KR20230138620A - 무시멘트 황토 조성물과 이를 이용한 황토 흡음재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무시멘트 황토 조성물과 이를 이용한 황토 흡음재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소성하지 않은 생 황토에 무시멘트계 바인더를 혼합하여 강도가 우수하면서 친환경적인 황토 조성물과 이를 이용한 황토 흡음재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 무시멘트 황토 조성물은 미소성된 생황토 50 내지 70중량%와, 무시멘트계의 분말 바인더 30 내지 50중량%를 함유하며, 상기 분말 바인더는 고로슬래그와 규산나트륨이 혼합된다.
본 발명의 무시멘트 황토 조성물은 미소성된 생황토 50 내지 70중량%와, 무시멘트계의 분말 바인더 30 내지 50중량%를 함유하며, 상기 분말 바인더는 고로슬래그와 규산나트륨이 혼합된다.
Description
본 발명은 무시멘트 황토 조성물과 이를 이용한 황토 흡음재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소성하지 않은 생 황토에 무시멘트계 바인더를 혼합하여 강도가 우수하면서 친환경적인 황토 조성물과 이를 이용한 황토 흡음재의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 건축자재는 강도적인 측면에 중점을 두고 있어, 압축강도가 우수한 시멘트 성분이 건축자재가 주를 이루고 있다.
그러나, 시멘트 성분은 장시간에 걸쳐 다량의 유해물질을 방출하므로, 그 실내에서 활동하는 인체에 좋지 않은 영향을 주게 되며, 노후로 인한 폐기처리시 유해한 건축폐기물이 다량 발생되는 문제점이 있다.
상기와 같은 시멘트 성분 건축자재의 문제점으로 인하여 친환경적인 소재 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 영향으로 황토에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
황토를 흡음재와 같은 건축자재로 사용하기 위해서는 주로 원료로 고온에서 소성시킨 소성황토를 이용하고 있다. 소성황토는 반응성이 우수하여 경화가 용이하면 높은 강도를 갖는다. 이에 비해 소성시키지 않은 생황토는 반응성이 없어서 경화가 어렵고, 경화 후 강도가 매우 낮으면 쉽게 균열이 발생하는 문제점이 있다.
생황토의 이러한 문제점을 해결하기 위해 생황토에 다양한 종류의 고화제를 첨가하여 건축자재로 사용하고자 하는 시도가 계속되고 있다. 일 예로 생황토에 시멘트를 첨가하여 보드 형상으로 성형하여 건축자재를 제조할 경우 경화성은 다소 개선되나 황토입자가 시멘트의 경화를 방해하여 높은 압축강도를 구현하기는 힘들다. 또한, 시멘트를 사용할 경우 상술한 바와 같이 환경에 유해하다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1870942호에는 시멘트를 사용하지 않는 황토 흡음재용 조성물이 개시되어 있다.
상기 황토 흡음재용 조성물을 시멘트를 사용하지 않는 대신에 분말 고화제와 액상 고화제를 함께 사용하므로 제조과정이 복잡하고 시간이 많이 걸리는 단점이 있다. 또한, 사용하고 있는 분말 고화제와 액상 고화제에 의해 강도, 특히 압축강도가 높게 발현되는지는 실험적으로 입증되지 않았다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 시멘트를 함유하지 않은 무시멘트계 바인더를 개발하고 이를 생황토에 첨가하였을 때 압축강도가 우수한 황토 조성물과 이를 이용한 황토 흡음재의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무시멘트 황토 조성물은 미소성된 생황토 50 내지 70중량%와, 무시멘트계의 분말 바인더 30 내지 50중량%를 함유하며, 상기 분말 바인더는 고로슬래그와 규산나트륨이 혼합된다.
상기 분말 바인더는 상기 고로슬래그 85 내지 90중량%와 상기 규산나트륨 10 내지 15중량%가 혼합된다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 황토 흡음재의 제조방법은 무시멘트 황토 조성물에 물을 첨가한 후 교반하여 황토반죽을 수득하는 반죽단계와; 상기 황토반죽을 몰드에 주입하여 성형하는 성형단계와; 상기 몰드에서 성형된 성형체를 양생하는 양생단계;를 포함하고, 상기 무시멘트 황토 조성물은 미소성된 생황토 50 내지 70중량%와, 무시멘트계의 분말 바인더 30 내지 50중량%를 함유하며, 상기 분말 바인더는 고로슬래그와 규산나트륨이 혼합된다.
상기 분말 바인더는 상기 고로슬래그 85 내지 90중량%와 상기 규산나트륨 10 내지 15중량%를 혼합한다.
상기 반죽단계 후 상기 황토반죽에 소성 불가사리 분말을 첨가한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 고로슬래그와 규산나트륨을 혼합한 바인더를 사용함으로써 시멘트를 사용하지 않고도 압축강도가 우수한 황토 흡음재를 제조할 수 있는 황토 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 시멘트를 사용하지 않으므로 친환경적이고 안전하다.
도 1은 압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무시멘트 황토 조성물과 이를 이용한 황토 흡음재의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 무시멘트 황토 조성물은 생황토와 무시멘트계의 분말 바인더를 함유한다. 가령, 무시멘트 황토 조성물은 생황토 50 내지 70중량%와, 무시멘트계의 분말 바인더 30 내지 50중량%를 함유할 수 있다.
본 발명에서 황토는 소성되지 않은 황토, 즉 생황토를 이용한다.
황토는 탄산칼슘(CaCO3), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 철분, 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 칼리(K2O) 등을 포함하며, 주로 0.05~0.01mm 실트(silt) 입자로 구성된 황색의 광물질로서, 다량의 원적외선을 방사하기 때문에 혈액순환 및 신진대사 촉진 등 인체에 유익한 효과를 갖는다.
황토는 체에 걸러 입자가 큰 이물질을 분리한 후 분쇄기에서 분쇄하여 미분화된 황토분말을 이용한다. 분쇄를 용이하게 하기 위해 이물질 분리 후 황토를 건조시킨 다음에 분쇄할 수 있다.
무시멘트계의 분말 바인더는 시멘트가 함유되지 않은 분말 바인더를 의미한다. 이러한 무시멘트계의 분말 바인더로 고로슬래그와 규산나트륨이 혼합된 것을 이용할 수 있다.
슬래그(slag)는 제철공정에서 발생하는 고로슬래그와 제강공정에서 발생되는 제강슬래그로 나뉜다. 고로슬래그는 용광로에서 철광석으로부터 선철을 만들 때 생기는 철 이외의 불순물이다.
고로슬래그는 산화칼슘(CaO)과 이산화규소(SiO2)를 주성분으로 하고, 그 외에 알루미나(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 삼산화황(SO3), 산화철(Fe2O3) 등이 소량 함유된다. 이러한 고로슬래그는 잠재수경성을 가지고 있어서 경화성을 향상시켜 강도를 높인다.
규산나트륨(Na2SiO3)은 황토 및 고로슬래그에 함유된 실리카, 알루미나, 산화칼슘 등과 반응하여 경화를 촉진시키는 역할을 한다.
고로슬래그와 규산나트륨은 분말 형태로 이용한다. 고로슬래그 85 내지 90중량%와, 규산나트륨 10 내지 15중량%를 혼합하여 무시멘트계의 분말 바인더를 얻을 수 있다.
상술한 생황토와 무시멘트계의 분말 바인더를 혼합하면 분말 형태인 본 발명의 무시멘트 황토 조성물이 만들어진다.
이하, 본 발명의 무시멘트 황토 조성물을 이용한 황토 흡음재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 황토 흡음재의 제조방법은 무시멘트 황토 조성물에 물을 첨가한 후 교반하여 황토반죽을 수득하는 반죽단계와, 황토반죽을 몰드에 주입하여 성형하는 성형단계와, 몰드에서 성형된 성형체를 양생하는 양생단계를 포함한다. 각 단계별로 상세하게 살펴본다.
1. 반죽단계
먼저, 무시멘트 황토 조성물에 물을 첨가한다. 가령, 무시멘트 황토 조성물 100중량부에 대하여 물 20 내지 40중량부를 첨가할 수 있다.
물을 첨가한 후 교반하여 황토반죽을 수득한다.
2. 성형단계
다음으로, 황토반죽을 몰드에 주입하여 성형한다.
몰드는 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 판상 또는 블록 형태 등으로 몰드가 형성될 수 있다.
황토반죽을 몰드에 주입하면 황토는 몰드의 형태에 따라 다양한 모양으로 성형된다.
한편, 황토반죽을 몰드에 주입하기 전에 황토반죽에 기포제를 첨가할 수 있다. 기포제를 첨가함으로써 흡음효과를 높일 수 있다. 기포제로 통상적인 제품을 이용할 수 있다. 가령, 기포제로 소디움 라우릴 설페이트(Sodium Lauryl Sulfate, SLS)를 이용할 수 있다.
기포제는 황토반죽 100중량부를 기준으로 1 내지 10중량부를 첨가할 수 있다. 기포제의 첨가 후 생성된 기포의 부피가 작아지지 않도록 교반은 1분 이상 충분히 수행한다. 기포를 생성시킨 후 황토반죽의 비중은 기포 생성 전 황토반죽의 비중과 비교하여 60 내지 80% 정도인 것이 바람직하다.
3. 양생단계
다음으로, 몰드에서 성형된 성형체를 양생한다.
양생은 15 내지 25℃, 상대습도 50 내지 70% 조건의 양생실에서 수행할 수 있다.
양생이 완료되면 성형틀에서 분리하여 판상 또는 블록 형태의 황토 흡음재가 최종적으로 완성된다. 이러한 황토 흡음재는 황토 보드나 황토 블록으로 이용될 수 있다.
한편, 본 발명은 다른 예로서 반죽단계 후 수득한 황토반죽에 소성 불가사리 분말을 첨가할 수 있다. 가령, 황토반죽 100중량부에 대하여 소성 불가사리 분말 5 내지 15중량부를 첨가할 수 있다.
소성 불가사리 분말은 불가사리를 고온(800~1200℃)에서 소성시킨 후 작은 입자 크기로 분쇄한 것이다. 입자의 크기는 20 내지 100메쉬일 수 있다. 이러한 소성 불가사리 입자는 무수한 기공이 형성된 다공구조를 갖는다. 따라서 흡음성을 향상시킨다. 또한, 소성 불가사리 입자는 산화칼슘을 주성분으로 하는데, 산화칼슘은 물과 반응하여 수산화칼슘을 생성시켜 강도 향상에 도움을 준다.
소성 불가사리 분말을 첨가한 황토반죽은 성형 및 양생을 거쳐 황토 흡음재로 제조된다.
본 발명은 또 다른 예로서, 소성 불가사리에 벗풀 추출액을 함침시켜 사용할 수 있다. 벗풀 추출액은 우수한 항균활성을 갖는다. 따라서 벗풀 추출액은 소성 불가사리의 기공에 함침되어 서서히 외부로 방출되면서 황토흡음재에 장기간 항균성을 부여할 수 있다.
벗풀(Sagittaria sagittifola)은 택사과에 속하는 여러해살이풀로서, 우리나라 전역에 자생한다.
벗풀 추출액은 벗풀의 뿌리에 추출용매를 가해 추출할 수 있다. 추출용매로 물, 탄소수 1 내지 4의 저급 알코올, 다가 알코올 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 탄소수 1 내지 4의 저급 알코올로 메탄올, 에탄올 등을 이용할 수 있고, 다가 알코올로 부틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜, 펜틸렌글리콜 등을 이용할 수 있다. 그리고 혼합물로는 물 및 저급 알코올의 혼합물, 물 및 다가 알코올의 혼합물, 저급 알코올 및 다가 알코올의 혼합물, 또는 물 및 저급알코올 및 다가 알코올의 혼합물을 이용할 수 있다.
추출의 일 예로 벗풀의 뿌리에 대하여 추출용매를 중량비로 2 내지 20배를 가한 후 10 내지 120℃에서 1 내지 48시간 동안 열수추출, 냉침추출 또는 온침추출의 방법으로 추출할 수 있다.
추출한 벗풀 추출액에 소성 불가사리를 침지시켜 벗출 추출액을 소성 불가사리의 함침시킬 수 있다. 벗풀 추출액이 함침된 소성 불가사리는 20 내지 100메쉬 크기로 분쇄한 후 황토반죽에 첨가한다.
한편, 벗풀 추출액은 소성 불가사리에 함침시키지 않고 황토 반죽에 직접 첨가시킬 수 있다. 가령, 황토반죽 100중량부에 대하여 소성 불가사리 분말 5 내지 15중량부, 벗풀 추출액 2 내지 10중량부를 첨가할 수 있다. 또한, 소성 불가사리 분말은 첨가하지 않고 벗풀 추출액만 첨가할 수 있다. 이 경우, 황토반죽 100중량부에 대하여 벗풀 추출액 2 내지 10중량부를 첨가할 수 있다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
고로슬래그 분말 90중량%와 규산나트륨 분말 10중량%를 혼합하여 분말 바인더를 준비하였다. 그리고 생황토 분말 50중량%와 분말 바인더 50중량%를 골고루 혼합하여 황토 조성물을 수득하였다. 물-결합재비가 0.485가 되도록 황토 조성물에 물을 첨가한 후 교반하여 황토 반죽을 제조하였다.
(비교예1)
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 황토 반죽을 제조하되, 규산나트륨 대신에 수산화칼슘을 이용하였다.
(비교예2)
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 황토 반죽을 제조하되, 규산나트륨 대신에 수산화나트륨을 이용하였다.
(비교예3)
생황토 분말 50중량%와 포틀랜드 시멘트 50중량%를 골고루 혼합한 후 물-결합재비가 0.485가 되도록 물을 첨가한 후 교반하여 황토 반죽을 제조하였다.
<1차분석 테스트>
실시예, 비교예 1 내지 3의 황토 반죽으로 공시체를 제작하여 28일 후의 압축강도를 측정하였다. 실시예의 황토 반죽으로 제작한 공시체를 시험시료, 비교예 1의 황토 반죽으로 제작한 공시체를 비교시료1, 비교예 2의 황토 반죽으로 제작한 공시체를 비교시료2, 비교예 3의 황토 반죽으로 제작한 공시체를 비교시료3으로 하였다. 각 시료의 강도 측정결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 압축강도(MPa) |
| 시험시료 | 34.5 |
| 비교시료1 | 9.5 |
| 비교시료2 | 15.8 |
| 비교시료3 | 5.1 |
상기 표 1의 결과를 참조하면, 시멘트와 혼합한 황토반죽으로 제작된 비교시료 3은 28일 압축강도가 약 5MPa 수준으로서, 제품으로 사용하기에 압축강도 성능이 매우 낮은 것으로 나타났다.
그리고 3종류의 무시멘트계의 바인더를 사용한 시험시료, 비교시료 1, 비교시료 2는 비교시료 3에 비해 압추강도가 우수한 것으로 나타났다. 특히, 시험시료의 경우 28일 압축강도가 약 34MPa로 나타나 가장 우수한 압축강도를 보였다.
<2차분석 테스트>
시험시료의 압축강도가 가장 우수한 것으로 확인되어, 분말 바인더에 첨가되는 규산나트륨의 적정 비율 및 황토 조성물에 첨가되는 분말 바인더의 적정 비율을 선정하기 위해 2차로 압축강도를 분석하였다.
하기 표 2와 같이 규산나트륨의 비율 및 분말 바인더의 비율을 달리하여 황토 조성물을 수득한 다음, 물-결합재비가 0.3이 되도록 물을 첨가한 후 교반하여 총 10종류의 황토 반죽을 제조하였다. 50×50×50mm의 큐브 몰드를 이용하여 황토반죽으로 공시체를 제작하여 3일, 7일, 28일 압축강도를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 시료종류 | 황토반죽 조성(wt%) | 분말바인더 조성(wt%) | 압축강도(MPa) | ||||
| 황토 | 분말바인더 | 고로슬래그 | 규산나트륨 | 3일 | 7일 | 28일 | |
| N15-S50 | 50 | 50 | 85 | 15 | 34.67 | 39.92 | 53.65 |
| N15-S60 | 60 | 40 | 85 | 15 | 22.40 | 26.10 | 35.54 |
| N15-S70 | 70 | 30 | 85 | 15 | 13.71 | 18.05 | 21.04 |
| N15-S80 | 80 | 20 | 85 | 15 | 3.06 | 7.96 | 8.14 |
| N15-S90 | 90 | 10 | 85 | 15 | - | - | - |
| N10-S50 | 50 | 50 | 90 | 10 | 25.86 | 31.68 | 37.68 |
| N10-S60 | 60 | 40 | 90 | 10 | 18.54 | 22.64 | 26.30 |
| N10-S70 | 70 | 30 | 90 | 10 | 6.13 | 12.78 | 12.68 |
| N10-S80 | 80 | 20 | 90 | 10 | 0.14 | 2.20 | 10.55 |
| N10-S90 | 90 | 10 | 90 | 10 | - | - | - |
상기 표 2의 결과를 참조하면, 분말 바인더를 10% 첨가한 시료(N15-S90, N10-S90)에서는 경화가 되지 않은 압축강도를 측정할 수 없었다. 그리고 규산나트륨를 15% 첨가한 분말 바인더를 사용한 시료가 규산나트륨를 15% 첨가한 분말 바인더를 사용한 시료보다 더 높은 압축강도를 보였다.
바인더로 시멘트를 사용한 표 1의 비교시료 3의 압축강도가 5MPa 수준임을 감안하면, 규산나트륨과 고로슬래그를 혼합된 바인더를 이용한 본 발명의 황토 조성물은 압축강도가 매우 우수한 제품을 제조할 수 있는 것으로 확인되었다.
압축강도면에서 N15-S50, N15-S60, N15-S70, N10-S50, N10-S60가 가장 적합한 것으로 나타났다. 따라서 이 범위 내에서 향후 타겟이 되는 흡음재 제품의 요구 강도에 맞춰서 배합비를 결정할 수 있을 것으로 보인다.
그리고 표면의 균열을 육안으로 관찰한 결과 N10-S60은 균열이 발생되지 않았다. 그리고 N15-S50, N15-S60, N15-S70, N10-S50은 균열이 약간 발생된 것으로 나타났다. 이는 골재(모래)가 포함되지 않은 황토 반죽으로 공시체를 제작하여 실험하였기 때문에 수축에 의한 균열이 발생한 것으로 보인다. 따라서 골재를 첨가하면 균열 발생을 줄일 수 있을 것으로 보인다.
<항균활성실험>
벗풀 추출액을 시료로 하여 항균 활성을 측정하였다. 벗풀의 뿌리에 물을 중량비로 10배를 가한 후 90℃에서 6시간 동안 추출하여 벗풀 추출액을 준비하였다.
시험균주로 대장균(Escherichia coli)과 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)을 이용하였다. 액체배지에 배양된 세균을 희석하여 초기 세균수가 105~106 CFU/mL가 되도록 조정하여 시험에 사용하였다. 20%(w/v) 농도로 조제한 시료 100mL에 시험균주 현탁액을 105CFU/mL 이상이 되도록 접종하고, 24시간 후 균수를 측정하여 초기 균수에 대한 감소율을 알아보았다. 배지에서 세균이 증식한 경우, 배지상의 균수에 희석 배수를 곱하여 산출하였으며, 배지에 세균이 증식하지 않은 경우에는 중화단계에서 이루어진 희석배수를 곱하여 '10미만(<10)'으로 표시하였다. 실험결과를하기 표 3에 나타내었다.
| 항목 | 초기균수(CFU/mL) | 24시간후균수(CFU/mL) |
| 대장균 | 7.2×105 | <10(99.9% 이상) |
| 황색포도상구균 | 4.6×105 | <10(99.9% 이상) |
상기 표 3의 결과를 참조하면, 벗풀 추출액은 대장균과 황색포도상구균 모두에 대하여 항균효과를 갖는 것으로 확인되었다. 따라서 우수한 항균효과를 갖는 벗풀 추출액을 황토 반죽에 첨가하여 흡음재를 제조하면 쾌적한 실내환경을 조성할 수 있을 것으로 기대된다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Claims (5)
- 미소성된 생황토 50 내지 70중량%와, 무시멘트계의 분말 바인더 30 내지 50중량%를 함유하며,
상기 분말 바인더는 고로슬래그와 규산나트륨이 혼합된 것을 특징으로 하는 무시멘트 황토 조성물. - 제 1항에 있어서, 상기 분말 바인더는 상기 고로슬래그 85 내지 90중량%와 상기 규산나트륨 10 내지 15중량%가 혼합된 것을 특징으로 하는 무시멘트 황토 조성물.
- 무시멘트 황토 조성물에 물을 첨가한 후 교반하여 황토반죽을 수득하는 반죽단계와;
상기 황토반죽을 몰드에 주입하여 성형하는 성형단계와;
상기 몰드에서 성형된 성형체를 양생하는 양생단계;를 포함하고,
상기 무시멘트 황토 조성물은 미소성된 생황토 50 내지 70중량%와, 무시멘트계의 분말 바인더 30 내지 50중량%를 함유하며,
상기 분말 바인더는 고로슬래그와 규산나트륨이 혼합된 것을 특징으로 하는 황토 흡음재의 제조방법. - 제 3항에 있어서, 상기 분말 바인더는 상기 고로슬래그 85 내지 90중량%와 상기 규산나트륨 10 내지 15중량%를 혼합한 것을 특징으로 하는 황토 흡음재의 제조방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 반죽단계 후 상기 황토반죽에 소성 불가사리 분말을 첨가하는 것을 특징으로 하는 황토 흡음재의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR101870942B1 (ko) | 2017-01-05 | 2018-06-25 | 학교법인 송원대학교 | 황토 흡음재용 조성물 및 이를 이용한 황토 흡음재의 제조방법 |
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