KR20210039117A - 주조용 무기바인더 조성물 및 이를 이용한 중자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조용 무기 바인더 조성물 및 이를 이용한 중자에 관한 것으로서, 상세하게는 무기바인더 조성물로서, 물유리에 나노 실리카, 내수성 첨가제, 소착방지 첨가제를 포함하여 종래 무기바인더와 비교하여 우수한 강도 및 유동성을 나타내며 소착을 개선한 친환경적 주조용 무기 바인더 조성물 및 이를 이용한 중자에 관한 것이다.
본 발명의 주조용 무기바인더 조성물은 모래 주형 및 중자 제작과정에서 혼련사의 유동성을 유지하면서 Si의 함량을 올려 강도를 향상시키고 작업 효율을 높이고, 상기 무기바인더를 이용하여 제조된 중자는 폴리페놀, 벤젠, 포름알데히드 등의 유해가스 및 유해물질을 발생시키지 않는 무기바인더 조성물을 이용하여 친환경적이고 작업환경을 개선하는 효과가 있다.

Description

주조용 무기바인더 조성물 및 이를 이용한 중자 {Inorganic binder composition for casting and core using the same}

본 발명은 주조용 무기 바인더 조성물 및 이를 이용한 중자에 관한 것으로서, 상세하게는 무기바인더 조성물로서, 물유리에 나노 실리카, 내수성 첨가제, 소착방지 첨가제를 포함하여 종래 무기바인더와 비교하여 우수한 강도 및 유동성을 나타내며 소착을 개선한 친환경적 주조용 무기 바인더 조성물 및 이를 이용한 중자에 관한 것이다.

제조 산업에서 가장 중요한 것은 바로 주조(casting)이다. 주조란, 액체 상태의 재료를 형틀에 부은 후 굳혀서 모양을 만드는 방법으로 쇳물을 형틀에 붓는 것을 의미한다. 이때, 형틀은 대부분 모래를 사용해 만들게 되는데, 가루 형태의 모래를 단단하게 만들기 위해 첨가되는 것이 바로 ‘바인더(binder)’이다.

바인더란, 접착제의 역할을 수행하는 것으로, 모래를 원하는 모양으로 단단하게 성형할 수 있도록 하며 전 세계적으로 일반적으로는 유기바인더를 사용하고 있다. 그러나, 유기바인더를 사용할 경우 유기바인더에서 생성되는 유해물질이 문제가 되고 있다. 구체적으로, 유기바인더를 섞어 만든 형틀에 쇳물을 붓게 되면 유리페놀, 벤젠, 포름알데히드 등의 유해 가스가 다량 발생하게 되며, 이렇게 발생한 유해 가스는 작업자의 건강에도 안 좋을 뿐만 아니라 쇳물이 응고될 때 기포가 발생되어 제품에 영향을 주게 되며, 나아가 제조되는 제품의 강도를 떨어뜨리는 등 제품 불량을 초래하게 된다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 무기바인더에 대한 관심이 집중되고 있으나 무기바인더의 경우 물유리 특유의 흡습성으로 인해 내습성이 취약하고 수분에 의한 팽윤, 강도 저하, 용출 등의 문제가 발생하고 있다. 특히 고온 다습한 기후에서는 사용이 거의 불가능하며, 무기바인더의 경우 액상인 물유리를 기반으로 하기 때문에 모래가 금속 표면에 잔류하는 소착 문제가 발생한다.

대한민국등록특허 제10-1527909호는 물유리, 나노 실리카, Li계 내수성 첨가제, 유기규소화합물 및 소착방지 첨가제를 포함하는 주조용 무기 바인더 조성물이 모래 주형 및 중자의 강도 및 내수성을 보완할 수 있음에 대하여 개시하고 있으나, 중자의 강도가 크게 향상되지 않았고, 한국의 고온 다습한 기후에 적용하기에 적합하지 않은 문제가 있다.

대한민국등록특허 제10-1527909호 대한민국등록특허 제10-1948022호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 우수한 강도를 가지면서 유동성과 소착 기능이 개선된 주조용 무기바인더 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기 주조용 무기바인더 조성물을 이용한 중자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

물유리, 나노실리카, 내수성 첨가제, 계면활성제를 포함하는 주조용 무기바인더 조성물로,

상기 물유리는 SiO₂ 25 ~ 36 중량%, Na₂O 7 ~ 15% 중량%를 포함하고,

상기 내수성 첨가제는 나트륨계 내수성 첨가제 및 리튬계 내수성 첨가제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 내수성 첨가제이며,

상기 무기바인더 조성물은 단당류, 이당류 및 다당류로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 소착방지 첨가제를 함유하고,

상기 무기바인더 조성물은 25℃ 온도에서 40 mPas 미만의 점도를 가지며, 상기 무기바인더 조성물 내 입자상 성분이 30 nm 미만의 입자 직경을 가지고, 상기 무기바인더 조성물의 고체 함량이 30 ~ 40 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조용 무기바인더 조성물을 제공한다.

상기 이당류는 설탕, 맥아당, 엿당, 유당 및 젖당으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

본 발명의 주조용 무기바인더 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 중자를 제공한다.

상기 중자는 철(iron), 강철(steel), 구리 또는 알루미늄 주조용일 수 있다.

본 발명의 주조용 무기바인더 조성물은 모래 주형 및 중자 제작과정에서 혼련사의 유동성을 유지하면서 Si의 함량을 올려 강도를 향상시키고 작업 효율을 높이는 효과가 있다.

본 발명의 중자는 폴리페놀, 벤젠, 포름알데히드 등의 유해가스 및 유해물질을 발생시키지 않는 무기바인더 조성물을 이용하여 친환경적이고 작업환경을 개선하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 유동 성능에 대한 그래프이다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 명세서에서 사용된 '물유리(water glass)'는 이산화규소와 알칼리를 융해하여 수득된 규산나트륨(액상)을 진한 수용액으로 제조한 것을 의미한다.

본 발명의 일 측면에 따르면,

물유리, 나노실리카, 내수성 첨가제, 계면활성제를 포함하는 주조용 무기바인더 조성물로, 물유리는 SiO₂ 25 ~ 36 중량%, Na₂O 7 ~ 15% 중량%를 포함하고, 내수성 첨가제는 나트륨계 내수성 첨가제 및 리튬계 내수성 첨가제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 내수성 첨가제이며, 무기바인더 조성물은 단당류, 이당류 및 다당류로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 소착방지 첨가제를 함유하고, 40 mPas 미만의 점도를 가지며, 무기바인더 조성물 내 입자상 성분이 30 nm 미만의 입자 직경을 가지고, 무기바인더 조성물의 고체 함량이 30 ~ 40 중량%인 것을 특징으로 하는 주조용 무기바인더 조성물을 제공한다.

본 발명의 무기바인더 조성물 중 물유리는 SiO₂ 25 ~ 36 중량%, Na₂O 7 ~ 15% 중량%를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 물유리는 주조용 무기바인더 총 중량% 대비 75 내지 90 중량%를 포함 할 수 있다. 물유리를 75 중량% 미만으로 포함할 경우 상기 무기바인더를 형성하는 물유리의 함량이 소량 포함되어 상기 무기바인더의 형태가 붕괴될 수 있으며, 95 중량% 초과하여 포함할 경우 상기 다른 구성성분의 함량이 적어지게 되고, 상기 물유리 특유의 흡습성으로 인해 내습성이 감소되어 무기바인더로서 작용할 수 없는 문제가 발생하게 되므로, 상기 물유리는 상기 주조용 무기바인더 총 중량% 대비 75 내지 95 중량%로 포함되는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에 있어서, 무기바인더 조성물은 나노 실리카를 포함할 수 있는데 나노 실리카는 5 ~ 20 나노미터 크기의 입자와 구조를 가지는 이산화규소(SiO2) 입자로서, 미세한 기공이 입자 표면과 평행하게 나와 있거나 기공의 방향이 불규칙해 외부물질이 내부로 쉽게 접근하기 힘든 성질이 있다. 나노 실리카는 물유리와 합성 시 Si의 함량을 높여 강도를 향상시킬 수 있고, 나노 실리카 입자의 구조에 의하여 무기바인더 조성물의 내수성 및 발수성을 향상시킬 수 있다.

내수성 첨가제는 나트륨계 내수성 첨가제 및 리튬계 내수성 첨가제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 물유리중의 나트륨 이온과 혼합 알칼리 효과를 가짐에 따라 완성된 무기 바인더의 화학적 내구성을 강화시키면서 내수성을 향상시킬 수 있다.

나트륨계 내수성 첨가제는 소듐카보네이드, 소듐실리케이트, 소듐하이드록사이드, 소듐설페이트, 소듐브로마이드, 소듐포스페이트, 디소듐포스페이트, 트리소듐포스페이트, 및 소듐아세테이트 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.

리튬계 내수성 첨가제는 리튬카보네이드, 리튬실리케이트, 리튬하이드록사이드, 리튬설페이트, 리튬브로마이드 및 리튬아세테이트 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 리튬계 내수성 첨가제는 SiO₂ 농도가 물유리만큼 높고 몰비가 8에 가까운 경우에도 실온에서 안정하고 점도가 낮은 특징을 갖는다.

본 발명의 내수성 첨가제는 나트륨계 내수성 첨가제와 리튬계 내수성 첨가제의 각 군에서 선택되는 하나 이상의 첨가제일 수 있고, 그 혼합 첨가제일 수 있다.

본 발명의 계면활성제는 무기바인더의 표면장력을 낮추고 핀 홀 발생을 최소화하며, 기공 크기의 분포도를 균일하게 할 수 있다. 계면활성제는 0.1 내지 1.0 중량% 포함할 수 있다. 계면활성제가 0.1 중량% 미만으로 포함할 경우 기공이 균일하게 형성되기 어려우며, 1.0 중량% 초과하여 포함할 경우 과도하게 많은 기공이 형성되어 상기 무기바인더의 기계적 물성이 저하될 수 있다. 본 발명의 계면활성제는 바람직하게는 벤젠술폰산 나트륨(sodium benzensulfonate) 유도체일 수 있다.

소착방지 첨가제는 단당류, 이당류 및 다당류로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는, 단당류는 포도당, 프룩토스, 마노스, 갈락토스, 글루코스 및 리보스 중에서 선택되는 하나 이상인 것이고, 다당류는 스타치, 글라이코젠, 셀룰로우스, 키틴 및 펙틴 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 이당류는 설탕, 맥아당, 엿당, 유당 및 젖당으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 무기바인더 조성물은 40 mPas 미만의 점도를 가지며, 무기바인더 조성물 내 입자상 성분이 30 nm 미만의 입자 직경을 가지고, 무기바인더 조성물의 고체 함량이 30 ~ 40 중량%일 수 있다.

무기바인더 조성물의 점도는 너무 낮거나 높지 않아야 한다. 25℃의 온도에서, 본 발명에 따른 무기바인더는, 점도가 40 mPas 미만, 바람직하게는 38 mPas 미만, 특히 바람직하게는 35 mPas 미만이다. 25℃의 온도에서, 결합제는, 점도가 2 mPas 초과, 바람직하게는 4 mPas 초과이다.

본 발명에 있어서 무기바인더 총 중량% 대비 0.01 ~ 0.1 중량%의 알코올을 더 포함할 수 있고, 바람직하게는 아이소옥틸 알코올(Isooctyl alcohol)을 더 포함할 수 있다. 아이소옥틸 알코올은 무기바인더의 유동성을 향상시켜 중자의 충진성을 높이는 효과를 가질 수 있다.

무기바인더 조성물 내 입자상 성분은 30 nm 미만의 입자 직경을 가질 수 있다.

본 발명의 무기바인더 조성물은 30 ~ 40 중량%, 바람직하게는 33 ~ 37 중량%의 고체 함량을 가진다. 고체 함량은 액체를 증발시켜 무기바인더를 건조시킨 후 이를 공기 대기하에 600℃에서 1시간 동안 가열함으로써 측정된다. 나머지 산화 재료를 칭량하여 고체 함량을 측정한다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면,

본 발명의 무기바인더 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 중자를 제공한다.

본 발명에 따른 주조용 무기바인더 조성물을 이용하여 제조되는 중자는 종래의 유기바인더의 사용으로 다량 발생하는 폴리페놀, 벤젠, 포름알데히드 등 유해가스 및 유해물질을 발생시키지 않고, 작업환경을 개선하는 효과를 가진다.

중자 제조에 이용되는 주조용 무기바인더 조성물은 앞서 기재한 바와 같다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하나 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

재료

본 발명의 실시예 또는 비교예에서 언급된 시약 및 용매는 특별한 언급이 없는 한 Sigma-Aldrich Korea에서 구입한 것이다.

실시예 1. 무기바인더 조성물

물유리 70g, 나노실리카 15g, NaOH 3g, LiOH 2g, 이당류로서 설탕 4.5g, 벤젠술폰산 나트륨 유도체를 포함하는 계면활성제 0.5g 및 물 5g을 상온에서 스페출러를 이용하여 골고루 혼합하여 주조용 무기바인더를 합성하였다.

실시예 1에 따른 주조용 무기바인더의 조성물 내 입자상 성분은 30 nm 미만의 입자 직경을 나타내었으며, 고체함량은 36 중량%이었다.

실시예 2. 무기바인더를 이용한 중자

내수성 첨가제, 나노실리카, 소착방지 첨가제가 모두 포함된 무기바인더를 제조하고, 이를 이용하여 중자를 제조하였다. 제조된 무기바인더의 조성은 실시예 1과 같다.

중자의 제조과정은 다음과 같다.

먼저, 혼합기에 AFS 55 베트남사와 상기 AFS 55 건조사에 대해 1 내지 6% 액상의 무기 바인더를 혼합하고 100~160초 동안 혼련하여 혼련사를 제조하였다. 다음으로, 130~150℃로 가열된 금형에 1~10bar의 압력으로 상기 혼련사를 주입하고, 경화시킴으로써, 중자를 제조하였다. 다음으로, 상기 제조된 중자를 취출하고 상온에서 냉각하였다.

실시예 2에 따른 중자의 제조조건을 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

비교예 1. 대한민국등록특허 제10-1527909호에 따른 무기바인더

물유리 65 g, 나노 실리카 20 g, Li계 내수성 첨가제로서 리튬카보네이드 5 g, 유기규소화합물로서 메틸트리에톡시실란 5 g 및 소착방지제로서 단당류인 포도당 5 g을 상온에서 스페츌러(Spatula)를 이용하여 골고루 혼합하여 한국등록특허 제10-1527909호에 따른 주조용 무기 바인더를 합성하였다.

비교예 2. 대한민국등록특허 제10-1948022호에 따른 무기바인더

물유리 80 g, NaOH 5 g, LiOH 1.8 g, 아이소옥틸 알코올(Isooctyl alcohol) 0.05 g, 이당류로서 설탕 5.45 g, 벤젠술폰산 나트륨(sodium benzensulfonate) 유도체를 포함하는 계면활성제 0.7 g 및 물 7 g을 상온에서 스페츌러(Spatula)를 이용하여 골고루 혼합하여 한국등록특허 제10-1948022호에 따른 주조용 무기 바인더를 합성하였다.

비교예 3. 무기바인더를 이용한 중자

비교예 1에 따른 무기바인더를 이용하여 중자를 제조하였다. 제조방법과 제조조건은 실시예 2와 같다.

비교예 4. 무기바인더를 이용한 중자

비교예 2에 따른 무기바인더를 이용하여 중자를 제조하였다. 제조방법과 제조조건은 실시예 2와 같다.

<평가 및 결과>

실험예 1. 점도

실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 무기바인더에 대한 점도를 측정하였다. 점도 측정은 점도계(Viscometer, DV2T Viscometer, Brookfield, USA)를 사용하였으며, 25℃, Torque range 40~60% 범위에서 SC4-18 Spindle 및 SC4-13R Sample Chamber를 사용하여 End condition time 1분, Multiple data internal 10초, Averaging duration 5초로 하여 측정하였다.

실시예 1의 경우 38 mPas, 비교예 1의 경우 77 mPas, 비교예 2의 경우 42 mPas의 점도가 측정되었다. 비교예 1의 경우 나노실리카를 포함하여 점도가 높게 나타나는데 본 발명에 따른 무기바인더는 나노실리카를 포함함에도 나노실리카를 포함하지 않는 비교예 2의 무기바인더의 점도와 유사한 수준의 점도가 나타남을 확인할 수 있었다. 나노실리카를 포함하는 비교예 1의 무기바인더와 비교하면 약 50% 가량 감소된 것을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 무기바인더는 나노실리카를 함유하여 강도를 향상시키고, 입자의 구조에 따라 내수성 및 발수성을 향상시키면서도 점성을 저하하여 작업성 및 중자의 충진성을 개선하고 화학적 내구성을 강화함에 특징이 있다.

실험예 2. 강도 성능 평가

실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4에 따른 중자의 강도 변화를 측정하였다. 중자의 강도변화 측정은 강도 시험기(HJ-0505, 흥진정밀, KOREA)를 사용하였으며, KS L 3314:2002을 준용하여 삼점 굽힘 시험을 실시하였다.

최대 강도는 실시예 2의 경우 320 N/cm², 비교예 3의 경우 233 N/cm², 비교예 4의 경우 275 N/cm²로 나타났다. 본 발명에 따른 중자는 나노실리카를 포함하지 않는 비교예 4의 경우와 비교하면 강도가 약 16% 향상되었고, 나노실리카를 포함하지만 NaOH 및 LiOH를 포함하지 않는 비교예 3의 경우와 비교하면 강도가 약 37% 향상됨을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 중자는 나노실리카를 포함하면서 NaOH와 LiOH를 혼합하여 사용함에 따라 경화 속도를 제어하여 화학적 내구성 및 내수성이 향상된 특징이 있다.

실험예 2 및 실험예 3에 따른 점도 및 강도 성능 평가에 대한 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

[표 2]

실험예 3. 유동 성능 평가

실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 무기바인더를 사용하여 혼련사를 제조한 후, 각각의 혼련사의 유동성을 측정하였다. 혼련사의 유동 성능 측정은 Powder Flow Tester(PFT, Brookfield, USA)를 사용하였으며, ASTM D 6128을 준용하여 유동성능을 측정하였다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 유동 성능에 대한 그래프이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 무기바인더를 사용하여 제조된 혼련사의 경우 계면활성제를 포함하지 않는 비교예 1의 무기바인더를 사용하여 제조된 혼련사와 비교하여 현저히 향상된 유동성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 유사함량의 계면활성제를 포함하는 비교예 2의 무기바인더를 사용하여 제조된 혼련사와는 유사한 성능을 나타내는 것을 확인하였다. 이를 통해 계면활성제를 포함하여 혼련사의 충진성을 향상시키고, 유동성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명에 따른 무기바인더는 나노실리카를 함유하여 강도를 향상시키고, 입자의 구조에 따라 내수성 및 발수성을 향상시키면서도 계면활성제를 부가하여 혼련사의 유동성을 향상시켜 작업성과 충진성을 개선하는 특징이 있다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

1. 물유리, 나노실리카, 내수성 첨가제, 계면활성제를 포함하는 주조용 무기바인더 조성물로,
   상기 물유리는 SiO₂ 25.0 ~ 36.0 중량%, Na₂O 7.0 ~ 15.0% 중량%를 포함하고,
   상기 내수성 첨가제는 나트륨계 내수성 첨가제 및 리튬계 내수성 첨가제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 내수성 첨가제이며,
   상기 무기바인더 조성물은 단당류, 이당류 및 다당류로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 소착방지 첨가제를 함유하며,
   상기 무기바인더 조성물은 25℃ 온도에서 40 mPas 미만의 점도를 가지며, 상기 무기바인더 조성물 내 입자상 성분이 30 nm 미만의 입자 직경을 가지고, 상기 무기바인더 조성물의 고체 함량이 30 ~ 40 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조용 무기바인더 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 이당류는 설탕, 맥아당, 엿당, 유당 및 젖당으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 주조용 무기바인더 조성물.
   
3. 제 1 항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 따른 무기바인더 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 중자.
   
4. 제 3 항에 있어서, 철(iron), 강철(steel), 구리 또는 알루미늄 주조용인 것을 특징으로 하는 중자.
   

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