KR20230159236A - 건축 자재 - Google Patents

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토마스 제임스 크리스토퍼 로빈슨
제프리 이브
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어댑터베이트 리미티드
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Abstract

본 발명은 탄산칼슘 유래 결합제 및 리그노셀룰로스성 바이오-골재의 혼합물로부터 형성되는 거대다공성 요소를 포함하는 바이오-골재 기반 건축 자재에 관한 것이다. 거대다공성 요소는 리그노셀룰로스성 바이오-골재에 의해 형성된 미세모세관 구조를 갖는 공기 및/또는 수증기 및/또는 수분 개방성 매트릭스를 갖는다. 거대다공성 요소의 다공성은 건축 자재의 부피 체적의 적어도 50%이다. 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 40중량% 내지 80중량%가 입자 크기 범위의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다. 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 5중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.

Description

건축 자재
본 발명은 리그노셀룰로스성 바이오-골재(lignocellulosic bio-aggregate)와 탄산칼슘 유래 결합제의 혼합물로부터 형성된 바이오-골재 기반 건축 자재 및 바이오-골재 기반 건축 자재를 생산하는 방법에 관한 것이다.
기후 변화에 대한 인식이 높아짐에 따라, 많은 정부가 지구 온난화 1.5℃ 증가를 피하기 위해 2050년까지 순 탄소 배출량 제로에 도달한다는 UN ICC의 목표를 달성하기로 약속하였다.
2009년에, 건설 부문이 전 세계 탄소 배출량의 23%를 초래하는 것으로 밝혀졌다. 중국과 같은 신흥 경제국이 이러한 탄소 배출량의 대부분(60%로 추정됨)에 책임이 있는 것으로 밝혀졌다(Huang et al 2018). 2012년 세계 은행(World Bank)의 보고에 따르면, 전 세계 건설 산업은 지구상의 고형 폐기물의 절반 이상에 대해 책임이 있다. 2021년까지 연간 13억 톤의 고형 폐기물이 생성될 것으로 예상되며, 2025년에는 연간 22억 톤으로 증가할 것으로 예상된다.
정부가 향후 30년 동안 순 탄소 배출량을 0으로 줄이는 것을 목표로 하는 시기에 세계 인구가 증가하고 급속하게 도시화함에 따라, 건설 환경은 탈탄소화에 상당한 초점을 맞출 것이다. 주거용 및 상업용 건물의 에너지 사용은 대부분 난방 공간에 대한 요구사항에 따라 이루어진다. 이러한 예측된 건물의 제곱 미터의 증가가 에너지 사용의 증가와 직접적인 상관관계가 없음을 보장하는 비결은 건물의 에너지 효율성을 개선하는 것이다(International Energy Agency 2018).
바이오-기반 건축 재료는 건설 부문이 산업 내에서 널리 사용되는 재료의 생산, 사용 및 폐기를 탈탄소화할 수 있는 기회를 제공한다. 현재까지, 종래의 건축 재료를 대체하기 위해 건축 재료 내에서 바이오-기반 재료를 사용하는 것은 이의 기계적 특성으로 인해 제한되었다. 또한, 바이오-기반 재료는 자연적으로 합성 또는 무기 재료보다 더 큰 변동성을 가지므로, 바이오-기반 복합 재료의 현지(on site) 제조 또는 현장 타설(cast in-situ)은 이들 재료의 물리적 특성에 더 큰 변동성을 야기할 수 있다. 바이오-기반 재료는 통제되지 않은 환경에서 외부에서 자라기 때문에 더 큰 자연적 변화를 가지며, 변화하는 기후에서 알 수 없는 변화가 계속 증가함에 따라 계절적 변화의 영향을 받는다. 건설 산업 내에서 바이오 기반 건축 재료의 사용이 약간 증가하였지만, 주류 건설 산업에서 널리 채택되지는 않았다. 통제된 환경 내에서의 대량 제조 및 변화를 고려한 스마트 제조를 통해 바이오-기반 재료의 성능 변동성을 줄임으로써 추가의 활용을 유도할 수 있다. 종래의 건축 재료는 가격을 낮추는 대규모 자본 기반 시설 제조 설비와 함께 매우 잘 확립되어 있다. 이러한 잘 확립된 재료는 또한 전 세계적으로 표준화되었다.
사람들은 일생의 90%를 실내에서 보내는 것으로 추정된다. 실내 환경의 습도는 낮과 밤 동안에 자주 변한다. 습도가 높으면 피부에서 열 전도율이 더 높아져 환경이 더 차갑게 느껴진다. 그 결과, 사용자는 실내 환경의 온도를 높이기 위해 난방을 증가하도록 선택할 수 있다. 그러나, 과도한 상대 습도에 영향을 받지 않는 환경에서는 더 높은 정도의 열적 쾌적성을 달성할 수 있다. 건물의 조절된 상대 습도는 더 낮은 온도에서 더 큰 열 쾌적성을 달성할 수 있으므로, 더 낮은 에너지 투입이 필요하다. 또한, 실내 환경은 결로가 발생하기 쉬우므로, 천식과 같은 호흡기 질환을 유발할 수 있는 병원성 세균 또는 곰팡이의 발아에 유리한 조건을 제공할 수 있다.
석고 산업에 대한 압박도 증가하고 있다. 석고 생산은 석탄 생산과 관련이 있다. 석고는 채굴되며, 석탄에 인접한 경계선에서 발견된다. 그러나, 자연적으로 채굴된 석고는 순도의 수준이 감소하는 것으로 밝혀졌다. 석고 플라스터보드의 생산에 널리 사용되는 합성 석고는 석탄 화력 발전소의 연도 가스로부터 수거된다. 많은 국가들이 석탄 화력의 사용으로부터 벗어나고자 하는 목표를 가지고 있다. 결과적으로, 합성 석고의 공급원이 감소하기 시작하였다. 이외에도, 석고 플라스터보드의 폐기가 제한되고 관련 비용이 발생한다. 석고는 유기물이 있는 상태에서 부패할 때, 유해하고 폭발적인 가스인 이산화황을 방출한다. 이와 같이, 석고 플라스터보드는 통제 폐기물 흐름이며, 이는 "모노-셀(mono-cell)" 매립지에 포함되어 있으며, 건식-라이닝(dry-lining) 설치자의 경우 관련 비용이 발생하게 된다.
따라서, 바이오-기반 건축 재료, 예를 들어, 비-석고 바이오-기반 재료는 종래 건축 재료의 기계적 특성에 대해, 예를 들어, 적어도 비슷한 굽힘 파괴 강도와 같은 적어도 비슷한 기계적 특성을 가질 필요가 있다. 종래의 건축 재료에 비해 생산 비용이 절감되고 폐기 비용이 절감되는 비용-효율적이고 환경 친화적인 바이오-기반 건축 재료가 필요하다. 물리적 특성의 변동성이 적은 바이오-기반 건축 재료가 필요하다. 대규모 제조에 적합한 바이오-기반 건축 재료가 필요하다. 습도를 조절할 수 있는 바이오-기반 건축 재료가 필요하다. 바이오-기반 건축 재료, 예를 들어, 바이오-기반 보드, 즉, 예를 들어, 내부 라이닝 재료와 같은 설치가 용이한 통기성 건축 재료가 필요하다.
본 발명의 첫 번째 양태에 따르면, 탄산칼슘 유래 결합제 및 리그노셀룰로스성 바이오-골재의 혼합물로부터 형성되는 거대다공성 요소를 포함하는 바이오-골재 기반 건축물이 제공되며, 거대다공성 요소는 리그노셀룰로스성 바이오-골재에 의해 형성되는 미세모세관 구조를 갖는 공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스(open matrix)를 갖고,
거대다공성 요소의 다공성은 건축 자재의 부피 체적(bulk volume)의 적어도 50%이며; 그리고
리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 40중량% 내지 80중량%가 입자 크기 범위의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 가지고; 그리고
리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 5중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
탄산칼슘 유래 결합제
본 발명의 두 번째 양태에 따르면, 미세모세관 구조를 갖는 공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스를 갖는 거대다공성 요소를 포함하는 본 명세서에 기재된 바와 같은 건축 자재를 형성하는 방법이 제공되며, 이는 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 탄산칼슘 유래 결합제와 혼합하는 단계를 포함하고, 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 40중량% 내지 80중량%가 입자 크기 범위의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖고; 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 5중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
바이오-골재와 탄산칼슘 유래 결합제의 혼합물이 생성되면, 혼합물은 경화될 수 있다. 경화 단계는 임의의 적합한 온도에서 그리고 임의의 적합한 기간에 걸쳐 발생할 수 있다.
본 발명의 세 번째 양태에 따르면, 본 명세서에 기재된 바와 같은 미세모세관 구조를 갖는 공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스를 갖는 거대다공성 요소를 포함하는 건축 자재를 형성하기 위한 부품 키트가 제공되며, 키트는
리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 40중량% 내지 80중량%가 입자 크기 범위의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖고; 그리고
리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 5중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는, 리그노셀룰로스성 바이오-골재; 및
탄산칼슘 유래 결합제를 포함하고;
선택적으로 다음 중 하나 이상을 추가로 포함한다:
적어도 1종의 유동제(rheological agent);
적어도 1종의 수분 유지제(water retention agent);
섬유 보강재(fiber reinforcement);
적어도 1종의 응집제(flocculant agent);
적어도 1종의 시멘트계 결합제(cementitious binder).
본 발명은 높은 다공성, 낮은 밀도, 높은 통기성, 높은 수증기 투과성, 높은 수증기 완충 능력 및 우수한 단열 특성을 갖는 바이오-골재 기반 건축 자재를 제공한다. 본 발명의 바이오-골재 건축 자재는 통기성(즉, 수증기를 운반하는 공기가 건축 자재 안팎으로 흐르게 함)이 있으며 환경 내 습도 조건을 조절할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 바이오-골재 건축 자재는 개선된 열 및 습열 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 바이오-골재 건축 자재는 개선된 음향 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 바이오-골재 건축 자재는 또한 휘발성 유기 화합물을 격리하는 것으로 밝혀졌다.
용어 "바이오-골재"는 식물 재료로부터 형성되는 과립을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 바이오-골재 내의 각 과립은 최대 입자 크기를 가지며, 이는 과립의 가장 큰 치수를 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 각 과립은 원래 식물 재료 내에 존재하는 미세모세관 구조를 유지한다.
리그노셀룰로스성 바이오-골재는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌으로 구성된다. 혼합물 내 리그노셀룰로스성 바이오-골재의 존재는 생성된 건축 자재의 흡습성을 향상시키는 것으로 밝혀졌다.
탄산칼슘 유래 결합제는 리그노셀룰로스성 바이오-골재와 함께 생성된 바이오-골재 건축 자재 내에서 공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스를 형성하여 바이오-골재 건축 자재의 필요한 구조적 완전성을 제공하는 동시에 또한 대량 생산에 적합한 바이오-골재 건축 자재를 제공한다.
탄산칼슘은 채굴된 다음 화학적으로 연소되어 이산화탄소 및 산화칼슘을 방출하며, 이는 소결되어 수산화칼슘 또는 칼슘 수화물을 형성할 수 있다. 산화칼슘의 불순물은 결합제의 수경성(hydraulicity)을 증가시킬 수 있으며, 이는 천연 수경성 석회(hydraulic lime)로 지칭된다. 용어 "탄산칼슘 유래 결합제"는 이러한 결합제 모두를 포괄하기 위해 본 명세서에서 사용된다.
용어 "공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스"는, 예를 들어, 매트릭스를 통해 안과 밖으로 공기 및/또는 수증기 및/또는 수분의 통과를 가능하게 하도록 구성된 매트릭스를 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다.
리그노셀룰로스성 바이오-골재는 종방향이며 내용물이 없는 목질부 세포(xylem cell)로 구성된다. 리그노셀룰로스성 바이오-골재의 목질부 세포는 바이오-골재의 강한 이방성(anisotropic) 미세모세관 구조를 제공하는 역할을 한다. 하이드록실 브리지 및/또는 수소 결합은 혼합물 내에서 결합제와 바이오-골재 사이의 접착을 제공하기 위해 탄산칼슘 유래 결합제와 리그노셀룰로스성 바이오-골재 입자 사이에 형성될 수 있다. 일단 경화되면, 리그노셀룰로스성 바이오-골재와 탄산칼슘 유래 결합제는 함께 미세모세관 구조를 갖는 공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스를 갖는 거대다공성 요소를 포함하는 바이오-기반 건축 자재를 형성한다.
자재의 거대다공성 요소는 복수의 공극(void)을 포함한다. 거대다공성 요소의 다공성은 거대다공성 요소의 공극 분율(void fraction)에 의해 정의된다. 건축 자재의 거대다공성 요소의 다공성은 건축 자재의 부피 체적의 백분율로서 바람직하게는 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%, 예를 들어, 적어도 80%이다.
거대다공성 요소 내의 공극은 닫히거나 또는 열릴 수 있고, 공기 및/또는 수증기 및/또는 수분이 흡수될 수 있도록 하는 리그노셀룰로스성 바이오-골재에 의해 형성된 미세모세관 구조에 의해 건축 자재의 다른 공극 및/또는 외부 표면(들)에 연결되고, 모세관 흐름에 의해 미세모세관 구조를 통해 자재에 의해 탈착될 수 있다. 바이오-골재의 미세모세관 구조 내의 미세모세관은 거대다공성 요소에 대해 모세관 흡입 속도가 상이하다. 이와 같이, 매트릭스 내의 미세모세관은 건축 자재가 수증기 및/또는 수분 및/또는 공기를 상이한 속도로 거대다공성 요소(또는 공극)에 흡수할 수 있게 하여 증가된 통기성, 증가된 다공성 및/또는 증가된 수증기 및/또는 수분 흡수 용량을 건축 자재에 제공한다.
사용 시, 높은 습도에서, 수증기는 자재의 거대다공성 요소 내에 제공된 미세모세관을 통과하며, 거대다공성 요소 내의 기공(pore) 내에 수집될 수 있다. 더 낮은 습도 조건에서, 거대다공성 요소의 기공 내에 저장된 수증기는 자재에서 환경으로 다시 방출될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 건축 자재는 환경으로부터 수증기를 흡수하고 그리고 환경으로 수증기를 탈착하는 연속적인 사이클을 통해 수증기를 완충함으로써 내부 상대 습도를 조절할 수 있다.
공극 및 미세모세관 구조를 포함하는 거대다공성 요소는 공기가 개방형 매트릭스 안팎으로 흐르게 하여 건축 자재의 통기성 특성을 제공할 수 있다. 본 발명의 건축 자재의 통기성 특성은 건축 자재와 관련된 환경 내에서 곰팡이와 응결의 위험이 상당히 감소되는 것을 보장한다. 결과적으로, 본 발명의 건축 자재는 호흡기 질환의 위험을 줄이는데 도움이 되어 건물 사용자에게 건강한 환경을 조성한다.
본 발명의 바이오-골재 기반 건축 자재는 바람직하게는 천연 재료로 구성된다. 바람직하게는, 바이오-골재 기반 건축 자재는 혼합물의 총 중량과 비교하여 적어도 80중량%, 바람직하게는 적어도 90중량%, 바람직하게는 적어도 95중량%, 예를 들어, 약 99중량%의 천연 재료로 구성된다. 일 실시형태에서, 바이오-골재 기반 건축 자재는 전적으로 천연 재료로 구성된다.
일 실시형태에서, 바이오-골재 기반 건축 자재는 생분해성이며, 자재를 형성하는 혼합물의 총 중량을 기준으로 재료의 바람직하게는 적어도 10중량%, 바람직하게는 적어도 20중량%, 바람직하게는 적어도 30중량%가 생분해성이다. 바람직하게는, 자재를 형성하는 혼합물의 총 중량을 기준으로 재료의 90중량% 이하, 바람직하게는 80중량% 이하, 바람직하게는 70중량% 이하가 생분해성이다. 바람직하게는, 자재를 형성하는 혼합물의 총 중량을 기준으로 재료의 10중량% 내지 90중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 80중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 70중량%, 예를 들어, 45중량% 내지 65중량%가 생분해성이다. 일 실시형태에서, 바이오-골재 기반 건축 자재는 전적으로 생분해성 재료로 구성된다. 따라서, 바이오-골재 기반 건축 자재는 임의의 유해한 부산물 또는 독소를 생성하지 않고 환경 내에서 생분해되고 천연 재료로 분해될 수 있다. 바이오-골재 기반 건축 자재는 토양의 유기물층에서 분해될 수 있으므로, 바이오-골재 기반 건축 자재는 종래의 건축 자재에 비해 농경학적 이점을 제공한다.
일 실시형태에서, 바이오-골재 기반 건축 자재는 석고가 실질적으로 없을 수 있다. 용어 "실질적으로 없는"은 혼합물의 총 중량을 기준으로 1중량% 이하, 바람직하게는 0.5중량% 이하, 바람직하게는 0.2중량% 이하, 바람직하게는 0.1중량% 이하, 바람직하게는 0중량%의 석고를 포함하는 자재를 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 일 실시형태에서, 본 발명은 종래의 건축 자재와 비슷한 구조적 특성을 갖는 석고를 함유하지 않은 바이오-골재 기반 건축 자재를 제공한다. 본 발명은, 예를 들어, 석고 공급원의 감소, 천연 채굴 석고의 순도의 감소, 추출 및 소성과 관련된 비용의 증가, 합성 석고 공급원의 감소 및 통제 폐기물로 처리되는 석고 폐기와 관련된 문제와 같은 석고의 사용과 관련된 문제를 겪지 않는 석고를 함유하지 않은 건축 자재를 제공한다.
본 발명의 자재의 리그노셀룰로스성 바이오-골재는 바람직하게는 매년 재생 가능하므로, 예를 들어, 석고 자원과 같은 유한 재료에 대한 요구사항을 줄인다.
리그노셀룰로스성 바이오-골재는 광범위한 식물 유형에 의해 제공될 수 있으므로, 건축 자재는 낮은 값으로 쉽게(그리고 바람직하게는 현지에서) 이용 가능한 다량의 식물 재료로부터 제조될 수 있다. 또한, 본 발명의 건축 자재는 낮은 관련 에너지 비용으로 낮은 비용으로 대규모로 생산될 수 있다.
리그노셀룰로스성 바이오-골재로서 사용하기에 적합한 식물 재료는, 예를 들어, 적합한 리그노셀룰로스성 프로파일을 갖는 가공된 다년생 식물(들) 및/또는 다년생 식물(들)의 가공 부산물과 같은, 예를 들어, 다년생 식물(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적합하다고 간주되는 다년생 식물이 가공되는 경우, 이러한 가공된 다년생 식물은 농경학적 이점을 위해 리그노셀룰로스성 바이오-골재로서 혼입될 수 있다. 다년생 식물의 가공으로부터의 부산물이 적절한 리그노셀룰로스성 프로파일을 갖는 경우, 이러한 부산물은 리그노셀룰로스성 바이오-골재로서 혼입될 수 있다. 바이오-골재로서 사용하기에 적합한 식물 재료는 적절한 입자 크기 및 적합한 세포 구조를 갖는 침엽수 및 활엽수 목재 입자를 모두 포함한다.
바이오-골재로 사용하기에 적합한 세포 모세관 구조를 갖는 식물 종의 예는 목질 리그닌-기반 식물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
일 실시형태에서, 바이오-골재는 다음 중 하나 이상을 포함한다: 일반 밀(트리티쿰 아에스티붐(Triticum aestivum)), 대마(칸나비스 사티베(Cannabis sative)), 귀리(아베나 사티바(Avena sativa)), 유채(브라스시카 나푸스(Brassica napus)), 보리(호르데움 불가레(Hordeum vulgare)), 자이언트 억새(미스칸투스 자이간테우스(Miscanthus giganteus)), 대나무, 아마, 볏짚, 옥수수 짚, 사탕수수 버개스, 사이잘삼 짚 또는 이들의 임의의 조합물.
바이오-골재는 식물의 임의의 적합한 부분으로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 바이오-골재는 식물의 줄기로부터 형성된다. 식물 또는 식물의 일부는 바이오-골재를 형성하기 전에 식물 재료의 비-리그노셀룰로스성 부분을 제거하기 위해 기계적으로 가공될 수 있다.
바이오-골재 기반 건축 자재는 바람직하게는 밀링된 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 포함한다. 밀링된 리그노셀룰로스성 바이오-골재는 바람직하게는 리그노셀룰로스성 바이오-골재의 미세모세관 구조를 유지한다. 밀링된 리그노셀룰로스성 바이오-골재는 바람직하게는, 예를 들어, 미세하게 과립화된 짚-유사 리그노셀룰로스성 재료와 같은 짚-유사 리그노셀룰로스성 재료의 형태이다. 리그노셀룰로스성 바이오-골재는, 예를 들어, 나이프, 망치, 회전 또는 볼 밀과 같은 임의의 종래의 밀링 메커니즘을 사용하여 밀링될 수 있다. 밀링된 리그노셀룰로스성 바이오-골재는 미리 결정된 치수를 갖는 밀링된 리그노셀룰로스성 바이오-골재가 통과할 수 있도록 미리 결정된 구멍을 갖는 스크린 또는 체를 통과될 수 있다.
바이오-골재는 바람직하게는 화학적으로 가공되지 않은 리그노셀룰로스성 식물 재료로부터 형성된다. 용어 "화학적으로 가공되지 않은"은 식물 재료 내의 세포 모세관 구조가 변경되지 않은 채로 남아 있는 식물 재료를 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다.
바이오-골재는 적합한 세포 모세관 구조, 예를 들어, 개방 관형 세포 모세관 구조 및 식물 재료 내의 적합한 비의 리그닌 대 셀룰로스를 갖는 임의의 적합한 식물 종으로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는 바이오-골재 내의 리그닌 대 셀룰로스의 비는 3:1 이하, 바람직하게는 2.5:1 이하, 바람직하게는 2:1 이하, 예를 들어, 약 1.6:1이다. 바람직하게는, 바이오-골재 내의 리그닌 대 셀룰로스의 비는 적어도 0.3:1, 바람직하게는 적어도 0.4:1, 바람직하게는 적어도 0.5:1, 예를 들어, 약 0.6:1이다. 바람직하게는 바이오-골재 내의 리그닌 대 셀룰로스의 비는 0.3:1 내지 3:1의 범위, 바람직하게는 0.4:1 내지 2.5:1의 범위, 바람직하게는 0.5:1 내지 2:1의 범위, 바람직하게는 0.6:1 내지 1.6:1의 범위이다.
매트릭스의 거대다공성 요소의 구조는 분해 없이 수증기의 연속적인 순환에 대한 우수한 저항성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 이와 같이, 본 발명의 건축 자재는 분해의 징후 없이 수분/수증기를 연속적으로 흡수 및 탈착할 수 있다. 따라서, 본 발명의 건축 자재는 연장된 수명을 갖는다. 리그노셀룰로스성 바이오 골재의 세포 모세관 구조 및 화학적 구성은 건축 자재의 이러한 물질적 특성에 대한 책임이 있는 것으로 밝혀졌다. 식물 재료 내의 미세섬유는 셀룰로스성이 높으며 물의 수송을 담당한다. 미세섬유는 분해로부터 미세섬유를 보호하기 위해 리그닌 및 헤미셀룰로스와 같은 친수성 화합물로 둘러싸여 있다. 리그닌은 셀룰로스보다 물과의 접촉 시 분해에 대한 저항성이 더 큰 것으로 밝혀졌다. 이와 같이, 건축 자재 내의 리그노셀룰로스성 바이오-골재는 자재가 분해 없이 수증기의 연속적인 순환에 대해 우수한 저항성을 갖도록 하는데 도움이 된다.
바이오-골재 내 과립의 최대 바이오-골재 입자 크기는 본 명세서에 논의된 바와 같이 공기 및/또는 수분 및/또는 수증기를 흡수/탈착할 수 있고 또한 건축 자재가, 예를 들어, 산업 공정을 사용하여 대규모로 생산될 수 있도록 구성된 개방형 매트릭스를 포함하도록 선택된다.
특히, 최대 바이오-골재 입자 크기, 특히 바이오-골재 내의 최대 바이오-골재 입자 크기의 범위는 탄산칼슘 유래 결합제와, 예를 들어, 압출, 예를 들어, 연속적인 압출에 의해 또는 증착, 예를 들어, 3D 프린팅에 의해서와 같은 산업 공정에 적용 가능한 적합한 습식 유체 역학, 점도, 유동성 및 응집력 갖는 바이오-골재의 혼합물을 제공하도록 선택될 수 있다.
바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기는 바람직하게는 약 100㎜ 이하, 보다 바람직하게는 약 70㎜ 이하, 보다 바람직하게는 약 50㎜ 이하, 보다 바람직하게는 40㎜ 이하, 예를 들어, 30㎜ 이하이다.
바이오-골재 과립의 최대 입자 크기는 바람직하게는 적어도 약 0.1㎜, 보다 바람직하게는 적어도 약 0.15㎜, 보다 바람직하게는 적어도 약 0.2㎜, 예를 들어, 적어도 약 0.25㎜이다.
바이오-골재 과립의 최대 입자 크기의 범위는 바람직하게는 0.1㎜ 내지 100㎜의 범위, 바람직하게는 0.1㎜ 내지 70㎜의 범위, 바람직하게는 0.1㎜ 내지 50㎜의 범위 내이다.
바이오-골재 과립의 최대 입자 크기 분포의 프로파일은 생성된 자재의 제조 및 구조적 성능 모두에 중요하다.
입자 크기 분포는 일반적으로 그것이 결정되는 방법에 의해 정의된다. 한 가지 적합한 방법은 분말이 다양한 크기의 체에서 분리되는 체 분석이다. 따라서, 입자 크기 분포는 사용된 체의 크기를 기반으로 하는 이산 크기 범위의 면에서 결정된다. 입자 크기 분포는 누적 형태로 표시될 수 있다.
일 실시형태에서, 바이오-골재는 최대 입자 크기의 최소 값에서 최대 입자 크기의 최대 값 범위의 미리 결정된 입자 크기 분포를 포함한다.
일 실시형태에서, 바이오-골재의 누적입자 크기 분포 함수는, 최대 입자 크기의 가장 높은 값에서 최대 입자 크기의 가장 낮은 값까지 결정될 때, 실질적으로 S자형이다.
일 실시형태에서, 적어도 0.1중량%, 바람직하게는 적어도 0.5중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 10% 내, 바람직하게는 상한 20% 내, 바람직하게는 상한 30% 내, 바람직하게는 상한 40% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 5중량% 이하, 바람직하게는 2중량% 이하, 예를 들어, 약 1중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 10% 내, 바람직하게는 상한 20% 내, 바람직하게는 상한 30% 내, 바람직하게는 상한 40% 내, 바람직하게는 상한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 0.1중량% 내지 5중량%, 바람직하게는 0.1중량% 내지 2중량%, 바람직하게는 0.1중량% 내지 1중량%, 예를 들어, 0.5중량% 내지 1중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 10% 내, 바람직하게는 상한 20% 내, 바람직하게는 상한 30% 내, 바람직하게는 상한 40% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 실질적으로 0중량%, 바람직하게는 적어도 0.1중량%, 바람직하게는 적어도 0.2중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 20% 내지 상한 30%, 바람직하게는 상한 20% 내지 상한 40% 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 2중량% 이하, 바람직하게는 1중량% 이하, 바람직하게는 0.5중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 20% 내지 상한 30%, 바람직하게는 상한 20% 내지 상한 40% 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 0중량% 내지 2중량%, 바람직하게는 0중량% 내지 1중량%, 0.1중량% 내지 2중량%, 바람직하게는 0.1중량% 내지 1중량%, 바람직하게는 0.1중량% 내지 0.5중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 20% 내지 상한 30%, 바람직하게는 상한 20% 내지 상한 40% 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 10중량%, 바람직하게는 적어도 15중량%, 바람직하게는 적어도 20중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 50중량% 이하, 바람직하게는 40중량% 이하, 바람직하게는 30중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 10중량% 내지 50중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 50중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 50중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 30중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 상한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 0.1중량%, 바람직하게는 적어도 0.5중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 5% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 5중량% 이하, 바람직하게는 2중량% 이하, 예를 들어, 약 1중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 5% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 0.1중량% 내지 5중량%, 바람직하게는 0.1중량% 내지 2중량%, 바람직하게는 0.1중량% 내지 1중량%, 예를 들어, 0.5중량% 내지 1중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 5% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 1중량%, 바람직하게는 적어도 2중량%, 바람직하게는 적어도 3중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 10% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 15중량% 이하, 바람직하게는 12중량% 이하, 예를 들어, 약 10중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 10% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 1중량% 내지 15중량%, 바람직하게는 1중량% 내지 10중량%, 바람직하게는 2중량% 내지 10중량%, 예를 들어, 5중량% 내지 10중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 10% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 2중량%, 바람직하게는 적어도 5중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 20중량% 이하, 바람직하게는 15중량% 이하, 10중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 2중량% 내지 20중량%, 바람직하게는 2중량% 내지 15중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 20중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 15중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 10중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 바람직하게는 적어도 5중량%, 바람직하게는 적어도 10중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 5% 내지 하한 20%, 바람직하게는 하한 10% 내지 하한 20%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 30중량% 이하, 바람직하게는 25중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 5% 내지 하한 20%, 바람직하게는 하한 10% 내지 하한 20%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 5중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 25중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 25중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 5% 내지 하한 20%, 바람직하게는 하한 10% 내지 하한 20%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 10중량%, 바람직하게는 적어도 15중량%, 바람직하게는 적어도 20중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 30% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 40중량% 이하, 바람직하게는 30중량% 이하, 바람직하게는 25중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 30% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 10중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 25중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 25중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 25중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 30% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 5중량%, 바람직하게는 적어도 8중량%, 바람직하게는 적어도 10중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 20% 내지 하한 30%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 20중량% 이하, 바람직하게는 15중량% 이하, 예를 들어, 약 13중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 20% 내지 하한 30%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 5중량% 내지 20중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 15%, 바람직하게는 10중량% 내지 15중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 20% 내지 하한 30%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 20중량%, 바람직하게는 적어도 30중량%, 바람직하게는 적어도 40중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 40% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 70중량% 이하, 바람직하게는 60중량% 이하, 바람직하게는 55중량% 이하, 바람직하게는 50중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 40% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 20중량% 내지 70중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 70중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 60중량%, 바람직하게는 40중량% 내지 60중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 50중량%, 바람직하게는 40중량% 내지 50중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 40% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 10중량%, 바람직하게는 적어도 15중량%, 바람직하게는 적어도 20중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 30% 내지 하한 40%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 40중량% 이하, 바람직하게는 30중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 30% 내지 하한 40%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 10중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 30중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 30% 내지 하한 40%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 40중량%, 바람직하게는 적어도 50중량%, 바람직하게는 적어도 60중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 80중량% 이하, 바람직하게는 70중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 40중량% 내지 80중량%, 바람직하게는 50중량% 내지 80중량%, 바람직하게는 60중량% 내지 80중량%, 바람직하게는 40중량% 내지 70중량%, 바람직하게는 50중량% 내지 70중량%, 바람직하게는 60중량% 내지 70중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 적어도 5중량%, 바람직하게는 적어도 10중량%, 바람직하게는 적어도 15중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 40% 내지 하한 50%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 30중량% 이하, 바람직하게는 20중량% 이하의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 40% 내지 하한 50%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
일 실시형태에서, 5중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 20중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 20중량%의 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립이 입자 크기 범위(바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 가장 낮은 값에서 최대 입자 크기의 가장 높은 값까지 측정됨)의 하한 40% 내지 하한 50%의 범위 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는다.
두께가 더 두꺼운 건축 자재의 경우, 자재의 형태로부터 더 큰 비의 굽힘 강성이 얻어질 수 있다. 이와 같이, 이는 두께와 같은 더 큰 치수를 갖는 자재가 두께와 같은 더 작은 치수를 갖는 자재를 만들어 내는데 적합할 것보다 더 큰 최대 입자 크기를 갖는 바이오-골재로부터 형성될 수 있게 한다. 최대 입자 크기의 분포 및 바이오-골재 내 과립의 상이한 입자 크기 분율 사이의 관계는 자재의 두께 및 따라서 입자 크기에 따라 확장 가능하다.
바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기는 생성된 건축 자재의 치수에 따라 달라질 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기는 건축 자재의 치수, 예를 들어, 건축 자재의 두께의 0.5배 이하, 바람직하게는 0.4배 이하, 바람직하게는 0.3배 이하일 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, 단열 패널과 같은 건축 자재는 최대 200㎜의 두께를 가질 수 있으며, 건축 자재 내에 존재하는 바이오-골재의 최대 입자 크기는 70㎜일 수 있다.
바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기를 확장하면 더 작은 바이오-골재 내 더 작은 과립의 분포가 뒤따를 것임을 이해하여야 한다. 바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기의 범위는 바이오-골재 및 바이오-골재와 결합제의 혼합물이 산업적 제조 중에 잘 흐르며 구조적 효율성을 허용하는 재료 구조를 제공하는 매우 응집력이 있는 혼합물 재료를 제공할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 자재는 종래의 건축 자재에 비해 개선된 열 저항성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 바이오-골재 기반 건축 자재는 거대다공성 요소의 개방형 매트릭스의 공극 및 미세모세관 내에 공기를 저장하도록 구성된다. 이와 같이, 이러한 공기가 채워진(또는 부분적으로 채워진) 공극 및/또는 미세모세관은 자재의 열 전도율을 감소시켜 종래의 건축 자재에 비해 개선된 열 저항성을 제공한다. 또한, 건축 자재의 열 및 습열 특성은 더 큰 최대 입자 크기를 갖는 과립을 포함하는 바이오-골재를 사용함으로써 최적화될 수 있음이 밝혀졌다. 생성된 건축 자재의 열 및 습열 특성을 최적화하기 위해 건축 자재를 형성하는 바이오-골재 내 과립의 최대 입자 크기가 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 자재는 또한 종래의 건축 자재에 비해 개선된 음향 성능을 갖는 것으로 밝혀졌다. 거대다공성 요소의 개방형 매트릭스의 미세모세관 내부 또는 주변의 기공 또는 공극은 자재의 구조를 통과하는 음파에 대한 밀도의 다중 변화를 제공한다. 건축 자재 내 밀도의 이러한 변화는 소리를 확신시키고 소리의 반사를 줄여 특히 더 낮은 주파수 및 더 높은 주파수에서 임피던스를 증가시키는데 도움이 된다. 본 발명의 자재는 종래의 건축 자재에 비해 개선된 방음 특성을 갖는다.
수분 및/또는 수증기 및/또는 공기가 본 발명의 자재의 거대다공성 요소의 미세모세관 구조 안팎으로 통과함에 따라, 휘발성 유기 화합물도 또한 개방형 매트릭스, 예를 들어, 자재의 개방형 매트릭스의 공극 및/또는 미세모세관 구조로 흡수되는 것으로 밝혀졌다. 자재의 미세모세관 구조는 휘발성 유기 화합물을 격리하고, 환경으로 다시 탈착되는 것보다 더 많은 양의 휘발성 유기 화합물을 흡수하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명은 종래의 건축 자재에 비해 환경 내의 공기 품질 및/또는 깨끗한 공기를 조절하는 개선된 능력을 갖는 바이오-골재 기반 건축 자재를 제공한다.
리그노셀룰로스성 바이오-골재는, 예를 들어, 펙틴, 왁스, 지방, 수용성 성분 및 회분 및 이들의 임의의 조합물과 같은 1종 이상의 추가적인 유기 및/또는 무기 성분을 추가로 포함할 수 있다.
탄산칼슘 유래 결합제는 바람직하게는 투습(vapour open) 미네랄 블렌드의 형태로 존재한다. 탄산칼슘 유래 결합제는 수산화칼슘(소석회), 산화칼슘의 수화물 형태일 수 있다. 바람직하게는, 탄산칼슘 유래 결합제는 CL-90 소석회로부터 형성된다. 탄산칼슘 유래 결합제는 산화칼슘(생석회)으로부터 형성될 수 있다. 탄산칼슘 유래 결합제는 수산화칼슘 및 산화칼슘으로부터 형성될 수 있다. 탄산칼슘 유래 결합제는 석회 퍼티(lime putty) 및/또는 석회유(milk of lime) 중 1종 이상과 조합하여 수산화칼슘 및/또는 산화칼슘 중 1종 이상으로부터 형성될 수 있다.
탄산칼슘 유래 결합제는 슬러리 또는 현탁액의 형태로 존재할 수 있다. 슬러리 또는 현탁액의 유동성은 좁은 입자 크기 분포로 인해 상대적으로 낮을 수 있다. 현탁액의 슬러리 형태의 탄산칼슘 유래 결합제의 유동성은 1종 이상의 유동성 개질제(들)를 탄산칼슘 유래 결합제에 첨가함으로써 개선될 수 있다. 1종 이상의 유동성 개질제는 다음 중 1종 이상으로부터 선택될 수 있다: 소듐 물 유리(소듐 실리케이트), 염소 석회(석회 슬레이킹 공정의 부산물) 및/또는 마그네슘 석회(예를 들어, 적어도 5중량%의 마그네슘 옥사이드 및/또는 5중량% 내지 35중량%의 마그네슘 카보네이트를 포함). 적어도 1종의 유동성 개질제가 적어도 1중량%의 양으로 탄산칼슘 유래 결합제 내에 존재할 수 있다. 적어도 1종의 유동성 개질제가 20중량% 이하의 양으로 탄산칼슘 유래 결합제 내에 존재할 수 있다. 적어도 1종의 유동성 개질제가 1중량% 내지 20중량%의 양으로 탄산칼슘 유래 결합제 내에 존재할 수 있다.
탄산칼슘 유래 결합제의 유동성은 적어도 1종의 유동제의 첨가에 의해 개선될 수 있다. 적어도 1종의 유동제는 1종 이상의 자연 발생적 당류 또는 탄수화물을 포함할 수 있다. 자연 발생적 당류는 단당류, 이당류, 일반 당(예컨대, 프럭토스, 수크로스 또는 글루코스) 또는 이들의 임의의 조합물 중 1종 이상으로부터 선택될 수 있다. 자연 발생적 탄수화물은 바람직하게는 셀룰로스, 전분, 헤미 셀룰로스, 키틴, 키틴질, 글리코겐 또는 이들의 임의의 조합물 중 1종 이상이다.
일 실시형태에서, 건축 자재를 생산하기 위한 방법은 탄산칼슘 유래 결합제와 바이오 골재의 혼합물과 접촉하도록 구성된 표면을 물 중 수산화칼슘의 현탁액인 석회유 중 1종 이상으로 프라이밍하는 단계를 더 포함할 수 있다. 표면은 건축 자재의 제조 전 또는 동안, 예를 들어, 증착 또는 압출 전 또는 동안 프라이밍될 수 있다. 이러한 표면은 다음 중 하나 이상의 표면을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다: 다양한 밀도의 라이닝 페이퍼, 중공 섹션 압출 또는 목재 요소를 포함하는 구조적 요소, 유기 또는 무기 결합제 매트릭스의 공압출 보드. 일 실시형태에서, 탄산칼슘 유래 결합제는, 예를 들어, 석회유 현탁액과 같은 슬러리 또는 현탁액으로 제공될 수 있다. 일 실시형태에서, 탄산칼슘 유래 결합제의 슬러리 또는 현탁액은 적어도 1종의 유동제 및/또는 항응집제(anti flocculant) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 탄산칼슘 유래 결합제와 유동제(들) 및 항응집제(들)의 조합은 제조 중에 높은 표면적 및 기질과의 양호한 접촉을 갖는 탄산칼슘의 매우 얇은 층을 제공할 수 있는 반응성 프라이밍제를 제공한다.
탄산칼슘 유래 결합제는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 적어도 10중량%, 바람직하게는 적어도 20중량%, 보다 바람직하게는 적어도 30중량%, 예를 들어, 약 35중량%의 양으로 건축 자재 내에 존재한다. 탄산칼슘 유래 결합제는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 90중량% 이하, 바람직하게는 80중량% 이하, 보다 바람직하게는 70중량% 이하, 보다 바람직하게는 60중량% 이하, 예를 들어, 약 55중량% 이하의 양으로 건축 자에 내에 존재한다. 일 실시형태에서, 탄산칼슘 유래 결합제는 혼합물의 총 중량의 10중량% 내지 90중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 80중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 70중량%, 예를 들어, 35중량% 내지 55중량% 범위의 양으로 건축 자재 내에 존재한다.
탄산칼슘 유래 결합제는 석회 또는 소석회(또는 수화된 탄산칼슘) 또는 개질된 석회의 형태로 존재할 수 있다. 방법은 탄산칼슘 유래 결합제로서 수화된 탄산칼슘을 생성하기 위해 미가공 탄산칼슘을 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 탄산칼슘 유래 결합제는 분말 형태로 제공된다. 탄산칼슘 유래 결합제의 분말 형태는 탄산칼슘 유래 결합제 슬러리를 형성하기 위해 물에 도입될 수 있다. 탄산칼슘 유래 결합제 슬러리는 리그노셀룰로스성 바이오-골재와 혼합된 후, 다양한 형상으로 설정될 수 있다. 탄산칼슘 유래 결합제 슬러리는 미리 결정된 형상 및/또는 치수를 갖는 건축 자재를 생산하기 위해, 예를 들어, 주조, 증착 또는 압출과 같은 건축 자재를 제조하는 임의의 적합한 방법에 사용될 수 있다. 본 발명의 방법은 리그노셀룰로스성 바이오-골재와 탄산칼슘 유래 결합제의 혼합물로부터 다양한 형상의 자재가 형성될 수 있게 한다.
바이오-골재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 적어도 5중량%, 바람직하게는 적어도 10중량%, 바람직하게는 적어도 15중량%의 양으로 건축 자재 내에 존재한다. 바이오-골재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 60중량% 이하, 바람직하게는 50중량% 이하, 바람직하게는 40중량% 이하, 보다 바람직하게는 30중량% 이하의 양으로 건축 자재 내에 존재한다. 일 실시형태에서, 바이오-골재는 혼합물의 총 중량의 5중량% 내지 60중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 50중량%, 바람직하게는 15중량% 내지 40중량%, 보다 바람직하게는 15중량% 내지 30중량% 범위의 양으로 건축 자재 내에 존재한다.
중량 기준으로 탄산칼슘 유래 결합제 대 바이오-골재의 비는 바람직하게는 적어도 1:1, 바람직하게는 적어도 1.5:1, 바람직하게는 적어도 1.75:1, 바람직하게는 적어도 2:1, 보다 바람직하게는 적어도 2.2:1이다. 중량 기준으로 탄산칼슘 대 바이오-골재의 비는 바람직하게는 6:1 이하, 바람직하게는 5.5:1 이하, 바람직하게는 5:1 이하이다. 중량 기준으로 탄산칼슘 대 바이오-골재의 비는 바람직하게는 1:1 내지 6:1의 범위, 바람직하게는 1.5:1 내지 5.5:1의 범위, 바람직하게는 1.75:1 내지 5:1의 범위, 바람직하게는 2:1 내지 5:1의 범위이다.
건조 후 건축 자재의 밀도는 350 ㎏/㎥ 내지 850 ㎏/㎥의 범위, 바람직하게는 400 ㎏/㎥ 내지 800 ㎏/㎥의 범위, 바람직하게는 350 ㎏/㎥ 내지 750 ㎏/㎥의 범위일 수 있다.
건축 자재는 적어도 1종의 유동제를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 적어도 1종의 유동제는 적어도 1종의 침하 감소 유동제(sag reducing rheological agent)를 포함한다. 적어도 1종의 침하 감소 유동제는 바람직하게는 다음 중 1종 이상으로부터 선택된다: 나노 셀룰로스 섬유, 마이크로 피브릴화 셀룰로스, 하이드록시에틸 셀룰로스, 메틸 셀룰로스 또는 이들의 임의의 조합물. 바람직하게는 적어도 1종의 침하 감소 유동제는 메틸 셀룰로스이다.
적어도 1종의 침하 감소 유동제를 포함시키는 것은, 예를 들어, 연속적인 압출을 위한 것과 같은 혼합 및 증착 동안 바이오-골재 및 탄산칼슘 유래 결합제의 미리 결정된 유동 특성을 달성하는데 도움이 된다. 탄산칼슘 유래 결합제와 바이오-골재의 혼합물 내의 적어도 1종의 침하 감소 유동제의 존재는 혼합물이 복잡한 형상으로 적용되거나 또는 형성될 수 있도록 미리 결정된 유동 특성을 달성하는데 도움이 될 수 있으며, 거푸집, 특히 건물 전체, 요소 또는 구성요소를 3D 프린팅 없이 주조할 수 있는 혼합물의 기초를 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합물은 임시 거푸집으로 압출될 수 있다. 혼합물은 더 빨리 경화되어 결과적으로 임시 거푸집이 더 빨리 제거될 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합물은 라이닝 페이퍼 사이 또는 다른 라미네이트 위 또는 사이에 압출될 수 있다. 혼합물은 더 빨리 경화되어 결과적으로 더 빨리 제거될 수 있다.
일 실시형태에서, 적어도 1종의 유동제는 적어도 1종의 흐름 증가 유동제(flow increasing rheological agent)를 포함한다. 적어도 1종의 흐름 증가 유동제는 다음 중 1종 이상으로부터 선택될 수 있다: 칼슘 리그노 설피네이트, 소듐 리그노 설피네이트, 암모니아 리그노 설피네이트, 설폰화된 나프탈렌 폼알데하이드 응축액, 설폰화된 멜라민 폼알데하이드 응축액, 아세톤 폼알데하이드 응축액, 폴리카복실레이트 에터 또는 이들의 임의의 조합물.
건축 자재의 기계적 특성은 적어도 1종의 침하 감소 유동제와 적어도 1종의 흐름 증가 유동제를 포함시킴으로써 개선될 수 있음이 밝혀졌다. 혼합물 내에 침하 감소 유동제와 적어도 1종의 흐름 증가 유동제 둘 다를 포함시킴으로써, 필요한 물의 양이 최소로 감소될 수 있고, 따라서 자재의 최종 압축 강도가 증가된다는 것이 밝혀졌다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 적어도 0.1중량%, 바람직하게는 적어도 0.2중량%, 바람직하게는 적어도 0.3중량%, 예를 들어, 약 0.5중량%의 적어도 1종의 유동제, 바람직하게는 적어도 1종의 침하 감소 유동제를 포함한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 5중량% 이하, 바람직하게는 4중량% 이하, 예를 들어, 2.5중량% 이하의 적어도 1종의 유동제, 바람직하게는 적어도 1종의 침하 감소 유동제를 포함한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 0.1중량% 내지 5중량%, 바람직하게는 0.2중량% 내지 4중량%, 바람직하게는 0.3중량% 내지 3중량%, 예를 들어, 0.5중량% 내지 2.5중량%의 적어도 1종의 유동제, 바람직하게는 적어도 1종의 침하 감소 유동제를 포함한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 적어도 0.5중량%, 바람직하게는 적어도 1중량%, 바람직하게는 적어도 2중량%, 예를 들어, 약 2.5중량%의 적어도 1종의 흐름 증가 유동제를 포함한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 20중량% 이하, 바람직하게는 15중량% 이하, 예를 들어, 12.5중량% 이하의 적어도 1종의 흐름 증가 유동제를 포함한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 0.5중량% 내지 20중량%, 바람직하게는 1중량% 내지 15중량%, 바람직하게는 2중량% 내지 15중량%, 예를 들어, 2.5중량% 내지 12.5중량%의 적어도 1종의 흐름 증가 유동제를 포함한다.
본 발명의 자재를 형성하는 혼합물 내 흐름 증가 유동제 대 침하 감소 유동제의 비는 바람직하게는 적어도 1:1, 바람직하게는 적어도 2:1, 바람직하게는 적어도 3:1, 예를 들어, 약 5:1이다.
본 발명의 자재를 형성하는 혼합물 내 흐름 증가 유동제 대 침하 감소 유동제의 비는 바람직하게는 이하 10:1, 바람직하게는 이하 9:1, 바람직하게는 이하 8:1, 예를 들어, 이하 7:1이다.
본 발명의 자재를 형성하는 혼합물 내 흐름 증가 유동제 대 침하 감소 유동제의 비는 바람직하게는 1:1 내지 10:1의 범위 내, 바람직하게는 2:1 내지 9:1의 범위 내, 바람직하게는 3:1 내지 8:1의 범위 내, 예를 들어, 4:1 내지 7:1의 범위 내이다.
건축 자재는 적어도 1종의 수분 유지제를 추가로 포함할 수 있다. 적어도 1종의 수분 유지제는 바람직하게는 다음 중 1종 이상을 포함하는 갈락토만난 다당류로부터 선택된다: 페뉴그릭검; 구아검; 타라검; 로커스트콩검; 카시아검 또는 이들의 임의의 조합물. 적어도 1종의 수분 유지제는 바람직하게는 다음 중 1종 이상을 포함하는 비-갈락토만난 다당류로부터 선택된다: 알긴산을 포함하는 갈조류; 소듐 알기네이트; 포타슘 알기네이트; 암모늄 알기네이트; 칼슘 알기네이트 또는 이들의 임의의 조합물. 일 실시형태에서, 적어도 1종의 수분 유지제는 바람직하게는 다음 중 1종 이상으로부터 선택된다: 아가; 펙틴; 젤라틴 또는 이들의 임의의 조합물.
적어도 1종의 수분 유지제는 경화, 예를 들어, 경화 시간을 단축시킴으로써 경화를 개선하고/하거나 탄산칼슘 유래 결합제의 기계적 특성을 개선하여 바이오-골재/탄산칼슘 혼합물의 기계적 특성의 개선 속도를 개선하기 위해 존재할 수 있다. 결합제를 경화시키기 위해서는 대기에서 수산화칼슘 결합제로의 CO2의 이동이 필요하다. 이러한 이동은 탄산이 물 및 존재하는 CO2를 통해 생성될 때 발생한다. 복합 재료는 건축 자재의 생산이 비용 효율적임을 보장하기 위해 혼합물 내에서 최적화된 속도로 이것이 일어나도록 건조하는 동안 수증기의 정확한 확산을 필요로 한다. 혼합물 내 수분 유지제(들)의 정확한 블렌드 및 비는 또한, 예를 들어, 압출 동안과 같이 기계적으로 가공될 때 물의 균질하고 균일한 분포를 허용한다. 이러한 2차 기능은 혼합물의 재료 응집력을 크게 향상시켜 최종 건축 자재의 구조뿐만 아니라 화학적 특성을 개선하는데 도움이 된다.
적어도 1종의 수분 유지제는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 적어도 0.1중량%, 바람직하게는 적어도 0.2중량%, 바람직하게는 적어도 0.3중량%, 예를 들어, 약 0.5중량%의 양으로 건축 자내 내에 존재한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 5중량% 이하, 바람직하게는 4중량% 이하, 예를 들어, 2.5중량% 이하의 적어도 1종의 수분 유지제를 포함한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 0.1중량% 내지 5중량%, 바람직하게는 0.2중량% 내지 4중량%, 바람직하게는 0.3중량% 내지 3중량%, 예를 들어, 0.5중량% 내지 2.5중량%의 적어도 1종의 수분 유지제를 포함한다.
건축 자재는 추가적인 기계적 강도를 제공하기 위해 적어도 1종의 섬유 보강재를 추가로 포함할 수 있다. 적어도 1종의 섬유 보강재는 건축 자재에 추가적인 기계적 강도를 제공하도록 구성된 임의의 적합한 섬유를 포함할 수 있다. 적어도 1종의 섬유 보강재는, 예를 들어, 다음 중 1종 이상을 포함할 수 있다: 천연 단섬유 보강재(들), 금속 섬유(들), 마이크로-금속 섬유(들), 합성 섬유(들), 미네랄 섬유(들) 또는 이들의 임의의 조합물. 섬유 보강재는 바람직하게는 다음 중 1종 이상을 포함한다: 셀룰로스 섬유(바람직하게는 재생 셀룰로스 섬유), 비스코스 섬유(바람직하게는 재생 비스코스 섬유), 대마 섬유, 아마 섬유, 폴리프로필렌, 유리 섬유(바람직하게는 재생 유리 섬유) 또는 이들의 임의의 조합물. 금속 또는 마이크로-금속 섬유는 강철로 구성될 수 있다.
적어도 1종의 섬유 보강재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 적어도 0.1중량%, 바람직하게는 적어도 0.2중량%, 바람직하게는 적어도 0.3중량%, 예를 들어, 약 0.5중량%의 양으로 건축 자재 내에 존재한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 5중량% 이하, 바람직하게는 4중량% 이하, 예를 들어, 2.5중량% 이하의 적어도 1종의 섬유 보강재를 포함한다.
건축 자재는 바람직하게는 혼합물의 총 중량의 0.1중량% 내지 5중량%, 바람직하게는 0.2중량% 내지 4중량%, 바람직하게는 0.3중량% 내지 3중량%, 예를 들어, 0.5중량% 내지 2.5중량%의 적어도 1종의 섬유 보강재를 포함한다.
건축 자재는 다음 중 1종 이상을 포함하는 시멘트계 결합제를 추가로 포함할 수 있다: 천연 시멘트, 일반 포틀랜드 시멘트 또는 이들의 임의의 조합물. 시멘트계 결합제는 단기 및/또는 장기적으로 건축 자재의 기계적 특성을 증가시키기 위해 1종 이상의 포졸란 함유물(inclusion)을 추가로 포함할 수 있다. 실시형태에서, 일반 포틀랜드 시멘트는 시멘트계 결합제 내에서 천연 시멘트를 대체하기 위해 사용된다. 일 실시형태에서, 일반 포틀랜드 시멘트는 천연 시멘트의 대체물로 존재하고, 여기서 일반 포틀랜드 시멘트는 천연 시멘트 부피의 대략 50%의 양으로 존재하며, 천연 시멘트의 나머지 부피는 칼슘 수화물로 대체된다.
1종 이상의 포졸란 함유물은 다음 중 1종 이상으로부터 선택될 수 있다: 분쇄된 비산회(Pulverised Fly Ash: PFA), 고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast furnace Slag: GGBS), 메타카올린, 실리카 흄 회분 또는 이들의 임의의 조합물.
시멘트계 결합제는 혼합물의 총 중량의 적어도 5중량%, 바람직하게는 적어도 10중량%, 바람직하게는 적어도 15중량%, 예를 들어, 적어도 20중량%의 양으로 존재할 수 있다.
시멘트계 결합제는 혼합물의 총 중량의 60중량% 이하, 바람직하게는 50중량% 이하, 바람직하게는 45중량% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
시멘트계 결합제는 혼합물의 총 중량의 5중량% 내지 60중량%의 범위, 바람직하게는 10중량% 내지 50중량%의 범위, 바람직하게는 15중량% 내지 45중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 45중량%의 양으로 존재할 수 있다.
일 실시형태에서, 시멘트계 결합제는 천연 시멘트 및 일반 포틀랜드 시멘트를 포함한다. 바람직하게는, 시멘트계 결합제 내 천연 시멘트 대 일반 포틀랜드 시멘트의 비는 0.1:1 내지 10:1, 바람직하게는 0.2:1 내지 5:1, 바람직하게는 0.3:1 내지 3:1, 바람직하게는 0.5:1 내지 2:1, 예를 들어, 약 2:1이다.
중량 기준으로 바이오-골재 대 시멘트계 결합제의 비는 바람직하게는 적어도 1:1, 바람직하게는 적어도 1.5:1, 바람직하게는 적어도 1.6:1이다. 중량 기준으로 바이오-골재 대 시멘트계 결합제의 비는 바람직하게는 3.5:1 이하, 바람직하게는 3:1 이하, 바람직하게는 2.75:1 이하, 바람직하게는 2.5:1 이하이다. 바이오-골재 대 시멘트계 결합제의 비는 바람직하게는 1:1 내지 3.5:1의 범위, 바람직하게는 1.5:1 내지 3:1의 범위, 바람직하게는 1.6:1 내지 2.75:1의 범위, 바람직하게는 1.6:1 내지 2.5:1의 범위이다.
본 발명의 자재를 형성하기 위한 혼합물은 모래, 바람직하게는 미세 모래를 추가로 포함할 수 있다.
모래는 혼합물의 총 중량의 적어도 1중량%, 바람직하게는 적어도 2중량%, 바람직하게는 적어도 3중량%, 예를 들어, 적어도 5중량%의 양으로 존재할 수 있다.
모래는 혼합물의 총 중량의 30중량% 이하, 바람직하게는 20중량% 이하, 바람직하게는 15중량% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
모래는 혼합물의 총 중량의 1중량% 내지 30중량%의 범위, 바람직하게는 2중량% 내지 20중량%의 범위, 바람직하게는 5중량% 내지 15중량%의 양으로 존재할 수 있다.
모래 미세하고 날카로운 모래이다. 바람직하게는, 모래 내의 입자는 0.5㎜ 내지 2.5㎜ 범위 내의 최대 입자 크기를 갖는다.
혼합물은 적어도 1종의 2차 커플링제를 추가로 포함할 수 있다. 2차 커플링제는 바이오-골재와 탄산칼슘 유래 결합제 사이의 계면을 개선하는데 도움이 된다. 2차 커플링제는 바이오-골재와 탄산칼슘 유래 결합제 사이에 개선된 물리적 및 화학적 계면이 제공될 수 있게 한다. 2차 커플링제의 존재는 혼합물의 경화 단계 동안 바이오-골재 수축의 위험을 방지하거나 또는 최소화하는데 도움이 된다. 2차 커플링제는 결합제와 바이오-골재 사이에 제공되는 갭을 채우는데 도움이 될 수 있다. 적합한 2차 커플링제는 다음 중 1종 이상을 포함한다: 메틸화된 셀룰로스, 페뉴그릭검, 구아검, 카마린드검 또는 이들의 임의의 조합물.
건축 자재는 다음 중 하나 이상일 수 있다: 건식-라이닝, 단열재, 구조적 단열 패널(structural insulation panel: SIPS), 바닥 난방 카세트, 천장 타일, 벽 타일, 외부 클래딩 패널, 블록, 벽돌, 타일, 인방(lintel), 모듈식 건축 부품, 모듈식 건물을 위한 조립식 건축 요소(벽, 천장, 바닥 및/또는 일체형 가열 하부구조 중 하나 이상을 포함하지만 이들로 제한되지 않음) 또는 이들의 임의의 조합.
건축 자재는 수분 및/또는 수증기 및/또는 공기 투과성 건축 자재이다.
건축 자재는, 예를 들어, 부지외(offsite) 건설 기법을 사용하여 연속적인 압출에 의해 탄산칼슘 유래 결합제와 바이오-골재를 혼합하여 형성될 수 있다. 바이오-골재 내 과립의 입자 크기 및 선택적으로 유동제(들) 및 2차 커플링제(들)의 존재는 혼합물이 연속적인 압출에 적합한 유동 특성을 갖도록 한다.
일 실시형태에서, 자재는 연속적인 압출 및/또는 공동 제조를 통한 3D 프린팅 및/또는 사전조립 중 하나 이상에 의해 형성될 수 있다.
일 실시형태에서, 수분 유지제, 유동제, 2차 커플링제, 응집방지제 중 1종 이상이 탄산칼슘 유래 결합제가 포함된 현탁액 또는 슬러리 내에 존재할 수 있다.
추가의 양태에 따르면, 본 발명은 본 명세서에 기재된 복수의 건축 자재를 포함하는 건축 구조물을 제공한다. 건축 자재는 각각 별도로 제조되거나 또는 공동 제조(증착, 압출(예를 들어, 연속적인 압출) 및/또는 3D 프린팅을 통해) 제조되고 함께 조립되어 건축 구조물을 제공할 수 있다.
방법은 바람직하게는 바이오-골재 및 탄산칼슘을 건조 혼합물로서 함께 혼합하고, 후속적으로 혼합 건조 혼합물을 물과 함께 혼합하여 페이스트 또는 슬러리를 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 바이오-골재 및 탄산칼슘은 습식 혼합물로서 함께 혼합되어 페이스트 또는 슬러리를 형성한다.
물은 혼합 전에, 예를 들어, 최대 90℃와 같은 임의의 적합한 온도로 가열될 수 있다.
방법은 바람직하게는 페이스트의 연속적인 압출 또는 증착을 추가로 포함한다. 일 실시형태에서, 방법은 페이스트로 3D 프린팅하여 건축 자재를 형성하는 단계를 더 포함한다.
방법은 바람직하게는 바이오-골재와 탄산칼슘 유래 결합제의 혼합물을 경화시켜 건축 자재를 형성하는 단계를 더 포함한다. 혼합물은 열 공급원으로부터의 열에 혼합물을 노출시킴으로써 경화될 수 있다. 열은 자재의 형성 동안 및/또는 직후에, 예를 들어, 혼합물을 건축 자재의 미리 결정된 형상으로 성형하는 동안 및/또는 직후에 새로 형성된 자재에 적용될 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합물은, 예를 들어, 증착 또는 압출에 의해 미리 결정된 형상으로 형성될 수 있다. 열은 초기 설정 시간을 줄이기에 충분할 수 있다. 열은 직접 접촉을 통해, 전도를 통해 또는 대류 또는 적외선 열을 통해 간접적으로 적용될 수 있다. 자재가 형성되면, 자재는 그 후 랙에 쌓아 건조 챔버로 가져갈 수 있다. 건조 챔버의 온도는 바람직하게는 적어도 20℃이다. 건조 챔버의 온도는 바람직하게는 40℃ 이하이다. 건조 챔버의 상대 습도(relative humidity: RH)는 바람직하게는 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 20%, 예를 들어, 적어도 30%이다. 건조 챔버의 상대 습도(RH)는 바람직하게는 90% 이하, 바람직하게는 80% 이하, 바람직하게는 70% 이하이다. 건조 챔버의 상대 습도는 바람직하게는 10% 내지 90%의 범위, 바람직하게는 20% 내지 80%의 범위, 바람직하게는 30% 내지 70%의 범위이다. 자재는 임의의 적합한 기간, 예를 들어, 적어도 1일, 바람직하게는 적어도 3일, 예를 들어, 3일 내지 5일의 기간 동안 건조될 수 있다.
본 발명의 실시형태가 이제 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 자재를 형성하는 리그노셀룰로스성 바이오-골재 내 바이오-골재 입자의 입자 크기 분포를 나타내는 그래프이고; 그리고
도 2는 석고 기반 건축 자재와 비교하여 본 발명에 실시형태에 따른 세 가지 바이오-골재 기반 건축 자재의 흡음 계수를 나타내는 그래프이다.
실시예 1 - 바이오-골재 기반 건축 자재를 형성하기 위한 건조 혼합물의 조성
건축 자재를 형성하기 위한 건조 혼합물은 다음을 포함한다:
리그노셀룰로스성 바이오-골재 15중량% 내지 30중량%.
탄산칼슘 유래 결합제(석회) 35중량% 내지 55중량%.
시멘트계 결합제 20중량% 내지 45중량%.
모래 5중량% 내지 15중량%.
유동제 0.5중량% 내지 2.5중량%.
수분 유지제 0.5중량% 내지 2.5중량%.
섬유 보강재 0.5중량% 내지 2.5중량%.
백분율은 건조 혼합물의 총 중량을 기준으로 한 각 성분의 중량 백분율을 기준으로 한다.
유동제는 침하 감소제 및 유동제를 포함한다
실시예 2 - 바이오-골재 기반 건축 자재를 형성하기 위한 페이스트
실시예 1의 건조 혼합물에 물을 첨가하여 페이스트를 형성하였다. 건조 혼합물에 습식 혼합물/페이스트의 총 중량을 기준으로 40중량% 내지 60중량%의 양으로 물을 첨가하였다.
유동 증가제가 또한 건조 혼합물에 첨가되는 물의 총량을 기준으로 2.5중량% 내지 12.5중량%의 양으로 첨가될 수 있다.
실시예 3 - 리그노셀룰로스성 바이오-골재의 입자 크기 분포
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 15㎜ 두께의 보드 형성용 건축 자재의 리그노셀룰로스성 바이오-골재의 입자 크기 분포를 나타낸 것이다.
(중량 기준으로) 바이오-골재 과립의 100%는 0.25㎜ 내지 4.76㎜ 범위 내의 최대 입자 크기를 가짐을 알 수 있다. 또한, 바이오-골재 과립의 99%는 0.25㎜ 내지 2.38㎜ 범위 내의 최대 입자 크기를 갖는다. 또한, 바이오-골재 과립의 98%는 0.5㎜ 내지 2.38㎜ 범위 내의 최대 입자 크기를 갖는다. 또한, 바이오-골재 과립의 89%는 1㎜ 내지 3.36㎜ 범위 내의 최대 입자 크기를 갖는다. 또한, 바이오-골재 과립의 76%는 1.41㎜ 내지 2.38㎜ 범위 내의 최대 입자 크기를 갖는다. 또한, 바이오-골재 과립의 48%는 2.00㎜ 내지 2.38㎜ 범위 내의 최대 입자 크기를 갖는다. 중량 기준으로 바이오-골재 과립의 최대 입자 크기의 50번째 백분위수는 약 2.00㎜에서 찾을 수 있다.
바이오-골재 과립의 최대 입자 크기는 생성된 건축 자재의 두께와 같은 치수에 따라 선택된다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 바이오-골재 과립의 최대 입자 크기의 최대값은 생성된 보드의 두께의 0.3배 이하의 인자이다. 이는 더 얇은 건축 자재에 특히 중요하다. 그러나, 더 두꺼운 건축 자재는 자재의 구조적 강성을 제공하기 위해 추가적인 구조적 시행을 포함할 수 있으므로, 바이오-골재 과립의 최대 입자 크기는 덜 중요하다는 것을 이해하여야 한다.
입자 크기 분포는 혼합물이, 예를 들어, 연속적인 압출과 같은 대규모 생산에 사용될 수 있도록 하는데 중요하다. 도 1에 도시된 바와 같은 바이오-골재의 입자 크기 분포는 산업 공정에서 사용하기에 적합한 점도, 유동성 및 응집력을 갖는 혼합물이 생성될 수 있음을 보장한다.
실시예 4 - 바이오-골재 기반 건축 자재의 흡음 계수
바이오-골재 기반 건축 자재의 세 가지 실시형태(BB-F-001, BB-F-002 및 BB-F-003)를 제조하였고, 석고 기반 건축 자재(석고)와 비교하여 이들 자재 각각의 흡음 계수를 측정하였다.
도 2에서, 본 발명의 바이오-골재 기반 건축 자재(BB-F-001, BB-F-002 및 BB-F-003)의 흡수 계수가 석고 자재의 흡수 계수보다 특히 저주파 및 고주파수에서 상당히 높음을 알 수 있다. 증가된 흡수 효율은 공기를 저장하는 거대다공성 요소 내의 기공과 자재 내의 밀도 변화의 결과이며, 이는 결과적으로 소리의 임피던스를 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 자재는 석고 기반 등가물에 비해 개선된 음향 성능을 갖는 환경 친화적인 저밀도 제품을 제공한다.

Claims (23)

  1. 탄산칼슘 유래 결합제와 리그노셀룰로스성 바이오-골재(lignocellulosic bio-aggregate)의 혼합물로부터 형성된 거대다공성 요소를 포함하는 바이오-골재 기반 건축 자재(bio-aggregate based building product)로서,
    상기 거대다공성 요소는 리그노셀룰로스성 바이오-골재에 의해 형성된 미세모세관 구조를 갖는 공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스(open matrix)를 가지고,
    상기 거대다공성 요소의 다공성은 상기 건축 자재의 부피 체적의 적어도 50%이고; 그리고
    상기 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 40중량% 내지 80중량%가 입자 크기 범위의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖고; 그리고
    상기 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 5중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는, 건축 자재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바이오-골재는 밀링된 리그노셀룰로스성 바이오-골재인, 건축 자재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 바이오-골재는 화학적으로 가공되지 않은 리그노셀룰로스성 식물 재료로부터 형성되는, 건축 자재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 10중량% 이하가 입자 크기 범위의 하한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는, 건축 자재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 5중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 40% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는, 건축 자재.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 40중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는, 건축 자재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 적어도 60중량%가 입자 크기 범위의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는, 건축 자재.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리그노셀룰로스성 바이오-골재는 일반 밀, 대마, 귀리, 유채, 보리 짚, 자이언트 억새, 대나무, 아마, 볏짚, 옥수수 짚, 사탕수수 버개스, 사이잘삼 짚 또는 이들의 임의의 조합물 중 1종 이상으로부터 형성되는, 건축 자재.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄산칼슘 유래 결합제는 상기 혼합물의 총 중량을 기준으로 적어도 10중량%의 양으로 상기 건축 자재 내에 존재하는, 건축 자재.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리그노셀룰로스성 바이오 골재는 상기 혼합물의 총 중량을 기준으로 적어도 10중량%의 양으로 상기 건축 자재 내에 존재하는, 건축 자재.
  11. 제11항에 있어서, 상기 바이오-골재는 상기 혼합물의 총 중량을 기준으로 15중량% 내지 30중량% 범위의 양으로 상기 건축 자재 내에 존재하는, 건축 자재.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 1종의 유동제(rheological agent)를 추가로 포함하는, 건축 자재.
  13. 제12항에 있어서, 상기 적어도 1종의 유동제는 적어도 1종의 침하 감소 유동제(sag reducing rheological agent) 및/또는 적어도 1종의 흐름 증가 유동제(flow increasing rheological agent) 중 1종 이상을 포함하는, 건축 자재.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 1종의 수분 유지제를 추가로 포함하는, 건축 자재.
  15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 1종의 수분 유지제는 페뉴그릭검; 구아검; 타라검; 로커스트콩검; 카시아검 또는 이들의 임의의 조합물 중 1종 이상을 포함하는 갈락토만난 다당류; 및/또는 알긴산을 포함하는 갈조류; 소듐 알기네이트; 포타슘 알기네이트; 암모늄 알기네이트; 칼슘 알기네이트 또는 이들의 임의의 조합물; 및/또는 아가; 펙틴; 젤라틴 또는 이들의 임의의 조합물 중 1종 이상을 포함하는 비-갈락토만난 다당류 중 1종 이상으로부터 선택되는, 건축 자재.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 보강재를 추가로 포함하는, 건축 자재.
  17. 제16항에 있어서, 상기 섬유 보강재는 천연 단섬유 보강재, 금속 섬유 및/또는 마이크로-금속 섬유 또는 이들의 임의의 조합물 중 1종 이상으로부터 선택되는, 건축 자재.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 1종의 시멘트계 결합제를 추가로 포함하는, 건축 자재.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 건축 자재는 건식-라이닝, 단열, 구조적 단열 패널(structural insulation panel: SIPS), 바닥 난방 카세트, 천장 타일, 벽 타일, 외부 클래딩 패널, 블록, 벽돌, 타일, 인방, 모듈식 건축 부품, 조립식 건축 요소 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상인, 건축 자재.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 미세모세관 구조를 갖는 공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스를 갖는 거대다공성 요소를 포함하는 건축 자재를 형성하는 방법으로서,
    리그노셀룰로스성 바이오-골재를 탄산칼슘 유래 결합제와 혼합하는 단계, 상기 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 40중량% 내지 80중량%가 입자 크기 범위의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖고; 그리고 상기 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 5중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는, 건축 자재를 형성하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 바이오-골재와 탄산칼슘 결합제를 건조 혼합물로서 함께 혼합하고, 후속적으로 혼합 상기 건조 혼합물을 물과 함께 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계를 포함하는, 건축 자재를 형성하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 페이스트를 연속적으로 압출하거나 또는 증착하여 상기 건축 자재를 형성하는 단계를 더 포함하는, 건축 자재를 형성하는 방법.
  23. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 미세모세관 구조를 갖는 공기 및/또는 증기 및/또는 수분 개방형 매트릭스를 갖는 거대다공성 요소를 포함하는 건축 자재를 형성하기 위한 부품 키트로서,
    리그노셀룰로스성 바이오-골재로서,
    상기 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 40중량% 내지 80중량%가 입자 크기 범위의 하한 50% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖고; 그리고
    상기 리그노셀룰로스성 바이오-골재를 형성하는 바이오-골재 과립의 5중량% 이하가 입자 크기 범위의 상한 20% 내에 속하는 최대 입자 크기를 갖는,
    상기 리그노셀룰로스성 바이오-골재; 및
    탄산칼슘 유래 결합제
    를 포함하되;
    선택적으로
    적어도 1종의 유동제;
    적어도 1종의 수분 유지제;
    섬유 보강재;
    적어도 1종의 응집제;
    적어도 1종의 시멘트계 결합제
    중 1종 이상을 추가로 포함하는, 부품 키트.
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