KR20090050058A - 먼지 저감 차음 패널 - Google Patents

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KR20090050058A
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마크 에이치. 엔글레르트
살바토레 씨. 주니어 임모르디노
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유나이티드 스테이츠 집섬 컴파니
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Abstract

차음 패널은 황산칼슘이수염, 폴리에틸렌 글리콜과 더불어, 섬유들과 경량 골재 그리고 이들의 혼합물 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 인터로킹 매트릭스(interlocking matrix)를 구비한 차음층을 포함한다. 차음층은 인터로킹 매트릭스 내에 소음을 흡수하는 기포들을 포함한다. 폴리에틸렌 글리콜은 패널이 절단될 때의 마찰에 의하여 발생된 온도에서 먼지를 응집하도록 선택된다. 차음 패널을 제조하는 방법은 우선 황산칼슘반수염, 폴리에틸렌 글리콜, 물과 함께 경량 골재, 섬유들 그리고 이들의 혼합물들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 슬러리를 제조한다. 슬러리는 바람직하게 믹서기의 배출구에서 발포된다. 슬러리로부터 차음층 물질의 연속 스트립이 형성된다. 상기 스트립을 개별 패널로 절단함으로써 차음 패널이 형성된다. 마지막으로, 부분적으로 수화된 황산칼슘반수염이 완전히 경화된다.
차음 패널, 인터로킹 매트릭스, 차음층, 치밀화된 층, 스크림층, 지지층

Description

먼지 저감 차음 패널 {REDUCED DUST ACOUSTIC PANEL}
본 발명은 석고 보드 선(gypsum board line) 위에 제조되고 절단시 먼지 발생을 저감시키는 천장 타일(ceiling tile)에 관한 것이다.
차음 패널, 즉 천장 패널들은 천장 영역에 마감 외장을 제공하고, 필요한 경우, 소음 흡수 표면을 제공하는 것으로 잘 알려져 있다. 이상적으로, 패널들은 음향 흡수성과 장기간 내구성을 겸비한다. 광물면(mineral wool)은 소음을 흡수하는 다공성 섬유 구조를 제공하므로 일반적으로 사용된다. 천장 패널 제조시 사용되는 다른 일반적인 물질들은 유리 섬유, 팽창 펄라이트, 클레이, 석고, 치장 벽토(stucco), 탄산칼슘, 종이 섬유 등이 있다.
많은 천장 패널들은 종이나 섬유보드(fiberboard)를 제조하는 공정과 동일한 방식으로 제조된다. 이러한 워터 펠팅(water-felting) 공정에 있어서, 섬유들, 골재들, 접합제들 및 기타 첨가제들의 분산액(aqueous dispersion)은 퍼니쉬(furnish)가 탈수되는 다공성 표면 또는 와이어 위에 중력과 진공 흡착을 모두 이용하여 살포된다. 습윤 매트(wet mat)는 대류 오븐(convection oven)에서 건조된 후 원하는 길이로 절단된다. 필요한 경우, 표면을 도색해서 완성된 패널을 만든다. 이러한 패널의 하나의 예는 일리노이주 시카고 소재의 USG Interiors사에 의해 제 조되는 AURATONE® 천장 타일이다.
천장 패널들을 제조하는 다른 공정으로는 미국 특허 번호 제 1,769,519호에 개시된 바와 같이 주조법을 이용하는 공정이 있다. 광물면 섬유들, 충전제들, 착색제들, 취반 전분(cooked starch)과 같은 접합제, 및 물을 포함하는 조성물은 종이 또는 종이가 부착된 박편으로 덮인 트레이들에 위치된다. 상기 조성물은 형성판(forming plate)으로 원하는 두께로 칠해진다(screed). 스크리드 바(screed bar)나 무늬가 새겨진 롤을 이용하여 주조 물질의 표면에 무늬를 형성함으로써 엠보싱 형상의 무늬와 같은 장식면을 얻을 수 있다. 그러한 주조 패널의 하나의 예는 일리노이주 시카고 소재 USG Interiors사에 의해 제조되는 ACOUSTONE® 천장 타일이다.
천장 타일들을 제조하는 상기 두 방법들은 모두 많은 양의 물과 에너지를 사용하므로 비교적 비용이 많이 든다. 종이나 전분과 같은 흡습성 접착제의 사용으로패널들은 쉽게 늘어질 수 있다. 패널의 늘어지는 현상은 패널이 절연재 또는 다른 하중을 지지하거나 높은 습도와 온도에 영향을 받을 때 더욱 두드러질 수 있다.
석고 패널들은 덜 늘어지는 경향이며 고속 공정에서 효율적으로 제조된다. 그러나, 석고는 무겁고 음향 흡수성이 부족하다. 현재, 패널 내에 구멍을 포함시키고 천공된 패널의 배면에 소음 흡수 지지체를 위치시킴으로써 차음 천장 패널로 사용에 적합하게 할 수 있다. 이러한 구멍들은 어느 정도 중량 감소와 음향 흡수성을 제공하지만, 미적인 면에서는 소비자들에게 만족감을 주지 못한다.
차음층을 구비한 다른 석고 패널이 미국 특허 공개 번호 제 2004/0231916호 에 개시되어 있다. 이러한 패널의 하나의 실시예는 강도를 위한 지지판 위에 발포 석고의 차음층이 형성되어 있다. 이러한 패널은 경량이고, 늘어지는 현상을 방지하며, 미적 만족감을 제공한다.
상기 층상(layered) 석고 패널은 단점이 있다. 상기 패널은, 설치하는 동안, 천장 및/또는 천장 그리드(ceiling grid)와 같이 패널들을 적소에 위치시키는 구조물의 개구부들의 형태에 맞도록 절단된다. 석고 복합재의 절단은 미세한 공기 먼지를 발생시키는데 먼지의 입자 크기가 작기 때문에 가라앉는데 오랜 시간이 걸린다. 먼지는 미세함으로 인해 최종적으로 가라앉기까지 상당한 거리를 떠다닌다. 절단 공정은 가시성을 감소시킬 수 있으며 눈이나 귀, 코에 들어갈 수 있는 성가신 먼지를 발생시킬 수 있다. 가라앉은 후에도, 미세한 먼지는 문들과 다른 장벽들에 침투할 수 있고 절단 공정이 일어난 장소에서 상당한 거리까지 쌓여있을 수 있기 때문에 청소하기가 매우 힘들다.
샌딩(sanding), 절단 및 연마 작업 동안, 먼지 발생 저감은 석고 제품의 중요한 특성이다. 3M사의 미국 특허 번호 제 6,863,723호는 여러 제진제 중 하나를 석고 함유 제품에 첨가함으로써 먼지 저감을 제안한다. United States Gypsum Company의 미국 특허 번호 제 6,673,144호는 실온에서 고체인 폴리에틸렌 글리콜을 포함하는 조인트 화합물을 개시한다. 폴리에틸렌 글리콜을 내부 접착제로 이용하는 분무가능한 회반죽을 미국 특허 번호 제 6,355,099호에 적용할 때 덜 미세한 먼지가 발생된다. 그러나 이러한 선행기술들 중 어느 것도 차음 패널에 폴리에틸렌 글리콜을 첨가하는 기술을 개시하고 있지 않다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 차음층(acoustical layer) 및 응집 첨가제(agglomeration additive)를 포함함으로써 절단시 먼지 발생을 저감시킨다.
더욱 구체적으로, 차음층은 황산칼슘이수염, 제진제(dedusting agent)와 더불어, 섬유들과 경량 골재 그리고 이들의 혼합물들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 형성된 인터로킹 매트릭스(interlocking matrix)를 구비한다. 차음층은 소음을 흡수하도록 인터로킹 매트릭스 내에 기포들(voids)을 포함한다. 폴리에틸렌 글리콜은 패널이 절단될 때의 마찰로 인하여 발생된 온도에서 미세한 먼지를 응집하도록 선택된다.
차음 패널 제조 방법은 황산칼슘반수염, 폴리에틸렌 글리콜, 물과 함께, 경량 골재와 섬유들 그리고 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계를 포함한다. 슬러리는 바람직하게 믹서기의 배출구에서 발포된다. 슬러리로부터 차음층 물질의 연속 스트립이 형성된다. 스트립을 개별 패널들로 절단함으로써 차음 패널들이 형성된다. 마지막으로, 부분적으로 수화된 황산칼슘반수염이 완전히 경화된다.
선택적으로, 상기 패널은 또한 스크림층(scrim layer), 치밀화된 층(densified layer) 및 지지 물질(backing material) 중 하나 또는 그 이상을 포함한다. 이러한 선택적인 층들은 차음층에 보호와 지지력을 제공한다. 경량의 차음 패널들은 부서질 수 있으며 깨지기 쉽다. 상기 스크림층, 치밀화된 층 및 지지층의 삽입으로 지지력을 제공하여 패널들이 절단되고 부착될 때 파손 가능성이 줄어들 수 있다. 또한, 상기 층들의 사용 덕분에 매달린 천장 그리드(suspended ceiling grid)가 사용되는 경우처럼 패널들이 가장자리들이나 모서리들만으로 지지되는 경우 늘어지는 현상이 감소된다.
폴리에틸렌 글리콜의 첨가는 또한 타일이 절단될 때 발생되는 미세 공기 먼지의 양을 감소시킨다. 특정 폴리에틸렌 글리콜의 선택은 결정적이다. 폴리에틸렌 글리콜은 실온에서 고체 형태로 존재하는 것으로 선택된다. 절단시의 온도와 마찰 하에서, 폴리에틸렌 글리콜은 먼지를 응집하는 액상이나 점착형으로 변환된다. 그 결과로 생성된 입자들은 충분히 크기 때문에 바닥으로 신속히 떨어져 청소 및 처리가 쉽다. 이러한 조성물은 미세 먼지의 공기 중 확산을 최소화하여 석고 먼지가 넓은 영역으로 퍼지지 못하도록 한다.
본 발명은 경량이고, 소음을 저감하고, 절단 시 먼지 발생을 저감시키는 개선된 차음 패널을 제공한다. 이러한 패널은 황산칼슘이수염 결정들, 및 절단시 미세 먼지를 결합시키는 적합한 응집 첨가제, 예컨대 폴리에틸렌 글리콜로 형성된 인터로킹 매트릭스(interlocking matrix)를 구비한 차음층을 포함한다. 바람직하게, 차음층들의 밀도는 10 lb/ft3 내지 약 25 lb/ft3이다. 더욱 바람직하게, 상기 밀도는 약 12 lb/ft3 내지 약 20 lb/ft3이고, 가장 바람직하게는 16 내지 20 lb/ft3이다. 상기 패널들은 선택적으로, 치밀화된 층, 스크림층 또는 둘 모두를 포함한다.
차음층을 형성하는데 소성 석고(calcined gypsum)를 사용하는 것이 바람직하다. 황산칼슘반수염, 수용성 황산칼슘무수염 또는 둘 모두를 포함하는 어떠한 소성 석고라도 사용가능하다. 황산칼슘반수염은 적어도 두 가지의 결정 형태, 즉 알파와 베타 형태를 생성한다. 베타 황산칼슘반수염은 석고 보드 패널에 공통적으로 사용되지만, 알파 황산칼슘반수염으로 형성된 층들도 본 발명에 사용가능하다. 이러한 형태들 중 어느 하나 또는 둘 모두는 차음층의 중량을 기준으로 적어도 50% 석고인 바람직한 차음층을 형성하는데 사용된다. 바람직하게, 석고의 양은 적어도 80%이다. 어떤 실시예에서, 차음층은 적어도 98% 중량부 석고이다. 수용성 황산칼슘무수염이 사용되는 경우, 20% 미만의 소량이 사용되는 것이 바람직하다.
패널의 절단 동안 발생된 미세 먼지를 감소시키기 위해 하나 또는 그 이상의 제진제(dedusting agent)가 해당 차음층에 부가된다. 제진제들은 그 자체에 친화성을 가짐과 동시에 미세 먼지 입자들의 표면에 흡착하려는 성향을 가진 비활성, 무반응, 신속 분산형 첨가제이다. 바람직한 제진제는 실온에서 고체이고 절단 조건에서 용융하고 절단 조각들이 패널에서 분리되면서 발생된 미세 먼지를 응집 및 접합하는 것이다.
제진제들은 물 속에서 산화 에틸렌 및/또는 알콕시 치환 산화 에틸렌의 첨가 반응으로 형성된 수용성 선형 폴리머들을 포함한다. 제진제들로는 폴리에틸렌 글리콜("PEG"), 메톡시폴리에틸렌 글리콜("MPEG"), 폴리옥시에틸렌 글리콜, 3관능 폴리에틸렌 글리콜("TPEG") 또는 이들의 조합이 가장 바람직하다. 천장 타일들은 작업 현장에서 커터(utility knife)로 절단되기 때문에, PEG는 특히 매우 낮은 온도에서 용융해야 한다. 효과가 좋은 것으로 알려진 저용융 고체로는 클라리언트사(Clariant Corporation, 노스 캐롤라이나주 마운트 홀리 소재)의 M750이 있다. 바람직하게, 실온 이상의 용융점(21-23℃)을 가진 제진제들은 본 발명의 사용에 바람직하다고 할 수 있을 정도로 충분히 단단하다.
실온 이상의 용융점을 가진 폴리에틸렌 글리콜들은 본 발명의 사용에 바람직한데, 그 이유는 여러 가지가 있다. 이러한 물질은 자신의 분자량과 직접 관련있는 상 변화(phase change) 특성을 갖는다. 저분자량 폴리에틸렌 글리콜들은 실온에서 액체로 존재하는 반면, 고분자량 폴리에틸렌 글리콜은 고체로 존재한다. 액체 형태 뿐만 아니라 고체 형태는 건식 조성물의 제조에 사용되기에 적합하게 한다. 저분자량 형태는 미세 먼지 표면에 흡착될 수 있으므로 미세 먼지들을 서로 달라붙게 하는 반면, 고분자량 형태는 미세 먼지 표면에 흡착되고 고체에서 액체로의 상 변화를 통해 미세 먼지를 기계적으로 응집할 수 있다. 분자량은 또한 용해성의 정도에 영향을 미친다. 고분자량 폴리에틸렌 글리콜들은 저분자량 폴리에틸렌 글리콜들보다 낮은 용해성을 갖는다. 고체 형태의 더 낮은 용해성은 증발을 통한 수분의 이동에 의해 건조되면서 농도 구배를 남기는 성향에 덜 취약하게끔 해준다. 200 g/mole 이상의 분자량을 가진 폴리에틸렌 글리콜들이 적합하다. 바람직하게, PEG의 분자량은 750 g/mole 내지 약 3,000 g/mole이고, 더욱 바람직하게는 약 750 g/mole 내지 약 1,100 g/mole이다.
제진제는 적당량 첨가된다. 바람직하게, 나머지 성분을 포함한 혼합물의 건조 중량의 약 0.1% 내지 8%의 농도로 존재한다. 다른 바람직한 범위로서 약 0.5% 내지 약 8%의 농도로 첨가되며, 더욱 바람직한 범위는 약 0.5% 내지 4.0%이다. 제진제가 건식 분말 형태인 경우, 다른 건식 성분들 속에서 계량되는 것이 바람직하다.
잠재적으로 적합한 다른 제진제로는 상기한 바와 같은 동일한 용융점을 갖도록 선택된 저용융 파라핀 왁스가 있다. 평가된 저용융 파라린 왁스는 Borden and Henry사의 제품들 뿐만 아니라 엑슨모빌사(Exxon Mobil, 버지니아주 페어팩스 소재)의 Waxrex 2401을 포함한다.
차음층 제조용 슬러리는 물, 황산칼슘반수염, 및 제진제로 이루어진다. 물은 차음층을 형성할 수 있는 유효한 양으로 존재한다. 유동가능한 슬러리를 만들기 위해 충분한 양의 물이 건식 성분들에 첨가된다. 물의 적합한 양은 황산칼슘이수염을 형성하기 위해 소성 석고를 모두 가수하는데 필요한 양의 75%를 초과한다. 물의 정확한 양은 적어도 부분적으로 제품의 용도, 및 사용된 첨가제의 양과 종류에 의하여 결정된다. 물의 함량은 적어도 부분적으로 사용된 소성 석고의 종류에 의하여 결정된다. 알파 소성 치장 벽토는 베타 소성 치장 벽토와 동일한 유동성(flowability)을 얻는데 물이 덜 필요하다. 물과 치장 벽토간의 비율은 건식 소성 석고의 중량 대비 물의 중량을 기준으로 계산된다. 바람직한 비율은 약 0.5:1 내지 약 1.5:1이다. 소성 석고로는 주로 물과 소성 석고 간 비율이 바람직하게 약 0.7:1 내지 약 1.5:1, 더 바람직하게는 약 0.7:1 내지 약 1.4:1, 더욱 바람직하게는 약 0.75:1 내지 약 1.2:1, 더욱더 바람직하게는 약 0.77:1 내지 약 1.1:1인 베타 반무수염이 바람직하다.
슬러리 제조에 사용되는 물은 슬러리와 경화된 회반죽 모두의 특성을 가장 잘 조절하기 위해 실제적으로 가능한 최고 수준으로 순수해야 한다. 염과 유기 화합물들은 경화 촉진제부터 경화 억제제까지 광범위하게 변화를 주면서 슬러리의 경화 시간을 변경시키는 것으로 잘 알려져 있다. 몇몇의 불순물들은 이수염 결정들의 인터로킹 매트릭스가 형성될 때 구조를 불균일하게 만들어 경화된 제품의 강도를 감소시킨다. 따라서, 제품의 강도 및 경도는 실질적으로 오염 물질을 함유하지 않은 물을 사용함으로써 향상된다.
어떤 바람직한 실시예에 있어서, 섬유들은 완성된 패널을 개선하고 습윤 패널의 미가공 강도(green strength)를 향상시키기 위해 선택적으로 첨가된다. 종이나 재활용 신문과 같이 약 3㎜ 미만의 섬유를 포함한 셀룰로오스 섬유가 바람직하다. 바람직한 섬유들은 약 2㎜ 이하의 평균 최대 직경을 갖는다. 셀룰로오스 섬유들은 경화된 석고 매트릭스와 접합하여 쉽게 파손되지 못하도록 하는 것으로 알려져 있다. 셀룰로오스 섬유들이 바람직하지만, 다른 섬유들도 사용될 수 있다. 섬유들은 완성된 층 내에 약 12% 중량부의 양으로 존재한다. Kayocel 1650(American Fillers and Abraisives사)와 같은 몇몇의 상용가능한 종이 섬유들은 50 중량% 탄산칼슘을 포함한다. 탄산칼슘은 처리 공정 동안 종이 섬유의 뭉침(clumping)을 방지하기 때문에 허용가능하며 이롭다.
차음층의 다른 선택적인 성분은 경량 골재이다. 경량 골재들은 바람직하게 약 10 lb/ft3 미만의 밀도를 가지며, 차음 패널의 밀도와 중량을 감소시키기 위하여 필러 공간을 제공한다. 적합한 경량 골재들의 예는 팽창 폴리스티렌, 팽창 질석, 팽창 펄라이트, 세라믹 미소구체, 수지 미소구체 등 또는 이들의 조합을 포함한다. 친수성 골재들은 슬러리의 물 수요를 증가시키고 차음층을 건조시키는데 필요한 에너지 양을 증가시키기 때문에 덜 바람직하다. 쵸핑된(chopped) 팽창 폴리스티렌과 같은 소수성 물질들은 바람직한 경량 골재들이다.
경량 골재는 원하는 양의 필러 공간을 형성하고, 전체 밀도 및/또는 완성된 패널의 중량을 감소시킬 수 있는 양으로 제공된다. 예컨대, 경량 골재는 완성된 층의 약 0.2% 중량부 내지 약 35% 중량부의 양으로 존재한다. 팽창 펄라이트, 팽창 질석 및 팽창 폴리스티렌은 바람직한 경량 골재의 예들이다. 바람직한 실시예에 있어서, 잘게 쵸핑된 팽창 폴리스티렌은 약 0.2 lb/ft3 내지 약 0.5 lb/ft3의 벌크 밀도를 가지며, 경량 골재는 차음층의 고체들 함량의 약 0.2% 중량부 내지 약 3% 중량부의 양으로 제공된다. 바람직하게, 팽창 폴리스티렌은 2㎜ 이하의 평균 길이를 갖는다.
경화 촉진제도 이러한 조성물의 선택적인 성분이다. "CSA"는 5% 설탕과 함께 혼합 분쇄된 95% 황산칼슘이수염을 포함하고, 설탕을 캐러멜화하기 위해 250℉(121℃)로 가열된 석고 경화 촉진제이다. CSA는 오클라호마주 사우써드 소재의 United States Gypsum Company로부터 입수할 수 있으며, 본 명세서에 선행기술로 인용된 공동 소유의 미국 특허 번호 제 3,573,947호에 따라 제조된다. HRA는 황산칼슘이수염 100 파운드당 5 내지 25 파운드 비율로 설탕과 함께 생으로 갈린 황산칼슘이수 염이다. 이는 본 명세서에 선행기술로 인용된 미국 특허 번호 제 2,078,199호에 더 설명된다. 상기 두가지 모두 바람직한 촉진제들이다. 어떤 석고 촉진제나 그러한 조합을 적당량으로 사용하는 것도 본 발명의 용도에 포함된다.
경화된 석고 매트릭스의 일체성을 향상시키고 차음층과 선택적 지지층 간의 접합을 향상시키기 위해 접합제들도 소성 석고 슬러리에 선택적으로 첨가된다. 어떠한 적합한 접합제나 접합제들의 조합도 사용가능하다. 접합제는 바람직하게 수계의 소성 석고 슬러리 내에 포함된다. 바람직하게, 접합제는 옥수수나 밀가루 녹말과 같은 전분, 폴리비닐 아세테이트, 아크릴-스티렌 부타디엔 라텍스와 같은 라텍스, 또는 이들의 조합이다. 바람직한 접합제는 Rohm and Haas사(펜실베니아주 필라델피아 소재)로부터 입수가능한 RHOPLEX HA-16와 같은 자가 가교 아크릴 에멀션을 형성하는 아크릴 접합제이다. 아크릴 접합제의 사용량은 바람직하게 건조된 차음층의 약 0.5% 중량부 내지 약 5% 중량부이고, 더욱 바람직하게는 약 0.8% 중량부 내지 약 1.5% 중량부이다.
전분 접합제는 차음층이나 치밀화된 층 중 어느 하나 또는 둘 모두에 선택적으로 포함된다. 이동성 전분 또는 비이동성 전분 중 어느 하나가 사용가능하다. 비이동성 전분은 석고와의 접합을 개선시키기 위하여 종이 지지층에 직접 용해됨으로써 적용될 수 있다. 바람직하게, 전분은 건조된 차음층의 약 0.8% 중량부 내지 약 1.5% 중량부의 양으로 존재한다. 본 차음층에 사용가능한 젤라틴화된 비이동성 전분들의 예로는 GemGel Starch(Manildra Group USA, 켄자스주 쇼니 미션 소재) 및 PCF1000(Lauhoff Grain Co., 미주리주 세인트 루이스 소재)을 포함한다. 비젤라틴 화된 비이동성 전분들의 예는 Minstart 2000 및 Clinton 106 Corn Starch(둘 모두 일리노이주 디케이터 소재 Archer Daniels로부터 입수가능)를 포함한다. 이동성 전분들의 예는 Hi-Bond Starch 및 LC-211 starch(둘 모두 일리노이주 디케이터 소재 Archer Daniels로부터 입수가능)를 포함한다.
차음층의 다른 선택적인 성분은 슬러리의 유동성을 개선시키고 물이 덜 첨가되었을 때 슬러리를 유동가능하게 만드는 수분 저감제이다. 폴리술폰산염들, 멜라민 화합물들 및 폴리카르복시산염들은 바람직한 수분 저감제들이고, 성분들의 건조 중량을 기준으로 1.5%의 양으로 슬러리에 포함된다. 수분 저감제가 액체의 형태로 첨가되는 경우, 그 양은 건식 고체 중량을 기준으로 계산되어야 한다. 바람직한 수분 저감제들은 DiloFlo GW(GEO Specialty Chemical, 인디애나폴리스주 라피엣 소재) 및 EthaCryl 6-3070(Lyondell Chemical Co., 텍사스주 휴스턴 소재)이다.
강도, 치수 안정성 또는 둘 모두를 촉진시키기 위하여 하나 또는 그 이상의 성능 향상제들이 선택적으로 슬러리에 포함된다. 바람직하게, 성능 향상제는 트리메타포스페이트 화합물(trimetaphosphate compound), 500 내지 3000개의 반복 단위를 갖는 암모늄 폴리포스페이트(ammonium polyphosphate) 및 테트라메타포스페이트 화합물(tetrametaphosphate compound)이 있으며, 이러한 화합물들 중 어느 것은 염이나 음이온부를 포함한다. 헥사메타포스페이트 화합물들(hexametaphosphate compounds)은 늘어짐 현상 방지를 향상시키는데 효과적이지만, 경화 지연제로 기능하고 강도를 감소시키기 때문에 덜 바람직하다. 공동 소유의 미국 특허 번호 제 6,342,284호에 성능 향상제가 개시되어 있다. 트리메타포스페이트 화합물이 특히 바람직하다. 성능 향상제는 적정량, 바람직하게는 성분들의 건조 중량을 기준으로 약 0.004% 중량부 내지 약 2% 중량부 사용된다.
슬러리는 슬러리 믹서기에서 배출될 때 발포되어 경화 석고 매트릭스 내에 기포의 형성을 촉진시킴으로써 음향 흡수성을 향상시키고 중량을 감소시킨다. 석고 제품들에 적용가능한 것으로 알려진 종래 기술에 따른 어떠한 발포제라도 본 발명에 사용가능하다. 바람직하게, 발포제는 차음층에 안정적인 발포 세포를 형성하도록 선택된다. 더욱 바람직하게, 개방된 세포 구조를 형성하기 위하여 적어도 몇 개의 기포들이 상호 연결된다. 바람직한 발포 체적(foam volume)은 약 35% 내지 약 60%이고, 더욱 바람직하게는 약 40% 내지 약 55%이고, 더욱더 바람직하게는 약 45% 내지 약 50%이다(OK). 적합한 발포제들은 황산 알킬 에테르들(alkyl ether sulfates), 및 STEOL®CS-230(Stepan Chemical, 일리노이주 노스필드 소재)과 같은 황산 라우레쓰 나트륨들(sodium laureth sulfates)을 포함한다. 발포제는 차음층에 원하는 차음 특성을 얻을 수 있을 정도의 충분한 양으로 첨가된다. 바람직하게, 발포제는 건식 성분들의 중량을 기준으로 약 0.003% 내지 약 0.4%, 더욱 바람직하게는 약 0.005% 내지 약 0.03%의 양으로 존재한다. 선택적으로, 발포 안정제는 수계의 소성 석고 슬러리에 적정량으로 첨가된다.
소성 석고, 제진제 및 선택적 건식 성분들이 물과 함께 슬러리 믹서기 내에서 혼합되어 슬러리를 형성한다. 바람직하게, 소성 석고, 제진제, 골재, 경화 촉진제, 접합제 및 섬유들과 같은 모든 건식 성분들은 물을 첨가하기 전에 분말 믹서기 내에서 블렌딩된다. 액체 성분들은 건식 성분들을 첨가하기 전, 후 또는 첨가하는 동안 물에 직접 첨가된다. 혼합 공정 후 균질의 슬러리를 얻은 다음, 슬러리는 발포가 이루어지는 슬러리 믹서기에서 배출된다.
발포제는, 슬러리에 첨가되기 전에, 발포수와 혼합되어 발포체를 형성하고, 형성된 발포체는 슬러리 믹서기의 배출구에서 슬러리에 첨가된다. 발포체가 슬러리에 첨가되자마자, 슬러리는 이동 컨베이어의 표면으로 바로 배출되거나 선택적 지지층을 통해 이동 컨베이어로 배출된다.
지지층은 특히 패널이 젖어 있는 상태에서 패널의 길이를 따라 응력을 이동시킴으로써 제조하는 동안 차음층을 지지한다. 지지층은 석고 벽면 제조에 사용되는 외장 물질과 유사하다. 바람직한 실시예에 있어서, 지지층은 마닐라지 또는 크라프트지를 포함하는 종이, 부직포 유리, 금속 박판 또는 이들의 조합이다. 지지층으로 종이가 선택되는 경우, 종래의 벽지와 같은 다층지가 유용하다. 층의 갯수는 1 내지 8층까지 선택된 종이에 따라 선택적으로 다양하다.
어떤 실시예에 있어서, 치밀화된 층은 지지층과 차음층 사이에 선택적으로 위치된다. 치밀화된 층은 패널의 습식 강도와 건식 강도를 향상시켜 처리 및 절단 과정에서 또는 정상적으로 마모되는 동안 파손 가능성을 감소시킨다. 치밀화된 층은 바람직하게 차음층에 비해 비교적 두께가 얇으며, 그 두께는 예컨대 약 0.05 인치 내지 약 0.3 인치, 더욱 바람직하게는 약 0.125 인치 내지 약 0.25 인치, 더욱더 바람직하게는 약 0.175 인치 내지 약 0.225 인치이다. 바람직하게, 치밀화된 층의 밀도는 적어도 약 30 lbs/ft3, 더욱 바람직하게는 약 35 lbs/ft3, 더더욱 바람직 하게는 약 40 lbs/ft3 내지 약 45 lbs/ft3이다.
치밀화된 층은 적어도 석고를 포함하지만, 차음층에 함유된 첨가제들 중 어느 것 또는 모두를 선택적으로 포함한다. 바람직하게, 치밀화된 층은 차음층으로 제조한 슬러리의 후류(slip stream)인데, 이 차음층은 발포체 중 일부 또는 그 전부를 터뜨림으로써 더 치밀하게 만든 것이다. 치밀화된 층을 형성하는 하나의 방법은 유체 흐름을 타격하여 발포체의 기포들을 터뜨리는 에지 믹서기들(edge mixers)을 사용하는 것이다. 다른 실시예에 따르면, 치밀화된 층은 발포하기 전에 채취한 슬러리의 후류로부터 형성될 수 있고, 또는 완전히 별개의 층으로부터 선택적으로 형성된다.
스크림층은 차음 패널의 다른 선택적인 성분이다. 스크림층은 차음층에 인접하여 위치된다. 선택적인 치밀화된 층이 사용되는 경우, 스크림층은 바람직하게 차음층과 치밀화된 층 사이에 위치된다. 치밀화된 층과 지지층 둘 모두 차음 패널에 포함된다면, 차음 패널은 차음층, 스크림층, 치밀화된 층, 지지층 순으로 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 차음 패널의 사용가능한 다른 구조로는 스크림층을 외장 물질로 포함한 후 차음층, 치밀화된 층, 지지층 순으로 배치하는 것이다. 스크림층은 다양한 습도에서 휨을 방지하기 위해 지지층과 유사한 팽창 특성을 갖도록 선택된다. 바람직하게, 스크림층은 상기 층들의 부착을 용이하게 하고 차음층의 건조를 용이하게 하기 위하여 다공성이다. 스크림층이 외장 물질로 사용된다면, 스크림층은 음향적으로 투명하도록 선택된다. 차음층을 위해 지지력을 제공하고, 지지 층이 사용되는 경우 지지층과 양립가능한 팽창 특성을 갖는 어떤 물질이라도 스크림 물질로 사용가능하다. 바람직하게, 사용가능한 스크림 물질들로는 지지층으로 사용되는 것과 같은 종이, 부직포 유리 섬유 스크림, 직조 유리 섬유 매트, 폴리에스테르와 같은 기타 합성 섬유 매트 및 이들의 조합이 있다. 바람직한 스크림 물질들로는 IMPERIAL® 회반죽과 함께 사용되는 IMPERIAL® 석고 베이스면 종이(둘 모두 일리노이주 시카고 소재 USG Corporation으로부터 입수가능)가 있다. 바람직하게, 종이가 스크림층으로 사용되는 경우, 외장층들은 방수제로 처리되지 않는 것이 바람직하다.
스크림층을 포함하는 패널의 실시예에 있어서, 다른 선택적인 성분은 스크림 접합제로서 스크림층과 차음층이나 치밀화된 층과의 접착을 향상시킨다. 스크림 접합제는 스크림 면들의 한 면 또는 양면에 선택적으로 도포되거나 차음층을 형성하는 슬러리에 선택적으로 첨가된다. 스크림 접합제는 살포, 압연(rolling), 분무, 스크리딩(screeding), 또는 이러한 물질들을 도포하는 분야의 당업자에게 잘 알려진 기타 도포 방법으로 도포된다. 바람직한 스크림 접합제는 호화(알파화)한 전분(pregelatinized starch)이다.
종래 기술에서 잘 알려진 바대로 개별 차음 패널들은 배치(batch) 처리로 제조할 수 있지만, 연속하는 패널을 형성한 후 원하는 길이의 개별 패널들로 절단하는 연속 공정으로 제조하는 것이 더 유리하다. 지지 물질이 형성된 후 석고 슬러리를 수용하기 위해 위치된다. 바람직하게, 지지 물질이 존재한다면, 지지 물질은 원하는 최종 치수를 가진 패널을 제조하는데 두 번의 절단만이 필요한 패널의 연속 스트립을 형성하는 너비를 갖는다. 종이, 유리 매트 및 플라스틱 판금을 포함하는 벽판 패널을 제조하는데 어떠한 공지된 지지 물질이라도 사용가능하다. 바람직하게, 외장재는 다층 지지체이다. 지지 물질은 연속적으로 보드 라인으로 공급된다.
슬러리는 건식 성분들과 습식 성분들을 함께 혼합함으로써 형성된다. 슬러리의 건식 성분들, 소성 석고 및 어떤 건식 첨가제들은 믹서기로 인입되기 전에 함께 블렌딩된다. 물은 믹서기로 직접 계측된다. 액체 첨가제들은 물에 첨가되고, 믹서기는 짧은 시간 동안 작동되어 첨가제들을 혼합한다. 하나 또는 그 이상의 개질제들이 상기 제제에 사용된다면, 개질제는 치장 벽토가 첨가되기 전에, 분산제와 함께 믹서기에 첨가되는 것이 바람직하다. 건식 성분들은 믹서기 내의 액체에 첨가되고 축축해질 때까지 블렌딩된다.
물 대 치장 벽토 비율이 줄어들면, 믹서기에 작용되는 하중에 신경을 써야 한다. 혼합 공정 동안 슬러리액을 감소시키면 조성물의 점도가 증가된다. 충분한 양의 분산제가 첨가되어 유동가능한 혼합물을 형성하더라도, 분산제가 석고 입자들을 분산시킬 기회를 가지기 전인 혼합 공정 초기에 가장 무거운 하중이 발생한다.
그리고 나서, 슬러리는 혼합되어 균질의 슬러리를 생성한다. 대개, 수계 발포체(aqueous foam)가 슬러리에 혼합하여 형성될 코어 물질의 밀도를 조절한다. 그러한 수계 발포체는 대개 슬러리로 인입되기 전에 적절한 발포제, 물 및 공기의 높은 전단 혼합에 의하여 생성된다. 발포체는 믹서기 내의 슬러리에 삽입될 수 있는데, 바람직하게 발포체는 슬러리가 믹서기의 배출구로부터 배출될 때 슬러리에 삽입된다. 이에 관해서는, 예컨대 본 명세서에 선행기술로 인용된 미국 특허 번호 제 5,683,635호에 개시되어 있다. 석고 보드 플랜트에 있어서, 고체와 액체는 종종 믹서기에 연속적으로 첨가되며, 그에 따라 생기는 슬러리는 믹서기로부터 연속적으로 배출되고, 믹서기에 머무는 평균 체류 시간이 5초 미만이다.
슬러리는 연속 스트립으로 배출구를 통해 믹서기로부터 하나 또는 그 이상의 출구를 통해 배출되고, 컨베이어 위에 놓인다. 컨베이어는 스트립을 미리 선택된 치수의 패널들로 절단하는 나이프로 이동시킨다.
바람직하게, 2단계 건식 공정이 사용된다. 패널들은 우선 고온의 가마에 들어가 보드를 신속하게 가열하고 초과량의 물을 몰아내기 시작한다. 가마의 온도와 보드의 체류 시간은 패널의 두께에 따라 다르다. 일예로, 1/2인치 보드(12.7㎜)는 300℉(149℃)를 초과하는 온도에서 거의 20 내지 50분 동안 건조되는 것이 바람직하다. 표면의 물이 증발하면서, 삼투압 작용에 의하여 패널 내부로부터 끌어당겨진 물이 표면의 물을 대체한다. 비교적 신속한 물의 이동은 전분의 이동과 피리티온 염(pyrithione salt)의 종이로의 이동을 돕는다. 2단계 오븐은 보드의 소성을 제한하기 위하여 300℉(149℃) 미만의 온도를 갖는다.
<실시예>
실험실에서 제진제를 첨가하거나 첨가하지 않은 보드 코어 물질을 제조하였다. 다양한 평균 분자량을 갖는 메톡시폴리에틸렌 글리콜들을 준비하였고 물리적 특성, 산출비 및 미세 공기 먼지의 발생을 시험하였다. 클라리언트사의 제진제는 메틸 폴리에틸렌 글리콜을 의미하는 "M"과 평균 분자량을 나타내는 숫자로 표시된다. 따라서, "M500"은 평균분자량이 500 g/mole인 메틸 폴리에틸렌 글리콜이다.
기본 조성물은 중간 등급의 쵸핑된 팽창 폴리스티렌 1.2%, CSA 석고 경화 촉진제 0.5%, 계면활성제 0.02%, 종이 섬유 2%, 및 분산제를 포함하였고, 나머지 고체는 보드 치장 벽토(베타 소성된 황산칼슘반수염)였다. 각각의 샘플에 첨가된 MPEG의 종류와 양은 표 1에 열거된다.
고체 물질들이 이중 셀 믹서기 안에서 미리 혼합되었고, 이후 "휘핑" 패들("whip" paddle)을 이용하여 호바트(Hobart) 믹서기들 내에서 액체 성분들과 혼합되었다. 파단 계수(Modulus of Rupture)("MOR")는 Instron Model 1130 시험 기구를 이용하여 측정되었다. 보정 파단 계수(Corrected Modulus of Rupture)("CMOR")는 샘플의 밀도차를 위해 굴곡 강도를 조정한다. 산출비는 매트 나이프(mat knife)를 테스팅 지그에 안착시켜 보드 샘플을 절단하는데 필요한 힘의 양을 객관적으로 측정함으로써 정량적으로 측정하였다. 먼지 발생은 절단시 기판에 떨어지는 먼지 대비 공기중 먼지의 양을 관찰함으로써 객관적으로 결정되었다. 산출비와 먼지 발생 모두 0 내지 10의 눈금 상에 표시되는데, 여기서 0은 가장 불량하고 10은 가장 양호하다.
보드 PEG 종류 PEG % 두께 밀도 MOR CMOR 산출비 먼지발생
1 무 0 0.557 17.27 41.1 33.5 4 3
2 M250 4.0 9.555 17.49 36.0 29.1 9 2
3 M250 4.0 0.534 19.21 44.6 29.5 해당없음 해당없음
4 M500 4.0 0.562 17.05 39.3 33.5 해당없음 해당없음
5 M500 4.0 0.549 17.34 39.8 32.7 9 7
6 M750 4.0 0.535 19.67 57.9 36.8 해당없음 해당없음
7 M750 4.0 0.528 16.23 38.8 36.1 9 7
8 M1100 4.0 0.557 17.84 54.5 42.7 9 9
9 M1100 4.0 0.519 18.24 55.4 41.2 해당없음 해당없음
10 무 0 0.562 15.86 30.3 29.0 해당없음 해당없음
MPEG를 함유한 샘플들과 대조 샘플들 간에는 절단의 고르기와 먼지 발생 정도 면에서 명백한 차이가 있었다. 정량적으로, M750 및 M1100으로 제조된 샘플들은 가장 고른 절단과 가장 적은 공기중 먼지 발생을 나타냈다.
먼지 발생이 적은 차음 패널의 특정 실시예가 도시 및 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따라, 차음 패널은 절단시 먼지 발생을 저감시킬 수 있다.

Claims (25)

  1. 황산칼슘이수염, 제진제(dedusting agent), 및 섬유들과 경량 골재 그리고 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 이루어지는 인터로킹 매트릭스(interlocking matrix)를 구비한 차음층(acoustical layer)을 포함하고,
    상기 인터로킹 매트릭스 내의 기포들은 소음을 흡수하도록 구성되고,
    상기 제진제는 패널이 절단될 때의 마찰로 인하여 발생된 온도에서 먼지를 응집하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제진제는 55℃ 미만의 용융점을 갖는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 섬유들은 종이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 황산칼슘반수염-이수염은 적어도 85% 중량부의 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유들은 상기 차음 패널의 3% 중량부 미만의 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경량 골재는 상기 차음 패널의 3% 중량부 미만의 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경량 골재는 팽창 버미큘라이트, 팽창 펄라이트, 및 쵸핑된(chopped) 팽창 폴리스티렌으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 지지층(backing sheet)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지지층은 종이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 차음층보다 더 조밀한 치밀화된 층(densified layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  11. 제10항에 있어서,
    지지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 치밀화된 층은 상기 차음층과 상기 지지층 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  13. 제1항에 있어서,
    스크림층(scrim sheet)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스크림층은 다층지(multi-ply paper sheet)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 패널은 상기 차음층, 상기 스크림층, 상기 치밀화된 층, 및 상기 지지층의 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 패널은 상기 스크림층, 상기 차음층, 상기 치밀화된 층, 및 상기 지지층의 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 패널은 패널 부피의 적어도 35%의 기포 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 패널은 패널 부피의 적어도 45%의 기포 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  19. 제1항에 있어서,
    암모늄 폴리포스페이트(ammonium polyphosphate), 트리메타포스페이트 화합물(trimetaphosphate compound), 테트라메타포스페이트 화합물(tetrametaphosphate compound), 헥사메타포스페이트 화합물(hexametaphosphate compound), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 성능 향상제(enhancing material)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  20. 제1항에 있어서,
    경화 촉진제, 감수제, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널.
  21. 실질적으로 황산칼슘반수염, 강화 섬유들, 경량 골재, 및 폴리에틸렌 글리콜로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차음 패널 제조용 슬러리.
  22. 차음 패널 제조 방법에 있어서,
    황산칼슘반수염, 제진제, 물과 함께, 경량 골재와 섬유들 그리고 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계;
    상기 슬러리를 발포시키는 단계;
    차음층 물질의 상기 슬러리의 연속 스트립을 형성하는 단계;
    상기 스트립을 절단하여 차음 패널을 형성하는 단계; 및
    상기 황산칼슘반수염을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 패널을 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차음 패널 제조 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 슬러리를 수용하도록 스크림층을 위치시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 스트립 형성 단계의 상기 연속 스트립은 상기 슬러리를 상기 스크림층 위에 살포시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 차음 패널 제조 방법.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 스트립 형성 단계 전에, 상기 슬러리를 주류(main stream)와 후류(slip stream)로 분리하는 단계; 및
    상기 후류로부터 치밀화된 층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 스트립 형성 단계의 상기 연속 스트립은 상기 슬러리를 상기 치밀화된 층 위에 살포시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 차음 패널 제조 방법.
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