KR20220097610A - 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 및 이의 제조방법 - Google Patents

닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 닥나무 인피섬유, 시멘트, 소석회, 및 규석을 포함한다.

Description

닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 및 이의 제조방법{BUILDING PANEL BY USING MULBERRY BAST FIBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 우수한 강성을 가지면서 흡습 및 방습 특성이 우수한 건축용 패널 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
닥나무는 뽕나무과에 속하는 낙엽성 관목으로 한자어로는 저(楮), 학명은 Broussonetia kazinoki sieb이며, 같은 종류의 닥나무도 기후, 토질에 따라 섬유폭, 섬유장 등의 특성이 다르다. 닥나무는 주로 속대 부분을 제외한 인피부를 이용하여 섬유화하고 있으며, 흑피, 청피, 백피로 구분된다. 또한 리그닌 함유량이 적고 셀룰로오스의 함유량이 높은 일반적인 비목재 원료의 특성을 지닌다. 예로부터 닥나무는 주로 종이의 용도로 한지제조에 이용되었고, 닥나무 인피섬유를 이용해 제조되는 전통 수록한지는 중성지로서 보존 특성이 매우 뛰어나 무구정광대다라니경, 조선왕조실록 등 기록유산 뿐 아니라 기록물 보존수복 등으로 다양하게 사용되어 왔다. 기존의 연구결과에 의하면 조선왕조실록에 사용된 한지는 현재까지도 높은 분자량을 유지하고 있어 종이의 내구성과 보존성이 입증되고 있다. 그러나 전통한지를 만드는 과정은 닥나무 채취, 목질부 분리, 박피, 증해, 세척, 표백, 고해, 초지, 탈수, 건조 공정으로 이루어져 있다. 즉, 전통한지 제조공정은 매우 복잡하고 노동 집약적이며 시간이 많이 소요되는 공정으로 대부분 수작업에 의존하고 있어 목재 펄프 제조와 같이 자동화 공정에 비해 경제성이 떨어지고 대량생산이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 공정특성은 닥나무 인피섬유 사용의 한계성으로 대두되어 닥나무 섬유를 소재로 한 제품의 가격 경쟁력을 확보하기 어려운 주요 원인으로 작용하고 있다.
한편, 최근 환경 문제가 세계의 공통적 해결 과제로 대두되고 있는 가운데 닥나무 인피섬유를 사용하여 석유계 원료의 합성섬유, 차량 및 실내용 내장재 등을 대체하는 기자재로 개발하고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있다. 그러나, 닥나무 인피섬유는 기존 도자기질(즉, 세라믹 재질)의 건축용 패널 대비 충분한 강도를 보유하지 못하여, 건축용 내/외장재로의 상품성이 떨어지는 문제가 있으며, 이에, 건축용 내/외장재로의 상품성을 개선하기 위한 기술개발이 요구된다.
한편, 전술한 배경기술은 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국등록특허 제10-1882775호 (2018.07.27.)
본 발명의 일 실시예는 닥나무 인피섬유의 강점을 활용할 수 있는 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 한국 산업표준 상 건축 내/외장재 강도 기준을 충족할 수 있는 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 흡습 및 방습 특성이 우수한 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 닥나무 인피섬유, 시멘트, 소석회, 및 규석을 포함한다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 최대 흡습량이 30g/m2 이상일 수 있다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 평균 기공률은 30 내지 35% 일 수 있다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 토버모라이트(tobermorite) 결정상을 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 C-S-H(칼슘-규산염-수화물) 결정상을 포함할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면 닥나문 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법은 닥나무 인피섬유를 분쇄하는 단계, 분쇄된 상기 닥나무 인피섬유, 시멘트, 소석회, 규석 및 물을 배합하는 단계, 배합된 원료를 가압하여 압축성형하는 단계, 및 압축성형된 성형품을 수열처리하는 단계를 포함한다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유의 분쇄전 비표면적은 0.05 내지 0.55m2/g 일 수 있다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유의 분쇄전 기공률은 26 내지 45%일 수 있다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유는 함안 칠서산 닥나무 백피일 수 있다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유를 분쇄하는 단계는, 상기 닥나무 인피섬유의 평균입경이 200μm 내지 320μm 가 되도록 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 닥나무 인피섬유를 분쇄하는 단계는, 상기 닥나무 인피섬유의 비표면적이 1.6 내지 4.0m2/g이 되도록 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 분쇄된 상기 닥나무 인피섬유, 상기 시멘트, 상기 소석회, 상기 규석 및 상기 물을 배합하는 단계는, 상기 시멘트, 상기 소석회 및 상기 규석을 칼슘산화물(CaO): 산화규소(SiO2)의 몰비가 6:10 내지 8:10이 되도록 배합하여 제1 배합물을 형성하는 단계, 상기 제1 배합물 대비 분쇄된 상기 닥나무 인피섬유를 0.2 내지 1.8%의 중량비로 혼합하여 제2 배합물을 형성하는 단계, 및 상기 제1 배합물 대비 5 내지 15%의 물을 상기 제2 배합물에 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 배합된 원료를 가압하여 상기 압축성형하는 단계는, 상기 배합된 원료를 금형에 주입하고, 100kgf/cm2 이상의 하중을 가하여 압축성형하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 압축성형된 성형품을 수열처리하는 단계는, 상기 압축성형된 성형품을 280℃이하의 온도에서 수열처리 하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 압축성형된 성형품을 수열처리하는 단계는, 물을 사용하여 수행될 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예는 충분한 강성을 가지면서, 닥나무 인피섬유에 의한 장점을 갖는 건축용 패널이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 기존 도자기질 패널 대비 우수한 흡습력 및 방습력을 갖는 건축용 패널이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널이 낮은 온도의 수열처리를 통해 제조될 수 있으므로, 닥나무 인피섬유의 변형이 최소화될 수 있고, 저렴한 제조 비용으로 제조가 가능한 이점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 건축용 패널의 제조방법을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7A 및 7B는 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 흡·방습 정도를 평가한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널(이하, “건축용 패널”로 지칭함)은 닥나무 인피섬유, 시멘트, 소석회(Ca(OH)2) 및 규석을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 건축의 내/외장재로 사용 가능한 모든 자재를 의미하며, 판넬, 타일 등 다양한 용어로 지칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 적용되는 부분의 특성에 따라 판 형태, 블록 형태 등 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 다각형, 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 닥나무 인피섬유를 포함하며, 닥나무 인피섬유에 포함된 셀룰로오스 천연 고분자 물질로 인해 기계적 특성이 우수하고, 가벼운 무게를 가지며, 우수한 흡습력 또는 방습력을 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 닥나무 인피섬유는 생분해성의 친환경 소재이므로, 석유계 원료의 대체제로 유용하고, 항균성, 소취성, 속건성, 원적외선 방사 등 다양한 기능성을 갖는다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 일반적인 건축용 패널 대비 다양한 기능성을 가질 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 최대 흡습량이 30g/m2 이상인 특징이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 평균 기공률이 30 내지 35%인 특징이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 내부에 토버모라이트(tobermorite) 결정상 및/또는 C-S-H(칼슘-규산염-수화물) 결정상을 포함할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 우수한 기계적 특성과 내부식성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널은 닥나무 인피섬유, 시멘트, 소석회, 규석을 물과 배합후, 압축성형하고, 수열처리하는 방식으로 제조될 수 있다. 이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 건축용 패널의 제조방법을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법은 먼저, 닥나무 인피섬유를 분쇄(S10)한다.
도 2를 참조하면, 닥나무 인피섬유의 분쇄 단계는 닥나무 인피섬유를 충분히 작은 미립자로 분쇄하는 단계로서, 닥나무 인피섬유(101)를 분쇄기 용기(220)에 넣고 분쇄날(210)을 통해 작은 입자로 분쇄하는 방식으로 수행될 수 있다.
닥나무 인피섬유(101)는 닥나무의 줄기 부분에서 추출된 닥나무 인피부를 가공한 원료로서, 전통적인 한지 제조에 사용되는 닥나무 인피섬유 제조법에 따라 제조될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유(101)는 닥나무의 껍질을 제거 후 줄기를 1~2m 길이로 잘라 밀폐된 용기에 넣고 증기로 찐 후, 건조하여 수득되는 닥나무 흑피가 사용되거나, 흑피를 물에 불린 후 겉껍질을 제거하여 수득되는 닥나무 청피가 사용되거나, 청피의 청색 부분을 제거하여 수득되는 닥나무 백피가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유(101)로는 이방 옥천, 함안 칠서, 파천 목계 지역에서 전통적인 방법으로 제조되는 닥나무 인피섬유(101)가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 함안 칠서에서 제조된 함안 칠서산 닥나무 백피가 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 닥나무 인피섬유(101)가 이에 한정되는 것은 아니며, 전통적 가공 방법이 아닌 다양한 방법으로 가공된 닥나무 인피섬유가 사용될 수 있으며, 닥나무의 산지가 특별히 한정되는 것은 아니다.
닥나무 인피섬유(101)는 풍부한 천연 셀룰로오스를 포함하며, 분쇄전 비표면적이 0.05 내지 0.55m2/g일 수 있다. 또한, 분쇄전 기공률은 26 내지 45%일 수 있다. 닥나무 인피섬유(101)가 상술한 범위의 비표면적 및 기공률을 갖는 경우, 건축용 패널로 가공시 충분히 우수한 기계적 강도를 유지하면서 동시에 우수한 흡습력 및 방습력을 가질 수 있어, 건축용 패널로서의 상품성이 향상될 수 있다.
닥나무 인피섬유(101)의 분쇄는 분쇄된 닥나무 인피섬유의 평균입경이 200 내지 320μm 가 될 때까지 수행될 수 있다. 닥나무 인피섬유(101)가 분쇄됨에 따라 닥나무 인피섬유(101)의 중위입경도 작아질 수 있다. 이에, 닥나무 인피섬유(101)의 분쇄는 분쇄된 닥나무 인피섬유의 중위입경이 55 내지 80μm이 될 때까지 수행될 수 있다.
한편, 닥나무 인피섬유(101)가 분쇄됨에 따라 분쇄된 닥나무 인피섬유(101)의 비표면적이 증가될 수 있다. 이에, 닥나무 인피섬유(101)의 분쇄는 닥나무 인피섬유(101)의 비표면적을 증가시키는 공정일 수 있다. 예를 들어, 닥나무 인피섬유(101)의 분쇄는 분쇄된 닥나무 인피섬유의 비표면적이 1.6 내지 4.0m2/g이 될 때까지 수행될 수 있다.
닥나무 인피섬유(101)의 분쇄 시간은 투입되는 닥나무 인피섬유(101)의 양과 분쇄날(210)의 회전속도 등에 따라 상이할 수 있으나, 30초 내지 180초의 범위에서 수행될 수 있다. 닥나무 인피섬유(101)의 분쇄 시간이 30초 미만인 경우, 닥나무 인피섬유(101)가 충분히 분쇄되지 못할 수 있으며, 닥나무 인피섬유(101)의 분쇄 시간이 180초를 초과하는 경우, 닥나무 인피섬유(101)의 엉김 현상에 의해 닥나무 인피섬유(101)의 입경 및 비표면적이 상승될 수 있으며, 닥나무 인피섬유(101)의 섬유 조직이 파괴될 수 있어 바람직하지 못하다.
다시 도 1을 참조하면, 이후, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법은 분쇄된 닥나무 인피섬유, 시멘트, 소석회, 규석 및 물을 배합(S20)한다.
도 3을 참조하면, 분쇄된 닥나무 인피섬유, 시멘트, 소석회 및 규석을 믹서 용기(330)에 넣고, 믹서날(340)을 회전시킴으로써, 분말 원료(102)들을 배합하고, 물을 투입하여 원료 슬러리를 제조할 수 있다.
이 경우, 분말 원료(102)의 배합은 시멘트, 소석회 및 규석을 배합하여 제1 배합물을 형성하고, 제1 배합물에 분쇄된 닥나무 인피섬유를 혼합하여 제2 배합물을 형성하는 방식으로 수행될 수 있다.
한편, 시멘트는 수경성 시멘트가 사용될 수 있으며, 예를 들어, OPC(Ordinary Portland Cement) 또는 포틀랜드 시멘트의 철분 함량을 미량 낮춘 백시멘트 등이 사용될 수 있다.
시멘트는, 평균입경이 8 내지 10μm이고, 중위입경이 7 내지 10μm 인 미립자 분말이 사용될 수 있다.
규석은 산화규소(SiO2)의 함량이 99% 이상인 분말이 사용될 수 있으며, 평균입경이 9 내지 11μm이고, 중위입경이 8 내지 10μm인 미립자 분말이 사용될 수 있다.
소석회는 건축용 소석회 분말이 사용될 수 있으며, 평균입경이 8 내지 10μm 이고, 중위입경이 8 내지 10μm인 미립자 분말이 사용될 수 있다.
시멘트, 소석회 및 규석은 최종 제조하고자 하는 건축용 패널의 요구 강도 조건에 적합하도록 적절하게 배합될 수 있다. 예를 들어, 칼슘산화물(CaO):산화규소(SiO2)의 몰비가 6:10 내지 8:10이 되도록 배합될 수 있다.
또한, 분쇄된 닥나무 인피섬유는 최종 제조하고자 하는 건축용 패널이 충분한 강도를 가지고, 우수한 방습력 및 흡습력이 구현되도록 적절한 배합비로 배합될 수 있다. 예를 들어, 제1 배합물(시멘트, 소석회 및 규석의 배합물)의 총 중량 대비 0.2 내지 1.8%의 중량비로 배합될 수 있다.
이후, 제2 배합물(시멘트, 소석회, 규석 및 분쇄된 닥나무 인피섬유의 배합물)에 물이 투입되어 배합됨으로써, 원료 슬러리가 제조될 수 있다.
물은 원료 슬러리의 성형성을 용이하게 할 수 있도록 적절한 비로 배합될 수 있다. 예를 들어, 물은 제1 배합물의 총 중량 대비 약, 5 내지 15%의 중량비로 투입될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 이후, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 제조방법은 배합된 원료를 가압하여 압축성형(S30)한다.
도 4를 참조하면, 시멘트, 소석회, 규석, 분쇄된 닥나무 인피섬유 및 물이 배합되어 형성된 원료 슬러리가 받침대(450) 상에 위치된 금형(460) 내의 캐비티에 제공되고, 압축기(470)를 통해 원료 슬러리가 가압되어 성형품(103)이 제조될 수 있다.
이 경우, 금형(460)의 캐비티는 최종 제조될 건축용 패널의 외형에 대응되는 형상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 캐비티는 정육면체의 판 형상에 대응될 수 있다. 그러나, 캐비티의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 캐비티의 형상은 정육면체 이외에 원통형, 구형 등 최종 성형하고자 하는 건축용 패널의 외형에 대응되는 다양한 형상으로 구성될 수 있다.
압축기(470)는 원료 슬러리를 가압하여 원료 슬러리 내의 시멘트, 소석회, 규석 및 분쇄된 닥나무 인피섬유가 서로 단단하게 응집되도록 하는 구성으로서, 금형(460)의 상면을 균일한 압력으로 가압할 수 있는 장치로 구성될 수 있다. 예를 들어, 압축기(470)는 금형(460) 내의 원료 슬러리에 100kgf/cm2 이상의 하중을 가할 수 있는 장치로 구성될 수 있다.
도 4에는 압축기(470)가 일축 방향(세로 방향)으로만 원료 슬러리를 가압하는 형태로 도시되어 있으나, 압축기(470)는 원료 슬러리를 전후, 좌우, 상하의 방향에서 동일한 압력으로 가압하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 성형장치는 열간등방압(HIP) 장치 또는 냉간등방압(CIP) 장치로 구현될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 제조방법은 압축성형된 성형품을 수열처리(S40)한다.
수열처리는 물 또는 수용액을 고온 고압하에서 성형품에 인가하여 수열합성 반응으로 결정상을 성장시키는 처리를 의미한다. 수열처리를 통해 닥나무 인피섬유의 셀룰로오스가 건축용 패널의 결정상 매트릭스 내에 양호하게 분산되어 상호 결합될 수 있으며, 건축용으로 적합한 강도를 갖는 패널이 제공될 수 있다.
도 5를 참조하면, 수열처리는 고온 고압을 안정적으로 유지할 수 있는 수열합성장치 또는 오토클래이브를 통해 수행될 수 있다.
구체적으로, 성형품(103)이 수열합성장치 챔버(590) 내의 스테이지(580) 상에 위치되고, 수용액 공급부(595)를 통해 고온의 물 또는 수용액이 제공될 수 있다. 이 경우, 수용액 공급부(595)를 통해 제공된 고온의 물 또는 수용액으로 인해 챔버(590) 내의 압력은 대기압보다 높게 상승될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 수열처리는 고온의 물을 사용하여 수행될 수 있으며, 이 경우, 수용액 공급부(595)를 통해 고온의 수증기가 제공될 수 있다. 한편, 스테이지(580)의 표면에서 수증기는 응결될 수 있으므로, 응결된 수증기가 용이하게 배출될 수 있도록 스테이지(580)에는 다수의 기공들이 형성될 수 있다.
수열처리는 280 ℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 수열처리가 280℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우, 닥나무 인피섬유의 변형이 발생되어 건축용 패널에 크랙 등이 발생될 수 있어 바람직하지 못하다.
또한, 수열처리는 성형품(103) 내의 무기물들이 서로 결합하여 결정상을 형성할 수 있도록 충분한 시간동안 수행될 수 있다. 수열처리 시간은 수열처리 온도 및 성형품(103)의 부피 등에 따라 적절하게 결정될 수 있다.
수열처리가 완료됨으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널이 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 닥나무 인피섬유를 시멘트, 소석회, 규석 등과 배합 후 압축성형과 수열처리를 통해 형성된다. 특히, 수열처리가 280℃ 이하의 비교적 저온에서 수행되므로, 닥나무 인피섬유의 열 변형이 최소화될 수 있으며, 닥나무 인피섬유의 장점들을 활용할 수 있으면서, 우수한 기계적 특성을 갖는 건축용 패널이 제공될 수 있으며, 저렴한 제조비용으로 건축용 패널이 제조될 수 있다.
특히, 기존 도자기질 건축용 패널의 경우, 점토와 장석, 도석 등을 주원료로 사용하여 800 내지 1100℃의 고온 소결공정이 필수적으로 요구된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 280℃ 이하의 낮은 온도에서 수행되는 수열처리 만으로도 충분한 강도를 갖는 건축용 패널이 제공될 수 있으므로, 고온 공정이 생략될 수 있으며, 건축용 패널의 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 미립자로 분쇄된 닥나무 인피섬유를 미립자의 시멘트, 규석, 소석회와 배합하고, 성형한 후 수열처리를 통해 제조된다. 이 경우, 닥나무 인피섬유는 파괴되지 않은 상태로, 건축용 패널의 토버머라이트 결정상 또는 C-S-H 결정상 매트릭스 내에 고르게 분산, 결합될 수 있다. 이에, 닥나무 인피섬유의 장점이 유지되면서 동시에 우수한 강도를 갖는 건축용 패널이 제공될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널 제조방법에 따라 제조된 건축용 패널의 우수한 성능을 확인하기 위해, 다음과 같은 성능 테스트를 진행하였다. 이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 이점을 설명하기로 한다.
<닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조>
<닥나무 인피섬유의 분쇄>
먼저, 함안 칠서에서 제조된 닥나무 백피를 펄버라이저(Pulverizer; RT-02A, Rong Tsong Precision Technology 社, Taiwan)를 통해 30초, 60초, 120초 및 180초 동안 분쇄하여 4종류의 닥나무 인피섬유 분말을 수득하였다. 수득된, 닥나무 인피섬유 분말의 비표면적, 평균입경 및 중위입경은 하기 [표 1]과 같다.
샘플명 분쇄시간(초) 비표면적 (m2/g) 평균입경 (μm) 중위입경 (μm)
30S 30 1.70 215.9 78.8
60S 60 2.13 232.3 64.2
120S 120 3.07 252.0 59.7
180S 180 3.93 306.0 57.3
<원료들의 배합>먼저, 백시멘트, 소석회, 규석을 분말 형태로 혼합하였다. 이 경우, C/S비(CaO/ SiO2의 몰비)가 0.7이 되도록 백시멘트 72g, 소석회 90g, 규석 138g을 혼합하였다. 여기서, 백시멘트 로는 평균입경 9.3μm, 중위입경 8.7μm의 상용 백시멘트가 사용되었고, 소석회 로는 평균입경 9.7μm, 중위입경 9.1μm의 상용 소석회 분말이 사용되었고, 규석으로는 평균입경 10.2μm, 중위입경 9.7μm의 상용 규석 분말이 사용되었다. 상술한 배합비로 혼합된 백시멘트, 소석회, 규석 분말에 상술한 샘플들의 분쇄 닥나무 분말을 1 내지 5g 혼합하고, 물 30g(혼합원료의 10% 중량비)을 배합하여 총 20개의 샘플을 제조하였다. 20개의 샘플은 하기 [표 2]와 같다.
샘플 NO. 백시멘트
(g)		 소석회
(g)		 규석
(g)		 물
(g)		 분쇄 닥나무 (함안 칠서) (g)
30S 60S 120S 180S
1 72 90 138 30 1 - - -
2 2
3 3
4 4
5 5
6 - 1
7 2
8 3
9 4
10 5
11 - 1
12 2
13 3
14 4
15 5
16 - 1
17 2
18 3
19 4
20 5
상기 원료들의 배합은 모르타르 믹서를 통해 수행되었다. <압축성형>배합된 원료 슬러리를 압축성형하여 150mm × 50mm 크기의 패널 형태의 성형체를 제조하였다. 이 경우, 압축성형은 UTM 만능재료 시험기 (WJ-100S, 우진정밀 社, Korea)를 사용하여 수행되었고, 100kgf/cm2의 하중을 가하여 성형되었다.
<수열처리>
성형된 성형품을 오토클레이브(J-AT3, JISICO 社, Korea)에 투입하고, 180℃의 수증기를 7시간동안 공급하여 수열처리를 진행하였다.
<닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 분석>
먼저, 상술한 방법으로 제조된 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 기계적 강도를 분석하였다.
기계적 강도 분석은 한국 산업표준 “도자기질 타일(KS L 1001)”에 따른 시험방법으로 휨강도 및 꺾임 강도를 측정하는 방식으로 수행되었으며, 휨강도는 하기 [수학식 1]에 따라 계산되었고, 꺽임 강도는 하기 [수학식 2]에 따라 계산되었다.
Figure pat00001
Figure pat00002
휨강도 및 꺽임 강도에 대한 평가 결과는 하기 [표 3]과 같다.
샘플 NO. 분쇄시간(초) 닥나무 혼합량(g) 휨강도(MPa) 꺽임강도(N/cm)
1 30 1 17.1 82
2 30 2 17.0 80
3 30 3 16.4 79
4 30 4 16.3 78
5 30 5 16.0 78
6 60 1 17.3 87
7 60 2 17.3 83
8 60 3 16.6 83
9 60 4 16.8 82
10 60 5 16.0 80
11 120 1 18.1 84
12 120 2 17.4 84
13 120 3 16.5 80
14 120 4 16.1 83
15 120 5 15.8 81
16 180 1 18.1 89
17 180 2 17.2 87
18 180 3 16.1 81
19 180 4 16.0 81
20 180 5 15.9 82
상기 [표 3]의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 샘플들은 대부분 한국 산업표준 “도자기질 타일(KS L 1001)”에서 규정하는 내/외장 타일의 꺽임 강도 기준(내장 타일: 12 N/cm 이상, 외장타일 80 N/cm 이상)을 만족하는 것으로 사료되며, 충분한 휨강도를 보유하고 있어 건축용 내/외장재로 적합함을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 토버모라이트 결정상 및 C-S-H결정상을 가지며, 닥나무 인피섬유의 셀룰로오스가 토버모라이트 결정상 및 C-S-H 결정상 매트릭스 상에 양호하게 분산될 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 우수한 기계적 특성을 가지며, 닥나무 인피섬유의 셀루로오스로 인해 도자기질 타일 특유의 취성 특성이 개선될 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 발명자들은 상술한 이점을 확인하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 X-선 회절 분석(XRD)을 수행하여 결정상의 존재 유무를 확인하였고, 주사전자현미경(SEM)을 통해 미세구조를 관찰하였다. 이하, 분석 결과를 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7A 및 7B는 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 SEM 이미지이다.
도 6에서 XRD는 상기 [표 2]의 샘플들 중 샘플 1 내지 샘플 5를 대상으로 수행되었으며, 토버모라이트 결정상 및 C-S-H 결정상 생성여부에 대한 비교를 위해 OPC로 형성된 비교 샘플의 XRD 그래프가 함께 도시되었다.
도 6에서 샘플 1 내지 샘플 5가 각각 30S-#의 형태로 표시되어 있으며, 30S는 샘플 1 내지 샘플 5에서 닥나무 인피섬유의 분쇄시간 30초를 의미하며, 30S-#의 숫자(#)는 닥나무 인피섬유 분말의 함유량을 의미한다.
도 6을 참조하면, 모든 샘플(샘플 1 내지 5)에서 쿼츠(Quartz) 및 칼사이트(Calcite) 결정이 관찰되었다. 이는 규석 및 백시멘트 사용에 따른 미반응 쿼츠와 백시멘트 혼합재로 사용된 석회석의 영향인 것으로 판단된다.
또한, 모든 샘플에서 29° 부근에서 토버모라이트 결정상의 주피크가 검출되었다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널이 토버모라이트 결정상을 가지고 있음을 알 수 있다.
또한, 29° 부근, 31° 부근, 35° 부근에서 회절 피크가 발생된 것을 볼때, C-S-H 결정상이 형성되었음을 알 수 있다.
한편, 도 7A 및 7B를 참조하면, 토버모라이트 결정상과 C-S-H 결정상이 형성되었음을 육안으로 확인해 볼 수 있으며, 닥나무 인피섬유의 셀룰로오스가 토버모라이트 결정상 및 C-S-H 결정상 매트릭스 사이에서 안정적으로 분산되어 결합되어 있음을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 7A는 30초 분쇄된 닥나무 인피섬유 분말 1g이 함유된 건축용 패널 샘플1의 10,000배 SEM 이미지이며, 도 7B는 건축용 패널 샘플1의 40배 SEM 이미지이다.
도 7A를 보면 알 수 있듯이, 판상(plate)의 토버모라이트 결정상과 굴곡이 있는 막(crumple foil) 형상의 C-S-H (I) 형 결정이 형성되었음을 알 수 있다. 또한, 도 7B를 보면 알 수 있듯이, 가느다란 닥나무 인피섬유들이 토버모라이트 결정과 C-S-H 결정 매트릭스 사이에서 양호하게 분산되어 결합되어 있음을 알 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 도자기질 건축용 패널과 유사하게 우수한 강도를 가지면서, 닥나무 인피섬유에 의한 기능성을 갖는다. 또한, 닥나무 인피섬유의 유연성으로 인해 세라믹 재질의 건축용 패널이 갖는 취성 특성이 개선될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 기존 도자기질 건축용 패널 대비 우수한 흡*방습 특성을 갖는다. 이에 대한 성능 평가 결과를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 흡·방습 정도를 평가한 그래프이다.
여기서, 흡·방습 평가는 JIS A 1470-1(조습건재의 흡방습성 시험방법 - 제1부 습도 응답법-습도변화에 의한 흡방습 시험방법) 규격을 준용하여 진행되었다.
특히, 본 평가에서 흡습과정 및 방습과정 중 흡방습기 내부의 상대 습도 차가 설정 상대 습도와 비교하여 ±3% 이내로 유지될 수 있도록 항온합습기(CC600, 우진정밀 社, KOREA)를 사용하였으며, 각 샘플들의 면들 중 흡습 및 방습을 평가하기 위한 면 이외의 면들은 알루미늄 테이프로 밀봉하였다.
평가 방법은 샘플 1 내지 5를 24시간 동안 50%-R.H., 23.0±0.5℃의 환경에서 안정화시킨 후, 무게(m0)를 측정하고, 동일한 온도 조건하에서 흡습(75%-R.H., 12시간) 과정을 진행하였다. 이후, 방습(50%-R.H., 12시간) 과정을 진행하였으며, 흡습 및 방습 과정 중 2시간마다 질량 변화를 기록하였다. 이 때, 흡습 12시간 경화 후 종료 시점의 무게(ma)와 방습 12시간 경과 후 종료 시점의 무게(md) 및 안정화 직후 무게(m0)간의 중량차를 산출하였다. 이 후, 산출 값을 g/m2을 기준으로 환산 및 계산하여 흡습량과 방습량을 구하였다. 본 평가에서 사용된 샘플들은 모두 150mm × 50mm의 크기로 제조되었으므로, 흡습, 방습 면적을 1m2으로 환산하기 위해 13.33을 곱해주었다. 즉, 흡습량 및 방습량은 각각 하기 [수학식 3] 및 [수학식 4]에 따라 계산되었다.
Figure pat00003
Figure pat00004
한편, 종래 일반적인 도자기질 타일의 흡습량 및 방습량과 비교하기 위해, 시중에서 유통 판매되는 400mm × 250mm크기의 도자기질 타일을 구입하여 동일한 조건에서 흡습량 및 방습량을 측정하였다. 비교예(Comparative Example)에 따른 도자기질 타일은 JW25301P 타일(정일 社, KOREA)이 사용되었다.
도 8을 참조하면, 비교예에 따른 도자기질 타일에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널들(샘플 1 내지 5)이 우수한 흡습량 및 방습량을 가지고 있음을 알 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널들의 최대 흡습량 및 방습량은 46 내지 60 g/m2 수준으로서, 모두 30 g/m2 이상임을 알 수 있다. 반면, 닥나무 인피섬유를 포함하지 않은 비교예에 따른 도자기질 타일은 흡습량 및 방습량이 거의 0 g/m2에 가까우며, 흡습 및 방습 특성이 거의 없음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 우수한 흡방습 특성은 패널 내의 기공률 및 평균 기공 직경에 기인한 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 본 발명의 일 실시예에 다른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 기공률 및 평균 기공 직경을 분석하였다. 건축용 패널의 기공률 및 평균 기공 직경의 분석은 비표면적 측정기(ASAP2420, Micrometrics 社, USA)를 이용하여 측정되었으며, 결과는 하기 [표 4]와 같다.
샘플 NO. 분쇄시간(초) 닥나무 혼합량(g) 기공률(%) 평균 기공 직경(nm)
1 30 1 31.2 20.7
2 30 2 32.3 20.9
3 30 3 32.7 21.8
4 30 4 33.4 23.5
5 30 5 31.1 21.9
6 60 1 31.5 23.4
7 60 2 32.8 24.7
8 60 3 33.0 24.5
9 60 4 32.8 23.9
10 60 5 32.3 26.0
11 120 1 31.8 21.4
12 120 2 32.1 27.2
13 120 3 32.5 28.0
14 120 4 32.9 25.4
15 120 5 32.7 28.4
16 180 1 30.3 21.7
17 180 2 30.8 23.6
18 180 3 30.2 26.1
19 180 4 30.0 25.7
20 180 5 30.5 28.1
상기 [표 4]를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 평균 기공률이 30.0 내지 33.4% 수준인 것으로 나타났으며, 평균 기공 직경은 20.7 내지 28.4nm 수준으로 확인되었다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 다른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 높은 기공률과 비교적 작은 기공 직경을 가지며, 이로 인해, 우수한 흡방습 특성을 가짐을 알 수 있다. 특히, 30초간 분쇄한 닥나무 인피섬유를 4g이하로 포함하는 건축용 패널이 충분히 작은 평균 기공 직경(21.8nm 수준)을 가지며, 충분히 높은 기공률(32.4% 수준)을 가지므로, 가장 탁월한 흡방습 특성이 구현될 수 있음을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 한국 산업표준 상의 강도 기준을 충족시킬 수 있는 충분한 강도(꺽임 강도 78 내지 89 N/cm 수준)를 가지고 있으며, 닥나무 인피섬유의 우수한 기공률에 의한 우수한 흡습 및 방습 특성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 닥나무 인피섬유가 토버모라이트 결정상 및 C-S-H 결정상 사이에서 안정적으로 분산 결합될 수 있으므로, 취성 특성을 갖는 종래 도자기질 패널 대비 취성 특성이 감소되어, 크랙 또는 깨짐에 강건해질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널들은 280℃ 이하의 낮은 온도에서 수열처리를 통해 제조될 수 있으므로, 800℃ 이상의 고온 공정이 수반되어야 하는 도자기질 패널 제조공정 대비 적은 비용으로 제조될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 닥나무 인피섬유 102: 분말 원료
103: 성형품 210: 분쇄날
220: 분쇄기 용기 330: 믹서 용기
340: 믹서날 450: 받침대
460: 금형 470: 압축기
580: 스테이지 590: 챔버
595: 수용액 공급부

Claims (15)

  1. 닥나무 인피섬유;
    시멘트;
    소석회; 및
    규석을 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 최대 흡습량이 30g/m2 이상인, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 평균 기공률은 30 내지 35% 인, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 토버모라이트(tobermorite) 결정상을 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널은 C-S-H(칼슘-규산염-수화물) 결정상을 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널.
  6. 닥나무 인피섬유를 분쇄하는 단계;
    분쇄된 상기 닥나무 인피섬유, 시멘트, 소석회, 규석 및 물을 배합하는 단계;
    배합된 원료를 가압하여 압축성형하는 단계; 및
    압축성형된 성형품을 수열처리하는 단계를 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유의 분쇄전 비표면적은 0.05 내지 0.55m2/g 인, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유의 분쇄전 기공률은 26 내지 45%인, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유는 함안 칠서산 닥나무 백피인, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유를 분쇄하는 단계는,
    상기 닥나무 인피섬유의 평균입경이 200μm 내지 320μm 가 되도록 분쇄하는 단계를 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 닥나무 인피섬유를 분쇄하는 단계는,
    상기 닥나무 인피섬유의 비표면적이 1.6 내지 4.0m2/g이 되도록 분쇄하는 단계를 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서,
    분쇄된 상기 닥나무 인피섬유, 상기 시멘트, 상기 소석회, 상기 규석 및 상기 물을 배합하는 단계는,
    상기 시멘트, 상기 소석회 및 상기 규석을 칼슘산화물(CaO): 산화규소(SiO2)의 몰비가 6:10 내지 8:10이 되도록 배합하여 제1 배합물을 형성하는 단계;
    상기 제1 배합물 대비 분쇄된 상기 닥나무 인피섬유를 0.2 내지 1.8%의 중량비로 혼합하여 제2 배합물을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 배합물 대비 5 내지 15%의 물을 상기 제2 배합물에 혼합하는 단계를 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 배합된 원료를 가압하여 상기 압축성형하는 단계는,
    상기 배합된 원료를 금형에 주입하고, 100kgf/cm2 이상의 하중을 가하여 압축성형하는 단계를 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 압축성형된 성형품을 수열처리하는 단계는,
    상기 압축성형된 성형품을 280℃이하의 온도에서 수열처리 하는 단계를 포함하는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 압축성형된 성형품을 수열처리하는 단계는, 물을 사용하여 수행되는, 닥나무 인피섬유를 사용한 건축용 패널의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220164828A (ko) * 2021-06-03 2022-12-14 한국세라믹기술원 닥나무 섬유를 혼입한 목모보드

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101882775B1 (ko) 2016-06-23 2018-07-27 차종순 닥섬유와 패각 및 광물질을 이용한 타일의 제조방법

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