KR20100021013A - 무기질 바인더 및 이를 이용하여 제조한 불연성 무기질 보드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건축자재 또는 가구 등의 생활용품의 자재로 사용되는 판재에 관한 기술로서, 좀더 자세하게는 무기질 재료인 질석 또는 퍼라이트를 원재료로 하는 불연성 무기질 판재에 관한 것이다.

본 발명의 무기질 바인더는 규산나트륨과 실리카졸, 황산 질산 인산 그리고 붕산, 아연분말 알루미늄분말 그리고 무기색소를 순차적으로 투입하면서 교반하여 제조한다. 이와 같이 제조한 바인더를 발포질석, 퍼라이트, 또는 이들의 혼합물인 주재료와 함께 배합하여 이를 가열압착 성형하여 판재형태의 보드를 제조한다.

본 발명의 바인더는 불연성이며 내수성이 좋고, 접착강도가 높다. 그리고 이 바인더를 사용하여 제조된 보드는 불연성으로 화제에 안전하고, 강도가 우수하고, 습기에 강하여 건축용 또는 가구용 자재로 사용하기에 적합하다. 본 발명인 보드는 주원료가 다공질의 발포질석 또는 퍼라이트이므로, 이들이 가지는 고유의 기능인 흡음성, 탈취성, 단열성, 그리고 습기조절기능이 우수하고, 인체에 유익한 원적외선을 방출하고, 항균성이 우수하다.

바인더, 보드, 질석, 퍼라이트, 발포, 다공질, 불연성, 흡음성, 내수성

Description

무기질 바인더 및 이를 이용하여 제조한 불연성 무기질 보드{Inorganic Binder and Noninflammable Inorganic Board Using the Binder}

본 발명은 건축자재 또는 가구 등의 생활용품의 자재로 사용되는 판재에 관한 기술로서, 좀더 자세하게는 무기질 재료인 질석 또는 퍼라이트를 원재료로 하는 불연성 무기질 판재에 관한 것이다.

최근 안전에 대한 사람들의 관심이 증대하여, 화재에 안전한 불연성 자재의 중요성이 강조되고 있다. 그리고 건강에 대한 관심도 함께 증대하여 건강에 좋은 자재에 관한 관심 역시 증가하고 있다.

상기와 같은 관심에 부응하여, 최근에 건축자재 또는 가구 등의 생활용품의 자재로 사용할 수 있는 불연성, 기능성 광물질 자재가 많이 개발되고 있다. 이러한 광물질 자재 중 대표적인 것이 질석보드 또는 퍼라이트보드이다. 이들 광물질 보드들은 분상 또는 입상의 광물질 원재료인 질석 또는 퍼라이트를 접착제 역할을 하는 바인더(Binder)와 함께 배합하여 판재로 성형하여 제조한다.

질석(Vermiculite)은 SiO₂(40% 가량), Al₂O₃(10% 가량), K₂O(5% 가량), Fe₂O₃(10% 가량), MgO(25% 기량), 수분(10% 가량), CaO(5% 이하)과 기타 미량 성분으로 구성되어 있는데, 통상적으로 운모석이라고 부르는 광물이다.

상기 질석을 300℃ 이상의 고온으로 급격히 가열하여 발포하면, 결정격자 사이에 있던 수분이 기화하여 수증기로 변하면서 기공을 형성하여 격자층이 부풀어 올라 팽창하고, 이 수증기가 외부로 빠져나가면서 기도가 형성되어 다공질 재료가 된다. 이와 같이 발포된 발포질석은 기본적으로 무기 광물질이므로 불에 타지않는 불연성 재료이고 따라서 화재시 유독가스를 생성하지 않으며, 다공질 재료이므로 흡음성, 탈취성, 단열성, 그리고 습기조절기능이 우수하고, 인체에 유익한 원적외선과 음이온을 방출하고, 항균성이 우수한 것으로 알려져 있다.

따라서 발포질석은 판재 등으로 성형하여 건축용 자재, 전동차 및 기차의 내장재재, 전자 제품의 자재 등으로 널리 사용되며, 분말 상태로 방화용 불연성 페인트, 코팅재 및 충진재 등 다양한 용도로 사용되고 있다.

퍼라이트는 SiO₂(70% 가량), Al₂O₃(15% 가량), K₂O(5% 미만), Na₂O(5% 미만)과 기타 미량 성분으로 구성되어 있는데, 화산활동으로 생성된 진주암이라는 광물을 고온에서 발포시켜 제조한 것이며, 상기 발포질석과 그 구조와 성질 그리고 용도가 서로 유사하다. 특히 퍼라이트는 초경량 다공질의 백색 입자로서 현재 여러 산업분야에 널리 사용되고 있는데, 식물 재배용 인조토양, 경량 단열 모르타르 및 경량콘크리트 재료로도 널리 사용되고 있다.

발포질석을 이용하여 질석보드를 제조하는 방법에 관한 기술로는, 국내 공개특허공보 제2001-0102690호 질석 소성품 및 이를 이용한 질석판넬에서는 소성된 질석과 우레탄계 바인더를 혼합하여 질석판넬을 제조하는 방법을 기재하고 있고, 국내 등록실용신안공보 제20-0326283호 질석을 이용한 건축 내장재 구조에서는 팽창질석과, 붕산, 붕사, 불연성규산소다용액, 물로 이루어진 접착제를 혼합하여 질석판넬을 제조하는 방법을 기재하고 있고, 국내 공개특허공보 제10-2005-0111300호 질석보드 및 그의 제조방법에서는 질석과 실리카, 알루미나 바인더와 혼합하고 소성하여 질석보드를 제조하는 방법을 기재하고 있고, 국내 공개특허공보 제10-2006-0092175호 건축용 내장재 제조방법에서는 발포질석과 아스베스트, 로진파우더, 글리세린, 규산나트륨, 산화아연을 혼합하고 압축 성형하여 내장재를 제조하는 방법을 기재하고 있다.

상기 발명들은 모두 보드 제조에 있어서 우레탄계 바인더와 같은 유기질 바인더를 사용하여 화재시에 불에 탈 수 있고, 유독가스를 방출할 수 있다. 그리고 불연성인 무기질 바인더를 사용하는 것은 습기에 취약하고 강도가 취약하며, 바인더의 주요 성분인 규산나트륨의 영향으로 표면에 분말이 형성되는 백화현상이 발생하여 건축자재나 가구용 자재로 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

국내 등록특허 10-0556902호 액상 규산소다를 이용한 무기 바인더의 제조방법은 규산나트륨에 일정량의 산을 첨가하여 불수용성 나트륨염을 생성하여 습기와 물에 강한 무기바인더를 제조하는 방법에 대하여 기재하고 있다. 그러나 이 방법으로 제조된 바인더는 침투성이 강하여 원재료인 발포질석 등에 아주 많이 흡수되어 바인더의 소모량이 많고, 바인더가 과다하게 소모되는 만큼 제품의 무게가 무거워지며, 또한 이렇게 제조된 질석 보드 등은 기공이 모두 막혀 다공질 재료로서의 발포질석의 효과가 없어지는 문제점이 있다. 또한 이와 같은 바인더는 경화되었을 때 유리와 같이 취성이 있고, 따라서 이러한 바인더를 사용하여 질석보드 등을 만들었을 때 충격에 약하고 잘 바스라지는 문제점이 있다.

상기와 같이 건축자재 및 가구용 자재로 우수한 성질을 가진 질석보드 또는 퍼라이트보드가 실용화되지 못하는 이유는 모두 바인더가 완전하지 못함에 기인한다. 즉, 접착강도를 향상시키기 위하여 유지질 바인더를 사용하면 고유의 특성인 불연성이 없어지고, 불연성을 유지하기 위하여 무기질 바인더를 사용하면 접착장도가 낮고 충격에 약하고 특히 수분을 흡수할 경우 강도가 급격히 낮아져서 자중에 의해서도 부스러지거나 주저앉을 정도로 내수성이 취약하다.

따라서 건축자재 및 가구용 자재로 우수한 성질을 가진 질석보드 또는 퍼라이트보드를 실용화하려면, 접착강도가 강하고 인성이 있으며 내수성이 좋은 새로운 바인더가 개발되어야 한다. 그리고 이와 같은 목적의 바인더는 적당한 점성을 가져 원재료의 표면에만 부착되어 내부로 스며들지 않아 바인드의 소모를 줄이고, 다공질 재료 특유의 효과를 반감시키지 않아야 한다.

그리고 바인더 이외의 수단으로 보드의 강도를 증대시킬 수 있는 방안이 강구되어야 하고, 다양한 목적에 부합하는 형상의 보드가 개발되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 특수한 무기질 바인더를 개발하였다. 이 무기질 바인더는 규산나트륨과 실리카졸, 황산 질산 인산 그리고 붕산, 아연분말 알루미늄분말 그리고 무기색소를 순차적으로 투입하면서 교반 하여 제조한다.

상기와 같이 제조한 바인더를 발포질석, 퍼라이트, 또는 이들의 혼합물인 주재료와 함께 배합하여 이를 가열압착 성형하여 판재형태의 보드를 제조한다. 이들 보드는 통상의 판재 형태로 제조하여 건축용 내장재 또는 가구용 자재로 사용할 수 있고, 판재에 부분적으로 구멍이 형성된 하니컴 형상으로 제조하여 문, 벽체 등의 중간 삽입재로 사용할 수 있다.

그리고 바인더와 주재료를 배합할 때 섬유상의 재료인 유리솜칩, 탄소섬유칩 등의 보강재을 첨가하여 보드의 강도를 획기적으로 증대시켰다.

본 발명의 바인더는 주재료와 함께 가열 성형이 될 때 불투수성 피막을 형성하여 습기가 보드 내부로 침투하지 못하여 내수성이 좋고, 접착강도도 아주 우수하다. 따라서 이 바인더를 사용하여 제조된 보드는 강도가 우수하고 습기에 아주 강하여 건축용 또는 가구용 자재로 사용하기에 적합하다.

본 발명인 보드는 기본적으로 100% 무기질 재료로만 제조되므로 불에 타지 않는 불연성 자재이다. 따라서 화재시에 불에 타가나 유독성 가스를 발생할 염려가 전혀 없다.

본 발명인 보드는 주원료가 다공질의 발포질석 또는 퍼라이트이므로, 이들이 가지는 고유의 기능인 흡음성, 탈취성, 단열성, 그리고 습기조절기능이 우수하고, 인체에 유익한 원적외선을 방출하고, 항균성이 우수하다.

본 발명인 보드는 제조시에 보강재로서 섬유상의 재료인 유리솜칩, 탄소섬유칩 등의 보강재을 첨가하면, 보드의 강도를 획기적으로 증대된다.

본 발명인 무기질 바인더는 다음 단계를 순차적으로 수행하여 제조한다.

1) 규산나트륨과 실리카졸을 을 같은 중량비로 배합하고, 침전물이 없어질 때까지 교반한다.

규산나트륨(Na₂SiO₃)은 규산소다로도 불리는데, 산화나트륨(Na₂O)과 실리카 등으로 불리는 이산화규소(SiO₂)의 혼합물로서, 분상 또는 물(H₂O)에 용해된 액상으로 시판되고 있다. 규산나트륨은 결합비율에 따라 소디윰 메타실리카(sodium metasillica), 세스퀴 실리케이트(sesqui-sillicate), 오르소 실리케이트(ortho-sillicate) 등으로 불리우며, 현재 용도에 따라서 40여종 이상의 규산소다가 상품화되어 시판되고 있다. 특히 물유리라 불리는 액상 규산소다는 점성질의 알칼리성을 나타내는 투명한 용액으로, 한국공업규격(KSM1415)에서 정하는 액상 규산소다의 몰비는 Na2O와 SiO2에 대하여 1 : 2.064 ~ 4.300으로 여러 가지 조성을 갖는다.

실리카졸은 실리카 등으로 불리는 이산화규소(SiO₂)가 물에서 음이온의 콜로이드 상태를 이루고 있는 것으로서, 점성이 있는 액상의 물질이다. 상기와 같이 규산나트륨과 실리카졸을 배합하면, 이산화규소의 성분이 아주 많은 규산소다가 된다.

상기 규산나트륨은 액상에서 물이 증발하면 고형화되면서 접착성을 가지므로 무기접착제 또는 연약지반 강화용 그라우팅제로 많이 이용되고 있다. 그러나, 이 규산나트륨은 나트륨 이온이 공기 중의 수분 또는 물과 반응하여 수산화나트륨을 생성하면서 친수성으로 변화되므로, 수분에 의하여 강도가 급격히 약화되므로 자체로는 건축자재 등을 제조하는 바인더로 사용하기에 부적당하다.

상기한 바와 같이 규산나트륨은 그 자체로는 접착성은 좋으나 수분에 아주 취약하여 그 자체로는 건축자재 등을 제조하는 바인더로 사용하기에 부적당하여, 다음 단계에서와 같이 산을 첨가하여 물과 반응하지 않는 불용성 나트륨염을 생성하여 수분에 대하여 안정된 조성물을 생성하여야 한다.

2) 상기 규산나트륨과 실리카졸의 혼합물에 황산, 질산, 인산, 붕산, 아세트산 중의 어느 하나 또는 2 이상을 첨가하여, 침점물이 없어질 때까지 교반한다.

상기 과정에서 산의 총량은 규산나트륨과 실리카졸을 합한 중량의 5% 정도의 중량비로 하면 족하다. 그리고 통상의 용도의 질석보드 등의 제조에 사용되는 바인더의 경우 인산, 붕산, 아세트산 중의 어느 하나 또는 2 이상을 사용하고, 특히 습기가 많은 곳에 사용하는 질석보드 등의 제조에 사용되는 바인더의 경우 황산 또는 질산을 사용한다. 황산과 질산은 강산과 강염기의 더욱 안정된 염을 생성하여 습기에 더욱 강한 바인더를 생성한다. 상기 산 중에서 인산을 첨가하면 백화현상이 발생하지 않으므로, 백화현상이 문제가 되는 곳에 사용되는 제품을 제조하는 바인더는 인산을 사용하거나 다른 산과 함께 인산을 사용하는 것이 좋다.

규산나트륨 중의 산화나트륨(Na₂O)은 다음의 화학식과 같이, 산과 반응하여 물과 반응하지 않는 불수용성 나트륨염인 을 생성한다.

Na₂O + H₂SO₄-> Na₂SO₄ + H₂O

상기 화학식은 대표적인 산인 황산과 산화나트륨의 화학반응으로 불수용성 염인 황산나트륨이 생성되는 것을 보인 것이나, 여타의 산과 산화나트륨이 반응을 하여도 질산나트륨, 인산나트륨, 붕산나트륨, 아세트산나트륨 등의 불수용성 염이 생성된다.

이와 같이 생성된 불수용성 염이 실리카졸이 응집될 때 불투수성 막을 형성하여, 이것이 수분의 침투를 차단하게 되어 습기 또는 물에 강한 무기질 바인더가 된다.

3) 상기 단계의 조성물에 아연분말, 알루미늄분말 중 어느 하나 또는 둘의 혼합물을 첨가하고 침전물이 없어질 때까지 잘 교반한다.

금속분말의 양은 바인더의 용도에 따라 적당한 점성을 가지도록 첨가하는데, 금속분말을 많이 첨가할수록 점도가 높은 바인더가 된다. 통상의 건축자재 제조용 바인더의 경우, 금속분말을 규산나트륨과 실리카졸을 합한 중량의 5 내지 30% 중량비의 범위 내에서 한다. 이들 금속분말은 바인더가 경화되었을 때 인성을 부여하여 이를 사용한 제품을 충격에 강하게 한다.

상기 단계에서, 이산화규소가 다량 함유된 규산나트륨 중에서 산화나트륨은 상당량 불투수성 염으로 변화하고, 이산화규소의 음이온이 물에 분산되어 실리카졸을 형성하고 있는 상태가 된다. 그러나 이와 같은 바인더는 주요성분은 입도가 아주 작은 실리카의 콜로이드 상태이므로 점도가 낮아 다공질 재료에 아주 잘 흡수되어 사용시 바인더의 소모가 많고, 다공질 재료의 기공에 모두 바인더가 스며들어 경화됨으로써 다공질 재료의 고유특성을 소멸시키고, 취성이 있어서 충격에 약한 문제점이 있다.

상기 제2단계의 조성물에 알루미늄 또는 아연과 같은 금속분말을 혼합하면, 이 금속분말이 상기 조성물 내에서 양이온인 금속이온이 된다. 이 금속 양이온은 물속에서 음이온의 콜로이드 상태로 존재하는 이산화규소를 응집시켜, 입자가 큰 콜로이드를 형성하여 점성이 높고 접착성이 있는 바인더를 형성한다.

상기 단계를 거쳐 제조된 바인더는 작업에 용이하도록 적당한 점성을 가지도록 물과 희석하여 사용한다. 이 바인더를 접착용으로 사용한 후 수분이 증발되면, 규산나트륨의 접착성과 불수용성 나트륨염이 형성한 불투수성 막에 의하여 접착성과 붙투수성을 겸비한 바인더가 된다.

상기와 같이 제조된 무기질 바인더를 발포질석 또는 퍼라이트와 같은 다공성 무기질 원재료와 혼합하여 불연성인 무기질 보드를 제조할 수 있다.

상기 무기질 보드는 발포질석과 바인더, 퍼라이트와 바인더, 또는 퍼라이트와 발포질석의 혼합물인 원재료와 바인더를 균일하게 배합하여, 이를 금형에 넣어 가열, 압착하여 판재 등으로 성형한다. 가열온도는 150 내지 250℃ 범위로 하고, 압력은 100 내지 150kgf/㎠ 범위로 하고, 가열시간은 바인더의 수분이 증발하여 배 출되어 보드가 경화될 동안 유지한다. 원재료와 바인더의 혼합비율운 요구되는 제품의 강도 등을 고려하여 적당한 비율로 할 수 있는데, 원재료와 바인더의 비율은 같은 중량비로 하면 건축용 자재로 사용하기에 충분한 강도가 얻어진다.

상기 무기질 보드의 원료로서, 발포질석은 성형성은 좋은 반면 강도가 약하고, 퍼라이트는 성형성은 나쁜 반면 강도가 높다. 따라서 발포질석과 퍼라이트를 일정 비율로 혼합하여 사용하면 성형성과 강도가 모두 개선된 보드를 얻을 수 있다.

상기 무기질 보드의 강도를 더욱 증대시려면, 원재료와 바인더를 배합할 때 섬유질 보강재를 참가할 수 있다. 사용할 수 있는 섬유질 보강재에는 일정 강도가 있는 유리솜칩, 탄소섬유칩, 합성섬유칩, 천연섬유칩, 목분 등 모든 종류의 섬유상의 재료를 사용할 수 있으나, 완전한 불연성을 유지하기 위해서는 무기질인 유리솜칩 또는 탄소섬유칩을 사용하는 것이 좋다. 또한 원재료와 바인더를 배합할 때 칼슘(Ca)을 첨가하면 무기질 보드의 강도가 향상되는 것이 실험으로 규명되었다.

상기와 같이 제조된 무기질 보드의 표면에 본 발명의 무기질 바인더를 도포하면 보드의 표면강도가 현저히 증가하고, 불투수성이 더욱 개선된다.

상기와 같은 무기질 보드는 도 1에 도시한 바와 같이, 일정 두께의 판재(a)로 성형하여 합판, 석고보드 등의 판재와 동일한 방법으로 사용할 수 있고, 판의 면에 벌집 형태의 구멍이 형성된 하니컴형(b), 판의 면에 사각격자형의 구멍이 있는 사각구멍형(c) 등의 다양한 유공(有孔) 보드로 성형하여 중간보강재, 단열재 또는 흡음재 등으로 사용할 수 있다.

유공 보드의 경우 일정 간격을 유지하는 판과 판 사이에 삽입하여 사용하는데, 전면과 후면이 철판인 방화문의 내부에 사용되는 코어가 그 예이다. 방화문의 코어로 이와 같은 유공 보드가 삽입될 경우, 문의 일부에 충격을 가하더라도 내부에 보강재가 들어 있으므로 국부적으로 큰 변형이 생기지 않고, 판과 판 사이에 정체하고 있는 공기층을 형성하고 있으므로 단열특성이 좋다. 유공 보드의 형상 중에서 하니컴형이 구조적으로 가장 강도가 높은 것으로 알려져 있다.

본 발명인 무기질 보드는 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 유공 보드의 일면 또는 양면에 판재 보드를 접착하여 복합 보드로 제작하여 사용할 수 있다. (a)와 같이 유공 보드의 양면에 판재 보드를 접착할 경우, 이는 구조적으로 일정 간격을 유지하는 판 구조이므로 중립 축을 중심으로 하는 단면관성모멘트가 아주 커서 강성(剛性)이 아주 높은 구조물이 된다. 뿐만 아니라 판과 판 사이에 정체하고 있는 공기층을 형성하고 있으므로 단열특성이 좋다.

본 발명인 무기질 보드를 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 유공 보드의 일면에 판재 보드를 접착하여 흡음재로 사용할 수 있다. 이와 같은 결합판재는 표면에 요철이 있는 판이 되는데, 무기질 보드 자체가 다공성 재료로서 흡음률이 높은데다가 표면에 이와 같이 요철이 있을 경우 흡음면적이 아주 넓어지는 효과가 있어서 흡음률이 더욱 증가한다.

본 발명인 무기질 바인더는 본 발명인 질석보드 또는 퍼라이트보드를 제작하 는데 사용될 뿐만 아니라, 각종 불연도료, 불연접착제 등의 원료로 사용될 수 있다.

본 발명인 질석보드 또는 퍼라이트보드는 건축용 내장재 또는 가구용 자재로 사용할 수 있고, 판재에 부분적으로 구멍이 형성된 하니컴 형상으로 제조하여 문, 벽체 등의 중간 삽입재로 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명인 무기질 보드의 형상이다.

도 2는 본 발명인 무기질 보드를 다중으로 접착한 복합 보드의 형상이다.

Claims (6)

1. 다음의 단계를 순차적으로 행하여 제조되는, 무기질 바인더.

   제1단계 : 규산나트륨과 실리카졸을 같은 중량비로 배합하고, 침전물이 없어질 때까지 교반하는 단계;

   제2단계 : 상기 규산나트륨과 실리카졸의 혼합물에 황산, 질산, 인산, 붕산, 아세트산 중의 어느 하나 또는 2 이상을 첨가하여, 침점물이 없어질 때까지 교반하는 단계;

   제3단계 : 상기 2단계의 조성물에 아연분말, 알루미늄분말 중 어느 하나 또는 둘의 혼합물을 첨가하고 침전물이 없어질 때까지 교반하는 단계;
2. 제1항의 무기질 바인더를 발포질석, 퍼라이트, 그리고 발포질석과 퍼라이트의 혼합물 중의 어느 하나인 원료와 고르게 혼합하고, 이 혼합물을 가열 압착 성형하여 판상으로 제조한, 무기질 보드.
3. 제2항에 있어서, 상기 무기질 보드는,

   판의 면에 다각형 구멍이 연속적으로 다수 형성된 것을 특징으로 하는, 무기질 보드.
4. 제3항에 있어서, 상기 무기질 보드는,

   다각형 구멍이 육각형 구멍으로서, 판이 하니컴 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 무기질 보드.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 무기질 보드는,

   무기질 바인더와 원료를 배합할 때 섬유상의 보강재 또는 칼슘 보강재를 추가로 첨가하여 제조한 것을 특징으로 하는, 무기질 보드.
6. 면에 구멍이 있는 제3항의 무기질 보드의 한 면 또는 양면에, 면에 구멍이 없는 제2항의 무기질 보드를 접착하여 구성한, 무기질 보드.

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