KR20210054184A - 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에서 MgO의 공급원료로 철강용 폐내화재료 분말을 채택함으로써 경제성과 함께 금속 등의 표면도장에 사용되는 코팅제로서 우수한 특성을 발현하는 새로운 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물은, MgO의 공급원료로 철강용 폐내화재료 분말을 채택하고 반응형 벤토나이트를 혼입하여 조성하되, 철강용 폐내화재료 분말은 93중량% 이상의 MgO를 함유하면서 2000~6000cm2/g의 분말도를 가지는 것으로 채택하고, 반응형 벤토나이트는 알칼리 수용액이 도포된 벤토나이트를 분쇄하여 분말도 1500~3000cm2/g로 제조한 것으로 채택하는 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는, 철강용 폐내화재료 분말 15~45중량%, 반응형 벤토나이트 1~5중량%, 일인산칼륨 10~25중량%, 일인산암모늄 5~20중량%, 규회석 10~40중량%, 이산화티타늄 3~10중량%, 붕사 1~10중량%를 포함하여 조성된다.

Description

폐내화물을 이용한 코팅제 조성물{Coating Composition Using Waste Fireproof Material}
본 발명은 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에서 MgO의 공급원료로 철강용 폐내화재료 분말을 채택함으로써 경제성과 함께 금속 등의 표면도장에 사용되는 코팅제로서 우수한 특성을 발현하는 새로운 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것이다.
철강산업은 제품을 생산하기 위하여 많은 양의 자원과 에너지를 사용하고 또한 다양한 종류의 부산물도 발생한다. 철강부산물로는 암석성분의 슬래그, 배기가스 집진공정의 더스트, 산화철, 폐내화물 등이 있다. 대표적인 철강부산물인 슬래그는 전량 재활용되는 실정이고, 더스트나 슬러지도 재활용 증가에 따라 매립 폐기되는 양이 크게 감소하는 추세이다.
폐내화물은 전로, 전기로 등에 내장재 등으로 사용된 내화블록이 주를 이룬다. 전로, 전기로 등은 고온의 정련공정이 이루어지기 때문에 고온에서 내식성이 강한 내화블럭으로 축조되는데, 이러한 내화블럭은 일정기간이 경과하면 슬래그 및 이물질이 부착되어 변질되기 때문에 새로운 내화블럭으로 교체할 필요가 있다. 내화블럭 교체로 인해 발생되는 폐내화물의 양은 매년 만톤 이상이며, 대부분이 지반에 매립 폐기되는 실정이다.
한편 철제 등 금속 재료에는 금속표면을 코팅제로 도장 처리하며, 대표적인 코팅제로 MgO계 인산 세라믹 코팅제가 있다. 그런데 기존 MgO계 인산 세라믹 코팅제는 빠른 반응속도로 인해 코팅제의 작업시간 확보를 위해 과소된 MgO를 사용해 왔다. MgO는 세라믹 생성에 있어 반드시 포함되어야 하는데, 일반적인 MgO 또는 Mg(OH)2를 사용하면 빠른 반응속도로 인해 작업시간 확보에 문제가 있어 반응성이 낮은 과소된 MgO를 사용하는 것이다. 하지만 과소된 MgO의 경우 반응속도에 있어 작업시간 확보에 유리하나 과소되지 않은 MgO에 비해 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
KR 10-2018-0114773 A
본 발명은 종래 MgO계 인산 세라믹 코팅제의 과소 MgO 사용에 따른 문제를 개선하고자 개발된 것으로서, MgO의 공급원료를 철강용 폐내화재료 분말을 재활용함으로써 경제성을 확보한 새로운 코팅제 조성물을 제공하는데 기술적 과제가 있다. 더불어 본 발명은 금속 표면도장용 코팅제로서 우수한 특성을 발현하는 MgO계 인산 세라믹 코팅제를 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 제공하기 위해 본 발명은, MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에서 MgO의 공급원료로 철강용 폐내화재료 분말을 채택하고 반응형 벤토나이트를 혼입하여 조성하되, 철강용 폐내화재료 분말은 93중량% 이상의 MgO를 함유하면서 2000~6000cm2/g의 분말도를 가지는 것으로 채택하고, 반응형 벤토나이트는 알칼리 수용액이 도포된 벤토나이트를 분쇄하여 분말도 1500~3000cm2/g로 제조한 것으로 채택하는 것을 특징으로 하는 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물을 제공한다. 더불어 본 발명은 더욱 바람직하게는, 철강용 폐내화재료 분말 15~45중량%, 반응형 벤토나이트 1~5중량%, 일인산칼륨 10~25중량%, 일인산암모늄 5~20중량%, 규회석 10~40중량%, 이산화티타늄 3~10중량%, 붕사 1~10중량%를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, MgO계 인산 세라믹 코팅제에서 과소 MgO 대신에 철강부산물의 하나인 폐내화물에서 입수할 수 있는 MgO를 사용하기 때문에, 자원 재활용에 따른 경제성과 친환경성을 기대할 수 있다.
둘째, 본 발명의 MgO계 인산 세라믹 코팅제는 철강 폐내화재료로부터 얻은 MgO와 함께 반응형 벤토나이트를 사용하기 때문에, 적절한 유동성과 작업시간을 확보할 수 있어 시공성이 우수하다.
셋째, 본 발명의 MgO계 인산 세라믹 코팅제는, 철강 폐내화재료로부터 얻은 MgO, 반응형 벤토나이트 외에 인산염, 규회석, 이산화티타늄, 붕사 등과 적절하게 조성한 결과 증진된 강도 발현과 함께 내부식성 효과를 나타내므로, 금속 등의 표면도장용 코팅제로 유리하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시험예에서 실시예 1의 내부식성 평가 결과를 나타낸다.
본 발명은 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것으로, MgO의 공급원료로 철강용 폐내화재료 분말을 채택하고 동시에 반응형 벤토나이트를 혼입하여 조성한다는데 특징이 있다. 여기서 철강용 폐내화재료 분말은 93중량% 이상의 MgO를 함유하면서 2000~6000cm2/g 분말도를 가지는 것(이하, '리사이클 MgO 분말'로 칭함)이고, 반응형 벤토나이트는 알칼리 수용액이 도포된 벤토나이트를 분쇄하여 분말도 1500~3000cm2/g로 제조된 것이다. 기존 과소 MgO 대신에 철강용 폐내화재료 분말을 사용하여 경제성과 친환경성을 확보하고, 반응형 벤토나이트를 사용하여 코팅제가 금속 표면 등에 코팅된 후에 경화 반응이 안정적으로 이루어지도록 한 것이다.
본 발명에 따른 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물은, 리사이클 MgO 분말 15~45중량%, 반응형 벤토나이트 1~5중량%, 일인산칼륨 10~25중량%, 일인산암모늄 5~20중량%, 규회석 10~40중량%, 이산화티타늄 3~10중량%, 붕사 1~10중량%를 포함하여 조성될 수 있다.
본 발명에서 리사이클 MgO 분말은 철강공장의 전로, 전기로, 레이들 등에서 사용되어 수명이 다한 폐내화물을 볼밀, 진동밀 등으로 분쇄한 분말이다. 리사이클 MgO 분말은 자연스럽게 소성된 상태이기 때문에 과소된 MgO 형태로 존재하며, 본 발명에서는 과소된 MgO가 93중량% 이상 함유한 것으로 적용된다. 이러한 리사이클 MgO 분말은 과소된 MgO 형태이므로 반응성이 낮고 안정적이며, 또한 일반 시중에서 판매되는 과소된 MgO보다 경제성이 좋고 높은 강도성능이 구현된다. 특히 또한 기존 시중의 과소 MgO와 리사이클 MgO를 동일 조건에서 분쇄할 경우 리사이클 MgO의 분말도가 더 높은 것으로 확인되었는데, 리사이클 MgO는 무기결합재로 성형된 블록이나 벽돌형태의 폐내화물이 고온의 조건에 노출되어 소성된 후 배출된 것이어서 소성에 의해 폐내화물이 약한 모형체를 가지므로 동일 조건으로 분쇄할 경우 기존 시중의 과소 MgO보다 분쇄효율이 우수해 더 높은 분말도를 가지게 되는 것이다. 분말도가 높은 경우 반응성이 우수하기 때문에 코팅제의 우수한 특성확보에 더욱 유리하게 작용한다. 리사이클 MgO 분말은 2000~6000cm2/g 분말도를 가지는 것이 바람직한데, 분말도가 2000cm2/g 미만이면 비표면적이 낮아 반응성이 지나치게 낮으며, 반면에 6000cm2/g 초과하면 경제성이 떨어진다. 리사이클 MgO 분말은 반응성, 친환경성, 경제성, 물리적 특성을 고려하여 15~45중량% 사용하는 것이 바람직하며, 15중량% 미만이면 친환경성 및 경제성이 떨어지고, 45중량%를 초과하면 친환경성 및 경제성은 개선되지만 다른 재료와의 반응성에서 떨어진다.
반응형 벤토나이트는 알칼리 수용액이 도포된 벤토나이트를 분쇄하여 분말도 1500~3000cm2/g로 제조된 것으로, 작업시간 확보와 유동성 확보에 기여한다. 벤토나이트는 수분을 흡수하는 성질과 흡수된 수분을 장시간에 걸쳐 용출하는 특징이 있는데, 이러한 특성 때문에 벤토나이트에 알칼리 수용액을 도포하면 벤토나이트가 알칼리 수용액을 흡수하게 되며, 이로써 반응형 벤토나이트는 벤토나이트에 흡수된 알칼리 수용액이 서서히 용출되면서 산성환경을 억제하고 급속한 경화를 완화하기 때문에 코팅제의 작업시간을 지연시키고 유동성을 개선시키는 효과가 있다. 알칼리 수용액은 물 100중량부에 대하여 알카리염을 0.3~4중부량가 혼입된 것이 바람직한데, 알칼리염이 0.3중량부 미만이면 그 효과가 미미하고, 4중량부 초과하면 초기 경화가 지나치게 지연되어 강도성능 저하가 우려된다. 여기서 알칼리염은 황산칼륨, 황산나트륨을 사용하는 것이 경제적이고 효과적이다.
일인산칼륨과 일인산암모늄은 인산염으로 사용되는 것인데, 리사이클 MgO 분말과 함께 수화하여 경화하는 재료가 된다. 일인산칼륨은 조기강도 발현, 내산성 개선에 효과가 있는데, 10~25중량% 사용한다. 일인산칼륨이 10중량% 미만이면 조기강도 발현 및 내산성 개선 효과가 미약하고, 25중량% 초과하면 빠른 경화 특성으로 인해 작업시간 확보가 어렵다. 일인산암모늄은 수화반응시 발열이 낮은 이점이 있으나, 암모니아 가스가 발생하여 악취가 발생하는 단점이 있다. 일인산암모늄은 5~20중량% 사용하는데, 5중량% 미만이면 리사이클 MgO 분말과의 반응성이 떨어지며, 20중량% 초과하면 암모니아 기체의 방출량이 많아져 작업환경이 저하한다.
규회석은 충전재가 되어 강도 성능을 증진시키고 코팅제의 균열방지에 기여한다. 규회석은 분말도가 1,800~3,000cm2/g인 섬유상으로 평균길이:직경의 비가 12:1 이상인 것이 바람직한데, 분말도가 1,800cm2/g 미만이면 충전이 치밀화되지 못하고, 3,000cm2/g 초과하면 섬유상 침상구조가 파괴되어 강도, 내구성 개선 및 균열 방지의 효과가 저하하며, 또한 섬유상 평균길이:직경의 비가 최소 12:1 이상이 되어야 균열방지에 기여할 수 있다. 규회석은10~40중량% 사용하는 것이 바람직하다.
이산화티타늄은 백색안료로 코팅제의 색도를 밝게 유지시켜주고 또한 내광성이 있어 도포 후의 코팅면이 빛과 만나 변색되는 것을 방지해준다. 이산화티타늄은 3~10중량% 사용하는 것이 바람직하며, 3중량% 미만이면 사용 효과가 미미하고, 10중량% 이상이면 경제성이 떨어진다.
붕사는 반응의 지연으로 적절한 작업시간의 확보에 기여하는 재료가 되며, 1~10중량% 사용한다. 1중량% 미만이면 반응지연 효과가 없고, 10중량% 초과하면 반응 지연 효과가 더 이상 개선되지 않아 경제성을 상실한다.
위와 같이 조성된 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물은 물배합하여 금속 표면도장용 코팅제로 활용할 수 있다. 이때 물배합은 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물 100중량부에 물 15~30중량부가 적당하다. 물배합한 코팅제는 아래 시험예에서 확인한 바와 같이 적절한 유동성과 응결시간을 확보하고, 나아가 우수한 강도 특성과 내부식성 특성을 발휘한다.
이하에서는 시험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[시험예] 세라믹 코팅제의 특성 평가
1. 세라믹 코팅제의 조성
아래 [표 1]과 같은 조성으로 세라믹 코팅제 조성물을 준비하였다.
세라믹 코팅제 조성
구분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 실시예1 실시예2
기존 과소 MgO - - - 30 - -
리사이클 MgO 분말 30 30 30 - 30 30
일인산칼륨 15 15 15 15 15 15
일인산암모늄 15 15 15 15 15 15
규회석 35 30 30 27 27 32
이산화티타늄 5 5 5 5 5 3
붕사 - 5 - 5 5 3
반응형 벤토나이트 - - 5 3 3 2
계 100 100 100 100 100 100
- 기존 과소 MgO : 1300℃에서 3시간 소성후 볼밀에서 30분 분쇄하여 제조.
분말도2,350 cm2/g
- 리사이클 MgO 분말: 철강회사 입수. MgO 함량 94중량%, 분말도 3,170 cm2/gg
- 일인산칼륨 : 흰색고체, pH(5%) 4.0~4.5, 비중 2.338
- 일인산암모늄 : 흰색고체, pH(1%) 4.3~5.0, 비중 1.8
- 규회석 : 분말도 1,800~3,000cm2/g, 섬유상 입자, 평균길이:직경의비=12:11
- 이산화티타늄 :흰색분말, 비중 4.26 pH(1% 현탁액) 7.0~8.0
- 붕사 : 흰색분말, pH(5%) 8.7~9.3, 비중 1.73
- 반응형 벤토나이트 : 물:황산나트륨=1:99 중량비로 혼합한 알칼리수 1중량부를 벤토나이트 100중량부에 도포 후 분쇄하여 제조. 분말도 1500~3000cm2/g
2. 세라믹 코팅제의 물리적 특성
위의 [표 1]과 같은 조성의 세라믹 코팅제 조성물 100중량부에 대하여 물 17중량부를 혼합하고 압축강도, 유동성, 응결시간을 평가하였다. 압축강도는 KS L ISO 679에 의거하여 (40mm x 40mm x 160mm)의 각주형 몰드로 시험하고, 유동성은 KS L 5105에 의거하여 시험하였으며, 응결(초결)은 KS L 5108에 의거하여 시험하였다. 그 결과 아래 [표 2]와 같은 결과를 나타냈다.
세라믹 코팅제의 물리적 특성
구분 압축강도(MPa) 유동성
(mm)		 응결(초결)
(min)
3시간 3일 7일
비교예1 37.1 45.1 58.6 120 5
비교예2 34.3 50.8 62.5 130 10
비교예3 32.7 47.2 64.6 180 15
비교예4 34.5 48.9 60.7 190 18
실시예1 37.7 54.0 67.6 190 18
실시예2 39.5 54.3 68.1 180 17
비교예1은 코팅제의 분체를 리사이클 MgO 분말, 일인산칼륨, 일인산암모늄, 규회석, 이산화티타늄으로 조성한 예인데, 재령 3시간의 압축강도는 높았으나 재령3일, 7일에는 다른 비교예나 실시예보다 가장 낮게 나타냈고, 유동성 또한 가장 낮았고, 응결은 가장 빠르게 나타냈다. 비교예2는 비교예1에서 규회석의 일부를 붕사로 치환 조성한 예인데, 비교예1과 비교할 때 재령 3시간 압축강도를 제외하고는 유동성, 응결시간, 3일/7일 압축강도 모두 개선된 것으로 확인된다. 비교예3은 비교예3에서 붕사를 반응형 벤토나이트로 치환 조성한 예인데, 비교예2와 비교할 때 재령 3시간/3일 압축강도는 저하되었지만 7일 압축강도는 향상된 것으로 확인되며, 특히 유동성과 응결시간이 현저히 개선된 것으로 확인된다. 비교예4는 코팅제의 분체를 기존 과소 MgO, 일인산칼륨, 일인산암모늄, 규회석, 이산화티타늄, 붕사, 반응형 벤토나이트로 조성한 예인데, 비교예3보다 3시간 압축강도와 유동성, 응결시간은 개선되었지만 3일/7일 압축강도는 오히려 떨어지는 것으로 나타냈다.
실시예1가 비교예4에서 기존 과소 MgO를 리사이클 MgO 분말로 치환 조성한 예인데, 비교예4와 비교할 때 유동성과 응결시간은 동일하게 나타내고 압축강도는 좀더 개선된 수준을 나타냈다. 이와 같은 결과에 따라 본 발명에 따른 MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물은 코팅제로서의 강도 성능과 작업성이 좋다고 할 것이다.
3. 세라믹 코팅제의 내부식성
실시예1의 코팅제 조성물 100중량에 대하여 물 17중량부를 혼합하고 내부식성 평가하였다. 내부식성 평가는 코팅시편과 미코팅시편을 준비하여 각각의 면에 스크래치를 낸후 염수를 분무하는 방식으로 진행하였으며, 시간 경과에 따른 부식정도를 비교하였다. 염수는 NaCl 5% 수용액을 사용하였고 1일 1회 분무하였다. 평가 결과 도 1과 같은 결과를 나타냈다. 도 1에서 보는 바와 같이 코팅시편은 시간이 경과함에 따라 부식진행 정도가 확인되지 않으나, 미코팅시편은 시간의 경과에 따라 부식의 정도가 점차 증가하는 것으로 확인된다.

Claims (5)

  1. MgO계 인산 세라믹 코팅제 조성물에서,
    MgO의 공급원료로 철강용 폐내화재료 분말이 채택되고 반응형 벤토나이트가 혼입되어 조성되되,
    상기 철강용 폐내화재료 분말은, 93중량% 이상의 MgO를 함유하면서 2000~6000cm2/g의 분말도를 가지는 것이며,
    상기 반응형 벤토나이트는, 알칼리 수용액이 도포된 벤토나이트를 분쇄하여 분말도 1500~3000cm2/g로 제조된 것임을 특징으로 하는 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 반응형 벤토나이트는, 물 100중량부에 대하여 알칼리염 0.3~4중량부 혼합한 알칼리 수용액으로 제조된 것임을 특징으로 하는 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물.
  3. 제2항에서,
    상기 반응형 벤토나이트는, 알칼리염으로 황산칼슘, 황산나트륨 중 하나 이상을 이용하면서 제조된 것임을 특징으로 하는 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물.
  4. 제3항에서,
    철강용 폐내화재료 분말 15~45중량%, 반응형 벤토나이트 1~5중량%, 일인산칼륨 10~25중량%, 일인산암모늄 5~20중량%, 규회석 10~40중량%, 이산화티타늄 3~10중량%, 붕사 1~10중량%를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물.
  5. 제4항에서,
    상기 규회석은, 분말도가 1,800~3,000cm2/g인 섬유상으로 평균길이:직경의 비가 12:1 이상인 것임을 특징으로 하는 폐내화물을 이용한 코팅제 조성물.
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