KR960006229B1 - 고강도 규산칼슘성형체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
고강도 규산칼슘성형체 및 그 제조방법
[도면의 간단한 설명]
제1도는 제1실시예의 규산칼슘성형체의 결정구조를 나타내는 SEM사진(주사형 전자현미경사진),
제2도는 본 발명인 규산칼슘성형체의 절삭성을 시험하기 위한 방법을 나타내는 설명도,
제3도는 제5실시예의 규산칼슘성형체의 결정구조를 나타내는 SEM사진,
제4도는 제5실시예의 규산칼슘성형체의 분말 X선회절챠트,
제5A도, 제5B도 및 제6A도, 제6B도는 제5실시예의 규산칼슘성형체를 구부려서 파괴한 것의 파단면에 있어서의 유리 및 펄프의 각 섬유형상의 SEM사진이다.
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 건축재료에 유용한 고강도 규산칼슘성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
[배경기술]
석회질 원료와 규산질 원료를 열수합성하여 얻어지는 규산칼슘성형체는 경량이면서 고강도, 내열성, 불연성이 우수한 성질을 가진 재료로서 건축재료등으로 널리 사용되고 있다. 또한 최근에는 이러한 규산칼슘성형체를 더욱 개량하여 천연목재와 유사한 부피비중(bulk densety), 강도, 절삭, 절단, 연마드의 가공성, 나사못 유지성, 접착성등의 특성을 가지도록 한 각종의 제안도 대두되고 있다.
그러나 현실적으로는 상기한 바와같은 각종의 특성을 모두 갖추도록 한다는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 이러한 천연 목재와 유사한 건축재료의 제조는 아직 실현단계에 이르지 않은 것이 현재의 실정이다. 종래에 있어서, 이러한 종류의 재료로서는 크소토틀라이트(xonotlite)의 매트릭스를 유리섬유로 보강한 것이 그 대표적인 것이다. 그러나 이것은 유리섬유와 크소노틀라이트와의 접착력이 약하기 때문에, 통상 이것에 5∼10 중량%의 합성수지를 첨가하여 접착력을 증가시키고 있다. 이와같이 합성수지를 첨가한 것은 확실하게 유리섬유와의 강한 접착력이 얻어지므로 굽힘강도는 만족할 수 있는 것이었다. 그러나, 이와같은 것은 소량의 합성수지가 내부에 존재하기 때문에 타기 쉽고, 불연성, 내열성이 떨어지고 또 이것의 가공성을 목재와 비교해 볼때 매우 떨어지는 것이었다.
[발명의 개시]
본 발명은 합성수지를 배합하지 않고서도 유리섬유 및 펄프를 사용하여 -이것들이 분산되어 강고하게 고착된 고강도 규산칼슘을 얻으므로써- 천연목재와 일층 유사한 불연성의 건축재료를 얻도록 하는 것에 있다.
즉, 본 발명은 규산칼슘수화물, C-S-H 및 석영이 혼합되어 있고 보강재로서 유리섬유 및 펄프를 각각 2∼10중량% 포함하는 성형체로서, 이 성형체를 분말 X선회절(X-ray diffraction)하였을 때의 T/Qi비가 0.1∼1.0이고, 완전히 건조된 부피밀도가 0.3∼0.7g/cc인 고강도 규산칼슘성형체(단, Ti 및 Qi는 각각 규산칼슘수화물결정의 (002)면, 석영결정의 (101)면의 X선 회절강도를 나타낸다.)이다.
또 본원의 고강도 규산칼슘성형체의 제조방법의 발명은, 석회질 원료와 규산질 원료와 섬유로 이루어지며, 석회질 원료와 규산질 원료의 배합비를 CaO/SiO2몰비로 0.6∼0.9로 하고, 규산질 원료는 결정질 실리카와 비결정질 실리카로 이루어지며 또 결정질 실리카와 비결정질 실리카의 비율을 비결정질 실리카/(결정질 실리카+비결정질 실리카)의 중량비로 0.2∼0.8로 하고, 섬유는 내알칼리 유리섬유(alkali resistant grass fiber)와 펄프로 이루어지며 또 각각의 배합비를 2∼10중량%로 한 것을 원료로 하여, 우선 석회질 원료와 비결정질 실리카의 적어도 일부를 물과 혼합하여 50℃ 이하의 슬러리로 하고, 이 슬러리를 80℃의 온도로 가온하여 겔화하고, 여기서 얻어진 겔 상태의 물질을 내알칼리 유리섬유를 포함하는 잔여의 원료와 함께 균일하게 혼합하고, 이 혼합물을 압력 3∼30kgf/㎠으로 탈수성형하여 성형체로 하고, 이 성형체를 오토클레이브(autoclave)내에서 가열반응하고, 이것에 의해서 얻어지는 성형체를 분말 X선회절하였을 때의 Ti/Qi비를 0.1∼1.0으로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 규산칼슘성형체의 제조방법(단, Ti 및 Qi는 각각 규산칼슘수화물결정의 (002)면, 석영결정의 (101)면의 X선회절강도를 나타낸다.)이다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
본원의 제1발명의 고강도 규산칼슘성형체는 규산칼슘수화물, C-S-H 및 석영이 혼합되어 있는 규산칼슘의 매트릭스에 유리섬유 및 펄프가 분산되어 고착되어 있는 것이다. 여기서의 유리섬유 및 펄프는 각각 내비율로 2∼10중량%의 범위이다. 이것이 2% 미만이면 강도가 충분치 못하며 또 10%을 넘더라도 그 비율 만큼 강도가 향상되지 않는다.
또한, 성형체를 구성하는 규산칼슘을 분말 X선회절하였을 때의 T/Qi비(단, Ti 및 Qi은 각각 규산칼슘수화물결정의 (002)면, 석영결정의 (101)면의 X선회절강도를 나타낸다.)가 0.1∼1.0이고, 완전히 건조된 부피밀도가 0.3∼0.7g/cc이고, 규산칼슘의 매트릭스 자체의 강도가 높은 것이 필요하다.
규산칼슘성형체에 보강재를 첨가하여 천연목재와 유사한 재료를 얻고자 할 경우, 보강재로서는 유리섬유가 최적합한 것으로 되어 있다. 그러나 유리섬유를 이용하여 규산칼슘기재(- 材)가 강도 발현하기 위해서는 규산칼슘의 매트릭스 자체의 강도가 높은 것, 규산칼슘의 매트릭스와 유리섬유와의 접착강도가 높은 것, 보강재의 유리섬유가 침식되어 강도가 저하되지 않는 것, 등이 필요하게 된다.
본원 발명자들은, 각종의 실험을 통하여 규산칼슘의 매트릭스가 C-S-H 및 석영으로 만들어져 있을 때에는 매트릭스의 강도가 약하고, 매트릭스와 유리섬유와의 접촉도 불충분하게 되고, 구부려서 파괴할 때에 유리섬유가 매트릭스에서 빠져서 소망의 강도가 얻어지지 않는 것을 확인하였다. 또 매트릭스의 대부분이 규산칼슘수화물결정으로 되어 있는 경우에는 유리섬유의 강도가 저하되며, 구부려서 파괴할 때에 매트릭스의 파괴와 동시에 또는 이것 이전에 유리섬유가 파괴되어 유러섬유의 보강효과를 나타내지 못하는 것을 확인하였다. 이것에 대하여, 매트릭스에 규산칼슘수화물, C-S-H 및 석영이 혼재하며 이것에 유리섬유가 고착되어 있는 것은 매트릭스의 강도가 높음과 동시에 매트릭스와 유리섬유의 접착강도, 유리섬유 자체의 강도가 모두 높은 레벨에 있는 것을 발견한 것이다. 그리고, 특히 매트릭스의 강도에 대해서는 Ti/Qi비(단,Ti 및 Qi에 대해서는 상기한 바와 같다)가 0.1∼1.0에서 높은 강도를 나타내며, 이 범위를 벗어나면 강도가 저하하는 것을 확인하였다.
또한 성형체의 절단, 절삭, 연마, 나사못의 유지력 등 재료의 가공성, 시공성의 개량을 위해서는 상기 매트릭스에 대하여 2∼l0중량%의 펄프가 고착되어 있는 것이 필요하다. 이것이 2% 미만에서는 효과가 없으며, 10%를 넘더라도 효과는 그다지 좋아지지 않으며 불연성이 현저하게 저하된다.
또한 완전히 건조된 부피밀도는 0.3미만에서는 필요한 나사못 유지력을 기대할 수 없으며 또 0.7을 넘으면 못박기나 절단, 절삭가공등이 곤란하게 되기 때문에 0.3∼0.7g/ cc로 한다.
본원의 제2발명은 제1발명의 규산칼슘성형체의 제조방법이다.
우선, 원료중에서 석회질 원료에 대하여 설명하면, 이것은 소석회, 생석회, 석회유등 어느 것이어도 좋다. 규산질 원료로서는 결정질 실리카와 비결정질 실리카를 이용하여 그 비율로 비결정질 실리카/(결정질 실리카+비결정질 실리카)의 중량비로 0.2∼0.8의 범위로 한다. 이 범위를 벗어나면 본 발명이 목적으로 하는 고강도의 규산칼슘성형체를 얻을 없다. 결정질 실리카로서는 통상의 규석분말을 이용할 수 있으며, 비결정질 실리카로서는 통상의 규석분말을 이용할 수 있으며, 비결정질 실리카로서는 규조토, 제올라이트, 실리카 훌라워(sillca flour)등을 열거할 수 있는데 규조토가 바람직하다. 그 입도는 50㎛ 이하가 좋다. 석회질 원료와 규산질 원료의 배합비는 CaO/SiO2몰비토 0.6/0.9로 한다. 이 범위를 벗어나면 본 발명이 목적으로 하는 제품을 얻을 수 없다. 다시 말하면, 이것이 0.6 미만에서는 규산칼슘수화물의 생성이 곤란하며, 0.9를 넘으면 유리섬유가 침식되기 때문에 소망하는 굽힝강도의 제품이 얻어지지 않는다. CaO/SiO2몰비로 더욱바람직한 범위는 0.7∼0.85이다.
유리섬유는 내알칼리 유리섬유로서, 이것을 적당한 길이로 절단한 단섬유(chopped strand)를 이용하면 된다. 그 배합비는 2∼10중량이다. 이것이 2중량%미만이면 소망의 보강효과를 얻을 수 없으며, 10중량%를 넘으면 성형이 곤란하게 되는 한편 보강효과도 그다지 향상되지 않는다. 유리섬유와 함께 펄프를 이용한다. 펄프는 유리섬유와의 병용에 의하여 유리섬유의 분산성을 개선하여 보강효과를 나타내는 것 이에 제품의 가공성, 시공성을 대폭적으로 개선하는데 기여한다. 통상의 목재펄프를 습식 또는 건식으로 해리하여 사용한다. 이 배합비는 2중량% 미만에서는 상기한 효과가 얻어지지 않으여, 10중량%를 넘으면 제품의 불연성이 현저하게 저하되는 한편 상기 효과의 향상이 그것만큼 보이지 않는다.
이것들의 원료의 배합은, 우선 석회질 원료와 비결정질 실리카의 적어도 일부와 물을 혼합하여 슬러리로 한다. 비결정질 실리카의 잔여는 결정질 실리카와등과 마찬가지로 그 후에 첨가한다. 이것들을 합한 최종적인 비결정질 실리카의 첨가비율은 비결정질 실리카/(결정질 실리카+비결정질 실리카)비로 0.2∼0.8의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이것이 낮으면 겔화후의 겔의 강도가 약해지서, 탈수성형후의 탈형시에 있어서의 보형성(保形性)이 불충분하여 핸드링이 곤란하게 된다. 또 이 비가 크게 되면, 탈수성형시 압력이 너무 높아지므로 제조상 바람직하지 않다. 또 석회질 원료의 첨가는 비결정질 실리카에 대하여 CaO/SiO2몰비로 0.8이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것이 0.8몰 미만에서는 겔화가 그다지 진행되지 않기 때문이다. 또한 이 경우, 석회질 원료의 전부를 첨가하여 됨은 물론이다. 여기서, 내알칼리 섬유를 첨가하면 유리석회에 의해서 침식되므로 바람직하지 않다. 물/고체중량비에 대해서는 특별한 규제는 필요하지 않으나 3∼10의 범위가 양호하다. 물의 비가 이정도에서 겔화도 충분히 진행되며, 또 겔의 팽윤도 지나치게 크게되는 일이 없다. 원료혼합물을 혼합할 때에 필요한 것은 50℃ 이하의 온도에서 하는 것이다. 50℃를 초과한 온도에서 혼합하면, 그 후의 오토클레이브에서의 반응에서 규산칼슘수화물의 생성이 현저하게 지연되어 소기의 제품이 얻어지지 않게 될 우려가 있다. 그 이유는 필시 50℃를 넘는 온도에서 석회질 원료와 비결정질 실리카를 혼합하면 규산칼슘수화물에 전리하기 어려운 C-S-H가 많이 생성되기 때문이라고 추측된다. 겔화를 할때에는 통상의 압력하에서 80℃ 이상으로 한다. 겔화시간은 비결정질 실리카의 반응성에도 좌우되나 통상 1∼5시간이다. 겔화시간의 교반은 간헐적으로 하는 것이 바람직하다.
이와같이 하여 얻어진 겔에 나머지 원료를 첨가하고, 이것을 균일하게 혼합한다. 여기서의 나머지 원료는 사용하는 원료에서 겔화전에 첨가한 원료를 제외한 것이며, 이 중에서 내알칼리 유리섬유가 항상 포함된다. 또 물도 첨가되는데 여기서의 물/고체중량비도 특별히 규제되지 않는다. 섬유질 원료를 균일하게 혼합하기 위해서는 상기 물의 비가 2.0∼4.0의 범위가 적당하다. 여기서 사용되는 혼합기로서는 확산혼합형의 것이 바람직하며, 일례로서는 옴니형 믹서를 들 수 있다. 이 경우의 혼합시간은 5분이내로 충분하다. 이 혼합물은, 그 후 금형에 넣어서 가압탈수성형하는데 그 압력은 3∼30kgf/㎠이 적당하다. 이것이 3kgf/㎠ 미만이면 탈형후의 보형성이 좋지 않기 때문에 이송시에 변형등을 일으키여, 30kgf/㎠을 넘으면 가압양생후의 성형체에 층상의 균열이 발생하기 쉽다. 형틀은 임의의 것을 사용할 수 있으며, 제품의 두께는 가능하다면 100㎜이내가 바람직하다. 너무 두꺼우면 반응의 균일성을 잃게 될 우려가 있다. 여기서 성형된 성형체의 물/고체중량비는 통상 1.0∼3.0의 범위에 있는데, 이 경우는 건조한 제품의 부피밀도는 거의 0.3∼0.7g/cc가 된다.
상기한 성형체를 오토클레이브내에서 가열반응한다. 반응조건으로서는, 포화수증기 압하에서 온도는 140∼200℃의 범위에서 한다. 140℃ 미만에서는 규산칼슘수화물의 생성이 현저하게 지연되며, 200℃를 넘으면 일부 크소노틀라이트가 생성되어 제품의 강도가 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 품질의 안정성과 경제성의 양면에서 본다면 160∼195℃의 범위에서 반응시키는 것이 보다 바람직하다. 더욱 바람직하게는 170∼190℃의 범위이다. 반응시간은, 반응후의 성형체의 분말 X선회절을 하였을 경우의 Ti/Qi비가 0.1∼1.0의 범위가 되는 조건으로 설정하는데, 본 발명의 제1∼4실시예에 있어서는, 180℃의 온도에서 3∼8시간의 범위이며, 160℃의 온도의 경우 5∼18시간, 195℃의 온도의 경우 2∼6시간의 범위가 된다. 물론 본 발명에서는 이것들의 온도와 시간에 한정되는 것은 아니다. 합성후의 경화체는 건조하여 최종 제품으로 한다.
이어서, 실시예(1∼4) 및 비교예(1∼3)를 설명한다.
생석회 분말 2.47kg을 90℃의 온수 8.65kg중에 투입하여 소화시켜서 석회유를 얻는다. 이 석회유를 32℃로 냉각한 후에 규조토 미분말(325메쉬를 전부 통과하는 분말) 0.67kg를 첨가하고, 물/고체중량비가 3.5가되도록 냉수를 추가한 후에 균일하게 혼합하였다. 그 후, 온욕(溫浴)상에서 가열하고, 80∼92℃에서 2시간 겔화를 하였다. 겔화후, 이것을 직접 60℃까지 냉각하고, 규석 분말(세포꼴 형상(島屋根)의 규석 250메쉬를 전부 통과하는 분말) 2.02kg, 규조토 미분말 0.67kg 및 내알칼리 유리섬유와 펄프 각 0.37kg을 첨가하고 옴니형 믹서로 2분간 균일하게 혼합하었다. 이 혼합물의 조성은 다음과 같았다.
CaO/SiO2몰비 ·················0.83
비결정질 실리카/(결정질 실리카+비결정질 실리카)·····0.4
내알카리성 유리섬유배합율··· ············5%
펄프배합률·······················5%
이 화합물을 내부치수 610∼1200mm의 금형에 투입하고, 12.0kgf/㎠으로 탈수성형하였다. 이 성형체의 탈형후의 두께는 18mm였다. 이어서, 이것을 오트클레이브에 넣고서 포화증기압하에서 180℃로 소정시간 반응시키고, 오토콜레이브에서 꺼내어 건조기를 이용하여 105℃에서 완전히 건조하였다. 건조후의 제품의 부피밀도가 0.54∼0.56g/cc, 사이즈가 610×1220mm, 두께가 18mm로 치수변화는 없었다.
또 이 제1실시예의 SEM사진을 제1도에 나타낸다. 이 사진에서는 석영의 표면 전체가 백색의 입자응집체를 나타내고 있는 C-S-H에 의해서 덮여져 있으며, 곳곳에 규산칼슘수화물이 생성되어 있는 것이 인정되었다.
이들 제품의 물성측정결과를 제1표에 나타낸다.
또한, 제1포에는 비교예를 나타냈으며, 이 비교예는 Ti/Qi가 0.1∼1.0의 범위를 벗어나도록 조작된 것이다.
제1표에서 나타내고 있는 굽힘강도는 JISA 1408에 의거하에 측정하였다. 단 시험체의 치수는 폭 80mm×길이 180mm×두께 15mm, 스팬(span)길이는 100mm로 하였다. 연소성은 JISA 1321에 따라서 측정하였다.
절삭성은 제품의 대략 중앙에 가까운 부분에서 길이(X) 50mm×폭(Z) 10mm×두께(Y) 50mm의 크기의 시험체를 잘라내어, 제2도에 나타낸 바와같은 절삭공구각 28°의 공구를 이용하여, 절삭깊이 1mm로 절삭속도 20mm/min으로 절삭하여 절삭층이 연속한 것을 절삭성 양호로서 「○」, 불연속의 것을 절삭성 불량으로서 「×」, 이것들의 중간적인 것을 「△」로서 판정하였다.
(표 1)
이어서 제5실예를 설명한다.
오토클레이브의 반응시간을 5시간 30분으로한 것 이외에는 제 1 실시예와 같은 방법으로 하여 제품을 얻었다. 제 5 실시예에서 얻어진 규산칼슘성형체의 매트릭스가 SEM사진을 제 3 도에 나타낸다. 이 제 3 도에 의하면 규산칼슘수화물, C-S-H가 혼합되어있는 것을 알수 있다. 제 5 실시예의 규산칼슘 성형체의 매트릭스의 분말 X선회절 챠트를 제 4 도에 나타낸다. 제 4 도에 나타낸 바와 같이, 규산칼슘수화물 및 석영의 피크(peck)를 볼 수 있으며, 규산칼슘수화물의 (002)면 (2θ=7.82˚) 및 석영의 (101)면 (2θ-26.65˚)의 강도비를 Ti,Qi로 하면, Ti/Qi는 0.64이었다. 또 이 제 5실시예의 것을 구부려서 파괴하고,그 파단면의 유리섬유 및 펄프의 SEM사진을 제 5A 도 및 제 5B 도, 제 6A 도 및 제 6B 도에 나타낸다.
제 5A 도에는 유리섬유의 표면이 규산칼슘의 기재로 덮여져 있는 상태가 잘 나타내어져 있다. 제 5B 도는 제 5A 도에서 나타낸 유리섬유 중의 1개를 더욱 확대하여 나타낸 것으로,이것에 의하면, 유리섬유의 표면에 C-S-H와 규산칼슘수화물이 고착되어 있는 것을 알 수 있으며,이것에 의해서 기재와 유리섬유가 강고하게 고착되어 있는 것을 알 수 있다. 제 6A 도는 상기한 바와같이 동일 종류의 파단면을 나타낸 것으로, 여기에서는 펄프의 표면이 규산칼슘의 기재로 덮여져 있는 상태가 나타내어져 있다. 제 6B 도는 제 6A 도에 나타낸 것을 더욱 확대하여 나타낸 것으로,이것에 의하면, 표면에 C-S-H와 일부이지만 규산칼슘수화물이 고착되어 있는 것을 알 수 있으며, 이것에 의해서 기재와 펄프가 강고하게 고착되어 있는 것을 알 수 있다.
이어서 제 6∼8실시예 및 제 4∼6비교예를 설명한다.
비결정질 실리카의 비율 및 첨가 방법으로 변경한 것 이외에는 제 4 실시예와 같은 방법으로 하여 제품을 얻었다. 결과를 제 2 표에 나타낸다. 제 4∼6 비교예에 대해서도 같게 하였다.
(표 2)
[산업상의 이용가능성]
이상과 같이 본 발명에 의하면, 규산칼슘성형체는 부피밀도가 0.3∼0.7g/cc로 경량이고 비강도(比强度)=(굽힘강도)/(부피밀도)2가 260이상이다. 또 규산칼슘형체는 절단, 절삭, 연마등의 가공성이 용이하고 가공시의 발진(發塵)도 없고 나사조임의 유지력도 큰 것이다. 또한,이 규산칼슘성형체는 제품 표면 혹은 내부에는 균열, 블리스터링(blisteing), 기공(氣孔)등도 없으며 불연성, 내연성, 치수안정성등에도 우수하여 벽재, 간막이재, 마루재, 단열재등으로서 폭넓게 사용되는 것이 된다.

Claims (2)

  1. 규산칼슘수화물, C-S-H 및 석영이 혼합되어 있고 보강재로서 유리섬유 및 펄프를 각각2∼10중량% 포함하는 성형체로서, 상기 성형체를 분말 X선회절하였을 때의 Ti/Qi비가 0.1∼1.0이고 완전히 건조된 부피밀도가 0.3∼0.7g/cc인 고강도 규산칼슘성형체.(단,Ti 및 Qi는 각각 규산칼슘수화물결정의 (002)면, 석영결정의 (101)면의 X선회절강도를 나타낸다.
  2. 석회질 원료와 규산질 원료와 섬유로 이루어지며, 석회질 원료와 규산질 원료 배합비를 CaO/SiO2몰비로 0.6∼0.9로 하고, 규산질 원료는 결정질 실리카와 비결정질 실리카로 이루어지며, 결정질 실리카와 비결정질 실리카의 비율을 비결정질 실리카/(결정질 실리카+비결정질 실리카)의 주량비로 0.2∼0.8로 하고, 섬유는 내알칼리 유리섬유와 펄프로 이루어지며, 각각의 배합비를 2∼10중량%로 한 것을 원료로 하여, 우선 석회질 원료와 비결정질 실리카의 적어도 일부를 물과 혼합하여 50℃ 이하의 슬러리로 하고, 이 슬러리를 80℃의 온도로 가온하여 겔화하고, 여기서 얻어진 겔상태의 물질을 내 알칼리 유리섬유를 포함하는 잔여의 원료와 함께 균일하게 혼합하고, 이 혼합물을 압력3∼30kgf/㎠으로 탈수성형하여 성형체로 하고, 이 성형체를 오토클레이브내에서 가열반응하고, 이것에 의하여 얻어지는 성형체를 분말 X선 회절하였을 때의 Ti/Qi비를 0.1∼1.0으로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 규산칼슘성형체의 제조방법.
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