WO2019143171A1 - 경량 내화 단열 블록의 제조방법. - Google Patents

경량 내화 단열 블록의 제조방법. Download PDF

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WO2019143171A1
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fumed silica
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surfactant
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안정희
강순곤
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(주)에이티
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a lightweight fireproof and heat insulating block, and more particularly to a method of manufacturing a cementitious lightweight block having improved fire resistance and heat insulation.
  • Lightweight Fire Resistance Insulation Block is a building material that can be applied to exterior wall and inner wall of buildings, houses and other buildings, fireproof partition wall, fire wall of escape space, refractory partition wall of various structures, air duct, pipe duct wall, Demand for refractory performance and insulation performance is increasing as well.
  • 2005-240331 discloses a heat insulating panel in which a panel material layer composed of a heat insulating material layer made of a synthetic resin blowing agent and a fiber reinforced cement board is laminated
  • Korean Patent Laid- 0034072 discloses a method of producing a lightweight foamed concrete wall panel structure by placing a foamed foamed concrete mortar made of a mixture of a cellulose fiber cement board and a board with a mixture of cement, styrofoam particles, foaming agent, fluidizing agent and crude steel .
  • Korean Patent Publication Nos. 10-0813152 and 10-0975644 disclose a method of preparing a lightweight concrete panel by injecting and curing a mixture obtained by mixing a lower cement, cement and expanded polystyrene beads into a mold.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a flame retardant epoxy resin composition which is excellent in thermal resistance, low thermal conductivity and excellent fire resistance, and excellent in compression strength, It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a lightweight fireproof and heat insulating block which can be widely applied to various parts such as a wall, a double wall, and the like.
  • the lightweight fire-resistant and heat insulating block of the present invention comprises: preparing a first mixture by mixing expanded polystyrene beads, fumed silica, a surfactant and a solvent; Mixing the first mixture with cement to produce a second mixture; Injecting the second mixture into a mold and curing to produce a block; And separating the cured block from the mold.
  • the fumed silica is contained in an amount of 0.5 to 3% by weight with respect to the second mixture, and the expanded polystyrene beads are contained in a range of 70 to 80% by volume with respect to the second mixture.
  • the solvent may be used for mixing water and alcohol.
  • the manufacturing method of the present invention since the non-combustible, high heat resistance, low thermal conductivity, and excellent fire resistance, and excellent compression strength, water absorption rate and acoustic damping characteristics, It is possible to fabricate a lightweight fire-resistant and heat-insulating block that can be utilized as a fire-resistant material.
  • FIG. 1 is a perspective view of a lightweight fire-resistant and heat insulating block manufactured according to the method of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a lightweight fire-resistant and heat insulating block manufactured according to the method of the present invention.
  • FIG. 2 is a test result of a sound insulation performance test for a lightweight fire-resistant and heat-insulating block of the present invention, comparing a block a having a thickness of 100 mm with a block having a thickness of 150 mm.
  • Fig. 3 is a graph showing changes in temperature in the furnace of the test specimen during the refractory test, showing changes in the furnace temperature during the measurement of the block a having a thickness of 100 mm and the block having a thickness of 150 mm.
  • Fig. 4 is a graph showing changes in pressure in the furnace of a test body during the fire resistance test, and shows changes in the furnace temperature at the time of measurement of a block (a) having a thickness of 100 mm and a block having a thickness of 150 mm.
  • Fig. 5 is a view showing the position of the measuring apparatus installed in the test body at the time of the fire resistance test.
  • Fig. 6 is a photograph showing the state of the wall surface before (a) and after (b) the fire test of the test piece 6 in the fire resistance test.
  • Fig. 7 is a photograph showing the state of the wall surface before (a) and after (b) the fire test of the test piece 7 in the fire resistance test.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a lightweight fireproof and heat insulating block, and is characterized in that a block is manufactured by mixing foamed polystyrene beads and fumed silica in order to lighten cement blocks and ensure fire resistance and heat insulation.
  • Preparing a first mixture by mixing expanded polystyrene beads, fumed silica, a surfactant and a solvent; Mixing the first mixture with cement to produce a second mixture; Injecting the second mixture into a mold and curing to produce a block; And separating the cured block from the mold.
  • the expanded polystyrene beads and the fumed silica are first mixed to prepare a first mixture of expanded polystyrene beads in which fumed silica is dispersed And cement is added thereto to prepare a second mixture. Since the dispersibility of the fumed silica is low when the foamed polystyrene beads and the fumed silica are simply mixed in the cement, the produced block shows insufficient fire resistance and heat insulation. Therefore, the production method according to the present invention is employed, .
  • the expanded polystyrene beads preferably have a particle size of 2 to 5 mm, and should be contained in an amount of 70 to 80% by volume based on the entire second mixture so that the specific gravity after mixing with the cement becomes 0.2 to 0.5.
  • the fumed silica is contained in the range of 0.5 to 3 wt.% With respect to the second mixture.
  • the thermal conductivity value is the most excellent. Therefore, the thermal conductivity is significantly lower than that of the lightweight foamed concrete block .
  • the degree of mixing of the fumed silica and the expanded polystyrene beads is a factor for determining the physical properties of the prepared lightweight block.
  • the surfactant when the fumed silica and the expanded polystyrene beads are mixed, the surfactant is mixed with the solvent to improve the dispersibility.
  • the surfactant acts as an air entraining agent in the mixture.
  • a neutral surfactant as the surfactant because the raw material is mixed and dispersed in water without adjusting the acidity in the mixing process.
  • surfactants include glycerol fatty acid esters, propylene glycol fatty acid esters, sorbitan fatty acid esters, polyoxyethylene sorbitan fatty acid esters, tetraoleic acid polyoxyethylene sorbitol, polyoxyethylene alkyl ether, polyoxyethylene alkylphenyl ether, polyoxyethylene Polyoxyethylene polyoxypropylene alkyl ethers, polyethylene glycol fatty acid esters, high molecular weight fatty acid alcohol esters, polyhydric alcohol fatty acid esters, and the like.
  • This neutral surfactant is an amphoteric polymer containing a hydrophilic group and a hydrophobic group.
  • an amphoteric surfactant having a hydrophilic group content of 2 times or more than the content of a hydrophobic group is used, the dispersant is particularly excellent.
  • the surfactant exhibiting excellent dispersibility was Pluronic F127 (200.45 moles of hydrophilic group (EO block), 65.17 moles of hydrophobic group (PO block)), F68 (152.73 moles of hydrophilic group, 28.97 moles of hydrophobic group), F87 (122.5 moles of hydrophilic group, mole),
  • a mixture of water and alcohol as a solvent, particularly a mixture of water and ethanol or water and isopropanol as a solvent.
  • the weight ratio of water to alcohol is preferably 2: 1 to 5: 1.
  • the mixing ratio of water and alcohol varies depending on the kind and content of the surfactant used, but the physical properties of the lightweight block that is best used within the above range can be obtained.
  • the content of the surfactant is preferably 2 to 5% by weight based on the total weight of the first mixture. That is, if the amount of the surfactant is too small, there is no difference in physical properties between the surfactant and the surfactant. If the surfactant is used in too much amount, the dispersibility is lowered and the physical properties are lowered.
  • the fumed silica, the surfactant, and the solvent are first mixed, and the expanded polystyrene beads are mixed with the surfactant and the solvent. Finally, It is preferable to add silica to prepare a mixture. That is, when the fumed silica is added to the surfactant solution at an appropriate concentration while the expanded polystyrene beads are dispersed, the fumed silica particles are uniformly dispersed with the expanded polystyrene beads.
  • hydrophobic fumed silica is preferably used as the fumed silica in order to impart water repellency to the lightweight block.
  • hydrophobic fumed silica it is preferable to mix the hydrophilic fumed silica because it is difficult to disperse in the hydrophilic solvent.
  • hydrophilic fumed silica and hydrophobic fumed silica are mixed in a weight ratio of 1: 5 to 1:15, preferably 1: And then mixed in the dispersion solution. Since the hydrophilic fumed silica is added to improve the dispersibility of the hydrophobic fumed silica, it is preferable that the hydrophilic fumed silica contains as little amount as possible. If the amount of the hydrophilic fumed silica is excessively larger than the above range, the water repellency of the light- The dispersion of the hydrophobic fumed silica becomes uneven.
  • hydrophilic fumed silica with foamed polystyrene beads and a surfactant dispersion solution, mix thoroughly, and then add hydrophobic fumed silica.
  • the process for preparing the first mixture includes a step of dissolving the surfactant in a solvent, a step of mixing the expanded polystyrene beads into the dispersion of the surfactant, a step of mixing the hydrophilic fumed silica, and a step of mixing the hydrophobic fumed silica Lt; / RTI >
  • the time for mixing the fumed silica is such that a highly dispersible mixture can be obtained even when the hydrophobic fumed silica is added within 5 minutes, preferably 2 to 5 minutes have.
  • the first mixture prepared by mixing the expanded polystyrene beads, the fumed silica, the surfactant and the solvent as described above shows that the fumed silica is dispersed very uniformly in the expanded polystyrene beads to show physical properties, particularly excellent thermal conductivity even after mixing with the cement .
  • the second mixture is obtained by adding cement to the first mixture.
  • the foamed polystyrene beads occupy 70 to 80% of the volume of the mixture composed of the mixture of expanded polystyrene beads and fumed silica mixed with cement.
  • the first and second mixture may be prepared by using manual stirring, blender, or mixer.
  • a mixer is preferably used.
  • Such mixers include ribbon blenders, portable impellers, and the like.
  • the primary mixture may be prepared by mixing for 5 to 20 minutes, and the secondary mixture may be further mixed by mixing for 5 to 20 minutes.
  • the mixture in order to uniformly mix the first mixture, may be first mixed in a mixer, then discharged through a circulation line to the mixer, passed through a static mixer installed in the circulation line, .
  • the degree of dispersion can be greatly improved by performing the process of circulating through the static mixer for 10 to 30 minutes.
  • the second mixture can be manufactured by pouring the molded product on a mold capable of forming a block form and then curing it, and a separate pressing or molding step is not necessary, so that the process cost can be reduced.
  • the curing can be carried out at room temperature for 6 to 12 hours. After the cured block is separated from the mold, the block is cut and cut according to the size to finally produce the desired type of block. Since such a block is simple to mold, the concavo-convex structure can be easily formed on the side surface as shown in Fig. In addition, since the block-shaped block having the concavo-convex structure can be stacked on the four sides of the blocks by applying an adhesive and joining with other blocks, it is possible to easily construct the blocks in accordance with various construction sites and secure the strength after the construction. Further, the lightweight block having the shape as shown in Fig. 1 can be manufactured only by curing using a box-shaped molding frame. Further, a lightweight block of a rectangular parallelepiped is manufactured, and then the block is cut to manufacture a lightweight block You may.
  • Test piece 1 was prepared by using water as a solvent without using a surfactant in the preparation of the first mixture.
  • Test piece 2 was prepared by mixing Pluronic F127 with a mixed solvent obtained by mixing water and ethanol at a weight ratio of 4: 2% by weight based on the weight of the first mixture, and
  • Experiment 3 was prepared by mixing 4% by weight of Pluronic F68 with respect to the total weight of the first mixture with respect to a mixed solvent obtained by mixing water and ethanol at a weight ratio of 4: 1.
  • the incombustibility test was carried out in accordance with KS F ISO 1182 at a temperature of 23 ⁇ 2 ° C. and a relative humidity of 50 ⁇ 5% R.H. at a density of 236.3 kg / m 3.
  • Test body 1 Specimen 2 Experiment 3 Thickness (mm) 51.6 50.8 51.5 Weight before heating (g) 18.3 17.9 20.5 Weight after heating (g) 13.3 14.1 15.9 Heat loss (g) 5.0 3.8 4.6 Mass reduction rate (%) 27.3 21.2 22.4 Maximum temperature (°C) 760.1 762.7 771.0 (° C) 744.6 759.0 767.0 (° C) 15.5 3.7 4.0
  • the mass reduction rate before and after the heating was 27.3, 21.2 and 22.4% for the test pieces 1 to 3, respectively, indicating that the mass reduction rate meets the incombustibility criteria of 30% or less.
  • the temperature difference between the highest temperature and the final equilibrium temperature was 15.5, 3.7, and 4.0 ° C for the specimens 1 to 3, respectively, and found to meet the incombustibility criterion of 20 ° C or less.
  • test pieces 1 to 3 all satisfied the non-flammability criterion but showed relatively low incombustibility in the test piece 1 produced without containing the surfactant.
  • the use of the surfactant according to the production method of the present invention is superior to that of the expanded polystyrene beads And the homogeneous mixing of the fumed silica and thus the improvement of the physical properties.
  • Tests 2 and 3 were tested in accordance with KS F 2271 for testing the gas hazards. The results are shown in Table 2.
  • Test Example 2 the same procedure as in Test Example 2 was carried out except that the amount of the fumed silica was changed to test whether there was a change in thermal conductivity.
  • the test was commissioned to the Korea Institute of Construction & Environment and was tested under the conditions of 23 ⁇ 2 °C and 50 ⁇ 5% RH according to KS L 9016: 2010, as in Table 3. The results are shown in Table 4.
  • Test body Fumedsilicone content (% by weight) Thermal conductivity (W / (m ⁇ K)) Test body 2-1 0 0.100 Test body 2-2 0.5 0.088 Specimen 2-3 One 0.091
  • the sound insulation performance of the test piece 5 on which the lightweight fire - resistant and heat - insulating block of the present invention was applied was tested.
  • KS F 2862 2017, the acoustic attenuation coefficient was measured by Korea Institute of Construction and Environment Testing according to the test method of KS F ISO 10140-2: 2010, and the measured frequency band was 1/3 octave The band center frequency was 100 to 5,000 Hz.
  • Sound insulation performance test The reverberation room was a rectangular hexahedron with a reinforced concrete structure (ISO 10140-5 type) with a wall thickness of 250 mm, a sound source volume of 51.54 m 3, and a sound volume of 57.02 m 3.
  • the average sound pressure level in the room is obtained by fixing the average energy value (L) of the sound pressure level measured by fixing the omnidirectional microphone at 0.7 m between the microphone and 1.0 m from the sound source, at five positions spaced more than 0.7 m from the boundary of the room and the diffuser Respectively.
  • a sound source speaker was installed at one point in the receiver room, and the equivalent sound absorption power was calculated according to the following equation by measuring the reverberation time using the sound source intermittence method at an equal measurement point of 3 points or more.
  • A is the equivalent sound absorption power (m3)
  • V is the water volume (m3)
  • T is the reverberation time (s) of the receiving room.
  • the calculation of the acoustic attenuation coefficient (R) is performed by calculating the difference in average sound pressure level between the sound source room and the sound receiving room, and correcting the sound absorption power of the sound receiving room.
  • L 1 is the average sound pressure level (dB) of the sound chamber
  • L 2 is the average sound pressure level (dB) in the storage chamber
  • S is a sample area (m2)
  • A is the acoustic power heupeumryeok of the receiving room (m2 )to be.
  • the weighted acoustic attenuation coefficient was calculated by measuring a 1/3 octave band.
  • the reference curve corresponding to the curve connecting the measurement results in the frequency band of 100 Hz to 3,150 Hz is shifted in units of 1 dB and the reference curve is moved upward so that the sum of the values below the reference curve does not exceed 32.0 dB
  • the value of the reference curve at 500 Hz was calculated as a single numerical evaluation value.
  • the measurement results of the acoustic attenuation coefficient for the test samples 4 and 5 are shown in Fig. 2, when the block thickness is 100 mm, the weighted acoustic attenuation coefficient (R w ) is 38 dB and the thickness is 150 mm, which is 41 dB.
  • the heat-shielding property and the light-shielding property were tested.
  • the fire resistance test was conducted on non-proof walls and tested in accordance with KS F 2257-8: 2015.
  • the test specimen 6 was composed of 2400 ⁇ 2400 ⁇ 100 mm specimen 6 and 2400 ⁇ 2400 ⁇ 150 mm specimen specimen 7.
  • the changes in the furnace temperature in the furnace were as shown in FIG. 3, and the changes in the furnace pressure in the furnace were tested under the conditions shown in FIG. 4, and the average rising temperature and the maximum rising temperature after 120 minutes were measured.
  • the measurement apparatus was installed at nine positions in the same position as in Fig.
  • Table 5 shows the results of the heat-shrinkability and scratch resistance test.
  • the test items were the average rising temperature and the maximum rising temperature, and the test specimens were 6 mm and 25 mm crack gauges, flame generation and surface pad ignition.
  • the thermal conductivity is 0.088 W / mK, which is lower than that of ALC block, which has low thermal conductivity.

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Abstract

본 발명은 경량 내화 단열 블록의 제조방법에 관한 것으로, 발포 폴리스티렌 비드, 흄드 실리카, 계면활성제 및 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계, 상기 제1 혼합물에 시멘트를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계, 상기 제2 혼합물을 형틀에 주입하고 양생하여 블록을 제조하는 단계, 양생된 블록을 형틀에서 분리하는 단계를 포함하여 제조되며, 불연성, 열 저항성이 높으며 열전도율이 낮아 내화성이 우수하며, 압축강도, 흡수율, 음향 감쇄 특성이 우수하여 건축물의 내외벽, 방화구획, 벽체, 이중벽 등의 다양한 부분에 범용적으로 활용할 수 있는 것이다.

Description

경량 내화 단열 블록의 제조방법.
본 발명은 경량 내화 단열 블록의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내화성과 단열성이 향상된 시멘트계 경량 블록의 제조방법에 관한 것이다.
경량 내화 단열 블록은 빌딩, 주택 등의 건축물의 비내력 외벽과 내벽, 방화구획 벽체, 대피공간 내화 벽체, 각종 구조물의 내화 간막이 벽체, 에어 덕트, 파이프 덕트 벽체,이중벽 등에 적용될 수 있는 건축용 소재로서 최근 내화성능과 단열성능에 대한 요구의 증가와 함께 수요도 증가되고 있다.
종래에는 복수의 패널을 적층하여 패널을 제조하거나 시공하고 있으나, 이러한 패널은 경량화에 한계가 있고, 내화 성능이나 단열 성능이 불충분한 문제점이 있다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 특개2005-240331호에서는 합성수지 발포제로 구성되는 단열재층과 섬유 강화 시멘트 보드로 구성되는 패널재층이 적층된 단열용 패널이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 10-2005-0034072호에서는 셀룰로오스 화이버 시멘트 보드와 보드 사이에 시멘트, 스티로폼 입자, 기포제, 유동화제, 조강제를 혼합하여 제조한 스티로폼 혼합 기포 콘크리트 모르타르를 타설하여 경량 기포 콘크리트 벽체 패널 구조체를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
이와는 달리, 경량화와 내화, 단열 성능을 나타낼 수 있는 조성물로부터 직접 성형체를 제조하는 기술이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-0813152호 및 10-0975644호에서는 저회와 시멘트 및 발포 폴리스티렌 비드를 혼합한 혼합물을 형틀에 주입하고 양생하여 경량콘크리트 패널을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
이러한 선행기술에서는 건설교통부고시 제2000-093호에 따른 고층 건물의 내화성능을 충족시키는 물성의 패널을 제조하고 있으나, 경량화, 내화성, 단열성 등의 각종 특성을 최적화하기 곤란하여 내외벽, 방화구획, 간막이, 이중벽 등의 다양한 건축물의 용도에 범용으로 적용하기 곤란한 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 불연성, 열저항이 높으며 열전도율이 낮아 내화성이 우수하며, 압축강도, 흡수율, 음향 감쇄 특성이 우수하여 건축물의 내외벽, 방화구획, 벽체, 이중벽 등의 다양한 부분에 범용적으로 활용할 수 있는 경량 내화 단열 블록을 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 시멘트의 함량을 최소화하면서도 충분한 강도를 확보할 수 있는 경량 블록을 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 경량 내화 단열 블록은 발포 폴리스티렌 비드, 흄드 실리카, 계면활성제 및 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제1 혼합물에 시멘트를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제2 혼합물을 형틀에 주입하고 양생하여 블록을 제조하는 단계; 양생된 블록을 형틀에서 분리하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 흄드 실리카는 제2 혼합물에 대하여 0.5 내지 3 중량%의 범위에서 함유되며, 상기 발포 폴리스티렌 비드는 제2 혼합물에 대하여 70 내지 80 부피%의 범위에서 함유되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용매는 물과 알코올의 혼합 용매일 수 있다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 불연성, 열저항이 높으며 열전도율이 낮아 내화성이 우수하며, 압축강도, 흡수율, 음향 감쇄 특성이 우수하여 건축물의 내외벽, 방화구획, 벽체, 이중벽 등의 다양한 부분에 범용적으로 활용할 수 있는 경량 내화 단열 블록을 제조할 수 있는 효과를 나타낸다.
또한, 시멘트의 함량을 최소화하면서도 충분한 강도를 확보하여 범용적으로 사용할 수 있는 경량 블록을 제조할 수 있는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 경량내화단열블록의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 경량 내화 단열 블록에 대한 차음성능 시험 결과로서 100㎜ 두께의 블록(a)과 150㎜ 두께의 블록을 비교한 시험결과이다.
도 3은 내화시험시 시험체의 노 내 온도 변화에 관한 그래프로서 100㎜ 두께의 블록(a)과 150㎜ 두께의 블록의 측정시 노 내 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 내화시험시 시험체의 노 내 압력 변화에 관한 그래프로서 100㎜ 두께의 블록(a)과 150㎜ 두께의 블록의 측정시 노 내 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 내화시험시 시험체에 설치된 측정장치의 위치를 나타내는 도면이다.
도 6은 내화시험시 시험체 6의 내화시험 전(a)과 내화시험 후(b)의 벽면 상태를 관찰한 사진이다.
도 7은 내화시험시 시험체 7의 내화시험 전(a)과 내화시험 후(b)의 벽면 상태를 관찰한 사진이다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 경량 내화 단열 블록의 제조방법에 관한 것으로, 시멘트계 블록의 경량화와 내화성 및 단열성을 확보하기 위하여 발포 폴리스티렌 비드 및 흄드 실리카를 혼합하여 블록을 제조하는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 발포 폴리스티렌 비드, 흄드 실리카, 계면활성제 및 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제1 혼합물에 시멘트를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제2 혼합물을 형틀에 주입하고 양생하여 블록을 제조하는 단계; 양생된 블록을 형틀에서 분리하는 단계를 포함하여 제조된다.
본 발명의 경량 블록은 시멘트의 양을 최소화하여 블록의 무게를 줄이면서 내화성과 단열성을 확보해야 하므로, 발포 폴리스티렌 비드 및 흄드 실리카를 먼저 혼합하여 흄드 실리카가 분산된 발포 폴리스티렌 비드의 제1 혼합물을 제조하고 여기에 시멘트를 부가하여 제2 혼합물을 제조하게 된다. 시멘트에 발포 폴리스티렌 비드 및 흄드 실리카를 단순히 혼합하면 흄드 실리카의 분산도가 낮아 제조된 블록의 내화성과 단열성이 불충분한 것으로 나타났기 때문에 본 발명에 따른 제조방법을 채용하여야 본 발명에서 목적하는 물성을 획득할 수 있게 된다.
발포 폴리스티렌 비드는 입자 크기가 2 내지 5㎜인 것을 사용하는 것이 바람직한데 시멘트와 혼합한 후 비중이 0.2 내지 0.5가 되도록 하기 위해서 제2 혼합물 전체에 대하여 70 내지 80 부피%가 되도록 함유되어야 한다.
또한, 흄드 실리카는 제2 혼합물에 대하여 0.5 내지 3 중량%의 범위에서 함유되는데, 흄드 실리카의 양이 상기 범위에 해당하는 경우 열전도도 값이 가장 우수한 것으로 나타나 경량 기포 콘크리트 블록에 비해서도 현저히 낮은 열전도도를 나타내는 것을 확인하였다.
흄드 실리카를 0,5 내지 3 중량%의 비교적 적은 양으로 포함하기 때문에 상기 흄드 실리카와 발포 폴리스티렌 비드의 혼합 정도, 즉, 흄드 실리카의 분산 정도가 제조된 경량 블록의 물성을 결정하는 요인이 된다.
따라서 본 발명에서는 상기 흄드 실리카와 발포 폴리스티렌 비드를 혼합할 때 용매와 함께 계면활성제를 혼합하여 분산성을 향상시키고 있다. 또한, 상기 계면활성제는 혼합물 내에서 공기에 연행하는 작용을 하여 공기연행제의 역할도 수행하는 것으로 나타났다.
상기 혼합 과정에서 산도를 조절하지 않고 원료를 물에 혼합하여 분산시키기 때문에 계면활성제로는 중성 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 계면활성제로는 글리세롤 지방산 에스테르, 프로필렌 글리콜 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르, 테트라올레산 폴리옥시에틸렌 소르비톨, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 폴리옥시프로필렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 폴리옥시프로필렌 알킬 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 지방산 에스테르, 고분자량의 지방산 알콜 에스테르, 다가 알콜 지방산 에스테르 등을 들 수 있다.
이러한 중성 계면활성제는 친수성기와 소수성기를 함유하는 양쪽성 고분자인데, 친수성기의 함량이 소수성기의 함량에 비해 2배 몰 이상인 양쪽성 계면활성제를 사용할 경우 특히 분산성이 우수한 것으로 나타났다.
실험적으로 분산성이 우수한 것으로 나타난 계면활성제는 Pluronic F127(친수성기(EO 블록) 200.45몰, 소수성기(PO 블록) 65.17몰), F68(친수성기 152.73몰, 소수성기 28.97몰), F87(친수성기 122.5몰, 소수성기 39.83몰),
또한, 이러한 계면활성제의 분산성을 고려하여 용매로서 물과 알코올의 혼합물, 특히, 물과 에탄올, 또는 물과 이소프로판올의 혼합물을 용매로 사용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 혼합용매를 사용할 경우, 물과 알코올의 중량비를 2:1 내지 5:1로 하는 것이 바람직하다. 물과 알코올의 혼합 비율은 사용하는 계면활성제의 종류와 함량에 따라 달라지나 상기 범위 내에서 사용하는 것이 가장 좋은 경량 블록의 물성을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 계면활성제의 함량은 제1 혼합물 전체 중량에 대하여 2 내지 5 중량%를 사용하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 즉, 계면활성제의 양이 지나치게 적으면 계면활성제를 사용하지 않았을 때와 물성의 차이가 없으며, 너무 많이 사용하면 분산성이 오히려 저하되어 물성이 저하되는 경향을 나타내었다.
상기 제1 혼합물을 제조하는 공정은 발포 폴리스티렌 비드, 흄드 실리카, 계면활성제 및 용매를 혼합할 때 혼합 효율을 향상시키기 위하여 계면활성제 및 용매를 먼저 혼합하고 여기에 발포 폴리스티렌 비드를 혼합한 후 마지막으로 흄드 실리카를 부가하여 혼합물을 제조하는 것이 바람직하다. 즉, 적절한 농도의 계면활성제 용액에 발포 폴리스티렌 비드를 분산시킨 상태에서 흄드 실리카를 부가하면 흄드 실리카 입자가 발포 폴리스티렌 비드와 균일하게 분산되는 것으로 나타났다.
또한, 상기 흄드 실리카로는 소수성 흄드 실리카를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 경량 블록의 발수성을 부여하기 위해서이다. 소수성 흄드 실리카를 사용하는 경우 친수성 용매에서 분산이 어렵기 때문에 친수성 흄드 실리카를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
즉, 발포 폴리스티렌 비드와 계면활성제 분산 용액에 흄드 실리카를 부가할 때 친수성 흄드 실리카 및 소수성 흄드 실리카를 1:5 내지 1:15의 중량비, 바람직하게는, 1:8 내지 1:12의 중량비로 배합하여 상기 분산 용액에 혼합하는 것이 바람직하다. 친수성 흄드 실리카는 소수성 흄드 실리카의 분산성을 향상시키기 위해 배합되는 것이기 때문에 가급적 적은 양을 함유하는 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나 친수성 흄드 실리카의 양이 지나치게 많으면 경량 블록의 발수성이 저하되며, 지나치게 적으면 소수성 흄드 실리카의 분산이 불균일해지는 것으로 나타났다.
또한, 발포 폴리스티렌 비드와 계면활성제 분산 용액에 친수성 흄드 실리카를 먼저 배합한 후 충분히 혼합된 후 소수성 흄드 실리카를 부가하여 혼합하는 것이 바람직하다. 따라서 제1 혼합물을 제조하는 공정을 세부적으로 살펴보면, 계면활성제를 용매에 녹이는 공정, 상기 계면활성제 분산액에 발포 폴리스티렌 비드를 혼합하는 공정, 친수성 흄드 실리카를 혼합하는 공정, 소수성 흄드 실리카를 혼합하는 공정으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서는 계면활성제의 분산액을 적용하기 때문에 상기 흄드 실리카를 혼합하는 시간은 소수성 흄드 실리카를 부가한 후 5분 이내, 바람직하게는 2 내지 5분의 혼합으로도 충분히 분산성이 높은 혼합물을 얻을 수 있다. 상기와 같이 발포 폴리스티렌 비드, 흄드 실리카, 계면활성제 및 용매를 혼합하여 제조된 제1 혼합물은 흄드 실리카가 발포 폴리스티렌 비드에 매우 균일하게 분산되어 시멘트와의 혼합 후에도 물성, 특히, 우수한 열전도율을 나타내는 것으로 확인되었다.
상기 제1 혼합물에 시멘트를 부가하여 혼합함으로써 제2 혼합물을 얻게 되는데, 발포 폴리스티렌 비드와 흄드 실리카의 혼합물이 시멘트와 혼합되면서 구성되는 혼합물의 부피의 70 내지 80%를 발포 폴리스티렌 비드가 차지하게 된다. 이러한 저밀도의 발포 폴리스티렌 비드가 다량으로 함유됨으로써 제조되는 블록은 경량화가 가능하게 되며 시멘트의 혼합에 의해 충분한 강도를 확보할 수 있게 된다.
또한, 제1 및 제2 혼합물을 제조하는 방법으로는 수동 교반, 블랜더, 또는 혼합기를 사용할 수 있는데, 공정 효율의 향상을 위하여 혼합기를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 혼합기로는 리본 블랜더, 휴대용 임펠러 등을 들 수 있다. 상기 혼합기를 사용하는 경우 1차 혼합물은 5 내지 20분 간 혼합하여 제조할 수 있고, 2차 혼합물 또한 5 내지 20분 간 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다.
또한, 제1 혼합물의 균일한 혼합을 위하여 혼합기에서 1차 혼합한 후 이를 순환 라인을 통해 혼합기 밖으로 배출하면서 상기 순환 라인에 장착된 스태틱 믹서를 통과시켜 다시 혼합기 내로 유입함으로써 균일 혼합을 수행할 수도 있다. 스태틱 믹서를 통해 순환시키는 공정을 10 내지 30분간 수행하는 것만으로 분산도를 크게 향상시킬 수 있다.
상기 제조된 제2 혼합물은 블록의 형태를 구성할 수 있는 형틀에 부은 후 양생하는 것만으로 경량 블록을 제조할 수 있으며, 별도의 가압 또는 성형 공정은 불필요하므로 공정 비용을 절감할 수 있다.
양생은 실온에서 6 내지 12시간 두는 것으로 수행할 수 있으며, 양생이 완료된 블록은 형틀에서 분리한 후 크기에 맞추어 절단 및 절삭 가공하여 최종적으로 원하는 형태의 블록을 제조하게 된다. 이러한 블록은 성형이 간편하기 때문에 도 1에서와 같이 측면에 요철구조를 쉽게 형성할 수 있다. 또한, 요철구조가 형성된 쪽매 형상의 블록은 4면 쪽매에 접착제를 도포하여 다른 블록과 접합하여 쌓아 올릴 수 있기 때문에 다양한 시공 현장에 맞추어 쉽게 시공할 수 있고, 시공 후의 강도를 확보할 수도 있다. 또한, 도 1에서와 같은 형상의 경량 블록은 쪽매 형상의 성형틀을 사용하여 양생하는 것만으로 제조할 수 있으며, 또한, 직육면체의 경량 블록을 제조한 후 이를 절삭 가공하여 쪽매 형상의 경량 블록을 제조할 수도 있다.
예를 들어 너비×높이×폭이 600×400×150㎜인 블록을 제조하여 3×3m 면적의 벽체를 시공할 경우, 37.5매의 블록이 소요되며 총 중량은 540㎏(14.4㎏×37.5매)로서, 시판되는 600×400×150㎜의 경량 기포 콘크리트 블록 37.5매로 시공했을 때 총 중량이 878㎏(23.4㎏×37.5매)이며, 390×190×150㎜의 콘크리트 블록의 경우 122매가 필요하며 총 중량이 1,708㎏(14㎏×37.5매)이고, 190×57×90㎜의 시멘트 벽돌의 경우 826매가 필요하며 총 중량이 1,652㎏(2㎏×826매)로서 본 발명의 경량 블록을 사용할 경우 중량이 크게 감소하는 것으로 나타났다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 경량 내화 단열 블록에 대하여 불연성, 열저항성, 열전도율, 압축강도, 흡수율, 음향감쇄계수, 내화성을 시험하였다.
시험체 1 내지 3을 제조하였다. 시험체 1은 제1 혼합물 제조 시 계면활성제를 사용하지 않고 물을 용매로 사용하여 제조한 것이며, 시험체 2는 물과 에탄올을 4:1의 중량비로 혼합한 혼합용매에 대하여 Pluronic F127을 제1 혼합물 전체 중량에 대하여 2 중량% 혼합하여 제조한 것이고, 시험체 3은 물과 에탄올을 4:1의 중량비로 혼합한 혼합용매에 대하여 Pluronic F68을 제1 혼합물 전체 중량에 대하여 4 중량% 혼합하여 제조한 것이다.
불연성 시험은 시험체의 밀도 236.3㎏/㎥로 하여 온도 23±2℃, 상대습도 50±5%R.H.의 조건에서 KS F ISO 1182에 따라 실시하였고, 결과는 표 1과 같다.
시험체1 시험체2 시험체3
두께(㎜) 51.6 50.8 51.5
가열전 무게(g) 18.3 17.9 20.5
가열후 무게(g) 13.3 14.1 15.9
가열감량(g) 5.0 3.8 4.6
질량감소율(%) 27.3 21.2 22.4
로 최고온도(℃) 760.1 762.7 771.0
로 최종온도(℃) 744.6 759.0 767.0
로 온도차(℃) 15.5 3.7 4.0
시험체 1 내지 3에 대한 시험결과를 살펴보면, 가열전 후의 질량 감소율이 시험체 1 내지 3에 대하여 각각 27.3, 21.2, 22.4%로 질량 감소율 30% 이하의 불연성 기준을 충족하는 것으로 나타났다. 또한, 최고온도와 최종평형온도와의 온도차가 시험체 1 내지 3에 대하여 각각 15.5, 3.7, 4.0℃로 20℃ 이하의 불연성 기준을 충족하는 것으로 나타났다.
또한, 시험체 1 내지 3은 모두 불연성 기준을 충족하기는 했으나, 계면활성제를 포함하지 않고 제조된 시험체 1에 있어서는 상대적으로 불연성이 낮은 것으로 나타나 본 발명의 제조방법에 따른 계면활성제의 사용이 발포 폴리스티렌 비드 및 흄드 실리카의 균일 혼합을 촉진하며 이에 따라 물성의 향상을 나타내는 것으로 파악되었다.
또한, 시험체 2, 3의 가스 유해성을 시험하기 위하여 KS F 2271에 의거하여 시험을 실시하였으며 그 결과는 표 2와 같다.
시험체2 시험체3
두께(㎜) 104.7 102.1
무게(g) 1340.1 1437.9
8마리 평균 행동정지시간 14분30초 14분19초
표준편차 23초 55초
평균 행동정지시간 14분7초 13분24초
가스 유해성 시험결과 평균행동정지시간이 시험체 2 및 3에서 실험용 쥐의 평균행동정지시간이 9분 이상이어야 하는 가스 유해성 기준을 충족하는 결과를 얻었다.
다음으로 시험체 2에 대하여 열저항성, 열전도율, 압축강도, 흡수율, 및 절건비중을 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하여 시험하였다. 그 결과는 표 3과 같다.
항목 시험방법 시험조건 결과
열저항성 KS L 9016:2010 20±2℃, 50±5%R.H. 1.80(㎡·K)/W
열전도율 KS L 9016:2010 23±2℃, 50±5%R.H. 0.088W/(m·K)
압축강도 SPS-KClC0001-0703:2015 20±5℃, 35±10%R.H. 3.0MPa
흡수율 KS F 2518:2015 20±5℃, 35±10%R.H. 4%
절건비중 KS F 2701:2017 20±5℃, 48±10%R.H. 0.45g/㎤
또한, 시험체 2와 동일한 방법으로 제조하되 흄드 실리카의 배합량을 변경하여 열전도율의 변화가 있는지 여부를 시험하였다. 시험은 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하였으며, 표 3에서와 동일하게 KS L 9016:2010에 의거하여 23±2℃,50±5%R.H.의 조건에서 시험하였다. 그 결과는 표 4와 같다.
시험체 흄드실리카 함량(중량%) 열전도율(W/(m·K))
시험체 2-1 0 0.100
시험체 2-2 0.5 0.088
시험체 2-3 1 0.091
표 4의 결과를 살펴보면, 흄드 실리카를 포함하지 않은 경우에 비해 흄드 실리카를 0.5 중량% 이상 포함함으로써 열전도율이 낮아지는 경향을 나타내었다. 따라서 흄드 실리카의 배합에 의한 열전도율 감소 효과를 확인할 수 있었다.
또한, 경량 내화 단열 블록의 두께에 따른 음향 감쇄 계수를 측정하기 위하여 10.06㎡(3,620×2,780m)의 벽면에 600×400×100㎜의 경량 내화 단열 블록을 시공한 시험체 4와 600×400×150㎜의 경량 내화 단열 블록을 시공한 시험체 5에 대한 차음성능을 시험하였다. KS F 2862:2017에 따른 가중음향감쇄계수를 평가하기 위하여 KS F ISO 10140-2:2010의 시험방법에 따라 한국건설생활환경시험연구원에서 음향감쇄계수를 측정하였으며, 측정 주파수 대역은 1/3 옥타브밴드 중심 주파수로 100~5,000Hz였다. 차음성능 시험 잔향실은 철근콘크리트 구조의 직방형 6면체(ISO 10140-5 type)로서 벽두께가 250㎜, 음원실 용적 51.54㎥, 수음실 용적 57.02㎥이었다.
실내 평균음압레벨은 무지향성 마이크로폰을 마이크로폰 간 0.7m, 음원으로부터 1.0m, 실의 경계 및 확산체로부터 0.7m 이상 떨어진 5개의 위치에 고정하여 측정된 음압 레벨의 에너지 평균값(L)을 하기 식에 따라 산출하였다.
Figure PCTKR2019000749-appb-M000001
(단, Li는 I번째 고정 측정점에서 음압 레벨의 측정값(dB)이며, n은 고정 측정점 수이다.)
또한, 수음실 등가 흡읍력의 측정을 위하여 수음실 내 1점에 음원 스피커를 설치하고 3점 이상의 균등한 측정점에서 음원단속법으로 잔향시간을 측정하여 하기 식에 따라 등가 흡음력을 산출하였다.
Figure PCTKR2019000749-appb-M000002
(단, A는 등가 흡음력(㎥), V는 수음식 체적(㎥), T는 수음실의 잔향 시간(s)이다.)
또한, 음향 감쇄 계수(R)의 산출은 음원실과 수음실의 평균음압레벨차를 구하고 수음실의 흡음력을 보정하여 하기 식에 따라 산출하였다.
Figure PCTKR2019000749-appb-M000003
(단, L1은 음원실에서의 평균 음압레벨(dB), L2는 수용실에서의 평균 음압레벨(dB), S는 시료의 면적(㎡), A는 수음실의 음향 파워 흡음력(㎡)이다.)
또한, 가중음향감쇄계수는 1/3 옥타브 밴드를 측정하여 산출하였다. 100Hz에서 3,150Hz의 주파수 대역에서 측정 결과를 연결한 곡선에 대응하는 기준곡선을 1dB 단위로 이동시켜 기준곡선의 값을 하회하는 값의 총합이 32.0dB를 상회하지 않는 범위에서 기준곡선을 위로 이동시켜 500Hz에서의 기준곡선의 값을 단일 수치 평가량으로 하여 산출하였다.
시험체 4 및 5에 대한 음향감쇄계수 측정 결과는 도 2와 같다. 도 2의 결과를 살펴보면 블록의 두께가 100㎜인 경우 가중음향감쇄계수(Rw)는 38dB, 두께가 150㎜인 경우 41dB로서 우수한 차음성능을 나타내었다.
다음으로 본 발명에 따른 경량 내화 단열 블록의 내화성을 확인하기 위하여 차열성과 차염성을 시험하였다. 내화시험은 비내력 벽체를 대상으로 실시하였으며 KS F 2257-8:2015에 따라 시험을 실시하였다.
시험체는 2400×2400×100㎜의 시험체 6과 2400×2400×150㎜의 시험체 7 두 종류로 하였다. 시험체의 노 내 온도 변화는 도 3과 같으며, 시험체의 노 내 압력 변화는 도 4와 같은 조건에서 시험을 실시하였고 120분 경과 후의 평균상승온도 및 최고상승온도를 측정하였다. 또한, 측정장치는 도 5에서와 같은 위치에 9군데 설치하여 측정하였다.
차열성 및 차염성 시험결과는 표 5와 같다. 차열성 시험항목은 평균상승온도 및 최고상승온도이며 차염성은 6㎜ 및 25㎜ 균열게이지 및 화염발생유무, 면 패드 착화유무를 시험항목으로 하였다.
시험항목 시험체6 시험체7 성능기준
평균상승온도(℃) 40.3 11.5 140℃ 이하
최고상승온도(℃) 56.3 19.9 180℃ 이하
6㎜ 균열게이지 관통없음 관통없음 시험체를 관통한 경우 150㎜ 이상 수평 이동되지 않을 것
25㎜ 균열게이지 관통없음 관통없음 관통되지 않을 것
화염발생유무 없음 없음 10초 이상 지속되는 화염발생 없을 것
면패드착화유무 없음 없음 착화되지 않을 것
시험 결과 두께가 100㎜인 시험체 6과 150㎜인 시험체 7에 대하여 모두 차열성 및 차염성 성능기준을 충족하는 것을 확인하였다.
또한, 시험체 6에 대한 내화시험 전후의 사진(도 6)과 시험체 7에 대한 내화시험 전후의 사진(도 7)을 살펴보면 내화시험 전후에 있어서 비가열면에서 변화가 거의 관찰되지 않아 내화성이 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다
시험항목 경량 내화 단열 블록 ALC 블록 콘크리트 블록
내화시간(시간) >2 >2 >2
열전도율(W/mK) 0.088 0.188 0.700
압축강도(MPa) 3.0 2.9 4.0
흡수율(%) 4 16 10
밀도(㎏/㎥) 400 500 1,700
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 경량 내화 단열 블록과 시판되는 경량 기포 콘크리트 블록(ALC 블록) 및 콘크리트 블록의 성능을 비교하면 표 6과 같이 본 발명의 경량 내화 단열 블록에서 우수한 열전도율, 압축강도, 흡수율을 나타내며 낮은 밀도를 나타내어 경량 블록으로서의 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
특히 열전도율이 0.088W/mK로 열전도율이 낮은 소재인 ALC 블록에 비해서도 현저히 낮은 열전도율을 나타내어 내화성에 장점을 나타내고 있다. 이는 본 발명의 경량 내화 단열 블록을 방화문이나 방화구획에 설치함으로써 화재시 안전성을 확보할 수 있는 우수한 건축 자재로 활용할 수 있음을 시사하는 결과이다.
상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 발포 폴리스티렌 비드, 흄드 실리카, 계면활성제 및 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 제1 혼합물에 시멘트를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 제2 혼합물을 형틀에 주입하고 양생하여 블록을 제조하는 단계;
    양생된 블록을 형틀에서 분리하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 내화 단열 블록의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 흄드 실리카는 제2 혼합물에 대하여 0.5 내지 3 중량%의 범위에서 함유되는 것을 특징으로 하는 경량 내화 단열 블록의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발포 폴리스티렌 비드는 제2 혼합물에 대하여 70 내지 80 부피%의 범위에서 함유되는 것을 특징으로 하는 경량 내화 단열 블록의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 계면활성제는 친수성기의 함량이 소수성기의 함량에 비해 2배 몰 이상인 양쪽성 계면활성제인 것을 특징으로 하는 경량 내화 단열 블록의 제조방법.
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