KR20120125518A - 포스페이트 결합된 복합체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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래티두드 18, 아이엔씨.
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Abstract

무기질-유기질 복합체 물품 및 무기질 접착제로서 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분을 사용하여 그러한 복합체 물품을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법으로 제조된 물품은 향상된 가요성, 제로 화염 확산, 휘발성 유기 화합물의 무방출, 및 낮은 이산화탄소 방출량을 제공한다.

Description

포스페이트 결합된 복합체 및 그의 제조 방법 {PHOSPHATE BONDED COMPOSITES AND METHODS}
본 발명은 일반적으로 무기질-유기질 복합 물품 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 물품 및 방법은 유기 물질과 함께 무기질 바인더 내에 경화되는 접착제로서 무기질의 산성/알칼리성 전구체 성분들을 포함한다.
산-염기 시멘트(acid-base cement; ABC)는 약산과 적합한 염기의 반응에 의해 형성된다. 무기질 산-염기 시멘트의 가장 통상적인 예는 포스페이트 시멘트, 옥시-클로라이드 및 옥시-설페이트 시멘트이다. 이것들 중에서, 포스페이트 시멘트가 가장 많이 연구되었으며, 치과용 시멘트부터 방사성 유해 폐기물 스트림의 안정화를 위한 세라믹, 유전 용도의 특수 시멘트, 페인트와 코팅 및 접착제용 수지, 도로 보수용 물질 등에 이르기까지 여러 가지 제품이 개발되었다. 이것들 중에서 상업화된 것은 거의 없다.
천연 섬유 복합체의 제조용으로서 무기 시멘트질 바인더를 사용하고자 시도된 바 있었다. 예를 들면, 접착제로서 포틀랜드 시멘트 또는 칼슘 알루미네이트 시멘트의 묽은 페이스트(thin paste)를 사용하는 것이 보고된 바 있다. 그러나, 이러한 시멘트질 바인더는 매우 알칼리성이고, 이러한 물질로 제조된 페이스트는 매우 점도가 높아서 목재/섬유의 셀룰로스계 구조의 셀(cell) 및 모세관에 효과적으로 함침될 수 없고, 섬유의 함침 이전에 경화되는 경향이 있다. 그 결과, 섬유 중 이들 시멘트질 바인더의 로딩(loading)은 매우 낮다. 따라서, 많은 양의 섬유를 로딩하기 위해서 접착제로서 사용되는 시멘트보다는 섬유 함량이 시멘트의 성질을 본질적으로 향상시킨다.
종래 보고된 다른 무기질 복합체는 인산과, 칼슘, 마그네슘 또는 지르코늄의 실리케이트 또는 알루미네이트의 반응 생성을 포함하고, 재생 종이에 래핑(wrapping)되는 석고 보드형 코어를 제조하기 위해 다양한 충전재와 함께 사용된다. 벽판(wall board) 및 다른 유사한 제품의 이러한 제조 방법은 여러 가지 단점을 가진다. 즉, 매우 낮은 pH에서 인산 용액을 사용하는 것은 장치의 부식 및 취급 문제를 초래한다. 이러한 문제점은 특히 생성물이 대규모로 제조될 때 특히 두드러진다. 이러한 접근법은 또한 용해도가 낮은 분말화 전구체 성분들을 사용한다. 주위 온도에서 용해성이 낮은 칼슘 실리케이트 또는 다른 실리케이트나 알루미네이트는 완전히 반응하지 못하고, 그 결과 대부분의 실리케이트가 복합체 생성물 중에 입자상 물질로서 미반응 상태로 잔류하게 된다. 따라서, 이제까지 보고된 방법에 의해 제조된 이러한 벽판은 본질적으로 셀룰로스, 시멘트, 및 다양한 양의 미반응 전구체 분말의 복합체이다. 이러한 불완전한 반응은 기대 수준보다 낮은 성능 특성을 가진 복합 생성물을 생성한다. 이제까지 보고된 방법이 낮은 기계적 성능을 나타내는 석고형 보드를 제조하는 데에는 적합할 수 있지만, 고품질의 다목적 섬유 보강 복합체의 제조에는 적합하지 않다.
또한, 이제까지 보고된 방법에서 무기산 성분은 실리케이트 전구체를 이용하는 반응용으로 효과적인 유일한 산-인산염으로서 인산에 한정된다. 일반적으로, 산 포스페이트(예; 인산이수소나트륨 및 인산이수소칼륨, NaH2PO4 및 KH2PO4) 및 알칼리 포스페이트(예; 2칼륨 인산염, K2HPO4)를 실온에서 실리케이트 및 알루미네이트와 반응시키는 것이 어렵고, 바인더를 제조하기 위해 알칼리성 포스페이트를 사용하여 작업하는 것은 어렵거나 불가능한 것으로 알려져 있다. 그러므로, 이전에 보고된 방법으로는 인산 이외의 다른 산 포스페이트를 사용하기가 어렵다. 이제까지 개시된 전술한 방법에서는 실리케이트 및 알루미네이트를 구비한 제품(주로 벽판)이 언급되어 있는데, 셀룰로스의 높은 로딩을 가지는 제품에 대해서는 언급되어 있지 않다.
마찬가지로, 셀룰로스계 복합체를 제조하기 위해 세라미크리트(Ceramicrete) 기술을 이용하는 방법으로서, 하소된(calcined) 산화마그네슘을 모노포타슘 포스페이트와 반응시켜 매트릭스를 제조하고, 이때 셀룰로스는 보강 물질을 형성하게 되는 방법이 보고되어 있다. 이와 같이, 셀룰로스계 복합체를 제조하기 위해 세라미크리트 기술을 이용하는 것은 상기 종래 개시된 방법과 유사하고, 시멘트질 물질은 셀룰로스 섬유에 의해 보강되며, 그 결과 섬유의 로딩이 낮다.
고체의 하소된 산화물 또는 하소된 미네랄(예; 칼슘 실리케이트)을 섬유와 함께 무기질 산성 성분 전구체 용액과 혼합하는 것은 비효율적이고, 재생가능한 펄프를 제공하는 데 있어서 기술적 및 제조상 문제점을 초래하여 물품 성형의 재현성에 영향을 주게 된다. 무기질 산성 성분과 고체 또는 하소된 알칼리성 산화물 성분간의 빠른 산-염기 반응으로 인해, 섬유가 혼합되고 습윤되는 데에 시간이 충분하지 않은 것으로 생각된다.
본 명세서에 기재된 방법, 조성물 및 생성물은, 높은 로딩의 셀룰로스계 물질 및 매우 낮은 로딩의 무기질 바인더를 가진 생성물을 제조하는 것을 목적으로 하고, 따라서 본 명세서에 개시되고 기재된 물질, 방법 및 생성물은 전술한 종래에 보고되고 언급된 것과는 명백히 상이하다.
본 명세서에는 무기질 바인더를 가진 복합체를 제공하기에 적합한 무기질 산성-알칼리성 접착제와 조합된, 자연으로부터 얻을 수 있는 섬유상 물질로부터 복합체를 제조하기 위한 생성물 및 방법이 개시되고 기재된다. 따라서, 일 측면에 있어서, 유기질-무기질 복합체 물질이 제조될 수 있다. 무기질 산성/알칼리성 성분들은 상업적으로 입수가능한 복합체 제품에서 현재 사용되는 통상적 유기질 접착제를 대체할 수 있다. 얻어지는, 무기질 바인더를 포함하는 복합체는 유기계 접착제에 비해 향상된 성질들, 예를 들면 제로 화염 확산(zero flame spread) 및/또는 그것을 제조하거나 사용하거나 열에 노출시킬 때 방출되는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 감소 또는 근절을 나타낸다. 본 발명의 무기질 바인더를 포함하는 복합체는 상업적으로 입수가능한 복합체 물질에 비해 낮은 온도에서 경화될 수 있다. 이러한 특징은 이들 제품의 제조시 에너지 소비를 현저히 절감시킬 수 있고, 이산화탄소 배출량(carbon foot print)을 매우 낮출 수 있다.
따라서, 제1 구현예에 있어서, 복합체 생성물의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은, 유기 물질을 제공하는 단계, 및 상기 유기 물질을 무기질 접착제와 접촉시키는 단계를 포함하고, 상기 무기질 접착제는 무기질 산성 전구체와 알칼리성 전구체의 혼합물을 포함한다.
상기 제1 구현예의 제1 측면에 있어서, 상기 유기 물질 대 상기 무기질 접착제 전체의 중량비는, 수분 함량을 제외하고, 약 99:1 내지 약 2:1, 바람직하게는 약 10:1 내지 약 5:1, 보다 바람직하게는 약 7:1이다. 상기 제1 구현예의 제2 측면에 있어서, 상기 유기 물질은 목재 베니어, 장단 플레이크, 장섬유, 단섬유, 스트랜드, 톱밥, 목재 입자, 섬유 다발, 쇄목 펄프(stone groundwood; SGW), 가압 쇄목 펄프(pressure groundwood; PSW), 리파이너 기계 펄프(refiner mechanical pulp; RMP), 열기계 펄프(thermomechanical pulp; TMP), 화학 열기계 펄프(chemithermomechanical pulp; CTMP), 크라프트 펄프, 소다 펄프, 표백 펄프, 종자 섬유, 잎 섬유, 인피 섬유(bast fiber), 과일 섬유, 줄기 섬유(stalk fiber), 실크, 울, 거미 명주(spider silk), 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 포함한다.
상기 제1 구현예의 제3 측면에 있어서, 상기 무기질 산성 전구체 및 상기 알칼리성 전구체는 독립적으로, 용액, 현탁액, 젤 중에 또는 페이스트로서 존재한다.
상기 제1 구현예의 제4 측면에 있어서, 상기 알칼리성 전구체는 용액 중에 존재한다.
상기 제1 구현예의 제5 측면에 있어서, 상기 접촉 단계는, 먼저 유기 물질을 알칼리성 전구체 용액과 접촉시키고, 이어서 무기질 산성 전구체 용액과 접촉시키거나, 또는 유기 물질을 무기질 산성 전구체와 접촉시킨 다음 알칼리성 전구체와 접촉시키는 단계를 포함하거나, 또는 유기 물질을 무기질 접착제와 접촉시키는 단계를 포함한다.
상기 제1 구현예의 제6 측면에 있어서, 상기 무기질 산성 전구체와 상기 알칼리성 전구체는 각각 별도로 상기 유기 물질과 혼합되어, 독립적으로 별도의 산성 섬유 펄프 또는 섬유와, 별도의 알칼리성 펄프 또는 섬유를 형성한다.
상기 제1 구현예의 제7 측면에 있어서, 상기 방법은 상기 별도의 산성 및 알칼리성 펄프 또는 섬유를 조합하고, 충분한 양의 물과 혼합하는 단계; 및 고체 복합체 생성물을 성형하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제1 구현예의 제8 측면에 있어서, 상기 방법은 상기 별도의 산성 및 알칼리성 펄프를 건조하는 단계, 건조된 산성 및 알칼리성 펄프 또는 섬유를 조합하는 단계, 조합된 건조한 산성 및 알칼리성 펄프 또는 섬유를 물과 혼합하는 단계, 및 고체 복합체 생성물을 성형하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 알칼리성 전구체 성분은 알칼리성 산화물, 수산화물, 또는 산화물 미네랄 중 하나 이상을 포함한다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 무기질 산성 전구체 성분은 산-인산염, 염화물, 또는 황산염 중 하나 이상을 포함한다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 알칼리성 전구체는 하나 이상의 1가, 2가 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트를 포함한다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 알칼리성 전구체는 금속 수산화물이 농후한 염 용액이고, 상기 염용액(brine)은 수산화마그네슘 염 용액, 또는 수산화알루미늄의 농후한 바이에르액(pregnant Bayer liquor)이다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은 상기 알칼리성 전구체의 수성 pH를 높이기 위해, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 또는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로부터 선택되는 알칼리 금속 수산화물의 고도로 알칼리성인 용액을 적절한 양 첨가하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 알칼리성 전구체의 수성 pH는 약 8 내지 약 14, 바람직하게는 약 9 내지 약 12, 가장 바람직하게는 약 10 내지 약 11이다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 무기질 산성 성분은, 인산의 포화 용액, 또는 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), MgCl2, MgSO4, 및 이것들의 혼합물을 포함하는 산 인산염 중 하나 이상을 포함한다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은 상기 무기질 산성 성분의 용액 pH를 약 0 내지 약 6, 바람직하게는 약 3 내지 약 5, 가장 바람직하게는 약 3 내지 약 4.5 범위로 조절하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 pH는 하이드로포스페이트의 첨가에 의해 저하될 수 있다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은 약하게 용해성인(sparsely soluble) 실리케이트, 칼슘 실리케이트(울라스토나이트, CaSiO3), 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회(fly ash), 저부회(bottom ash), Bayer 공정 폐기물, 구리 광물로부터 구리의 추출시 발생되는 산성 폐기물 스트림 또는 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물을 포함하는 하나 이상의 산화물 미네랄을 첨가하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제1 구현예의 또 다른 측면에 있어서, 상기 알칼리성 성분은 산화마그네슘이고, 상기 무기질 산성 성분 전구체는 염화마그네슘 또는 황산마그네슘 용액으로부터 선택된다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은, 셀룰로스와 접촉시키기 전에, 상기 무기질 산성 전구체 성분 또는 알칼리성 전구체 성분 중 하나 이상을 물의 비등점보다 낮은 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제1 구현예의 또 다른 측면에 있어서, 상기 무기질 산성 성분은 알루미늄 하이드로포스페이트이고, 상기 알칼리성 성분은 산화알루미늄(Al2O3) 또는 수산화알루미늄(Al(OH)3)이며, 예를 들면 상기 알루미늄 하이드로포스페이트와 상기 알칼리성 성분이 혼합되어 페이스트를 형성하고, 이것은 이어서 셀룰로스와 혼합된다. 상기 방법은 셀룰로스와 혼합된 페이스트를 복합체 물품을 형성하기에 충분한 시간 동안 약 400℉로 가열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은 상기 유기 물질을 압축하는 단계, 및/또는 진공을 적용하는 단계 및/또는 초음파를 적용하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 무기질 산성 전구체 대 상기 알칼리성 전구체의 중량비는 10:1 내지 1:5, 바람직하게는 약 9:1 내지 1:3.5, 보다 바람직하게는 약 8:1 내지 약 1:3.5이다. 상기 방법은 압축 단계 이전에 상기 무기질 첨가제의 일부를 유보하고, 이어서 압축의 종료에 근접한 시점에서 무기질 첨가제의 나머지 일부를 첨가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은 상기 유기 물질과 상기 무기질 첨가제를 혼합하고, 복합체 샘플에 열을 가하여 복합체의 온도를 400℉ 미만의 온도까지 상승시키는 단계를 추가로 포함한다.
제2 구현예에 있어서, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 무기질 산성 전구체와 용액 상태인 알칼리성 전구체의 혼합물을 포함하는 무기질 포스페이트 접착제를 제공하는 단계; 약 40중량% 미만의 셀룰로스계 물질을 제공하는 단계; 및 상기 셀룰로스계 물질을 상기 무기질 포스페이트 접착제와 접촉시키는 단계를 포함한다.
상기 제2 구현예의 제1 측면에 있어서, 상기 셀룰로스계 물질은 목재 베니어, 장단 플레이크, 장섬유, 단섬유, 스트랜드, 톱밥, 목재 입자, 섬유 다발, 및/또는 펄프화에 의해 얻어지는 생성물, 돌 쇄목 펄프(stone groundwood; SGW), 가압 쇄목 펄프(pressure groundwood; PSW), 리파이너 기계 펄프(refiner mechanical pulp), 열기계 펄프(thermomechanical pulp; TMP), 화학 열기계 펄프(chemithermomechanical pulp; CTMP), 크라프트(kraft) 펄프, 설파이트 펄프, 소다 펄프, 표백 펄프, 종자 섬유, 잎 섬유, 인피 섬유(bast fiber), 과일 섬유, 줄기 섬유(stalk fiber), 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 포함한다.
상기 제2 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 먼저 셀룰로스계 물질을 알칼리성 전구체 용액과 접촉시키고, 이어서 무기질 산성 전구체와 접촉시키거나, 또는 셀룰로스계 물질을 무기질 산성 전구체와 접촉시킨 다음, 알칼리성 전구체 용액과 접촉시키거나, 셀룰로스계 물질을 무기질 접착제와 접촉시킨다.
상기 제2 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 무기질 접착제는 포스페이트 세라믹, 옥시클로라이드 세라믹, 옥시설페이트 세라믹, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상이다.
상기 제2 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 무기질 포스페이트 접착제는 2가 또는 3가의 금속 또는 그것의 실리케이트를 포함한다.
상기 제2 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은 칼슘 실리케이트(울라스토나이트, CaSiO3), 올리빈(olivine), 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회, 저부회, Bayer 공정 폐기물, 구리 광물로부터 구리의 추출시 발생되는 산성 폐기물 스트림, 또는 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 첨가하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제2 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은 상기 무기질 접착제와 상기 셀룰로스계 물질을 사출 성형하거나 압출하는 단계를 추가로 포함하고, 진공 또는 초음파를 적용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제2 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 방법은 하나 이상의 상기 무기질 산성 전구체 성분 또는 알칼리성 전구체 성분을 셀룰로스와 접촉시키기 전에 물의 비등점보다 낮은 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제2 구현예의 측면들 중 어느 하나와의 조합에 있어서, 상기 섬유 보강 복합체는 난연성, 제로 화염 확산, 온실가스의 최소 방출, 휘발성 유기 화합물의 무방출, 및 낮은 수분 흡수성을 제공한다.
제3 구현예에 있어서, 불연성 취입가능한 단열재(blowable insulation)를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 쇄단 종이, 톱밥, 대팻밥, 쇄단 플라스틱, 유리 입자 또는 유리 섬유 중 하나 이상; 석고, 팽창가능한 점토, 및 이것들의 혼합물을 포함하는 취입가능한 물질을 제공하는 단계, 하기 성분을 포함하는 무기질 접착제를 제공하는 단계: (i) 인산의 포화 용액, 또는 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), MgCl2, MgSO4, 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 무기질 산성 성분; 및 (ii) 1가, 2가, 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물, 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트를 포함하는 알칼리성 전구체, 및 상기 무기질 접착제와 상기 취입가능한 물질이 결합되기에 충분한 시간 동안 상기 취입가능한 물질을 상기 무기질 접착제와 접착시키는 단계를 포함한다.
제4 구현예에 있어서, 화염 확산이 없는 물품의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 가연성 물질을 제공하는 단계 및 상기 가연성 물질의 적어도 일부에 무기질 접착제의 코팅을 도입하는 단계를 포함하고; 상기 무기질 접착제는 포스페이트 세라믹, 옥시클로라이드 세라믹, 옥시설페이트 세라믹, 2가 또는 3가의 금속 산화물 또는 그것의 실리케이트, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상; 및 칼슘 실리케이트(울라스토나이트, CaSiO3), 올리빈, 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회, 저부회, Bayer 공정 폐기물, 구리 광물로부터 구리의 추출시 발생되는 산성 폐기물 스트림, 또는 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상; 및 하나 이상의 1가, 2가, 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물 및 이것들의 혼합물의 포화 용액 또는 페이스트를 포함하는 하나 이상의 알칼리성 전구체 성분을 포함한다.
제4 구현예의 제1 측면에 있어서, 상기 가연성 물품은 벽판 또는 실링 타일이거나, 또는 셀룰로스 섬유의 연신된 직조 매트를 포함한다.
상기 구현예의 측면들 중 어느 하나에 있어서, 상기 가연성 물품은 셀룰로스 섬유의 연신된 직조 매트 또는 복수 개의 적층된 얇은 목재 시트를 포함하고, 각각의 목재 시트는 무기질 접착제에 의해 결합됨으로써, 베니어화 시트 제품이 얻어진다.
제5 구현예에 있어서, 내화성 종이 및 종이 제품의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은, 셀룰로스계 물질을 제공하는 단계, 하기 성분을 포함하는 무기질 접착제 전구체를 제공하는 단계를 포함한다: (i) 인산의 포화 용액, 또는 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), MgCl2, MgSO4, 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), 및 이것들의 혼합물을 포함하는 산 인산염(acid phosphate salt)을 포함하는 무기 인산염 용액; 및 (ii) 1가, 2가, 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물, 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트를 포함하는 알칼리성 전구체 용액. 셀룰로스계 물질과 무기질 접착제의 페이스트가 제공된다. 선택적으로, 상기 방법은 상기 페이스트를 건조하는 단계 및 종이로서 사용하기에 적합한 두께를 가진 섬유 매트를 제공하는 단계를 포함한다. 무기질 접착제에 대한 셀룰로스계 물질의 건조 중량비는, 종이 또는 종이 제품이 내화성 및/또는 제로 화염 확산을 나타내도록 약 1중량% 내지 약 20중량%이다.
제5 구현예의 제1 측면에 있어서, 상기 방법은 칼슘 실리케이트(울라스토나이트, CaSiO3), 올리빈, 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회, 저부회, 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 추가로 포함한다. 상기 방법은 난연성 종이 물질 또는 종이 물품 및/또는 불연성의 가정 및 상업적 건물의 랩(wrap) 또는 벽지를 제공한다.
제6 구현예에 있어서, 목재를 처리하여 화염 확산이 없는 목재 물품을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 목재 물품을 하기 성분을 포함하는 조성물과 접촉시키는 단계를 포함한다: (i) 인산의 포화 용액, 또는 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), MgCl2, MgSO4, 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), 및 이것들의 혼합물을 포함하는 산 인산염 중 하나 이상; 및 (ii) 1가, 2가, 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물, 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트의 알칼리성 전구체 용액. 선택적으로, 칼슘 실리케이트(울라스토나이트, CaSiO3), 올리빈, 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회, 저부회, Bayer 공정 폐기물, 구리 광물로부터 구리의 추출시 발생되는 산성 폐기물 스트림, 또는 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상이 첨가된다. 상기 조성물에 의해 접촉된 목재 물품은 건조된다.
제6 구현예에 의해 제조되는 화염 확산이 없는 목재 물품이 제공된다.
상기 구현예의 측면들 중 하나 이상으로부터 제조되는 복합체 물품도 제공된다.
본 발명에 의하면, 무기질-유기질 복합체 물품 및 무기질 접착제로서 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분을 사용하여 그러한 복합체 물품을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법으로 제조된 물품은 향상된 가요성, 제로 화염 확산, 휘발성 유기 화합물의 무방출, 및 낮은 이산화탄소 방출량을 제공한다.
도 1은 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 섬유 복합체의 제조 방법의 제1 측면을 나타낸다.
도 2는 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 섬유 복합체의 제조 방법의 제2 측면을 나타낸다.
도 3은 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 섬유 복합체의 제조 방법의 제3 측면을 나타낸다.
도 4는 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 섬유 복합체의 제조 방법의 제4 측면을 나타낸다.
도 5는 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 섬유 복합체의 제조 방법의 제5 측면을 나타낸다.
도 6은 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 섬유 복합체의 제조 방법의 제6 측면을 나타낸다.
도 7은 일 측면으로서 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 섬유 복합체를 사용하는 샌드위치 벽판 또는 타일을 나타낸다.
도 8은 일 측면으로서 본 명세서에 개시되고 기재된 산-염기 접착제를 이용하여 종이 및 포장재를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 9는 일 측면으로서 본 명세서에 개시되고 기재된 사출 성형 기술을 이용하여 무기질 섬유 복합체를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 10은 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 바인더의 중량%의 함수로서 무기질 바인더 종이 물품의 탄화 시간을 나타내는 그래프이다.
일반적으로, 자연으로부터 얻을 수 있는 섬유상 물질, 예컨대 목재와 식물로부터 유래되는 리그노-셀룰로스계 물질과 같은 유기 물질을 무기질 인산-염기 바인더를 사용하여 접합시키는 방법이 본 명세서에 개시되고 기재되어 있다. 무기질 산-염기 바인더에 의해 접합된 섬유를 포함하는 복합체 물품도 본 명세서에 개시되고 기재되어 있다. 적어도 하나의 측면에 있어서, 무기질 산성 성분 및 알칼리성 성분의 전구체들의 수용액이 무기질 셀룰로스계 복합체 물품용 바인더를 제공하기 위한 무기질 인산-염기 접착제로서 사용되고, 또한 본 명세서에 개시되고 기재되어 있다.
산성/알칼리성 전구체의 산-염기 반응에 의해 제조되는 무기질 접착제, 및 그것으로 제조되는 신규의 셀룰로스계 물질 복합체가 본 명세서에 개시되고 기재되어 있다. 이들 무기질 접착제는, 제한되지는 않지만 부분적으로 포스페이트, 옥시-클로라이드, 및 옥시-설페이트 전구체를 포함한다. 본 명세서에 개시된 무기질 바인더를 포함하는 복합체 생성물은 유기 바인더로부터 형성되는 복합체와는 뚜렷하게 상이하다. 상기 무기질 셀룰로스 복합체는 가벼운 중량, 난연성 및 높은 유연성(ductility)과 같은 뚜렷한 성질을 나타낸다.
산-염기 접착제는 알칼리성 성분으로서 산화물 또는 수산화물과, 무기질 산성 성분으로서 산-인산염 또는 금속 염화물 또는 금속 황산염의 산-염기 반응에 의해 형성된다. 상기 반응은 물의 존재 하에서, 셀룰로스를 결합시키는 능력 및/또는 셀룰로스계 물질 중 셀 루멘(cell lumen)을 채우는 능력을 가진 산-염기 접착제를 생성하고, 복합체에 고체 구조를 제공한다. 셀 루멘은 매우 작기 때문에, 바인더 성분이 빈 공간에 유입되기 위해서는 모세관 작용이 필요한 것으로 일반적으로 생각된다. 모세관 작용은, 본 발명에 개시된 전구체 성분들이 희석되어 낮은 점도를 갖게 될 수 있으므로, 그러한 전구체 성분에 의해 촉진된다.
셀룰로스의 반복 단위인 셀로비오스(cellobiose)는 6개의 하이드록시기를 함유한다. 셀룰로스의 중합도(폴리머의 사슬 1개에 있는 반복 단위의 총수)는 약 1,500 이하이다. 이러한 셀룰로스의 반복 단위는 사슬 내, 그리고 사슬들간의 많은 수의 상호 및 내부 수소 결합에 의해 결합된다. 이론에 얽매이려는 것은 아니지만, 수성 산-염기 접착제를 사용하는 것이 이러한 수소 결합을 증강시키고 복합체를 생성하는 것으로 생각된다. 전형적으로는, 통상적 유기질 접착제는 에테르 결합, 에스테르 결합, 또는 새로운 수소 결합을 생성함으로써 셀룰로스의 하이드록시기와 상호작용하도록 설계되어 있다. 예를 들면, 페놀 포름알데히드, 및 다른 폴리올계 접착제는, 미세다공질 목재 표면을 상호연결시키는 폴리머계 네트워크를 형성하는 능력을 가지기 때문에 목재 복합체에 주로 사용된다. 수성 무기질 산성/알칼리성 전구체 접착제를 사용할 때에도 마찬가지로 유사한 결합 메커니즘이 적용되는 것으로 생각된다.
목재 복합체용으로 통상적으로 사용되는 유기질 접착제는 포름알데히드계, 예를 들면 페놀 포름알데히드, 레조르시놀 포름알데히드, 또는 페놀-레조르시놀 포름알데히드의 조합, 우레아 포름알데히드, 혼합된 우레아 포름알데히드, 또는 멜라민 포름알데히드이다. 다른 통상적으로 사용되는 접착제로는 우레탄계 유기 폴리머, 이소시아네이트, 에폭시, 폴리비닐 및 에틸렌 비닐 아세테이트 분산 접착제가 포함된다. 상기 유기계 접착제는 모두 휘발성 유기 화합물을 생성할 뿐 아니라, 엄청난 이산화탄소 배출량을 가진다. 폴리머 1톤당 약 1.25~1.5톤의 온실 가스가 생성된다. 대조적으로, 무기질 포스페이트계 접착제는 휘발성 유기 화합물을 전혀 생성하지 않고, 접착제 1톤당 0.2~0.25톤에 불과한 온실 가스를 발생시키는데, 이는 유기 폴리머 접착제의 경우에 비해 약 1/5 내지 1/6 수준이다.
본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 접착제의 사용으로 인한 또 다른 이점은 섬유를 건조시키지 않고 섬유계 복합체를 제조할 수 있다는 것이다. 유기 폴리머 접착제가 사용될 때, 목재/섬유는 섬유 표면 상에 접착제의 적절한 습윤을 위해서뿐 아니라 수지/섬유 계면에 수분이 내포되는 것을 피하기 위해 충분히 건조되어야 한다. 목재/섬유 내의 물의 중량은 건조 목재 자체의 중량에 해당할 수 있으므로, 건조에 많은 에너지의 소비가 필요하다. 또한, 목재/섬유의 건조시 테르펜과 같은 휘발성 유기 화합물(VOC)도 방출된다. 이와는 대조적으로, 본 발명이 개시하는 무기질 산성/알칼리성 전구체 접착제의 사용은 바인더의 적절한 습윤 또는 형성을 개시하기 위해 건조 섬유를 필요로 하지 않는다. 사실상, 본 발명이 개시하는 무기질 산성/알칼리성 전구체 접착제는 수용액일 수 있다. 목재 섬유에 존재하는 유리 수분(free water)은 프레싱 공정 중에 스퀴징(squeezing)되므로, 접착제의 성분들(산성뿐 아니라 알칼리성)의 최대 용해를 초래할 것이며, 이것은 더 신속한 반응을 촉진하고, 그 결과 경화 시간을 단축시킬 것이다. 동일한 무기질 바인더 시스템도 얻어지는 복합체 중의 테르펜과 같은 VOC를 포착할 수 있다.
셀룰로스계 물질
무기질 산-염기 섬유 복합체 또는 섬유 보강 세라믹을 제공하고, 본 명세서에 개시되고 기재된 방법을 수행하는 데에는 임의의 셀룰로스계 물질이 사용될 수 있다. 리그노-셀룰로스계 물질은, 제한되지는 않지만, 목재 또는 식물 재료로부터 얻어지는 경질 목재 및 연질 목재 섬유를 포함하는 다양항 형태로 얻어질 수 있다. 섬유상 물질은, 목재 베니어, 장단 플레이크, 장섬유, 스트랜드, 톱밥, 목재 입자, 섬유 다발, 및/또는 여러 가지 펄프화 방법에 의해 얻어지는 원재료, 예를 들면, 쇄목 펄프(SGW), 가압 쇄목 펄프(PSW), 리파이너 기계 펄프(RMP), 열기계 펄프(TMP), 화학 열기계 펄프(CTMP), 크라프트 펄프, 소다 펄프, 재생 펄프, 및 표백 펄프일 수 있다. 섬유상 물질은 또한 콘 실크, 종자 섬유, 잎 섬유, 인피(스킨) 섬유, 과일 섬유, 및 줄기 섬유와 같은 여러 가지 식물 섬유를 포함한다. 셀룰로스계 물질은 베니어 등과 같은 얇은 목재 시트 또는 가압된 목재 형태를 포함한다. 전술한 예 이외에도, 셀룰로스계 물질은 또한 비-셀룰로스계 물질, 예를 들면 울, 실크 및 거미 명주와 같은 다른 바이오물질을 포함한다. 셀룰로스계 물질은 장섬유 및 단섬유를 포함한다. 원재료에 대한 이러한 예들은 이하에서 아무 제한 없이 "리그노-셀룰로스계 물질" 또는 상호교환적으로 "셀룰로스계 물질"로 지칭된다.
자연으로부터 얻을 수 있는 셀룰로스계 물질로서 복합체의 개발에 이용하기에 적합한 것은 리그닌, 헤미-셀룰로스, 셀룰로스, 및 추출물(extractive)로 구성된다. 본 명세서에 개시되고 기재된 방법은 리그닌, 헤미-셀룰로스, 셀룰로스, 및 추출물의 전부 또는 일부를 제거하기 위해 약간의 처리가 실행된 셀룰로스계 물질과 실행되지 않은 셀룰로스계 물질에 적용가능하지만, 약간의 헤미-셀룰로스를 제거하는 것이 일반적으로 더 양호한 생성물을 제공한다. 리그닌과 헤미-셀룰로스의 제거는 잘 알려져 있는 크라프트 또는 소다 펄프화 공정, 즉 알칼리성 용액 중에서 셀룰로스계 물질을 끓이는 공정을 포함하는데, 여기서 리그닌과 헤미-셀룰로스의 일부는 비등하는 알칼리에 의해 추출된다. 본 명세서에 개시된 방법의 하나 이상의 측면에 있어서, 제거된 리그닌과 헤미-셀룰로스 물질은 이어서 복합체의 형성시 무기질 접착제로 대체된다. 제거된 물질을 대체하는 것에 부가하여, 접착제는 또한 셀룰로스 및 나머지 성분들을 결합시켜 복합체를 형성한다.
무기질 산성/알칼리성 접착제 조성물
하나 이상의 측면에 있어서, 무기질 산성 전구체 및 알칼리성 전구체 성분들은 복합체용 접착제로서 작용하고, 경화되면 복합체용 무기질 바인더가 된다. 바인더 전구체 조성물로는, 제한되지는 않지만, 포스페이트 바인더, 옥시-클로라이드 및 옥시-설페이트 세라믹과 같은, 가능한 모든 형태의 산-염기 조합물이 포함된다. 특히, 포스페이트 산성 전구체/알칼리성 전구체 조성물이 구체적으로 본 명세서에 개시되지만, 본 명세서에 개시되고 기재된 방법은 일반적으로 다른 바인더에 적용될 수 있으며, 따라서 모든 산-염기 바인더가 고려될 수 있다.
수용액을 사용하여 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 산-염기 접착제를 제조하는 방법은, 용해성이 약한 분말 형태의 금속 산화물이 인산 용액과 반응하여 시멘트질 바인더를 생성하는 종래 발표된 포스페이트 결합된 구조적 생성물과는 명백히 상이하다. 이러한 종래 발표된 방법들은, 금속 산화물이 용해성이 약하여 인산 성분 전구체와 완전히 반응하지 않거나, 또는 완성된 물품에서 코어-셸 형태를 제공하고, 구분된 금속 산화물 입자가 복합체 생성물에 잔류하기 때문에, 고체 분말을 함유하는 시멘트질 바인더를 포함한다. 분말 금속 산화물이 사용될 때, 알칼리성 성분의 이러한 불완전 반응은, 본 명세서에 개시되고 기재된 용액 중 알칼리성 성분 전구체에 비해 품질과 성능이 미흡한 생성물을 생성한다.
또한 대조적으로, 종래 발표된 무기 시멘트질 공정은 분말 금속 산화물 및 전형적으로 하소된 산화물을 사용하므로, 금속 산화물의 하소가 에너지 소비가 많은 공정이고 전체 공정의 이산화탄소 배출량이 증가된다. 종래 발표된 공정은 대규모 제조를 곤란하게 하는 한계를 가지는데, 예를 들면, 시멘트질 결합 섬유 복합체의 제조시, (하소된) 산화물과 인산이 모두 필수적으로 동시에 섬유와 혼합되어야 한다. 분말 금속 산화물을 사용하는 무기 시멘트질 공정에 있어서 경화 반응이 빠르기 때문에, 섬유가 하소된 산화물과 혼합 및/또는 반응할 시간, 섬유가 함침되는 시간, 및 섬유가 효과적으로 코팅되는 시간이 거의 없게 된다. 일반적으로, 이것은 본 명세서에 개시되고 기재된 방법에 비해 불량한 섬유 복합체를 초래한다. 또한, 하소된 금속 산화물과 무기질 산성 성분들을 사용하면, 무기질 바인더가 셀룰로스계 물질을 보강하는 본 명세서에 개시되고 기재된 방법 및 물품과는 대조적으로, 섬유의 로딩(loading)이 감소되어, 셀룰로스계 물질이 시멘트를 보강하고 있는 복합체 물질을 초래한다.
본 명세서는, 셀룰로스 섬유 복합체용 무기질 바인더를 제공하는 접착제를 개발하기 위해 하소되지 않은 금속 수산화물 및 산-인산염의 적합한 용액을 사용하는 방법을 개시한다. 종래 발표된 시멘트질 섬유 복합체 형성 방법 및 얻어지는 물품에 비해 이러한 개시된 방법의 이점은 여러 가지이다. 예를 들면, 하소되지 않은 금속 수산화물은 하소된 산화물 또는 미네랄(예; 칼슘 실리케이트)에 비해 높은 용해도를 가진다. 그 결과, 접착제로서 하소되지 않은 금속 수산화물을 사용하는 무기질 산성/알칼리성 반응의 수율이 증가되고, 따라서 필요한 무기질 산성/알칼리성 바인더의 총량이 감소된다. 알칼리성 성분 전구체용 하소되지 않은 수산화물의 소싱(sourcing), 예를 들면 돌로마이트 광산으로부터 추출되고 유도된 수산화마그네슘 염용액은 용액으로부터 수산화마그네슘의 물리적 분리를 배제하고, 에너지를 절감하며, 이산화탄소 배출량을 더욱 감소시킨다. 상대적으로 적은 양의 산성 산-인산염을 사용함으로써 강산의 취급 및 그에 따른 제조 장치의 부식을 피하고, 강산 폐기물의 폐기 및 제조된 물품 내에 또는 표면에 존재하는 잔류 산화물을 피할 수 있다.
무기질 접착제용으로, 무기질 산성 성분 전구체로서 반응 속도가 느린 산-인산염 용액을 사용하고, 알칼리성 성분으로서 산화물, 또는 수산화물 또는 산화물 미네랄의 용액을 사용함으로써, 향상된 셀룰로스계 복합체가 제공된다는 유리한 사실이 밝혀졌다. 본 발명의 방법은 접촉시 셀룰로스계 물질 섬유의 본질적으로 완전한 습윤을 제공하고, 그 결과 섬유와 무기질 산성/알칼리성 접착제의 양호한 결합이 이루어지며, 시멘트질 바인더를 포함하는 셀룰로스계 복합체에 비해 우수한 성질을 가진 복합체가 얻어진다.
상기 특성은, 단독 또는 조합으로, 고체 금속 산화물 또는 하소된 금속 산화물/미네랄을 알칼리성 성분 전구체로서 사용하는 종래의 방법에 의해서는 제조될 수 없는 범주의 생성물의 제조를 가능하게 한다. 예를 들면, 어떠한 문제도 없이, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 복합체 물품은, 종래 발표된 시멘트질 방법에 의해서는 제조될 수 없는, 최소량의 접착제/바인더로 셀룰로스의 로딩이 매우 높은 생성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 방법 및 셀룰로스와 무기질 산성/알칼리성 성분 용액(예; 그것을 함유하는 펄프)의 혼합물을 포함하는 물질은, 마모성 입자상 물질의 존재 없이 용이하게 추출될 수 있다. 본 명세서에 개시되고 기재된 저점도 무기질 산성/알칼리성 성분 용액은 셀룰로스계 섬유 매트와 개별적 섬유 매트의 위브(weave) 사이에 주입/사출되어 높은 성능을 가진 향상된 섬유 매트릭스 복합체를 제공할 수 있다. 이와는 대조적으로, 종래 발표된 바인더 조성물 중에 일반적으로 존재하는 고체 입자상 물질은 매트층/섬유 또는 위브 사이의 다공질 공간을 차폐하게 되어, 주입/사출 공정을 방해 또는 불가능하게 한다.
본 발명의 알칼리성 전구체의 용액 점도는 종래 발표된 복합체 형성 방법의 경우보다 낮다. 결과적으로, 이들 용액의 펌핑 및 사출이 용이해지고, 섬유 중 무기질 바인더 성분들의 함침이 더 많이 이루어지므로, 더 양호한 복합체 물품이 제공된다.
일 측면에 있어서, 먼저 산성 성분과 알칼리성 성분 모두를 바람직하게는 최적 용해도까지 수성 매체 중에 용해시키거나 제공하고, 예를 들면 표준 복합 공정을 이용하여 그것의 액체 분획을 셀룰로스계 물질과 접촉시킨다. 접촉 공정은 전구체를 셀룰로스계 물질 내부 및 전체에 걸쳐 분배하기 위한 사출 및 기타 공정을 포함할 수 있다. 다른 측면에 있어서, 산성 및 알칼리성 성분 중 적어도 하나 또는 모두는 셀룰로스계 물질과 접촉되기 전에 가열된다. 산성 및 알칼리성 성분은 물의 비등점 또는 그 근방의 온도까지 가열될 수 있다. 어느 특정 측면에 있어서, 산성 및 알칼리성 성분 중 적어도 하나 또는 모두는 셀룰로스계 물질과 접촉되기 전에 물의 비등점 근방의 온도까지 가열된다.
무기질 산성 및 알칼리성 전구체 용액을 셀룰로스계 물질에 도입한 후, 일반적으로 산-염기 반응뿐 아니라 전구체 물질 단독 또는 셀룰로스계 물질의 다양한 작용기와의 조합으로 반응이 일어날 수 있다. 이러한 반응은 셀룰로스의 습윤 표면 상에서 일어날 수 있어서, 셀룰로스계 섬유를 서로 결합시킬 수 있다. 산성 및 알칼리성 성분들과 셀룰로스계 물질의 접촉 후, 무기질 바인더의 경화를 가속시키기 위해, 예를 들면, 약 400℉까지 가열하는 추가적 가열 공정이 사용될 수 있다. 가열 공정은 셀룰로스계 물질 내에 산성 및 알칼리성 성분들의 분배를 돕는, 진공 및/또는 초음파와 같은 다른 공정과의 조합으로 수행될 수 있다.
특정 구현예에 있어서, 산성/알칼리성 성분을 섬유 셀 내에 함침시키기 위한 음파 믹서(sonic mixer) 및/또는 진공 챔버를 사용하고, 그 결과 필요한 만큼의 용액만을 도입하고 그에 따라 접착제 용액 또는 물의 과다한 사용을 줄일 수 있다. 특정한 측면에 있어서, 본 명세서에 개시되고 기재된 방법은 사용되는 전구체 산/염기 용액에 특정되며, 따라서 하나 이상의 가공 기술이 특정한 산/염기 용액에 맞추어질 수 있다. 다양한 측면에 있어서, 이러한 특정한 조성물 및 대응하는 가공 기술이 제공된다.
산성 및 알칼리성 성분 모두의 조합에 존재하는 과량의 물은 또한 섬유를 양호하게 습윤시킬 수 있으며, 이것은 종래에 개시된 방법에서는 얻어지지 않는 이점이다. 이러한 과량의 물은, 습윤 복합체 물질에 압력을 인가한 다음 열처리하거나 또는 열과 압력을 동시에 적용함으로써 제거될 수 있다.
세라미크리트와 같은 통상적 산-염기 시멘트질 물질과는 대조적으로, 본 발명에 따른 농축된 수용액은 화학양론적 과량의 물을 함유하므로, 본질적으로 모든 상기 화학양론적 과량의 물이 제거될 때까지 무기질 접착제가 단시간에 경화되는 것(또한 복합체가 응고되는 것)을 방지할 수 있다. 이러한 개선점은 복합체 제조 공정으로서, 종래 발표된 시멘트와 섬유를 사용해서는 얻을 수 없는 이점을 제공한다.
섬유 보강 세라믹 복합체
셀룰로스계 섬유 보강 세라믹 복합체는 일반적으로 산-염기 전구체를 셀룰로스계 물질의 양보다 많은 양, 예를 들면 섬유의 약 35~40중량%의 양으로 사용하여 제조되는 물품으로 이해된다. 이 경우에, 더 적은 양의 셀룰로스계 물질이 상기 산-염기 전구체 분말/페이스트 중 하나 또는 모두와 혼합되어 펄프를 형성하고, 이어서 프레싱에 의해 성형된다. 얻어지는 생성물은 셀룰로스계 물질이 보강제로서 작용하는 경질의 고밀도 세라믹이다. 셀룰로스의 낮은 밀도 및 그것의 섬유 특성으로 인해, 얻어지는 생성물은 본래의 세라믹보다 가볍고, 셀룰로스계 물질을 포함하지 않은 취성 세라믹에 비해 우수한 파괴 인성(fracture toughness)뿐 아니라 굽힘성(flexural property)을 가진다. 경량성 및 높은 굽힘 강도는 또한 양호한 내충격성을 생성물에 부여한다. 하나 이상의 측면에 있어서, 그러한 섬유 보강 세라믹 복합체용 포뮬레이션 및 그것으로 제조된 물품이 본 명세서에 개시되고 기재되어 있다. 따라서, 셀룰로스계 물질이 세라믹 매트릭스의 충전재로서 사용되고, 셀룰로스계 물질의 로딩은 일반적으로 무기질 산성-알칼리성 전구체 성분보다 적다. 이러한 방법에 의해 제조된 세라믹 매트릭스는, 포스페이트, 옥시-클로라이드, 또는 옥시-설페이트 시멘트와 같은 시멘트질 무기 산-염기 시멘트에 비해 우수한 기계적 성질, 향상된 유연성 및 내충격성을 나타내며, 종래 발표된 방법 및 물질에 의해 제조된 것에 비해 더 균질하다.
본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 산성/알칼리성 성분 용액, 예를 들면 수용액은 셀룰로스 섬유와 함께 향상된 보강 세라믹을 제공할 수 있다.
무기질 섬유 복합체
무기질 산성/알칼리성 접착제로서 바인더를 가진 셀룰로스계 물질은, 예를 들면 무기질 산성/알칼리성 접착제를 사용하여 제조된 무기질 섬유 복합체로 일반적으로 이해되고, 여기서 셀룰로스계 물질은 상기 무기질 산성/알칼리성 접착제보다 많은 양으로 복합체에 존재한다. 예를 들면, 특정 측면에 있어서, 본 발명에 따른 무기질 섬유 복합체는 약 35~40중량%보다 많은 섬유를 복합체에 포함한다. 이 경우에, 상대적으로 적은 로딩의 무기질 산성/알칼리성 접착제가 셀룰로스계 물질 섬유와 혼합되어 펄프를 형성하고, 이것은 이어서 프레싱, 사출 성형 및 압출에 의해 성형된다. 얻어지는 생성물은 보강제로서 작용하는 세라믹을 구비한 셀룰로스계 물질이며, 그 결과 복합체는 높은 굽힘 강도, 높은 내충격성, 제로 가연성 및 우수한 단열성을 가질 수 있다.
얻어지는 생성물은, 섬유 보강 세라믹이든 무기질 섬유 복합체이든 간에, 고밀도이고, 내화성이며 매우 낮은 다공도를 가진다. 이들 물질은 비견되는 비-무기질 섬유 복합체와 유사하거나 더 우수한 기계적 성질을 나타내지만, 바람직한 성질로서 난연성이며, 휘발성 유기 화합물 방출이 전혀 없고, 유기 폴리머 복합체에 비해 훨씬 낮은 이산화탄소 배출량을 가진다.
무기질 산성 성분(A)
본 발명에 따른 무기질 산성/알칼리성 접착제의 제1 성분(A)은 산성전구체 성분이다. 일 측면에 있어서, 상기 산성 전구체 성분은 포스페이트, 옥시-클로라이드, 옥시-설페이트, 또는 이것들의 혼합물을 포함한다. 표 1은, 예를 들면 포스페이트, 및 옥시-클로라이드와 옥시-설페이트를 포함하는, 예시적인 무기질 산성 전구체 성분의 용해도를 수록한 것이다.
무기질 산성 전구체 성분 용해도(g/100cc) 용액 pH
인산이수소나트륨
(NaH2PO4ㆍ2H2O)		 71(0℃) 4.3-4.9
인산이수소암모늄
(NH4)H2PO4 		39.5(25℃) 4.4-4.8
인산이수소칼륨
(KH2PO4)		 25.1(25℃) 4.2
인산이수소칼슘
Ca(H2PO4)2ㆍH2O		 1.8(30℃) 2.5
인산이수소마그네슘
(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O)		 22.3(25℃) 2.5
모노알루미늄 포스페이트
(AlH3(PO4)2ㆍH2O)		 50 2
MgCl2 55.5(25℃) ≥7
MgSO4 37.4(25℃) ≥7
표 1. 산-인산염, 염화마그네슘 및 황산염의 용해도, 및 용액의 pH
표 1은 여러 가지 산-인산염, Mg의 염화물과 황산염이 상이한 용해도를 가지는 것을 나타낸다. 최대 용해도의 산-염을 이용하여, 최대량의 산-성분을 도입하여 바인더를 형성할 수 있다. "무기질 산성 성분"이라는 용어는 루이스산, MgCl2 및 MgSO4를 포함하고, 성분의 용액 pH에 의해 제한되지 않는다.
일 측면에 있어서, 무기질 산성 전구체는 인산 또는 산 포스페이트 염의 포화 용액을 포함하는 용액 또는 페이스트로서 제공된다. 상기 인산 또는 산 포스페이트 염은 1가의 알칼리 금속, 예컨대 나트륨(인산이수소나트륨, NaH2PO4), 칼륨(인산이수소칼륨, KH2PO4), 세슘(인산이수소세슘, CsH2PO4), 또는 임의의 2가 금속 또는 3가 금속, 예컨대 마그네슘(인산이수소마그네슘, Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 또는 칼슘(인산이수소칼슘, Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 또는 아연(인산이수소아연, Zn(H2PO4)2), 또는 3가의 금속, 예컨대 알루미늄(모노 알루미늄 하이드로 포스페이트, AlH3(PO4)2ㆍ2H2O)을 포함한다. 일 측면에 있어서, 인산이수소칼륨보다는 인산이수소나트륨을 사용하는 것이 바람직하다. 다른 측면에 있어서는, 인산이수소칼륨보다는 인산이수소알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. Na, K 또는 Mg와 같은 양이온은 접착제의 품질에 영향을 줄 수 있으므로, 양이온뿐 아니라 무기질 산성 전구체 용액의 용해도의 제어는 접착제를 최적화하도록 조절될 수 있다.
일 측면에 있어서, 산과 알칼리 용액의 pH를 조절함으로써 산-염기 반응의 정도를 높이는 방법이 제공된다. 산-인산염 전구체에 있어서, 용액의 산도를 증가시키기 위해 소량의 인산이 첨가되고, 그에 따라 산-인산염 성분의 인산염 함량(P2O5 함량)이 증가된다. 예를 들면, 인산이수소칼륨 산 전구체의 수용액을 사용하는 것은 그것의 용해도가 pH 약 4.2의 용액에서 약 20g/ml로 낮기 때문에, 본 발명에 따른 방법용으로는 별로 효율적이 아니다. 따라서, pH를 4 미만으로 낮추기 위해서, 소정량의 85중량% 포화 인산이 인산이수소칼륨 전구체 용액에 첨가된다. 바람직한 일 측면에 있어서, 인산이수소칼륨의 용액에 첨가되는 85중량% 포화 인산의 양은 인산이수소칼륨 전구체 용액 100g당 5g을 초과하지 않으며, 인산이수소칼륨 전구체 용액의 pH는 약 3이 목표치가 된다. 이러한 접착제에 있어서, pH를 약 4.2로부터 4 미만으로 조절하는 것은 인산염 함량을 충분히 증가시키며, 섬유 복합체 물품을 제조하기 위한 향상된 무기질 포스페이트 산-염기 접착제를 제공한다. 그러한 복합체 물품은 약 4.2보다 높은 pH를 가진 인산이수소칼륨 전구체 용액을 사용하여 제조된 복합체 물품보다 향상된 성질 및 성능 특성을 가진다.
일반적으로, 무기질 산성 전구체 용액의 pH는 약 0~6, 바람직하게는 약 3~5, 가장 바람직하게는 약 3~4.5 범위일 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 무기질 접착제를 제조하기 위한 pH 범위가 3 내지 5인 용액이 바람직한데, 그것은 이보다 낮은 pH에서는 그러한 용액이 매우 부식성이고, 상기 pH 범위보다 높으면 너무 느리게 반응하여 접착제를 형성하므로, 복합체 물품의 성능 특성을 저하시킬 수 있기 때문이다.
염화물 및 황산염 용액의 용해도를 조절하기 위해, 마찬가지로 옥시 클로라이드 및 옥시 설페이트 접착제의 제조시, 각각 염화수소산 및 황산이 사용될 수 있다.
알칼리성 성분(B)
본 발명에 따른 무기질 산성/알칼리성 접착제의 제2 성분은 알칼리성 전구체 성분(B)이다. 일 측면에 있어서, 상기 알칼리성 전구체 성분은 금속 수산화물 용액이다. 수산화물을 형성한다면, 특정한 산화물 출발 물질이 사용될 수 있다. 알칼리성 성분 용액의 예는, 제한되지는 않지만, 임의의 1가 또는 2가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬의 수산화물, 및 알루미늄, 철 또는 란탄의 산화물과 같은 3가의 산화물을 포함하는, 약한 용해성의 산화물 또는 수산화물을 완전히 또는 부분적으로 용해시킴으로써 제조되는 포화 용액 또는 페이스트를 포함한다. 일 측면에 있어서, 알칼리성 성분 용액은 산화물 또는 수산화물의 천연 광석의 광산으로부터 얻어진 수산화물 농후 염용액이거나, 또는 천연 광석으로부터 다른 맥석(gangue) 물질의 분리시 제조되는 유사한 용액이다. 또 다른 측면에 있어서, 알칼리성 성분 용액은 보크사이트로부터 알루미나를 분리하는 Bayer 공정중에 제조되는, 수산화알루미늄의 농후한 Bayer액이다. 바람직한 측면에 있어서, 알칼리성 성분 용액은 마그네슘 광석 적층물에 스팀 주입에 의해 얻어지는 수산화마그네슘 염용액이다. 표 2는 여러 가지 수산화물의 수성 포화 농도 및 그것의 수용액의 pH를 제공한다. 최대 용해도의 수산화물 용액이 일반적으로 알칼리성 성분용으로 바람직하다.
수산화물 포화 농도
(g/100cc) 		pH
수산화나트륨(NaOH) 108(20℃) ＞13
수산화칼륨(KOH) 112(20℃) ＞13
수산화칼슘(Ca(OH)2) 0.17(10℃)(Ksp=5.5*10-6) ＞13
수산화마그네슘(Mg(OH)3) 0.00125(Ksp=5.61*10-12) 10.45
수산화아연(Zn(OH)3) 0.000353(Ksp=3*10-17) 8.85
수산화바륨(Ba(OH)2ㆍ8H2O) 3.89(20℃) ＞12
수산화알루미늄(Al(OH)3) 0.0001(Ksp=1.3*10-33) ~7
수산화철(Fe(OH)3) 0.00015(Ksp=2.79*10-39) ~7
표 2. 수용액 중 수산화물의 포화 농도 및 그것의 pH
알칼리성 전구체 성분에 대해서, 용해도는 pH를 높임으로써 증가될 수 있다. 몇몇 수산화물은 자연적으로 높은 pH와 높은 용해도를 가진다. 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 그러한 수산화물이다. 수산화마그네슘(Mg(OH)2)도 유효하다. 그러나, 용해도가 약 10보다 낮으면, 수산화물 성분의 용해도를 증가시키기 위해 NaOH나 KOH와 같은 알칼리성 수산화물을 첨가하는 것이 바람직하다. 필요한 알칼리성 수산화물의 양은 일반적으로 작고, 따라서 얻어지는 복합체 물품의 화학적 성질을 크게 변화시키지 않는다. 일 측면에 있어서, 알칼리성 전구체 용액의 pH는 약 8~14, 바람직하게는 약 9~12, 가장 바람직하게는 약 10~11 범위이다. 매우 알칼리성인 생성물을 취급하는 것이 어렵기 때문에, 하나 이상의 측면에 있어서, 약 11의 최대 pH가 알칼리성 성분 전구체 용액에 대해 제공된다. 실험 섹션에서 설명하는 바와 같이, 약 10.2의 pH를 가지는 수성 마그네슘 염용액은 본 발명에 따른 방법에서 알칼리성 성분 전구체로서 매우 유용하다.
무기질 산성/알칼리성 접착제
전술한 무기질 산성 전구체 성분을 알칼리성 전구체 성분과 조합함으로써 무기질-유기질 복합체를 제조하기 위한 효과적인 무기질 접착제가 제공된다. 바람직한 일 측면에 있어서, 전구체 용액은 산성 전구체와 알칼리성 전구체의 최대량이 특정 전구체 용액 중에 용해되도록 조절된다. 전구체 성분들의 최대 용해도를 제공하는 범위의 산성 및 알칼리성 용액이 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 전구체들 중 하나 또는 모두가 가열될 수 있다.
용해도 및/또는 pH에 대해서 무기질 산성 성분 전구체와 알칼리성 성분 전구체 용액이 최적화되면, 전구체 용액들을 조합함으로써 유기 복합체 물품용으로 유용한 무기질 접착제가 제공된다. 이들 성분의 적합성과 비율 및 그것들의 상용성(compatibility)은 일반적으로 대응하는 산-염기 반응의 화학양론에 의해 좌우된다. 표 3은 이러한 조합 및 얻어지는 무기질 접착제를 위한 화학식을 종합적으로 나타낸다.
표 3에서, 반응을 개시하기 위해 첨가되거나 또는 반응중에 형성된 물은 결합수(bound water)로서 결정 구조 내에 부분적으로 유입될 수 있다. 표 3은 그 두 가지 물을 구분하지는 않지만, 유리 상태의 물은 생성물이 건조될 때 증발되고 결합수는 구조 내에 잔류할 것이므로 그러한 구분이 별로 중요하지 않다. 유기 인산염 생성물 중 결합수의 양은 시차 주사 열량법과 같은 분석적 수단을 이용하여 정성적 또는 정량적으로 판정될 수 있다.
성분 일반식 예


1가 및 2가의
금속 산화물, 및
1가 및 2가의
금속 인산염

 sAm (3-m)+Bs(H2PO4)s =
B(A3-mPO4)s+sH2O

A는 m=1 또는 2의
원자가를 가짐.
B는 s=1 또는 2의
원자가를 가짐.
 m = 1, s = 1
Na2O+KH2PO4 = Na2KPO4+H2O
m = 2, s = 1
MgO+KH2PO4 = MgKPO4+H2O
m = 2, s = 2
2ZnO+Mg(H2PO4)2 = Mg(ZnPO4)2+2H2O
m = 1, s = 2
2K2O+Mg(H2PO4)2 = Mg(K2PO4)2+2H2O


1가 및 2가의
금속 수산화물, 및
1가 및 2가의
금속 인산염

 (2s/m)Am(OH)m+
Bs(H2PO4)s =
B(A(2/m)PO4)s+2sH2O

A는 m=1 또는 2의
원자가를 가짐.
B는 s=1 또는 2의
원자가를 가짐.		 m = 1, s = 1
2NaOH+KH2PO4 = Na2KPO4+2H2O
m = 2, s = 1
Mg(OH)2+KH2PO4 = Mg2KPO4+2H2O
m = 2, s = 2
2Zn(OH)2+Mg(H2PO4)2 = Mg(ZnPO4)2+4H2O
m = 1, s = 2
4KOH+Mg(H2PO4)2 = Mg(K2PO4)2+4H2O
1가 및 2가의
금속 산화물, 및
3가의
금속 인산염		 3Am (2/m)O+2B3H3(PO4)s= (2/m)A3Bm(PO4)s+3H2O

A는 m=1 또는 2의
원자가를 가짐.
B는 원자가 3을 가짐.		 m = 1
3K2O+2AlH3(PO4)2 = 2AlK3(PO4)2+3H2O
m = 2
3MgO+AlH3(PO4)2 = Al2Mg3(PO4)2+3H2O

4가의
금속 수산화물, 및
2가의
금속 인산염

 4가의 산화물
sAO2+Bs(H2PO4)s=
B(AOPO4)s+sH2O
A는 4 및 s=1 또는
2의 원자가를 가짐.		 s = 1
ZrO2+KH2PO4 = ZrOKPO4+H2O
s = 2
2ZrO2+Mg(H2PO4)2 = Mg(ZrOPO4)2+2H2O
4가의 산화물
sA(OH)4+B(H2PO4)s=
B[A(OH)2PO4)s+2sH2O
A는 4 및 s=1 또는
2의 원자가를 가짐.		 s = 1
Zr(OH)4+KH2PO4 = Zr(OH)2KPO4+2H2O
s = 2
2Zr(OH)4+Mg(H2PO4)2 = Mg[Zr(OH)2PO4)2]2+4H2O
표 3. 본 발명에 따른 방법에 적합한 산-염기 반응의 예
표 3에는, 나트륨(Na), 칼륨(K), 또는 암모늄(NH4)과 같은 1가 원소의 적합한 예가 열거되어 있다. 마찬가지로, 주된 2가 원소의 적합한 예로서 마그네슘, 칼슘, 아연, 구리, 바륨, 란탄 등이 사용될 수 있고, 3가 원소는 알루미늄, 철 등이고, 4가 원소의 예는 지르코늄(Zr)이다. 이것들은 접착제를 형성하기에 적합한 원소의 예로서 열거되어 있지만, 전술한 조합용으로 적합한 다른 원소들도 사용될 수 있다.
일 측면에 있어서, 산성/알칼리성 전구체를 포함하는 저원자량 및 고원자량 원소의 조합을 사용하여, 예를 들면, 하나의 복합체 물품에서 중성자 방사선과 감마 방사선 모두에 대한 향상된 방사선 차폐성을 가진 무기질 복합체를 제공할 수 있다. 예를 들면, 중성자와 감마 입자 모두를 차폐하기 위한 전구체 성분에 바륨과 란탄 원소를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분 접착제 중 하나 또는 둘 모두는 바람직하게는 수용액으로부터 형성될 수 있다. 일 측면에 있어서, 하나 또는 둘 모두의 전구체의 평균 입자 크기는, 현탁액이나 겔 형태로 또는 페이스트로서 사용될 경우에, 40㎛ 미만, 30㎛ 미만, 20㎛ 미만, 10㎛ 미만, 1㎛ 미만, 0.1㎛ 미만 내지 약 0.01㎛이다. 그러한 입자 크기는 체질(sieving) 또는 해당 기술에 공지되어 있는 다른 방법을 이용하여 얻어질 수 있다.
상기 유기 물질이 셀룰로스를 포함할 때, 일반적으로 무기질 접착제의 성분들은, 셀룰로스 반복 단위의 하이드록시기/카르복시기와 접착제의 무기질 성분들간의 화학적/비화학적 상호작용, 예를 들면 수소 결합 및/또는 다른 결합에 의해 목재/섬유의 셀룰로스 도메인 표면 또는 내부에 유지되는 것으로 생각된다. 무기질 산성/알칼리성 바인더를 포함하는 최종적 복합체 생성물은 마찬가지로, 반응 및 경화시 셀룰로스와의 수소 및 에테르 결합을 제공하는 것으로 생각된다. 그러한 결합을 형성하는 데 필요한 에너지는 발열성 산-염기 상호작용에 의해 생성된 에너지 및/또는 외부의 소스(외부 가열)로부터 제공될 수 있다.
천연 섬유 벽판용 접착제로서 전분의 사용 또는 제지용 탄산칼슘의 사용은 알려져 있다. 그러나, 접착제로서 전분과 탄산칼슘은 수분에 의해 쉽게 영향을 받고, 생성물은 습윤되면 일체성을 상실한다. 반면에, 본 발명에 따른 무기질 산성/알칼리성 접착제 용액은 낮은 점도를 나타내므로, 셀룰로스계 물질의 셀을 함침시킬 수 있다. 무기질 산성/알칼리성 접착제 용액은 셀룰로스계 물질의 공극 내의 모세관 작용에 의해 용이하게 상승하여 셀룰로스계 물질의 단위 체적당 큰 결합 면적을 가진 복합체 물품을 제공한다. 따라서, 무기질 산성/알칼리성 접착제 용액을 사용하여 매우 높은 섬유의 로딩을 달성할 수 있고, 얻어지는 복합체 물품은 이하에 더욱 설명하는 바와 같이 특정한 용도의 유기계 섬유 복합체에 비해 더 우수한 기계적 및 물리적 성질을 나타낸다.
무기 유기질 복합체 생성물의 제조 방법
이하의 설명은 통상적인 실시 방법을 나타내는 것으로, 복합체 생성물을 다루는 산업에서의 예로서 제시되며, 본 발명에 따른 물질의 응용 분야를 제한하는 것은 아니다. 본 명세서에 제시된 물질과 조성물은 매우 다목적이며, 다양한 기술에 의해 신규 복합체를 제조하는 데 이용될 수 있고, 이는 본 명세서에 제시되는 물질과 조성물의 이점 중 일부를 입증하는 것일 뿐이다. 유기 물질로서 셀룰로스가 예시된다.
하나 이상의 측면에 있어서, 먼저 무기질 산성 전구체 용액 또는 알칼리성 전구체 용액 중 어느 하나에서 셀룰로스계 물질을 혼합하는 단계, 및 제1 전구체 용액을 제2 전구체 용액과 접촉시켜 산 염기 반응을 개시하는 단계를 포함하는 복합체의 제조 방법이 제공된다. 또 다른 측면에 있어서, 상기 반응시 압력과 온도를 적용하여 성형하는 방법이 개시된다. 이러한 방법은, 기하학적 형상을 가진 개방형 몰드에서 상기 반응 조성물의 직접 프레싱, 압출, 진공 성형, 사출 성형 및 플라스틱 공업에서 사용되는 임의의 다른 형태의 성형 공정을 포함한다. 이러한 공정에 이어서, 제어된 조건 하에 추가로 경화시키는 공정이 포함될 수 있다.
일 측면에 있어서, 상기 무기질 산성 전구체와 알칼리성 전구체 성분 베이스를 조합하여 셀룰로스계 물질을 결합시키는 산-염기 반응을 제공함으로써 무기질 바인더를 형성하여 무기질 섬유 조성물을 생성하는 방법이 개시되고 기재된다. 상업적 섬유 복합체에 사용되는 유기 폴리머계 물질과는 달리, 이러한 무기질 산성/알칼리성 전구체 접착제는 휘발성 유기 화합물을 생성하지 않으며, 그것의 이산화탄소 방출량은 통상적인 유기 바인더에 비해 현저히 낮다. 얻어지는 무기질-셀룰로스계 복합체는 제로 화염 확산을 나타내고, 단열성이고 난연성인 물질이다. 상기 복합체는 유기 바인더를 사용하여 제조되는 대응 복합체에 비해 우수한 기계적 성질을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 무기질 셀룰로스계 복합체의 바람직한 성형 방법은 개방형 프레싱 또는 압축 성형, 진공 함침, 사출 성형 및 압출이다. 상기 개시된 무기질 접착제가 개방형 몰드 프레스에서 사용될 때, 먼저 셀룰로스계 물질을 산성 전구체 또는 알칼리성 전구체 용액 중 어느 하나로 완전히 습윤시킨다. 습윤된 셀룰로스계 물질은 이어서 몰드에 넣어지고, 성형 전에 제2 용액이 도입된다. 압력이 동시에 인가되어 과량의 용액을 스퀴징한다. 얻고자 하는 생성물 밀도에 따라, 압력은 밀도가 0.5g/㎤ 내지 1.5g/㎤인 생성물이 제조될 수 있도록 조절될 수 있다. 밀도가 상대적으로 낮은 무기질 복합체 물품은 일반적으로 낮은 열 전도도를 제공하므로, 높은 단열 제품으로서 유용하다. 밀도가 상대적으로 높은 복합체 물품은 양호한 구조적 일체성과 강도를 제공한다. 복잡한 형상의 무기질 복합체 물품을 제조하기 위해, 간단한 성형 기술이 사용될 수 있다. 예를 들면, 섬유의 펄프와 산-염기 페이스트를 몰드에 도입하고, 펄프를 몰드의 형상으로 경화시킨다. 이어서, 탈형하여 얻고자 하는 생성물을 얻는다. 몰드 내 혼합물의 온도는 일반적으로 접착제 전구체 성분들이 반응하여 바인더가 형성됨에 따라 상승한다. 일반적으로, 본 발명에 따른 무기질 접착제를 사용하여 제조된 물품은 약간 과량의 물을 함유할 수 있는데, 이것은 샘플을 약 400℉로 가열함으로써 제거될 수 있다. 그러나, 섬유 보강 세라믹 복합체에 의해 제조된 생성물은 과량의 물이 없이 경화되므로, 추가적 건조 공정이 필요없다.
또 다른 측면에 있어서, 셀룰로스 섬유를 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분으로 함침시키기 위해 진공 함침이 사용된다. 이 방법에서, 얻고자 하는 형상의 몰드에 셀룰로스를 도입하고, 몰드 내에 진공을 생성시키고, 바람직하게는 2개의 분리된 입구를 통해 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분을 몰드에 밀어넣는다. 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분은 셀룰로스의 존재 하에 혼합되고, 이어서 인출된다. 상기 두 용액은 독립적으로 및/또는 조합하여 셀룰로스 섬유를 습윤시키고, 산-염기 반응은 복합체의 바인더를 형성한다. 이 방법에 의해 임의의 원하는 형상이 제조될 수 있다. 다른 측면에 있어서, 진공을 이용하지 않고 개방형 몰드가 사용될 수 있다.
진공 함침 공정에 있어서, 셀룰로스계 물질을 몰드에 넣고, 산성 또는 알칼리성 전구체 용액 중 어느 하나를, 예를 들면 진공 펌프를 사용하여, 셀룰로스계 물질 내에 강제 주입한다. 제1 전구체 용액은 셀룰로스계 물질을 습윤시키고, 또한 몰드의 형태로 성형할 것이다. 과량의 용액은 함침시 인출된다. 이어서, 제2 전구체 용액이 습윤 물질 내에 동일한 방식으로 강제 주입된다. 전구체는 셀룰로스계 물질 내에서 반응하여 응고된다. 선택적으로, 몰드는 반응의 가속화 및/또는 성형체의 건조를 위해 동시에 가열될 수 있다. 또 다른 측면에 있어서, 두 전구체 용액 모두는 무기질 산성 및 알칼리성 전구체 용액을 위한 복수 개의 입구를 이용하여 셀룰로스계 물질에 동시에 도입되고, 모두 섬유를 습윤시켜 반응을 개시한다.
사출 성형에 있어서, 톱밥 또는 목분이 무기질 산성 또는 알칼리성 전구체 제1 용액으로 습윤되고, 깔때기를 통해 스크류 믹서에 공급된다. 대응하는 제2 전구체 용액은 또 다른 깔때기를 통해 이 믹서에 공급되고, 여기서 두 스트림은 균일하게 혼합된다. 얻어지는 펄프는 이어서 얻고자 하는 형상의 몰드 내에 주입된다. 신속-사출 성형에서는, 세 성분(무기질 산성 및 알칼리성 성분 및 목재)을 모두 하나의 깔때기에서 혼합하여 몰드에 주입하는 것도 가능하다. 필요할 경우에는 적당한 열이 적용될 수 있지만, 앞에 제시된 대부분의 조성물은 실온 경화성 물질이므로, 가열 단계는 배제될 수 있다.
천연 섬유로 된 직조 매트를 깔고, 이어서 상기 무기질 접착제를 상기 매트의 층을 통해 주입함으로써 사출 성형이 이용될 수도 있다. 상기 매트는 얻고자 하는 형상의 몰드에 적층될 수 있고, 따라서 매우 높은 유연성과 강도를 나타내는 임의의 형상을 가진 섬유 보강 생성물을 생성할 수 있다.
전술한 방법에 있어서, 셀룰로스계 물질은 먼저 산성 전구체 또는 알칼리성 전구체 용액 중 어느 하나와 접촉되고, 이어서 각각의 제2 전구체 용액과 접촉될 수 있다. 셀룰로스와 전구체 용액의 접촉은 압력 및 고온을 적용하는 동안 이루어질 수 있다. 셀룰로스계 물질을 담그기 위해 사용되는 전구체 용액에 의한 접촉의 순서는 선택되는 셀룰로스계 물질의 pH에 의존한다. 예를 들면, 헤미셀룰로스 및 추출가능 물질의 일부를 제거하기 위해 처리되는 셀룰로스계 물질에 대해서는 알칼리성 전구체 성분을 먼저 첨가하는 것이 바람직하고, 산으로 전처리되는 셀룰로스계 물질에 대해서는 무기질 산성 전구체 성분을 먼저 첨가하는 것이 바람직하다.
다른 측면에 있어서, 상기 무기질 전구체 성분과 셀룰로스계 물질을 사용하는 통상적 추출 기술을 사용하여 포장 제품 또는 단열 제품과 같은 경량 제품을 제조할 수 있다. 따라서, 무기질 산성 및 알칼리성 전구체 용액을 목분 또는 셀룰로스 분말과 예비 혼합함으로써 펄프를 제조할 수 있다. 이 혼합물에 의해 형성된 펄프는 높은 rpm 혼합을 이용하여 추출될 수 있다. 선택적으로는, 반응 속도를 지연시키기 위해 소량의 붕산을 첨가할 수 있다.
알칼리성 또는 산성 전구체 성분 또는 이것들의 혼합물로 셀룰로스계 물질을 습윤시키기 위해 음파 믹서를 사용할 수 있고, 개방형 몰드와 함께, 진공 성형 또는 압출함으로써 복합체 물품을 제조할 수 있다. 음파 믹서를 사용함으로써 셀룰로스의 더 양호한 습윤 및 섬유의 모세관 내로 무기질 접착제의 향상된 함침을 달성할 수 있다.
일 측면에 있어서, 굽힘 강도를 제공하기 위해, 셀룰로스계 물질과 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분을 압출할 때, 약 1~15중량%로 소량의 목재 섬유가 첨가된다. 이보다 많은 양의 섬유를 사용하면, 스크류에서 섬유가 엉키게 되어, 압출기의 기능을 저해할 수 있다. 그러나, 다른 제조 방법에 있어서, 복합체 물품의 성질을 조절할 필요에 따라 더 많은 양의 섬유를 첨가할 수 있다.
사용되는 무기질 산성/알칼리성 성분의 총량을 감소시킬 수 있도록, 산화물 미네랄과 같은 활성 충전재가 무기질 접착제 조성물 중에 사용될 수 있다. 이러한 충전재는 예를 들면, 울라스토나이트(CaSiO3), 비산회, 저부회, 마그네슘 실리케이트, 탈크, 멀라이트, 또는 산-인산염에서 적어도 약한 용해도를 나타내는 임의의 미네랄을 포함한다. 일반적으로, 용해된 활성 충전재만이 바인더 결합 셀룰로스를 형성하는 것으로 생각된다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1~4는 무기질 복합체의 여러 가지 제조 방법을 예시한다. 도 1은 셀룰로스계 물질이 단계(110)에서 제공되고, 단계(120)에서 처리되는 공정(100)을 나타낸다. 산성 셀룰로스계 물질은 단계(130)에서 무기질 산성 전구체 성분(A)과 혼합된다. 산성 무기질 펄프가 단계(140)에서 제조된다. 펄프는 단계(150)에서 알칼리성 성분 전구체(B)와 접촉하여 전구체 성분들의 산-염기 반응을 일으키고, 이어서 성형 단계(160) 및 복합체 형성 단계(단계(170))가 이어진다.
도 2는, 단계(210)에서 셀룰로스계 물질이 제공되고, 단계(220)에서 알칼리 처리되는 공정(200)을 나타낸다. 알칼리성 셀룰로스계 물질은 단계(230)에서 알칼리성 전구체 성분(B)과 혼합된다. 단계(240)에서 알칼리성 펄프가 제조된다. 상기 펄프는 단계(250)에서 무기질 산성 성분 전구체(A)와 접촉되어 전구체 성분의 산-염기 반응을 일으키고, 이어서 성형 단계(260) 및 복합체 형성 단계(단계(270))가 이어진다.
도 3은, 무기질 산성 전구체 성분(A)(310), 알칼리성 전구체 성분(B)(320)이 단계(330)에서 혼합되어 슬러리를 제공하고, 이어서 단계(340)에서 셀룰로스계 물질과 조합된 다음, 성형 단계(350)(예; 400℉로 가열됨) 및 복합체 형성 단계(단계(360))가 수행되는 공정(300)을 나타낸다. 예를 들면, 공정(300)은 성분(B)로서 산화알루미늄 및 표 1의 산-인산염 용액 중 어느 하나를 사용하여 수행될 수 있다.
도 4는, 무기질 산성 전구체 성분(A)(410), 셀룰로스계 물질(430) 및 알칼리성 전구체 성분(B)(420)이 단계(440)에서 혼합되어 슬러리를 제공하고, 성형 단계(450) 및 복합체 형성 단계(단계(460))가 수행되는 공정(400)을 나타낸다. 공정(400)은, 예를 들면, 셀룰로스계 물질이 유일한 충전재인, 섬유 보강 세라믹 조성물의 제조 공정에서, 일반적으로 셀룰로스계 물질을 용액이 아닌 무기질 산성 및 알칼리성 분말 페이스트와 혼합할 때 수행된다.
도 5~6은 셀룰로스계 물질과 혼합된 중간 전구체 성분 물질을 제조하는 상이한 방법들을 예시한다. 따라서, 도 5는 셀룰로스계 물질(510)과 무기질 산성 전구체 성분(A)이 단계(520a)에서 혼합되어 중간 무기질 산성-셀룰로스계 물질(530a)을 제공하는 공정(500)을 나타낸다. 마찬가지로, 셀룰로스계 물질(510)과 알칼리성 전구체 성분(B)이 단계(520b)에서 혼합되어 중간 알칼리성-셀룰로스계 물질(530b)을 제공한다. 중간체(530a, 530b)는 단계(540)에서 혼합되고, 이어서 성형 단계(550) 및 복합체 형성 단계(단계(560))가 수행된다.
도 6은, 셀룰로스계 물질(610)과 무기질 산성 전구체 성분(A)이 단계(620a)에서 혼합되어 중간 무기질 산성-셀룰로스계 물질(630a)을 제공하고, 이것은 단계(640)에서 건조되어 물질(650a)을 제공하는 공정(600)을 나타낸다. 마찬가지로, 셀룰로스계 물질(610)과 알칼리성 전구체 성분(B)이 단계(620b)에서 혼합되어 중간 알칼리성-셀룰로스계 물질(650b)을 제공하고, 이것이 단계(640)에서 건조되어 물질(650b)을 제공한다. 중간체(650a, 650b)는 단계(660)에서 혼합되고, 사용될 때까지 저장될 수 있다. 단계(670)에서 수성 매체, 예를 들면 물 또는 스팀이 첨가된 후, 성형 단계(680)와 복합체 형성 단계(단계(690))가 수행될 수 있다.
도 7은, 예를 들면, 목재 프레임(도시되지 않음) 주위를 둘러싸고 있는 섬유 매트(750)를 사용하고, 이어서 본 명세서에 기재된 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분 조성물을 사용하여 양면에 층(760)을 형성함으로써 제조된 무기질 세라믹 샌드위치 패널의 구조를 나타낸다. 이 공정중에 포획된 공기는 향상된 단열성을 제공한다. 다른 측면에 있어서, 단열용 코어로서 섬유 복합체가 사용될 수 있다.
도 8은, 전술한 무기질 접착제 조성물을 사용하여 화염 확산이 없는 종이 또는 포장 제품의 제조 공정을 개략적으로 나타내는 공정(800)을 나타낸다. 스톡 슬러리(810)는 물로 충분히 습윤되고(예를 들면, 얇은 2차원 형태로 감길 수 있도록), 과량의 물은 단계(820)에서 제거된다(예를 들면, 중력식 제거). 단계(840)에서 셀룰로스계 물질의 습윤 웹에 알칼리성 전구체 성분(B)이 도입되고, 이어서 습식 프레싱 섹션(단계(850))을 통과한다. 단계(860)에서 무기질 산성 성분(A)이 도입된다. 공정 단계(870, 880, 890, 895)는 각각, 물의 제거와 함께 선택적 가열, 칼렌더링(calendaring), 릴링(reeling), 및 건조를 제공한다. 이러한 후반부 단계는 습윤 셀룰로스 웹에서 2차원 형태로 산/염기 반응을 개시하는 데 도움을 준다. 얻어지는 생성물은 생성물의 두께에 따라, 화염 확산이 없는 종이 또는 포장제이다.
본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 산성/알칼리성 전구체 접착제를 사용함으로써 제조된 화염 확산 없는 종이를 제조하기 위한 공정(800)의 변형은, 먼저 묽은 무기질 산성 성분 전구체 용액 중에서 셀룰로스계 물질 섬유를 접촉시키는 단계(예를 들면, 담금)를 포함한다. 얻어지는 묽은 슬러리는 스크린을 통과하여 과량의 산성 용액이 제거된다. 다음으로, 습윤 섬유는 알칼리성 전구체 용액과 접촉(예를 들면, 분무)되고 건조된다. 과량의 무기질 산성 용액은 다음 배치의 종이를 제조하기 위해 이제 재순환된다. 마찬가지로, 또 다른 측면에 있어서, 공정(800)은 먼저 섬유를 알칼리성 전구체 용액으로 습윤시킨 다음, 무기질 산성 전구체 용액과 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 측면에 있어서는, 먼저 산성 용액으로 섬유를 습윤시킨 다음, 산성 용액을 재순환시키는 것이 보다 경제적일 수 있다.
도 9는, 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 산성/알칼리성 전구체 접착제를 셀룰로스계 물질과 함께 사용하는 사출 성형 공정(900)을 나타낸다. 셀룰로스계 물질(910) 및 무기질 산성 전구체 성분(A)은 단계(920a)에서 혼합되어 중간 무기질 산성-셀룰로스게 물질(930a)을 제공하고, 이것은 단계(940)에서 건조되어 물질(950a)을 제공한다. 마찬가지로, 셀룰로스계 물질(910)과 알칼리성 전구체 성분(B)은 단계(920b)에서 혼합되어 중간 알칼리성-셀룰로스계 물질(950)을 제공하고, 단계(640)에서 건조되어 물질(950b)을 제공한다. 중간체(950a, 950b)는 단계(960)에서 혼합되고, 사용될 때까지 저장될 수 있다. 건조된 중간체는 사출 성형기의 깔때기(905)에 도입되어, 히터(915)를 통해 선택적으로는 수성 매체 또는 스팀과 함께 가열되는 스크류 피더를 통해 공급되고, 노즐(925)을 통해 클램핑 유닛(955) 및 플레이트(965, 975, 985)를 통해 압축되면서 몰드(935) 내로 주입되어, 얻고자 하는 형상의 복합체를 형성하고, 이것은 이젝터(995)를 통해 방출된다. 피더의 압력과 오리피스를 변경함으로써 복합체 물품의 밀도, 균질성 및 점도와 같은 물질 특성을 조절할 수 있다.
용도 및 생성물
본 발명에 따른 물질과 방법을 이용하여, 소정 범위의 구조적 물질 및 생성물을 제조할 수 있다. 이러한 생성물은 모두, 유기 폴리머와 천연 섬유의 복합체로부터 제조되는 기존의 상업적 제품에 비해 독특한 특성을 가진다. 이들 특징으로는: 보다 균질한 세라믹 바인더; 제로 화염 확산; 휘발성 유기 화합물(VOC)의 방출 제로; 낮은 수분 흡수성; 낮은 이산화탄소 방출량; 낮은 가공비; 및 서비스의 종료 시점에서 안전한 폐기가 포함된다.
배향된 스트랜드 보드(OSB) 또는 중간 밀도 섬유(MDF) 보드와 같은 유기 폴리머와 천연 섬유를 기재로 하는 대부분의 통상적 복합체는 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질 산성/알칼리성 접착제 및 얻어지는 세라믹 바인더를 사용하여 제조할 수 있다. 그러나, 무기질 산성/알칼리성 접착제에 고유한, 이하에 설명하는 추가적 용도 및 생성물이 존재한다. 예를 들면, 비연소성 벽판, 성형된 복합체 부품, 내화성 종이 및 포장제, 경량의 취입가능한 단열재가 그것이며; 비연소성 벽판은 본 발명에 따른 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분 접착제를 사용하여 제조될 수 있다. 이들 생성물의 내부 코어는 무기질 접착제에 의해 결합된 섬유 복합체에 의해 제조되고, 외벽은 본 명세서에 개시되고 기재된 섬유 보강 세라믹 복합체 또는 종이에 의해 제조된다. 회분(ash), 울라스토나이트, 또는 임의의 다른 저가의 반응성 충전재와 같은 충전재가 사용될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 목재 프레임의 양측에 연장되는 셀룰로스 섬유의 직조된 매트로 구성되고, 포스페이트 또는 옥시 클로라이드 또는 옥시 설페이트 산-알칼리성 성분 페이스트가 분무되어 단열 벽판 또는 타일이 형성되어 있는 벽판과 단열 타일이 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 무기질 접착제를 사용하여 사출 또는 압출 기술에 의해 성형된 복합체 부품을 제조할 수 있다. 섬유 보강 세라믹 복합체를 포함하는 유사한 물품도 간단한 실온 성형 기술을 이용하여 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 의해 무기질 접착제 조성물을 사용하여 제조될 수 있는 복잡한, 비연소성 물품, 부품 및 구조적, 장식용 컴포넌트의 예는, 가구, 도어, 도어와 윈도우 프레임, 캐비넷류, 기존 목재 제품에 대한 교체품, 목재 바닥, 지붕 널판지 비연소성 사이딩 및 목재 바닥, 벽과 바닥 타일, 배향된 스트랜드 보드(OSB), 중간 밀도 섬유(MDF) 보드, 고밀도 섬유 보드, 파티클 보드, 및 건축 공업에서 사용되는 임의의 다른 목재 컴포넌트를 포함한다.
귀중한 상품, 보전용 문서의 포장에 유용한 내화성 종이 및 포장제도 본 발명에 따른 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분 접착제를 사용하여 제조될 수 있다. 내화성을 가진 상업용 또는 주거용 박막 내증기성 시팅(sheeting)/래핑(wrapping)도 본 발명에 따른 방법 및 조성물을 이용하여 제조될 수 있다. 그러한 종이 및/또는 종이 제품을 제조하기 위한 공정의 예가 도 8에 예시되어 있다.
쇄단 종이 또는 대팻밥 또는 톱밥, 또는 다른 유사한 셀룰로스계 물질을 사용하여, 본 발명에 따른 접착제 조성물로 상기 재료를 느슨하게 결합시킴으로써 경량의 취입가능한 단열재도 본 발명에 따른 방법 및 조성물에 의해 제조될 수 있다. 일 측면에 있어서, 무기질 접착제는 적용 직전에 혼합되고, 충분한 공기를 생성물에 내포시켜 취입가능한 단열재를 형성한다.
풍력 발전용 터빈용 블레이드를 본 발명에 따른 방법 및 조성물을 사용하여 제조할 수 있다. 따라서, 통상적 유리-섬유 보강 에폭시 또는 페놀계 폴리머 복합체 물질은 본 발명에 따른 무기질 바인더/셀룰로스계 물질 복합체 조성물 및 방법에 의해 변형 또는 대체될 수 있다.
이상과 같이 제시된 생성물 및 용도는 본 명세서에 제시된 물질 및 방법 또는 그의 적용에 의해 제조될 수 있는 생성물의 범위를 제한하는 것이 아니며, 전술한 생성물과 용도에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
첨가제
본 발명에 따른 무기질 접착제는 선택적으로 하나 이상의 첨가제, 예를 들면 계면활성제(음이온성, 양이온성, 양쪽성, 또는 비이온성), 가소제, 침강제, 레올로지 개질제 및/또는 현탁제, 소포제 및/또는 조류 방지제(anti-algae agent)를 포함할 수 있다.
적합한 음이온성 계면활성제는, 예를 들면, 퍼플루오로옥타노에이트(PFOA 또는 PFO), 퍼플루오로옥탄술포네이트(PFOS), 소듐 도데실 설페이트(SDS), 암모늄 라우릴 설페이트, 알킬 설페이트염, 소듐 라우릴 에테르 설페이트(SLES), 알킬 벤젠 술포네이트, 및 비누 또는 지방산염을 포함한다. 적합한 양이온성 계면활성제는, 예를 들면, 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB), 알킬 트리메틸암모늄염, 세틸피리디늄 클로라이드(CPC), 폴리에톡시화 탤로우 아민(POEA), 벤즈알코늄 클로라이드(BAC), 및 벤즈에토늄 클로라이드(BZT)를 포함한다. 적합한 양쪽성 계면활성제는, 예를 들면, 도데실 베타인, 코카미도프로필 베타인, 및 코코 암포 글리시네이트를 포함한다. 적합한 비이온성 계면활성제는, 예를 들면, 알킬 폴리(에틸렌 옥사이드), 알킬페놀 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴록사머 또는 폴록사민(폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리프로필렌 옥사이드의 코폴리머), 옥틸 글루코사이드, 데실 말토사이드, 세틸 알코올, 올레일 알코올, 및 도데실 디메틸아민 옥사이드를 포함한다. 다른 계면활성제를 단독으로, 또는 상기 계면활성제와 조합하여 사용할 수 있지만, 상기 계면활성제 중 많은 것이 특정한 무기질 접착제 전구체에 대한 성능이나 기능면에서 두드러진 차이를 나타내지 않았다. 따라서, 계면활성제의 특별한 선택은 조성물에 의존하며, 따라서 어느 특정 포스페이트 세라믹 포뮬레이션에 대해 단정할 수 있는 것은 아니다.
적합한 가소제는, 예를 들면, 프탈레이트, 트리멜리테이트, 지방족 이염기 에스테르, 포스페이트, 에폭사이드 또는 폴리에스테르를 포함한다. 가소제의 적합한 예는, DOP(디(2-에틸헥실)프탈레이트), DINP(디(이소노닐)프탈레이트), TOTM(트리스(2-에틸헥실)트리멜리테이트), TINTM(트리스(이소노닐)트리멜리테이트), DOA(디(2-에틸헥실)아디페이트), DINA(디(이소노닐)아디페이트), DOZ(디(2-에틸헥실)아젤레이트), 및 DOS(디(2-에틸헥실)세바케이트)를 포함한다. 다른 가소제를 단독으로, 또는 상기 가소제와 조합하여 사용할 수 있다.
침강 방지제는, 예를 들면, 소야-레시틴(soya-lecithin), 알루미늄 스테아레이트, 스테아레이트 코팅된 탄산칼슘, 변형 피마자유 또는 지방산, 디펜텐, 송유(pine oil), 메틸 에틸 케톡심, 디-이소부틸렌-말레익 분산액, 암모늄 폴리아크릴레이트, 변형 소야 레시틴 에멀젼, 폴리카프로락톤폴리올-폴리에틸렌이민 블록 코폴리머, 폴리카프로락톤폴리올-톨루엔 디이소시아네이트 코폴리머, 폴리하이드록시스테아르산, 및 알키드계 침강 방지제를 포함한다. 다른 침강제를 단독으로 또는 상기 침강제와 조합하여 사용할 수 있다.
적합한 레올로지 개질제/현탁제는 수화 마그네슘 알루미늄 실리케이트, 리그노술포네이트(칼슘 리그노술포네이트, 소듐 리그노술포네이트 등), 술폰화 나프탈렌 술포네이트 축합물의 염, 술폰화 멜라민 술포네이트 축합물의 염, 베타 나프탈렌 술포네이트, 술폰화 멜라민 포름알데히드 축합물, 나프탈렌 술포네이트 포름알데히드 축합물 수지, 예를 들면 LOMAR D® 분산제(미국 오하이오주 신시내티 소재, Cognis Inc.사제), 폴리아스파르테이트, 올리고머계 분산제, 폴리메타크릴레이트염, 구아 검, 듀탄 검, 엘란 검, 크산탄 검 및/또는 레올로지 개질제/현탁제로서 기능을 갖는 다른 물질을 포함한다.
소포제는, 예를 들면, 실리콘계 소포성 오일(폴리에테르 말단기를 가진 실록산), 아세틸렌 글리콜 계면활성제, 및 폴리 옥틸 아크릴레이트를 포함한다. 다른 소포제를 단독으로, 또는 상기 소포제와 조합하여 사용할 수 있다.
포스페이트는 조류용 영양소이므로, 산성 성분 중에서 조류가 성장할 것으로 예상해야 한다. 조류를 피하기 위해서, 일체의 생물학적 활성을 억제하는 다양한 상업적 첨가제를 첨가할 수 있다. 그 일례가 큐프릭 옥사이드이다. 1중량% 미만의 큐프릭 옥사이드를 산성 포스페이트 전구체에 첨가하면 생물학적 성장을 억제하기에 충분하다. 조류 또는 균류의 성장을 방지하기 위해 사용되는 다른 상업적 화학 물질도 단독으로, 또는 큐프릭 옥사이드와 조합하여 사용할 수 있다.
실험 섹션
달리 표시되지 않는 한, 기재된 물질의 중량%는 출발 물질의 건조 중량을 의미하며, 최종 복합체 물품 중의 물질의 중량%를 의미하는 것은 아니다.
실시예 1: 모노 포타슘 포스페이트/수산화마그네슘 용액 셀룰로스계 복합체 - 수산화마그네슘 용액(끓는 산화마그네슘과 물로부터 얻음) 50g과 혼합된 통풍 건조된 톱밥 50g 및 추가적 물 약 100g으로부터 균질한 펄프를 제조했다. 믹서에서, 상기 펄프를 약 30분간 더 혼합하여 알칼리성 전구체 용액을 톱밥에 침투시켰다. 이어서, 농축된 모노 포타슘 포스페이트 용액 50g을 펄프 혼합물에 첨가하고, 혼합물의 온도가 상승하기 시작할 때까지 혼합을 계속했다. 온도가 약 80℉에 도달했을 때, 혼합물 전체를 몰드에 주입하고, 약 2,000psi의 압력으로 약 30분간 프레싱했다. 얻어진 무기질 셀룰로스계 복합체 물품을 오븐에 넣고, 따뜻한 온도에서 건조했다. 건조된 생성물의 외관은 유기 접착제를 사용하여 제조된 복합체 생성물과 유사했다. 상기 무기질 셀룰로스계 복합체 물품은 가볍고, 강하고, 양호한 가요성을 가졌다.
실시예 2: 모노 알루미늄 포스페이트/수산화알루미늄 셀룰로스계 복합체 - Resodyne 믹서를 사용하여, 톱밥 10g을 농축된 모노 알루미늄 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O) 용액과 수산화알루미늄(Al(OH)3)의 혼합물 20.3g과 30초 동안 혼합했다. 혼합 후, 톱밥은 습한 것으로 보였지만, 목재의 플레이크로서 잔존했다. 상기 플레이크를 몰드에서 약 2,000psi의 압력으로 약 30분간 프레싱했다. 얻어진 성형된 무기질 복합체 샘플을 오븐에 넣고 약 400℉에서 약 30분간 추가로 경화시켰다. 400℉에서, 수산화물과 알루미늄 하이드로 포스페이트가 반응하여 복합체용 무기질 바인더를 제공하는 인산알루미늄(AlPO4)을 형성하는 것으로 생각된다. 경화 후, 복합체 물질은 경질의 섬유 보드였다.
실시예 3: 모노 포타슘 포스페이트/수산화마그네슘 염용액 셀룰로스계 복합체 - 통풍 건조된 톱밥 70g, 수산화마그네슘 염용액 17g 및 물 약 100g을 포함하는 펄프를 제조했다. 이 펄프를 1.5시간 동안 혼합하여 알칼리성 전구체 용액을 톱밥에 침투시켰다. 상기 펄프를 농축된 모노 포타슘 포스페이트 용액(모노 포타슘 포스페이트 23중량%) 123g에 가하고, 온도 상승이 시작될 때까지 계속 혼합했다. 온도가 약 80℉에 도달했을 때, 혼합물 전체를 몰드에 주입하고, 약 2,000psi의 압력으로 약 1시간 동안 프레싱했다. 얻어진 복합체 생성물을 오븐에 넣고, 따뜻한 온도에서 건조했다. 건조된 생성물의 외관은 유기 접착제를 사용하여 제조된 복합체 생성물과 유사했다. 상기 생성물은 가볍고, 강하고, 양호한 가요성을 가졌다.
실시예 4: 무기질 복합체 벽판 - 모노포타슘 포스페이트의 33중량% 용액을 수산화마그네슘 염용액 17중량%와 Class F 비산화 50중량%의 혼합물과 조합시켜 분무 가능한 코팅 용액을 형성했다. 상기 코팅 용액을 실시예 1에서 제조된 패널의 양면에 분무하고, 약간의 열을 가하여 급속 경화시켰다. 상기 패널은 단단했지만 약간 가요성이 있었으며, 물이 침투할 수 없었고, 경량이고 불연성이었다. 상기 패널의 기계적 성질(예; 가요성)은 통상적 벽판보다 우수했고, 난연성도 마찬가지로 양호했다.
실시예 5: 섬유 보강 세라믹 복합체의 형성 - Hobart 믹서를 사용하여, 톱밥 33중량%, 하소된 산화마그네슘 분말 17중량%, 나머지양의 모노 포타슘 포스페이트 분말을 혼합한 다음, 상기 분말의 총량과 동일한 양의 물을 첨가하여 펄프를 제조했다. 혼합은, 가능한 한 많은 고체 모노 포타슘 포스페이트가 용해될 수 있도록 약 10분간 수행되었다. 얻어진 펄프를 치밀한 플런저를 구비한 사각형 몰드에서 1,000psi의 압력으로 프레싱했다. 이 프레싱에 의해 초과량의 용액이 몰드로부터 제거되었다. 생성물을 방치하여 1일 동안 완전히 경화시켜 매우 단단한 사각형 세라믹 표본을 얻었다. 블로우 토치로 가열되었을 때, 화염이 표본에 닿은 부위에서만 약간의 탄화(charring)가 일어났다. 화염은 표면 전체에 확산되지 않았다. 토치가 제거되었을 때, 화염도 확산되지 않고 꺼졌다. 따라서, 상기 생성물은 제로 화염 확산 특성을 가졌다.
또 하나의 테스트에서, 상기와 같은 방법을 이용하여, 톱밥 33중량%, Class C 비산화 33중량%, 하소된 산화마그네슘 8중량% 및 나머지량의 모노 포타슘 포스페이트를 포함하는 생성물을 제조했는데, 여기서는 앞의 경우보다 낮은 듀로미터(durometer)(경도)의 샘플이 얻어졌다. 화염 확산 특성은 생성물이 낮은 경도를 가진 것 이외에는 상기 샘플과 본질적으로 동일한 결과를 나타냈다. 회분을 울라스토나이트로 대체하여도 유사한 특성을 나타냈는데, 예를 들면 듀로미터는 상대적으로 낮았지만 난연성 특성은 우수했다. 하소된 산화마그네슘 알칼리성 전구체를 수산화마그네슘 염용액으로 대체하는 것은 물의 첨가 필요성 또는 전구체가 용해될 때까지 기다릴 필요성을 배제하며, 접착제의 사용 수명을 연장시키고, 실시예 5의 생성물보다 우수한 성질을 제공하는 것으로 예상된다.
실시예 6: 제로 화염 확산 종이 - 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분으로서 농축된 모노 포타슘 포스페이트 용액 및 묽은 수산화마그네슘 용액을 사용하여 본 명세서에 개시되고 기재된 방법으로 난연성 종이 및 포장 제품을 제조했다. 표백되지 않은 크라프트 종이를, 묽은 수산화마그네슘(6% 용액) 1kg의 배스 및 모노 포타슘 포스페이트(약 20% 용액) 250g의 배스에 각각 30분간 침지시킨 다음 건조했다. 코팅된 종이는 미처리 종이와 비교할 때 약 35%의 중량 증가가 있었다. 화염 확산을 검토하기 위해 코팅된 종이를 개방 화염으로 테스트했다. 처리된 종이의 중앙부를 개방 화염에 가져가 접촉시켰을 때, 접촉된 부분은 탄화되었지만, 화염을 제거했을 때, 종이는 연소를 중단하고 더 이상 화염이 전파되지 않았다. 따라서, 처리된 종이 모두는, 쉽게 연소되고 화염의 전파가 지속된 미처리 종이에 비해 제로 화염 확산 특성을 나타냈다.
실시예 7: 셀룰로스계 물질 전처리를 하지 않은 복합체 제조 - 미처리의 통풍 건조된 목재 스트랜드 100g을 묽은 Mg(OH)2 염용액 250g(Mg(OH)2 염용액 50g과 물 200g) 중에 침지시켰다. 혼합물의 온도를 100℉까지 올리고 그 온도에서 약 1시간 동안 유지시켰다. 혼합물을 약 20분에 걸쳐 75℉까지 냉각시켰다. 모노 포타슘 포스페이트의 23중량% 포화 용액 175g을 교반하면서 상기 혼합물에 넣고, 발열성 산-염기 반응에 의해 혼합물의 온도를 약 7~10℉ 만큼 상승시켰다. 다음으로, 침지된 섬유를 프레스 몰딩하여 테스트용 4"×4" 부품으로 만들었다.
섬유와 염용액의 혼합시, 목재의 추출물의 강한 냄새가 있었고, 목재 스트랜드의 색은 옅은 갈색으로부터 어두운 갈색으로 뚜렷히 변했다. 프레싱하는 동안, 물은 산/알칼리 성분으로 습윤된 섬유로부터 제거되었다. 따라서, 목재 스트랜드의 변색은, 목재와 염용액 사이에 화학적 반응이 일어났으며, 적어도 약간의 헤미셀룰로스와 리그닌은 목재 스트랜드의 혼합 및 가열시 제거되었음을 시사한다. 이러한 관찰은 가성 용액 중 셀룰로스 섬유의 전처리는 배제될 수 있고, 본질적으로 목재 추출물 및/또는 헤미셀룰로스의 일부를 제거하기 위해 앞에서 사용된 Mg(OH)2-염용액으로 대체될 수 있음을 입증한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 방법은 상업적 종이/목재 공정에서 사용되는 가성 용액에 관한 폐기 문제를 유의적으로 배제할 수 있다. 이것은 또한, 본 명세서에 개시되고 기재된 무기질/셀룰로스계 물질 복합체 공정이 통상적 셀룰로스계 복합체 공정보다 더 환경 친화적일 수 있음을 입증한다.
실시예 8: 난연성을 위한 목재 물품의 처리 - 2개의 동일한 목재 블록을, 하나는 컨트롤로서, 다른 하나는 실제 테스트용으로 사용했다. 두 블록 모두를 212℉의 오븐에 넣고 약 1시간 동안 건조했다. 이어서, 컨트롤을 수중에 넣은 반면, 테스트 샘플은 묽은 염용액(염용액 300g + 물 300g) 중에 넣었다. 2시간 동안 침지시킨 후, 두 블록을 오븐에서 212℉로 약 1시간 동안 건조했다. 이어서, 컨트롤을 다시 수조에 넣고, 테스트 샘플을 모노 포타슘 포스페이트의 포화 용액 중에 넣었다. 추가 2분 동안의 침지 후, 두 블록을 오븐에서 212℉로 약 1시간 동안 건조했다. 상기 처리 후 테스트 샘플은 색이 약간 백색으로 변환 것 이외에는 유의적 중량 증가가 없었다. 컨트롤 및 테스트 샘플 모두를 내화성 테스트를 위해 >1,200℉의 온도로 가열했다. 컨트롤 샘플은 지속된 화염과 함께 연소되었지만, 처리된 샘플은 외부 화염이 제거되었을 때 지속된 화염이 사라지고, 외부 화염이 접촉된 부위만 탄화되었다. 따라서, 무기질 산성/알칼리성 전구체 성분을 사용하여 본 발명에 따라 제조된 테스트 샘플은 자체 소화 성질을 나타냈다.
실시예 9: 인산염 결합 종이의 제조 - 종이 제품의 제조를 위한 바인더로서 인산염계 접착제를 사용할 수 있다는 것을 나타내기 위해, 경질 목재 마켓 펄프를 사용하여 다음과 같은 4개의 샘플을 제조했다. 제1 샘플(컨트롤)은 다음과 같이 제조되었다: 경질 목재 마켓 펄프 100g을 물 10리터와 혼합한 다음, 이 혼합물 500g을 물 1kg으로 추가로 희석하여 매우 묽은 페이스트를 제조했다. 이 묽은 펄프 현탁액을 70메쉬(212㎛) 스크린에 통과시켜 섬유의 습윤 웹을 걸러냈다. 건조되었을 때, 상기 웹은 종이의 외관을 가졌다.
제2 샘플은 다음과 같이 제조되었다: Mg(OH)2-염용액 3.5g과 모노 포타슘 포스페이트 용액 15g을 제1 테스트에서 기재된 묽은 펄프 용액과 혼합했다. 손으로 교반하는 동안 균질한 페이스트가 형성되었다. 혼합된 페이스트를 70메쉬 스크린에 통과시켜 웹을 형성했는데, 이것은 건조되었을 때 컨트롤 샘플과 유사한 종이의 외관을 가졌다. 상기 컨트롤 종이 샘플과 제2 테스트 종이 샘플 모두를 프레임 상에 직접 고정시켰다. 컨트롤 샘플은 약 3초 내에 완전히 연소되었지만, 포스페이트 Mg(OH)2-염용액으로 처리된 제2 테스트 샘플은 약 20초까지 탄화되지 않았고, 화염이 제거된 후에도 화염을 지속시키지 않았다. 따라서, 무기질 산성/알칼리성 Mg(OH)2-염용액 전구체 성분을 사용하여 제조된 제2 테스트 샘플은 컨트롤 샘플에 비해 6.5배 더 내화성을 나타냈다.
제3 샘플은 다음과 같이 제조되었다: 염용액 10중량%(Mg(OH)2 약 6g)를 묽은 펄프 현탁액(약 3중량%)와 혼합하고, 70메쉬 스크린 상에 전개시켜 섬유의 습윤 웹을 형성했다. 10중량% 농축된 모노 포타슘 포스페이트 용액 4g을 섬유의 습윤 웹 상에 안개 형태로 분무했다. 건조한 결과, 습윤 웹은 포스페이트/Mg(OH)2-염용액 결합 종이를 형성했다. 염용액과 모노 포타슘 포스페이트 용액은 모두 양호하게 분산되었고, 샘플은 제1 테스트의 컨트롤 샘플의 외관을 가졌다. 건조된 생성물은 프레싱 압력에 따라 0.7~0.9g/cc의 밀도를 가졌다. 제3 샘플은 오븐에서 50℉/분의 속도로 450℉까지 가열되었는데 약 23%의 질량 손실을 나타냈다. 이것은 형성된 복합체에 내포된 수분에 기인하는 것으로 생각된다. 질량 손실은 약 350℉ 이하에서 관찰되었다. 그 온도보다 높은 온도에서는 중량 감소가 관찰되지 않았다. 제3 샘플은 상기 실험이 완료된 후 연소되거나, 탄화되거나, 물리적 일체성을 상실하지 않았다. 전술한 것과 유사한 방법으로, 다양한 중량%의 섬유를 가진 본 발명의 무기질 바인더를 사용하여 종이의 샘플을 제조하고, 종이가 화염을 유지하거나 또는 인화되는 온도를 판정하기 위해 테스트했다. 이 데이터는 도 10에 나타나 있는데, 무기질 바인더의 양은 소정의 최종 용도 내화 온도를 제공하도록 조절될 수 있다는 것을 나타낸다.
제4 샘플은 분쇄된(disintegrated) 경질 목재 펄프를 소량의 염용액 및 모노 포타슘 포스페이트 용액과 혼합하여 제조되었고, 제품의 포장에 사용하기에 적합한 종이 핸드시트로 성형되었다. 이 실험에 있어서, 제어는 단지 분쇄된 경질 목재 펄프였다. 제4 샘플은 전술한 바와 같이 테스트했을 때, 컨트롤에 비해 우수한 내화성을 제공했다.
가상( prophetic ) 실시예 10: 난연성 무기질 파티클 보드 - 미처리 톱밥 약 33중량%, 용액 중 수산화마그네슘 염용액 약 17중량% 및 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O) 약 50중량%의 혼합물을 합친다. 상기 혼합물에 물을 첨가하고 신속히 혼합하여 톱밥을 침지시키고 인산염을 용해시킨다. 이어서, 전체 펄프를 몰드에서 1,000psi의 압력으로 프레싱하여 벽돌 형태를 만든다. 과량의 물을 스퀴징하여 제거하고, 산-염기 화학 반응이 일어나면 샘플이 현저히 가열될 것이다. 경질 벽돌 형태를 생성하기 위해 수분 내에 경화가 일어나야 한다. 이 복합체는 본 발명에 따른 무기질 산성/알칼리성 접착제와 조합된 톱밥 또는 임의의 다른 유사한 물질을 사용한 불연성 제품의 제조에 제공될 것이다.
이상과 같은 설명은 여러 가지 방법, 조성물 및 물질을 개시한다. 이러한 설명은 방법과 물질의 변형뿐 아니라 제조 방법과 장치의 변경을 허용한다. 그러한 변형은 본 명세서의 개시 내용을 고려하거나 또는 그것의 실행으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 본 명세서의 개시 내용은 여기에 개시된 특정한 구현예에 한정되지 않고, 특허청구의 범위와 사상에 포함되는 모든 변형 및 변경을 포괄하는 것이다.
본 명세서에 시용된 용어는 특정 구현예를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 정관사 및 부정관사의 단수 형태는 문맥상 명백히 달리 표시되지 않는 한 복수 형태도 포함한다. 또한, "포함하다" 및 "포함하는" 등의 용어는 그 용어가 사용될 때, 언급된 특징, 단계, 작업, 엘리먼트, 및/또는 컴포넌트를 명시하는 것이지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 작업, 엘리먼트, 컴포넌트 및/또는 그러한 것의 군의 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아님을 이해할 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어(기술적 및 과학적 용어를 포함하여)는 본 발명이 속하는 분야의 당업자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어들은 본 명세서의 문맥 및 관련된 기술 분야에서 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하고, 본 명세서에 명시적으로 정의되지 않는 한 관념적으로 해석되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

Claims (54)

  1. 유기 물질을 제공하는 단계, 및
    상기 유기 물질을 무기질 접착제와 접촉시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 무기질 접착제는 무기질 산성 전구체와 알칼리성 전구체의 혼합물을 포함하는,
    복합체 생성물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기 물질 대 상기 무기질 접착제 전체의 중량비는, 수분 함량을 제외하고, 약 99:1 내지 약 2:1, 바람직하게는 약 10:1 내지 약 5:1, 보다 바람직하게는 약 7:1인, 복합체 생성물의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기 물질은, 목재 베니어, 장단 플레이크(flake), 장섬유, 단섬유, 스트랜드, 톱밥, 목재 입자, 섬유 다발, 쇄목 펄프(stone groundwood; SGW), 가압 쇄목 펄프(pressure groundwood; PSW), 리파이너 기계 펄프(refiner mechanical pulp; RMP), 열기계 펄프(thermomechanical pulp; TMP), 화학 열기계 펄프(chemithermomechanical pulp; CTMP), 크라프트 펄프, 설파이트 펄프, 소다 펄프, 표백 펄프, 종자 섬유, 잎 섬유, 인피 섬유(bast fiber), 과일 섬유, 줄기 섬유(stalk fiber), 실크, 울, 거미 명주(spider silk), 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기질 산성 전구체 및 상기 알칼리성 전구체는 독립적으로, 용액, 현탁액, 젤 중에 또는 페이스트로서 존재하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리성 전구체는 용액 중에 존재하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접촉 단계는,
    (i) 먼저 상기 유기 물질을 상기 알칼리성 전구체 용액과 접촉시키고, 이어서 상기 무기질 산성 전구체의 용액과 접촉시키는 단계, 또는
    (ii) 상기 유기 물질을 상기 무기질 산성 전구체와 접촉시킨 다음, 상기 알칼리성 전구체와 접촉시키는 단계, 또는
    (ⅲ) 상기 유기 물질을 상기 무기질 접착제와 접촉시키는 단계
    를 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무기질 산성 전구체와 상기 알칼리성 전구체는 각각 별도로 상기 유기 물질과 혼합되어, 독립적으로 별도의 산성 섬유 펄프 또는 섬유, 및 별도의 알칼리성 펄프 또는 섬유를 형성하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 별도의 산성 및 알칼리성 펄프 또는 섬유를 조합하고, 충분한 양의 물과 혼합하는 단계; 및 고체 복합체 생성물을 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 별도의 산성 및 알칼리성 펄프를 건조하는 단계, 건조된 산성 및 알칼리성 펄프 또는 섬유를 조합하는 단계, 조합된 건조 상태의 상기 산성 및 알칼리성 펄프 또는 섬유를 물과 혼합하는 단계, 및 고체 복합체 생성물을 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기질 산성 전구체 성분은 산-인산염, 알칼리 토금속 염화물, 또는 알칼리 토금속 황산염 중 하나 이상을 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리성 전구체 성분은 산화물, 수산화물, 또는 산화물 미네랄 중 하나 이상을 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리성 전구체는, 1가, 2가 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트를 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리성 전구체는 금속 수산화물이 농후한 염용액인, 복합체 생성물의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 수산화물이 농후한 염용액은 수산화마그네슘 염용액 또는 수산화알루미늄의 농후한 바이에르액(pregnant Bayer liquor)인, 복합체 생성물의 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리성 전구체의 수성 pH를 높이기 위해 알칼리 금속 수산화물의 고도로 알칼리성인 용액을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 수산화물은, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 중 하나 이상인, 복합체 생성물의 제조 방법.
  17. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리성 전구체의 수성 pH는 약 8 내지 약 14, 바람직하게는 약 9 내지 약 12, 가장 바람직하게는 약 10 내지 약 11인, 복합체 생성물의 제조 방법.
  18. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기질 산성 성분은, 인산의 포화 용액, 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), MgCl2, MgSO4, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  19. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기질 산성 성분의 용액 pH를 약 0 내지 약 6, 바람직하게는 약 3 내지 약 5, 가장 바람직하게는 약 3 내지 약 4.5로 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 pH를, 하이드로포스페이트의 첨가에 의해 저하시키는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  21. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    약하게 용해성인(sparsely soluble) 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회(fly ash), 저부회(bottom ash), Bayer 공정 폐기물, 구리 광물로부터 구리의 추출시 발생되는 산성 폐기물 스트림, 또는 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 무기질 산성 성분 전구체는 염화마그네슘 또는 황산마그네슘 용액이고, 상기 알칼리성 성분은 산화마그네슘인, 복합체 생성물의 제조 방법.
  23. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀룰로스와 접촉시키기 전에, 상기 무기질 산성 전구체 성분 또는 알칼리성 전구체 성분 중 하나 이상을 물의 비등점보다 낮은 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 무기질 산성 성분은 알루미늄 하이드로포스페이트이고, 상기 알칼리성 성분은 산화알루미늄(Al2O3) 또는 수산화알루미늄(Al(OH)3)인, 복합체 생성물의 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 알루미늄 하이드로포스페이트와 상기 알칼리성 성분을 혼합하여 페이스트를 형성하고, 이어서 셀룰로스와 혼합하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    셀룰로스와 혼합된 상기 페이스트를 복합체 물품을 형성하기에 충분한 시간 동안 약 400℉로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  27. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀룰로스계 물질을 압축하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    진공 및/또는 초음파를 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  29. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기질 산성 전구체 대 상기 알칼리성 전구체의 중량비는 10:1 내지 1:5, 바람직하게는 약 9:1 내지 1:3.5, 보다 바람직하게는 약 8:1 내지 약 1:3.5인, 복합체 생성물의 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 압축 단계 이전에 상기 무기질 첨가제의 일부를 유보하고, 이어서 압축의 종료에 근접한 시점에서 상기 무기질 첨가제의 나머지 부분을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  31. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기 물질과 상기 무기질 첨가제를 혼합하고, 복합체 샘플에 열을 가하여 복합체의 온도를 400℉ 미만의 온도까지 상승시키는 단계를 추가로 포함하는, 복합체 생성물의 제조 방법.
  32. 하기 성분의 혼합물을 포함하는 무기질 포스페이트 접착제를 제공하는 단계:
    (i) 인산의 포화 용액, 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), MgCl2, MgSO4, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 무기질 산성 전구체; 및
    (ii) 1가, 2가 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의, 용액 중에 있는 알칼리성 전구체;
    약 40중량% 미만의 셀룰로스계 물질을 제공하는 단계; 및
    상기 셀룰로스계 물질을 상기 무기질 포스페이트 접착제와 접촉시키는 단계
    를 포함하는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 셀룰로스계 물질은, 목재 베니어, 장단 플레이크, 스트랜드, 톱밥, 목재 입자, 섬유 다발, 및/또는 펄프화에 의해 얻어지는 생성물, 쇄목 펄프(SGW), 가압 쇄목 펄프(PSW), 리파이너 기계 펄프(RMP), 열기계 펄프(TMP), 화학 열기계 펄프(CTMP), 크라프트 펄프, 설파이트 펄프, 소다 펄프, 표백 펄프, 종자 섬유, 잎 섬유, 인피 섬유, 과일 섬유, 줄기 섬유, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  34. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    (i) 먼저 상기 셀룰로스계 물질을 상기 알칼리성 전구체 용액과 접촉시키고, 이어서 상기 무기질 산성 전구체와 접촉시키거나, 또는
    (ii) 상기 셀룰로스계 물질을 상기 무기질 산성 전구체와 접촉시킨 다음, 상기 알칼리성 전구체 용액과 접촉시키거나, 또는
    (ⅲ) 상기 셀룰로스계 물질을 상기 무기질 접착제와 접촉시키는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  35. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 무기질 접착제는, 포스페이트 세라믹, 옥시클로라이드 세라믹, 옥시설페이트 세라믹 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상인, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  36. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 무기질 포스페이트 접착제는 2가 또는 3가의 금속 또는 그것의 실리케이트를 포함하는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  37. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    칼슘 실리케이트, 올리빈, 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회, 저부회, Bayer 공정 폐기물, 구리 광물로부터 구리의 추출시 발생되는 산성 폐기물 스트림, 또는 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  38. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 무기질 접착제 및 상기 셀룰로스계 물질을 사출 성형 또는 압출하는 단계를 추가로 포함하는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    진공 및/또는 초음파를 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  40. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 셀룰로스와 접촉시키기 전에, 상기 무기질 산성 전구체 성분 또는 알칼리성 전구체 성분 중 하나 이상을 물의 비등점보다 낮은 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  41. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 섬유 보강 복합체가, 내화성, 제로 화염 확산(zero flame spread), 온실 가스의 최소 방출, 휘발성 유기 화합물의 무방출, 및 낮은 수분 흡수율을 제공하는, 섬유 보강 세라믹 복합체의 제조 방법.
  42. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따라 제조된 복합체 물품.
  43. 불연성의 취입가능한 단열재(blowable insulation)를 제조하는 방법으로서,
    쇄단 종이, 톱밥, 대팻밥, 쇄단 플라스틱, 유리 입자 또는 유리 섬유 중 하나 이상; 석고, 팽창가능한 점토, 및 이것들의 혼합물을 포함하는 취입가능한 물질을 제공하는 단계;
    하기 성분을 포함하는 무기질 접착제를 제공하는 단계:
    (i) 인산의 포화 용액, 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), MgCl2, MgSO4, 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 무기질 산성 성분; 및
    (ii) 1가, 2가, 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물, 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트를 포함하는 알칼리성 전구체;
    상기 무기질 접착제와 상기 취입가능한 물질이 결합되기에 충분한 시간 동안 상기 취입가능한 물질을 상기 무기질 접착제와 접착시키는 단계; 및
    불연성의 취입가능한 단열재를 제공하는 단계
    를 포함하는,
    불연성의 취입가능한 단열재의 제조 방법.
  44. 가연성 물품을 제공하는 단계; 및
    상기 가연성 물품의 적어도 일부에 하기 성분의 혼합물을 포함하는 무기질 접착제의 코팅을 도입하는 단계를 포함하는, 제로 화염 확산 물품의 제조 방법:
    (i) 인산의 포화 용액, 또는 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), MgCl2, MgSO4, 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), 및 이것들의 혼합물을 포함하는 산 인산염(acid phosphate salt) 중 하나 이상;
    (ii) 칼슘 실리케이트, 올리빈, 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회, 저부회, Bayer 공정 폐기물, 구리 광물로부터 구리의 추출시 발생되는 산성 폐기물 스트림, 또는 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상; 및
    (ⅲ) 1가, 2가, 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물, 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트를 포함하는 하나 이상의 알칼리성 전구체 성분.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 가연성 물품이 벽판(wall board) 또는 천장 타일인, 제로 화염 확산 물품의 제조 방법.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 가연성 물품이 셀룰로스 섬유의 연신된 직조 매트(woven mat)를 포함하는, 제로 화염 확산 물품의 제조 방법.
  47. 제1항 내지 제9항, 제32항 또는 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가연성 물품이, 복수 개의 적층된 얇은 목재 시트를 포함하고, 각각의 상기 목재 시트는 상기 무기질 접착제에 의해 결합됨으로써, 베니어 시트 제품이 얻어지는, 제조 방법.
  48. 셀룰로스계 물질을 제공하는 단계;
    하기 성분을 포함하는 무기질 접착제를 제공하는 단계:
    (i) 인산의 포화 용액, 또는 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), MgCl2, MgSO4, 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), 및 이것들의 혼합물을 포함하는 산 인산염 중 하나 이상을 포함하는 무기질 인산염 용액; 및
    (ii) 1가, 2가, 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물, 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트를 포함하는 알칼리성 전구체 용액;
    상기 셀룰로스계 물질과 상기 무기질 접착제를 조합하는 단계; 및
    상기 셀룰로스계 물질과 상기 무기질 접착제를 포함하는, 종이를 형성하기에 적합한 페이스트를 형성하는 단계
    를 포함하는,
    내화성 종이 및 종이 제품의 제조 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 무기질 접착제에 대한 상기 셀룰로스계 물질의 건조 중량비가 약 1중량% 내지 약 20중량%인, 내화성 종이 및 종이 제품의 제조 방법.
  50. 제48항에 있어서,
    상기 무기질 접착제가, 칼슘 실리케이트, 올리빈, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회, 저부회, 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 내화성 종이 및 종이 제품의 제조 방법.
  51. 제48항의 방법에 의해 제조되는 내화성 종이 또는 내화성 종이 물품.
  52. 제48항의 방법에 의해 제조되는 불연성 가정용 및 상업용 건물 랩(building wrap) 또는 벽지.
  53. 제로 화염 확산 목재 물품을 제조하기 위한 목재의 처리 방법으로서,
    하기 성분을 포함하는 조성물과 목재 물품을 접촉시키는 단계:
    (i) 인산의 포화 용액, 또는 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 인산이수소칼륨(KH2PO4), 인산이수소세슘(CsH2PO4), 인산이수소마그네슘(Mg(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소칼슘(Ca(H2PO4)2ㆍ2H2O), 인산이수소아연(Zn(H2PO4)2), MgCl2, MgSO4, 모노 알루미늄 하이드로 포스페이트(AlH3(PO4)2ㆍH2O), 및 이것들의 혼합물을 포함하는 산 인산염;
    (ii) 1가, 2가, 또는 3가의 금속 산화물 또는 마그네슘, 칼슘, 철, 망간, 아연, 바륨, 스트론튬, 알루미늄, 란탄의 수산화물, 또는 이것들의 혼합물 중 하나 이상의 포화 용액 또는 페이스트의 알칼리성 전구체 용액; 및
    (ⅲ) 선택적으로, 칼슘 실리케이트, 올리빈, 멀라이트, 탈크, 산화물 미네랄, 비산회, 저부회, Bayer 공정 폐기물, 구리 광물로부터 구리의 추출시 발생되는 산성 폐기물 스트림, 또는 실리케이트와 알루미네이트 미네랄을 함유하는 폐기물 스트림, 및 이것들의 혼합물 중 하나 이상; 및
    상기 조성물과 접촉된 상기 목재 물품을 건조하는 단계
    를 포함하는,
    목재의 처리 방법.
  54. 제53항의 방법에 의해 제조되는 제로 화염 확산 목재 물품.
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