KR20120017486A - 인조석 제조용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 인조석의 제조방법 - Google Patents

인조석 제조용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 인조석의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인조석 제조용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 인조석의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적하는 바는 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물과 같은 무기 바인더를 사용하는 한편, 경량 미립형 다공성 무기소재를 사용하여, 기존 시멘트계 인조석의 백화현상, 내구성 등의 문제점과 유기 바인더계 인조석의 내열성, 내산성 등의 문제점을 해결할 수 있는 동시에 인조석에 단열기능을 부여할 수 있는 인조석 제조용 조성물 및 인조석 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 백시멘트 10~20중량부, 비정질 활성 알루미노실리케이트 3~10중량부, 종석 40~70중량부, 물 5~10중량부, 감수제 0.1~1중량부, 경량 미립형 다공성 무기소재 10~30중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상기 조성의 인조석 페이스트를 제조하는 단계, 인조석 페이스트를 푸어링 및 진동성형하는 단계, 양생하는 단계, 고온고압 수열반응하는 단계, 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인조석 제조용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 인조석의 제조방법{Paste composition for marble and a method for manufacturing marble using thereof}
본 발명은 건축용 외장재나 내장재로 사용되는 인조석을 제조하기 위한 페이스트 조성물 및 이러한 조성물을 이용한 인조석의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물과 같은 무기 바인더를 사용하여 기존 시멘트계 인조석의 백화현상, 내구성 등의 문제점과 유기 바인더계 인조석의 내열성, 내산성 등의 문제점을 해결할 수 있는 인조석 제조용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 인조석의 제조방법에 관한 것이다.
인조석이란 천연석에 반대되는 석재로서, 인위적으로 제작된 석재를 말한다. 이러한 인조석은 인조대리석, 인조화강암 등이 있으며, 주로 건축용 내장재 혹은 외장재로 사용된다.
현재 사용되는 인조석 중 가장 대표적인 것은 시멘트계 인조석이다. 시멘트계 인조석은 저렴한 가격으로 생산 가능하여 건축용 내장재로 흔히 사용되고 있다. 그러나, 시멘트계 인조석은 온도 변화에 따른 내구성이 약해지는 문제점이 있다.
또한, 시멘트계 인조석은 시멘트 경화시에 수화반응에 의해 형성되는 가용성의 알칼리화합물이나 수산화칼슘 성분이 모세관 현상으로 인해 인조석 내부의 기공을 통하여 표면으로 석출되거나 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 불용성의 탄산칼슘을 형성함으로써 백화현상을 발생시킨다. 따라서, 시멘트계 인조석을 건축용 외장재로 장기간 사용할 경우 외관의 손상이 심해지므로, 건축용 외장재로의 사용은 지양되고 있다.
또한, 시멘트계 인조석의 문제점인 백화현상을 억제하고자, 시멘트의 일부를 유기고분자로 치환한 유기 바인더계 인조석이 제시되었다. 그러나, 유기 바인더계 인조석의 경우, 내열성, 내산성, 표면경도의 문제점이 있어, 여전히 건축용 외장재로 사용하기 어렵다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 거듭하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물과 같은 무기 바인더를 사용하는 한편, 경량 미립형 다공성 무기소재를 사용하여, 기존 시멘트계 인조석의 백화현상, 내구성 등의 문제점과 유기 바인더계 인조석의 내열성, 내산성 등의 문제점을 해결할 수 있는 동시에 인조석에 단열기능을 부여할 수 있는 인조석 제조용 조성물 및 인조석 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 백시멘트 10~20중량부, 비정질 활성 알루미노실리케이트 3~10중량부, 종석 40~70중량부, 물 5~10중량부, 감수제 0.1~1중량부, 경량 미립형 다공성 무기소재 10~30중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하며,
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (a)백시멘트 10~20중량부, 비정질 활성 알루미노실리케이트 3~10중량부, 종석 40~70중량부, 물 5~10중량부, 감수제 0.1~1중량부, 경량 미립형 다공성 무기소재 10~30중량부 혼합하여 인조석 페이스트를 제조하는 단계; (b)몰드에서 상기 제조된 인조석 페이스트를 푸어링(pouring) 및 진동성형하는 단계; (c)상기 인조석 페이스트를 양생하는 단계; (d)상기 양생된 인조석을 고온고압 수열반응하는 단계; 및 (e)상기 양생된 결과물을 가공하는 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 인조석 제조용 페이스트 조성물은 백시멘트, 비정질 활성 알루미노실리케이트, 종석, 물, 감수제, 경량 미립형 다공성 무기소재로 구성된다.
상기 백시멘트는 기본적인 바인더 역할을 하는 것으로 10~20중량부를 사용하는데, 그 함량이 10중량부 미만이면 시멘트수화반응후 강도 저하문제가 있고 20중량부를 초과하면 비용과다 및 초과된 시멘트량만큼 백화발생 등 문제가 있다.
상기 비정질 활성 알루미노실리케이트는 무기 바인더로서 메타카올린, 플라이애쉬, 규조토, 실리카퓸 등이 이용될 수 있으며, 이들 화합물은 단독으로 사용하거나 2 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 비정질 활성 알루미노실리케이트는 페이스트 조성물 내에서 3~10중량부로 함유되는 것이 바람직한데, 그 함량이 3중량부 미만으로 첨가되면 백화현상을 방지할 수 없으며, 3차원 망상구조를 갖는 알루미노실리케이트 폴리머와 효과적으로 형성되지 못하여 강도의 저하를 가져올 수 있고, 그 함량이 10중량부를 초과하여 무기 바인더의 함량이 너무 많으면 인조석의 경도가 저하되어 건축용 외장재로 사용하기 어려운 문제점이 있다. 상기 메타카올린은 카올린을 600℃ ~ 900℃의 온도에서 열처리하여 활성화시킴으로써 수득할 수 있다.
상기 종석(종석골재)은 대리석, 사문암, 화강암 등의 천연석이나, 인조석을 분쇄하여 얻어지는 것으로 규석과 천연석 미분 등을 함유한다. 종속 골재는 인조석의 기초 재료로서, 인조석에 경도를 부여하는 역할을 한다.
상기 종석(종석골재)는 페이스트 조성물 내에서 40~70중량부로 첨가되는 것이 바람직한데, 그 함량이 40중량부 미만으로 첨가되면 인조석의 경도가 낮아 외장재로 사용하기 어려우며 외관에 골재가 출석되지 않아서 미려한 외관의 표현이 불가하고, 70중량부를 초과하면 무기 바인더의 상대적인 함량이 낮아져서, 인조석의 강도가 저하되는 문제점과 페이스트 조성물을 구성하는 다른 물질들과 혼합시 작업성(workability)이 저하되는 문제점이 있다.
상기 경량 미립(0.2~1mm 직경)형 다공성 무기소재는 단열효과를 얻기 위해 저비중 발포유리를 사용하는 것으로, 이때 비중은 0.3~0.8 정도인 것, 바람직하게는 0.3~0.5수준인 것이 단열성 부여 측면에서 더 유리하며, 함량은10~30중량부를 사용하는데, 그 함량이 10중량부 미만이면 단열효과가 미미하고, 30중량부를 초과하면 혼화(Mixing)성 등 문제가 있다.
상기 비중 범위를 달성하기 위해서는 700 ~ 800℃ 하에 유리 발포가 이루어지는 것이 바람직한 것으로, 800℃ 이상이면 비중이 증가하게 되므로 바람직하지 않다.
상기 물은 5~10중량부를 사용하고, 상기 감수제는 통상의 것을 사용할 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니나, 대표적으로는 나프탈렌계, 멜라민계, 폴리카르본산계가 있으며 주로 폴리카본산계의 사용이 용이하며, 사용량은 0.1~1중량부가 바람직하다.
상기와 같은 물질로 혼합된 페이스트는 반응조건과 조성비에 따라 알루미노실리케이트 용해 반응, 알루미노실리케이트의 재결합에 의한 중합반응 및 칼슘과 실리케이트의 결합반응 등 여러 반응들이 동시에 또는 순차적으로 진행된다. 상기 반응들 중 알루미노실리케이트 용해 반응에서는 메타카올린 또는 플라이애쉬와 같은 비정질 활성 알루미노실리케이트 화합물이 pH 12 이상의 강알칼리 용액에서 표면의 알루미늄 이온과 실리콘 이온이 용해되면서 사면체의 알루미네이트(AlO4), 실리케이트(SiO4), 알루미네트와 실리케이트가 결합된 올리고시알레이트(oligosialate) 등을 형성한다.
알루미노실리케이트 용해 반응에서 형성된 이온들은 알칼리 촉매 조건에서 올리고시알레이트의 재결합 반응인 중합 반응에 의해 폴리시알레이트를 형성한다. 올리고시알레이트의 중합 반응은 알루미늄 이온과 실리콘 이온의 조성비와 반응조건에 따라 Si-O-Al-O-, Si-O-Al-O-Si-O-, Si-O-Al-O-Si-O-Si-O- 등의 단위체를 형성하며, 3차원 망상구조를 갖는 폴리머 형태의 고강도 구조체를 형성한다.
알루미노실리케이트 폴리머는 3차원 망상구조를 통하여, 고온에서의 구조 안정성이 높고, 초기 강도 발현 속도가 빨라 인조석 제조 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 알루미노실리케이트 폴리머는 낮은 온도에서 경화되어 에너지 소비가 적으며, 광물성분으로 구성된 친환경 재료로써의 장점을 가진다.
한편, 알루미노실리케이트에서 용해된 실리케이트의 일부 이온들은 수산화칼슘과 반응하여, 칼슘실리케이트 수화물을 형성하고, 또한, 반응 온도와 조성비에 따라 토버모라이트와 같은 결정질 또는 세미 결정질 물질을 형성한다.
따라서, 본 발명에 따른 페이스트 조성물에서 무기 바인더로 비정질 활성 알루미노실리케이트의 함량비를 높이고 기공률을 낮출 수 있어서 고강도, 수밀성의 특성을 이룰 수 있다.
상기한 바와 같은 비율로 혼합한 페이스트는 몰드에서 푸어링 및 진동성형하는 과정을 거치고, 양생하는 과정을 거치고, 수열반응의 과정을 거치고, 가공하는 과정을 거쳐서 인조석으로 제조할 수 있다.
즉, 백시멘트 10~20중량부, 비정질 활성 알루미노실리케이트 3~10중량부, 종석 40~70중량부, 물 5~10중량부, 감수제 0.1~1중량부, 경량 미립형 다공성 무기소재 10~30중량부를 혼합하여 페이스트를 제조한 후, 몰드에 상기 인조석 페이스트를 푸어링(pouring)한다. 몰드는 제조하고자 하는 인조석의 형상을 결정하는 역할을 한다. 이때, 몰드의 내면은 양생 후 인조석의 분리를 쉽게 하기 위하여 이형 물질을 코팅할 수 있다.
상기 진동성형 단계에서는 약30초~3분간 1,000~3,500rpm으로 몰드에 진동을 가하여 비중차를 이용, 고비중인 종석은 몰드하부로 침강하고 저비중인 경량 미립형 다공성 무기소재 칩은 몰드상부로 부상하여 자연스럽게 2개의 층을 형성한다.
상기 양생은 증기 양생과 고온고압 증기양생으로 2차 실시하는 것이 바람직하다. 증기 양생 단계에서는 인조석 페이스트를 양생하는 것으로, 본 단계에서 페이스트 조성물이 점점 굳어지면서 인조석이 형성된다. 양생은 0℃ ~ 150℃의 온도 및 65% 이상의 상대습도 조건에서 12~36시간 동안 진행될 수 있다. 상기 2차 고온고압 증기양생은 약10bar로 5~10시간 성형물을 오토클레이브에서 수열반응을 유도 포졸란 반응을 발생시킨다.
상기 가공은 연마 및 표면 처리 등을 행하는 것으로, 형성된 인조석에 대하여 사이드와 이면 앞면 재단 후 표면 폴리싱을 가하여 광택을 부여하고, 경우에 따라 표면처리를 통하여 초기 오염성을 극대화한다.
도 1은 상기와 같은 본 발명의 인조석 제조방법을 순서도로 도시한 것으로, 인조석 페이스트 마련 단계, 푸어링 단계, 진동성형 단계, 증기양생, 고온고압 2차양생, 연마 및 표면처리 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 비정질 활성 알루미노실리케이트와 같은 무기 바인더를 포함시킴으로써 백화현상을 억제할 수 있는 효과가 있고, 또한, 미립 경량기포 무기질 저비중 물질과 같이 성형하여 진동성형을 가함으로 저비중 경량기포물질이 상부에 부상하여 일정한 층을 형성함으로 이에 기인한 단열 기능이 부여된다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 인조석 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 2는 비교예로서 제시한 비정질 활성 알루미늄 실리케이트와 경량 미립형 다공성 무기소재를 모두 사용하지 않은 경우 인조석을 도시한 도면 이다.
도 3은 도 1에 의한 진공성형 단계 이후 종석이 몰드하부로 침강하고 저비중인 경량 미립형 다공성 무기소재 칩이 몰드상부로 부상한 2개의 층을 보이는 도면이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다. 한편, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
< 실시예 >
발명예
도 1에 도시된 순서에 따라, 백시멘트 18.5중량부, 메타카올린(Pozzolanicreactivity 950min, 300Mesh 미만 Size, 백색) 6중량부, 종석 50중량부, 경량미립형 다공성 무기소재(직경 0.7mm, 약 800℃로 소성시켜 0.3 정도의 비중을 갖는 발포유리) 17중량부, 물 8중량부, 감수제(폴리카르본산계 감수제) 0.5중량부를 Mix하여 무기질 바인더를 제조하고, 이를 몰드에 Pouring 및 진동성형 과정(3,500rpm, 약3분)을 거쳐서 성형체를 제조하였다.
제조된 성형체는 육안으로 관찰시 종석이 몰드하부로 침강하고 저비중인 경량 미립형 다공성 무기소재 칩이 몰드상부로 부상하여 2개의 층을 확인할 수 있었다(도 3 참조).
상기 성형체를 60℃, 상대습도 98%의 조건 하에서 24시간 동안 양생하여 인조석을 제조하였다. 이를 다시 10bar, 약180℃하에 10시간 동안 오토클레이브를 사용하여 수열반응을 시켜서 2차 양생을 시켰다. 이를 사이드재단, 이면연마, 표면연마, 표면광택 과정을 거쳐서 단열기능이 부여된 인조석을 제조하였다. 또한, 얻어진 인조석을 도 3에 도시하였다.
비교예
백시멘트 24.5중량부, 종석 67중량부, 물 8중량부, 감수제 0.5중량부를 Mix하여 무기질 바인더를 제조하고, 이를 몰드에 Pouring 및 진동성형 과정(3,500rpm, 약3분)을 거쳐서 성형체를 제조하였다.
성형체를 60℃, 상대습도 98%의 조건 하에서 24시간 동안 양생하여 인조석을 제조하였다. 이를 사이드재단, 이면연마, 표면연마, 표면광택 과정을 거쳐서 단열기능이 부여된 인조석을 제조하였다. 또한 얻어진 인조석을 도 2에 도시하였다.
물성 측정 및 평가
발명예 및 비교예에 따라 제조된 인조석의 물성은 3점 굴곡강도와 열전도율, 물의 흡수율에 대해 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
*굴곡강도 측정법은 KS F 4035에 따른다.
*열 전도율 측정법은 KS L 9016을 따른다.
*물의 흡수율 측정법은 KS F2530에 따른다.
구분 굴곡강도 (Mpa) 열전도율(kcal/mh ℃) 물의 흡수율 (%)
비교예 11 0.2 3.3
발명예 15 0.06 2.1
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 비정질 활성 알루미노실리케이트 및 경량 미립형 다공성 무기소재가 포함된 쪽(발명예)이 비교예보다 제품의 고밀도화가 확보되어 굴곡강도가 더 우수하며 흡수율이 더 낮았다. 또한, 발명예에 따른 도 3에서 보듯이, 경량 미립형 다공성 무기소재가 포함된 쪽의 제품이 제품 이면에 경량 미립형 다공성 무기소재 층이 확보되어 이에 기인하여 열전도율이 확연히 낮아져서 단열기능의 확보가 가능하였다.

Claims (8)

  1. 백시멘트 10~20중량부, 비정질 활성 알루미노실리케이트 3~10중량부, 종석 40~70중량부, 물 5~10중량부, 감수제 0.1~1중량부, 경량 미립형 다공성 무기소재 10~30중량부로 이루어지는 인조석 제조용 페이스트 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이스트 조성물은 알루미노실리케이트 용해반응, 알루미노실리케이트의 재결합에 의한 중합 반응, 및 칼슘과 실리케이트의 결합 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는
    인조석 제조용 페이스트 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 활성 알루미노실리케이트는 메타카올린, 플라이애쉬, 규조토, 실리카퓸 중에서 선택된 하나 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는
    인조석 제조용 페이스트 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 경량 미립형 다공성 무기소재는 저비중 발포유리인 것을 특징으로 하는
    인조석 제조용 페이스트 조성물.
  5. (a)백시멘트 10~20중량부, 비정질 활성 알루미노실리케이트 3~10중량부, 종석 40~70중량부, 물 5~10중량부, 감수제 0.1~1중량부, 경량 미립형 다공성 무기소재 10~30중량부를 혼합하여 인조석 페이스트를 제조하는 단계;
    (b)몰드에서 상기 제조된 인조석 페이스트를 푸어링(pouring) 및 진동성형하는 단계;
    (c)상기 인조석 페이스트를 양생하는 단계;
    (d)상기 양생된 인조석을 고온고압 수열반응하는 단계; 및
    (e)상기 양생된 결과물을 가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    인조석의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 진동성형은 30초~3분간 1,000~3,500rpm으로 몰드에 진동을 가하여 종석이 몰드하부로 침강하고 저비중인 경량 미립형 다공성 무기소재 칩이 몰드상부로 부상하는, 2개의 층을 형성한 것을 특징으로 하는
    인조석의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 비정질 활성 알루미노실리케이트는 메타카올린, 플라이애쉬, 규조토, 실리카퓸 중에서 선택된 하나 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는
    인조석의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 경량 미립형 다공성 무기소재는 저비중 발포유리인 것을 특징으로 하는
    인조석의 제조방법.
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