KR20210122500A - 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법 - Google Patents

지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법 Download PDF

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KR20210122500A
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Abstract

본 발명은 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계; 상기 졸-겔에 준비된 첨가제를 첨가하여 첨가제가 충진된(filled) 졸-겔을 형성하는 단계; 형성된 상기 졸-겔에 물을 첨가하여 희석된 졸-겔을 형성하는 단계; 희석된 졸-겔에서 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 현탁액을 얻는 단계; 및 상기 현탁액에서 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법{The manufacturing method of the GEO Polymer or the GEO polymer composite}
본 발명은 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 첨가제를 포함하는 지오폴리머(geopolymer) 또는 지오폴리머 복합체의 새로운 제조방법에 관한 것이다.
Geopolymer는 알칼리성 알루미노케이트(aluminosilicate) 시멘트의 일종으로, 건설현장에서 주요하게 사용되는 일반 포틀랜드 시멘트와 비교할 때, 낮은 CO2 방출과 함께 기계적, 화학적 특성 및 중금속 고정화 특성이 우수하여 시멘트 대체소재로 기대되고 있다.
한편, 포틀랜드 시멘트는 1300℃의 높은 고열에서 석회석을 소성하는 제조과정에서 지구온난화의 주요 원인으로 지적되고 있는 CO2를 대량으로 발생시키는데, 시멘트 1㎏을 생산하는데 약 950g의 CO2 가스가 발생하는 것으로 알려져 있다.
반면, Geopolymer는 실온에서 합성이 되기 때문에 CO2 가스의 발생은 거의 없다.
한편, 시멘트는 주원료가 천연자원인 석회석인데, 이를 채광하는 과정에서 발생되는 산림훼손이나 부산물은 환경에 또 다른 부담으로 작용하나, Geopolymer는 시멘트와는 달리 산업폐기물이나 기존산업에서 경제성이 떨어지는 저급재료를 사용 할 수 있고, 제조방법에 따라 시멘트보다 우수한 물리적 특성을 나타내기도 하여 상업적 관심이 고조되고 있는 실정이다.
한편, 현재까지 알려진 지오폴리머 제조기술은 주로 순수한 알루미나, 실리카, 산화칼슘 등과 알칼리성 물질로서 규산염 및 수산화염을 활용하였다. 한국특허 제10-0846821호에서는 플라이 애시로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정을 하고 있는데, 이 제조공정은 볼 제분기나 버티컬 롤러 제분기에서 가공하지 않은 플라이 애시 물질을 분쇄하여 제분하는 단계, 이것을 기계적 혼합기에서 조화시켜 섞는 단계, 칼륨 또는 나트륨의 규산염 또는 수산화물과 같은 알칼리성 활성제와 혼합하는 단계, 및 원하는 형태로 성형한 후 60 내지 250℃의 온도범위에서 경화하는 단계로 구성된다.
그러나 이 기술은 발생 된 플라이 애시를 그대로 사용하는 것에 비하여 가공처리를 위한 에너지를 소비해야 하며, 성형 된 후에도 60~250℃의 온도범위에서 제조되기 때문에 역시 많은 에너지를 소비 해야하는 단점이 있다.
한편, 한국특허 제10-0796534호에서는 콘크리트 조성물의 결합재로, 포틀랜드 시멘트 30~60중량%, 고로 슬래그 미분말 30~60중량%, 플라이 애시 10~30중량%로 이루어지는 결합재가 개시되어 있다. 이 기술 역시 고로 슬래그나 플라이 애쉬를 시멘트 대체재로 일부 사용할 뿐이므로 폐자원의 효율적인 재활용 방안은 되지 못하며, 잠열성 혼합물의 구성성분으로 인산수소이나트륨 화합물을 사용하고 있으나 이 화합물을 사용하게 되면 시간의 경과에 따라 백화현상이 발생하게 되는 문제점이 있다.
아울러, 상기 기술들은 공히 압축강도와 유동성이 부족하다는 문제점도 동시에 가지고 있다. 시멘트가 들어가는 조성물은 유동성 부족 때문에 별도의 감수제, 유동화제 등을 첨가하여 문제점을 해소하고 있는 실정이다.
본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 시멘트의 사용 없이도 매우 높은 수준의 초기 및 후기 압축강도를 발휘하며, 강도 발현에 악영향을 주는 크랙 발생 및 유동성을 충분히 확보할 수 있는 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법 제공을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 모래, 골재 등과 함께 사용될 수도 있으며, 도로포장재, 건축재료, 보수재 등으로 효과적으로 사용될 수 있는 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법 제공을 다른 목적으로 한다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 세라믹 섬유 및 세라믹 샤모트 등과 혼합하여 내화용 단열재, 내화판넬, 콘크리트 폭열방지 코팅제 등으로 사용할 수 있는 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법 제공을 또다른 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 목적들을 달성하기 위하여 먼저, 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계, 상기 졸-겔에 준비된 첨가제를 첨가하여 첨가제가 충진된(filled) 졸-겔을 형성하는 단계, 형성된 상기 졸-겔에 물을 첨가하여 희석된 졸-겔을 형성하는 단계, 희석된 졸-겔에서 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 현탁액을 얻는 단계 및 상기 현탁액에서 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계는 알루미노실리케이트, 포스포알루미네이트, 알칼리 실리케이트 및/또는 알칼리 알루미네이트가 혼합될 수 있다.
바람직하게 상기 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계는 탈수산화된 카올리나이트, 메타카올린, 메타카올리나이트, 플라이 애쉬(fly ash), 노 슬래그(furnace slag), 적니(red mud), 열 실리카(thermal silica), 흄드 실리카, 할로이사이트, 광미사(mine tailing), 포졸란, 카올린, 및 건물잔류물(building residue)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 시멘트의 사용 없이도 매우 높은 수준의 초기 및 후기 압축강도를 발휘하며, 강도 발현에 악영향을 주는 크랙 발생 및 유동성을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 모래, 골재 등과 함께 사용될 수도 있으며, 도로포장재, 건축재료, 보수재 등으로 효과적으로 사용될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 세라믹 섬유 및 세라믹 샤모트 등과 혼합하여 내화용 단열재, 내화판넬, 콘크리트 폭열방지 코팅제 등으로 사용할 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체 제조방법의 전체 공정을 도시한 도다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체 제조방법의 전체 공정을 도시한 도다.
상기 도 1을 참좀하면, 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계, 상기 졸-겔에 준비된 첨가제를 첨가하여 첨가제가 충진된(filled) 졸-겔을 형성하는 단계, 형성된 상기 졸-겔에 물을 첨가하여 희석된 졸-겔을 형성하는 단계, 희석된 졸-겔에서 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 현탁액을 얻는 단계 및 상기 현탁액에서 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체를 수득하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계는 알루미노실리케이트, 포스포알루미네이트, 알칼리 실리케이트 및/또는 알칼리 알루미네이트를 혼합하는 것을 포함한다.
따라서, 상술한 단계에서, 졸-겔은 예를 들어 알루미노실리케이트 전구체와 소듐 알루미네이트 또는 소듐 디실리케이트와 같은 활성화제의 혼합물로부터 물의 첨가로 제조된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 있어서 바람직하게는 소듐 디실리케이트 또는 소듐 알루미네이트 또는 이들의 포타슘유사체를 사용하며 보다 바람직하게는 알칼리 용액은 수(水)-희석된 소듐 알루미네이트 또는 소듐 디실리케이트, 특히 소듐 알루미네이트를 이용한다.
한편, 상기 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계는 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합함으로써 수행되어 졸-겔을 형성하고, 여기서 혼합은 알칼리 조건하에 수행된다.
또한, 알루미노실리케이트 전구체와 포스포알루미네이트의 혼합물로부터 제조된 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 사용은 비닐 방향족 폴리머 발포체의 자기소화 효과를 더 향상시킨다는 것을 발견하였다.
또한, 이러한 개선은 이 유형의 불투열성 및 난연성 성분이 다른 팽창성 비닐 폴리머, 예컨대 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 또는 또 다른 유형의 폴리머, 예컨대 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리이미드 또는 다양한 유형의 수지에 사용되는 경우에 달성된다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 있어서, 상기 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계는 탈수산화된(dehydroxylated) 카올리나이트, 메타카올린, 메타카올리나이트, 플라이 애쉬(fly ash), 노 슬래그(furnace slag), 적니(red mud), 열 실리카(thermal silica), 흄드 실리카, 할로이사이트, 광미사(mine tailing), 포졸란, 카올린, 및 건물잔류물(building residue)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함하며, 바람직하게는 메타카올린, 메타카올리나이트, 노 슬래그, 플라이 애쉬, 및 흄드 실리카로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함하고 특히, 메타카올린 또는 메타카올리나이트, 노 슬래그, 플라이 애쉬, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 상술한 기술적 구성들을 통해 시멘트의 사용 없이도 매우 높은 수준의 초기 및 후기 압축강도를 발휘하며, 강도 발현에 악영향을 주는 크랙 발생 및 유동성을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 모래, 골재 등과 함께 사용될 수도 있으며, 도로포장재, 건축재료, 보수재 등으로 효과적으로 사용될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법은 세라믹 섬유 및 세라믹 샤모트 등과 혼합하여 내화용 단열재, 내화판넬, 콘크리트 폭열방지 코팅제 등으로 사용할 수 있는 우수한 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

Claims (3)

  1. 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계;
    상기 졸-겔에 준비된 첨가제를 첨가하여 첨가제가 충진된(filled) 졸-겔을 형성하는 단계;
    형성된 상기 졸-겔에 물을 첨가하여 희석된 졸-겔을 형성하는 단계;
    희석된 졸-겔에서 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 현탁액을 얻는 단계; 및
    상기 현탁액에서 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계는 알루미노실리케이트, 포스포알루미네이트, 알칼리 실리케이트 및/또는 알칼리 알루미네이트가 혼합되는 것을 특징으로 하는 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 알칼리 용액에서 알루미네이트 및 실리케이트 전구체를 혼합하여 졸-겔을 형성하는 단계는 탈수산화된 카올리나이트, 메타카올린, 메타카올리나이트, 플라이 애쉬(fly ash), 노 슬래그(furnace slag), 적니(red mud), 열 실리카(thermal silica), 흄드 실리카, 할로이사이트, 광미사(mine tailing), 포졸란, 카올린, 및 건물잔류물(building residue)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 지오폴리머 또는 지오폴리머 복합체의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113998929A (zh) * 2021-11-02 2022-02-01 广州大学 一种高性能地聚合物混凝土及其制备方法

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