KR20140020847A - 키토산을 이용한 차음성 건축재료 - Google Patents
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Abstract
차음성 건축재료 및 제조방법은 결합제 감소와 함께 허용 물성을 달성하기에 충분한 함량의 키토산을 포함하여 건축재료의 제조후/사용후 함량이 증가된다. 또한 키토산은 건축재료의 탈수를 향상시킨다.
Description
본 출원은 2010.12.28자 출원된 미국임시출원번호 제61/427,643호의 우선권을 주장한다. 본 분야는 차음성 건축재료 또는 섬유보드 및 이의 제조방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 보드 건축재 내에 키토산이 균일하게 분산된 섬유보드에 관한 것이다.
차음성 건축재료 또는 섬유보드는 건축재 시장에서 알려진 바와 같이 천장타일, 천장판넬, 벽판넬 또는 벽타일의 형태일 수 있다. 이러한 보드는 섬유, 충전제 및 결합제의 슬러리로부터 제조된다.
전형적으로 보드는 본 분야에 알려진 바와 같이 물 펠팅공정에서 슬러리를 이용하여 제조된다. 섬유, 충전제, 결합제 및 기타 성분들의 분산체를 포드리니어 (Fourdrinier) 성형기와 같은 이동상 다공 지지체에 유입시켜 탈수시킨다. 분산체는 처음에는 중력으로 탈수되고 다음에는 진공 흡입하여 탈수시킨다. 습식 기반 매트는 건조되고 건조 재료는 원하는 치수로 절단되고 선택적으로 최상부를 코팅하여 섬유보드 판넬 또는 타일을 제조한다.
키토산 또는 폴리-D-글루코사민은 갑각류 외골격 및 소정 균류의 세포벽 구조 성분인 키틴의 탈아세틸화 키틴 형태로 상업적으로 입수될 수 있다. 이것은 셀룰로오스와 유사한 양이온성 중합체이다. 키토산은 혈액응고를 촉진하고 붕대에 적용된다. 항미생물성 및 항균성 활성을 높이는 특수한 특성을 가지는 살생제이다. 또한 키토산은 물 여과에서 중금속 응집제로 사용된다. 또한 키토산은 포름알데히드 및 악취를 흡착하는 것으로 알려져 있다.
키토산은 슬러리 조성물에 직접 포함될 수 있는 섬유보드의 다기능성 첨가제가 된다는 것을 확인하였다. 키토산은 산에 용해되어 희석용액으로서 슬러리에 직접 첨가된다. 이러한 방식으로, 제조공정에 실질적인 변경을 주지 않고도 키토산은 보드 건축재에 균일하게 분산될 수 있다.
섬유보드 건축재에 키토산을 사용하면 생성 제품에 여러 이점이 부여될 수 있다. 예를들면, 약 10 wt% 이하의 키토산 농도는 결합제 함량을 줄일 수 있는 정도로 충분한 구조적 강화를 제공한다. 결합제는 섬유보드 조성물에서 고가 성분이므로 이 결과 비용 절감이 가능하다.
보드 건축재에 키토산을 포함하여 부여되는 또 다른 이점은 성분들 결합을 개선하여 재활용 재료 함량을 증가시킬 수 있다. 즉, 결합제 함량이 감소되고 재활용 셀룰로오스 함량을 높일 수 있다.
가장 놀라운 것은, 보드 건축재에 키토산이 포함되면 보드 건축재 탈수 또는 물 제거율이 향상되고 건조 조건들이 낮아진다. 펠팅공정에서, 오븐 건조 단계 전에 보드 건축재 탈수가 개선되어 필요한 건조 조건이 낮아진다. 본 발명에 따라 키토산을 포함하는 보드 건축재 공정에서, 오븐 건조 전 탈수단계에서 제거되는 수분 함량은 증가되므로 최종 오븐 건조 단계에서 제거되어야 할 물 함량이 감소된다. 감소된 오븐 건조 요건은 에너지 및 비용을 절감할 수 있다.
키토산의 살생 특성은 천장 및 벽 용도에서 특히 유용하다. 이러한 특성은 타일을 습식화 시키는 높은 습도, 응축 또는 기타 수분 공급원이 있는 천장타일에서 특히 유용하다. 이러한 높은 습도 환경은 공기 전달로 기생하는 원치 않는 미생물 및 곰팡이 성장에 유리하다.
키토산의 포름알데히드 흡착 능력은 공정 및 제품의 포름알데히드 수준을 낮출 수 있다. 키토산의 악취 흡착 능력은 제품 적용에 있어서 특히 유용하다.
전기된 바와 같이, 키토산은 차음성 건축재료 또는 섬유보드에 다기능성 첨가제로서 바람직한 특성을 제공하는 것으로 확인되었다. 편의적으로, 이하 본 발명은 매단 천장에 사용되는 천장타일을 특히 참조하여 설명된다.
본원에서 주목하는 천장타일은 광물섬유 예를들면 광물면 또는 유리섬유 및 유기섬유 예를들면 셀룰로오스 섬유인 기초 섬유를 포함한다. 충전제는 통상 퍼라이트, 점토, 탄산칼슘, 또는 스투코 석고이다. 전형적으로 결합제는 전분, 라텍스, 또는 유사한 물질이다. 이들 물질 또는 성분은 전형적으로 수성 슬러리에서 조합되고 상기된 바와 같이 물 펠팅공정에서 처리된다.
전형적인 조성에서, 섬유 및 충전제 성분이 주요 성분들을 구성한다. 그러나, 광범위한 성분들이 적용될 수 있다. 예를들면, 하기 표는 대표적인 천장 및 벽 조성물을 요약한 것이다. 조성물은 하나 이상의 하기 표에 나열된 예시적 유형의 섬유, 충전제 또는 결합제를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본원에서 백분율은 달리 언급 또는 표기되지 않으면 고형물 기준의 중량백분율이다.
섬유, 충전제 및 결합제 성분은 공지 방법으로 수성 슬러리에서 약 3% 내지 6% 고형물 수준으로 조합된다. 키토산은 산성수용액에 용해되고 슬러리에 균일하게 혼합될 수 있다. 예를들면, 분말 또는 조각 형태의 키토산은 2 - 4부피%의 아세트산 용액에 용해되고 슬러리에 첨가된다. 키토산 용액은 슬러리에 포함된 고형물 기준으로1% 내지 6% 함량으로 첨가된다.
키토산의 친수성 OH 및 NH기는 키토산의 균일한 분포 및 섬유 및 충전제 슬러리 성분들로의 침투 및/또는 이와의 접촉을 개선시키는 것으로 보인다. 또한, 양이온성 키토산은 전분과 상호 작용하는 것으로 보인다. 또한, 키토산은 타일의 기타 섬유 성분들과 엉기고 및/또는 달리 상호 작용하여 섬유-유사 구조체를 형성하여 구조적 강화를 제공함으로써 타일 물성의 변경 허용 한계 내에서 결합제 함량 감소를 가능케 한다.
상기된 바와 같이, 천장타일 또는 기타 용도의 보드 건축재에 키토산을 첨가하면 오븐 건조 단계 전에 건축재에 체류되는 물 함량을 감소시킨다. 펠팅공정은 자연 배수, 진공 인가 및/또는 보드 압착을 포함하여 오븐 건조 전 물을 제거한다. 본 발명에 따라 키토산을 적용하면 상기 오븐-전 건조공정의 하나 이상이 적용될 때 물 제거가 효과적이라는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명에 의한 키토산 함유 보드는 키토산 첨가를 제외하고는 동일 조성으로 동일 형성된 보드 건축재보다 오븐 건조 전 물을 덜 포함한다.
하기 예시는 타일 코어를 가지고 외면 코팅, 구멍 또는 기타 마감 처리되지 않은 보드를 비교한 것이다. 보드 조성물은 광물면, 재활용 신문용지, 옥수수 전분, 탄산칼슘, 퍼라이트 및 응집제를 포함한다. 바람직한 차음성, 강도 및 기타 특성을 제공하기 위하여 옥수수 전분 함량은 약 8 wt% 인 것이 바람직하다는 것은 실험적으로 결정되었다. 이하, 보드 조성물을 변경시켜 다양한 함량의 키토산 및 감소된 함량의 전분을 포함시켜 키토산의 결합 및 보강 특성을 보였다.
제조 보드에 포함된 성분들의 절대 함량을 하기 표 1에 요약한다.
보드 1은 키토산이 첨가되지 않고 전형적인 함량의 전분을 가지는 대조군이다. 보드 2-5는 키토산이 증가되고 결합제인 전분이 감소되는 보드들이다.
보드 1-5의 다양한 성분들의 중량 백분율을 표 2에 나타낸다.
보드 1-5를 시험하고 결과를 하기 표 3에 제시한다. 하기 시험 방법은 표 3에 요약된 시험 결과를 위하여 사용된 절차이다.
파단계수를 위한 MOR 시험은 3-점 굽힘 시험이다. 본 시험 절차는 조립식 건축용 차음 타일 또는 레이-인 천장판넬의 강도 특성을 위한 ASTM C 367 표준시험방법과 유사하다. 경도 시험은 천장타일 설치 또는 설치-후 발생될 수 있는 압입 저항 성능을 나타낸다. 본원에서 적용된 2"볼 경도 시험은 조립식 건축용 차음 타일 또는 레이-인 천장판넬의 강도 특성을 위한 ASTM C 367 표준시험방법과 유사하다.
보드 1 및 2를 비교하면 증가된 MOR, 절단하중 및 경도 결과로 나타낸 바와 같이 강도 및 경도 증가를 보인다. 본 비교는 동일 함량의 결합제 및 보드 2에서 키토산 첨가에 따른 비교이다. 따라서, 키토산은 이러한 물성들을 증가시켰다.
보드 2 및 3에서 결합제 함량은 각각 1% 및 2% 감소하였다. 결합제 감소는 키토산 첨가로 완전히 보전되지 않았다. 따라서, 보드 3 및 4는 약간 약해지고 연화되었지만, 허용 물성 범위 내에 있다. 본원에서, 허용 물성이란 키토산 첨가를 제외하고 동일 성분들을 이용하여 동일하게 형성되는 천장타일에 의해 제공되는 수치의 최소한 약 95%인 물성 값을 의미한다.
물성 수치가 약간 낮아졌지만, 보드 2 및 3 건축재에서 더욱 고가인 전분 성분이 감소된다는 것에 주목하여야 한다. 또한, 재활용 신문 용지가 전분 물질 감소 함량만큼 대신 증가할 수 있고 이에 따라 타일의 재활용 및 제조후/사용후 함량을 높일 수 있다.
보드 5는 제어 수치의 5% 이상의 강도 및 경도 감소로 특징된다. 이러한 감소는 허용 물성 수치를 초과하는 것으로 판단된다. 재차, 재활용 신문 용지는 전분 감소분만큼을 대체하여 증가될 수 있고 따라서 타일의 재활용 및 제조후/사용후 함량을 높일 수 있다.
보드 1-5에 대한 소음 감소 여부를 시험하였고, 더욱 상세하게는, ENRC 또는 추정소음감소계수를 측정하였다. ENRC 시험은 임피던스관법에 의한 차음 재료 임피던스 및 흡음에 대한ASTM C 384 표준시험방법에 기초한다. 본 시험은 흡음을 예측하기 위하여 사용된다. 결과는 유사하게 제조된 샘플들에 대하여만 비교될 수 있다는 것을 이해하여야 하고, 예를들면 본원의 보드는 추가적인 표면 마감 또는 최종 처리를 하지 않은 것이다.
시험결과를 하기 표 4에 요약한다.
표 4에 나타난 바와 같이, 키토산을 사용하면 ENRC에 불리하게 작용하지 않고, 키토산 이점들은 이러한 특성에서 허용될 수 없는 손실 없이 달성될 수 있다.
본 발명은 예시로 제공되고 본 개시에 기재된 교시의 합리적인 범위로부터 벗어남이 없이 상세한 사항들을 추가, 변경 또는 탈락시켜 다양한 변경이 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 필요에 따라 하기 청구범위가 제한되는 정도를 제외하고 본 개시의 특정 상세 설명에 국한되지 않는다.
Claims (10)
- 섬유, 충전제, 결합제 및 키토산을 포함한 성분들이 상호 작용하도록 균일하게 분산된 수성 슬러리로부터 형성되고, 이에 따라 키토산을 제외하고는 동일 슬러리 성분들로 동일하게 형성되는 천장타일과 비교하여 결합제와 최소한 상호작용하는 키토산에 의해 구조적으로 강화되는 천장타일.
- 제1항에 있어서, 상기 키토산은 상기 성분들과 상호작용하여, 키토산을 제외하고는 동일 슬러리 성분들로 동일하게 형성되는 천장타일과 비교하여 MOR을 포함한 물성이 향상된 천장타일을 제공하는, 천장타일.
- 제1항에 있어서, 키토산은 수성 슬러리의 고형물의 총 중량에 대하여 약 1중량% 내지 약 6중량% 함량으로 존재하는, 천장타일.
- 제1항에 있어서, 키토산은 슬러리에 첨가되도록 산 용액에 용해되는, 천장타일.
- 제1항에 있어서, 슬러리는 첨가되는 함량의 키토산에 따라 허용 물성을 유지하기 위하여 감소되는 함량의 결합제 및 결합제 감소 함량에 따라 증가되는 함량의 셀룰로오스 섬유 재활용 재료를 포함함으로써 타일의 제조후/사용후 함량이 증가되는, 천장타일.
- 제5항에 있어서, 허용 물성은 MOR 및 경도를 포함하는, 천장타일.
- 제1항에 있어서, 상기 키토산은 상기 슬러리 성분들과 상호작용하여, 키토산을 제외하고는 동일 슬러리 성분들로 동일하게 형성되는 천장타일과 비교하여 탈수과정에서 천장타일로부터 제거되는 물 함량이 증가되는, 천장타일.
- 제1항에 있어서, 상기 섬유는 광물면, 유리섬유 및 셀룰로오스 섬유로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 충전제는 퍼라이트, 탄산칼슘, 점토 및 스투코로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 결합제는 전분 및 라텍스로 이루어진 군에서 선택되는, 천장타일.
- 제1항에 있어서, 상기 천장타일은 중량기준으로:
약 5% 내지 약 65%의 섬유,
약 3% 내지 약 12%의 결합제, 및
약 1% 내지 약 6%의 키토산을 포함한 조성물을 가지는, 천장타일. - 차음성 건축재료에 있어서, 수성 슬러리에서 균일하게 분산된 광물 섬유, 충전제, 결합제 및 키토산을 포함한 성분들의 건조 제품으로 구성되며, 상기 키토산은 슬러리 성분들과 상호작용하고, 이에 따라 차음성 건축재료는 결합제와 최소한 상호 작용하는 키토산에 의해, 키토산을 제외하고는 동일 슬러리 성분들로 동일하게 형성되는 차음성 건축재료와 비교하여 구조적으로 강화되는, 차음성 건축재료.
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