KR20230046943A - 팽창 펄라이트를 이용한 불연 건축용 패널의 조성물 - Google Patents
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- C04B22/16—Acids or salts thereof containing phosphorus in the anion, e.g. phosphates
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract
팽창 펄라이트를 이용한 불연 건축용 패널의 조성물을 제공한다. 불연 건축용 패널의 조성물은 i) 100 중량부의 팽창 펄라이트, ii) 13 중량부 내지 20 중량부의 알칼리 활성화제, 및 iii) 40 중량부 내지 90 중량부의 무기질 바인더를 포함한다. 팽창 펄라이트는 90% 이상의 비정질상의 알루미노 실리게이트를 포함한다.
Description
본 발명은 팽창 펄라이트를 이용한 불연 건축용 패널의 조성물에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 팽창 펄라이트를 이용한 불연 건축용 패널의 조성물로서, 경량성, 불연성, 단열성, 흡음성까지 우수한 건축 자재로서의 활용성을 극대화시킨 것이며 지오폴리머 공중합 반응을 일으키는 무기 바인더를 사용함으로써 비교적 저온에서 제조가 가능하다.
건축에 사용하는 단열재, 내외장재, 압출법 보온판 등의 소재로서 발포 폴리스티렌(Expandable Polystyrene, EPS) 또는 발포 폴리우레탄(Expanded Polyurethane, EPU) 등이 사용된다. 이들 소재들의 밀도는 1g/cm3 이하로 경량이면서 폐기공을 다량 함유하여 우수한 단열성을 가지고, 저가이며, 우수한 시공 용이성을 가진다. 그러나 이러한 소재들의 출발 물질은 유기 고분자이므로, 화재시 쉽게 연소하며 인체에 유해한 독성 가스를 배출한다. 또한, 이러한 소재들은 쉽게 화염을 전파하는 등 난연성 및 불연성에서 매우 취약한 단점을 가진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 난연성 또는 불연성을 가진 무기질 소재가 연구 개발되고 있다. 무기질 소재로는 유리섬유, 미네랄울, 에어로겔 등이 있다. 그러나 이러한 무기질 소재는 단열성, 불연성, 또는 내열성 등은 우수하지만 고가이거나 작업성이 낮고 폐기시에 친환경적이지 않다.
한국등록특허 제1543958호
팽창 펄라이트를 이용한 불연 건축용 패널의 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 불연 건축용 패널의 조성물은 i) 100 중량부의 팽창 펄라이트, ii) 13 중량부 내지 20 중량부의 알칼리 활성화제, 및 iii) 40 중량부 내지 90 중량부의 무기질 바인더를 포함한다. 팽창 펄라이트는 90% 이상의 비정질상의 알루미노 실리게이트를 포함한다.
알칼리 활성화제는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 및 산화칼슘(CaO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 무기질 바인더는 액상 규산나트륨, 액상 규산칼륨, 액상 규산리튬, 액상 개질 규산칼륨, 실리카 졸, 알루미나 졸 및 알칼리 액상 나노졸로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
무기질 필러는, 점토, 황토, 고령토, 백토, 규회석, 규조토, 시멘트, 석고, 플라이 애쉬, 고로슬래그 및 실리카흄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 무기질 필러의 입도는 0보다 크고 30㎛ 이하일 수 있다. 첨가제는 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 알루미늄 포스페이트(AlPO4), 알루민산소다(NaAlO2), 셀룰로오스계 섬유, 필라멘트 형상의 단백질계 섬유, 광물질계 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 및 안료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 불연 건축용 패널의 조성물은 0 보다 크고 300 중량부 이하의 무기질 필러를 더 포함할 수 있다. 무기질 필러는, 점토, 황토, 고령토, 백토, 규회석, 규조토, 시멘트, 석고, 플라이 애쉬, 고로슬래그 및 실리카흄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하고, 무기질 필러의 입도는 0보다 크고 30㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 불연 건축용 패널의 조성물은 1 중량부 내지 2 중량부의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 알루미늄 포스페이트(AlPO4), 알루민산소다(NaAlO2), 셀룰로오스계 섬유, 필라멘트 형상의 단백질계 섬유, 광물질계 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 및 안료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
건축용 패널을 제조시 사용 후 폐기되는 팽창 펄라이트를 순환 자원으로 활용하여 폐기시 발생하는 환경 오염을 줄일 수 있다. 그 결과, 무기계 단열재로서 폐기물의 재활용이 가능하여 폐기물 처리 비용을 절감할 수 있다.
또한, 팽창 펄라이트가 가진 고유 특성인 경량성, 불연성, 단열성 및 흡음성을 보유한 건축용 패널을 제조할 수 있다. 건축용 패널은 무기물로 제조되므로, 화재 발생시 화염 전파가 어렵고 유독 가스를 방출하지 않는다. 또한, 지오폴리머 반응으로 비교적 저온에서의 제조가 가능해 우수한 경제성을 가지는 건축용 패널을 제조할 수 있다. 그리고 건축용 패널 이외의 다른 분야에도 팽창 펄라이트를 이용할 수 있다.
비정질의 알루미노 실리케이트를 사용하는 경우, 알칼리 활성화제 또는 알칼리 무기 바인더에 의한 Si-O-Al-O 결합 형태의 지오폴리머 반응을 유도할 수 있다. 따라서 광물질 종류에 관계없이 목적한 다양한 소재의 건축용 패널을 제조할 수 있다. 그리고 종래의 무기 단열재인 글라스울, 미네랄울, 복합 진공 단열재 등은 단열성 및 불연 성능은 우수하나 시공 작업성이 용이하지 않고 고가의 제품이거나 폐기시 환경 오염을 일으킬 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 건축용 패널로 이를 대체할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1 내지 실험예 8의 조건에 따라 제조한 건축용 패널들의 사진이다.
도 3 은 본 발명의 실험예 10 내지 실험예 17의 조건에 따라 제조한 건축용 보드의 일부 사진이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실험예 2로 제조한 패널의 내화도 측정 전후 각각의 실험 사진들이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1 내지 실험예 8의 조건에 따라 제조한 건축용 패널들의 사진이다.
도 3 은 본 발명의 실험예 10 내지 실험예 17의 조건에 따라 제조한 건축용 보드의 일부 사진이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실험예 2로 제조한 패널의 내화도 측정 전후 각각의 실험 사진들이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축용 패널의 제조 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 건축용 패널의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 건축용 패널의 제조 방법을 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 건축용 패널의 제조 방법은, 팽창 펄라이트, 알칼리 활성화제, 무기질 바인더, 무기질 필러 및 첨가제를 제공하는 단계(S10), 팽창 펄라이트, 알칼리 활성화제, 무기질 바인더, 무기질 필러, 및 첨가제를 혼합한 혼합물을 슬러리로 변환하는 단계(S20), 슬러리를 성형하여 성형체를 제공하는 단계(S30), 성형체를 건조하는 단계(S40), 건조한 성형체를 가열하여 복합재를 제공하는 단계(S50), 그리고 복합재를 재단하는 단계(S60)를 포함한다. 이외에, 건축용 패널의 제조 방법은 필요에 따라 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.
먼저, 단계(S10)에서는 팽창 펄라이트, 알칼리 활성화제, 무기질 바인더, 무기질 필러 및 첨가제를 제공한다. 이들은 건축용 패널의 원료로서 기능한다.
본 발명의 일 실시예에서는 주로 폐기되는 팽창 펄라이트를 활용하여 폐기에 따른 환경 오염과 폐기물 처리 비용을 절감할 수 있다. 팽창 펄라이트가 가진 특성인 불연성, 단열성 및 저밀도의 이점을 활용해 건축용 패널을 제조한다.
팽창 펄라이트는 90% 이상의 비정질 알루미노 실리케이트를 포함한다. 그 결과, 알칼리 활성화제 또는 알칼리 무기 바인더에 의한 Si-O-Al-O 결합 형태의 지오폴리머 반응 유도가 가능하다. 따라서 광물질 종류에 관계없이 다양한 건축용 패널 복합재를 만들 수 있다. 본 발명의 일 실시예와는 대조적으로, 시중에서 사용되는 팽창 펄라이트는 고가이므로, 건축용으로 사용하기에 부적합하며, 바인더의 단순한 본딩에 의해 그 용도도 제한적이다. 또한, 단순히 경량 골재로서 펄라이트를 사용하는 것과는 차이점이 있다.
팽창 펄라이트는 68wt% 내지 77wt%의 SiO2, 12wt% 내지 20wt%의 Al2O3, 2wt% 내지 4wt%의 RO, 2wt% 내지 8wt%의 R2O를 포함한다. 여기서, R은 Ca, Mg, Na, K 등 1족, 2족 금속원소를 의미한다. 팽창 펄라이트의 입도는 수 ㎛ 내지 수 mm일 수 있다. 팽창 펄라이트는 특정 범위의 입도 분포를 가질 수 있다. 또한, 다양한 분포를 가진 분말들을 혼합하여 사용할 수도 있다.
시알레이트(sialate)는 SiO4와 AlO4 사면체에 산소 원자를 교대로 공유한 네트워크 구조를 가진다. 시알레이트는 산소 4배위 다면체 내에 Si4+와 Al3+의 결합에 의한 사슬, 체인, 시트의 3차원 네트워크로 이루어진다. 비정질의 알루미나 규산염을 포함하는 출발 원료는 알칼리 수용액(M+, OH-)과 반응해 탈수 반응, 겔화, 재조직의 3단계 과정을 거친다. 그 결과, 상온 또는 저온에서 비정질 경화체를 얻을 수 있다.
알칼리 활성화제는 공중합체 반응을 유도해 지오 폴리머를 형성하기 위해 사용된다. 알칼리 활성화제는 팽창 펄라이트에서 금속 이온, 즉 알루미노 실리케이트 원료에 함유된 Si 또는 Al 등의 금속 이온을 용출한다. 알칼리 활성화제는 액상 또는 고형분으로 제공될 수 있다. 알칼리 활성화제로서 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3) 또는 산화칼슘(CaO)을 사용할 수 있다. 알칼리 활성화제는 알칼리 금속을 포함한다. 알칼리 활성화제를 이용해 팽창 펄라이트를 활성화하여 지오 폴리머 반응을 유도한다. 즉, 알루미노 실리케이트가 알칼리 물질과 반응하여 탈수 반응에 의해 지오폴리머를 형성한다. 따라서 수분이 발생하고, 무기질 필러는 입자와 입자 사이에 존재하는 수분과 반응하거나 물리적인 흡착 작용을 통해 건축용 패널의 강도를 증대시키거나 건조 온도와 가열 온도를 낮출 수 있다.
따라서 팽창 펄라이트 단독 또는 무기질 필러를 균일하게 혼합한 후 알칼리 활성화제, 알칼리 규산염, 알칼리 액상 나노졸의 순서로 혼합하는 것이 가능하며, 고상의 구성물에 액상의 구성물을 별도로 준비하여 균일하게 혼합하는 것도 가능하며 무엇보다 지오폴리머 반응을 거쳐 구성물들이 균일하게 혼합되고 최종 균일하게 겔화 된 상태의 슬러리를 얻으면 된다.
지오 폴리머는 알칼리 용액, 실리카 및 알루미나 상호간의 반응에 의해 형성된 무기질 폴리머이다. 경화된 재료는 비정질의 3차원 구조를 가진다. 지오폴리머는 알루미노 실리케이트(alumino silicate, Si-O-Al-O)의 3차원 망목 구조를 가지므로, 우수한 물리적 및 역학적 특성을 가진다.
팽창 펄라이트의 양을 100 중량부로 하는 경우, 알칼리 활성화제의 양을 10 중량부 내지 75 중량부로 할 수 있다. 알칼리 활성화제의 양이 너무 적은 경우, 알칼리 활성 반응이 이루어지지 않아 지오폴리머 형성이 어렵다. 또한, 알칼리 활성화제의 양이 너무 많은 경우, 과도한 지오폴리머 반응이 일어나 건축용 패널이 잘 경화되지 않을 수 있다. 그리고 건축용 패널이 경화되더라도 장시간 경과 후 백화 현상이 발생하거나 대기 중 수분에 의해 경화체가 해리된다. 따라서 알칼리 활성화제의 양을 전술한 범위로 조절한다.
무기질 바인더는 팽창 펄라이트와 알칼리 활성화제를 혼합해 지오 폴리머의 결합력을 더욱 향상시키기 위해 사용한다. 즉, 무기 바인더에 의해 Si-O-Al-O 결합 형태의 3차원 네트워크 거대 분자인 지오폴리머 반응으로 비교적 저온에서 건축용 패널을 제조할 수 있다.
무기질 바인더로서 액상 규산나트륨, 액상 규산칼륨, 액상 규산리튬, 액상 개질 규산칼륨, 실리카 졸, 알루미나 졸 또는 알칼리 액상 나노졸을 사용할 수 있다. 즉, 이들 화합물들을 단독으로 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 액상 규산나트륨, 액상 규산칼륨, 액상 규산리튬, 액상 개질 규산칼륨, 실리카 졸 또는 알루미나 졸의 액상 규산염을 단독으로 사용할 수 있다. 또한, 알칼리 액상 나노졸만 사용할 수도 있다. 그리고 알칼리 액상 나노졸에 액상 규산염을 혼합하여 사용할 수도 있다.
팽창 펄라이트의 양을 100 중량부로 하는 경우, 무기질 바인더의 양을 20 중량부 내지 150 중량부로 할 수 있다. 무기질 바인더의 양이 너무 적은 경우, 바인더로서의 기능을 발휘하지 못하여 성형체가 형성될 수 없다. 또한, 무기질 바인더의 양이 너무 많은 경우, 슬러리 점도가 낮아져 성형체 제조가 어려우며 성형체를 제조하더라도 장시간 건조해야 하므로 경제성이 낮다. 따라서 무기질 바인더의 양을 전술한 범위로 조절한다. 본 발명의 일 실시예에서는 고분자 바인더를 사용하지 않아도 지오 폴리머의 공중합 반응과 무기바인더를 이용하여 비중, 기공율, 단열성, 불연성, 흡음성이 우수한 건축용 패널을 제공할 수 있다.
무기질 필러는 성형체를 제조시 사용한 물 및 지오폴리머 반응 중에 생성되는 물의 반응 물질로서 사용된다. 지오폴리머는 탈수 반응에 의해 생성되므로, 물이 존재한다. 따라서 무기질 필러는 입자들 사이에 존재하는 수분과 반응하거나 물을 물리적으로 흡착하여 성형물의 강도를 증대시키고 건조 온도 및 가열 온도를 낮출 수 있다. 또한, 무기질 필러는 성형물의 공극을 채워서 그 강도의 증진에 기여할 수 있다. 무기질 필러로서 천연 광물질, 산업생산품, 산업부산물 또는 흙 등을 사용할 수 있다. 천연 광물질로서, 점토, 황토 등의 점질토, 고령토, 백도 등의 사질토 등을 사용할 수 있다. 또한, 규회석, 규조토 등의 천연 암석을 분쇄하여 사용할 수도 있다. 산업생산품 또는 산업부산물로서 각종 시멘트, 석고, 화력 발전소에서 발생한 플라이 애쉬, 고로 슬래그, 실리카흄 등을 사용할 수 있다. 이 경우, 중금속이 함유되지 않도록 정제한 원료를 사용한다. 전술한 바와 같이, 무기질 필러로서 점토, 황토, 고령토, 백토, 규회석, 규조토, 시멘트, 석고, 플라이 애쉬, 고로슬래그 또는 실리카흄 등을 사용할 수 있다.
한편, 무기질 필러의 입도는 0보다 크고 30㎛ 이하일 수 있다. 무기질 필러의 입도가 너무 큰 경우, 비표면적이 작아져 필러로 기능을 발휘할 수 없다. 따라서 무기질 필러의 입도를 전술한 범위로 조절한다.
팽창 펄라이트의 양을 100 중량부로 하는 경우, 무기질 필러의 양을 300 중량부 이하로 할 수 있다. 무기질 필러의 양이 너무 많은 경우, 무게 증가로 인해 경량화가 어렵다. 따라서 무기질 필러의 양을 전술한 범위로 조절한다.
본 발명의 일 실시예와는 달리, 다공성 소재를 원료로 사용시 혼합 공정 또는 경화 공정에서 불균일이 발생할 수 있고, 밀도차에 의한 층분리로 제품 성능을 저하시킬 수 있다.
한편, 첨가제로서 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 알루미늄 포스페이트(AlPO4), 알루민산소다(NaAlO2), 또는 섬유질, 또는 안료 등을 사용할 수 있다. 알루미늄 화합물인 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 알루미늄 포스페이트(AlPO4) 및 알루민산소다(NaAlO2)는 성형물 내에서 Si/Al의 비율과 Na/Al의 비율을 제어하기 위해 사용한다. 한편, 섬유질을 추가해 성형물의 압축강도 또는 휨강도를 향상시키기 위해 셀룰로오스계 섬유, 필라멘트 형상의 단백질계 섬유, 광물질계 섬유, 유리 섬유 또는 탄소 섬유 등을 사용할 수 있다. 이 중에서 셀룰로오스계 섬유, 필라멘트 형상의 단백질계 섬유 및 광물질계 섬유는 천연 섬유이고, 유리 섬유 및 탄소 섬유는 무기질의 인조 섬유이다. 안료는 성형물의 색상을 다양하게 구현하기 위해 첨가된다. 유기 안료 및 무기 안료 모두 사용할 수 있다. 팽창 펄라이트의 양을 100 중량부로 하는 경우, 첨가제의 양을 1 중량부 내지 2 중량부로 할 수 있다. 안료도 동일하게 적용된다.
본 발명의 일 실시예에서는 무기물 소재로서의 경량 불연 단열재를 제공한다. 이와는 대조적으로, 종래의 유기 발포 스티로폼 또는 발포 우레탄폼은 화재 발생시 화염 전파가 쉽고, 유독성 가스를 방출하는 유기 단열재의 문제점을 해결할 수 있다.
다음으로, 단계(S20)에서는 팽창 펄라이트, 알칼리 활성화제, 무기질 바인더, 무기질 필러, 및 첨가제를 혼합한 혼합물을 슬러리로 변환한다. 혼합물을 슬러리로 변환하는 단계는 다양하게 이루어질 수 있다.
예를 들면, 팽창 펄라이트, 알칼리 활성화제, 무기질 필러 또는 첨가제를 1차 혼합한 후에 무기질 바인더를 첨가한 혼합물을 2분 내지 5분 동안 60rpm 내지 100rpm으로 교반해 슬러리를 제조할 수 있다. 혼합물의 총 중량부가 증가하는 경우, 교반 시간이 증가한다. 즉, 팽창 펄라이트만 사용하거나 팽창 펄라이트에 무기질 필러를 균일하게 혼합한다. 그리고 알칼리 활성화제와 무기질 바인더를 차례로 혼합할 수 있다. 무기질 바인더로서 알칼리 규산염과 알칼리 액상 나노졸을 단독으로 사용하거나 차례로 혼합할 수 있다. 고상물에 액상물을 별도로 준비하여 균일하게 혼합할 수도 있고, 지오폴리머 반응을 통해 원료들을 균일하게 혼합시켜 최종적으로 균일하게 겔화 된 슬러리를 얻을 수 있다. 한편, 알칼리 활성화제 및 상기 무기질 바인더는 각각 액상으로 제공될 수 있다. 즉, 알칼리 활성화제를 물에 용해하여 수용액 상태로 제공할 수 있다. 그 대신에 알칼리 활성화제를 물유리에 직접 용해시켜 개질한 물유리를 사용할 수도 있다. 또는 알칼리 활성화제, 물유리 및 나노 실리카졸을 각각 칭량한 후 혼합하여 교반기로 균일하게 혼합한 용액을 펄라이트 분말에 투입해 지오폴리머 반응을 유도할 수도 있다. 그 결과, 후속 공정에서 불연성 건축용 패널을 제조할 수 있다.
한편, 또다른 혼합물의 슬러리 변환의 예로서, 알칼리 활성화제를 무기질 바인더에 직접 용해시킨 혼합물에 팽창 펄라이트, 무기질 필러, 및 첨가제를 혼합해 슬러리로 변환할 수도 있다. 그리고 알칼리 활성화제 및 무기질 바인더를 혼합한 혼합물에 팽창 펄라이트, 무기질 필러, 및 첨가제를 추가하여 슬러리로 변환할 수도 있다.
다음으로, 단계(S30)에서는 슬러리를 성형한다. 슬러리는 진동 충진 성형, 압축 성형, 롤 성형 또는 사출 성형 등의 방법으로 성형할 수 있다. 성형 방법은 겔화 된 슬러리의 점도와 성형체의 형상, 크기, 두께 등에 따라 달리할 수 있다. 슬러리는 건축용 패널로 사용할 수 있는 크기로 성형하면 된다.
단계(S40)에서는 성형한 슬러리, 즉 성형체를 건조한다. 건조 온도는 20℃ 내지 90℃일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 성형체의 건조 온도는 30℃ 내지 90℃일 수 있다. 건조 온도가 너무 낮으면 최종 제조되는 건축용 패널의 강도가 낮아지고 건조에 장시간이 소요된다. 반대로, 건조 온도가 너무 높으면 성형체의 내부와 표면부의 급격한 온도 편차로 인해 크랙이 발생한다. 그 결과, 성형체를 단열재로서 사용하기에 부적합할 수 있다. 건조 온도를 전술한 범위로 유지해야 최종 제조되는 건축용 패널을 무기 단열재로 사용시 외부 변화에 의한 보호가 가능하다. 건조 온도를 전술한 범위로 하여 성형체를 지오폴리머에 의한 경화에 적합하도록 유지한다. 또한, 성형체를 충분히 경화시켜 외부 충격 또는 급격한 수분 증발에 의한 성형체의 크랙 발생을 제어할 수 있다.
단계(S50)에서는 건조한 성형체를 가열한다. 즉, 건조한 성형체에 오븐 가열, 근적외선 가열, 적외선 가열, 마이크로 웨이브 가열, 또는 열판 직접 가열을 실시한다. 본 발명의 일 실시예와는 달리, 고온의 터널식 킬른 등에서 수백 ℃ 이상의 소결 온도로 가열시 제조 비용이 크게 상승할 수 있다. 따라서 건조한 성형체를 전술한 방법으로 가열해 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
이와는 대조적으로, 종래의 불연성 무기 발포 형상체는 화재 발생시 유독 가스의 방출이 없고 대기 환경을 보호할 수 있으며 인명 피해를 크게 줄일 수 있다. 그러나 형성체를 형성하기 위해 수백 ℃ 이상의 소결 온도에 필요한 고온의 로(furnace)가 필요하거나 시멘트 단열재 제조시 오토클레이브 등의 대규모 장치가 필요하여 경제성이 낮다.
건조한 성형체는 80℃ 내지 300℃로 가열할 수 있다. 좀더 바람직하게는, 건조한 성형체를 100℃ 내지 250℃로 가열할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 건조한 성형체를 100℃ 내지 200℃로 가열할 수 있다. 가열 온도가 너무 낮은 경우, 성형체 내부의 수분 제거 속도가 느려서 성형체 내부에 잔존하는 수분에 의한 단열 효과를 저해할 수 있다. 또한, 가열 온도가 너무 높은 경우, 빠른 속도의 건조는 가능하지만 성형체가 균열되어 그 경제성이 저하될 수 있다. 따라서 성형체의 가열 온도를 전술한 범위로 유지한다.
마지막으로, 단계(S50)에서는 가열한 성형체를 재단한다. 즉, 성형체를 건축용 패널로 제조하기 위해 건축용 패널 규격에 맞게 절단한다. 최종 제조된 건축용 패널의 밀도는 0.30g/cm3 내지 0.96g/cm3일 수 있다. 한편, 건축용 패널의 압축 강도는 1MPa 내지 5MPa일 수 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
건축용 패널의 제조 실험
팽창 펄라이트, 알칼리 활성화제, 3호 물유리 및 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 먼저, 팽창 펄라이트 분말을 믹서기에 투입하여 약 30rpm으로 균일 혼합하였다. 그리고 균일하게 혼합된 펄라이트 분말에 알칼리 활성화제 수용액을 투입하고 약 60rpm으로 회전 속도를 올려서 5분 내지 10분간 혼합물을 균일하게 혼합하였다. 다음으로, 3호 물유리를 투입하여 약 75rpm으로 회전 속도를 올려서 혼합물을 2분 내지 5분간 균일하게 혼합하였다. 3호 물유리는 ㈜영일화성 제품을 사용하였다. 다음으로, 나노 실리카 졸을 투입하고 2분 내지 5분간 균일하게 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 나노 실리카 졸의 고형분 함량은 50wt%이었고, 그 입자 크기는 20㎚ 내지 100㎚이었으며, pH 9 내지 pH 10이었다. 나노 실리카 졸은 ㈜영성케미칼 제품을 사용하였다.
제조한 슬러리는 15cmⅹ15cm의 성형틀에 충진하였다. 충진한 원료가 성형틀 곳곳에 잘 스며들도록 1초 내지 10초 동안 진동을 가하였다. 그리고 성형틀에 채워진 성형물을 상온에서 1시간 내지 2시간 방치하여 지오폴리머 반응을 안정화시켰다. 안정화된 성형물을 70℃의 건조기에 넣어 4시간 내지 12시간 동안 건조하였다. 여기서, 성형물의 건조 시간은 성형하려는 제품의 면적 또는 두께에 따라 변화시켜서 조절할 수 있다. 다음으로, 건조한 성형물을 탈형하였다. 탈형한 성형물을 150℃의 건조기에 넣어 4시간 내지 12시간 동안 가열하였다. 여기서, 가열 시간은 성형하려는 제품의 면적 또는 두께에 따라 변화시킬 수 있다. 마지막으로, 가열된 성형물을 재단하여 건축용 패널을 제조하였다. 이외의 상세한 실험 내용은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
실험예 1
100 중량부의 펄라이트 분말, 200 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 20 중량부의 3호 물유리 및 20 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 2
100 중량부의 펄라이트 분말, 130 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 3
100 중량부의 펄라이트 분말, 200 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 20 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 4
100 중량부의 펄라이트 분말, 200 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 40 중량부의 3호 물유리 및 20 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 5
100 중량부의 펄라이트 분말, 120 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 80 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 6
100 중량부의 펄라이트 분말, 140 중량부의 KOH (2.5M) 수용액, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 7
100 중량부의 펄라이트 분말, 110 중량부의 KOH (2.5M) 수용액, 80 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 8
100 중량부의 펄라이트 분말, 110 중량부의 KOH (2.5M) 수용액, 40 중량부의 3호 물유리 및 100 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
비교예 1
100 중량부의 펄라이트 분말과 200 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액만을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험결과
밀도 및 압축강도 측정 결과
전술한 실험예 1 내지 실험예 8 및 비교예 1에 따라 제조한 건축용 패널의 겉보기 밀도 및 압축강도를 측정하였다. 겉보기 밀도 및 압축강도의 측정 과정은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다. 전술한 실험예 1 내지 실험예 8와 비교예 1의 실험 결과를 아래의 표 1에 나타낸다.
| 실험예 | 팽창 펄라이트 |
알칼리 활성화제 (2.5M) |
3호 물유리 | 실리카졸 | 겉보기 밀도 (g/㎤) |
압축강도 (MPa) |
|
| NaOH | KOH | ||||||
| 실험예 1 | 100 | 200 | 0 | 20 | 20 | 0.43 | 3.31 |
| 실험예 2 | 130 | 0 | 40 | 50 | 0.41 | 3.36 | |
| 실험예 3 | 200 | 0 | 20 | 50 | 0.50 | 2.34 | |
| 실험예 4 | 200 | 0 | 40 | 20 | 0.51 | 2.12 | |
| 실험예 5 | 120 | 0 | 80 | 50 | 0.57 | 2.81 | |
| 실험예 6 | 0 | 140 | 40 | 50 | 0.54 | 2.68 | |
| 실험예 7 | 0 | 110 | 80 | 50 | 0.60 | 4.80 | |
| 실험예 8 | 0 | 110 | 40 | 100 | 0.62 | 4.80 | |
| 비교예 1 | 100 | 200 | 0 | 0 | 0 | 0.38 | 0.88 |
표 1에 기재한 바와 같이, 실험예 1 내지 실험예 8에 따라 제조한 건축용 패널의 밀도는 0.41g/cm3 내지 0.62g/cm3이었고, NaOH보다 KOH를 알칼리 활성화제로 사용하는 경우, 그 밀도가 좀더 컸다. 비교예 1의 건축용 패널의 밀도는 0.38g/cm3로서 실험예 1 내지 실험예 8의 건축용 패널의 밀도보다 작게 나타났으나 그 압축 강도는 0.88MPa로 제품화하기에는 곤란하였다. 반면에, 실험예 1 내지 실험예 8의 건축용 패널의 압축 강도는 비교예 1의 건축용 패널의 압축 강도보다 높아 우수한 특성을 가지는 것을 알 수 있었다.
무기 필러의 첨가 실험
무기 필러로서 시멘트 또는 석고를 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 9
100 중량부의 펄라이트 분말, 150 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 0 중량부의 시멘트, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 10
75 중량부의 펄라이트 분말, 150 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 25 중량부의 시멘트, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 11
50 중량부의 펄라이트 분말, 150 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 50 중량부의 시멘트, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 12
25 중량부의 펄라이트 분말, 150 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 75 중량부의 시멘트, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 13
95 중량부의 펄라이트 분말, 150 중량부의 NaOH (2.5M) 수용액, 5 중량부의 석고, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 14
75 중량부의 펄라이트 분말, 90 중량부의 NaOH (5.0M) 수용액, 25 중량부의 석고, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 15
75 중량부의 펄라이트 분말, 90 중량부의 NaOH (5.0M) 수용액, 25 중량부의 시멘트, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 16
50 중량부의 펄라이트 분말, 70 중량부의 NaOH (5.0M) 수용액, 50 중량부의 시멘트, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 17
25 중량부의 펄라이트 분말, 60 중량부의 NaOH (5.0M) 수용액, 75 중량부의 시멘트, 40 중량부의 3호 물유리 및 50 중량부의 실리카졸을 사용하여 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
비교예 2
100 중량부의 펄라이트 분말에 100 중량부의 시멘트만 균일하게 혼합한 후 물만 투입해 슬러리를 제조한 후 성형 공정 및 건조 공정을 통해 건축용 패널을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험결과
내화도 실험 결과
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예 2에 따른 건축용 패널의 내화도 측정 전후의 실험 사진들을 각각 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 가스 토치를 사용하여 건축용 패널을 가열하였다. 가열은 약 20분 동안 지속했다.
도 5는 20분 가열 후의 건축용 패널의 외관을 나타낸다. 그 표면 온도는 799.8℃까지 상승했지만, 건축용 패널의 외관은 거의 변화가 없는 것을 알 수 있었다. 600℃ 이상의 온도에서 20분 동안 가열한 후의 건축용 패널의 질량 감소율도 30% 이내인 것으로 나타났다. 실험예 1 내지 실험예 17에 따라 제조한 건축용 패널에 적용시에도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 따라서 건축용 패널이 우수한 내화도를 가진다는 것을 알 수 있었다.
밀도 및 압축강도 측정 결과
전술한 실험예 9 내지 실험예 17 및 비교예 2에 따라 제조한 건축용 패널의 밀도 및 압축강도를 측정하였다. 측정 방법은 전술한 실험예의 측정 방법과 동일하였다. 그 결과를 아래의 표 2에 나타낸다. 비교예 2의 건축용 패널은 실험예 9 내지 실험예 15의 건축용 패널에 비해 압축강도가 너무 낮았다. 따라서 비교예 2의 건축용 패널은 제품화하기 곤란하다는 것을 알 수 있었다.
| No | 펄라이트 | NaOH | 무기필러 | 3호 물유리 |
실리카졸 | 겉보기 밀도 (g/㎤) |
압축강도 (MPa) |
||
| 2.5M | 5.0M | 시멘트 | 석고 | ||||||
| 실시예 9 | 100 | 150 | 0 | 40 | 50 | 0.41 | 3.36 | ||
| 실시예 10 | 75 | 25 | 0.55 | 2.08 | |||||
| 실시예 11 | 50 | 50 | 0.61 | 3.08 | |||||
| 실시예 12 | 25 | 75 | 0.84 | 4.10 | |||||
| 실시예 13 | 95 | 5 | 0.54 | 1.43 | |||||
| 실시예 14 | 75 | 120 | 25 | 0.61 | 1.67 | ||||
| 실시예 15 | 75 | 90 | 25 | 0.75 | 3.82 | ||||
| 실시예 16 | 50 | 70 | 50 | 0.87 | 3.44 | ||||
| 실시예 17 | 25 | 60 | 75 | 0.96 | 4.44 | ||||
| 비교예 2 | 100 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0.44 | 0.70 | |
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
Claims (5)
100 중량부의 팽창 펄라이트,
13 중량부 내지 20 중량부의 알칼리 활성화제, 및
40 중량부 내지 90 중량부의 무기질 바인더
를 포함하고,
상기 팽창 펄라이트는 90% 이상의 비정질상의 알루미노 실리게이트를 포함하는 불연 건축용 패널의 조성물.
13 중량부 내지 20 중량부의 알칼리 활성화제, 및
40 중량부 내지 90 중량부의 무기질 바인더
를 포함하고,
상기 팽창 펄라이트는 90% 이상의 비정질상의 알루미노 실리게이트를 포함하는 불연 건축용 패널의 조성물.
제1항에서,
상기 알칼리 활성화제는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 및 산화칼슘(CaO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 불연 건축용 패널의 조성물.
상기 알칼리 활성화제는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 및 산화칼슘(CaO)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 불연 건축용 패널의 조성물.
제1항에서,
상기 무기질 바인더는 액상 규산나트륨, 액상 규산칼륨, 액상 규산리튬, 액상 개질 규산칼륨, 실리카 졸, 알루미나 졸 및 알칼리 액상 나노졸로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 불연 건축용 패널의 조성물.
상기 무기질 바인더는 액상 규산나트륨, 액상 규산칼륨, 액상 규산리튬, 액상 개질 규산칼륨, 실리카 졸, 알루미나 졸 및 알칼리 액상 나노졸로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 불연 건축용 패널의 조성물.
제1항에서,
0 보다 크고 300 중량부 이하의 무기질 필러를 더 포함하고,
상기 무기질 필러는, 점토, 황토, 고령토, 백토, 규회석, 규조토, 시멘트, 석고, 플라이 애쉬, 고로슬래그 및 실리카흄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하고, 상기 무기질 필러의 입도는 0보다 크고 30㎛ 이하인 불연 건축용 패널의 조성물.
0 보다 크고 300 중량부 이하의 무기질 필러를 더 포함하고,
상기 무기질 필러는, 점토, 황토, 고령토, 백토, 규회석, 규조토, 시멘트, 석고, 플라이 애쉬, 고로슬래그 및 실리카흄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하고, 상기 무기질 필러의 입도는 0보다 크고 30㎛ 이하인 불연 건축용 패널의 조성물.
제1항에서,
1 중량부 내지 2 중량부의 첨가제를 더 포함하고,
상기 첨가제는 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 알루미늄 포스페이트(AlPO4), 알루민산소다(NaAlO2), 셀룰로오스계 섬유, 필라멘트 형상의 단백질계 섬유, 광물질계 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 및 안료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 불연 건축용 패널의 조성물.
1 중량부 내지 2 중량부의 첨가제를 더 포함하고,
상기 첨가제는 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 알루미늄 포스페이트(AlPO4), 알루민산소다(NaAlO2), 셀룰로오스계 섬유, 필라멘트 형상의 단백질계 섬유, 광물질계 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 및 안료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 불연 건축용 패널의 조성물.
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101543958B1 (ko) | 2014-04-04 | 2015-08-24 | 주식회사 호만산업 | 팽창 펄라이트가 함유된 단열재의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102424989B1 (ko) | 2022-07-25 |
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