KR20230003668A - 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 이용한 상온 양생 버블폼 매트릭스 제조방법 - Google Patents

응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 이용한 상온 양생 버블폼 매트릭스 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 이용한 상온 양생 버블폼 매트릭스(BFM) 제조 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 복합결합재 조성물은 복합 결합재를 포함하며, 상기 복합결합재는 화학결합 세라믹; 및 상기 화학결합 세라믹과 반응하는 화학반응 시멘트;를 포함하며, 상기 화학결합 세라믹은 마그네시아 및 인산염 화합물 등을 포함하고, 상기 화학반응 시멘트는 포틀랜드 시멘트, 천연 시멘트 및 알루미나 시멘트 중 하나 이상 포함한다.

Description

응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 이용한 상온 양생 버블폼 매트릭스 제조방법 {CERAMIC COMPOSITE BINDER COMPOSITION HAVING COHESIVE WITH CURABLE AND METHOD FOR MANUFACTURING A BUBBLE FOAM MATRIX CURING AT ROOM TEMPERATURE}
본 발명은 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 이용한 상온 양생 버블폼 매트릭스 제조방법에 관한 것이다.
작금의 국내 대형건물 화재사건으로 인한 재산상의 손실과 인명의 피해는, 내화 단열재 사용규정을 지키지 않은 문제점으로 지적되고 있다. 특히 난연 규격 미달의 유기계 단열재는 인화점이 낮아 화재 번짐이 빠르고, 대량의 유독가스 발생으로 인명 살상 및 대기오염 가중 및 폐기되는 스티로폼은 토양 및 해양을 오염시키고 있다.
따라서 국내 건축물의 단열규정의 개정된 건축법 시행령에서는 내화성 및 난연성 건축자재 사용이 필수 의무화되고 있다. 쾌적한 거주를 위한 공간구조와 프라이버시 확보 요구로 인해 층간 소음저감과 차음 재료가 선호되며, 앞으로의 모든 건축구조물은 제로 에너지(Zero Energy)를 목표로 진행될 전망이다.
건축물의 대형화 및 고층화 추세에 따른 비내력 벽체는, 경량 프리캐스트 제품이 선호되고 있으며, 시공 단순화, 공사비 절감 등이 난제로 남아 있다. 여기에 우수한 ALC(Autoclaved Lightweight Concrete)(또는 AAC(Autoclaved Aerated Concrete) 포함) 제품들이 선택 사용되고 있지만 170~250℃의 오토클레이브 내에서 고온ㆍ고압 처리 등의 생산 생산원가 측면에서 소비자의 부담이 있을 수 있다. ALC 원료는 순도 높은 규석 분말이 사용됨에 따라 고품질 천연재료의 자원 고갈로 인한 가격상승, 환경규제의 강화로 인한 원료의 생산 규제가 점차 심해지고 있다.
종래의 단열 및 내화재는 거대한 ‘장치 설비’를 보유한 기업만이 생산 가능한 것으로 평가될 수 있는바 비교적 저렴한 내화 및 단열재의 생산 공급이 필요한 시점에 와 있다.
본 발명 제품은 모든 공정이 상온에서 이루어지는 것으로 복합결합재 조성물을 공급받은 건축 기술자이면 누구나 손쉽게 믹서기를 활용하여 성형 및 타설이 가능하다.
버블 폼 매트릭스(BFM) 제조를 위한 ‘응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물’의 구성 인자들은 SiO2 및 Al2O3 및 기타 산화물들의 함유와 더불어 필러 등으로 추가되는 물질들에도 이러한 성분들이 존재함에 따라 ‘화학적 친화성’이 존재하여 더욱 반응성이 좋아진다. 교반기에 ‘복합결합재 조성물’ 및 활성 용액을 투입 및 교반된 페이스트 슬러리를 성형 또는 현장 타설하는 것이다.
본 발명 제품은, 성형 후에도 페이스트 슬러리의 부피가 팽창되면서 30~40분 이후 팽창을 멈추고, ‘버블폼 매트릭스(Bublle Foam Matrix, 이하 BFM)’가 형성된 다음, 탈형된 버블폼 매트릭스(BFM)를 상온의 공기 중 양생으로 경화되는 것이며, 규모가 작은 중소기업의 다품종 생산에서도 가능할 수 있는 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 활용한 상온 양생 버블폼 매트릭스(BFM) 제조 방법을 제공한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1300772호는 산화마그네슘과 이의 경화제에 물을 혼합한 형상체를 가열하여 수분이 차지하였던 공간에 미세공극이 다량 존재하게 하는 무발포 무기성형체 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 상온에서 화학반응에 의한 가스 발생으로 페이스트 내에 기포를 안착 및 가열 건조에 의해 폼이 제조되는 점에서 상이하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1517691호는 칼슘과 인이 포함된 혼합물 및 유기물질 기공 형성제 사용으로, 압출 성형, 건조 후 700∼1250℃로 소결하는 것으로, 유기물질의 연소 시 발생하는 가스로 인하여 대기오염을 피할 수 없다. 반면 본 발명에서는 유기물질이 포함되지 않으며, 고온 가열하지 않으며, 대기오염의 피해가 없고, 에너지를 절약할 수 있다는 것이 특징이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1624612호는 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물의 제조방법에 관한 것으로 경량골재, 물 등을 사용한 슬러리를 교반하여 물속에 기포를 주입하되 탄산염이 CO2 가스를 발생케 하여 ‘발포 세라믹’을 제조한 것이다. 본 발명에서는 물속에 CO2 기포 주입방법을 사용하지 않고 화학반응에 의해 산소(O2) 와 CO2 가스 등을 발생시키는 것이 특징이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1520754호는 벌집형 세라믹 발포폼 및 그 제조 방법과 이를 이용한 공동주택 층간소음 방지 시공법에서 스테아르산과 과산화수소를 발포제로 사용하고, 시멘트와 플라이애쉬를 기본으로, 유기화합물로서 폴리프로필렌(PP), EPS 중 하나 이상이 포함되는 반면, 본 발명의 복합 세라믹 결합재 조성물은 화학결합 세라믹과 화학반응 시멘트’들의 속경특성을 제어하는 기술이 적용된 것이 특징이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1242654호는 규산염과 규불화나트륨을 이용한 무기질 단열 발포체 조성물 및 그 제조방법으로, 가용성 규산염에 내수성 보강용인 규뷸화나트륨을 포함하는 혼합물을 1~10분간 마이크로파 가열로 규산염을 팽창시키는 방법인 것으로, 본 발명은 상온에서 물질 간의 화학반응만으로 체적을 팽창시키는 것이므로 발포 시스템이 상이하다.
본 발명의 하나의 목적은 경량성이 우수하고, 고경도 및 고융점을 가지며, 내화성 및 차염성이 우수한 세라믹 복합결합재 조성물(이하 복합결합재 조성물)을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 양생 기간의 단축 효과와 조기강도 발현효과가 우수한 복합결합재 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄성계수 및 압축강도가 우수한 복합결합재 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 BFM(버블폼 매트릭스)의 상온 제조가 가능하며, 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하고, 양생 기간이 짧고 소규모 시설에서 생산이 가능하여 생산성 및 경제성이 우수한 복합결합재 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 세라믹 복합결합재 조성물을 이용한 상온 양생 버블폼 매트릭스 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 상온 양생 BFM(버블폼 매트릭스) 제조방법에 의해 제조된 BFM(버블폼 매트릭스)를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 세라믹 복합결합재 조성물에 관한 것이다. 한 구체예에서 세라믹 복합결합재 조성물은 복합 결합재를 포함하며, 상기 복합 결합재는 화학결합 세라믹; 및 상기 화학결합 세라믹과 반응하는 화학반응 시멘트;를 포함하며, 상기 화학결합 세라믹은 마그네시아 및 인산염 화합물을 포함하고, 상기 화학반응 시멘트는 포틀랜드 시멘트, 천연 시멘트 및 알루미나 시멘트 중 하나 이상 포함한다.
한 구체예에서 상기 세라믹 복합결합재 조성물은 필러, 자극제, 지연제, 응결촉진제 및 기체 발생제를 더 포함하되, 상기 세라믹 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 복합결합재 45~62 중량%, 필러 20~41 중량%, 자극제 6.0~8.8 중량%, 지연제 0.2~0.8 중량%, 응결촉진제 6.8~9.0 중량% 및 기체 발생제 0.033~1.2 중량% 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 필러는 펄라이트, 팽창질석, 규석질 암석, 납석, 녹주석, 돌로마이트, 마그네싸이트, 메타카올린, 벤토나이트, 석류석, 석탄회, 알루미나, 운모, 장석, 점토, 제올라이트, 지르콘, 질석, 펄라이트, 포졸란계 광물, 인공 포졸란계 광물, 플라이애쉬, 화산재, 황토 및 휘석 중 하나 이상 포함하고; 상기 자극제는 소석회, 생석회, 실리카흄 및 수산화나트륨 중 하나 이상 포함하고; 상기 지연제는 플루오르화규산마그네슘, 붕산계 화합물, 인산염계 화합물, 아연계 화합물, 고분자 유기산염 화합물, 구연산, 당 알코올계 화합물, 당 화합물, 옥시카르본산염, 아미노카르복실산염 및 폴리아크릴산나트륨-카르복실기염 중 하나 이상 포함하고; 상기 응결촉진제는 수산화알루미늄(Al(OH)3), 질산칼슘(Ca(NO3)2), 질산나트륨(NaNO3), 질산칼륨(KNO3), 황산칼슘(CaSO4), 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 산화칼슘(CaO), 규산칼슘, 규산플루오르화나트륨, 알루미네이트계, 칼슘포메이트계, 알칼리프리계, 시멘트광물계 및 실리케이트계 중 하나 이상 포함하고; 그리고, 상기 기체 발생제는 촉매성분, 금속분말 및 탄산염 성분 중 하나 이상 포함하며, 상기 촉매성분은 요오드화칼륨, 이산화망간, 카탈레이스(catalase) 및 탄소 중 하나 이상 포함하고, 상기 금속분말은 염화나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 나트륨, 수소화리튬, 수소화칼륨, 탄산염, 칼륨 및 칼슘 중 하나 이상 포함하고, 그리고 상기 탄산염은 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3) 및 탄산칼륨(K2CO3) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 세라믹 복합결합재 조성물을 이용한 버블폼 매트릭스 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 버블폼 매트릭스 제조방법은 상기 세라믹 복합결합재 조성물과 활성제를 포함하는 페이스트 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 페이스트 슬러리를 이용하여 성형하는 단계;를 포함하고, 상기 성형은 상기 페이스트 슬러리를 성형 몰드에 주입(성형 또는 타설)하거나, 기재 표면에 도포하는 단계;를 포함하며, 상기 활성제는 물과, 과산화수소 원액(35중량%)을 희석한 과산화수소 용액 및 가용성 실리케이트 용액 중 하나를 포함한다.
한 구체예에서 상기 세라믹 복합결합제 조성물 100 중량부에 대하여 상기 과산화수소 용액은 과산화수소 원액 4~6 중량부 및 물 30~64 중량부 포함하고, 상기 복합 세라믹 결합재 조성물 및 과산화수소 용액을 300rpm 이상으로 교반하여 페이스트 슬러리를 제조한 다음, 30초 내지 2분 경과 후에 성형할 수 있다.
한 구체예에서 상기 세라믹 복합결합제 조성물 100 중량부에 대하여 상기 과산화수소 용액은 과산화수소 4~6 중량부 및 물 30~64 중량부 포함하고, 상기 복합결합제 조성물 및 ㉠과산화수소 용액을 300rpm 이상으로 교반하여 페이스트 슬러리를 제조한 다음, 30초 내지 2분 경과 후에 성형할 수 있다.
한 구체예에서 상기 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부 및 ㉡가용성 실리케이트 용액 50~70 중량부를 300rpm 이상으로 교반하여 페이스트 슬러리를 제조한 다음, 30초 내지 2분 경과 후에 성형할 수 있다.
한 구체예에서 상기 ㉠의 성형단계는, 상기 성형 또는 타설 후 30~40분 사이에 성형체 및 타설체는 응결된 후 팽창을 멈추면서 중간성형체를 형성하는 단계; 및 상기 중간성형체를 탈형하여 상온에서 14일 ~ 28 일간 양생하여 성형체를 제조하는 단계;를 더 포함하며, 상기 제조된 성형체는 밀도 0 초과 0.9g/cm3 미만이며, 압축강도 0.3~0.6MPa 일 수 있다.
한 구체예에서 상기 ㉡의 성형 단계는, 상기 성형 또는 타설 후 30~40분 사이에 성형체 및 타설체는 응결된 후 팽창을 멈추면서 중간성형체를 형성하는 단계; 및 상기 중간성형체를 탈형하여 상온에서 4~12 시간 양생하여 버블폼 매트릭스를 제조하는 단계;를 더 포함하며, 상기 제조된 성형체는 밀도 1.2g/cm3 이상이며, 압축강도 5.0MPa 이상일 수 있다.
한 구체예에서 상기 버블폼 매트릭스는 표면에 형성된 백색 눈꽃 형태의 무늬를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 버블폼 매트릭스는 비내력벽의 적층용 블록, 보일러 단열 충전재, 건물 내부 및 외부의 조형물, 건물 내부 및 외부의 벽면 치장용 양각 보드 또는 음각 보드 또는 층간 소음 완화용 타설재로 사용될 수 있다.
본 발명의 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 이용한 버블폼 매트릭스 제조시 경량성이 우수하고, 고융점을 가지며, 내화성 및 차염성이 우수하고, 양생 기간의 단축 효과와 조기강도 발현효과로 압축강도가 우수한 버블폼 매트릭스의 상온 제조가 가능하며, 조성물을 활성용에에 투여하여 교반 할 때, 혼합성 및 분산성이 매우 양호하여 다루기 쉬우며, 양생 기간이 짧은 장점과 소규모 시설에서도 생산이 가능하여 생산성 및 경제성이 우수하다고 평가된다.
종래의 단열/내화재는 대형/대규모 장치 설비를 보유한 기업만이 생산이 가능 할 수 있었으나, 비교적 저렴한 내화 단열재의 생산 공급이 필요한 시점에 와 있다. 본 발명 제품은 모든 공정이 상온에서 이루어지며, 복합결합재 조성물을 공급받은 건축 기술자이면 누구나 성형 및 타설이 가능할 수 있다.
종래 단열/내화재 생산시 성형품을 1일 12시간 습윤양생하여 제품이 완성된다고 가정하면, 1일 몰드 전용 Cycle 횟수는 최대 2회에 불과하지만, 본 발명은 복합결합재 조성물 활용에서 성형 이후의 탈형 시간이 비교적 짧다. 본 발명의 일부제품은 몰드 성형 후의 탈형하기까지 걸린 시간은 불과 30분 내지 길면 3시간 이내로서 성형 몰드의 전용 회수는 1일 8~10 Cycle로 증가할 수 있어, 설비비 절감과 생산 제품의 염가 제공이라는 두 마리의 토끼를 동시에 잡는 효과가 있다.
또한 본 발명품은, 경량성 및 내화 단열성을 겸비한 비내력벽 적층용 블록, 건물 내·외 벽용 보드, 비내력벽의 샌드위치 심재(Core)용, 보일러의 단열 충전용, 오목 볼록한 가정용 소품 제작, 건물 내외의 조형물 등의 다품종 생산 용도로써 응결·경화 세라믹을 활용한 BFM을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 상온 양생 버블폼 매트릭스(BFM) 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2(a)는 실시예 1을 몰드에 성형한 다음 팽창이 완료되어 응결 중인 상태이며, 도 2(b)는 실시예 1을 양생하여 제조된 버블폼 매트릭스 사진이다.
도 3은 실시예 2의 버블폼 매트릭스를 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 3의 버블폼 매트릭스를 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 5의 버블폼 매트릭스를 나타낸 사진이다.
도 6은 실시예 6의 버블폼 매트릭스의 측면을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 수경성으로써 응결성과 경화성을 가지는 세라믹 분체(200㎛ 이하)를 복합결합재로 활용하되, 복합결합재의 구성 물질은 화학결합 세라믹 재료 및 화학반응 시멘트 1종 또는 그 이상 포함한다.
한 구체예에서 상기 복합결합재를 포함하는 복합결합재 조성물의 조제 배합비율은 복합결합재 45~62 중량%, 필러(포졸란 광물 등) 20~41 중량%, 자극제 6.0~8.8 중량%, 지연제 0.2~0.8 중량%, 응결촉진제 6.8~9.0 중량% 및 기체 발생제 0.033~1.2 중량%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 교반기에 상기 복합결합재 조성물과 함께 투입ㆍ교반되는 활성 용액으로 ① 가용성 실리케이트 및 ② 물에 희석한 과산화수소 용액 등을 투입하여 교반ㆍ성형ㆍ양생으로 버블 폼 매트릭스 제조가 완성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 ① 또는 ②의 투입양은 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 35~75 중량% 포함될 수 있다. 상기 ①의 경우 매트릭스는 밀도 1.2g/㎤ 이상, 압축강도 5MPa 이상일 수 있다. 상기 ②의 경우 밀도 0.9g/㎤ 미만, 압축강도 0.3~0.6MPa 일 수 있다.
상기 버블 폼 매트릭스 제조공정은 상기 조성물의 조제 및 혼합 단계; 교반 단계; 성형 및 타설 단계; 및 상온 양생 단계;를 포함할 수 있다.
매트릭스 성형체의 공극은 흡음, 투수성에 효과적인 열린 공극(Continuous pore, 또는 Open pore)과 차음, 단열성이 우수한 닫힌 공극(Closed pore)으로 구분될 수 있다. 시멘트 페이스트 속에 형성된 기포는, 연결된 부분 없이 동그랗게 구 모양을 형성하고 있다가, 기포 교차점(plateau border)에서의 배액 현상과 함께 기포 상호 간에 서로 붙으려 하는 응집력으로 연결된 공극을 형성한다. 매트릭스 성형체를 단열재로 활용되는 경우, 닫힌 공극 형성을 유도해야 한다.
기포의 양이 많을 경우는 기포간 결합촉진으로 열린 공극을 형성할 수도 있지만, 복합결합재의 양이 많거나 기포의 양이 적으면 닫힌 공극이 많이 만들어 질수도 있는데, 공극의 형상을 자유롭게 제어하기가 쉽지 않은 것 또한 현실이다. 이에 건물 등에 적용 가능한 경량 단열패널 개발과 더불어 최적의 제조 조건에 따른 제조방법이 요구되고 있는바, 본 발명은 최적의 복합결합재 조성물 및 매트릭스 제조방법을 아래와 같이 제시하고자 한다.
본 발명에서는 응결 경화 세라믹 재료로서 화학반응 시멘트와 이와 유사한 성질을 가진 화학결합 세라믹(Ceramics)을 ‘복합결합재’로 활용하는 것으로, 이들은 수경성이어서 물과 만나면 굳어지는 경화 특성을 가진다.
복합결합재 원료의 종류에서 화학반응 시멘트는 ‘백색 및 조강’ 포틀랜드 시멘트, 천연 시멘트 및 알루미나 시멘트 중 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 화학결합 세라믹은 인산 세라믹(Chemically Bonded Phospate Ceramics : 이하, CBPC) 및 바이오 크리트 등이 활용된다. 여기서 화학결합 세라믹 재료는, 상온 수경화 반응 만으로도, 1000℃ 이상의 고온에서 발현되는 세라믹과 유사한 결정구조로 변화되어 조직의 치밀성이 증대되는 것으로, 이러한 특성을 복합결합재의 일부분으로 활용한다.
복합결합재의 구성 물질은 화학결합 세라믹 한 종류에 화학반응 시멘트 중에서 1종 또는 그 이상을 추가하는 것으로 이들을 활용한 제품은 상온양생 과정을 거치면 보통포틀랜드 시멘트 단일품목을 결합재로 활용하는 것보다 높은 압축 강도와 높은 융점(내화성)에 의해 화재시 800℃ 이상의 고온에 의한 폭렬현상을 예방 할 수 있는 특징을 가진다.
본 발명의 복합결합재 조성물의 조제는 응결 경화 세라믹 재료로서 수경성 화학반응 시멘트와 수경성 화학결합 세라믹을 복합결합재로 활용하고, 필러(채움재), 지연제, 응결촉진제 및 기포발생제 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 복합결합재 조성물이 담긴 교반기 내에 활성 용액으로써 가용성 실리케이트 또는 물에 과산화수소를 희석한 활성 용액을 투입하여 300rpm으로 30초 이상 교반 이후 성형될 수 있다. 본 발명의 매트릭스(몸체 : matrix) 내에 기체(기포)로 구성된 경량체로서의 우수한 물리적/화학적 특성을 나타낼 수 있다.
종래 콘크리트를 이용한 경량체 제조에서는 조기강도 발현을 위하여 대부분 스팀 양생 방법을 택하고 있었다. 이는 유가의 가격상승에 의한 양생 비용이 증가하는 경제적 난제가 대두됨에 따라 스팀 양생 대신 상온(常溫) 양생으로 거푸집의 조기 탈형이 가능한 기술개발의 요구가 요청되고 있다.
한편 프리캐스트 경량체 부재 생산은 단시간 내에 대량의 부재를 제작하기 위해 고가의 몰드가 대량으로 필요하게 된다. 스팀 양생하는 경우 양생 기간이 길어지게 되어 1일에 1 Cycle의 몰드 전용을 할 수밖에 없다. 이에 양생 시간을 단축시키며, 몰드의 전용 횟수를 증가시키는 기술개발의 필요성이 대두되고 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 30분~3시간 이내에 탈형 후 상온양생 6 시간 이내에 5MPa 이상으로 발현되는 경량체를 개발하는 것이다. 이러한 배경 하에서 아래와 개발과제를 갖는다.
본 발명 버블폼 매트릭스(BFM) 제품은, 화재 발생 시에 화재 번짐이 없어서 인명 피해를 대폭 줄일 수 있는 것이며, 거대 장치가 필요하지 않은 상온발포, 상온성형, 상온양생으로 다품종 생산을 목적으로 한다.
본 발명은 교반기에 조제된 복합결합재 조성물과 함께 활성용액을 투입ㆍ교반 후 성형 된다. 상온 성형에서의 활성용액 활용은 ⓐ가용성 실리케이트 용액 또는 ⓑ물에 과산화수소를 희석한 용액 등을 활용할 수 있다. 물보다 가벼운 밀도(비중)를 갖는 경량체 제조에서는 과산화수소를 물과 희석한 활성용액을 활용할 수 있다. 또한 물보다 무겁고 압축 강도가 더욱 강화된 경량체 제조는 가용성실리케이트 용액을 활용하여 오목ㆍ볼록 형태의 음각 및 양각 보드 및 블록, 생활소품 또는 대형 조형물 등의 다양한 품종 생산이 가능한 응결성 및 경화성 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 활용한 상온 양생 버블 폼 매트릭스(BFM) 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 조성물은 수경성 응결 경화 세라믹 재료를 활용하는 것으로, 수화반응으로 경화될 수 있는 것이면 특정 재료에 국한하지 않지만, 화학결합 세라믹 미분체와 ’화학반응 시멘트 미분체를 선별하여 본 발명 복합결합재의 주재료로 활용한다. 이는 ‘단일 소재’가 갖는 수화반응 특성보다 우수한 특성 창출을 위한 것으로. 요구되는 기계적 강도, 열전도성, 흡음성, 내식성, 내열성, 내구성 및 내화성 등의 특성 증가를 위하여 한 소재의 장점에 다른 소재의 장점을 추가함으로써, 더욱 가중된 장점만으로 보완될 수 있다.
본 발명의 복합결합재 조성물은, 복합결합재 이외에 기타 물질로서 필러 및 응결촉진제, 경화제, 발포제, 지연제 등이 포함되어 있기에 복합결합재와 필러 물질들이 함유한 Al2O3 및 SiO2 등의 화학 성분간 친화성에 의해 화학 반응 및 화학결합이 더욱 촉진되어 상기 특성이 더욱 향상될 수 있다.
세라믹 복합결합재 조성물
본 발명의 하나의 관점은 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물에 관한 것이다. 상기 복합결합재 조성물은 복합 결합재를 포함한다.
상기 복합결합재는 화학결합 세라믹; 및 상기 화학결합 세라믹과 반응하는 화학반응 시멘트;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 복합결합재 입자의 평균 크기는 325㎛ ~ 200㎛ (micron) 범위 일수도 있다. 상기 평균 크기 조건에서 혼합성과 반응성 그리고 버블 폼 매트릭스의 기계적 물성이 우수할 수 있다.
화학결합 세라믹
상기 화학결합 세라믹은 마그네시아 및 인산염 화합물을 포함한다. 상기 화학결합 세라믹은 화학반응 시멘트와 같은 수경성 물질로서 상온 수경화 반응으로 고온에서 발현되는 세라믹과 유사한 결정구조로 변화되는 등, 조직 치밀화 특성을 가질 수 있다.
한 구체예에서 지연제를 더 포함할 수 있으나, 지연제를 사용하지 않거나 소량 투입만으로 버블 폼 매트릭스 제품을 제조할 수도 있다.
상기 마그네시아(MgO)는 마그네사이트를 600~1,000℃에서 소성하여 제조된 경소 마그네시아, 1,450℃ 이상에서 소성하여 제조된 중소 마그네시아 및 2,800~3,000℃에서 소성하여 제조된 하소 마그네시아 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 경소 마그네시아를 포함할 수 있다. 상기 경소 마그네시아를 활용하면 높은 표면적을 가지므로 화학적 반응성 발휘가 쉬운 장점이 있다.
한 구체예에서 상기 인산염 화합물은 제일인산나트륨(NaH2PO4), 제이인산나트륨(Na2HPO4), 제일인산칼슘(Ca(H2PO4)2), 제이인산칼슘(Ca2HPO4), 제일인산칼륨(KH2PO4) 및 제이인산칼륨(K2HPO4) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 화학결합 세라믹은 바이오크리트 및 인산세라믹(Chemically bonded phosphate ceramics, 이하 CBPC) 중에서 하나 이상 포함할 수 있다.
예를 들면 상기 화학결합 세라믹으로 CBPC를 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 CBPC는 경소 또는 하소 마그네시아(산화마그네슘, MgO); 및 인산염 화합물;을 1:0.05~0.45 중량비로 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 바이오크리트(bio-crete)는 상기 CBPC와 유사한 효과를 갖는 세라믹 성분을 포함하며, 물과 만나면 상온에서 고체화가 가능하며, 유해물질이 함유되지 않은 것으로, 오히려 단일 재료로서 CBPC보다 셋팅이 편리한 장점이 있어 활용이 편한 재료이다. 상기 바이오 크리트와 CBPC의 사용 결과는 화학반응 시멘트처럼 상온에도 완전한 결정구조를 가지며, 유리-결정 화합물 형태로 경화되는 것으로, 강도는 오히려 초속경 시멘트만을 활용하는 것보다 우수하다고 평가된다. 바이오 크리트 또는 CBPC 중 하나를 선택하고 화학반응 시멘트 한 개 또는 2개가 혼용된 복합결합재 조성물의 교반에서 열이 발생하기 시작될 때, 성형 또는 타설이 적당한 시기로 볼 수 있다.
상기 화학결합 세라믹은 초속경 무수축(Zero Shrinkage) 특성을 가지며, 성형 1~1.5 시간 후 3MPa 이상으로 발현되며, 해사의 혼합이 가능하면서도 내화성, 동결융해 저항성이 매우 큰 특성을 가진다.
화학반응 시멘트
상기 화학반응 시멘트는 포틀랜드 시멘트, 천연 시멘트 및 알루미나 시멘트 중 하나 이상 포함한다.
상기 포틀랜드 시멘트는 백색 포틀랜드 시멘트 및 조강 포틀랜드 시멘트 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 조강 포틀랜드 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트의 재령 3일 압축 강도를 1일에 발현할 수 있다. 상기 조강 포틀랜드 시멘트는 일라이트(C3S) 함량을 약 65 중량%로 높이고, 비표면적을 4,000~4,600cm2/g로 미분화하여, 초기강도를 높일 수 있다. 한 구체예에서 상기 포틀랜드 시멘트는, 백색 시멘트 및 조강 포틀랜드 시멘트를 1:0.5~1:1.5 중량비로 포함될 수 있다. 상기 조건에서 초기강도 및 압축강도가 우수할 수 있다.
상기 알루미나 시멘트는 대표적인 부정형 내화물인 캐스터블 내화물에 필수적인 원료로 사용되며, CaO·Al2O3(CA)과 CaO·2Al2O3(CA2), 12CaO·7Al2O3(C12A7) 등의 성분을 포함함에 따라, 다양한 물성을 발휘시킬 수 있다. 이들이 물과 접촉시 발열반응이 일어나서 칼슘알루미네이트 수화물을 형성하는 등의 안정된 강도 발현 및 장기간의 일라이트의 반응으로 2~3시간 내에 실용강도를 얻을 수 있으며, 수화 시 결정 수분함량이 적으며, 이로 인해 고온 가열시에도 수분이 쉽게 빠져 나옴에 따라 화재시 화염의 열을 받고도 폭렬되지 않는 장점이 있다. 상기 알루미나 시멘트의 경화 속도는 산화칼슘(CaO) 함량에 비례하며, 알루미나(Al2O3) 함량이 높을수록 융점이 높아 내화온도가 높아진다. 상기 알루미나 시멘트는 알루미나 함량이 50 중량%, 70 중량%, 80 중량% 함유 제품 중에서 선택할 수 있다. 예를 들면 알루미나의 함량 70 중량% 제품을 사용할 수 있다.
상기 알루미나 시멘트는 내화학성, 내산성, 황산염에 대한 내식성이 뛰어나며, 보통 포틀랜드 시멘트의 ‘촉진 결합제’로 사용이 가능한 것으로 상온에서 빠른 버블 폼의 강도를 발현시킬 수 있는 결합재로 적당량 사용에 적합하기에 본 발명에서는 이러한 특성을 활용한다.
한 구체예에서 상기 화학반응 시멘트는 상기 알루미나 시멘트 및 백색 시멘트를 1:0.5~1.5 중량비로 포함할 수 있다. 상기 조건에서 혼합성 및 분산성이 우수하고, 초기강도 확보가 용이하며, 압축강도 등 기계적 강도가 우수할 수 있다.
상기 천연 시멘트는 프롬(Prompt) 시멘트를 포함할 수 있다. 상기 천연 시멘트는 점토성 석회광석으로 제조된 것으로 추가적 첨가물을 포함하지 않을 수 있다. 상기 천연 시멘트는 초속경, 초기고강도, 무수축, 미세립자, 해수 응결 및 내화학성의 특성, 우수한 수밀성을 가지며, 염화나트륨(NaCl) 및 황산마그네슘 등에 대하여 내식성 및 내화학성이 우수하며, 석회의 분리가 없어 백화현상이 없는 특성을 가진다.
한 구체예에서 상기 화학결합 세라믹은 상기 알루미나 시멘트 및 천연 시멘트를 1:0.4~1:1.2 중량비로 포함할 수 있다. 상기 조건에서 혼합성 및 분산성이 우수하고, 초기강도 확보가 용이하며, 압축강도 등 기계적 강도가 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 복합결합재는 화학결합 세라믹 및 화학반응 시멘트를 1:0.5~1:1.5 중량비로 포함할 수 있다. 상기 조건에서 혼합성 및 분산 유동성이 우수하고, 초기강도 확보가 용이하며, 압축강도 등 기계적 강도가 우수할 수 있다.
상기 복합결합재의 구성원료는, 위의 화학결합 세라믹 1종을 선택하고, 상기 화학반응 시멘트인 백색 포틀랜드 시멘트, 천연 시멘트, 알루미나 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트 중 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명에서 버블 폼 매트릭스의 상온 성형이 완료되기까지 응결 및 경화 현상의 변화는, 조성물의 구성 성분이 활성용액과 반응하여 새로운 조직을 발달시키고 있기 때문이다. 상기 성형 후 2~4시간 사이에 종결(응결 완료) 될 수도 있지만, 가능한 종결이 빠른 쪽이 유리하다. 상온 성형 후, 탈형 시기는 종결 이후에 실시되며, 가능한 한 빠른 시간 내 탈형이 진행되는 것이 더욱 유리하다. 이처럼 1일 동안 거푸집의 전용 싸이클(Cycle) 회수를 늘려 생산비용 절약 및 생산기간을 단축할 수 있다.
본 발명의 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물 및 이를 활용한 버블 폼 매트릭스(BFM)의 제조는 상기 복합결합재 조성물을 조제하는 것으로, 상기 복합결합재의 구성(構成) 원료들이 우선 선별 및 결정되어야 한다.
상기 복합결합재의 구성(構成) 원료들의 종류, 선별은 화학결합 세라믹을 결정한 다음, 화학반응 시멘트를 한 개 이상 포함하여 조합할 수 있다. 예를 들면 하기 (1) 및 (2)를 선별할 수 있다.
(1) 화학결합 세라믹은 바이오(bio)크리트 및 CBPC(인산세라믹) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
(2) 화학반응 시멘트의 종류 : (a) 백색 또는 조강 포틀랜드 시멘트; (b) 프롬시멘트; 및 (c) 알루미나 시멘트 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 복합 결합재는 하기와 같은 성분을 포함할 수 있다.
(가) 복합결합재의 전체 중량에 대하여 백색 포틀랜드 시멘트 및 조강 포틀랜드 시멘트량을 각각 25 중량% 및 15 중량%로 포함하고, 나머지는 화학결합 세라믹의 양을 가변적 범위로 30~40 중량%로 하되, 상기 화학결합 세라믹 함량을 제외한 나머지 20~40 중량%는 포졸란 반응을 유도하는 물질들로 채워 복합결합재를 조합할 수 있다.
(나) 프롬(천연)시멘트 및 알루미나 시멘트 함량을 각각 20 중량%로 고정하고 나머지 60 중량%는 화학결합 세라믹 양을 가변적 범위로 30~40 중량% 포함하되, 상기 화학결합 세라믹 함량을 제외한 나머지 20~40 중량%는 포졸란 반응을 유도하는 물질들로 채워 복합결합재를 조합할 수 있다.
한 구체예에서 상기 복합결합재는 복합 세라믹 결합재 조성물 전체 중량에 대하여 45~62 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량범위로 포함시 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하고, 반응성이 우수하고, 우수한 초기강도와 압축강도를 가지며, 경량성, 내열성 및 내화성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 포졸란 반응 유도물질은 규조토, 점토(소성 점토), 플라이 애쉬 및 실리카흄 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 포졸란 반응 유도물질은 상기 복합결합재 전체중량에 대하여 20~40 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 혼합성 및 분산성이 우수하고, 우수한 초기강도와 압축강도를 가지며, 경량성, 내열성 및 내화성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 복합결합재 조성물은 필러 혼합물을 더 포함하며, 상기 필러 혼합물은 필러, 자극제, 지연제, 응결촉진제 및 기체 발생제를 더 포함할 수 있다.
예를 들면 상기 세라믹 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 복합결합재 45~62 중량%, 필러 20~41 중량%, 자극제 6.0~8.8 중량%, 지연제 0.2~0.8 중량%, 응결촉진제 6.8~9.0 중량% 및 기체 발생제 0.033~1.2 중량% 포함할 수 있다. 상기 함량 범위로 포함시 조성물의 혼합성 및 분산성과 반응성 등이 우수하고, 우수한 초기강도와 압축강도를 가지며, 경량성, 내열성 및 내화성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 복합결합재는 화학결합 세라믹 및 화학반응 시멘트를 1:0.8~1:2 중량비로 포함할 수 있다. 상기 범위로 포함시 혼합성 및 분산성이 우수하고, 초기강도 발현이 용이하며, 내열성 및 압축강도 등의 기계적 물성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1:1.1~1:1.4 중량비로 포함할 수 있다.
필러
상기 필러는 내열성, 내화성 및 기계적 강도 등을 확보하는 목적으로 입자크기가 비교적 큰 재료가 포함될 수도 있다.
한 구체예에서 상기 필러는 경량재(펄라이트 및 팽창질석 등), 규석질 암석(SiO2 함량 99 중량% 이상 포함), 납석(Al2O3·4SiO2·H2O), 녹주석, 돌로마이트, 마그네시아(MgO), 마그네싸이트, 메타카올린, 벤토나이트, 석류석, 석탄회, 알루미나, 운모, 장석, 장석질 성분(R2O·Al2O3·nSiO2), 점토질 성분(Al2O3·2SiO2·2H2O), 점토, 제올라이트, 지르콘, 질석, 포졸란계 광물, 인공, 플라이애쉬, 화산재, 황토 및 휘석 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 필러를 포함시 수화반응을 저해시키지 않으면서, 수화반응의 영향으로 경량성, 내열성 및 기계적 강도 증가에 큰 역할을 할 수 있다.
한 구체예에서, 후술할 가용성 실리케이트 용액을 활성제로 포함시, 상기 필러로 포졸란계 광물을 포함할 수 있다.
상기 포졸란계 광물은, 화산회 등의 광물질 분말로 된 콘크리트 혼화재의 일종으로 그 자체는 수경성이 없으나 콘크리트 중 물에 용해된 수산화칼슘(소석회, Ca(OH)2) 등과 상온에서 서서히 화합하여 불용성 화합물을 형성한다. 특히 플라이애쉬 입자는 구형으로 표면에 유리질 피막(glassy chain)으로 싸여 있으며 플라이애쉬의 중합반응에서 자극제와 접촉시 상기 유리질 피막을 깨고 내부의 반응물질을 활성화시킬 수 있다.
한 구체예에서 상기 필러는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 20~41 중량% 포함될 수 있다.
자극제
상기 자극제는 수화반응성 및 초기강도 및 양생 후의 기계적 강도 확보를 위해 포함될 수 있다.
한 구체예에서 상기 자극제는 소석회, 생석회, 실리카흄 및 수산화나트륨 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 자극제를 포함시키면 수분산성과 유동성 증가로 인해 수화반응에 자극을 주어 더욱 경량성을 갖게하며 열전도율 제어도 어느 정도 가능 할 수 있다.
한 구체예에서 상기 자극제는 소석회 및 생석회 중 하나 이상;과 실리카흄을 3.3:1~2:1 중량비로 포함할 수 있다. 상기 함량 범위로 포함시 혼합성 및 분산성이 및 수화 반응성이 매우 좋아 진다.
한 구체예에서 상기 자극제는 상기 세라믹 복합 세라믹 결합재 조성물 전체중량에 대하여 자극제 6.0~8.8 중량% 포함될 수 있다.
지연제
상기 지연제는 응결 및 경화 반응 속도를 조절하는 목적으로 포함될 수 있다. 상기 지연제는 무기계 지연제 및 유기계 지연제 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 지연제는 플루오르화규산마그네슘(또는 헥사플루오르화규산마그네슘 MgSiF6), 붕산계 화합물(H2BO3), 인산염계 화합물(K2HPO4), 아연계 화합물(ZnO 포함), 고분자 유기산염 화합물, 구연산, 당 알코올계 화합물, 당 화합물, 옥시카르본산염, 아미노카르복실산염 및 폴리아크릴산나트륨-카르복실기염 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 아미노카르복실산염은 글루탐산을 포함할 수 있으며, 상기 고분자 유기산염 화합물은 타닌산 및 라그닌술폰산 중 하나 이상의 유기산으로부터 유래될 수 있고, 상기 옥시카르본산염은 클루콘산, 타타르산, 글루코헵톤산 및 시트르산 중 하나 이상의 옥시카르본산으로부터 유래될 수 있다.
한 구체예에서 상기 지연제는 상기 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 0.2~0.8 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량범위로 포함시 본 발명의 응결 및 경화 반응 속도를 용이하게 조절할 수 있고, 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하면서 초기강도 및 기계적 강도가 우수할 수 있다.
한 구체예에서 화학반응 시멘트로 알루미나 시멘트 및 백색 포틀랜드 시멘트를 포함하는 복합 결합재에서 상기 지연제는 복합 세라믹 결합재 조성물 전체중량의 0.3~0.5 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량범위로 포함시 본 발명의 응결 및 경화 반응 속도를 용이하게 조절할 수 있고, 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하면서 초기강도 및 기계적 강도가 우수할 수 있다.
한 구체예에서 화학반응 시멘트로 알루미나 시멘트 및 천연(프롬)시멘트를 포함시 상기 지연제는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 0.4~0.8 중량% 포함될 수 있다. 상기 지연제는 물에 완전히 용해한 후 사용하는 것이 바람직하다. 상기 함량범위로 포함시 본 발명의 응결 및 경화 반응 속도를 용이하게 제어할 수 있지만 허용값 이상 포함되면 오히려 수화반응에 지장을 초래하여 물성이 나빠질 우려가 있다.
응결촉진제
상기 응결촉진제는 본 발명의 응결 촉진 및 반응 속도 향상을 목적으로 포함될 수 있다.
한 구체예에서 상기 응결촉진제는 규산플루오르화나트륨, 알루미네이트계(nNa2O·Al2O3, nK2O·Al2O3, n=1~3), 칼슘포메이트계, 알칼리프리계, 시멘트광물계, 실리케이트계(Na2O·nSiO2, n=2~3), 수산화알루미늄, 질산칼슘, 질산나트륨, 질산칼륨, 황산칼슘, 황산나트륨, 황산칼륨, 탄산칼슘, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 산화칼슘, 규산칼슘, 토양 고화제 및 토양 경화제 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 고화제는 영일화성(주) 제품을 사용할 수 있고, 상기 토질 경화제는 (주)한일 Soilcon 제품을 사용할 수 있다.
한 구체예에서 상기 응결촉진제는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 6.8~9.0 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량범위로 포함시 본 발명의 응결 및 경화 반응 속도를 용이하게 조절할 수 있고, 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하면서 초기강도 및 기계적 강도가 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 응결촉진제는 후술할 활성제로 가용성 실리케이트 용액을 포함시 1.5~3.0 중량% 포함될 수 있다. 상기 조건에서 조성물의 상기 지연제와 자극제의 양과 함께 어울려 종결 속도를 빠르게 하면서도 복합결합재 조성물들을 응집과 치밀화를 도모 하여 강도 증가를 위한 변곡점에 다다르게 한다. 초기강도가 높아 질 수 있으며 경량체로서 양 생 후의 기계적 강도가 우수해 질 수 있다.
다른 구체예에서 상기 응결촉진제는 활성제로 과산화수소 및 물을 포함하는 용액을 포함시 3.0~6.3 중량% 포함될 수 있다.
기체 발생제
상기 기체 발생제는 상기 세라믹 복합결합재 조성물을 이용한 버블폼 매트릭스(BFM) 제조시 복합결합제 조성물 내의 자극제와 함께 존재하는 것으로써 교반기 내에 투입된 활성용액으로 교반 하는 동안 폐이스트 슬러리는 이들 세가지 물질들이 상호 유기적인 반응과 함께 수소가스, 산소가스 또는 탄산가스를 발생 시키는 물질로서 폐이스트 슬러리를 팽창시키는 발포 반응을 위해 포함될 수 있다.
상기 기체 발생제는 미분체 형태로 포함될 수 있다. 예를 들면 325㎛ 이하일수록 좋다.
한 구체예에서 상기 무기분말은 평균 크기가 325㎛ 이하, 초미세 나노(Nano) 입자에 가까울수록 반응성은 더욱 증가한다. 상기 조건으로 포함시 높은 표면적으로 인하여 본 발명의 분산성과 발포성능이 우수해지며, 기체 발생 속도가 빠르게 일어 나서 폐이스트 슬러리의 응결이 완료되기 전에 폐이스트 슬러리가 최대한 팽창되어야 한다.
한 구체예에서 상기 기포 발생제(발포제)는 과산화수소 분해반응용 촉매, ㄱ금속분말 및 탄산염 성분 중 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 촉매는 요오드화칼륨, 이산화망간, 카탈레이스(catalase) 및 탄소를 각각 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 금속분말은 염화나트륨(NaCl), 마그네슘, 알루미늄, 나트륨, 수소화리튬, 수소화칼륨(KH), 칼륨 및 칼슘 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 탄산염은 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3) 및 탄산칼륨(K2CO3) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 기체 발생제는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 0.033~1.2 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량범위로 포함시 본 발명의 혼합성, 분산성과 발포성능이 우수해지며, 기체 발생 속도가 빠르게 일어 나서 발포 반응이 용이하게 발생하여 요구되는 기계적 강도, 경량성을 가질 수 있다.
세라믹 복합결합재 조성물을 이용한 버블폼 매트릭스(BFM) 제조방법
본 발명의 다른 관점은 상기 세라믹 복합결합재 조성물을 이용한 버블폼 매트릭스 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 상온 양생 버블폼 매트릭스 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 상온 양생 버블폼 매트릭스 제조방법은 (S10) 페이스트 슬러리 제조단계; 및 (S20) 성형단계;를 포함한다. 보다 구체적으로 상기 제조방법은 (S10) 상기 세라믹 복합결합재 조성물과 활성제를 포함하는 페이스트 슬러리를 제조하는 단계; 및 (S20) 상기 페이스트 슬러리를 이용하여 성형 또는 타설하는 단계;를 포함한다.
예를 들면, 복합결합재 45~62 중량%, 필러(채움재) 20~41 중량%, 자극제 6~8.8중량%, 지연제 0.2~0.8중량%, 응결촉진제 6.8~9.0 중량% 및 기체 발생제 0.033~1.2 중량%를 포함하는 세라믹 복합결합재 조성물을 V형 혼합기 또는 더블콘 혼합기 내에 투입하고, 10~30rpm으로 30분~120분 동안 혼합하는 조성물 조제 및 혼합 단계; 교반기 내부에 활성제를 투입하고 상기 세라믹 복합결합재 조성물을 투입하여 교반 프로펠러를 60초 이상 고속 회전(300rpm)시켜 페이스트 슬러리를 제조하는 교반 단계; 상기 교반 단계가 종료된 후 상기 페이스트 슬러리를 준비된 성형 틀(몰드)에 주입하거나 바닥 등의 기재 표면에 타설하는 성형 단계; 및 성형 후 탈형 하거나, 상기 타설한 다음, 공기 중에서 14일~28일간 양생하는 단계 등을 포함하는 상온양생 단계;를 포함하여 상기 버블폼 매트릭스(BFM)를 제조할 수 있다. 예를 들면 탈형한 성형체를 1~2일간 비닐로 덮어 주어 수분증발을 막아 수경화반응이 활발하게 일어나도록 한다. 이후 비닐을 걷어내고 14일~28일 동안 양생할 수 있다.
본 발명은 복합결합재 조성물에 활성제로 과산화수소를 물에 희석한 과산화수소 용액을 투입하여 교반 및 성형하거나, 상기 조성물에 가용성 실리케이트 용액을 투입하여 교반 및 성형할 수도 있다.
종래 프리캐스트 경량체 제작은 단시간 내에 대량의 제품생산을 위해 고가의 몰드가 대량으로 필요하며 조기강도 발현을 위해 1일 12시간 정도의 스팀양생을 실시하고 있는 실정으로, 스팀양생을 해야 하는 경우 1일 및 1 싸이클(Cycl)e로 몰드를 전용(全用)할 수밖에 없는 실정이었다.
반면 본 발명은 스팀양생 대신 40분~3시간 이내에 몰드에서 탈형하고 상온에서 양생하여 제품을 완성할 수 있기에 몰드의 1일 전용 싸이클 회수를 많이 늘려 생산성을 부가시킬 수 있다. 거대한 장치가 필요하지 않은 상온발포, 상온성형, 상온양생 하는 특징이 있으며, 다품종 생산과 상온 양생 7시간 후 압축강도 5MPa 이상의 발현을 목표로 한다.
본 발명은 이를 위해 화학반응 시멘트 및 화학결합 세라믹을 복합 결합재로 적용하고, 상기 복합 결합재에 기타 물질들을 추가하는 복합결합재 조성물을 제조하고, 상기 세라믹 복합결합재 조성물과 활성제를 혼합하고 상온에서 교반ㆍ성형을 통해 상기 페이스트 슬러리 내에 무수히 많이 발생되는 기포들을 안착시킬 수 있다.
또한, 상기 버블폼 매트릭스 성형체 보드(또는 블록) 제품의 표면 및 내부에백색의 눈꽃 형태의 반점들을 골고루 형성시킬 수 있다. 이는 매트릭스(경량체) 몸체의 색상에 구애받지 않고 적용될 수 있으며, 시판되는 유사제품과는 차별화되어 있어 실내 내벽 장식 재료 등으로도 적합한 상온양생 버블 폼 매트릭스(Bubble Foam Matrix) 제조방법을 실현하려는 것이다.
(S10) 페이스트 슬러리 제조단계
상기 단계는 상기 세라믹 복합결합재 조성물과 활성제를 포함하는 페이스트 슬러리를 제조하는 단계이다.
활성제
상기 활성제는 물 또는 물과 과산화수소 원액을 물에 희석한 과산화수소 용액, 가용성 실리케이트 용액 중 하나가 선택된다.
한 구체예에서 상기 활성제는 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 30~75 중량부 포함될 수 있다.
한 구체예에서 상기 활성제로 ① 물을 포함하는 경우 상기 복합 세라믹 결합재 조성물 100 중량부에 대하여 35~65 중량부 포함될 수 있다. 상기 중량범위로 포함시 혼합성 및 유동성이 존재할 수 있다.
한 구체예에서 저밀도 및 저강도 발현을 위한 활성제로 과산화수소 및 물을 포함하는 ②과산화수소 용액을 포함할 수 있다. 한 구체예에서 활성제는 상기 복합결합재 조성물과 함께 교반기에 투입할 때, 상기 복합 세라믹 결합재 조성물 100 중량부에 대하여 30~75 중량부 포함될 수 있다. 상기 중량범위로 포함시 반응성이 매우 우수하다.
한 구체예에서 버블폼 매트릭스의 조직 치밀성을 증가하여, 고밀도 및 고강도의 발현을 위한 활성제로 ③가용성 실리케이트 용액을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 활성제로 가용성 실리케이트 용액을 포함하는 경우 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 55~75 중량부 포함될 수 있다. 상기 중량범위로 포함시 혼합성 및 반응성이 우수할 수 있다.
기존 단일 품종의 결합재만을 활용하는 방식에서 탈피한 본 발명의 복합 세라믹 결합재 조성물은 상온발포, 상온성형 및 상온양생의 새로운 개념으로써 활성 용액으로써 과산화수소 용액을 포함하는 활성제를 적용시 비내력벽 경량벽체용, 그리고 가용성 실리케이트 용액을 활용하는 제품은, 무거운 하중을 받는 벽체용, 오목 볼록한 형태의 가정용 소품과 대형 조형물 등에 활용되는 맞춤형 다품종 생산이라는 목표를 실현할 수 있다.
상기 가용성 실리케이트 용액은 물에 용해 가능한 실리카(SiO2) 및 알칼리금속(M2O)을 다양한 몰(mole)비로 결합하고 있는 화합물로서 무기화합물 중의 하나이며, 무기물로서 구조 내에 일부 물을 함유하고 있으며 M2OㆍnSiO2ㆍxH2O로 표시되는 것으로 물에 대한 용해성이 우수하다.
상기 M(알칼리금속)은 나트륨(Na), 칼륨(K) 및 리튬(Li) 등으로 치환될 수 있으며, 본 발명에서는 이들 중의 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 가용성 실리케이트 용액 내부에 존재하는 물의 양만으로도 수화반응에 의한 기채 발생과 기포 형성에 의한 페이스트의 팽창을 유도할 수 있는 필요충분조건이 될 수도 있다지만 이에 한정되지는 않는다.
예를 들면 상기 가용성 실리케이트 용액은 나트륨 실리케이트, 칼륨 실리케이트 및 리튬 실리케이트 중 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 가용성 실리케이트 용액의 물성은 알칼리 금속의 종류, 실리카 대 알칼리금속의 몰비(molar ratio), 용액 농도에 의해 접착 및 결합, 분산, 완충 작용, 필름 형성, 내 부식성, 내열성, 난연성 등을 가지는 다양한 특성이 있으며, 본 발명의 복합결합재 조성물과 교반ㆍ성형 되는 경우 2~3시간 내에 탈형 할 수 있으며 탈형 후 상온양생 할 수 있으므로 성형 몰드의 전용 Cycle 회수를 늘릴 수 있기에 본 발명에 적용시키려는 것이다.
몰비는 상기 가용성 실리케이트 용액 중 실리카 대 알칼리금속분자의 결합비율로서 아래와 같은 몰비 계산방식에 의해 알칼리금속을 추가하여 목표 특성값을 가지게 하려는 것이다. 아래의 알칼리금속(Na2O와 K2O 그리고 Li2O)을 추가하려는 무게의 계산은 하기 제게르 식(Seger Formular) 계산방식을 활용할 수 있다.
(a) 나트륨 실리케이트 몰비 계산 = (SiO2/Na2O)중량비 x 1.032
(b) 칼륨 실리케이트 몰비 계산 = (SiO2/K2O)중량비 x 1.568
(c) 리튬 실리케이트 몰비 계산 = (SiO2/Li2O)중량비 x 0.497
본 발명에서는 과산화수소를 물에 희석하여 활용하는 대신, 알칼리금속(M)인 Na, K 및 Li 중 하나 이상을 상기 제게르 식에 의한 몰비 1.7~2.9 조건으로 포함하는 가용성 실리케이트 용액을 활성제로 사용할 수 있다.
가용성 실리케이트 용액을 상기 복합 세라믹 결합재 조성물에 투입하고 교반 후 성형하여 양생하면 더욱 치밀한 조직을 갖는 버블폼 매트릭스(BFM)를 제조할 수 있다. 이는 복합결합재 조성물 구성인자 중 특정 물질의 가감으로 가능해지는 것으로, 제품 제조에서는 비교적 복잡한 형태제품에 대한 성형성 등이 뛰어난 장점을 실현할 수 있으며, 층간소음 완화재 역할을 충분히 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 본 발명에서 활성용액으로써 가용성 실리케이트 용액 사용의 또 다른 목적은, 액상 결합제 역할 및 경화제 역할을 동시에 수행할 수도 있는 것으로, 안정화되는 결합력을 나타내어 열 충격에 강한 고강도의 제품이 완성된다.
(가) 화학결합 세라믹 만을 복합결합재로 활용할 경우, 복합 세라믹 결합재 조성물 내의 응결촉진제는 탄산염(탄산칼슘, 탄산나트륨 및 탄산칼륨 중 1 이상)과 구연산 및 붕산을 1 : 0.5 : 1.5±(0.3~0.7)의 중량비로 포함할 수 있다.
복합결합재 조성물 총중량의 0.5~1.27% 범위로 투입활용 되는 것으로 이에 한정되지는 않으며, 활성용액으로는 가용성 실리케이트 용액에 물을 투입하여 희석하되 투입양은, 가용성실리케이트 용액 중량의 7~12 중량% 투입될 수 있다.
한 구체예에서 화학결합 세라믹과 화학반응 시멘트를 포함하여 혼용되거나 또는 화학반응 시멘트만을 복합결합재로 하는 경우, 복합 세라믹 결합재 조성물 내의 기포발생제는, 전자에서 조제된 무기 분말 중에서 하나 이상을 상기와 1 : 1 중량 비율로 포함하되, 상기 복합 세라믹 결합재 조성물 100 중량부에 대하여 0.03~0.7 중량부 포함하고, 복합결합재로서 화학결합 세라믹과 화학반응 시멘트가 혼용된 중량비율로 투입활용 된다. 구체예에서 상기 자극제로는 탄산나트륨, 황산나트륨, CaO 및 Ca(OH)2 및 NaOH를 상기 세라믹 복합결합재 조성물 전체 중량의 6~10.5 중량%로 포함될 수 있으며, 활성제로 과산화수소를 물에 희석한 과산화수소 용액 또는 가용성 실리케이트를 활용할 수 있다.
상기 기체 발생제로서 요오드화수소를 포함시 물과 반응하여 하기 화학 반응이 발생할 수 있다.
(식 1) KI + H2O → KOH + I2 + H2↑
상기 요오드화칼륨(아이오딘화 칼륨)은 무색 백색의 결정 분말로서 물에 잘 녹는다. 반응속도는 아이오딘화 칼륨은 느리며, 이산화망간은 빠르다. 기포가 생길 때 열이 발생하며, 과산화수소가 분해되면 물과 산소로 분해된다.
상기 요오드화 칼륨은 물 또는 에테르에 용해되며, 일광을 차단해 저장한다. 고 농도품은 불순물, 동, 백금 등의 미립자에 따라서 폭발적으로 분해한다.(석유, 벤젠에는 녹지 않는다.). 분해를 일으킬 때는 심한 산소를 발생시킨다. 주위에 쉽게 타는 물질이 있으면, 화재 위험이 있다. 소화상 유의 사항은 용기 및 주위에 물을 뿌려 냉각 시킨다.
과산화수소 분해 반응에서의 사용 촉매는 물과 반응하여 gas를 발생시키는 순도 높은 무기(금속)분말은 미세할수록 표면적이 커지게 되며 커진 표면적에 의해 반응성이 더욱 좋아진다. 초미세 나노(Nano) 입자에 가까울수록 반응성은 더욱 증가한다.
한편 기체 발생제로서, 무기 분말로 알루미늄 및 마그네슘을 포함시 물과 반응하여 다음과 같은 화학 반응이 각각 발생할 수 있다:
(식 2) 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2↑
(식 3) Mg + 2H2O → Mg(OH)2(수산화마그네슘) + H2↑
상기 알루미늄(Al)은 순수한 분말은 반응하기 쉬운 물질이며, 알루미늄 표면에 존재하는 산화알루미늄이 금속을 화학물질의 침식으로부터 보호하고 있다.(알루미늄 산화물에 의한 피복 때문에 Al은 위험성이 없는 원소처럼 보이지만 전선에 Al을 사용할 경우 가열되어 화재의 원인이 된다. 순수 Al은 점화원이 존재하는 경우 폭발을 일으킨다.
상기 마그네슘(Mg)은 금속 상태에서는 반응하기 쉬운 물질이나, 마그네슘 산화물의 피막이 금속 표면에 생성된 경우에는 반응성이 감소된다. 마그네슘은 찬물과 반응이 잘 일어나지 않는다. 공기 중에서의 연소로 강열과 백색 불꽃을 수반하며 불꽃은 자외선을 포함하고 있으므로 망막에 장애를 줄 수 있다. 마그네슘은 실온에서는 서서히 반응하나 물의 온도가 높아지면, 격렬하게 진행되어 수소를 발생시킨다. 화재시 물을 소화제로 사용 할 경우 물을 가하는 속도를 빨리하여 물이 금속을 냉각시키는 효과로 연소가 정지되는 온도 이하로 되어 소화할 수 있다.
수소화리튬(LiH): 상기 수소화 리튬은 물과 치환 반응하여 수소를 발생한다. 그러나 물과의 반응은 다른 알칼리금속에 비하여 상온에서 아주 천천히 진행된다. 고체 리튬은 순 산소와 접촉되어도 상온에서는 자연 발화하지 않는다. 그러나 200℃ 이상의 온도에서 리튬은 산소 중에서 독특한 선홍색 빛을 내는 산화리튬을 생성할 수 있다.
상온발포, 상온성형 및 상온양생의 목표 달성을 위한 활성제의 활용은, 물, 과산화수소 및 가용성 실리케이트 용액 중에서 어떤 것이든지 선택, 활용할 수 있도록 하기 위한 상기 기포 발생제는 금속분말, 무기 성분 등의 촉매가 모두 함께 복합결합재 내에 혼합되는 것이다. 상기 조건에서는 활성제 용액의 사용은 물 또는 과산화수소 희석 용액, 가용성 실리케이트 용액을 골라서 사용할 수 있는 장점이 있으며, 버블폼 매트릭스를 용이하게 제조할 수 있다.
상기 과산화수소 분해반응용 촉매는 요오드화칼륨, 이산화망간, 카탈레이스(catalase) 및 탄소 중 하나 이상 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 무기분말은 염화나트륨(NaCl), 마그네슘, 알루미늄, 나트륨, 수소화리튬, 수소화칼륨(KH), 칼륨 및 칼슘 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 복합결합제 조성물 100 중량부에 대하여 상기 과산화수소 용액은 과산화수소 4~6 중량부 및 물 30~64 중량부 포함할 수 있다. 이때 상기 기체 발생제로는 요오드화칼륨 분말, 이산화망간, 카탈라아제, 탄소, 염화나트륨 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 조건에서 투입 및 교반시 가스가 발생하여 페이스트 슬러리가 팽창되면서 본 발명의 버블폼 매트릭스 제조가 용이할 수 있다.
한 구체예에서 상기 활성제는 복합 세라믹 결합재 조성물 100 중량부에 대하여 과산화수소 5.5~12.5 중량부로 취하고, 상기 조성물 100 중량부에 대하여, 45~62 중량부의 물을 계량하여 함께 투입ㆍ교반으로 가스를 발생과 함께 폐이스트 슬러리가 팽창되면서 경량체 제조가 가능해 지지만 이에 한정하지는 않는다.
상기 과산화수소 분해 반응식은, 2H2O2 → 2H2O + O2↑(?痼? 인산(H3PO4)은 부촉매로 사용됨)이며, 상기 아산화망간과 과산화수소 반응식은, MnO2+ 2H2O2 → MnO2 + 2H2O + O2↑일 수 있다.
복합 세라믹 결합재 조성물을 활용하는 본 발명에서의 기포 발생제는 위의 2류, 6류 물질 중 어느 하나를 한정하지 않으며, 또한 활성제로 과산화수소수를 희석한 물 및 가용성 실리케이트 중에 한정하지 않는다.
(S20) 성형단계
상기 성형은 상기 페이스트 슬러리를 성형 몰드에 도포하거나, 기재 표면에 도포하는 단계이다.
상기 도포는, 주입, 뿜칠 및 타설을 포함하는 것일 수 있다.
예를 들면, 상기 페이스트 슬러리를 건물 내벽 및 외벽면의 단열 용도로 고압 뿜칠(Spray) 할 수 있다.
본 발명은, 상기 페이스트 슬러리 제조시 교반의 시작과 더불어 화학반응 시멘트와 화학결합 세라믹에 의해 화학반응과 화학결합 반응이 동시에 발생할 수 있다. 상기 반응 및 결합은 성형체 및 타설체의 응결(초결, 중결 및 종결)의 완료 후와, 몰드 탈형 후에도 계속 진행될 수 있다.
한 구체예에서 상기 세라믹 복합결합제 조성물 100 중량부에 대하여 상기 과산화수소 용액은 과산화수소 4~6 중량부 및 물 30~64 중량부 포함하는 경우, 상기 복합 세라믹 결합재 조성물 및 과산화수소 용액을 300rpm 이상으로 교반하여 페이스트 슬러리를 제조한 다음, 30초 내지 2분 경과 후에 성형할 수 있다. 이 때 상기 성형단계는, 상기 도포 후 30~40분 사이에 팽창을 멈추어지면서 중간성형체를 형성하는 단계; 및 상기 중간성형체를 상온에서 4~24 시간 양생하여 성형체를 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 조건에서 경량성과 기계적 물성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제조된 성형체는 밀도 0 초과 0.9g/cm3 미만이며, KS L ISO 679 기준에 의거하여 측정된 압축강도가 0.3~0.6MPa 일 수 있다.
다른 구체예에서 상기 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부 및 가용성 실리케이트 용액 50~70 중량부를 300rpm 이상으로 교반하여 페이스트 슬러리를 제조한 다음, 30초 내지 2분 경과 후에 성형할 수 있다. 이 때 상기 성형 단계는, 상기 도포 후 30~40분 사이에 팽창을 멈추어지면서 중간성형체를 형성하는 단계; 및 상기 중간성형체를 상온에서 4~12 시간 양생하여 성형체(버블폼 매트릭스)를 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 조건에서 내화성, 내열성 및 기계적 물성이 양호 할 수 있다.
상기 제조된 성형체는 밀도 1.2g/cm3 이상이며, KS L ISO 679 기준에 의거하여 측정된 압축강도가 5.0MPa 이상일 수 있다. 예를 들면 밀도 1.2~2.5g/cm3 이며, 압축강도 5.0~30MPa 일 수 있다.
한 구체예에서 상기 버블폼 매트릭스는 표면에 형성된 백색 눈꽃 형태의 무늬를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 버블폼 매트릭스는 비내력벽의 적층용 블록, 보일러 단열 충전재, 건물 내부 및 외부의 조형물, 건물 내부 및 외부의 벽면 치장용 양각 보드 또는 음각 보드 또는 층간 소음 완화용 타설재로 사용될 수 있다.
예를 들면 교반기의 호퍼 내에 상기 세라믹 복합결합재 조성물과 활성제를 투입하여 교반하고, 주입 성형(공기압 주입 포함)하는 것이며, 탈형 후 양생하여 버블폼 매트릭스를 제조할 수 있다.
상기 제조방법과 교반기 내에 동일 배합비로 조제된 복합재 조성물 및 활성제를 투입할 때, 활성제로 과산화수소를 물에 희석한 용액 또는 가용성 실리케이트를 활용한 경우, 전자의 경우 버블 폼 매트릭스 밀도 0 초과 0.9g/cm3 미만, 압축강도 0.3~0.6MPa일 수 있으며, 후자의 경우 버블 폼 매트릭스 밀도 1.2g/cm3 이상, 압축강도 5~11MPa 일 수 있다. 본 발명은 섬세하고 정교한 오목 형태 및 볼록 형태를 가진 무늬를 갖는 제품 등의 다품종 생산이 가능할 수 있다.
본 발명은 교반기 호퍼 내에 세라믹 복합결합재 조성물과 활성용액을 투입하되 교반시 교반기의 임펠러 회전은 100rpm으로 0.5분 내지 2분에 맞추어지는 것으로 이에 한정하지 않으며, 교반 후 성형단계로 진행된다.
복합결합제 조성물 내의 과도한 응결촉진제의 사용은, 교반 초기부터 페이스트 슬러리의 응결 현상이 일어나 주입하기 전에 유동성을 잃고 성형 틀에 주입할 수 없게 된다.
적절한 응결촉진제의 양과 지연제의 소량 사용에 의한 변화 곡선은 최소량 곡선으로써 아래로 포물선이 그려진다. 이들의 사용량에 의한 가사 시간 확보가 필수적이다. 경화 지연시간과 이에 해당하는 화학반응 및 화학결합의 변곡점(變曲點 : 최소 투입량에 의한 최대물성 발현 배합비)을 찾아 적용시키는 것이 매우 중요하다.
한 구체예에서 오목 볼록한 형태의 성형 몰드는 이수석고 또는 무수석고 등으로 4각 덩어리를 만든 후 3D 프린터를 활용하여 모형을 만든 다음 실리콘 수지로 덧씌워서 성형 틀을 만들 수 있다. 기타 크고 작은 보드나, 벽돌 형태의 성형틀은 목재, 아크릴판 등으로 만들 수도 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이형제는 스프레이 윤활제 등을 성형틀 내부에 고루 분사하여 탈형에 도움 되도록 하는 것이 바람직하지만 품질 향상을 도모할 수 있는 것이면 가능하되 특히 주입된 페이스트 슬러리가 금형 내벽에 고루 밀착될 수 있는 재료일수록 품질향상에 도움이 된다. 이는 점도가 낮은 이형제 활용의 경우, 밀착도가 낮은 부분으로 가스가 새어나가 기포크기가 목표값 보다 작아질 우려가 있다.
상기 교반은 교반 속도(300rpm 이상)와 교반시간(0.5~2분)에 맞추어지며, 이에 의해 성형틀 내에 투입된 페이스트 슬러리는 초결, 중결 및 종결로 응결되는 것이고, 응결완료 시간은 30~45분으로 고루 교반된 페이스트 슬러리는 종결되기 전까지 기포의 자체 부력이 상승작용을 부추겨 페이스트 슬러리는 팽창될 수 있다. 상기 종결은 유동성을 잃은 상태가 되는 것으로, 이는 경화제와 지연제의 많고 적음, 그리고 대기압의 영향으로 종결 속도가 조정될 수 있다.
주입된 페이스트 슬러리의 응결 완료가 시작되는 될 무렵, 상기 요인들에 의해 페이스트 슬러리는 기포의 상승이 점점 억제되어 굳기 시작하면서 초기 경화가 시작되는 것이다. 종래에는 페이스트 내에 크고 작은 기체들을 함축한 기포 집합체(Matrix)가 되어 30분~3시간 이후 탈형할 수 있다.
한 구체예에서, 세라믹 복합결합재 조성물에 활성제로 물 또는 과산화수소를 희석한 물 대신 가용성 실리케이트 용액을 사용하여 교반하는 성형하는 경우, 투입된 원료와의 화학반응으로 버블폼 매트릭스는 표면 및 내부에 형성된 백색 눈꽃 형태의 무늬를 포함할 수 있다. 상기 무늬는 매트릭스 내부에도 존재하며, 커팅한 단면에도 나타날 수 있다.
상기 버블폼 매트릭스 옆면, 밑면 그리고 내부에 형성되는 기공 크기는 조성물 구성 성분과, 결합제 성분 및 함량을 조절하여 컨트롤 할 수 있다.
한 구체예에서 양생 시에는 탈형 또는 타설된 페이스트 슬러리에 1~2일 동안 비닐을 덮어 화학반응과 화학결합이 지속되도록 하여야 하며, 1~2일 이후 비닐을 걷어 내고 14일 이상 상온 양생시 물리 및 화학적 특성이 우수한 버블폼 매트릭스 제품이 완성될 수 있다.
버블폼 매트릭스 제조방법에 의해 제조된 버블폼 매트릭스
본 발명의 또 다른 목적은 상기 상온 양생 버블폼 매트릭스 제조방법에 의해 제조된 버블폼 매트릭스를 제공하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예 및 비교예
실시예 1
(1) 복합결합재 제조: 화학결합 세라믹(MgO:인산염 화합물=1:1 중량비로 포함하는 인산세라믹) 30 중량%, 백색 포틀랜드 시멘트 25 중량%, 조강 포틀랜드 시멘트 15 중량% 및 포졸란 반응 유도물질(규조토, 소성점토, 플라이애쉬 및 실리카흄 = 1:1:1:1 중량비 포함) 30 중량%를 포함하는 복합결합재를 제조하였다.
(2) 세라믹 복합결합재 조성물 제조: 상기 제조된 복합결합재 55중량%를 포함하되, 필러 혼합물 45 중량%를 적용하였다. 상기 필러 혼합물은, 필러(규석질 암석(규석) 10g, 돌로마이트 12g, 메타카올린 3.5g, 벤토나이트 2.5g) 28.05g, 자극제(소석회 및 실리카흄을 2:1 중량비로 혼합) 8g, 지연제(헥사플루오르화규산마그네슘(MgSiF6) 0.3g, 붕산 0.3g 및 구연산 0.1g) 0.7g, 응결촉진제(수산화알루미늄 1g, 무수석고 1.9g, 토양 고화제(영일화성 제품) 1g, 칼슘포메이트 2g) 5.90g, 및 기체발생제(이산화망간(MnO2) 0.06g, 알루미늄(Al) 분말 0.05g 및 탄산염(탄산칼슘, 탄산나트륨 및 탄산칼륨 중 1 이상) 0.03g) 0.14g 포함)하는 복합 세라믹 결합재 조성물을 제조하였다.
(3) 활성제 : 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여, 과산화수소 원액 5 중량부 및 물 55 중량부를 혼합하여 교반ㆍ성형하여 과산화수소 용액 60 중량부를 제조하여 교반 성형하였다.
실시예 2
복합결합재로는, 화학반응 시멘트로 천연(프롬프트) 시멘트 15 중량% 및 알루미나 시멘트 15 중량%로 고정하고, 화학결합 세라믹(MgO:인산염 화합물=1:1 중량비로 포함하는 인산세라믹) 30 중량% 및 포졸란 반응 유도물질(규조토, 소성점토, 플라이애쉬 및 실리카흄 = 1:1:1:1 중량비 포함) 40 중량%를 포함, 적용한 것을 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 복합결합재 조성물을 제조하였다.
또한 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 활성제로 가용성 실리케이트 용액(실리카:알칼리 금속 몰 비=1:2) 70 중량부를 제조하여 교반 성형하였다.
실시예 3
복합결합재로는, 화학결합 세라믹으로 바이오크리트 30 중량%, 알루미나 시멘트 15 중량%, 프롬시멘트 25중량% 및 포졸란반응 유도물질 30중량%를 포함, 적용한 것을 적용하였으며, 활성제로는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 과산화수소원액 5중량부에 물 55중량부 계 62 중량부를 투입하여 교반 성형하였다.
실시예 4
복합결합재로는, 상기 인산 세라믹(MgO : 인산염 화합물 = 1 : 0.6) 및 바이오크리트(마그네시아 및 인산염 화합물 포함)를 1:1 중량비로 각각 15중량%, 백색시멘트 25중량%, 포졸란반응 유도물질 30중량%를 포함, 적용하였고, 활성제로는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 과산화수소원액 6중량부에 물 56중량부 계 62 중량부를 투입하여 교반 성형 하였다.
실시예 5
복합결합재로는 상기 인산 세라믹(MgO : 인산염 화합물 = 1 : 1) 30중량%, 백색시멘트 25중량%, 조강시멘트 15중량%, 포졸란반응 유도물질 30중량%를 포함, 적용하였으며, 활성제로는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 활성제로 가용성 실리케이트 용액(실리카:알칼리 금속 몰 비=1:2.2) 68 중량부를 적용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합 세라믹 결합재 조성물 및 활성제를 제조 활용하였다.
실시예 6
복합결합재로는 화학결합 세라믹으로써 프롬시멘트 15중량%, 알루미나 시멘트 15중량%, 바이오크리트 30 중량%를 적용한 것을 적용하였으며, 포졸란반응 유도물질 40중량%를 포함, 적용하고, 활성제로는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 가용성 실리케이트 용액 70 중량부를 적용하여 교반 성형 하였다.
실시예 7
복합결합재로 상기 (MgO:인산염 화합물=1:0.7의 인산 세라믹) 15중량% 및 바이오크리트 15중량%, 조강시멘트 30중량%, 포졸란반응 유도물질 40중량%를 포함, 적용하고, 활성제로는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 가용성 실리케이트 용액 70 중량부를 적용하여 교반 성형 하였다.
실시예 8
복합결합재로 상기 (MgO:인산염 화합물=2:1의 인산 세라믹) 30중량% 알루미나시멘트 15중량%, 프롬시멘트 15중량%, 포졸란반응 유도물질 40중량%를 포함, 적용하고, 활성제로는 상기 세라믹 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 가용성 실리케이트 용액 66 중량부를 적용하여 교반 성형 하였다.
비교예 1
(1) 복합결합재 제조 : 화학반응시멘트 재료인 백색 포트랜드시멘트) 48 중량%(48.10g)와 필러 혼합물 52 중량%(총 52.11g, 필러 29g(펄라이트 8g, 팽창질석 3g, 돌로마이트 12g, 소성점토 4g, 플라이애쉬 2g), 자극제(소석회 10g, 실리카흄 3g), 지연제(규산플루오르화 마그네슘 0.6g, 구연산 0.02g), 응결촉진제(황산칼슘 1.8g, 황산나트륨 1.5g, 질산칼슘 2.0g, 규산칼슘 1.5g, 규산플루오르화나트륨 2.5g 및 기체발생제(알루미늄파우더 0.06g, 이산화망간 0.08g 및 탄산염(탄산칼슘, 탄산나트륨 및 탄산칼륨 중 1 이상) 0.05g)을 사용하여 복합결합재 조성물을 제조하였다.
활성제로 과산화수소 원액(35%)을 복합결합재 조성물 100 중량부 기준 7 중량부를 취하고 물 55 중량부를 추가 투여(계 62 중량부)하여 교반 및 성형하였다.
비교예 2
복합결합재로는 백색 포틀랜드 시멘트 및 알루미나 시멘트를 각 24중량% 계48중량%를 적용하고 필러 혼합물을 52중량%를 추가하여 복합결합제 조성물을 제조하였으며, 활성제로는 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 활성제로 가용성 실리케이트 용액(실리카:알칼리 금속 몰 비=1:1.8) 70 중량부를 투여 교반 및 성형하였다.
비교예 3
복합결합재로 알루미나 시멘트와 천연(Prompt) 시멘트를 각 24중량%씩 48중량%를 적용하고 필러 혼합물 52 중량%를 추가하여 복합결합재 조성물을 제조하고 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 활성제로는 과산화수소 원액(35%)을 복합결합재 조성물 100 중량부 기준 5 중량부를 취하고 물 55 중량부를 추가 투여(계 60 중량부)하여 교반 및 성형하였다.
비교예 4
복합결합재(조강 포틀랜드 시멘트 23중량% 및 화학결합 세라믹으로는 인산세라믹(마그네시아 및 인산염 화합물 1:0.7 중량비로 포함) 25중량%를 혼합) 계 48중량%를 적용하고, 필러 혼합물 52 중량%를 추가하여 복합결합재 조성물을 제조하고 활성제로 과산화수소 원액(35%)을 복합결합재 조성물 100 중량부 기준 4 중량부를 취하고 물 54 중량부를 추가 투여(계 58 중량부)하여 교반 및 성형하였다.
비교예 5
복합결합재는 백색시멘트 24중량%와 프롬시멘트 24중량% 계 48중량%를 적용하고 필러 혼합물 52중량%를 추가하여 복합결합제 조성물을 제조하고 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 활성제로 가용성 실리케이트 용액(실리카:알칼리 금속 몰 비=1:2.2) 70 중량부를 투여하여 교반 및 성형 하였다.
비교예 6
복합결합재로는 알루미나시멘트 24중량% 및 인산세라믹(마그네시아 및 인산염 화합물 1:0.5 중량비로 포함) 24중량% 계 48중량%를 적용하고 필러 혼합물 52중량%를 추가하여 복합결합재 조성물을 제조하고 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 활성제로는 가용성 실리케이트 용액(실리카:알칼리 금속 몰 비=1:0.5) 70 중량부를 투여하여 교반 및 성형하였다.
비교예 7
복합결합재로는 프롬시멘트 15중량% 및 백색 시멘트 33중량% 계 48중량%를 적용하고 필러 혼합물 52중량%를 추가하여 복합결합재 조성물을 제조하고 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 활성제로 가용성 실리케이트 용액(2 mole) 60 중량부를를 투여하여 교반 성형하였다.
비교예 8
복합결합재로는 백색시멘트 24중량% 및 인산세라믹(마그네시아 및 인산염 화합물 1:1 중량비로 포함) 24중량% 계 48중량%를 적용하고 필러 혼합물 52중량%를 추가하여 상기 복합결합재 조성물 100 중량부에 대하여 활성제로 가용성 실리케이트 용액(2.4mole) 60 중량부를 투여하여 교반 성형하였다.
실시예 1~8 및 비교예 1~8
성형체(버블폼 매트릭스) 제조: 실시예 및 비교예에 따른 복합결합재 조성물 및 활성제를 교반기 내부에 투입하고 교반 프로펠러를 60초 이상 고속 회전(300rpm)시켜 페이스트 슬러리를 제조한 다음, 30초 내지 2분 경과 후에 몰드에 도포(주입)하였다. 상기 도포 후 30~40분 사이에 팽창을 중지하고 탈형하여 중간성형체를 형성하고, 상기 중간성형체를 상온에서 3~24 시간 동안 양생하여 성형체(버블폼 매트릭스)를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 대하여 하기와 같은 물성을 평가하였다.
(1) 혼합성(조성물의 혼합성 및 분산성): 상기 실시예 및 비교예 복합 세라믹 결합재 조성물의 혼합성 및 분산성을 육안으로 관찰하여 외관을 하기 기준에 따라 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다(◎: 매우양호, ○: 양호, △: 일부만 분산, X: 거의 분산되지 않음).
(2) 성형체 외관: 상기 실시예 및 비교예 성형체(버블폼 매트릭스)의 표면을 육안으로 관찰하여 외관을 하기 기준에 따라 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다(◎: 크랙 및 깨짐 없고, ○: 일부 크랙 또는 깨짐 발생, X: 심한 크랙 또는 깨짐 발생).
(3) 밀도(g/cm3), 압축강도(MPa), 동결융해 압축강도(MPa) 및 흡수율(%) : 상기 실시예 및 비교예 시편에 대하여, 압축강도(KS L ISO 679, MPa), 동결융해저항성(KS F 2456, MPa), 흡수율(KS F 4419, %) 및 밀도(g/cm3)를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure pat00001
상기 표 1의 결과를 참조하면, 본 발명의 실시예 1, 3 및 4는 밀도 0.5~0.9 g/cm3로 경량성이 우수하며, 동결융해 후 압축강도 0.5MPa 이상 및 압축강도 0.3~0.6MPa를 만족하였으며, 실시예 2, 5~8은 밀도가 1.2g/cm3 이상이며, 동결융해 후 압축강도 5.20MPa 이상 및 압축강도 5.0MPa 이상을 만족하였다. 또한, 조성물의 혼합성 및 외관이 우수한 것을 알 수 있었다.
반면, 본 발명의 조건을 벗어난 결합재를 적용한 비교예 1~8은 상기 실시예 1~8에 비해 조성물의 분산성 및 혼합성이 저하되었고, 본 발의 기계적 강명이 목표로 하는 버블폼 매트릭스의 밀도 조건을 만족하지 못하거나, 압축강도 등도가 저하됨을 알 수 있었다.
하기 도 2(a)는 실시예 1을 몰드에 도포한 직후이며, 도 2(b)는 실시예 1을 양생하여 제조된 버블폼 매트릭스 사진이다. 상기 도 2를 참조하면, 실시예 1의 경우 밀도가 0.5~0.9 g/cm3로 경량성이 우수하며, 압축강도가 0.3~0.6MPa를 만족하는 것을 알 수 있다.
하기 도 3은 실시예 2의 버블폼 매트릭스를 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 실시예 2의 버블폼 매트릭스는 밀도가 1.2g/cm3 이상이며, 압축강도 5.0MPa 이상을 나타내며, 표면에 형성된 백색 눈꽃 형태의 무늬를 포함하는 것을 알 수 있다.
하기 도 4는 실시예 3의 버블폼 매트릭스를 나타낸 사진이다. 상기 도 4를 참조하면, 실시예 3의 경우 밀도가 0.5~0.9 g/cm3로 물 위에 뜨는 것을 알 수 있다.
하기 도 5는 실시예 5의 버블폼 매트릭스를 나타낸 사진이며, 도 6은 실시예 6의 버블폼 매트릭스의 측면을 나타낸 사진이다. 상기 도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예 5 및 6은 상온 3~7시간 양생 후, 압축강도 5MPa 이상을 가지며, 바닥면(기재) 표면에 도포(타설)시 층간 소음 완화재로 사용되기 적합한 것을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (10)

  1. 복합 결합재를 포함하는 세라믹 복합결합재 조성물이며,
    상기 복합 결합재는 화학결합 세라믹; 및
    상기 화학결합 세라믹과 반응하는 화학반응 시멘트;를 포함하며,
    상기 화학결합 세라믹은 마그네시아 및 인산염 화합물을 포함하고,
    상기 화학반응 시멘트는 포틀랜드 시멘트, 천연 시멘트 및 알루미나 시멘트 중 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 복합결합재 조성물은 필러, 자극제, 지연제, 응결촉진제 및 기체 발생제를 더 포함하되,
    상기 복합결합재 조성물 전체중량에 대하여 복합결합재 45~62 중량%, 필러 20~41 중량%, 자극제 6.0~8.8 중량%, 지연제 0.2~0.8 중량%, 응결촉진제 6.8~9.0 중량% 및 기체 발생제 0.033~1.2 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 필러는 펄라이트, 팽창질석, 규석질 암석, 납석, 녹주석, 돌로마이트, 마그네싸이트, 메타카올린, 벤토나이트, 석류석, 석탄회, 알루미나, 운모, 장석, 점토, 제올라이트, 지르콘, 질석, 펄라이트, 포졸란계 광물, 인공 포졸란계 광물, 플라이애쉬, 화산재, 황토 및 휘석 중 하나 이상 포함하고;
    상기 자극제는 소석회, 생석회, 실리카흄 및 수산화나트륨 중 하나 이상 포함하고;
    상기 지연제는 플루오르화규산마그네슘, 붕산계 화합물, 인산염계 화합물, 아연계 화합물, 고분자 유기산염 화합물, 구연산, 당 알코올계 화합물, 당 화합물, 옥시카르본산염, 아미노카르복실산염 및 폴리아크릴산나트륨-카르복실기염 중 하나 이상 포함하고;
    상기 응결촉진제는 수산화알루미늄(Al(OH)3), 질산칼슘(Ca(NO3)2), 질산나트륨(NaNO3), 질산칼륨(KNO3), 황산칼슘(CaSO4), 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 산화칼슘(CaO), 규산칼슘, 규산플루오르화나트륨, 알루미네이트계, 칼슘포메이트계, 알칼리프리계, 시멘트광물계 및 실리케이트계 중 하나 이상 포함하고; 그리고,
    상기 기체 발생제는 촉매성분, 금속분말 및 탄산염 성분 중 하나 이상 포함하며,
    상기 촉매성분은 요오드화칼륨, 이산화망간, 카탈레이스(catalase) 및 탄소 중 하나 이상 포함하고,
    상기 금속분말은 염화나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 나트륨, 수소화리튬, 수소화칼륨, 탄산염, 칼륨 및 칼슘 중 하나 이상 포함하고, 그리고
    상기 탄산염은 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3) 및 탄산칼륨(K2CO3) 중 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 응결 경화 세라믹 복합결합재 조성물.
  4. 제1항 및 제3항중 어느 한 항의 세라믹 복합결합재 조성물과 활성제를 포함하는 페이스트 슬러리를 제조하는 단계; 및
    상기 페이스트 슬러리를 이용하여 성형하는 단계;를 포함하고,
    상기 성형은 상기 페이스트 슬러리를 성형 몰드에 도포하거나, 기재 표면에 도포하는 단계;를 포함하며,
    상기 활성제는 물과, 과산화수소 원액(35%)을 희석한 과산화수소 용액 및 가용성 실리케이트 용액 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 버블폼 매트릭스 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 세라믹 복합결합제 조성물 100 중량부에 대하여 상기 과산화수소 용액은 과산화수소 원액 4~6 중량부 및 물 30~64 중량부 포함하고,
    상기 복합 세라믹 결합재 조성물 및 과산화수소 용액을 300rpm 이상으로 교반하여 페이스트 슬러리를 제조한 다음, 30초 내지 2분 경과 후에 성형하는 것을 특징으로 하는 버블폼 매트릭스 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 세라믹 복합결합제 조성물 100 중량부 및 가용성 실리케이트 용액 50~70 중량부를 300rpm 이상으로 교반하여 페이스트 슬러리를 제조한 다음, 30초 내지 2분 경과 후에 성형하는 것을 특징으로 하는 버블폼 매트릭스 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 성형단계는, 상기 도포 후 30~40분 사이에 응결이 완료되면서 팽창을 멈추고 중간성형체를 형성하는 단계; 및
    상기 중간성형체를 탈형하여 상온에서 14~28일 간 양생하여 성형체를 제조하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 제조된 성형체는 밀도 0 초과 0.9g/cm3 미만이며, 압축강도 0.3~0.6MPa인 것을 특징으로 하는 버블폼 매트릭스 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 성형 단계는, 상기 도포 후 30~40분 사이에 응결이 완료되면서 팽창을 멈추고 중간성형체를 형성하는 단계; 및
    상기 중간성형체를 탈형하여 상온에서 4~12 시간 양생하여 버블폼 매트릭스를 제조하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 제조된 성형체는 밀도 1.2g/cm3 이상이며, 압축강도 5.0MPa 이상인 것을 특징으로 하는 버블폼 매트릭스 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 버블폼 매트릭스는 표면에 형성된 백색 눈꽃 형태의 무늬를 포함하는 것을 특징으로 하는 버블폼 매트릭스 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 버블폼 매트릭스는 비내력 샌드위치 벽의 심재(Core), 적층용 블록, 보일러 단열 충전재, 건물 내부 및 외부의 조형물, 건물 내부 및 외부의 벽면 치장용 양각 보드 또는 음각 보드 또는 층간 소음 완화용 타설재로 사용되는 것을 특징으로 하는 버블폼 매트릭스 제조방법.
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