KR20100106569A - 페이퍼 공정 폐기물로 제조되는 방음형 천정 타일 - Google Patents

페이퍼 공정 폐기물로 제조되는 방음형 천정 타일 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방음형 타일을 제조하는데 적절한 조성물 및 방법에 관한 것이다. 상기 조성물의 특정 구현예는 하기를 포함하며, 여기서 일부 이상의 셀룰로스 섬유 및 일부 이상의 무기 물질은 셀룰로스 섬유, 클레이 및 탄산칼슘을 포함하는 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물이다: 펄라이트; 황산칼슘, 탄산칼슘, 클레이 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질; 전분, 전분과 셀룰로스 섬유의 조합, 라텍스, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제; 선택적으로 미네랄 울; 선택적으로 석고; 및 셀룰로스 섬유. 상기 방법의 특정 구현예는 하기를 포함한다: 수성 슬러리를 형성하는 단계; 슬러리를 유동 천공선 상에서 연속적으로 유동시켜 케이크를 형성하는 단계; 케이크를 탈수시키고 베이스 매트를 형성하는 단계; 및 베이스 매트를 건조하는 단계.

Description

페이퍼 공정 폐기물로 제조되는 방음형 천정 타일{ACOUSTIC CEILING TILES MADE WITH PAPER PROCESSING WASTE}
물펠트 공정을 사용하여 방음형 천정 타일 및 방음형 패널의 제조에 유용한, 셀룰로스 섬유 및 무기 물질의 소스(source)로서 페이퍼 가공 폐기물을 포함하는 조성물이 개시된다. 더욱 구체적으로는, 셀룰로스 섬유의 주된 소스 및 무기 물질의 주된 소스로서의 페이퍼 가공 폐기물을 사용하는 방음형 천정 조성물이 논의되며, 이는 보다 신속한 배수 시간을 제공하여 원료 물질 비용을 감소시키고 라인(line) 속도를 증가시킨다.
미네랄 울(wool) 및 경량 응집물의 희석된 수성 분산에 대한 물펠트는 방음형 천정 타일을 제조하는 공지된 상업적 방법이다. 이러한 방법에서, 미네랄 울, 펄라이트(perlite), 결합제(예컨대, 전분, 라텍스 또는 기타 당해 기술분야에서 공지된 것), 무기 물질 및 셀룰로스 섬유와 같은 성분 물질의 수성 슬러리가, 탈수 또는 배수를 위하여 포르드리니어(Fourdrinier) 또는 올리버(Oliver) 매트 형성 기계와 같은 유동 천공 지지선 상에 석출된다. 상기 슬러리는 중력에 의하여, 그 후 진공 흡입에 의하여 일차적으로 배수되어 베이스 매트(base mat)를 형성한다. 그 후, 습윤 베이스 매트는 롤(roll)과 지지선 사이에서 원하는 두께가 되도록 압축되고 추가적인 물을 제거한다. 그 후, 압축된 베이트 매트는 건조된 물질이 원하는 치수로 절단되기 전에 오븐에서 건조된다. 절단 물질의 표면은 샌드(sand)화되고, 상부 및/또는 하부는 코팅되어 방음형 천정 타일 및 패널을 만들어낸다.
미네랄 울 방음형 타일은 양호한 음향 흡수를 나타내도록 매우 다공성이다. 전분은 미네랄 울 기재의 천정 타일에서 결합제로서 전형적으로 사용된다. 고밀도 확장형 펄라이트와 같은 미네랄 물질은 음향 흡수 특성을 강화시키고, 다른 경량 타일 및 패널에 강도를 제공하는데 또한 사용된다. 확장형 펄라이트의 사용이 실시가능한 슬러리를 형성하는 고수준의 물을 요구할 수 있는 반면, 고밀도의 펄라이트의 이용은 이러한 문제를 경감시킨다.
클레이는 내화성 시험 동안 소결하므로, 클레이와 같은 무기 물질이 천정 타일에 사용되어 불연성을 부여한다(ASTM 시험 번호 E119 에 기재된 바에 의함). 카올린, 및 벤토나이트 등과 같은 다양한 상업적 클레이가 천정 타일 조직에 사용될 수 있다. 석고는 응집제로서 작용하기 때문에 우수한 무기 물질이다. 탄산칼슘은 저렴하고 완성품에 경도를 증가시킬 수 있기 때문에 또다른 유용한 무기 물질이다. 무기 물질과 관련된 하나의 문제는 (높은 비중 때문에) 타일 형성 동안 베이스 매트의 하부로 가라앉는 경향인데, 이는 배수 시간을 증가시키고, 라인 속도를 감소시켜서 결국 제조 비용을 증가시킨다.
전형적으로, 천정 타일을 위한 셀룰로스 섬유는 재활용되고 있는 하이드로펄프화 또는 해머 밀(hammer mill)화 신문지로부터 수득된다. 오래된 신문지로부터 수거된 장섬유가 완성된 페이퍼 생성물로 가공될 수 있기 때문에, 오래된 신문지로부터의 재생 섬유는 그 사용과 관련된 상당한 비용을 갖는다. 정제된 페이퍼 및 목재 섬유가 또한 천정 타일 섬유에 사용될 수 있다. 천정 타일용의 이러한 모든 섬유 소스가 갖고 있는 하나의 문제점은 비용이다. 섬유 소스 및 아마도 무기 물질 소스가, 천정 타일 제조자가 무료 또는 매우 낮은 가격으로 섬유 및 무기 물질을 얻는 것을 가능케 하는 다양하게 존재하는 폐기물 스트림 중에서 발견될 수 있다면, 천정 타일을 제조하는 비용은 감소될 수 있다.
매년, 112-크라프트 공정 페이퍼 밀은 에너지 및 화학적 수거 공정으로부터 미국 전역에 걸쳐 대략 1.5 백만 톤의 폐기물 물질을 생성한다. "페이퍼 슬러지(sludge)"라고 알려진 이러한 폐기물 물질은 클레이, 탄산칼슘, 단섬유(즉, 페이퍼 제품의 제조에 사용하기에는 너무 짧음), 기타 무기 물질 및 물로 이루어진 클레이 유사 물질이다. 페이퍼 슬러지의 또다른 소스는 보다 장섬유의 회수에 앞서 폐기물 페이퍼가 회수되고 잉크 제거되는 페이퍼 재활용 공정이다. 잉크 제거 공정 동안에, 잉크 입자, 클레이 및 탄산칼슘과 같은 물질, 물 및 재활용 완성 페이퍼 제품으로 전환되기에 너무 짧은 섬유를 포함하는 섬유 슬러지가 생성된다.
과거에는, 페이퍼 슬러지는 전형적으로 매립지로 보내져 왔다. 매립 비용 증가 및 매립 작업으로부터의 지하수 오염의 가능성 때문에, 다수의 환경적으로 지각있는 페이퍼 제조자들이 페이퍼 슬러지로부터 에너지를 회수하기 위하여 노력하고 있다.
그러나, 페이퍼 슬러지는 방음형 천정 타일의 제조에 사용되는 둘 이상의 하기의 성분을 포함한다: 셀룰로스 섬유 및 무기 물질(클레이, 탄산칼슘 등). 페이퍼 슬러지가 방음형 천정 타일 제조를 위한 공급원료로 전환될 수 있다면, 페이퍼 슬러지의 매립 처리의 비용 및 환경적 영향을 회피할 것이므로 유리할 것이다. 천정 타일 제조에 있어서 더욱 중요하게는, 천정 타일 형성에서의 원료 물질로서 페이퍼 슬러지의 사용은 둘 이상의 고가의 원료 물질--하이드로펄프화 페이퍼 공정으로부터의 셀룰로스 및 무기 물질--을 페이퍼 슬러지의 형태인 저가이며 용이하게 이용가능한 하나의 물질로 대체할 수 있다.
발명의 요약
페이퍼 슬러지로부터 실질적으로 수득되는 셀룰로스 섬유 및 무기 물질을 포함하는, 방음형 천정 타일로 사용될 수 있는 방음형 패널, 또는 기타 형태의 방음형 패널이 개시된다. 매립지에서 페이퍼 슬러지를 석출하는 대신에, 개시된 방음형 타일 및 패널을 위한 원료 물질로서 페이퍼 슬러지가 사용되었다.
하나의 구현예에서, 개시된 방음형 패널은, 건량 기준으로, 0 초과 내지 약 75 중량%의 미네랄 울; 0 초과 내지 약 30 중량%의 황산칼슘, 탄산칼슘, 클레이 및 이들의 혼합물로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질; 0 초과 내지 약 15 중량% 이하의 전분, 라텍스, 전분과 셀룰로스 섬유의 조합, 크라프트(kraft) 페이퍼 겔, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제; 약 25 내지 약 70 중량%의 펄라이트; 및 약 10 내지 약 40 중량% 셀룰로스 섬유를 포함한다. 상기 구현예에서, 일부 이상의 셀룰로스 섬유 및 일부 이상의 무기 물질은, "페이퍼 슬러지"로서 또한 알려진 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물로부터 수득된다. 페이퍼 슬러지는 셀룰로스 섬유, 및 칼슘 클레이, 탄산염 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질을 포함한다.
버진(virgin) 페이퍼 작업 공장 또는 페이퍼 재활용 공장 중 어느 하나 유래의 페이퍼 폐기물은 방음형 타일 및 패널의 제조에 원료 물질로서 사용된다.
하나의 구현예에서, 완성된 방음형 패널의 모든 셀룰로스 섬유 성분은 페이퍼 슬러지로부터 수득된다. 다른 구현예에서, 셀룰로스 섬유 성분의 상당 부분이 하이드로펄프화 또는 해머 밀화 페이퍼 소스로부터 수득되는 잔존하는 셀룰로스 섬유 성분을 갖는 페이퍼 슬러지로부터 수득된다.
하나의 개선예에서, 미네랄 울은 약 10 중량% 이하의 양으로 존재한다.
다른 개선예에서, 석고는 20 중량% 이항의 양으로 존재한다.
다른 개선예에서, 전분은 약 5 내지 약 15 중량%의 양으로 존재한다.
다른 개선예에서, 펄라이트는 확장형 펄라이트이며, 약 40 내지 약 65 중량%의 양으로 존재한다. 확장형 펄라이트의 밀도는 크게 변화할 수 있으며, 약 3 내지 약 20 입방 피트 당 파운드 (pcf)의 범위일 수 있다. 고밀도 확장형 펄라이트의 사용이 필수적인 것은 아니지만, 유리할 수 있다.
하나의 구현예에서, 개시된 방음형 패널은 건량 기준으로, 0 초과 내지 약 75 중량% 미네랄 울; 0 초과 내지 약 30 중량%의 석고; 0 초과 내지 약 15 중량%의 결합체, 바람직하게는 전분; 약 25 내지 약 70 중량%의 펄라이트; 및 0 초과 내지 약 40 중량%의 셀룰로스 섬유, 및 클레이 및 탄산칼슘의 다양한 조합을 포함할 수 있는 무기 물질을 포함하는 페이퍼 슬러지를 포함한다. 셀룰로스 섬유 성분 부분은 하이드로펄프화 페이퍼 소스로부터 유래될 수 있다.
하나의 바람직한 방음형 타일 조성물은, 건량 기준으로, 0 초과 내지 약 10 중량% 범위의 미네랄 울; 0 초과 내지 약 20 중량% 범위의 석고, 0 초과 내지 약 40 중량% 범위의 페이퍼 슬러지, 약 5 내지 약 15 중량% 범위의 전분 또는 기타 적절한 결합제, 및 약 40 내지 약 65 중량% 범위의 펄라이트를 포함한다.
미네랄 울이 사용될 때, 일부의 결합제는 라텍스 또는 라텍스 결합제를 포함할 수 있다.
물펠트 공정을 사용하여 방음형 패널을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 개시된 방법은 확장형 펄라이트, 선택적으로, 미네랄 울, 황산칼슘, 탄산칼슘, 클레이 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질, 셀룰로스 섬유 및 전분, 전분과 셀룰로스 섬유와의 조합, 라텍스, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제를 포함하는 수성 슬러리를 형성하는 것을 포함하며, 여기서 일부 이상의 셀룰로스 섬유 및 일부 이상의 무기 물질은, 셀룰로스 섬유, 및 하나 이상의 클레이 또는 탄산칼슘 및 이들의 혼합물을 포함하는 무기 물질을 포함하는 페이퍼 슬러지로부터 수득된다. 상기 방법은 유동 천공 지지선 상에서 슬러리를 연속적으로 유동시켜 케이크(cake)를 형성하는 단계, 상기 케이크를 탈수하여 습윤 매트 또는 베이스 매트를 형성하는 단계, 상기 베이스 매트를 건조하여 방음형 타일을 생성하는 단계를 추가적으로 포함한다.
다른 이점 및 특징들이 하기의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
바람직한 구현예의 상세한 설명
셀룰로스 섬유 성분 및 무기 고체 물질이 적어도 부분적으로 원료 물질로서의 페이퍼 슬러지를 사용함으로써 수득되는 방음형 타일 조성물이 개시된다. 페이퍼 슬러지는 버진 페이퍼 공정 작업 또는 페이퍼 재활용 공정 중 어느 하나로부터 수득될 수 있다. 각각의 경우에서, 폐기물 "페이퍼 슬러지"는 클레이, 탄산칼슘 또는 이들의 조합과 같은 무기 물질과 함께 셀룰로스 섬유를 포함한다. 페이퍼 슬러지를 함유하는 개시된 조성물은 개시된 조성물이 우수한 배수 특성을 갖기 때문에 타일을 형성하는 물펠트 공정에서 사용될 수 있다.
조성물의 수성 슬러리를 우선 중력에 의하여, 그 후 진공에 의하여 탈수되는 케이크를 형성하는, 유동 천공 지지선 상에서 유속시켰다. 그 후, 탈수된 케이크는 선택된 두께로 압축되어 베이스 매트를 형성하였다. 압축 단계는 베이스 매트를 추가적으로 탈수시킨다. 그 후, 베이스 매트를 베이스 매트 내의 습기가 5% 미만 및 바람직하게는 1% 미만으로 감소되는 건조 킬른(kiln)으로 전달하였다.
다수의 경우에서 본원에 개시된 방음형 타일/패널 조성물은 상대적으로 고밀도인 확장형 펄라이트; 셀룰로스 섬유; 황산칼슘, 탄산칼슘, 클레이 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질; 전분, 라텍스, 전분과 혼합된 셀룰로스 섬유, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제; 및 선택적으로, 미네랄 섬유 및 기타 통상적인 첨가제를 포함한다. 바람직한 구현예에서, 셀룰로스 섬유 및 무기 물질은 원료 물질로서 페이퍼 슬러지를 사용함으로써 적어도 일부가 제공된다. 역시, 페이퍼 슬러지는 버진 페이퍼 공정 또는 페이퍼 재활용 공정 중 어느 하나의 폐기물 제품일 수 있다.
하나의 바람직한 조성물은 상대적으로 고밀도인 확장형 펄라이트, 페이퍼 슬러지, 전분 및 선택적으로 미네랄 섬유 및 선택적으로 석고를 포함한다. 상기 개시는 임의의 정확한 양의 물질에 제한되지 않는다. 대표적인 조성물이 각각의 성분의 건량 기준으로 하기에 중량%로 표시된다. 제품의 요구되는 물리적 특성이 유지된다면, 비용 장점 때문에 셀룰로스 섬유의 단독 소스 또는 주된 소스로서, 그리고 무기 물질의 주된 소스로서 페이퍼 슬러지를 포함하는 조성물에 의하여 본 개시 내용의 최대 이점이 달성될 수 있음을 당업자는 인식한다. 물론, 페이퍼 슬러지에 더하여 통상적인(하이드로펄프) 섬유 및 무기 물질을 사용한 방음형 패널 조성물은 본 개시의 범위에 속한다.
셀룰로스 섬유
셀룰로스 섬유는 페이퍼 재활용 공장 뿐만 아니라 버진 페이퍼 가공 공장으로부터의 배출된 폐기물 물질 또는 "페이퍼 슬러지"로부터 수득될 수 있다. 배출된 슬러지는 전형적으로 단섬유(즉, 너무 짧아서 페이퍼 제품에 사용될 수 없음), 클레이 및 탄산칼슘을 포함한다. 슬러지 내에서 셀룰로스 섬유의 무기 물질에 대한 비율은 약 90:10 내지 약 40:60 의 범위일 수 있으며, 제공된 공장에서 매일 변화할 수 있다. 따라서, 슬러지 공급물의 보충이 모니터되어야만 한다. 페이퍼 슬러지의 무기 성분에 의한 섬유의 인접 코팅이 형성된 베이스 매트의 배수 능력을 증가시키며, 이에 따라 배수 시간을 감소시키며 더 빠른 라인 속도를 가능케한다는 것이 놀랍게도 발견되었다. 추가적으로, 배출된 페이퍼 슬러지를 천정 타일 제조의 공급물로서 사용하는 것은, 슬러지의 매립 처리와 관련된 비용(톤 당 25 내지 30 달러)을 제거하며, 그 사용과 관련된 비용을 갖는 하이드로펄프 셀룰로스 섬유의 사용에 대한 저비용 대안을 제공한다.
슬러지의 섬유 : 무기 고체 비율에 따라서, 페이퍼 슬러지는 건량 기준으로 0 초과 내지 약 40중량%의 양으로 존재할 수 있다. 바람직하게는, 완성품 내의 셀룰로스 섬유 함량은 약 15 내지 약 25 중량%, 더욱 바람직하게는 약 18 내지 약 24 중량%의 범위이다. 이러한 섬유 성분의 전부 또는 일부는 페이퍼 슬러지에 의하여 제공될 수 있다. 섬유 성분의 일부 만이 페이퍼 슬러지에 의하여 제공된다면, 나머지는 통상적인 하이드로펄프화 셀룰로스 섬유에 의하여 제공될 수 있으며, 이는 페이퍼 슬러지 섬유에 대한 임의의 중요한 이점을 제공하지 않는 것으로 하기에 제시된다.
무기 물질
클레이는 내화 시험 동안 소결하기 때문에, 클레이는 (ASTM 시험 번호 E119에 의하여 정의되는 바와 같이) 불연성을 부여하는 훌륭한 무기 물질이다. 하기의 예에서, 클레이는 무기 고체 및 셀룰로스 섬유 모두에 대한 원료 물질로서 사용되는 페이퍼 슬러지의 공지된 고체 성분이다. 따라서, 추가적인 클레이는 필요하지 않을 수 있다. 공급물로서 페이퍼 슬러지를 사용하는 것은 추가적인 클레이에 대한 필요성을 제거하거나 일정 정도 까지 제한할 수 있다.
페이퍼 슬러지의 조성물 내의 변화 때문에 추가적인 클레이가 필요하다면, Kentucky-Tennessee(KT) Caly Company of Gleason, TN 사의 볼(ball) 클레이 또는 스핀크(spinks) 클레이, KT Clay of Sledge, MS 사의 CTS-1 및/또는 CTS-2, 또는 Hickory, KY 사의 Old Hickory Clay 에 의하여 공급되는 클레이가 사용될 수 있다. 기타 상업적인 클레이는 카올린, 벤토나이트 및 기타 천정 타일 제조 업계의 당업자에게 공지된 것을 포함한다.
탄산칼슘은 제형에 어느 정도 경도를 제공하기는 하지만 제품의 비용을 낮출 수 있는 점을 제외하고는, 보드(board) 특성에서 중요한 가치를 갖지 않는 전형적인 물질이다. 탄산칼슘(CaCO3)는 페이퍼 슬러지의 공지된 성분이기 때문에, 추가적인 탄산칼슘은 필수적이지 않지만 사용될 수는 있다.
기타 통상적으로 사용되는 저가의 무기 물질은 임의의 형태의 석고(황산칼슘 이수화물; CaSO4·2H2O(예컨대, 재수화된 헤미하이드레이트의 형태일 수 있음); 황산칼슘 반수화물-CaSO4·1/2H2O; 또는 무수황산칼슘-CaSO4) 및 석탄회(fly ash)이다. 석고는 특정 구현예에서 무기 물질로서 사용될 수 있다. 석고는 물에서 제한된 용해도를 갖으며, 또한 응집제로서 작용한다. 슬러리 내의 응집제로서 작용함에 의하여, 석고는 공정(탈수, 진공 및 습윤 압축) 동안 매트 내에서 미세 분말(무기 클레이, 유기 전분, 셀룰로스 단섬유 등)을 체류 및 균일하게 분포하는데 도움을 준다. 공정 동안의 미세하고 고밀도의 입자의 매트의 하부로의 이동때문에, 석고 또는 기타 응집제는 배수를 촉진시킨다. 석고는 클레이 및 탄산칼슘과 같은 다른 무기 물질에 의하여 제조된 것보다 높은 매트 두께를 만들어내는데에 사용될 수 있다. 습윤 압축에 앞서 더 높은 매트 두께 (또는 "로프트(loft)")는 과량의 물을 제거하는데 유리하다. 석고의 사용은 또다른 응집제, 응고제 및/또는 계면활성제에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 석고는 보드에서 경도를 개선시키는데 사용될 수 있다. 석고는 탈응집 미네랄 섬유 및/또는 셀룰로스 섬유에 대한 분산제로서 작용하고, 이에 의하여 증가된 라인 속도를 이끄는 슬러리 조밀도(consistency)를 촉진시킬 수 있다. 또한, 석고는 코어 매트의 압축 및 건조 후에 상당히 "다시 튀어오르거나" 부풀어 오르지 않으므로, 코어 두께를 조절하기 위하여 코어를 샌드화하는 필요성은 감소된다.
하기에 제시되는 바와 같이, 석고는 페이퍼 슬러지의 무기 고체 성분이 불충분할 때 보충적인 무기 물질로서 사용될 수 있다. 또한, 석고는 완성된 타일 또는 패널의 밀도를 증가시키는 데에 사용될 수 있다. 석고는 0 초과 내지 약 30 중량%, 더욱 바람직하게는 0 초과 내지 약 20 중량%로 존재할 수 있다.
결합제
결합제는 전분, 라텍스, 전분과 혼합된 셀룰로스 섬유, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 전분은 바람직한 결합제이며 사용 전에 조리되거나 그렇지 않을 수 있다. 전분 겔은 물에서 전분 입자를 분산시키고, 전분이 완전히 또는 부분적으로 조리되고 슬러리가 점성 겔로 진하게될 때까지 슬러리를 가열함으로써 제조될 수 있다. 그러나, 만약 통상적인 하이드로펄프 섬유가 섬유의 보충적 소스로서 사용되면, 이들은 조리 전에 전분 슬러리 내로 편입될 수 있다. 전분 슬러리의 조리 온도는 전분 과립의 완전한 부풀어오름을 담보하기 위하여 자세히 모니터되어야 한다. 옥수수 전분의 조리 온도는 약 180℉(82℃) 내지 약 195℉(90℃)의 범위일 수 있다. 또한, 전분은 베이스 매트를 건조하는 공정 동안에 겔을 형성하기 때문에 전분을 예비 조리하지 않고 결합제로서 사용될 수 있다.
전분 또는 셀룰로스 섬유 대신에 라텍스 결합제가 사용되거나, 또는 라텍스가 전분 및/또는 셀룰로스 섬유 결합제와 조합되어 사용될 수 있다. 라텍스 결합제는 약 86℉(30℃) 내지 약 230℉(110℃)의 유리 전이 온도를 가질 수 있다. 라텍스 결합제의 예는 폴리비닐 아세테이트, 비닐 아세테이트/아크릴릭 에멀젼, 비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 클로라이드, 스티렌/아크릴릭 공중합체 및 카르복실화 스티렌/부타디엔 중합체를 포함한다.
바람직하게는 전분 형태의, 증가된 결합제 함량은 강도(MOR-modulus of rupture(psi))를 증가시키고, 완성된 타일/패널의 압축도(cutability)를 증가시키는데 사용될 수 있다. 결합제는 0 초과 내지 약 15 중량%, 더욱 바람직하게는 약 5 내지 약 15 중량%로 존재할 수 있다.
응집체-펄라이트
개시된 방음형 타일 조성물의 하나의 성분은 경량의 응집체 물질, 바람직하게는 확장형 펄라이트이다. 확장형 펄라이트는 그 낮은 비용 및 성능의 면에서 바람직하다. 확장형 펄라이트는 최종 제품에 방음 특성을 강화시키는 다공성 및 "로프트"를 제공한다.
펄라이트는 가열에서 크게 확장하는 능력을 가지는 흑요석과 유사한 유리형 락(rock)의 형태이다. 펄라이트는 일반적으로 65-75 중량% SiO2, 10-20 중량% Al2O3, 2-5 중량% H2O, 및 보다 소량의 소다, 칼륨, 및 석회를 함유한다. 확장형 펄라이트는 임의의 유리형 락 및 더욱 특히 신속하게 가열되는 동안에 갑자기 확장되거나 "튀어나오는" 화산성 유리를 의미한다. 파쇄된 펄라이트의 알갱이가 가열되어 초기 용융 온도가 될 때, 이러한 "튀어나옴"이 일반적으로 발생한다. 입자 내에 함유되는 물은 스팀으로 전환되고, 파쇄된 입자는 확장되어 가볍고, 솜털모양이며, 다공질의 입자를 형성한다. 10 배 이상의 입자의 부피 증가가 일반적이다. 확장형 펄라이트는 펄라이트 구조라고 칭해지는 동심원형의 구형 크랙의 시스템에 의하여 일반적으로 특징지워진다. 다른 형태의 펄라이트는 연화점, 확장의 형태 및 정도, 버블의 크기 및 그 사이의 벽 두께, 및 제품의 기공률과 같은 특성에 영향을 끼치는 유리의 조성물에서의 변화에 의하여 특징지워진다.
확장형 펄라이트를 제조하는 통상적인 방법에서, 펄라이트 오레(ore)는 우선 미세한 크기로 분쇄된다. 미세하게 분쇄된 펄라이트 오레를 펄라이트 확장기의 가열된 공기로 도입함으로써 펄라이트가 확장된다. 전형적으로 확장기는 공기를 약 1750℉ 까지 가열한다. 미세하게 분쇄된 펄라이트는 펄라이트를 가열하고 이를 팝콘처럼 튀어나오게하는 가열된 공기에 의하여 운반되어, 약 3 내지 5 입방 피트 당 파운드의 밀도를 갖는 확장형 펄라이트를 형성한다. 확장형 펄라이트가 물과 접촉하도록 위치할 때, 물은 크랙을 침투하여 갈라지게 하고, 펄라이트의 공기로 가득찬 공간으로 들어가며, 이에 의하여 확장형 펄라이트 입자 내에 펄라이트가 다량의 물을 보유할 수 있게 한다.
상대적으로 고밀도의 펄라이트, 즉 (3 내지 5 입방 피트 당 파운드의 통상 범위에 대하여) 7 또는 8 입방 피트 당 파운드 초과의 밀도로 확장되는 펄라이트를 이용하여, 적절한 슬러리를 형성하도록 수분을 낮추는 것이 요구된다. 미국 특허 5,911,818 을 참조한다. 적은 양의 물을 갖는 수성 슬러리는 적은 탈수를 요구하며, 펄라이트에 의하여 체류되는 적은 양의 물을 갖는 베이스 매트를 생성한다. 결과물인 제품은 포괄적 저항성을 개선시켰고, ASTM 시험 번호 E119 에 의하여 정의된 바와 같은 내화성을 유지하였다. 보다 적은 수분 함량을 갖는 베이스 매트는 더 빨리 건조될 수 있으며, 이는 전체 물펠트 라인이 보다 빠른 속도로 운영될 수 있는 것을 가능케 한다.
최소 밀도를 만족시켜야 하는 내화 천정 타일을 제조 할 때 고밀도 펄라이트는 또한 유익하다. 그러나, 확장형 펄라이트의 밀도가 약 20 입방 피트 당 파운드를 초과할 때, 펄라이트는 최종 제품 내에 다량의 "로프트" 또는 벌크를 생성하지 않는다. 그 결과, 최종 생성물의 밀도는 너무 높아서 ASTM E119 내화 시험을 통과하는데 요구되는 낮은 열 전도도를 유지할 수 없다.
개시된 천정 타일 조성물은 0 초과 내지 약 70 중량%, 더욱 바람직하게는 약 25 내지 약 70 중량%, 가장 바람직하게는 약 40 내지 약 65 중량%의 고밀도 또는 저밀도 형태의 펄라이트를 함유할 수 있다. 확장형 펄라이트 입자의 크기는 중요하지 않으며, 특히 작은 펄라이트 입자 크기를 사용하는 것이 필수적인 것으로 고려되지 않는다. 버미큘라이트, 유리 비드, 디아토마이트 또는 박리된 클레이와 같은 확장형 펄라이트의 등가물이 펄라이트의 대용물로서 또는 이와 조합되어 또한 사용될 수 있다.
미네랄 울
개시된 방음형 타일/패널 조성물은 방음형 타일에 통상적으로 사용되는 형태의 미네랄 울을 또한 함유할 수 있다. 천정 타일 내의 미네랄 울은 타일의 음향 흡수(NRC)를 증가시킨다. 일반적으로, 미네랄 울의 양이 높을수록, 음향 흡수도 양호해진다. 또한, 미네랄 울은 코어의 형성 동안에 슬러리에 벌크화를 유리하게 제공한다.
미네랄 울은 바살트(basalt), 슬래그(slag), 그래나이트(granite) 또는 기타 유리질의 광물 성분의 용융된 스트림을 감쇠시킴으로써 제조되는 임의의 통상적인 미네랄 섬유일 수 있다. 용융된 미네랄은 통상 직물 섬유로 칭해지는 오리피스(orifice)를 통하여 선형으로 뽑아지거나, 또는 통상 울 섬유로 칭해지는 스피닝 컵 또는 로터(rotor)의 면에 접선을 따라 수거된다. 미네랄 울 성분은 0 내지 약 75 중량%, 더욱 바람직하게는 약 10 중량%로 적절하게 존재한다.
하기의 구체적인 실시예는 셀룰로스 섬유 및 무기 물질의 소스로서 페이퍼 슬러지를 사용하는 다양한 구체적 구현예를 예시한다. 역시, 반대되는 기재가 없다면, 모든 양은 건조 고체 총 중량 기준으로 중량부로 표시된다. 물론, 이러한 실시예들은 예시의 방법에 의한 것일 뿐, 본 개시 내용의 제한으로서 해석되지 않는다는 것이 이해되어야만 한다.
버진 페이퍼 가공 공장으로부터의 페이퍼 슬러지를 하기 실시예에 사용하였다. 슬러지는 공장의 펄프 밀 및 페이퍼 밀 가공 영역 모두로부터의 폐기물 스트림으로 구성되었다. 또한, 펄프 밀 슬러지는 약 1/4 인치 크기의 일부 우드칩(woodchip)을 포함하였다. 우드칩은 슬러지가 희석되어 슬러리를 형성한 후 통상적인 스크린을 사용하여 용이하게 제거될 수 있다. 슬러지를 형성하기 위하여, 각각의 폐기물 스트림을 각각의 정화기로 통과시키고, 현탁된 고체를 혼합하고, 습윤 압축하여, 슬러지 케이크로서 매립지로 수송하였다. 이 경우, 랜드 케이크를 수거하고, 하기의 방음형 천정 타일 및 패널 형성에 사용하였다. 압축된 슬러지 케이크는 대략 45 중량%의 고체를 포함하였으며, 비록 비율이 88:12 내지 43:57 이었어도, 셀룰로스 섬유의 무기 물질에 대한 전형적인 비율은 65:35 였다.
슬러지 케이크를 사용하기에 앞서, 슬러지를 스크린하여 우드칩을 제거하고, 혼합 탱크에서 가공하여 특정 조밀도를 얻었다. 우드칩을 스크린하는 대신에, 상기 물질을 분쇄할 수 있다. 하기에 사용되는 확장형 펄라이트의 밀도는 약 6.0 pcf 였다. 모든 중량% 값은 건량 기준이다.
실시예 1
Figure pct00001
모든 시험에 대한 보정 MOR(psi)는 하기 공식에 의하여 계산되었다: 보정 MOR(psi) = (보정 밀도)2 × (실제 MOR psi) / (실제 밀도)2. 이러한 최초 연구에서, 패널은 표준 19.0 중량% 셀룰로스 섬유 함량을 갖는 8.0 중량% 미네랄 울 제형을 사용하여 제조하였다. 대조구는 19.0 중량%의 통상적인 하이드로펄프 셀룰로스 섬유를 포함하였다. 실험 보드 1-4 는 0 중량%의 하이드로펄프 섬유(시험 패널 1), 25 중량% 하이드로펄프 페이퍼(시험 패널 2), 50 중량% 하이드로펄프 섬유(시험 패널 3) 및 75 중량% 하이드로펄프 섬유(시험 패널 4)를 포함하였다. 페이퍼 슬러지 함량이 감소하기 때문에 석고를 사용하여 페이퍼 슬러지로부터의 무기 물질을 보충하였다. 총 무기 물질 함량은 대조구 패널 1 및 시험 패널 1-4 에 대해서 10.0 중량%로 유지되었다.
100 psi 초과의 MOR 이 적절한 것으로 고려되기 때문에, 아마도 시험 패널 3 의 예외를 가지고, 시험 패널 1-4 의 강도는 수용가능하다. 시험 패널 3 은 여전히 보정 MOR 106 을 갖는다. 모든 MOR 값을 13.7 pcf 의 밀도로 표준화하였다.
페이퍼 슬러지로부터 유래하는 100%의 섬유 및 무기물을 갖는 시험 패널 1 에 제시된 중요한 이점은 5.0 초의 우수한 배수 시간이었다. 우수한 배수 시간은 보다 빠른 라인 속도를 가능케 하며, 이에 의하여 제조 비용을 보다 낮추게 된다. 또한, 시험 패널 1 은 하이드로펄프화 셀룰로스 섬유를 함유하지 않으며, 10.0 중량%의 총 무기물 값을 유지하기 위하여 단지 최소량의 첨가된 석고를 2.0 중량%로 포함한다.
실시예 2
Figure pct00002
실시예 2 의 목적은 미네랄 울이 없는 제제를 시험하는 것이었다. 상기에 제시된 바와 같이, 시험 패널 5 의 MOR 은 대조구 패널 2 보다 20% 적은 것으로 존재하지만, 전분 수준을 증가시키는 것은 기대되는 MOR 보다 낮은 것을 극복할 것으로 기대된다. 시험 패널 5 의 중요한 이점은 3.25 초의 우수한 배수 시간이었으며, 이는 대조구 2 의 배수 시간의 절반보다도 적다.
실시예 3
Figure pct00003
실시예 3 에서, 석고 수준을 변화시킴으로써 페이퍼 슬러지에 의하여 제공되는 무기 물질을 보충하였다. 또한, 페이퍼 슬러지 섬유 함량은 18 내지 24 중량% 사이에서 변화하였다. 상기 제시된 바와 같이, 슬러지 섬유 함량을 증가시키는 것은 보드 강도를 개선시키지 않으며, 강도는 대조구 패널 3 의 약 15% 미만이었다. 그러나, 증가된 전분 수준이 이러한 부족을 극복할 수 있는 것으로 기대된다. 또한, 증가된 펄라이트 수준은 패널 강도(MOR)에 도움을 줄 수 있다. 역시, 시험 패널 6-9 는 대조구 패널 3 과 비교할 때 우수한 배수 시간을 제공한다.
실시예 4
Figure pct00004
실시예 4 에서, 펄라이트 사용이 52-56 중량%로 증가하는 동안 섬유 함량을 20 중량%로 유지하였으며, 증가된 펄라이트에 대하여 시험 패널 11 및 12 에서 총 무기 함량이 감소하였다. 전분을 6.0 중량%로 유지하였다.
역시, 하이드로펄프 섬유와는 반대로 페이퍼 슬러지로부터의 섬유를 사용한 패널에 있어서 우수한 배수 시간이 나타났다. 보드 강도는 대조구 보드보다 낮았다. 펄라이트를 56.0 중량% 까지 증가시키는 것은 비록 획기적으로는 아니더라도 보드 강도를 증가시켰다. 추가적인 전분이 사용되어 MOR 을 증가시켰다.
실시예 5
Figure pct00005
실시예 5 에서, 어떠한 추가된 석고 없이 통상적인 하이드로펄프 섬유(10중량%)와 페이퍼 슬러지 섬유(10중량%)의 조합을 사용하여 시험 패널 13 을 제조하였다. 사용에 앞서, 페이퍼 슬러지 케이크를 물과 혼합하여 기계적 교반기를 사용하여 20% 고체 조밀도로 하고, 여과하여 우드칩을 제거하였다. 우드칩 제거 후에, 페이퍼 슬러지 슬러리 내에서 섬유의 무기 물질에 대한 비율은 90:10 이었다. 이처럼 높은 비율은 우드칩 제거 공정 동안의 무기 물질 손실에 기인한다. 무기 물질의 손실 때문에, 추가적인 펄라이트를 첨가하여 제형화하였다. 시험 패널 13 을 사용하여 만족스러운 MOR 을 얻었으며, 이에 의하여 추가적인 무기 물질의 첨가와 함께 또는 이를 첨가하지 않고 표준 하이드로펄프 섬유 및 매립지 섬유의 조합을 사용하여 천정 타일이 제조될 수 있음을 나타내었다. 또한 높은 보드 강도는 증가된 전분 함량에 기인한다.
실시예 6
Figure pct00006
실시예 6 에서, 석탄회의 효과, 보다 높은 펄라이트 양, 하이드로펄프와 페이퍼 슬러지 섬유의 조합, 및 무기 물질 없는 페이퍼 슬러지 섬유 제형을 평가하였다. 시험 패널 15 에 대하여, 고 펄라이트 제형에 대하여 전분 함량을 9 중량%로 증가시키는 것은 보드 강도를 증가시켰다. 시험 패널 16 에 대하여, 페이퍼 슬러지 섬유(16중량%)와 하이드로펄프 섬유(7중량%) 및 전분(8중량%)의 조합은 또한 우수한 보드 강도를 제공하였다. 단지 슬러지 섬유 21 중량% 및 8% 전분을 사용한 시험 패널 17 의 고 펄라이트 제형은 또한 수용가능한 강도, 소음 감소 계수(NRC)를 제공하였다.
실시예 7
Figure pct00007
실시예 7 에서, 스크린된 페이퍼 슬러지를 우드칩없이 평가하였다. 섬유의 무기 물질에 대한 비율은 55.2:44.8 이었다. 대조구 7 의 감소된 배수 시간은 더 낮은 양의 제형 내에 존재하는 무기물, 탄산칼슘에 기인한 것이다. 부분적으로(시험 패널 20) 또는 전체로(시험 패널 21) 페이퍼 슬러지를 사용한 시험 패널 20 및 21 의 배수 시간은 수용가능한 보드 특성 및 배수 시간을 제공한다. 시험 패널 18 에서, 석탄회 및 슬러지 무기물의 결핍 때문에 배수 시간이 보다 길었다.
실시예 8
Figure pct00008
건조된 보드의 표면을 샌드화 또는 분쇄하여 바람직한 두께 또는 칼리퍼(caliper)로 하고, 후면을 침하 저항성 코팅으로 롤 코팅하였다. 그 후, 보드면을 직조, 천공하고, 경화 전에 다시 롤 및/또는 스프레이 코팅하였다. 실시예 8 에서, 대조구 패널 8 은 모두 하이드로펄프 섬유를 포함하며, 시험 패널 22 는 모두 슬러지 섬유를 포함하였다. 전분 및 무기물 함량은 공정 동안에 동일했다. 시험 패널 22 는 방음형 천정 타일 및 패널에 있어서 매우 중요한 보다 높은 NRC 를 갖는 충분한 강도를 나타냈다. 다른 모든 특성들은 수용가능했다.
따라서, 버진 페이퍼 밀 공정 또는 재활용 페이퍼 밀 공정으로부터의 페이퍼 슬러지를 사용하여 제공되는 섬유는 전체로 또는 부분적으로 표준 하이드로펄프섬유를 대체할 수 있다. 슬러지는 펄프 밀 공정 또는 페이퍼 밀 공정 중 어느 하나에 의하여 생성될 수 있다. 바람직하게는, 펄프 밀 공정 슬러지 내에 존재하는 우드칩이 제거되어야 한다. 셀룰로스 섬유 및 무기 물질의 주 원료로서 페이퍼 슬러지를 사용하는 것은 수용가능한 보드 특성과 개선된 배수 시간을 제공하며, 방음형 천정 타일 및 패널의 제조와 관련되는 원료 물질 비용을 저감시킨다.
단지 특정 구현예가 상기에서 제시되었지만, 상기 기재로부터의 대안 및 변형들이 당업자에게는 명백하다. 이러한 그리고 다른 대안들은 본 발명 및 첨부된 특허청구범위와 균등하고 그 범위에 속하는 것으로 고려된다.

Claims (20)

  1. 하기를 포함하는 방음형 패널로서:
    0 내지 약 75 중량%의 미네랄 울;
    0 초과 내지 약 30 중량%의 황산칼슘, 탄산칼슘, 클레이 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질;
    0 초과 내지 약 15 중량%의 전분, 라텍스, 전분과 셀룰로스 섬유의 조합, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제;
    약 25 내지 약 70 중량%의 펄라이트;
    약 10 내지 약 40 중량%의 셀룰로스 섬유;
    상기에서 일부 이상의 셀룰로스 섬유 및 일부 이상의 무기 물질이, 셀룰로스 섬유, 및 클레이, 탄산칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질을 포함하는 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물인 패널.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물이 버진 페이퍼 작업 공장 또는 페이퍼 재활용 공장 중 하나에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 패널.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 미네랄 울이 10 중량% 이하의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 패널.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 석고가 20 중량% 이하의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 패널.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전분이 약 5 내지 약 15 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 패널.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 펄라이트가 확장형 펄라이트이고, 약 40 내지 약 65 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 패널.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 확장형 펄라이트가 20 입방 피트 당 파운드(pcf) 미만의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 패널.
  8. 하기를 포함하는 방음형 패널:
    0 내지 약 75 중량%의 미네랄 울;
    0 초과 내지 약 30 중량%의 석고;
    0 초과 내지 약 15 중량%의 전분, 전분과 셀룰로스 섬유의 조합, 라텍스, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제;
    약 25 내지 약 70 중량%의 펄라이트;
    0 초과 내지 40 중량%의 셀룰로스 섬유, 및 클레이, 탄산칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질을 포함하는 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물이 버진 페이퍼 작업 공장 또는 페이퍼 재활용 공장 중 하나에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 패널.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 패널이 하이드로펄프화 페이퍼 서비스로부터 수득되는 셀룰로스 섬유를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 패널.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 미네랄 울이 10 중량% 이하의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 패널.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 석고가 20 중량% 이하의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 패널.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 전분이 약 5 내지 약 15 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 패널.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 펄라이트가 확장형 펄라이트이고, 약 40 내지 약 65 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 패널.
  15. 하기 단계를 포함하는, 물펠트 공정에서 방음형 패널을 제조하는 방법:
    하기를 포함하는 수성 슬러리를 형성하는 단계 (여기서 일부 이상의 셀룰로스 섬유 및 일부 이상의 무기 물질이, 셀룰로스 섬유, 및 클레이, 탄산칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질을 포함하는 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물임);
    확장형 펄라이트,
    황산칼슘, 탄산칼슘, 클레이 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질,
    셀룰로스 섬유, 및
    전분, 전분과 셀룰로스 섬유의 조합, 라텍스, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제,
    슬러리를 유동 천공 지지선 상에서 연속적으로 유동시켜 케이크를 형성하는 단계;
    케이크를 탈수시키고 베이스 매트를 형성하는 단계; 및
    베이스 매트를 건조하여 방음형 타일을 생성하는 단계.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물이 버진 페이퍼 작업 공장 또는 페이퍼 재활용 공장 중 하나에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 일부 이상의 셀룰로스 섬유가 하이드로펄프화 페이퍼 소스로부터 수득되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 펄라이트가 확장형 펄라이트이고, 건량 기준으로 약 40 내지 약 65 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 결과물인 패널이 하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    0 초과 내지 약 75 중량%의 미네랄 울;
    0 초과 내지 약 30 중량%의 석고;
    0 초과 내지 약 15 중량%의 전분, 전분과 셀룰로스 섬유의 조합, 라텍스, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제;
    약 25 내지 약 70 중량%의 펄라이트;
    0 초과 내지 40 중량%의 셀룰로스 섬유, 및 클레이, 탄산칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질을 포함하는 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 결과물인 패널이 하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    0 초과 내지 약 10 중량%의 미네랄 울;
    0 초과 내지 약 20 중량%의 석고;
    약 5 내지 약 15 중량%의 전분, 전분과 셀룰로스 섬유의 조합, 라텍스, 크라프트 페이퍼 겔 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 결합제;
    약 40 내지 약 70 중량%의 펄라이트;
    40 중량% 이하의 셀룰로스 섬유, 및 클레이, 탄산칼슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 물질을 포함하는 펄프 및 페이퍼 공정 폐기물.
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