 화재시 역시 매우 취약하다는 문제점이 있었다.

이와 같은 EPS나 폴리우레탄폼의 문제점을 해결하기 위하여 폴리머로 방염처리를 수행하는 경우도 있었으나, 이는 별도의 공정을 부가하여 생산효율을 저하하고, 비용을 증가시키는 문제점이 있고, 불연 효과의 측면에서도 본질적인 해결책은 될 수 없다는 문제점이 있었다.

한편, 상기 유리솜이나 석면, 암면의 경우는, 대부분 표면이 부서지기 쉽고, 촉감이 좋지 못하며, 분진이 날리므로 운반성, 보관성, 작업성등에서 나쁘다는 문제점이 있고, 이 때문에 암면, 유리면등의 단열재 표면에, 예를 들어 알루미늄분 증착필름 일면에 접착제를 도포하고 난연종이를 접착하여 이루어지는 것과 같은, 마감재를 적층하여 사용하여야 하므로, 생산 공정의 효율이 떨어지고, 생산 비용이 증가한다는 문제점이 있었고, 또한 상기 마감재 자체가 인장강도등의 물성이 떨어져 운반이나 취급이 불리하고 외관에서도 불리하다는 문제점이 있었다.

이외에도 식물섬유나 합성섬유등이 단열 방음재로서 사용되었는데, 이들은 그 미세분진의 유해성으로 인하여 사용이 매우 제한적이라는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명자들은 단열재로서 화재에 취약한 문제점이 없는, 불연성 무기물을 기초로하여 본질적으로 불연성이며, 환경적으로 우수하고, 기타 단열재로서의 단열성, 방음성, 방진성, 내습성도 만족할 수 있는 신규한 단열재에 대하여 예의 연구하여 왔다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로,

본 발명의 목적은 불연성 무기물을 바탕으로 단열성이 높고 방음효과가 크며, 방진성과 내습성을 갖고, 또한 외관이 우수한, 불연성 단열재 조성물, 이를 이용한 단열재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은, 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량%; 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량%; 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%; 탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량%; 및 물(H₂O) 12~15 중량%;로 구성되는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재 조성물에 의해 달성된다.

상기한 본 발명의 목적은, 상기한 조성물을 발포시켜 얻어지는 발포체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재에 의해 달성된다.

그리고 상기한 단열재는 그 표면에 알루미나 졸 또는 붕화질소 졸이 코팅되도록 한 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 목적은 또한, 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량%; 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량%; 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%; 탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량%; 및 물(H₂O) 12~15 중량%;을 혼합하는 단계(S1); 상기 혼합된 원료를 반응조에 넣고 마이크로웨이브를 인가하여 발포체를 형성하는 단계(S2);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재의 제조 방법에 의해 달성된다.

그리고 상기 S1 단계는 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량% 및 탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량%를 혼합하고, 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH ₂O) 30~40 중량% 및 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%를 혼합하고, 상기 혼합된 각각의 원료와 물(H₂O) 12~15 중량%을 넣어 혼합하도록 하는 것이 바람직하고, 상기 S1 단계는 상기 각각 혼합된 원료 및 물을 교반기에서 교반하여 점도가 8,500~9,000 poise가 되도록 하는 것이 바람직하고, 이때 상기 메타규산나트륨(Na₂SiO₃) 30~40 중량% 및 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%를 60~70℃의 온도에서 혼합하는 것이 더욱 바람직하며, 상기 S2 단계는 마이크로웨이브 발생원으로부터 방사된 마이크로웨이브를 1차 공진시킨 후 스롯을 통과시켜 반응조에 인가하도록 하는 것이 바람직하고, 상기 반응조에서의 공진모드는 TE044, TE055, TE066, TE077 또는 TE088인 것이 더욱 바람직하다.

이하 본 발명에 따른 불연성 단열재 조성물, 이를 이용한 단열재 및 그 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는, 결정성 알루미노실리케이트를 기본 골격으로 형성하도록 한다. 단열재에서 동일 밀도에서 지름을 줄이면 유효열전달계수가 낮아지게 되므로, 고르게 분포된 작은 기포를 많이 갖게 하여 단열특성을 향상하고자, 기본 골격으로서 견고한 삼차원 구조를 갖는 결정성 알루미나실리케이트를 합성하도록 하며, 또한, 발포과정에서는 이산화탄소를 발생시켜 큰 셀을 형성하도록 함에 의해 밀도를 줄이도록 한다.

이때, 균일한 골격 구조를 형성하고, 그 골격 구조를 기초로, 기포의 크기와 분포를 적절히 하며, 이에 의해 경도나 흡음성등을 높일 수 있도록 하여야 하고, 또한 발포의 과정에서 에너지의 저감 및 발포의 효율을 높이도록 하여야 한다.

이에 따라, 본 발명에서는 우선, 불연성 단열재 조성물에 있어서, 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량%, 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량%, 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%, 탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량% 및 물(H₂O) 12~15 중량%를 함유하도록 한다.

먼저, 상기 결정성 알루미노실리케이트를 합성하기 위하여, 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 및 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO)를 원료로 채택한다.

상기 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 및 상기 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO)는 함수 또는 무수의 것을 사용한다.

본 발명에서는 메타규산나트륨과 알루미나시멘트의 몰 구성비를 적절히 함에 의해, 균일한 결정성 알루미나실리케이트의 기본 골격을 제조하도록 한다.

이를 위해, 메타규산나트륨을 30~40중량%으로 포함하는 것이 바람직하고, 알루미나시멘트를 40~50중량%로 포함하는 것이 바람직하다. 또한 이와 같은 범위에서 이후 최종 제품의 경도를 높일 수 있게 된다.

도 1a는 본 발명에 사용되는 결정성 알루미나실리케이트의 화학구조식을 나타내는 것이고, 도 1b는 본 발명에 사용되는 결정성 알루미나실리케이트의 결정구조를 나타내는 것이고, 도 1c는 본 발명에 따른 결정성 알루미노실리케이트 골격을 을 나타내는 것이다. 상기 도시된 바와 같은 골격은 대략 3~20Å의 세공을 지니게 된다.

다음으로 바인더로서 메타인산(HPO₃)을 채택하는데, 알루미나실리케이트 골격은 실리콘과 알루미늄이 각각 4개의 가교산소를 통하여 연결된 3차원 무기고분자로 이때 알루미늄이 4개의 산소와 결합함에 의해 음전하를 갖기 때문에, 메타인산을 첨가해 이러한 음전하를 상쇄하고 이를 통하여 결합력을 높일 수 있도록 한다.

이때, 상기 메타규산나트륨과 알루미나시멘트의 조성범위에서 결합력을 충분히 높이기 위해서는 메타인산이 3~8중량%로 혼합되는 것이 바람직하다.

다음으로, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 채택하는데, 이는 합성시 발포제로 사용되는 것으로, 첨가된 탄산수소나트륨은 반응공정에서 이산화탄소와 물을 발생하여 기공을 형성하고 탄산나트륨 무수물로 변하게 되며, 이는 다시 규산이나 알루미나를 만나 나트륨은 양이온 바인더로 결합되고 탄산은 기체로 분리되도록 한다.

탄산수소나트륨의 함량은 기공의 크기와 분포에 관계되며, 이는 제품의 비중과 경도를 좌우하고, 또한 제품의 단열, 흡음특성에도 영향을 준다.

따라서, 상기 탄산수소나트륨이 1중량% 미만으로 포함되는 경우 기공의 확보가 곤란하고, 상기 탄산수소나트륨이 5중량%를 초과하여 포함하는 경우 기공 크기가 커지고, 분포와 크기가 균일하지 않아 경도를 낮게 하고, 흡음특성을 저하한다.

다음으로 물(H₂O)을 채택하는데, 물은 각 원료들의 바인더로 적용되는 것으로 반응공정에서는 마이크로웨이브에 반응하여 열을 내는 수단으로 사용되고, 최종 제품에는 포함되지 않는다.

물이 12중량% 미만으로 포함되는 경우 결합이 좋지 않고, 15중량%를 초과하는 경우 반죽상태가 좋지 않으며 마이크로웨이브에 의한 반응과정에서 많은 에너지를 소모하게 된다.

상기한 조성물에 의해 발포를 수행하여 단열재를 완성하는데, 이하 상술한다.

발포를 위한 반응은 상기 조성물을 반응조에 넣고 마이크로웨이브 발생원인 마그네트론으로부터 방사하는 마이크로웨이브를 상기 반응조내의 상기 조성물에 인가하는 방식을 이용하는데, 이는 조성된 재료에 교류전기장을 가하였을 때, 전기장 에너지의 일부가 재료내에서 열로 소비되는 현상인 유전손실을 이용하는 유전가열 방식으로서, 이에 의하여 생성된 열 에너지를 이용함에 의해, 건조, 발포, 소성반응이 순차적으로 일어나므로 생산성을 높일 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 불연선 단열재 조성물의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량%; 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량%; 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%; 탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량%; 및 물(H₂O) 12~15 중량%;을 혼합하도록 한다(S1).

이때, 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량% 및 탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량%를 혼합하고, 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH ₂O) 30~40 중량 및 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%를 혼합하고, 상기 혼합한 각각에 물(H₂O) 12~15 중량%를 혼합하고 교반하는 것이 골격의 형성과 발포의 수행 즉, 기포 크기와 분포의 균일성을 확보함에 있어서 바람직하다.

상기 물의 혼합과 교반에 의해, 점도를 조절하도록 하는데, 바람직하게는, 그 점도가, 8,500~9,000 poise가 되도록 하는 것이 이후 제품화하는 작업에 적절하다.

상기 메타규산나트륨 30~40 중량% 및 메타인산 3~8 중량%는 특히 60~70℃의 온도에서 혼합하는 것이 이후 기본 골격의 형성과 바인더의 결속에 유리하다.

다음으로, 상기 혼합된 원료를 반응조에 넣고 마이크로웨이브 발생원인 마그네트론으로부터 방사된 마이크로웨이브를 상기 반응조내의 상기 원료에 인가하여 건조, 발포, 소성을 수행하도록 한다(S2).

마이크로웨이브의 발생원으로는 전자레인지에 사용되는 2450 MHz대의 마그네트론과 900 MHz의 산업용 고 출력 마그네트론을 사용할 수 있다. 각각의 자유공간에서의 한 파장은 각각 12.2cm와 31.3cm로 2450MHz의 경우가 반응공정용 공진 캐비티에서 고른 전자파 밀도를 구현하게 되지만, 가전용 2450 MHz대의 마그네트론은 저가인데 반하여 출력이 낮아서 고출력이 요구되는 산업용에는 그 응용이 어렵다. 따라서, 상기 가정용 마그네트론을 여러개 사용하여 마이크로웨이브의 전력을 합성시켜 높은 출력을 내도록 할 수도 있으며, 이 경우 마이크로파 전력이 전송선로와 에플리케이터(반응조)로부터 반사된 마이크로파 에너지와 다른 마그네트론으로 입사되어 손상을 가할 우려가 있으므로 특별한 대책이 요구된다.

상기 마이크로웨이브에 의한 반응공정은 시험결과 0.05~0.15mJ/cm³ 정도의 높은 에너지가 요구된다. 따라서 30cm×30cm×20mm의 제품을 생산하기 위하여는 대략 3KW의 높은 마이크로웨이브 발생원이 필요함을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 반응조내의 공진패턴을 나타내는 그래프이다.

상기 마이크로웨이브 발생원으로부터 방사된 마이크로웨이브를 마그네트론 라운처에서 예를 들어 TE012모드로 1차 공진시킨 후 위상각도 360°지점에 구비된스롯을 통과시켜 반응조인 에플리케이터에 주입한다(S3). 상기 에플리케이터는 판재의 크기에 따라 달라지며 도 3에 도시된 바와 같은 TEOmn의 공진모드로 설계된다. 이때 mn은 3~9까지의 정수이고, 예를 들어, TE044, TE055, TE066, TE077 또는 TE088인 것이 바람직하다.

마이크로파의 공진주파수는 공진 캐비티의 체적과 형상, 내부의 유전율에 의하여 결정되나, 주파수가 이미 결정되어 있는 마그네트론에서는 2450MHz의 공진 조건에 맞추어 캐비티가 설계된다. 캐비티 내에서의 전자파의 밀도는 균일한 것이 이상적이고, 캐비티의 공진차수가 높을수록 유리하다. 따라서 각 제품의 규격 예를 들어 30cm×30cm×10~20mm등의 제품 규격에 적절한 높은 차수의 공진 모드를 선택하는 것이다.

본 발명에 따른 조성물을 이용한 무기 발포체의 밀도, 열전도율, 압축강도, 투습계수, 굴곡강도, 연소성, 유해성을 측정하였다.

본 발명에 따른 조성물을 이용한 무기 발포체는 대략 밀도가 30~45 kg/m³의 고 범위이고, 열전도율이 0.018~0.02 kal/mhr℃ 범위이고, 압축강도가 2.5~3.8kg/cm³범위이고, 투습계수(두께 25mm당 g/hr)가 0.05~0.14 범위이고, 굴곡강도가 3.5~4.5kg/cm³범위이고, 연소성 측정은 불연성으로 측정되었으며, 1000℃ 가열시에도 가스방출이 없어 유해성이 없는 것으로 측정되었다.

본 발명에 따른 불연성 단열재 조성물, 이를 이용한 단열재 및 그 제조방법에 의해 환경친화적이고, 단열성이 높고 방음효과가 크며, 방진성과 내습성을 갖고, 또한 외관이 우수한 단열재를 제공하게 된다는 효과를 달성한다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 결정성 알루미나실리케이트 골격을 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 불연선 단열재 조성물의 제조 방법을 나타내는 흐름도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반응조내의 공진패턴을 나타내는 개략도이다.

Claims

메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량%;

알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량%;

메타인산(HPO₃) 3~8 중량%;

탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량%; 및

물(H₂O) 12~15 중량%;로 구성되는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재 조성물.
제 1 항에 의한 조성물을 발포시켜 얻어지는 발포체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재.
제 2 항에 있어서, 상기 단열재는,

그 표면에 알루미나 졸 또는 붕화질소 졸이 코팅된 것을 특징으로 하는 불연성 단열재.
메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량%; 알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량%; 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%; 탄산수소나트륨(NaHC0₃) 1~5 중량%; 및 물(H₂O) 12~15 중량%;을 혼합하는 단계(S1); 및

상기 혼합된 원료를 반응조에 넣고 마이크로웨이브를 인가하여 발포체를 형성하는 단계(S2);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재의 제조 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 S1 단계는,

알루미나시멘트(Al₂O₃.xH₂O·yCaO) 40~50 중량% 및 탄산수소나트륨(NaHC0 ₃) 1~5 중량%를 혼합하고, 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량% 및 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%를 혼합하고, 상기 혼합된 각각의 원료와 물(H₂O) 12~15 중량%과 혼합하도록 하는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재의 제조 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 S1 단계는,

상기 각각 혼합된 원료 및 물을 교반기에서 교반하여 점도가 8,500~9,000 poise가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재의 제조 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 S1 단계는,

상기 메타규산나트륨(Na₂OSiO₂.xH₂O) 30~40 중량% 및 메타인산(HPO₃) 3~8 중량%를 60~70℃의 온도에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재의 제조 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 S2 단계는,

마이크로웨이브 발생원으로부터 방사된 마이크로웨이브를 1차 공진시킨 후 스롯을 통과시켜 반응조에 인가하도록 하는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재의 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 S2 단계는,

상기 반응조내의 공진모드를 TE044, TE055, TE066, TE077 또는 TE088로 하는 것을 특징으로 하는 불연성 단열재의 제조 방법.