KR101257834B1 - 소수성 실리콘 수지와 결합된 건축 재료 - Google Patents

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Abstract

증강된 수분 불침투성을 가진 무기 매트릭스 건축 재료는, 무기 경화성 매트릭스, 및 상기 무기 경화성 매트릭스 내에 실질적으로 균일하게 혼입된 하나 이상의 입자상 소수성 실리콘 수지를 경화시킴으로써 제조되고, 상기 소수성 실리콘 수지는 TD 수지, MQ 수지, MT 수지, MQT 수지 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 어느 특별한 경우에, 상기 하나 이상의 소수성 실리콘 수지는 TD 수지이다. 상기 경화 공정은 상승된 온도에서, 선택적으로는 상승된 압력 하에 수행된다.

Description

소수성 실리콘 수지와 결합된 건축 재료 {BUILDING MATERIALS INCORPORATED WITH HYDROPHOBIC SILICONE RESIN(S)}
본 발명은 고체 입자상 소수성 실리콘 수지(들)가 균일하게 혼입되어 있는 압열 처리된(autoclaved) 무기 건축 재료 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
인공 석재, 콘크리트 블록 및 섬유 보강 콘크리트 보드를 포함하는 통상적 무기 매트릭스 건축 재료는, 일반적으로 건축 재료 내로 통과하는 수분 흡수와 관련되는 것으로 알려져 있는 풍해(efflorescence) 및 동결과 해동의 손상을 받을 수 있다. 예를 들면, 천연 투과성 석재 기판 내로의 수분 침투는 이러한 재료를 팽창시키고, 균열을 일으켜, 궁극적으로 건축 재료의 구조를 열화시킬 수 있다. 수분은 또한 미생물 침투 및 공격을 크게 유도하여, 종종 보기 흉한 변색을 초래하기도 한다. 무기 바인더를 기재로 하는 석조 재료는 동결/해동 조건으로 인해 동일한 형태의 분해를 일으켜, 부서짐(spalling)과 균열(cracking)로 알려져 있는 현상을 초래할 수 있다.
따라서, 수분 흡수에 대한 재료의 감수성은 종종 물에 의한 손상에 대한 낮은 저항성, 고도의 수분 침투, 고도의 수분 이동, 및/또는 동결 해동에 대한 낮은 내성으로 나타난다. 건축 재료 내로의 수분 흡수를 방지하거나 감소시키는 것이 기술 분야의 중요사항이었다.
해당 기술 분야에서는, 소수성을 부여하기 위해 건축 재료의 표면에 소수화제(hydrophbing agent)를 적용하는 방법이 알려져 있고, 여기서 소수화제는 종종 용액, 에멀젼, 또는 분산액으로서 전달되고, 코팅 또는 밀봉제(sealer)로서 표면에 적용된다. 용매 또는 액상은 물 또는 유기 액체 또는 그의 혼합물일 수 있다. 환경적 관점에서, VOC 방출을 피하기 위한 용매 또는 연속상으로서 물이 바람직하다.
암석, 콘크리트 블록, 벽돌, 등과 같은 석조 작업에 있어서, 물은 구조체의 면으로부터 수평 방향 뿐 아니라, 인접한 모르타르와 암석, 벽돌 등으로부터 수직 방향으로 이동한다. 따라서, 건설 후에 표면을 소수화하는 것은 외측 표면으로부터 물의 유입을 제한할 뿐이다. 수직 방향으로 이동하는 물은 여전히 석조 재품에 유입되어 풍해 및 동결/해동 손상을 일으킬 수 있다. 그러나, 건축 재료의 모든 측면이 건설 이전에 소수화된다면, 소수화 코팅이 모르타르의 접착, 또는 후속되는 회반죽(plaster), 초벌 칠(render), 치장 벽토(stucco) 등의 적용을 방지할 수 있다.
미국 특허 제4,076,868호(발명자: Roth et al.)에는, 건축 재료를 세정하고 소수화하는 방법이 개시되어 있다. 그 방법은 건축 재료의 표면에 충전재가 혼합되어 있는 소수화제의 용액을 도포하고, 용매를 증발시킨 후, 충전재 잔사를 제거하는 단계를 포함한다.
미국 특허 제5,063,087호(발명자: Eck et al.)에는, 유기기를 함유하는 폴리머 물질을 알칼리 토금속 탄산염을 가진 표면에 보다 양호하게 접착시키는 방법으로서, 인 함유 오르가노실리콘 화합물의 용액을 알칼리 금속 탄산염을 함유하는 표면에 도포하고, 용매를 제거한 다음, 처리된 표면에 유기기를 함유하는 폴리머 물질을 도포하는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있다.
미국 특허 제4,600,657호(발명자: Wegehaupt et al.)에는, 아스팔트 콘크리트를 코팅하는 방법이 개시되어 있다. 그 방법은 디오르가노폴리실록산을 함유하는 가교결합 가능한 조성물 및 디오르가노폴리실록산의 존재 하에서, 모노머의 자유 라디칼 공중합으로부터 얻어지는 봉상의 스티렌-n-부틸 아크릴레이트 코폴리머를 도포하고, 그 후 디오르가노폴리실록산 조성물을 가교결합시켜 아스팔트 콘크리트 상에 탄성 코팅을 형성하는 단계를 포함한다.
그러나, 전술한 소수화 표면 코팅 조성물 또는 표면을 소수성이 되도록 만드는 공정은 용도가 제한되었다. 이러한 조성물 및 공정에 있어서, 소수화 표면 코팅 또는 밀봉제(sealer)를 도포하기 전에, 베이스 코팅으로서 프라이머가 종종 필요하다. 또한, 프라이머 또는 베이스 코팅이 표면에 피복되기 전에도, 그 표면은 물이나 산 증기(acid vapor) 또는 샌드블라스팅에 의한 번잡한 전처리를 거쳐야 한다. 이것은 특히 건축 재료가 대기에 상당한 시간 동안 노출되어, 먼지나 폐 가스에 의해 오염되어 있을 때 그러하다. 건축 재료를 소수화하는 전술한 모든 방법은 또한, 준비와 적용하는 방법이 복잡하다는 문제를 가지며, 일반적으로 장시간 노출되고 나면 변색된다. 소수성의 정도도 시간 경과에 따라 저하될 수 있다. 따라서, 전처리 단계는 베이스 코팅 적용과 함께 불가피하게 이러한 소수화 표면 코팅을 이용하는 것이 더욱 시간 소모적이고, 더욱 노동 집약적이며, 비용 효과가 훨씬 떨어지는 것이 되도록 한다.
보다 최근에, 건축 재료의 외측 표면을 소수화하기 위해, 오르가노폴리실록산, 실란 및 이것들의 조합의 에멀젼이 사용되었다. 그러한 예로는, 수성 에멀젼으로부터 건축 재료 상에 코팅될 수 있는 자체 분산형 오르가노폴리실록산이 개시되어 있는 미국 특허 제5,661,196호(Mayer et al.); 알킬알콕시실란 또는 알콕시기 함유 오르가노폴리실록산과 염기성 질소 함유 오르가노폴리실록산의 스티프 크림(stiff cream)이 개시되어 있는 미국 특허 제5,962,585호(Mayer et al.), 여기서 스티프 크림은 유화제의 사용을 통해 안정화된 수성 크림임; 오르가노폴리실록산 함유 축합가능한 기, 분지형 알콕시실란, 및 염기성 질소를 함유하는 오르가노실리콘 화합물의 수성 분산액이 개시되어 있는 미국 특허 제5,985,994호(Oberneder et al.); 알콕시기를 함유하는 알콕시실란 또는 분지형 오르가노폴리실록산과 아미노알킬기를 함유하는 실란 또는 분지형 오르가노실록산의 유화제-안정화형 수성 에멀젼이 개시되어 있는 미국 특허 제6,294,609호(Hager, et al.); 및 알콕시실란 또는 알콕시-작용성 오르가노폴리실록산과 유기 용매를 함유하는 유화제-안정화형 수성 크림이 개시되어 있는 미국 특허 제6,492,459호(Hager, et al.)를 포함한다.
전술한 오르가노실리콘계 조성물은 건물 정면(facade), 옹벽(retaining wall), 터널 등과 같은 기존의 석조 작업의 소수화에 유용할 뿐 아니라, 표면을 소수화할 수 있는 것으로 입증되었다. 스티프 크림을 수반하는 적용은 노동 집약적이고, 전술한 조성물 중 일부에서 유기 용매의 존재는 VOC에 대한 오늘날의 제한을 고려할 때 부람직하지 않다. 이들 조성물은 동결-해동 손상을 감소시키되 완전히 배제하지는 못하고, 장기간 노출된 후에는 변색될 수 있다.
본 발명의 목적은, 풍해가 최소화되고, 동결/해동 사이클에 대한 내구성이 증강되며, 소수화 조성물 및 공정이 간편하고 경제적인 무기 매트릭스 건축 재료를 제공하는 것이다. 이러한 목적을 포함한 본 발명의 목적은 놀랍게도 무기 매트릭스를 기재로 하고, 원료 물질 혼합물에 하나 이상의 고체 소수성 입자상 실리콘 수지가 혼입되어 있으며, 그 혼합물이 압열 처리되어 균일한 소수성을 가지면서도 표준 모르타르 등과 건축에 사용될 수 있는 건축 재료의 용도를 통해 달성된다.
따라서, 본 발명은 하나 이상의 고체 소수성 실리콘 수지를 함유하는 원료 물질 혼합물로부터 제조되는 압열 처리된 무기 매트릭스 건축 재료에 관한 것이다. 상기 건축 재료 제품 및 그의 제조 방법은 이하에 설명되는 몇 가지 구현예와 관련하여 설명될 수 있지만, 그러한 설명에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면은, 증강된 수분 불침투성을 가진 무기 매트릭스 건축 재료에 관한 것으로, 상기 무기 매트릭스 건축 재료는 무기 경화성 매트릭스, 및 이하에서 보다 충분히 설명되는 바와 같은, 무기 경화성 매트릭스 전체에 증강된 수분 불침투성이 실현되도록 무기 경화성 매트릭스 내에 실질적으로 균일하게 혼입된 하나 이상의 소수성 실리콘 수지를 함유한다.
본 발명의 건축 제품은 이하에서 "무기 매트릭스 건축 재료"로 지칭된다. 무기 매트릭스 건축 재료는 이하에 정의되는 무기 경화성 매트릭스, 및 상기 무기 경화성 매트릭스 내에 실질적으로 균일하게 혼입된 하나 이상의 입자상 소수성 실리콘 수지를 포함한다. 얻고자 하는 최종 용도 및 외관에 따라서, 무기 경화성 매트릭스는 미세한 천연 석재(stone material), 즉 모래, 분쇄된 석회석, 분쇄된 대리석, 다양한 실리케이트 등과, 포틀랜드 시멘트, 백색 시멘트, 알루미노실리케이트 시멘트, 트래스 시멘트(trass cement), 포졸란 시멘트(pozzolanic cement), 물유리 등을 구성한다. 임의 형태의 수경 시멘트(hydraulic cement)를 함유하는 제품에서, 수분의 양은 시멘트의 양 및 원하는 제조 방법에 따라 변동될 수 있다. 따라서, 상기 제품은 용이하게 캐스팅(casting)될 수 있는 통상적 콘크리트와 유사한 압열 처리 이전의 수분 또는 유체나 준유체(semi-fluid) 조성물보다 많지 않은 시멘트질 조성을 포함할 수 있다. 수분이 적은 제조물에 있어서, 수경 시멘트가 존재하는지 여부에 관계 없이, 컴팩션(compaction)에 의해 이른바 "그린 바디(green body)"가 일반적으로 형성된다. 그린 바디는 경화된 제품이 아니지만, 손상을 일으키지 않고 취급되기에 충분한 강도를 가진다. 예를 들면 건축용 암석에 있어서, 그린 바디는 흔히 두꺼운 블록으로서, 압열 경화 후, 암석형 표면을 가진 작은 블록 또는 "벽돌"을 생성하도록 쪼개어진다. 경우에 따라서, 상기 무기 경화성 매트릭스는 섬유 보강 시멘트 보드, 섬유 보강 시멘트 시트 또는 압열 공기포화형(autoclaved aerated) 콘크리트를 형성하기 위한 성분을 함유한다. 모든 경우에 있어서, 상기 제품은 상승된 온도와 압력에서 압열 처리된다.
본 발명의 무기 매트릭스 건축 재료는 본질적으로 무기물 압밀(inorganic consolidation)에 의존한다. 그 예로는, 선택적으로 자갈, 집괴 등과 같은 다른 성분 또는 충전재를 함유하는, 석회 및 실리카 샌드로부터 경화성 혼합물을 제조하는 방법으로서, 일반적으로 습한 상태에서 컴팩팅하여 원하는 형상으로 만들고, 이어서 일반적으로는 가압 스팀에 의해 상승된 압력 하에 경화시키는 방법을 들 수 있다. 그러한 제품을 통상 "인조석" 또는 "인조석 제품"으로 지칭한다. 예를 들면 블록, 큐브, 또는 볼 형상을 가지는 성형체의 초기 제조시, 특히 압열시에, 무기질 입자가 성장하여 천연 암석처럼 서로 융합된다. 다른 공정에서는, 시멘트질 접착제가 첨가되고, 궁극적으로 고강도의 고체 형상으로 경화된다. 본 발명은, 예를 들면, 경화성 폴리에스테르, 경화성 폴리우레판 시스템 등의 첨가와 같은 실질적으로 폴리어의 이용을 통해 결합되는 무기질 건축 제품과는 구별된다. 그러한 제품에 있어서는, 일어나더라도 매우 적은 무기질 결합이 일어나고, 상기 제품들은 일반적으로, 본 발명이 초점을 두는 모든 제품 및 공정의 특징인 압열을 견디지 못한다.
상기 소수성 실리콘 수지는, 바람직하게는 인조석 제품 내에 임의의 2개의 동일 체적 영역 사이에 20% 이하의 차이, 보다 바람직하게는 10%의 차이가 있도록 매트릭스 전체에 걸쳐 균일하게 분산되는 것이 바람직하다. 상기 균일성은 실질적으로 상이한 외관의 영역이 검출되지 않도록 육안 검사에 의해 테스트될 수 있고, 또한 절단 표면 상의 여러 위치에 물 방울을 떨어트리고, 물의 흡수 정도를 측정함으로써 테스트될 수도 있다. 일반적으로, 테스트 면적의 최소 크기는 면적의 균일성을 측정할 경우에는 약 1cm×1cm이고, 체적 균일성을 측정할 경우에는 1cm×1cm×1cm이다.
이러한 제품과 그의 제조 방법에 공통적인 점은, 이 제조 방법이 사용될 때, 하나 이상의 입자상 소수성 실리콘 수지가 원료 물질 혼합물에 첨가되고 압열 처리 전, 그리고 그린 바디가 제조되기 전에 균일하게 분배된다는 것이다. 따라서, 소수성 실리콘 수지는 제품 전체에 균일하게 분포된다. 또한, 이러한 제품및 공정에 공통적인 것은, 일반적으로 습한 조건에서, 예를 들면 압력 하의 스팀에 의한 고온 경화이다.
따라서, 본 발명은 높은 소수성 또는 수분 불침투성을 가진 무기 건축 재료 및 그의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 무기 건축 재료는 무기 경화성 매트릭스 및 높은 소수성이 상기 무기 경화성 매트릭스 전체에 실현되도록 실질적으로 균일하게 상기 무기 경화성 매트릭스 내에 혼입되는 하나 이상의 입자상 소수성 실리콘 수지를 함유한다.
놀랍게도, 본 발명의 소수화 공정은 고체 입자상 형태의 소수성 실리콘 수지를 무기 경화성 매트릭스 내에 혼입함으로써, 제조비를 현저히 감소시키고, 여러 가지 후처리 단계의 필요성을 배제하며, 휘발성 유기 화학물질의 방출을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 소수성 실리콘 수지는 고체 형태로 무기 경화성 매트릭스에 제공되므로, 실리콘 수지는 알칼리성 매체 및/또는 알칼리성 온도에 관해 덜 민감하고 더욱 안정할 수 있다. 또한 놀랍게도, 상기 소수성 실리콘 수지를 소량만 사용해도 매우 완벽한 소수화가 달성될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
기술 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 실리콘 화학에서 "수지"라는 용어는 다른 폴리머 기술에서 사용되는 동일한 용어와 상이한 문맥을 가진다. 오르가노폴리실록산 및 대부분의 실록산 단위가 2-작용성 물질인 특히 폴리디메틸실록산과 같은 통상적 Si-O-Si 함유 물질과 직접 대조하면, 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따라 사용되는 실리콘 수지는 실질적으로 물에 불용성이지만, 일반적으로 톨루엔과 같은 용매 중에는 용해성인, 일반적으로 고체이고, 고도로 분지되고 가교된 폴리머이다. 본 발명에 있어서, 소수성 실리콘 수지는 고체이지만, 고체 입자상 형태로 사용될 수도 있고, 선택적으로는 덜 바람직하지만, 수중 분산액으로서 사용될 수 있고, 선택적으로는 적은 양의 분산 조제와 함께, 예를 들면, 계면활성제, 부분적으로 수-습윤성 실리카와 같은 무기 분산제, 또는 공-액체(co-liquid) 연속상 성분, 특히 알코올, 케톤 및 에스테르와 같은 소량의 수 혼화성 유기 용매를 포함할 수 있다. 소수성 실리콘 수지는 주변 온도에서는 고체이고, 일반적으로 물에 불용성이다. 그러나, 이것들이 초래하는 VOC 방출로 인해, 그러한 공-액체 상 성분들은 바람직하지 않다. 수지와 관련하여 사용되는 "고체"라는 용어는 "준고체", 다시 말하면 매우 고도로 점성인 액체 또는 검이라고 기재될 수 있는 수지를 포함한다.
본 발명의 소수성 실리콘 수지는 일반식 MnDoTpQq를 가지며, 식에서 M, D, T, 및 Q는 그 분야에서 인지되는 의미를 가지며, 소수성 실리콘 수지를 제조하는 데 사용되는 출발 실란을 반영한다. 이들 실란 출발 물질은, 수지 제조의 특별한 방법에 따라, 일반적으로 클로로실란 또는 알콕시실란이다. M, D, T, 및 Q 실란의 예는, 각각, R3SiX (M), R2SiX2 (D), RSiX3 (T), 및 SiX4 (Q)이고, 여기서 X는 가수분해가능한 기, 일반적으로 클로로, 메톡시, 또는 에톡시기이고, R은 탄화수소기, 바람직하게는 C1-20 탄화수소기로서, 예를 들면, 알킬, 알케닐, 시클로알킬, 시클로알케닐, 아릴, 알카릴, 아릴알킬, 등일 수 있다. 상기 탄화수소기는, 예를 들면, 클로로기 또는 시아노기에 의해 치환될 수 있고, 2개 이상의 탄소 원자를 함유하는 R기의 경우에는, 탄화수소 사슬 내에 개재된 인접하지 않은 O 또는 N 원자를 함유할 수 있고, 그 예는 2-메톡시에틸 및 2-에톡시에틸 라디칼이다.
n. o. p. 및 q의 값은 소수성 실리콘 수지의 M, E, T, 및 Q 단위의 상대적인 양을 나타내는 상대적 수로 간주될 수 있다. 일반적으로, D 단위, 또는 2-작용성 단위의 매우 큰 비율을 가지는 것은 바람직하지 않는데, 그것은 이 단위가 일반적으로 수지의 융점을 낮추고, 수지 용융 점도를 낮추기 때문이지만, D 단위의 존재는 T 단위의 존재와 마찬가지로 바람직하다. 디메틸 D 단위에 있어서, 그 양은 바람직하게는 5중량% 미만이고, 페닐메틸 D 단위의 경우에는 29중량% 이하이다. 어느 경우에나, D 단위는, 얻어지는 소수성 실리콘 수지(들)이 유체가 되도록 만드는 양으로 존재해서는 안된다. 따라서, 적합한 수지는 MT 수지, MQ 수지, TD 수지, MQT 수지, 또는 이것들의 조합으로 표시될 수 있다. 어느 특정한 경우에, 하나 이상의 소수성 실리콘 수지는 TD 수지이지만, TD 수지는 나머지 M 단위와 Q 단위도 함유할 수 있다.
바람직한 구현예에서, 소수성 실리콘 수지는 TD 수지이다. TD 수지 네트워크의 D 단위는 소수성 실리콘 수지(들)의 총중량에 대해 바람직하게는 30중량% 이하의 양, 보다 바람직하게는 15중량% 이하, 더욱 바람직하게는 10중량% 이하, 가장 바람직하게는 0.5∼4중량%의 양으로 존재한다. 일반식 (RSiX1.5)n 및 특히 식 (RSiO1.5)n의 순수한 T 수지는 결정화인 경향이 있고, 비교적 높은 유리 전이 온도를 가지며, 따라서 취성인(brittle) 고체이다. 그러므로, 순수한 T 수지는 매트릭스 내에 균일하게 혼입되지 않는 경향이 있으며, 따라서 본 발명에서는 TD 수지와 함께 사용되지 않는 한 유용하지 않다.
바람직한 R 기는 일반적으로 알칼리성 가공 조건 및 압열 온도에서 비교적 안정한 것들이다. 이러한 이유에서, 알킬기, 바람직하게는 C1-8 알킬기, 및 페닐기가 바람직하다. 메틸기가 특히 바람직하다. 배타적으로 메틸 또는 페닐 R 기를 가진 수지는 일반적으로 각각 메틸 수지 또는 페닐 수지라 지칭되지만, 메틸 및 페닐 R 기를 모두 함유하는 수지는 메틸페닐 수지라 지칭될 수 있다. C1-20 알킬기와 같이 탄소수가 더 많은 알킬기, 시클로알킬기, 알케닐기 등도 가능하다.
앞에서 제시된 식에는 본 발명의 수지가 나타나 있지 않지만, 제조 방법에 따라서, 잔류 클로로기 및/또는 알콕시기를 일반적으로 매우 소량으로 함유할 수 있고, 일반적으로는 실리콘-결합된 수산기("실라놀기")를 함유할 수 있다. 하나 이상의 특히 바람직한 구현예에 있어서, 상기 수지는 실라놀기를 함유하지 않는다. 소수성 실리콘 수지의 총중량 중 용해된 실리콘-결합 수산기의 중량%를 기준으로, 바람직한 양은 0.001∼20.0%, 바람직하게는 0.01∼16.0%, 보다 바람직하게는 0.05∼12.0%, 더욱 바람직하게는 0.1∼5.0%이다. 실라놀기의 중량%는 O1/2H 기로 계산된다. 예를 들면, 0.55중량%의 O1/2H는 대략 1.04중량%의 OH 또는 2.75중량%의 Si-OH에 해당한다. 이러한 측정은 NMR(핵자기 공명)을 이용하여 수행될 수 있다.
적어도 또 하나의 특히 바람직한 구현예에서, 상기 수지는 알콕시기를 실제로 함유한다. 소수성 실리콘 수지의 총중량 중 알콕시기의 중량%를 기준으로, 바람직한 양은 0.1∼20.0%, 바람직하게는 0.5∼16.0%, 보다 바람직하게는 1.0∼12.0%이다. 일반적으로, 바람직한 수지는 실라놀기와 실리콘-결합 알콕시기를 모두 함유하고, 소량의 실리콘-결합 염소도 함유할 수 있다. 이러한 구현예에 있어서, 알콕시 함량은 O1/2R로 계산되는데, 여기서 R은 유기기를 나타낸다. 예를 들면, 3.2중량%의 O1/2Et는 대략 3.89중량%의 OEt 또는 6.31중량%의 Si-OEt에 해당한다. 이들 측정도 NMR을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 소수성 실리콘 수지는 실질적으로 물에 불용성이고, 일반적으로 방향족, 에스테르, 케톤, 및 파라핀계 탄화수소와 같은 유기 용매에는 가용성이다. 여기서 사용되는 용어로서 달리 언급되지 않는 한 "실질적으로 물에 불용성이다"라고 함은
평형 상태에서 얻어지는 물과의 혼합물의 총중량 기준으로 소수성 실리콘 수지의 최대 증량%가 바람직한 순서로, 10중량% 이하, 8중량% 이하, 6중량% 이하, 4중량% 이하, 2중량% 이하, 또는 0.5중량% 이하인, 소수성 실리콘 수지의 소수성의 정도를 의미한다. 특정한 경우에, 상기 최대 중량%는 2중량% 이하이고, 다른 특정한 경우에는 0.5중량% 이하이다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 소수성 실리콘 수지는 일반적으로 작인 입자, 바람직하게는 미세 분말 형태로 사용된다. 하나 이상의 구현예에서, 소수성 실리콘 수지는 입자의 50% 이상이 100㎛ 이하의 평균 입경을 가지고, 바람직하게는 입자의 약 90% 이상이 100㎛ 이하의 평균 입경을 가진 입자상 형태로 존재한다. 소수성 실리콘 수지는 무기 경화성 매트릭스 내에 직접 분산되어 혼입되고, 특정한 경우에는 알칼리성 혼합 공정을 통해 다양한 무기 성분들과의 혼합물이다. 용이하게 균일한 혼입이 이루어지기 때문에, 상기 소수성 실리콘 수지는 무기 경화성 매트릭스와 직접 접촉하여 둘러싸이게 되므로, 최대의 소수성 효과가 실현될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 소수성 실리콘 수지는, 통상적 실리콘 과립체(granule)를 형성하기 위해 캐리어에 적용되는 에멀젼의 제조용으로 흔히 필요한 유화제 또는 계면활성제와 직접 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 소수성 실리콘 수지와 직접적인 접촉을 피하는 것이 바람직한, 이들 편의상 사용되는 계면활성제는 알칼리 금속 및 12∼18개의 탄소 원자를 가진 지방산의 암모늄염, 알카릴 설포네이트 또는 설페이트 및 장쇄(long chain) 알킬 설포네이트 또는 설페이트와 같은 음이온성 계면활성제; 및 8∼20개의 탄소 원자를 가진 장쇄 알킬기를 함유하는 4차 암모늄염과 같은 양이온성 게면활성제를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 구현예에 따르면, 상기 하나 이상의 소수성 실리콘 수지는 미세 분말 형태 또는 분리된 입자상 형태로 무기 경화성 매트릭스 내에 분산된다. 이러한 형태는, 종종 입자 바인더와 결합되는 복수 개의 실리콘 수지 입자의 응집(agglomeration)으로부터 얻어지는 통상적 과립 형태와는 완전히 상이하다. 미세 분말 형태 또는 입자상 형태로 되어 있는 상기 하나 이상의 소수성 실리콘 수지를 무기 경화성 매트릭스 내에 직접 분산함으로써, 본 발명의 무기 건축 재료는 무기 경화성 매트릭스를 가로질러 소수성 실리콘 수지의 실질적으로 균일한 분배를 달성함으로써 과립체를 이용하는 방법과 구별된다.
무기 건축 재료의 소수화에서의 균일성을 감소시키는 것 이외에, 과립화(granulation) 자체가 비용이 드는 공정이고, 종종 중간 단계들 사이에서 불필요하게 재료의 손실을 초래한다. 원료 물질 과립화 공정에서 실리콘 수지의 약 2∼5중량%가, 실리콘 수지가 최종 석재 제품으로 진입하기도 전에 낭비될 수 있다. 이러한 금전적 손실은 석재 제품의 4000 파운드 배치(batch)에 있어서 수백 달러에 달하게 된다. 따라서, 실리콘 수지의 과립화를 방지하고 실리콘 수지를 분말 또는 입자 형태로 직접 사용하는 것이 소수화 결과를 높여주면서도 극적인 비용 절감 이득을 가져다 준다.
통상적 실리콘 수지 제품 또는 건축 재료와 대조적으로, 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른 소수성 실리콘 수지는 바인더로 전처리되지 않는다. 통상적 실리콘 수지는 종종 실리콘 수지의 응집된 과립 형태를 형성하기 위해 복수 개의 실리콘 수지 입자에 접착하는 하나 이상의 바인더를 함유한다. 통상적 바인더는 수용성 또는 수-분산성 바인더 물질 및 수-불용성 또는 수-비분산성 바인더 물질을 포함한다. 이러한 통상적 바인더의 예로는 폴리비닐 알코올, 메틸 셀룰로스, 카르복시 메틸 셀룰로스, 폴리카르복실레이트, 폴리비닐 아세테이트, 비닐 아세테이트 에틸렌 코폴리머 및 아크릴레이트 에스테르 폴리머가 포함된다. 바인더에 의한 하나 이상의 실리콘 수지의 전처리는, 적어도 부분적으로는 많은 바인더의 접착 성질 및 막 형성 능력이 실리콘 수지의 균일한 분배를 무효화하기 쉽고, 따라서 최종적 석재 제품이 소수성이 부족하게 하기 때문에, 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따라 사용되지 않는다. 또한, 건축 재료에 존재하는 임의의 양의 접착제 상부에 바인더를 과다하게 사용하는 것은, 건축 재료를 적용하거나 사용하기 전에 건축 재료에 물이 첨가될 때 건축 재료의 수화(hydration) 공정을 방해할 수도 있다.
여기서 사용되는 실리콘 수지는 T 수지가 아님을 알아야 한다. 본 발명의 소수성 실리콘 수지는 비교적 미량의 실리콘 수지만을 사용해도, 얻어지는 건축 재료에 대해 만족스러운 소수화 효과를 전달한다는 사실이 실제로 발견되었다. 비교에 의하면, 통상적 실세스퀴옥산 또는 T 수지는 뚜렷한 소수화 효과를 가지기 위해서는 5∼10중량%와 같은 훨씬 많은 양으로 사용해야 한다. 실리콘 수지는 상대적으로 비싸기 때문에, 실세스퀴옥산을 통상적으로 다량 사용하는 것은 제한되었다. 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따라 기재되어 있는 형태 및 중량%로 하나 이상의 소수성 실리콘 수지를 사용하는 본 발명의 발견은 경제적으로 실행성이 있고 또한 기능적으로 유리하다. 또한, 소수성 실리콘 수지 함유 건축 재료에 의한 압열 경화 공정을 이용하는 것은 최종 제품의 수분 불침투성을 더 적은 재료비와 취급 용이성에 의해 협동적으로 실현시킨다.
소수성 실리콘 수지는 유르가노실리콘 화학에서 공지된 방법에 의해 제조될 수 있으며, 예를 들면 CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF SILICONES, Academic Press, by Walter Noll ⓒ 1968에 개시되어 있다. 바람직한 수지는 실라놀기 및/또는 알콕시기를 함유하는 TD 수지, 바람직하게는 독일 뮌헨 소재 Wacker Chemie AG로부터 입수가능한 소수성 실리콘 수지인 SILRES? BS 1321 및 SILRES? H44이다.
SILRES? BS 1321은 높은 반응성 및 열에 대한 향상된 내성을 가진 무용매, 메틸 실리콘 수지이다. SILRES? BS 1321은 방향족, 에스테르, 케톤, 선택된 파라핀 및 염소화 탄화수소 중에 가용성이다. 시차 주사 열량법(DSC)에 의해 측정했을 때, SILRES? BS 1321은 35∼55℃ 범위의 유리 전이 온도를 가진다. SILRES? BS 1321은 주위 온도에서 고체로 유지된다.
SILRES? H44는, 양호한 열 안정성을 가지며 고온 백열등의 소켓 시멘트용 바인더로서 사용되는 분말화 페닐메틸 폴리실록산 수지이다. SILRES? H44는 공업용 에틸 알코올, 부틸 알코올, 아세톤, 할로겐화 탄화수소, 방향족 탄화수소, 케톤, 에테르 및 에스테르 중에 용이하게 용해된다. SILRES? H44는 30℃ 이상의 유리 전이 온도를 가진다.
소수성 실리콘 수지는 바람직하게는 무기 건축 재료의 총중량의 0.001∼10중량%, 보다 바람직하게는 암석 제품의 총중량의 0.005∼8중량%의 양으로 사용되고, 바람직한 순서로 나타내면 0.01∼5중량%, 0.02∼4중량%, 및 0.03∼2중량%의 양으로 사용된다. 상기 권장 범위를 초과하는 중량%의 소수성 실리콘 수지는 섬유 보강 시멘트 제품과 같은 특정 용도에서 사용될 수 있다. 더 높은 농도의 소수성 실리콘 수지가 사용될 때에도, 얻어지는 생성물의 과도한 소수성과 관련된 문제를 고려해야 한다. 다량의 소수성 실리콘 수지의 사용으로 인해 과도하게 소수성이 되는 경우에, 얻어지는 생성물은 필요한 만큼 접착성이 아닐 수 있고, 이어지는 건설 단계가 불필요하게 어려워질 수 있다.
소수성 실리콘 수지는 하나 이상의 보조 소수화제와 함께 사용될 수 있고, 그 결과, 전술한 것보다 적은 양의 소수성 실리콘 수지가 사용될 수 있다. 보조 소수화제는 압열 조건 및 노출 조건 하에서 비-이동성(non-migratable)이어야 한다. 보조 소수화제는 또한 무기 매트릭스의 결합을 방해하지 않아야 한다. 보조 소수화제의 예는 장쇄 지방산 및 아미드 등이 포함된다.
앞에서 설명하고 이하에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 하나 이상의 구현예는, 우선 소수성 실리콘 수지를 안정화시키지 않고 무기 경화성 매트릭스 내에 소수성 실리콘 수지를 직접 혼합시킴으로써 증강된 소수성을 가지게 되는 암석 제품 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
놀랍게도, 본 발명에서 사용되는 소수화 고체 실리콘 수지는 강력한 소수화제일 뿐 아니라, 압열 처리된 제품 단면을 가로질러 균일한 특정한 정도의 소수성을 생성하는 것으로 밝혀졌다. 대조적으로, 다른 소수화제는 동일한 결과를 얻을 수 있는 것으로 나타나지 않았다. 예를 들면, 실리카와 같은 캐리어 상에 흡착된 통상적 실란 소수화제로 구성된 고체 첨가제를 사용하여 유사한 무기 매트릭스 건축 재료를 제조하고자 시도되었다. 표면 소수성이 얻고자 하는 것에 미달하고, 압열 후 생성물은 불균일한 분포를 가지는 것으로 나타나는데, 이것은 생성물의 중앙이 외부보다 더 어두운 줄무늬형 외관으로 입증된다. 마찬가지로, 통상적 소수화제이기도 한, 흡착된 폴리디메틸실록산 유체를 함유하는 고체 첨가제도 실패했다.
상기 무기 경화성 매트릭스는, 천연 암석, 셀룰로스 섬유와 같은 천연 섬유, 폴리비닐 아세테이트와 같은 합성 섬유, 클레이, 석회, 생석회(quicklime), 회분, 시멘트, 실리카 샌드와 같은 실리케이트, 비정질 실리카, 펄라이트(perlite), 버미큘라이트(vermiculite), 마이카, 벤토나이트, 카올린, 슬래그, PFA(미분화 연료 회분), 또는 이것들의 임의의 조합 중 하나 이상을 함유할 수 있다. 상기 무기 경화성 매트릭스는 혼합을 촉진시키는 조건 하에서, 선택적으로는 충분한 양의 물을, 바람직하게는 1∼30중량%의 양으로 첨가하여, 위에 열거된 2종 이상의 무기 건축 재료 성분을 조합함으로써 제공된다.
또 다른 구현예에서, 상기 무기 경화성 매트릭스는 실리카 샌드 형태, PFA(미분화 연료 회분) 및/또는 실리카의 다른 형태로 실리카를 함유한다. 실리카를 포함하는 것은 얻어지는 혼합물의 알칼리도를 감소시키는 데 도움을 주고, 형성된 생성물의 치수 안정성을 향상시킨다. 실리카의 비표면적이 특히 중요하다. 대부분의 경우에, 실리카 샌드는 볼 밀링에 의해 요구되는 분말도(fineness)까지 미분된다. 실리카 샌드는 예를 들면, 2000∼4000㎠/g 범위의 비표면적을 가진다. 볼 밀링은 더 미세한 샌드를 생성하는 것을 보조하고, 더 미세한 샌드는 가공 시간을 단축시키며, 결정화도를 증가시키고, 압축 강도를 증가시키며, 수축도를 감소시킨다.
또 다른 구현예에서, 무기 경화성 매트릭스는 열수 경화(hydrothermal curing) 반응에 요구되는 CaO(산화칼슘)를 제공하는 시멘트 및/또는 석회/생성회 또는 다른 수력학적으로 고정가능한(settable) 무기 바인더를 함유한다. 또한, 압열 공기포화형 콘크리트(AAC)를 형성하는 경우에, 생석회는 가스 형성에 필요한 열을 발생시킨다.
무기 경화성 매트릭스 내에 공기를 분산시키거나, 또는 블로잉제(blowing agent)로 기공을 생성시킬 수도 있다. 다공질 시멘트 이외에도, 경량 시멘트는 고체 또는 중공형 중 하나인 폴리머 비즈(beads), 특히 시멘트질 매트리스에 거의 끌리지 않고 따라서 크랙 전파(crack propagation) 중심으로서 작용하는 폴리머 비즈를 함유할 수 있다. 그러한 크랙 전파는 많지만 작은 마이크로크랙의 조절된 생성에 의해 생성물의 연성(ductility)을 증가시킨다.
적어도 하나의 특별한 구현예에 있어서, 무기 경화성 매트릭스는 섬유 보강 시멘트 제품 또는 그러한 부류이다. 섬유 보강 시멘트 제품을 형성하는 방법은 알려져 있고, 그 예는 미국 특허 제6,676,745호(발명자: Merkely et al.)에 기재되어 있고, 상기 특허 문헌의 내용은 전체가 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 상기 '745 특허는 사이징된(sized) 셀룰로스 섬유를 다른 성분들과 혼합하여 수성 혼합물, 슬러리 또는 페이스트를 형성하는 방법을 개시한다. 사이징된 섬유는 시멘트, 실리카, 밀도 개질제 및 기타 첨가제와 혼합된다. 이어서, 혼합물은 "그린(green)" 또는 미경화 성형 물품으로 성형되고, 선택적으로는 프레싱 또는 엠보싱 작업이 이어진다. "그린" 또는 미경화 성형 물품은 이어서 대기중 경화되거나 열(temperature) 경화된다.
모든 구현예에서, 소수성 실리콘 수지와 무기 경화성 매트릭스의 혼합물은 바람직하게는 압력 하에서 고온 경화 처리된다. 그러한 경화는 압력과 무관하게, 본 명세서에서는 "압열"이라 지칭된다. 포화된 스팀은 압력 하에서 시멘트 또는 콘크리트의 경화를 가속화할 뿐 아니라, 여러 가지 형태의 규산칼슘 수화물을 형성한다. 대조적으로, 규산칼슘 수화물(C-S-H)이 대부분 비정질이거나 빈약한 결정 구조로 되어 있는 경우의 대기중 경화 및 C-S-H의 비정질 형태는 일시적으로 물을 결합하는 더 높은 친화력을 가진다. 압열 처리된 규산칼슘 수화물은 대부분 양호하게 결정화된다. 결정화도는 원료 물질, 오토클레이브 내의 경화 조건 및 기타 인자에 의존한다. 결정화는 경화 수축을 감소시키고 화학적 공격에 대한 내성을 향상시킨다는 것이 일반적으로 인정되어 있다.
무기 매트릭스 건축 재료는 또한 컬러 안료, 통기제(aeration agent), 계면활성제, 왁스, 올레산과 같은 지방산, 트리에탄올 아민 등의 다른 첨가제, 또는 이것들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 올레산과 트리에탄올 아민이 존재하는 하나 이상의 특별한 구현예에 있어서, 올레산과 트리에탄올 아민 중 적어도 일부는 서로 반응하여 트리에탄올아민 올레이트 염을 형성하는 것으로 생각된다. 캐스팅 능력(주입성(pourability))이 요구되는 시멘트계 제품에 있어서, 통상적 가소제와 초가소제(super-plasticizer) 및 레올로지 조절 물질이 첨가될 수 있다.
적합한 왁스로는, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스, 파라핀 왁스, 폴리테트라플루오로에틸렌 왁스, 실리콘 왁스, 및 이것들의 혼합물이 포함된다. 일 구현예에서, 수성 조성물은 미국 특허 제6169,148호에 개시되어 있는 방법에 의해 제조되는 산화 폴리올레핀 왁스를 함유하는데, 상기 특허 내용 전체는 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 왁스는 음이온성 왁스 에멀젼, 비이온성 폴리에틸렌 에멀젼, 비이온성 파라핀 에멀젼, 및 음이온성 파라핀/폴리에틸렌 에멀젼과 같은 에멀젼, 또는 폴리에틸렌 분말 및 변형된 합성 왁스 분말과 같은 분말로서 제공될 수 있다. 바람직한 왁스는 음이온성 파라핀/폴리에틸렌 에멀젼이다. 왁스가 사용되지 않는 것이 바람직하다.
상기 올레산은 그 전체 또는 일부를 사슬 길이가 상이한 다른 지방산 유화제, 및 비이온성 알킬, 에틸렌옥사이드계 유화제로 치환할 수 있다고 생각된다. 음이온성 및 비이온성 유화제 중 어느 하나 또는 모두를 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 트리에탄올 아민은 그 전부 또는 일부를 디에탄올 아민, 에탄올 아민, 또는 임의의 알킬 아민, 아릴아민, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화암모늄, 또는 알칼리성 물질로 치환할 수 있다고 생각된다. 임의의 적합한 알칼리성 물질을 사용할 수 있을 것으로 예상된다.
임의의 적합한 살생물제를 사용할 수 있다고 생각된다. 적합한 살생물제 중 하나는 수용성 살생물제를 포함한다. 살생물제는 해당 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 예를 들면 욕실 샤워와 같은 젖거나 습한 환경에 대한 타일 접착제 및 결합 모르타르에서 종종 사용된다.
또 다른 구현예에 있어서, 건축 재료 혼합물은 물로 희석되고, 얻어진 희석된 혼합물은 압축되어 박층의 고체 재료로 형성된다. 전형적 압축 및 시트화 공정에서, 회전형 시브 실린더(sieve cylinder)가 박층의 고체 재료를 포집하고 이때 대부분(과량)의 물은 시브의 와이어 메쉬를 통과한다. 모든 다양한 시브 실린더의 박층은, 예를 들면 230∼400ft/분의 속도로 이동하는 펠트(felt) 상에 포집된다. 시트 두께는 자동 시스템에 의해 조절되는데, 시트 두께는 시트화 튜브 및 펠트 속도로 진행하는 희석된 혼합물의 밀도에 영향을 준다. 시트는 평탄한 상태로 유지되거나 주름져 있을 수 있다. 시트는 강도의 향상 및 동결-해동 저항의 증가를 위해서, 중첩된 상태 또는 단일 시트 프레스로 압축될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 증강된 수분 불침투성을 가진 무기 매트릭스 건축 재료의 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은, 하나 이상의 소수성 실리콘 수지와 무기 경화성 매트릭스를 혼합하여 건축 재료 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 소수성 실리콘 수지가 상기 무기 경화성 매트릭스와 실질적으로 균일하게 일체화되도록, 열 및 선택적으로는 상승된 압력 하에 상기 혼합물을 경화시키는 단계를 포함한다. 하나 이상의 구현예에 있어서, 상기 방법은 혼합 단계 이전에 2종 이상의 건축 재료 성분을 조합함으로써 무기 경화성 매트릭스를 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 혼합 공정은 바람직하게는 1.5∼12시간의 시간 내에 수행된다. 혼합 후, 무기 경화성 매트릭스는 상기 소수성 실리콘 수지(들)가 상기 무기 경화성 매트릭스 내에 혼합될 때 안정한 상태로 유지되도록 충분히 냉각된다. 혼합 공정은 선택적으로는 물을 여러 번 첨가하여 촉진되지만, 물의 총량은 무기 경화성 매트릭스의 2∼30중량% 범위이다. 물은 상기 물질 매트릭스 내에 포함된 수화물 석회 또는 생성회에 첨가된다. 혼합 단계는 첨가제를 혼합물에 혼합시키는 단계를 추가로 포함하는데, 첨가제의 예로는 컬러 안료, 통기제, 보조 소수화제, 또는 이것들의 임의의 조합이 포함된다.
일 구현예에서, 상기 소수성 실리콘 수지는 2종 이상의 건축 재료 성분들이 조합되어 무기 경화성 매트릭스를 형성하는 시간이 경과된 후에 첨가된다. 예를 들면, 실리카 샌드와 석회가 물과 함께 혼합될 때와 같이, 무기 경화성 매트릭스의 형성을 통해 상당한 양의 열이 발생될 수 있으며, 실리콘 수지는 바람직하게는 발열 반응에 의해 상승된 온도에서 알칼리성 공격을 피하기 위해 나중에 첨가된다. 물질 매트릭스가 형성되는 시간 및 그후 소수성 실리콘 수지 또는 첨가제가 첨가되는 시간은 크게 변동될 수 있으며, 예를 들면 0.1∼30분, 바람직하게는 0.5∼20분, 보다 바람직하게는 1∼15분이다. 무기 경화성 매트릭스가 형성된 후 다른 첨가제를 첨가할 수 있고, 선택적으로는 소수성 실리콘 수지의 첨가와 함께 첨가될 수 있다.
예시적인 압열 방법은 Dietz 등의 논문("Calcium Silicate Hydrate in Fiber Cement Sheets and Autoclaved Aerated Concrete(AAC); 7th International Inorganic-Bonded Wood & Fiber Composite Materials Conference; September 25-27, 2000; Sun Valley, Idaho, USA)에서 찾아볼 수 있는데, 이 논문은 그 공정의 일반적 개요를 제공하고 있으며, 그 내용 전체는 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
경화는 바람직하게는 150∼250℃, 보다 바람직하게는 190∼210℃의 온도에서 일어난다. 바람직한 구현예에서, 경화는 100∼250psi, 보다 바람직하게는 150∼200psi, 가장 바람직하게는 170∼180psi의 압력 하에 일어난다. 경화는 바람직하게는 스팀의 존재 하에서 수행된다.
일반적으로, 경화 이전에, 혼합물은 외력을 받아 소정의 형태 및/또는 형상으로 압축된다. 시멘트 불포함 및 저농도 시멘트 제조물에 있어서, 이 형상은 통상적으로 경화 이전에는 별다른 강도를 갖고 있지 않으며, 이것을 "그린 바디"라 지칭한다. 전술한 바와 같이, 특히 열, 압력 및 수분의 존재 하에서 경화되면, 강도가 큰 건축 재료가 얻어진다.
이상과 같이, 압열된 건축 제품과 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 실온 및 주위 압력에서 경화되는 무기질 건축 제품에도 일반적으로 적용된다. 이것은, 경화시 발열을 나타내는 제품, 예를 들면 상당한 양의 수경 시멘트, 석회 등을 함유하는 조성물로서, 특히 부피가 큰 상태에서 형상이 수지의 연화점 근방 또는 그보다 높은 온도에 도달할 수 있는 것에 대해서는 특히 그러하다. 소수성 실리콘 수지의 사용은 일반적으로 무기질계 건축 제품에 적용될 수 있다.
본 발명을 일반적으로 설명하였지만, 오직 예시를 목적으로 하여 제공되고, 달리 언급되지 않는 한 제한하려는 것이 아닌 특정한 실시예를 참조함으로써 본 발명을 더욱 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 풍해가 최소화되고, 동결/해동 사이클에 대한 내구성이 증강되며, 소수화 조성물 및 공정이 간편하고 경제적인 무기 매트릭스 건축 재료가 제공된다.
실시예 1 - 인조석
석회, 모래 및 물의 예비 혼합물을 제조하고, 이때 상당한 열이 방출되며, 생성물은 변동량의 규산칼슘, 및 미반응 모래 및/또는 수화된 석회를 함유한다. SILRES? BS 1321을 컬러 안료 및 충분한 양의 물과 함께 상기 석회와 모래의 예비 혼합물에 첨가하여, 상기 물질이 몰드 내에서 컴팩팅되어 취급가능한 그린 바디 블록이 제조될 수 있도록 한다. 컴팩팅하기 전에, 상기 성분들을 믹서에서 약 4∼6분간 블렌딩한다. 블록이 만들어지면, 블록을 163∼177℃의 온도와 125psi의 압력에서 약 9시간 동안 압열처리한다. 소수성 실리콘 수지의 최적 첨가는 0.05∼1.5중량% 범위에서 변동된다. 최적의 성질은 3.6lb의 실리콘 수지와 4000lb의 규산칼슘을 사용하여 달성되었다.
실시예 2 - 섬유 시멘트 보드
섬유 시멘트 슬러리, 예를 들면 셀룰로스 섬유, 비산회(fly-ash), 탄산칼슘 및 시멘트 중 하나에 원하는 양의 SILRES? BS 1321을 수중 고체 20∼23중량%의 농도로 첨가하고, 약 15분간 혼합한다. 상기 시멘트 슬러리를 고체 7중량%가 되도록 물로 희석한다. 희석된 슬러리에 음이온성 폴리머 응집 보조제 및 소포제를 가하여 섬유 시멘트 고체를 발생시킨다. 섬유 시멘트를 성형하고, 프레싱하고, 62℃의 온도와 100% 습도에서 약 8!9시간 동안 건조하여 시트 형태와 같은 성형체로 만든다. 건조한 다음, 섬유 시멘트 시트를 100∼150psi의 압력 및 148∼177℃의 온도에서 총 9시간 공안 압열 처리한다. 수지 사용량은 섬유 시멘트 제조에 의해 요구되는 물리적 성능 레벨에 따라서 0.01∼2중량% 범위에서 변동될 수 있다.
실시예 3 - 실리콘 수지로 함침된 암석 제품의 형성
무기 경화성 매트릭스를 형성하기 위해서, 모래를 컨베이어에 올려놓고 여기에 물을 가한다. 물을 추가하면서 실리카와 석회를 가한다. 상기 물질 매트릭스를 80톤 반응기에 넣고, 10시간 동안에 석회를 수화시킨다. 즉각적인 매트릭스 형성 공정은 사실상 알칼리성이 될 수 있고, 또한 상당한 양의 열이 동시에 발생될 수 있다. 이러한 알칼리성 예비 혼합 단계 후에, 소수성 실리콘 수지가 이하에 상세히 설명하는 바와 같이 첨가된다.
다음으로, 4000lb 배치에서, 실리카와 석회 혼합물을 분쇄기(grinder)에 투입하고, 혼합 용기 내로 낙하시킨다. 여러 가지 양의 소수성 실리콘 수지 SILRES? BS 1321을 각 배치에 첨가한다. 상기 혼합물을 3분간 균일하게 혼합한다. 1000톤 프레스를 사용하여 블록을 성형하고, 이어서 오토클레이브-보조의 경화 처리한다. 경화는 160psi에서 스팀에 의해 350℉의 온도에서 수행된다. 경화는 약 9시간 걸린다. 크기가 2"×2.75"×2.75"인 소수성 실리콘 수지의 다양한 로딩(loading)을 수용하는 블록 시험편을 이하에 기재되는 동결/해동 공정을 거치게 한다:
1) 시험편을 강제 통풍 오븐 내에서 수분이 제거되도록 적절한 온도에서 수일간 건조시킨다. 이 경우에, 시험편은 주말에 걸쳐 50℃로 유지된다.
2) 시험편을 오븐에서 꺼내어 실온이 되도록 하고, 1/2인치의 물이 담긴 트레이에 넣는다. 이 1/2인치 레벨을 실온에서 4.5시간 동안 유지한 다음, 트레이를 0∼-20℃에서 약 20시간 동안 냉동 챔버에 넣어 둔다.
3) 트레이를 꺼내고, 실온의 물이 담긴 해동 탱크에 4.5시간 동안 유지시킨다. 트레이 내의 물 레벨을 동결/해동 사이클 사이에 1/2인치로 유지시킨다. 해동 탱크로부터 트레이를 꺼내어 냉동기에 반송하여 20.5시간 동안 유지시킴으로써 다시 동결, 해동 사이클을 시작한다. 트레이는 해동 탱크에 완전히 침지시키지 않고 트레이의 측면이 데워질 만큼만 침지시킨다.
4) 정상 작업 주일에 있어서 최종 동결/해동 사이클이 완료된 후, 시험편을 물이 담긴 트레이로부터 꺼내고, 실온에서 와이어 래크(wire rack) 상에 68시간 동안 보관하여 균일한 건조를 촉진시킨다. 통기 건조 후, 시험편을 뻣뻣한 솔로 문질러서 이완된 재료를 제거한다.
5) 4회의 동결/해동 작업이 하나의 "사이클"을 이룬다. 하나의 사이클이 완료된 후, 1 그룹당 2개의 시험편 블록에 대해 압축 강도를 테스트하고, 이 공정을 3 사이클에 대해 계속한다. 기록된 데이터가 표 I에 수록되어 있다. 로딩은, 전체 암석 제품 4000lb당 3.6lb의 실리콘 수지, 전체 암석 제품 4000lb당 10lb의 실리콘 수지, 전체 암석 제품 4000lb당 20lb의 실리콘 수지이다.
소수성 실리콘 수지의 다양한 로딩의 시험편에 대한 압축 강도 평가
SILES?
BS 1321
로딩
초기
lb/ft2 		1
동결/해동
사이클		 2
동결/해동
사이클		 3
동결/해동
사이클
평균
lb/ft2
표준
편차
3.6lb 28300 24300 26000 33400 27900 3956
10.0lb 23800 23000 23400 21000 22467 1243
20.0lb 24700 18790 22000 18080 18950 3762
이와 같이 제조된 블록은 전반적으로 균일한 색을 가지는 것으로 나타나는데, 이는 소수성 실리콘 수지의 균일한 분포를 나타낸다. 그러나, 상기 블록은 여전히 충분한 표면 침투성을 가지므로, 상기 블록은 통상적 모르타르에 대해 접착성이 있으며, 따라서 통상적이 아닌 기술을 이용하지 않고 건축에 사용될 수 있다. 이에 비해, 실리카 상에 흡착된 이들 소수화제를 원료 물질 혼합물에 혼합함으로써 매트릭스 전체에 균일하게 분배된 실란 또는 실리콘 유체를 사용하면, 블록의 외부로부터 내부까지 현저하고 육안으로 관찰되는 변색을 가진 블록이 생성되고, 내부와 외부 사이에 소수성 및 수분 침투성에 있어서 현저한 차이를 나타낸다.
실시예 4
모래, 응집체, 포틀랜드 시멘트, 및 약 2중량%의 셀룰로스 섬유로부터 섬유 보강 콘크리트 혼합물을 형성한다. 입자 형태의 실리콘 수지 0.1중량%를 상기 혼합물 내에 건식 블렌딩한다. 충분한 물을 첨가하여 유체 혼합물을 형성하고, 약 0.8cm 두께의 시트로 캐스팅하고, 방지하여 응고시킨다. 이어서, 상기 시트를 5시간 동안 압열 처리하여 균일하게 소수성인 무기 매트릭스 시트를 제조한다.
실시예 5
실리콘 수지를 건조 성분들에 건식 블렌딩하지 않고 유체 혼합물을 형성하는 데 필요한 물의 전량 또는 일부를 고체 수지 입자의 분산액으로서 첨가하는 것 이외에는 실시예 4의 공정에 따라 실시한다.
실시예 6
경화된 생성물을 다공성이고 경량이 되도록 하기 위해 비산회를 내포하는 통상적 원료 물질 혼합물로부터 경량 시멘트 생성물을 제조한다. 건조 성분 내에 고체의 입자상 실리콘 수지 0.2중량%를 블렌딩하고, 물을 첨가하고, 균일하게 혼합하여 액상의 캐스팅 가능한 생성물을 제조한다. 경화성 혼합물을 성형된 블록 몰드에 주입하고, 응고시힌 다음, 6시간 동안 압열 처리한다. 균일하게 소수성인 경량 시멘트 블록이 얻어진다.
실시예 7
비산화의 양을 줄이거나 배제하는 것 이외에는 앞선 실시예의 공정에 따라 실시한다. 유체상 경화성 혼합물 내에 공기를 강하게 혼입시키고, 캐스팅하여 블록으로 만든다. 이어서, 블록을 5시간 동안 압열 처리하여, 다수의 공기-충전 기공을 가진 균일하게 소수성인 블록을 제조한다.
실시예, 또는 달리 명확하게 나타낸 경우를 제외하고, 반응 및/또는 사용 물질 또는 조건의 양을 나타내는, 본 명세서에서의 모든 수치적 양은 본 발명의 가장 넓은 범위를 설명하는 데 있어서 그 자체 또는 "약(about)"이라는 용어로 한정하는 것으로 이해되어야 한다. 기재된 수치적 한계 내의 실행이 일반적으로 바람직하다. 또한, 명확하게 달리 언급되지 않는 한, 퍼센트, "부(parts of)", 및 비율의 값은 중량 기준이고; "폴리머"라는 용어는 "올리고머", "코폴리머", "터폴리머", 등을 포함하고; 본 발명과 관련하여 주어진 목적에 있어서 적합하거나 바람직한 물질의 군 또는 부류의 설명은, 그 군 또는 부류의 임의의 2개 이상의 멤버의 혼합물도 동일하게 적합하거나 바람직하다는 것을 의미하고; 화학적 용어에서 구성물의 설명은 명세서에서 특정된 임의의 조합에 첨가될 때의 구성물을 의미하고, 이미 혼합된 혼합물의 구성물 중 화학적 상호작용을 반드시 제외하는 것은 아니며; 두문자어(acronym) 또는 다른 약어의 최초 정의는 본 명세서에서 후속적으로 사용되는 모든 동일한 약어에 적용되고 초기에 정의된 약어의 정상적 문법적 변형에 준용하여 적용된다.
본 발명의 구현예가 예시되고 설명되었지만, 이들 구현예가 본 발명의 모든 가능한 형태를 예시하고 설명하려는 것은 아니다. 오히려, 본 명세서에서 사용된 용어는 제한이라기 보다는 설명하는 용어이며, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화를 이룰 수 있는 것으로 이해된다.

Claims (16)

  1. 증강된 수분 불침투성(impermeability)을 가진 무기 매트릭스 건축 재료(building material)로서,
    상기 무기 매트릭스 건축 재료는
    무기 경화성 매트릭스, 및
    상기 무기 경화성 매트릭스 전체에 증강된 수분 불침투성이 실현되도록, 상기 무기 경화성 매트릭스 내에 균일하게 혼입된 하나 이상의 소수성 실리콘 수지
    를 포함하고,
    여기서 상기 소수성 실리콘 수지는 TD 수지이고;
    상기 소수성 실리콘 수지는 미세 분말 형태 또는 분리된 입자상 형태로 부터 선택되며;
    상기 소수성 실리콘 수지는 바인더로 전처리되지 않은 것이고;
    상기 건축 재료는 상기 소수성 실리콘 수지의 융점보다 높은 온도에서 압열처리되는,
    무기 매트릭스 건축 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 실리콘 수지가 하나 이상의 실라놀기, 알콕시기, 또는 이것들의 조합을 함유하는, 무기 매트릭스 건축 재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무기 경화성 매트릭스가, 섬유-보강 시멘트 보드, 섬유-보강 시멘트 시트, 또는 압열 공기포화형(autoclaved aerated) 콘크리트를 형성하기 위한 성분을 함유하는, 무기 매트릭스 건축 재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 실리콘 수지가, 상기 건축 재료의 총중량의 0.1∼2중량%의 양으로 존재하는, 무기 매트릭스 건축 재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무기 경화성 매트릭스가 규산칼슘을 포함하는, 무기 매트릭스 건축 재료.
  6. 증강된 수분 불침투성을 가진 무기 매트릭스 건축 재료를 제조하는 방법으로서,
    (a) TD 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소수성 실리콘 수지를 무기 경화성 매트릭스와 혼합하여 경화성 혼합물을 형성하는 단계, 여기서 상기 소수성 실리콘 수지는 미세 분말 형태 또는 분리된 입자상 형태로 부터 선택되며; 및 상기 소수성 실리콘 수지는 바인더로 전처리되지 않은 것임;
    (b) 상기 경화성 혼합물을 성형체(shaped body)로 변형시키는 단계; 및
    (c) 상기 경화성 혼합물을 경화시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 경화 단계는 오토클레이브에서 수행됨으로써, 상기 성형체가 열 및 상승된 압력 하에서 압열 처리되어 균일하게 소수성인 건축 재료 제품을 형성하며,
    여기서 상기 건축 재료는 상기 소수성 실리콘 수지의 융점보다 높은 온도에서 압열처리되는,
    무기 매트릭스 건축 재료의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계(a) 이전에, (d) 상기 무기 경화성 매트릭스를 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 무기 경화성 매트릭스는, 상기 소수성 실리콘 수지가 상기 무기 경화성 매트릭스에 혼합되었을 때 안정한 상태로 유지되도록, 냉각되는, 무기 매트릭스 건축 재료의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 무기 경화성 매트릭스가, 섬유-보강 시멘트 보드, 섬유-보강 시멘트 시트, 또는 압열 공기포화형 콘크리트를 형성하기 위한 성분을 함유하는, 무기 매트릭스 건축 재료의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 무기 경화성 매트릭스가 규산칼슘을 포함하는, 무기 매트릭스 건축 재료의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 혼합물을 형성하는 단계가, 컬러 안료, 통기제(aerating agent), 실리콘 수지를 제외한 보조 소수화제, 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제를 혼합하는 단계를 추가로 포함하는, 무기 매트릭스 건축 재료의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 성형체가 그린 바디(green body)인, 무기 매트릭스 건축 재료의 제조 방법.
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