KR20180081321A - 고온 내화단열재용 무기바인더, 고온 내화단열재 및 이의 제조방법 - Google Patents

고온 내화단열재용 무기바인더, 고온 내화단열재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기바인더 및 이를 이용하여 제조한 내화단열재에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로 설명하면 저온 경화성이 우수하면서 융점이 높은 고온 내화단열재용 무기바인더 및 이를 이용하여 제조한 고온에서의 열변형이 매우 적은 내화단열재에 관한 것이다.

Description

고온 내화단열재용 무기바인더, 고온 내화단열재 및 이의 제조방법{Inorganic binder for high temperature insulating materials, superhigh temperature insulating materials containing the same and Manufacturing method thereof}
본 발명은 고온 내화단열재 제조에 사용되는 무기바인더, 이를 포함하는 고온 내화단열재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 경량 단열재는 나노 크기의 실리카 분말, 예로 퓸드 실리카를 주성분으로 하여 탄화규소 또는 티타니아와 같은 입자를 불투명화제로 첨가하고 구조강화를 위해 세라믹 섬유를 추가하여 보드형태로 제조된다.
나노크기의 실리카 분말의 한 종류인 퓸드 실리카 (Fumed silica)는 실리카 (SiO4) 사면체 구조가 비규칙적으로 연결된 그물망 구조를 형성하여 나노 수준의 기공크기를 가지고 있어서 이러한 소재로 만든 단열재는 공기의 열전도도보다 더 낮은 열전도도를 가질 수 있다.
또한 실리카의 비흡수계수 (specific absorption coefficient)는 8 μm 이하의 파장에서는 매우 작기 때문에 순수한 실리카의 복사열전도는 온도가 증가됨에 따라 증가한다고 알려져 있다.
따라서 고온에서 복사열전도를 방지하기 위하여 퓸드 실리카를 주성분으로 하는 단열재에 고온에서 복사에 의한 열전도를 감소시킬 수 있는 불투명화제가 첨가된다.
이러한 불투명화제로 블랙카본과 철 티타늄 옥사이드(예를 들어 티탄철석 또는 루콕신), 지르코니움 실리케이드(지르콘), 지르코니움 옥사이드(지르코니아), 산화철(예를 들어 적철광) 및 이의 혼합물, 탄화규소, 티타니아와 같은 산화물이 공지되어 있다. 블랙카본의 경우, 불투명화제로 유용하게 사용되나 300℃ 이상의 공기 중에서 산화가 일어나 고온에서는 사용하기 어렵다.
그리고, 종래의 내화단열재가 고온에서 급격히 수축 또는 팽창하여 균열을 일으키고 이로 인한 열전도율 상승의 문제점이 있으며, 또한 무기섬유를 이용한 기존의 내화단열재의 경우, 고온에서 수축하는 것이 무기섬유 고유의 성질이어서 수축 자체를 없앨 수는 없었다. 이를 방지하기 위해 수축이 되더라도 이를 상쇄시키기 위해서 팽창제를 사용했는데, 일반적인 팽창재는 1,300℃까지 그 성질을 유지하기 어려운 문제가 있었다.
그리고, 보일러, 온열히트 등에 사용되던 기존의 내화단열재는 1,300℃의 고온에서 열에 의한 휨 변형이 발생되고, 열충격 강도가 약하여 단열재에 균열이 발생하는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허번호 10-0678635(2007.01.29)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 내화단열재에 사용되는 바인더가 저온 경화성 및 높은 융점을 가져야 내화단열재의 고온에서의 열변형 및 열충격에 대한 안정성을 확보할 수 있음을 인식하여 많은 연구 끝에 내화단열재 제조에 사용되는 최적의 조성 및 조성비를 가지는 무기바인더를 완성하게 되었다. 즉, 본 발명은 고온 내화단열재용 무기바인더 및 이를 이용하여 제조한 고온 내화단열재를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고온 내화단열재용 무기바인더는 SiO2를 35 ~ 45 중량%, Na2O 0.01 ~ 1 중량% 및 잔량의 용매를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 무기바인더는 경화시키는 경우, 경화된 무기바인더는 규소원자(Si) 29 ~ 38 at%, 산소원자(O) 60 ~ 70 at%, 나트륨원자(Na) 0.5 ~ 1 at% 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 무기바인더는 비중이 1.20 ~ 1.35일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 무기바인더는 pH 9 ~ 11일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 무기바인더는 20℃에서 점도가 50 cps 이하일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 상기 무기바인더는 250℃ ~ 300℃ 하에서 경화시, 20분 이하 내에 경화가 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 경화된 무기바인더는 융점이 1,400℃ 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 앞서 설명한 다양한 형태의 무기바인더를 이용한 고온 내화단열재에 관한 것으로서, 세라믹 파이버 및 상기 무기바인더를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 고온 내화단열재는 상기 세라믹 파이버 5 ~ 15 중량% 및 상기 무기바인더 85 ~ 95 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 세라믹 파이버는 Al2O3 44 ~ 47 중량%, SiO2 52 ~ 55.4 중량%, Fe2O3 0.2 ~ 0.6 중량%, TiO2 0.05 ~ 0.4 중량%, K2O 0.3 ~ 0.7 중량% 및 Na2O 0.02 ~ 0.7 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 세라믹 파이버는 평균직경 3.5㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 고온 내화단열재는 내화단열재 내부 및 표면에 형성된 기공의 평균직경이 200㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 고온 내화단열재는 KS L 9016에 의거하여 측정시, 열전도율이 0.035 ~ 0.050 W/mk일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 고온 내화단열재는 850℃에서 24시간 가열 전후의 내화단열재의 팽창율이 5% 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온 내화단열재의 제조방법에 관한 것으로서, 세라믹 파이버와 상기 무기바인더를 혼합 및 교반하여 혼합액을 제조하는 1단계; 상기 혼합액을 성형가공하여 성형체를 제조하는 2단계; 상기 성형체를 열경화 및 건조시키는 3단계; 및 건조된 성형체를 치수 가공하는 4단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
본 발명의 무기바인더는 저온 경화성이 우수하면서도, 경화 후 융점이 1,400℃ 이상으로 매우 높은 융점을 가지는 바 우수한 불연성을 가질 수 있으며, 나아가 Cd, Pb, Hg, Cr6 + 등의 중금속을 내포하고 있지 않는 바, 인체 무해성을 확보한 무기바인더이다. 또한, 이러한 본 발명의 무기바인더는 고온 내화단열재로 사용하기 적합하며, 상기 고온 내화단열재는 낮은 열전도율, 팽창율을 가지며, 1,300℃ 이상의 고온에서도 열변형 및 열충격에 대한 높은 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 무기바인더를 열경화시키는 사진을 찍은 것이다.
도 2는 실시예 1의 무기바인더를 200℃, 250℃ 및 300℃에서 열경화시킨 후의 시간별 무게변화를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b 각각은 실시예 1 및 비교예 1의 무기바인더를 열경화시킨 후 결정화된 바인더를 찍은 사진이다.
도 4a 및 도 4b 각각은 실시예 1 및 비교예 1의 경화시켜 결정화된 무기바인더의 FE-SEM 측정 사진이다.
도 5a 및 도 5b 각각은 실시예 1 및 비교예 1의 경화시켜 결정화된 무기바인더의 EDS 성분분석 측정 결과이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 경화시켜 결정화된 무기바인더의 XRD 분석 결과이다.
도 7은 실시예 1의 무기바인더의 RoHs 시험성적서이다.
도 8a 및 도 8b 각각은 제조예 및 비교제조예의 내화단열재의 가열 전후의 측면 변형 발생 유무를 확인할 사진이다.
도 9a 및 도 9b 각각은 제조예 1(도 9a) 및 비교제조예 1(도 9b)에서 제조한 단열재를 850℃ 에서 24시간 동안 가열하기 전후에 찍은 사진이다.
도 10a 및 도 10b는 각각은 제조예 1(도 10a) 및 비교제조예 1(도 10b)에서 제조한 단열재를 FE-SEM 측정 사진이며, 단열재 내외부의 기공 크기를 측정한 사진이다.
도 11a 및 도 11b 각각은 제조예 1과 비교제조예 1의 단열재의 고온 하에서의 열변형 안정성을 측정한 사진이다.
도 12는 실시예 1의 단열재를 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하여 열전도율을 측정한 시험성적서이다.
이하에서는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 고온 내화단열재용 무기바인더(이하, 무기바인더로 칭함)는 SiO2를 Na2O 및 잔량의 용매를 포함한다.
이러한, 본 발명의 무기바인더는 규산나트륨 수용액을 투석법, 전기투석법, 산-중화법 또는 이온교환법 등으로 제조할 수 있다. 바람직한 일례를 들면, 규산나트륨 수용액으로부터 Na염을 제거하는 단계; pH를 조절하는 단계; 및 열처리 단계;를 수행하여 제조할 수 있으며, 이렇게 제조한 무기바인더는 SiO2를 35 ~ 45 중량%, Na2O 0.01 ~ 1 중량% 및 잔량의 용매를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 SiO2를 38 ~ 43 중량%, Na2O 0.01 ~ 0.6 중량% 및 잔량의 용매를 포함할 수 있다.
이때, 상기 SiO2 함량이 35 중량% 미만이면 무기바인더를 이용하여 단열재 제조시, 고온 하에서의 열적 안정성이 떨어져서 단열재에 크랙이 발생하거나 측면 박리 현상이 발생할 수 있으며, SiO2 함량이 45 중량%를 초과하면 바인더의 점도가 증가하는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내로 SiO2를 포함하는 것이 좋다.
그리고, Na2O는 되도록이면 무기바인더 내 적게 포함하는 것이 좋으며, 1 중량%를 초과하면 무기바인더를 이용하여 단열재 제조시, 고온 하에서의 열적 안정성이 떨어질 수 있으며, 단열재의 다른 조성과의 상용성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
그리고, 상기 용매로는 물, 메탄올 및 에탄올 중에서 선택된 단종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 휘발성이 적은 물을 사용하는 것이 좋다.
이러한 본 발명의 무기바인더는 경화시켜서 용매를 증발된 후, 규소원자(Si) 29 ~ 38 at%, 산소원자(O) 60 ~ 70 at%, 나트륨원자(Na) 0.5 ~ 1 at% 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 규소원자 30 ~ 34 at%, 산소원자 60 ~ 66 at%, 나트륨원자 0.5 ~ 0.8 at% 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 무기바인더는 비중이 1.20 ~ 1.35일 수 있으며, 바람직하게는 1.25 ~ 1.35일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.26 ~ 1.33일 수 있다.
또한, 본 발명의 무기바인더는 경화 전에는 액상이며, pH 9 ~ 11일 수 있으며, 바람직하게는 pH 9.5 ~ 10.5일 수 있다.
또한, 본 발명의 무기바인더는 20℃에서 점도가 50 cps 이하일 수 있으며, 바람직하게는 20℃에서 점도가 20 ~ 45 cps 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20℃에서 점도가 35 ~ 45 cps일 수 있다.
또한, 본 발명의 무기바인더는 250℃ ~ 300℃ 하에서 경화시, 20분 이하 내에 경화가 될 수 있으며, 바람직하게는 100℃ ~ 280℃ 하에서 경화시, 20분 이하 내에 경화될 수 있는 바, 저온 경화성이 매우 우수하다.
그리고, 경화된 본 발명의 무기바인더는 융점이 1,400℃ 이상, 바람직하게는 1,450 ~ 1750℃, 더욱 바람직하게는 1,460℃ ~ 1,650℃일 수 있다.
본 발명은 앞서 설명한 무기바인더를 이용하여 고온 내화단열재를 제조하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 고온 내화단열재는 세라믹 파이버와 무기바인더를 혼합 및 교반하여 혼합액을 제조하는 1단계; 상기 혼합액을 성형가공하여 성형체를 제조하는 2단계; 상기 성형체를 열경화 및 건조시키는 3단계; 및 건조된 성형체를 치수 가공하는 4단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
1단계에서 상기 무기바인더는 앞서 설명한 바와 동일하며 경화 전이기 때문에 액상의 무기바인더이다.
그리고, 상기 세라믹 파이버는 일반적으로 단열재에 사용하는 세라믹 파이버를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Al2O3 44 ~ 47 중량%, SiO2 52 ~ 55.4 중량%, Fe2O3 0.2 ~ 0.6 중량%, TiO2 0.05 ~ 0.4 중량%, K2O 0.3 ~ 0.7 중량% 및 Na2O 0.02 ~ 0.7 중량%를 포함하는 세라믹 파이버를 사용할 수 있다. 그리고, 이와 같은 성분을 포함하는 상기 세라믹 파이버는 밀도가 96 ~ 128 kg/m2이며, 샷 함량이 15 중량% 이하이고, 1,000℃에서 24 시간 가열시 선수축률이 2.5% 이하이며, 인장강도가 0.04 ~ 0.05 Mpa일 수 있다. 또한, 상기 세라믹 파이버는 열전도율이 400℃에서 0.090 ~ 0.095 W/mk일 수 있고, 열전도율이 500℃에서 0.119 ~ 0.123 W/mk일 수 있으며, 열전도율이 600℃에서 0.152 ~ 0.158 W/mk일 수 있다.
그리고, 상기 세라믹 파이버는 평균직경 3.5㎛ 이하인 것을, 바람직하게는 1㎛ ~ 3㎛ 인 것을 사용할 수 있으며, 세라믹 파이버의 평균직경이 3.5㎛를 초과하는 것을 사용하면 공극 발생량이 적어 단열성능이 저하하는 문제가 있을 수 있으며, 평균직경이 너무 적은 것을 사용하면 단열재 제조시 세라믹 파이버간 얽히고 뭉쳐서 단열 효과가 감소되는 문제가 있을 수 있다.
그리고, 1단계에서 세라믹 파이버 및 무기바인더의 사용량은 최종적으로 제조된 고온 내화단열재 내 세라믹 파이버와 무기바인더의 함량이 세라믹 파이버 5 ~ 15 중량% 및 상기 무기바인더 85 ~ 95 중량%를, 바람직하게는 세라믹 파이버 7 ~ 12 중량% 및 상기 무기바인더 88 ~ 93 중량%를 포함할 수 있도록 하는 것이 좋다. 1단계에서 사용된 무기바인더 내 용매가 내화단열재 제조과정에서 경화되어 증발되므로 최종 고온 내화단열재 내 무기바인더 함량을 맞출 수 있도록 사용해야 한다.
2단계의 성형가공은 내화단열재가 사용되는 용도, 환경에 맞도록 여러 형태로 성형가공이 가능하며, 성형가공 방법은 특별하게 한정하지 않으며, 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 사용할 수 있다.
3단계의 열경화는 230℃ ~ 300℃ 하에서 15분 ~ 30분간 수행할 수 있으며, 바람직하게는 230℃ ~ 280℃ 하에서 15분 ~ 25분간 수행하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 240℃ ~ 270℃ 하에서 15분 ~ 25분간 수행하는 것이 좋다.
그리고, 상기 건조는 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 통해서 수행할 수 있으며, 세라믹파이버를 경화시키기 위해 수행하는 것이다.
4단계는 건조된 성형체를 적용되는 부분, 위치 등에 맞도록 적정 크기로 치수를 가공하는 것으로서 당업계에서 사용하는 일반적인 방법으로 치수 가공을 수행할 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 고온 내화단열재는 내화단열재 내부 및 표면에 형성된 기공의 평균직경이 200㎛ 이하일 수 있으며, 바람직하게는 기공의 평균직경이 100㎛ 이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 기공의 평균직경이 15㎛ ~ 60㎛, 더 더욱 바람직하게는 기공의 평균직경이 15㎛ ~ 40㎛ 일 수 있다.
또한, 본 발명의 고온 내화단열재는 KS L 9016에 의거하여 측정시, 열전도율이 0.035 ~ 0.050 W/mk일 수 있으며, 바람직하게는 열전도율이 0.035 ~ 0.046 W/mk일 수 있다.
또한, 본 발명의 고온 내화단열재는 850℃에서 24시간 가열 전후의 내화단열재의 팽창율이 5% 이하일 수 있으며, 바람직하게는 4% 이하, 더욱 바람직하게는 3.7% 이하일 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명을 한다. 그러나, 본 발명의 권리범위를 하기 실시예에 의해 한정하여 해석해서는 안 된다.
[ 실시예 ]
실시예 1 : 무기바인더의 제조
규산나트륨 70 중량% 및 용매인 물 30 중량%를 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조한 후, 이로부터 이온교환법을 이용하여 Na염을 제거하였다.
다음으로, Na 염을 제조한 규산나트륨 수용액에 황산 및 염산을 첨가하여 pH 9~12으로 조절하였다.
다음으로, pH 조절한 규산나트륨 수용액을 80℃ 하에서 열처리하여 SiO2를 40 중량%, Na2O 0.41 중량% 및 잔량의 물을 포함하는 pH 9.8 ~ 10인 액상 무기바인더를 제조하였다.
제조된 액상 무기바인더는 비중이 1.28 ~ 1.29이며, 20℃에서 점도가 42 ~ 43 cps였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 규산나트륨 80 중량% 및 용매인 물 20 중량%를 혼합하여 규산나트륨 수용액을 제조한 후 이를 이용하여 Na 염 제거, pH 조절 및 열처리하여 SiO2를 30 중량%, Na2O 0.38 중량% 및 잔량의 물을 포함하는 pH 9.5 ~ 9.7인 액상 무기바인더를 제조하였다.
제조된 액상 무기바인더는 비중이 1.20 ~ 1.21이며, 20℃에서 점도가 17 ~ 19 cps였다.
실험예 1 : 무기바인더 열경화 온도 따른 중량 변화 측정
실시예 1의 무기바인더를 200℃, 250℃, 300℃ 각각에서의 온도별 중량 변화를 측정하였으고, 무기바인더의 중량 변화가 없으면 무기바인더 내 용매가 모두 증발 및 결정화되어 완전 경화된 것이다.
열경화는 도 1과 같이 오븐에 투입하여 수행하였으며, 경화된 후 결정화된 사진을 나타내었으며, 측정 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 살펴보면, 300℃에서는 10분 정도부터 완전 경화가 된 것을 확인할 수 있고, 250℃에서는 20분 정도부터 무기바인더의 중량 변화가 없는 바, 20분 정도에 완전 경화가 되었음을 확인할 수 있었다. 그리고, 200℃에서는 60분 정도부터 중량 변화가 없는 바, 열경화 시간이 너무 길어짐을 확인할 수 있었다.
이를 통하여, 단열재 제조시 무기바인더의 열경화온도는 230℃ ~ 300℃, 바람직하게는 230℃ ~ 280℃ 하에서 15분 ~ 25분간 수행하거나, 경제성을 고려할 때, 더욱 바람직하게는 240℃ ~ 270℃ 하에서 15분 ~ 25분간 수행하는 것이 유리함을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 무기바인더가 저온 경화성이 우수함을 확인할 수 있었다.
실험예 2 : 열경화된 무기바인더 FE-SEM 측정 및 EDS 측정
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 액상의 무기바인더 각각을 250℃ 하에서 20분간 각각 열경화시켰으며, 열경화되어 결정화된 무기바인더 각각의 사진을 도 3a(실시예 1) 및 도 3b(비교예 1)에 나타내었다.
도 3을 살펴보면, 실시예 1 및 비교예 1 모두 투명하며, 실시예 1이 비교예 1 보다 노란빛깔이 더 났었으며, 이는 무기바인더 내 성분 차이 때문인 것으로 판단된다.
그리고, 상기 열경화된 실시예 1 및 비교예 1의 무기바인더 각각의 FE-SEM(field emission scanning electron microscope)을 측정하여 도 4a(실시예 1) 및 도 4b(비교예 1)에 각각 나타내었다.
도 4a와 도 4b를 살펴보면 무기바인더 형태를 확인할 수 있다.
또한, 열경화된 실시예 1 및 비교예 1의 무기바인더 각각을 EDS(energy dispersive spectroscopy)를 측정하였고, 그 결과를 도 5a(실시예 1) 및 도 5b(비교예 1)을 나타내었으며, 이를 정리한 데이터를 하기 표 1에 나타내었다.
도 5 및 표 1을 살펴보면, 실시예 1이 비교예 1 보다 Si 및 O 함량이 높은 것을 확인할 수 있다. 그리고, 열경화된 무기바인더를 구성하는 원소 중 탄소원자(C) 및 백금원자(Pt)는 불순물로서 EDS 측정시 측정의 원할함을 위해 카본테이프와 백금코팅하여 측정했기 때문에 측정된 것이다.
구분 실시예 1 비교예 1
Si 31.48 at% 27.66 at%
O 62.31 at% 58.55 at%
Na 0.76 at% 0.82 at%
기타 불순물(C, Pt) 5.45 at% 12.97 at%
총합 100 at% 100 at%
실험예 3 : 경화된 무기바인더의 XRD(X-ray diffraction) 측정
실험예 2에서 사용한 상기 상기 열경화된 실시예 1 및 비교예 1의 무기바인더 각각의 XRD를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6을 살펴보면 실시예 1 및 비교예 1의 무기바인더 모두 22° 부근에서 주피크(main peak)가 관찰되었다. 그리고, 도 6에서 넓은 부분은 비정질의 실리카 피크로 판단된다.
실험예 4 : 열경화된 무기바인더 내 인체 유해성 여부 측정
인체 유해 성분 존부를 측정하기 위하여 실시예 1의 무기바인더를 250℃에서 20분간 열경화시킨 후, 결정화된 무기바인더를 제조하였다. 다음으로 이를 중금속 함량 및 기타 유기 성분 존부 측정 위해 외부 기관에 의뢰하여, RoHS [Restriction of Hazardous Substances in EEE] 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
RoHs 측정 결과, Cd, Pb, Hg, Cr6 + 등의 중금속이 존재하지 않음을 확인할 수 있었으며, 이 외에 인체에 유해한 유기성분이 존재하지 않음을 확인할 수 있었다.
실험예 5 : 열경화된 무기바인더 내 인체 유해성 여부 측정
실험예 2에서 사용한 상기 열경화된 실시예 1 및 비교예 1의 무기바인더 각각의 융점을 측정하였으며, 열경화된 실시예 1의 무기바인더는 융점이 1,480℃ ~ 1,500℃였고, 열경화된 비교예 1의 무기바인더는 융점이 1,340 ~ 1,350℃였다.
제조예 1 : 고온 내화단열재의 제조
하기 표 2의 성분 및 물성을 가지는 세라믹 파이버를 준비하였다.
상기 세라믹 파이버 및 실시예 1의 액상 무기바인더를 혼합 및 교반하여 혼합액을 제조하였다.
다음으로 상기 혼합액을 성형틀에 부은 후, 250℃를 20분간 가하여 무기바인더를 열경화시킨 다음, 건조시켜서 건조된 성형체를 제조하였다.
다음으로 건조된 성형체를 30cm×30cm×10.21 mm(가로×세로×두께)로 치수가공하여 고온 내화단열재를 제조하였다.
밀도 (kg/m2) 109
성분 (%) Al2O3 45.4
SiO2 52.9
ZrO2 -
Fe2O3 0.4
TiO2 0.3
K2O 0.6
Na2O 0.4
물성 섬유직경 (㎛) 2.5 ~ 2.8
샷 함량 (%) 13.8
선수축률 (%) 1.8 ~ 1.9
(1,000℃에서 24시간 가열 후)
인장강도 (MPa) 0.045
열전도율 400℃ 0.093
500℃ 0.121
600℃ 0.155
제조예 2 ~ 제조예 5
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 가로, 세로 크기가 같은 내화단열재를 제조하되, 하기 표 3과 같은 두께를 가지는 내화단열재를 제조하여, 제조예 1 ~ 5를 각각 실시하였다.
비교제조예 1 ~ 비교제조예 5
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 가로, 세로 크기가 같은 내화단열재를 제조하되, 실시예 1의 액상 무기바인더 대신 비교예 1의 액상 무기바인더를 사용하여, 하기 표 3과 같은 두께를 가지는 내화단열재를 제조하여 비교제조예 1 ~ 5를 각각 실시하였다.
샘플 두께 (mm) 샘플 두께 (mm)
제조예 1 10.29 비교제조예 1 10.20
제조예 2 9.83 비교제조예 2 10.04
제조예 3 10.45 비교제조예 3 10.06
제조예 4 10.23 비교제조예 4 10.04
제조예 5 10.14 비교제조예 5 10.00
평균 10.19 평균 10.07
실험예 6 : 열에 대한 두께 변화율 측정, 평활도 측정 및 크랙 발생 여부 측정
상기 제조예 1 ~ 5 및 비교제조예 1 ~ 5에서 제조한 내화단열재 각각을 850℃에서 24시간 동안 가열한 후, 두께 변화율을 각각 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
표 4를 살펴보면, 제조예 1 ~ 5 및 비교제조예 1 ~ 5 모두 전반적으로 두께 변화율이 크지 않았다.
그리고, 제조예는 평균 팽창율이 0.39%, 비교제조예는 평균 팽창율이 0.20%로 매우 낮은 결과를 보였다.
샘플 가열 전 두께 (mm) 가열 후 두께 (mm) 팽창율(%,
절대값임)
제조예 1 10.29 10.23 0.58
제조예 2 9.83 10.18 3.56
제조예 3 10.45 10.19 2.49
제조예 4 10.23 10.30 0.68
제조예 5 10.14 10.25 1.08
제조예 평균 10.19 10.23 0.39
비교제조예 1 10.20 10.19 0.10
비교제조예 2 10.04 10.02 0.20
비교제조예 3 10.06 10.16 1.00
비교제조예 4 10.04 10.11 0.70
비교제조예 5 10.00 9.95 0.5
비교제조예 평균 10.07 10.09 0.20
또한, 도 8a 및 도 8b 각각에 제조예 1 ~ 5 및 비교제조예 1 ~ 5에서 제조한 내화단열재의 측면을 850℃ 에서 24시간 동안 가열하기 전후에 찍은 사진이다. 이때, 도 8a의 샘플 1~5는 차례대로 제조예 1 ~ 5이며, 도 8b의 샘플 1 ~5는 차례대로 비교제조예 1 ~ 5이다.
도 8을 살펴보면, 제조예 1 ~ 5 및 비교제조예 1 ~ 5 모두 단열재 측면의 열변형이 발생되지 않았으며, 가열 전후, 평활도가 모두 우수한 결과를 보임을 확인할 수 있었다.
또한, 도 9a에는 가열 전후의 제조예 1의 내화단열재 평면 사진을, 도 9b에는 가열 전후의 비교제조예 1의 내화단열재 평면 사진을 나타내었다.
도 9a 및 도 9b를 살펴보면, 제조예 1 및 비교제조예 1 모두 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
실험예 7 : 내화단열재의 FE-SEM 측정
제조예 1 및 비교제조예 1의 내화단열재의 FE-SEM을 측정하여 도 10a 및 도 10b 각각에 나타내었다. 도 10의 SEM 측정 이미지를 살펴보면, 제조예 1의 경우, 직경 21.2㎛ ~ 29.1㎛ 크기의 기공들이 관찰되고, 평균직경 약 25.2㎛ 기공이 단열재 내외부에 존재함을 확인할 수 있었다. 이에 반해 비교제조예 1의 경우, 직경 77.2㎛ ~ 111.4㎛ 크기의 기공들이 관찰되고, 평균직경 약 93㎛ 기공이 단열재 내외부에 존재함을 확인할 수 있었다.
이를 통하여, 제조예 1 보다 비교제조예 1이 열경화시 바인더 내 용매의 휘발량이 다소 많아서 기공이 다 메워지지 않았고, 그 결과 평균기공이 크게 발생한 것으로 판단된다.
실험예 8 : 고온에서의 내화단열재 내열성 측정
제조예 1 및 비교제조예 1의 내화단열제 일측면을 1,300℃로 6시간 동안 가열한 후, 크랙 발생 여부 및 단면 박리 여부를 측정하였고, 그 결과를 도 11a 및 도 11b에 각각 나타내었다.
도 11a를 살펴보면, 제조예 1의 경우 크랙이 전혀 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 그러나, 도 11b를 살펴보면 비교제조예 2의 경우 표면에 미세 크랙이 발생했으며, 내화단열재 측면을 볼 때 단면 박리가 발생하는 문제가 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 9 : 내화단열재의 열전도율 측정
제조예 1 ~ 5 및 비교제조예 1의 내화단열재의 열전도율을 측정하여, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었으며, 제조예 1의 내화단열재를 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰한 시험성적서를 도 12에 나타내었다.
구분 열전도율(W/mk)
제조예 1 0.046
비교제조예 1 0.053
상기 표 5의 열전도율 측정 결과를 살펴보면, 비교제조예 1의 경우, 열전도율이 0.053W/mk로 제조예1과 비교할 때, 매우 높음을 확인할 수 있다.
상기 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명의 무기바인더가 친환경적이면서도 저온 경화성이 우수할 뿐만 아니라, 고융점을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 본 발명의 무기바인더를 도입하여 제조한 내화단열재가 고온 안정성을 확보할 수 있음으로 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. SiO2를 35 ~ 45 중량%, Na2O 0.01 ~ 1 중량% 및 잔량의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 내화단열재용 무기바인더.
  2. 제1항에 있어서, 무기바인더를 경화시키는 경우, 경화된 무기바인더는 규소원자(Si) 29 ~ 38 at%, 산소원자(O) 60 ~ 70 at%, 나트륨원자(Na) 0.5 ~ 1 at% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 내화단열재용 무기바인더.
  3. 제1항에 있어서, 비중이 1.20 ~ 1.35이고, pH 9 ~ 11이며, 20℃에서 점도가 50 cps 이하인 것을 특징으로 하는 고온 내화단열재용 무기바인더.
  4. 제1항에 있어서, 상기 무기바인더를 250℃ ~ 300℃ 하에서 경화시, 20분 이하 내에 경화되는 것을 특징으로 하는 고온 내화단열재용 무기바인더.
  5. 제2항에 있어서, 경화된 무기바인더는 융점이 1,400℃ 이상인 것을 특징으로 하는 고온 내화단열재용 무기바인더.
  6. 세라믹 파이버 및 제1항 내지 제5항 중에서 선택된 어느 한 항의 무기바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 내화단열재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 세라믹 파이버는 Al2O3 44 ~ 47 중량%, SiO2 52 ~ 55.4 중량%, Fe2O3 0.2 ~ 0.6 중량%, TiO2 0.05 ~ 0.4 중량%, K2O 0.3 ~ 0.7 중량% 및 Na2O 0.02 ~ 0.7 중량%를 포함하며,
    상기 세라믹 파이버는 평균직경 0.5㎛ ~ 3.5㎛인 것을 특징으로 하는 고온 내화단열재.
  8. 제6항에 있어서, 상기 세라믹 파이버 5 ~ 15 중량% 및 상기 무기바인더 85 ~ 95 중량%를 포함하는 것을 특징으로 8는 고온 내화단열재.
  9. 제6항에 있어서, KS L 9016에 의거하여 측정시, 열전도율이 0.035 ~ 0.050 W/mk인 것을 특징으로 하는 고온 내화단열재.
  10. 세라믹 파이버와 제1항 내지 제5항 중에서 선택된 어느 한 항의 무기바인더를 혼합 및 교반하여 혼합액을 제조하는 1단계;
    상기 혼합액을 성형가공하여 성형체를 제조하는 2단계;
    상기 성형체를 열경화 및 건조시키는 3단계; 및
    건조된 성형체를 치수 가공하는 4단계;
    를 포함하는 공정을 수행하는 특징으로 하는 고온 내화단열재의 제조방법.
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