KR20230144513A - 발포 슬러리와 허니콤을 이용한 단열재 제조기술 - Google Patents

발포 슬러리와 허니콤을 이용한 단열재 제조기술 Download PDF

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Abstract

유기계 기반 단열재의 화재에 취약한 난연 성능 및 유독가스 배출의 문제점과 내구성이 열세한 문제를 해결할 수 있는 불연급 단열재 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명은 무기계 발포 슬러리를 이용하여 성형된 단열재로서, 내부에 허니콤 구조체가 융합된 단열재 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

발포 슬러리와 허니콤을 이용한 단열재 제조기술{Manufacturing techniques of insulating materials based on foaming slurry and honeycomb structures}
본 발명은 단열재 제조기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내화성능, 열전도 성능 및 강도를 확보할 수 있는 불연급 단열재 제조기술에 관한 것이다.
발포제는 유기계에 기반한 우레탄과 무기계에 기반한 기포 슬러리가 일반적으로 사용되고 있다. 우레탄 발포제는 낮은 열전도율의 확보가 가능하므로 일반적으로 단열재 또는 충진재로서 다양하게 활용되고 있다. 하지만, 이들 재료들은 유기계 재료에 기반하고 있어 화재에 취약한 단점이 있다. 또한 우레탄을 이용한 발포제의 발포율은 최대 200%로 큰 체적을 갖는 공간에는 많은 양의 재료가 투입되어 경제성이 낮다.
한편 기포 슬러리는 무기계이므로 화재에 대해 불연성능을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 재료 자체 단가가 낮아 경제성을 확보할 수 있다. 하지만, 일반적으로 기포 슬러리의 발포율은 최대 80%에 불과하기 때문에 열전도율과 중량이 우레탄 발포제에 비해 매우 높은 편이다. 이러한 한계로 기포 슬러리는 마감재 또는 단열재로의 활용이 극히 제한적이다.
[선행특허문헌]
- 한국 등록특허 제1637978호(2016.07.04. 등록)
- 한국 등록특허 제2271604호(2021.06.25. 등록)
본 발명은 유기계 기반 단열재의 화재에 취약한 난연 성능 및 유독가스 배출의 문제점과 내구성이 열세한 문제를 해결할 수 있는 불연급 단열재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 무기계 발포 슬러리를 이용하여 성형된 단열재로서, 내부에 허니콤 구조체가 융합된 단열재를 제공한다.
또한 상기 무기계 발포 슬러리는 시멘트 10 내지 40 중량부; 고로슬래그, IGCC 슬래그 또는 플라이애시 0 내지 20 중량부; 실리콘 슬러지 20 내지 50 중량부; 수산화계 알카리제 15 내지 50 중량부; 및 규산계 알칼리제 15 내지 50 중량부;를 포함하는 재활용 무기계 발포 슬러리인 것을 특징으로 하는 단열재를 제공한다.
또한 상기 무기계 발포 슬러리는 발포율 600 내지 900%, 압축강도 1 내지 1.5 MPa 및 열전도율 0.035 내지 0.050 W/m·K의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 단열재를 제공한다.
또한 상기 허니콤 구조체는 상하부에 일정한 폭을 가지는 허니콤 형상의 셀이 반복 형성되고, 측면, 상면 및 하면에는 방수 소재의 판재가 부착된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, (a) 목표 발포율에 따라 결정된 배합비율로 제1항의 무기계 발포 슬러리 중 분말과 액상을 1차 혼합하는 단계; (b) 미리 준비된 거푸집에 혼합된 재료들을 투입 및 발포하는 단계; (c) 상기 발포된 재료 상에 허니콤 구조체를 적층하는 단계; 및 (d) 상기 분말과 액상을 2차 혼합한 후 상기 허니콤 구조체 상부와 거푸집 측면에 투입 후 양생하는 단계;를 포함하는 단열재 제조방법을 제공한다.
또한 상기 분말과 액상의 혼합은 강제식 믹서기를 이용하여 15 내지 25 ℃에서 1 내지 10 분간 수행되는 것을 특징으로 하는 단열재 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 시멘트, 고로슬래그, 플라이애시, 재활용 실리콘 슬러지, 수산화계 알카리제 및 규산계 알칼리제를 포함하여, 발포율 600 내지 900%의 무기계 발포 슬러리를 이용한 단열재로서, 샌드위치 판넬에서 심재의 취약한 난연 성능 및 유독가스 배출 문제점을 해결하고, 발포형 무기계 기반 재료들을 이용함으로써 낮은 열전도율을 확보할 수 있다.
또한 내부에 닫힌 공극구조를 제공하는 허니콤 구조체를 융합시킴으로써 단열 성능을 극대화하면서도, 고 발포율의 발포 슬러리를 이용함에 따라 저하될 수 있는 강도를 향상시키는 단열재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 무기계 발포 슬러리 재료를 이용하여 내부 공극이 형성되는 과정을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 허니콤 구조체가 융합된 단열재 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 허니콤 구조체를 이용한 불연급 단열재의 제조과정을 나타낸 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 본 발명의 세부구성 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 무기계 발포 슬러리를 이용하여 성형된 단열재로서, 내부에 허니콤 구조체가 융합된 단열재를 개시한다.
본 발명에서 단열재의 베이스 소재가 되는 발포 슬러리는 무기계 재료에 기반하며, 낮은 열전도율을 확보하기 위해 높은 발포율의 범위를 갖도록 한다. 즉, 상기 발포 슬러리의 발포율은 600 내지 900%이며, 이때의 압축강도는 1 내지 1.5 MPa의 범위를 갖고, 바람직하게는 발포율이 700 내지 800% 및 압축강도가 1.2 내지 1.4 MPa일 수 있다.
상기 발포율 및 압축강도를 구현하기 위한 상기 무기계 발포 슬러리의 재료들은 시멘트, 고로슬래그, 플라이애시 및 재활용 실리콘 슬러지와, 규산계 및 수산화계 알카리제이다. 시멘트, 고로슬래그 및 플라이애시는 포졸란 반응으로 강도 향상에 기여하며, 알카리제와 재활용 실리콘 슬러지는 하기 반응식에 따른 화학반응으로 수소 가스 분출에 의해 발포되어 내부에 공극을 형성하도록 한다.
[반응식]
Si + 2 NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2 H2
이때, 상기 발포율 및 압축강도 구현을 위해 무기계 발포 슬러리 재료의 조성은 시멘트 10 내지 40 중량부; 고로슬래그, IGCC 슬래그 또는 플라이애시 0 내지 20 중량부; 실리콘 슬러지 20 내지 50 중량부; 수산화계 알카리제 15 내지 50 중량부; 및 규산계 알칼리제 15 내지 50 중량부;이고, 바람직하게는 시멘트 16 내지 30 중량부; 고로슬래그, IGCC 슬래그 또는 플라이애시 5 내지 10 중량부; 실리콘 슬러지 34 내지 50 중량부; 수산화계 알카리제 15 내지 40 중량부; 및 규산계 알칼리제 25 내지 50 중량부;일 수 있다. 도 1에서는 상기 무기계 발포 슬러리 재료를 이용하여 내부 공극이 형성되는 과정을 나타내었다.
본 발명에서 고로슬래그는 용광로에서 선철을 제조할 때에 생성되는 산업부산물로서, SiO2 25 내지 40 중량%, Al2O3 5 내지 20 중량% 및 CaO 30 내지 50 중량%를 포함(기타 Fe2O3, MgO 등 포함)하는 조성을 가지는 것이라면 제한 없이 사용 가능하며, 조성이 적절할 경우 상용품을 구입하여 사용하는 것도 가능하다. 바람직하게 상기 고로슬래그는 SiO2 30 내지 35 중량%, Al2O3 10 내지 15 중량% 및 CaO 40 내지 45 중량%를 포함할 수 있다. 또한 상기 고로 슬래그는 강열감량(Loss on ignition, LOI)이 5 미만인 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 IGCC(Integration Gasification Combined Cycle) 슬래그는 석탄가스화 복합 사이클 발전 슬래그, 즉, 석탄 가스화 공정에 있어서 발생되는 슬래그를 말하는 것으로, 일반적으로 고로슬래그에 비하여 가격이 낮고 강열감량이 0에 가까우며, 화학적으로도 안정한 물질로 알려져 있다. 상기 IGCC 슬래그는 SiO2 40 내지 60 중량%, Al2O3 10 내지 30 중량% 및 CaO 10 내지 30 중량%를 포함(기타 Fe2O3, SO3 등 포함)하는 조성을 가지는 것이라면 제한 없이 사용 가능하다. 바람직하게 상기 IGCC 슬래그는 SiO2 45 내지 55 중량%, Al2O3 15 내지 25 중량% 및 CaO 15 내지 25 중량%를 포함할 수 있다. 상기 조성을 벗어나는 함량을 가지는 IGCC 슬래그를 사용하는 경우 염기도가 낮아져 경화가 불량하거나, 빠른 경화로 인한 갈라짐이 생길 수 있으므로, 상기 범위내의 IGCC 슬래그를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 플라이애시는 석탄 화력발전소에서 석탄 연소 시 발생하는 부산물로서, SiO2 40 내지 60 중량%, Al2O3 10 내지 30 중량% 및 CaO 1 내지 10 중량%를 포함(기타 Fe2O3, SO3 등 포함)하는 조성을 가지는 것이라면 제한 없이 사용 가능하다. 바람직하게 상기 플라이애시는 SiO2 45 내지 55 중량%, Al2O3 15 내지 25 중량% 및 CaO 5 내지 10 중량%를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에서 실리콘 슬러지는 반도체 소자를 제조하기 위해 사용되는 실리콘 웨이퍼 제조 과정 중에 발생되는 부산물로서, 실리콘 웨이퍼는 실리콘 잉곳을 절단하여 생산되며 그 과정 중 실리콘이 첨가된 슬러지가 발생하게 된다. 실리콘 슬러지의 조성은 SiO2 95 내지 99 중량% 및 Al2O3 1 내지 5 중량%를 포함(기타 P2O3, CaO 등 포함)하는 조성일 수 있다.
본 발명에서 수산화계 알카리제는 상기 반응식과 같이 실리콘 슬러지와의 반응을 통해 수소 가스를 분출시키며, 상기 규산계 알카리제는 이러한 가스 분출을 촉진시키는 역할을 한다. 상기 수산화계 알카리제로는 수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화칼륨, 수산화알루미늄 또는 수산화마그네슘이 단독 또는 2 이상이 혼합되어 사용될 수 있고, 상기 규산계 알카리제로는 규산소다, 규산나트륨, 규산칼륨, 규산아연 또는 규산리튬이 단독 또는 2 이상이 혼합되어 사용될 수 있다.
이러한 과정을 통해 생성되는 발포 슬러리의 열전도율은 0.035 내지 0.050 W/m·K의 범위를 가질 수 있으며, 이와 같이 발포에 의해 형성된 공극은 열전도율을 현저하게 낮출 수 있다. 또한 발포 슬러리의 제조에 사용된 원재료들은 무기계이므로 질량 감소율에 따른 불연등급의 확보(불연성 시험 이후 질량 감소율 10% 이내)가 가능하다.
상기와 같이 고 발포율의 발포 슬러리를 이용함에 따라, 이를 이용하여 단열재로 적용 시 압축강도 등 강도 저하가 문제될 수 있다. 본 발명에서는 단열재로 성형 시 내부에 허니콤 구조체를 융합시킴으로써 이를 해결하고자 하며, 발포 슬러리를 이용하여 제조되는 단열재에 있어, 내부에 닫힌 공극구조를 제공하는 허니콤 구조체를 융합시킴으로써 단열 성능을 극대화하면서도, 경화 발포 슬러리의 취성 파괴모드를 개선하여 강도와 강성을 향상 및 연성파괴로 유도하여, 고 발포율의 발포 슬러리를 이용함에 따라 저하될 수 있는 강도 문제를 해결할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 허니콤 구조체가 융합된 단열재 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서 상기 허니콤 구조체(110)는 상하부에 일정한 쉘 폭(W1) 및 크기(L1)을 가지는 허니콤 형상의 셀이 반복 형성되고, 측면, 상면 및 하면에는 방수 소재의 판재(미도시)가 부착된 것일 수 있고, 허니콤 구조체(110) 외곽은 상기 발포 슬러리를 이용하여 형성된 발포체(120)가 둘러싸는 형태이다. 이로써, 허니콤 구조체(110)를 내입하여 융합시킨 상기 단열재(100)는 불연등급을 확보하면서 내부에 닫힌 공극을 형성하는 구조를 제공한다. 상기 판재의 경우 라미네이트 또는 실마겔 소재를 적용할 수 있는데, 상기 라미네이트 또는 실마겔 소재의 경우 발포 슬러리 재료 타설 시 굳지 않은 슬러리 내부의 물에 의해 단열 소재가 젖지 않도록 하는 방수기능을 가지고 있어, 허니콤 구조에서 닫힌 공극의 훼손을 방지할 수 있고, 또한 상기 판재는 불연등급으로서 불에 의한 허니콤 구조의 손상을 최소화할 수 있다.
본 발명에서 요구되는 단열 성능 및 강도 구현을 고려할 때 상기 허니콤 구조체(110)를 형성하는 쉘의 폭(W1)은 1 내지 10 mm일 수 있고, 셀 크기(L1)는 20 내지 150 mm일 수 있다. 이러한 허니콤 구조체(110)를 형성하는 쉘은 외부의 하중에 의한 단열재(100)의 휨 변형을 방지할 수 있는 보강재의 역할을 한다.
단열재(100)의 크기는 허니콤 구조체(110)의 크기에 의해 결정된다. 일반적으로 단열재(100) 단면의 폭(W2) 및 두께(T)는 각각 100 내지 1,200 mm 및 10 내지 140 mm이고, 길이(L2)는 100 내지 2,400 mm이다.
상기 허니콤 구조체(110)의 소재로는 상기 구조, 성능 및 규격을 충족시킬 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 플라스틱, 페이퍼, 알루미늄 또는 수산화알루미늄지가 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 허니콤 구조체를 이용한 불연급 단열재의 제조과정을 나타낸 사진이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 단열재 제조방법은 (a) 무기계 발포 슬러리 재료 혼합 단계, (b) 발포 단계, (c) 허니콤 구조체 적층 단계 및 (d) 양생 단계를 포함한다.
상기 (a) 단계는 목표 발포율에 따라 결정된 배합비율로 무기계 발포 슬러리 중 분말과 액상을 1차 혼합하여 수행된다. 이때 혼합은 강제식 믹서기를 이용하여 15 내지 25 ℃에서 1 내지 10 분간, 바람직하게는 3 내지 5분간 수행될 수 있다.
상기 (b) 단계는 미리 준비된 거푸집에 혼합된 재료들을 투입 및 발포하는 단계로서, 혼합된 재료들을 거푸집의 1/5 내지 1/3 높이로 1차 투입 및 발포할 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 발포된 재료 상에 허니콤 구조체를 적층하는 단계로서, 상기 (b) 단계에서 투입된 재료들이 10 내지 20분간 발포된 이후 중앙부에 미리 제작된 허니콤 구조체를 올려 놓는 방식으로 수행될 수 있으며, 허니콤 구조체의 높이는 예컨대, 상기 발포된 재료 상에 적층된 상태를 기준으로 거푸집의 2/3 내지 4/5 높이가 되도록 할 수 있다.
상기 (d) 단계는 무기계 발포 슬러리 중 분말과 액상을 2차 혼합한 후 상기 허니콤 구조체 상부와 거푸집 측면에 투입한 후 거푸집 커버를 닫아 양생하여 수행되며, 양생이 종료되면 거푸집을 탈형하여 최종 단열재를 수득한다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예 1
무기계 발포 슬러리 제조에 사용되는 재활용 무기계 재료들은 분말과 액상으로 구분된다. 분말은 시멘트, 고로슬래그 또는 IGCC 슬래그; 플라이애시; 및 실리콘 슬러지이며, 액상은 규산계 알카리제 및 수산화계 알카리제이다. 시멘트 25 중량부, 하기 표 1 조성의 고로슬래그 10 중량부, 하기 표 2 조성의 실리콘 슬러지 35 중량부, 수산화나트륨 30 중량부 및 규산소다 40 중량부를 강제식 믹서기에 투입 후 외부온도를 15 내지 25℃를 유지하여 3 내지 4 분간 혼합하였다. 혼합된 재료를 거푸집에 투입한 후 거푸집의 약 1/4 높이로 발포하였다. 약 15분간 발포한 후, 발포된 재료 상의 중앙부에 허니콤 구조체(플라스틱 소재, 쉘의 폭(W1) 5 mm, 셀 크기(L1) 50 mm, 두께 30 mm, 구조체 폭 800 mm, 길이 1,800 mm)를 올려 놓았다. 이후, 상기 혼합된 재료를 허니콤 구조체 상부와 거푸집 측면에 투입한 후 거푸집 커버를 닫아 양생하고, 양생 종료 후 거푸집을 탈형하여 최종 단열재(폭(W2) 1,000 mm, 두께(T) 100 mm, 길이(L2) 2,000 mm)제조하였다.
구분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 LOI
함량(중량%) 33.5 15.2 0.5 43.9 2.6 2.5 3.9
구분 SiO2 Al2O3 P2O5 CaO Fe2O3 SO3
함량(중량%) 97.78 1.98 0.19 0.02 0.06 0.02
실시예 1
실시예 1에서 허니콤 구조체를 2단으로 적층한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단열재를 제조하였다.
비교예 1
실시예 1에서 허니콤 구조체를 적층하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단열재를 제조하였다.
비교예 2
비교예 1에서 실리콘 슬러지를 25 중량부 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 단열재를 제조하였다.
비교예 3
비교예 1에서 실리콘 슬러지를 30 중량부 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 단열재를 제조하였다.
시험예
상기 제조된 단열재에 대하여 발포율(초기 밀도에 대한 최종 밀도의 비), 열전도율(KS L 9016 "보온 재의 열전도율 측정방법"에 규정된 평판열류계법에 따라 열전도율 시험기를 이용하여 측정) 및 압축강도(KS F 2405 규격에 따라 측정)를 측정하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 허니콤(Layer) 발포율(%) 열전도율(W/m·K) 압축강도(MPa)
실시예 1 1 800 0.038 1.2
실시예 2 2 800 0.036 1.4
비교예 1 0 800 0.048 1
비교예 2 0 600 0.054 1.1
비교예 3 0 700 0.051 1.2
표 3을 참조하면, 시멘트, 고로슬래그, 플라이애시, 재활용 실리콘 슬러지, 수산화계 알카리제 및 규산계 알칼리제를 포함하여, 발포율 700 내지 800%의 무기계 발포 슬러리를 이용한 단열재로서, 내부에 닫힌 공극구조를 제공하는 허니콤 구조체를 융합시킬 경우(실시예 1 및 2) 난연 성능 향상 및 유독가스 배출 문제를 해결하면서도, 단열 성능 및 강도를 극대화시킬 수 있음이 확인된다.
이에 대하여, 허니콤 구조체가 융합되지 않을 경우(비교예 1) 단열 성능 뿐 아니라, 강도가 저하되는 것을 알 수 있다. 한편, 실리콘 슬러지 함량에 따라 발포율에 영향을 미쳐 재활용 무기 재료의 사용량에 있어 이상적인 함량비가 존재함을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 단열재 110 : 허니콤 구조체
120 : 발포체
W1 : 허니콤 구조체의 쉘 폭 L1 : 허니콤 구조체의 셀 크기
W2 : 단열재의 폭 T : 단열재의 두께
L2 : 단열재의 길이

Claims (4)

  1. 무기계 발포 슬러리를 이용하여 성형된 단열재로서, 내부에 허니콤 구조체가 융합된 단열재로서,
    상기 무기계 발포 슬러리는 시멘트 25 중량부; 고로슬래그 10 중량부; 실리콘 슬러지 35 중량부; 수산화나트륨 30 중량부; 및 규산소다 40 중량부;를 포함하고,
    상기 무기계 발포 슬러리는 발포율이 800%이고,
    상기 허니콤 구조체는 상하부에 일정한 폭(W1) 및 크기(L1)를 가지는 허니콤 형상의 셀이 반복 형성되되, 상기 폭(W1)은 5 mm이고, 상기 크기(L1)는 50 mm이고,
    상기 단열재는 압축강도가 1.2 내지 1.4 MPa 및 열전도율이 0.036 내지 0.038 W/m·K인 것을 특징으로 하는 단열재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 허니콤 구조체는 상하부에 일정한 폭을 가지는 허니콤 형상의 셀이 반복 형성되고, 측면, 상면 및 하면에는 방수 소재의 판재가 부착된 것을 특징으로 하는 방법.
  3. (a) 목표 발포율에 따라 결정된 배합비율로 제1항의 무기계 발포 슬러리 중 분말과 액상을 1차 혼합하는 단계;
    (b) 미리 준비된 거푸집에 혼합된 재료들을 투입 및 발포하는 단계;
    (c) 상기 발포된 재료 상에 제1항의 허니콤 구조체를 적층하는 단계; 및
    (d) 상기 분말과 액상을 2차 혼합한 후 상기 허니콤 구조체 상부와 거푸집 측면에 투입 후 양생하는 단계;
    를 포함하는 단열재 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분말과 액상의 혼합은 강제식 믹서기를 이용하여 15 내지 25 ℃_에서 1 내지 10 분간 수행되는 것을 특징으로 하는 단열재 제조방법.
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