KR101896900B1 - 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널 및 그 제조방법 - Google Patents

플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널에 있어, 플라이애쉬 40~50 중량%, 탄산나트륨 1~5 중량%, 칼슘화합물 5~10 중량%, 팽창암석 30~40 중량% 및 벤토나이트 1~5 중량%를 포함한다. 이에 따라, 플라이애쉬와, 탄산나트륨, 칼슘화합물, 팽창암석 및 벤토나이트를 특정 배합비로 혼합하여 불연성이면서 압축강도 및 단열성능이 강화된 경량 단열패널을 제공한다.

Description

플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널 및 그 제조방법{INSULATING PANEL USING FLY ASH AND EXPANDED ROCKS, AND PRODUCING METHOD THEREOF}
본 발명은 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 건설재료인 구조용 콘크리트는 단열성능이 낮아 추가적으로 단열패널 등의 설치가 필요하다. 재료의 가격, 경량화 및 단열 성능을 위해 주로 유기 단열 소재를 이용하여 단열패널이 제작된다.
유기 단열 소재로 만들어진 기존의 단열패널은 재료 단가가 싸고 경제적이지만, 불에 잘 타고 화재 발생시 다량의 유독가스가 배출되는 등 화재에 취약하다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 불연성 무기 단열패널이 주로 사용된다. 그러나, 불연성 무기 단열패널은 인공경량골재나 발포제를 이용하여 내부에 공극을 형성시켜 단열효과를 보이는 원리지만, 이 방식은 단열 패널의 강도를 크게 감소시키는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 불연성이면서 압축강도 및 단열성능이 강화된 경량 단열패널을 제공하기 위한 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널에 있어, 플라이애쉬 40~50 중량%, 탄산나트륨 1~5 중량%, 칼슘화합물 5~10 중량%, 팽창암석 30~40 중량% 및 벤토나이트 1~5 중량%를 포함하는 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널에 의해 달성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따라, 플라이애쉬, 탄산나트륨, 칼슘화합물, 팽창암석 및 벤토나이트를 특정 배합비로 혼합하여 불연성이면서 압축강도 및 단열성능이 강화된 경량 단열패널을 제공한다.
상기 팽창암석은 팽창질석과 팽창진주암 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 플라이애쉬를 사용하여 단열패널을 제작함에 있어 팽창질석 및 팽창진주암을 첨가하여 단열 및 흡음 성능을 개선한다.
상기 칼슘화합물은 생석회(CaO), 염화칼슘(CaCl2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 플라이애쉬를 사용하여 단열패널을 제작함에 있어, 생석회, 염화칼슘 및 수산화칼슘을 혼합하여 압축강도를 강화시킨다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널의 제조방법에 있어, 플라이애쉬 40~50 중량%, 탄산나트륨 1~5 중량%, 칼슘화합물 5~10 중량%, 팽창암석 30~40 중량% 및 벤토나이트 1~5 중량%를 혼합하여 플라이애쉬 혼합물을 만드는 단계와; 플라이애쉬 혼합물을 패널 형태로 성형하는 단계와; 성형된 플라이애쉬 혼합물을 1일 내지 3일 동안 60°C 내지 90°C 온도에서 양생하는 단계를 포함하는 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널의 제조방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따라, 플라이애쉬와 칼슘화합물 및 팽창암석을 특정 배합비로 혼합하여 성형한 후 중저온에서 일정 시간 동안 양생함에 의해 불연성이면서 압축강도 및 단열성능이 강화된 경량 단열패널을 제공하게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 플라이애쉬와 팽창암석을 사용하여 불연성이면서 압축강도 및 단열성능이 강화된 경량 단열패널을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 단열패널의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라이애쉬를 이용한 단열패널의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 단열패널의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단열패널(1)은 플라이애쉬, 탄산나트륨, 칼슘화합물, 팽창암석 및 벤토나이트가 적정 비율로 포함된 구성을 가진다. 본 발명의 단열패널(1)은 기존의 단열패널보다 얇은 두께를 가지는 형태로 제작된다. 예로서, 단열패널(1)은 폭(w) 600mm, 높이(h) 2400~3300mm, 두께(t) 50~75mm인 직육면체의 패널 형태로 제작될 수 있다. 이 때, 단열패널(1)의 중량을 줄이면서도 압축강도를 유지할 수 있도록, 단열패널(1)의 내부에 지름(d) 25mm인 타원형태의 홀을 소정 개수 이상 포함하도록 제작될 수 있다.
단열패널(1)은 플라이애쉬 40~50 중량%, 탄산나트륨 1~5 중량%, 칼슘화합물 5~10 중량%, 팽창암석 30~40 중량% 및 벤토나이트 1~5 중량%를 포함한다. 단열패널(1)은 플라이애쉬, 탄산나트륨, 칼슘화합물, 팽창암석 및 벤토나이트 1~5 중량%를 상기와 같은 비율로 배합하여 제작함에 의해 목표하는 압축강도 및 단열성능이 발현되도록 한다.
플라이애쉬는 적절한 활성화제와 함께 사용 시 일반 콘크리트 이상의 강도를 가지는 특성을 가진다. 플라이애쉬의 함량이 40~50% 범위에 해당할 경우 목표하는 압축강도가 발현될 수 있고, 40~50% 범위를 벗어나는 경우 흡음 및 단열성능이 낮아지거나 압축강도가 낮아져 부적합한 것으로 확인되었다. 이에, 단열패널(1)의 전체 중량 중 플라이애쉬 40~50%를 포함하도록 하여, 10Mpa 이상의 압축강도가 발현되도록 한다.
칼슘화합물은 생석회(CaO), 염화칼슘(CaCl2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 중 적어도 하나를 포함하고, 활성화제로 사용되어 단열패널(1)의 압축강도를 높이는 역할을 한다. 특히, 생석회(CaO), 염화칼슘(CaCl2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 모두 포함하는 경우 압축강도가 증가하였다. 생석회(CaO), 염화칼슘(CaCl2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 포함하는 칼슘화합물을 5~10% 첨가하는 경우 5% 미만 첨가하는 경우에 비해 압축강도가 크게 증가하였다. 그러나, 칼슘화합물을 10% 초과하여 첨가하는 경우 압축강도가 오히려 감소하므로 내구성을 보장하지 못하는 것으로 확인되었다. 이에, 단열패널(1)의 전체 중량 중 칼슘화합물 5~10% 를 포함하도록 하여, 10Mpa 이상의 압축강도가 발현되도록 한다.
팽창암석은 팽창질석 및 팽창진주암 중 적어도 하나를 포함하고, 열에 의해 소성 팽창되어 비중이 낮고, 흡음 및 단열 특성을 가진다. 팽창암석의 함량이 높을수록 단열 성능을 나타내는 열관류 저항값과 흡음 성능을 나타내는 흡음계수(NRC)가 커지고, 함량이 낮을수록 열관류 저항값 및 흡음계수가 작아진다. 그러나, 팽창암석을 40% 초과하여 사용하는 경우 압축강도가 낮아지는 문제가 있는 것으로 확인되었다. 또한, 팽창암석을 30% 미만 사용하는 경우 또한, 목표하는 흡음 및 단열성능을 보장하지 못하는 것으로 확인되었다. 이에, 단열패널(1)의 전체 중량 중 팽창암석 30~40% 를 포함하도록 하여, 단열 성능을 측정하는 열관류저항이 0.35 m2K/W 이상, 흡음성능을 측정하는 흡음계수(NRC)가 0.7 이상이 되도록 하고, 10Mpa 이상의 압축강도가 발현되도록 한다.
이후에서, 단열패널(1)을 구성하는 각각의 성분들의 특징과, 압축강도 및 단열 성능을 평가하기 위한 평가 항목을 구체적으로 설명하도록 한다.
플라이애쉬는 석탄발전소에서 석탄을 태운 후 발생하는 산업부산물이다. 플라이애쉬는 기존 단열재에 사용되는 포틀랜트 시멘트와 비교하여 탄소배출량이 1/10 이하 수준이다. 플라이애쉬는 SiO2 , Al2O3 , Fe2O3 , CaO, K2O, MgO, TiO2 , Na2O, SO3 및 P2O5 의 성분 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
아래의 표 1은, 본 발명의 일실시예에 의한 플라이애쉬의 조성예로서, XRF(X-ray fluorescence) 분석에 의한 결과를 보여준다. 플라이애쉬의 조성은 표 1의 예에 한정되지 않고, 표 1에 기재된 성분 중 적어도 하나의 성분을 이용하여 다양한 함량으로 구성될 수 있다. 또한, 플라이애쉬는 표 1에 기재된 성분 외에 MnO, BaO, Tb4O7, SrO 및 ZrO2 등 중 적어도 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다.
플라이애시의 화학 조성
Oxide SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O MgO TiO2 Na2O SO3 P2O5
Weight (%) 55~58 21~25 6.5~8.5 4.5~5.5 1.5~1.9 1.3~1.7 1.2~1.6 0.7~1.1 0.7~1.1 0.5~0.7
플라이애쉬는 낮은 비중과 불연성 성질을 가진다. 또한, 플라이애쉬는 적절한 활성화제를 사용 시 일반 콘크리트와 유사한 강도를 발현하므로, 기존의 단열패널에 비해 고강도의 성질을 구현할 수 있다.
단열패널(1)은 플라이애쉬의 경화를 위해 첨가하는 활성화제로서 칼슘화합물을 사용한다. 칼슘화합물은 생석회(CaO), 염화칼슘(CaCl2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 칼슘화합물은 NaOH, Sodium Silicate 등과 같은 알칼리 계열의 활성화제에 비해 pH가 낮아 사용에 안전하고, 분말 형태여서 제조가 용이하며 경제적이다.
활성화제로서 생석회, 염화칼슘 및 수산화칼슘을 함께 사용하는 경우 탄산칼슘만을 사용하는 경우와 비교하여 단열패널(1)의 강도를 더욱 높일 수 있다.
단열패널(1)은 단열 및 흡음성능 등을 개선하기 위해 팽창암석을 더 포함한다. 팽창암석은 팽창질석 및 팽창진주암 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
팽창질석(expanded vermiculite)은 일반적으로 금운모 혹은 흑운모의 변질산물인 질석(vermiculite )을 입경 1mm 이하로 파쇄한 후 소성 팽창시킨 단열용 인공 경량 골재이다. 질석을 열처리하여 팽창시키면 열처리의 조건과 원료의 성질에 따라 6~20배 정도로 팽창된다. 이와 같이 열에 의해 소성 팽창된 팽창질석은 비중이 0.12 내지 0.2로 경량이고, 흡음, 내화 및 단열 특성을 가진다.
팽창진주암(expanded perlite)은 투명한 옅은 회색 또는 검정색의 펄라이트를 열처리하여 4~20배 정도로 팽창시킨 것으로, 흰색 또는 회색빛을 띠는 단열용 경량 골재이다. 팽창진주암은 팽창질석과 마찬가지로, 흡음, 내화 및 단열 특성을 가진다.
바람직하게는, 단열패널(1)은 전체 중량 대비 팽창질석 및 팽창진주암을 30~40 중량%를 포함하도록 한다. 이에 의해 본 발명의 단열패널(1)의 흡음 및 단열 성능을 강화시키게 된다.
또한, 단열패널(1)은 점력 보강을 위한 벤토나이트 1~5 중량%을 포함하고, 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
단열패널(1)의 압축강도와, 흡음 및 단열성능 등을 평가하기 위해 아래의 표 2와 같은 평가항목 및 목표치를 사용하였다.
단열패널의 주요 평가항목 및 목표치
평가항목 단위 목표치 평가방법
열관류 저항 m2K/W 0.35 이상 열전도율 측정
NRC(흡음성능) - 0.7 이상 임피던스관에 의한 흡음계수 측정
압축강도 MPa 10 이상
절건밀도 g/cm3 1.2 이하
흡수율 % 20 이하 침수후 절건질량 측정
단열 성능을 평가하기 위해, 열관류 저항 대신 실험실 수준에서 측정 가능한 열전도율로 대신 측정하였다. 측정 결과, 본 발명의 단열패널(1)은 목표치 이상의 열전도율을 보여줌에 의해 우수한 단열 성능이 확인되었다.
흡음 성능을 평가하기 위해, 임피던스관을 이용하여 여러 주파수대역에 따른 흡음률을 3회 측정하여 평균값을 계산한 흡음계수(NRC)를 사용하였다. 측정 결과, 본 발명의 단열패널(1)은 목표치 이상의 흡음계수가 산출됨에 의해 소리를 차단하는 효과가 우수한 것으로 확인되었다.
압축강도를 평가하기 위해, 시험기를 이용하여 일정 하중 이상의 힘을 가하여 압축강도를 측정하였고, 본 발명의 단열패널(1)은 목표치 이상의 압축강도를 보여주었다.
또한, 단열패널(1)의 절건밀도(절대건조밀도) 및 흡수율 측정 결과 또한 목표치를 만족하여, 우수한 단열 성능 및 압축강도를 확인하였다.
상기와 같이, 본 발명의 단열패널(1)은 기존에 주로 사용되는 포틀랜트 시멘트 대신 석탄발전소에서 발생되는 부산물인 플라이애쉬를 사용함에 의해, 불연성이면서 경량인 단열패널을 보다 적은 비용으로 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 단열패널(1)은 플라이애쉬와 함께 탄산나트륨, 칼슘화합물, 팽창암석 및 벤토나이트를 사용하여, 압축강도 및 단열성능을 보다 강화시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라이애쉬를 이용한 단열패널의 제조방법을 도시한 흐름도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 단계 S210에서, 플라이애쉬 40~50 중량%, 탄산나트륨 1~5 중량%, 칼슘화합물 5~10중량%, 팽창암석 30~40 중량%, 벤토나이트 1~5 중량%를 혼합하여 플라이애쉬 혼합물을 생성한다. 플라이애쉬는 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, K2O, MgO, TiO2, Na2O, SO3 및 P2O5 의 성분 중 어느 하나 이상의 성분을 포함한다. 플라이애쉬는 낮은 비중과 불연성 성질을 가진다.
칼?화합물은 플라이애쉬의 경화를 위해 첨가하는 활성화제로서 사용되고, 본 발명의 단열패널의 압축강도를 개선하는 역할을 한다. 칼슘화합물은 생석회(CaO), 염화칼슘(CaCl2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 플라이애쉬 혼합물은 칼슘화합물을 5~10 중량% 포함하도록 한다.
팽창암석은 단열패널을 제조함에 있어, 흡음 및 단열 성능을 강화시키는 역할을 한다. 팽창암석은 팽창질석과 팽창진주암 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 플라이애쉬 혼합물은 팽창질석 및 팽창진주암을 30~40 중량%를 포함하도록 한다.
다음으로, 단계 S220에서, 플라이애쉬 혼합물을 패널 형태로 성형한다. 여기서, 단계 220은, 플라이애쉬 혼합물을 압출기에 공급하고, 금형에서 외부로 연속적으로 밀어내어 패널 형태로 변환시키는 압출 성형하는 단계를 포함한다.
마지막으로, 단계 S230에서, 플라이애쉬 혼합물로 성형된 패널을 1일 내지 3일 동안 60°C 내지 90°C 온도에서 습윤 양생한다. 여기서, 단계 230은, 플라이애쉬 혼합물을 패널 형태로 성형한 후 경화 활성화 및 강도 강화를 위해 스팀 주입방식으로 습윤 양생하는 단계를 포함한다. 여기서, 플라이애쉬 혼합물의 경우 시멘트에 비해 강도 발현이 더 늦으므로, 양생 기간을 길게 하여 1일 내지 3일 정도 습윤 양생을 지속하도록 한다. 습윤 양생 시 상대습도는 99% 내외, 온도는 60°C 내지 90°C 의 조건에서 양생하도록 한다.
상기와 같이 본 발명의 단열패널의 제조시, 플라이애쉬, 탄산나트륨, 칼슘화합물, 팽창암석 및 벤토나이트를 특정 배합비로 혼합하여 성형한 후 중저온에서 일정 시간 동안 양생함에 의해 불연성이면서 압축강도 및 단열성능이 강화된 경량 단열패널을 제공하게 된다.
1: 단열패널

Claims (4)

  1. 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널에 있어,
    플라이애쉬 40~50 중량%, 탄산나트륨 1~5 중량%, 칼슘화합물 5~10 중량%, 팽창암석 30~40 중량%, 및 벤토나이트 1~5 중량%를 포함하고,
    상기 플라이애쉬 40~50 중량% 및 상기 칼슘화합물 5~10 중량%의 사용으로 소정의 압축강도를 유지하며, 상기 팽창암석 30~40 중량%의 사용으로 소정의 단열성능을 확보하는 것을 특징으로 하는 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팽창암석은 팽창질석과 팽창진주암 중 적어도 하나를 포함하는 플라이애쉬와 팽창암석을 사용하고,
    상기 소정의 압축강도는 10 Mpa 이상의 압축강도이며,
    상기 소정의 단열성능은 0.35 m2K/W 이상의 열관류 저항인 것을 특징으로 하는 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘화합물은 생석회(CaO), 염화칼슘(CaCl2) 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널.
  4. 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널의 제조방법에 있어서,
    플라이애쉬 40~50 중량%, 탄산나트륨 1~5 중량%, 칼슘화합물 5~10 중량%, 팽창암석 30~40 중량% 및 벤토나이트 1~5 중량%를 혼합하여 플라이애쉬 혼합물을 만드는 단계와;
    상기 플라이애쉬 혼합물을 패널 형태로 성형하는 단계와;
    상기 성형된 패널을 1일 내지 3일 동안 60°C 내지 90°C 온도에서 습윤양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널의 제조방법.
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