KR20150134592A - 무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네슘인산 시멘트를 기본 조성물로 하는 무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 제조방법은 아래의 단계로 구성된다.
1) 무기질 필러 5~20 중량%, 경량골재 5~20 중량%, 활성탄 10~20 중량%, 무기질 인산마그네슘 결합재 40 내지 80 중량%, 탄산염 0.5 내지 10 중량%로 구성되는 무기결합재 조성물을 각각의 용기에 저울을 이용하여 칭량하는 단계;
2) 각각 칭량된 분상원료를 경량골재→활성탄→무기질 필러→무기질인산마그네슘 결합재의 순으로 믹서기에 투입하는 단계;
3) 믹서기에 투입된 분말상을 혼합하는 단계;
4) 균일 혼합된 분말상의 조성물 100중량부에 대하여 30 내지 50중량부의 물을 투입하고 혼합하여 슬러리상으로 제조하는 단계;
5) 제조된 슬러리 100 중량부에 대하여 탄산염 0.5 내지 11 중량부를 투입하는 단계;
6) 탄산염이 혼합된 슬러리를 급격하게 교반하면서 물속에 기포를 주입하고, 탄산염이 MgO 와 PO4 이온과 반응하면서 초기 형태를 잃어버리고 M+나 M++(M=Na, K, NH4, M++=Ca, Mg, Ba 등) 및 CO2 의 형태로 분리되면서 CO2 가스에 의해 기포를 발생시키는 단계;
7) 발생된 기포가 소포되지 않도록 교반을 멈추고 이를 성형틀에 충진하는 단계;
8) 충진한 원료가 성형틀 곳곳에 잘 스며들 수 있도록 1~2초간 진동을 가하는 단계;
9) 성형틀에 채워진 성형물이 5~20분 이내에 경화하는 단계;
10) 경화된 발포세라믹 성형체는 30~60분의 자연경화시간 경과 후에 탈형하는 단계;
11) 탈형된 성형품을 양생하여 무기질 상온경화형 발포 세라믹을 완성하는 단계
[색인어]
발포 세라믹, 무기질, 상온경화, 마그네슘인산 시멘트, 탄산가스, 활성탄

Description

무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물 및 그 제조방법 {An inorganic ceramic foam composition which can be cured at normal temperature and method of preparing the same.}
본 발명은 마그네슘인산 시멘트를 기본 조성물로 하는 무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하기로는 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않으며, 고로슬래그 시멘트나 알칼리 활성시멘트, 플라이 애시 시멘트 등과 같은 소성시멘트 및 혼합시멘트를 사용하지 않는 친환경적인 무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물에 관한 것으로, 고온으로 가열 공정이나 산이나 알칼리 분위기 조성에 의해 금속의 부식에 의한 수소가스에 의한 발포기구나 유기성 기포제 첨가에 의한 발포기구에 의존하지 않으며, 이온반응의 부산물로 발생되는 이산화탄소에 ㅊ의해서 기공이 형성되며, 기공이 형성되는 과정 중에 결합재가 경화됨으로써 조기에 성형품이 완성되는 원리로 기존 방식들의 문제점이던 소포현상이 완화된 새로운 상온경화형 발포세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발포세라믹은 경량소재, 담체, 필터, 식생재료 등으로 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 제조방법 역시 다양한 방법을 통해서 실행되고 있다. 일반적으로 알려진 발포성형물의 제조방법은 경량기포 콘크리트의 제조방법인 금속성분을 포함하는 조성물을 오토클레이브에서 고온 고압하에 알칼리성 분위기를 부여하면 알칼리성 물질과 금속분말이 반응하여 수소가스를 발생시켜 내부에 기포를 형성시키는 것과 시멘트의 수화반응에 의해서 경화체를 형성하는 것에 의해서 단단한 발포세라믹을 제조하는 방법이다.
또 다른 방법으로는 이산화탄소나 기타 가스를 제품을 성형 후 양생 및 건조하는 단계에서 흘려보내는 것에 의해서 내부에 강제로 기포를 형성시키는 것이며, 또 다른 방법은 기포제로서 계면활성제를 첨가하는 것이다. 이 방법은 혼합시 입자들의 슬림을 촉진하고, 거품을 형성시키는 것에 의해서 성형물내에 기포를 형성하고, 양생과정이나 건조에 의해서 단단한 성형체를 형성하는 방법이다.
특허 10-2011-0129575(공개)호는 친환경 건축자재용 황토 조성물 및 이를 이용한 황토블록에 관한 것으로 조성물 총 100중량부에 대해서 마그네시아 분말 15-40 중량부, 인산암모늄 8-25 중량부, 황토 20-50 중량부, 알칼리 실리케이트 화합물 3-10 중량부 및 용매 15-30 중량부를 포함하는 조성물로서, 여기에 추가적으로 경량기포 물질을 경량기포콘크리트를 제조하는 방법에 의거하여 제조하면, 0.7~1.3g/cm3의 밀도를 갖는 식생황토블록을 제조할 수 있는 방법을 제시하고 있다.
이 특허는 앞서 설명한 바와 같이 경량기포콘크리트를 제조하는 방법에 의해서 제조할 수 있기 때문에 대용량의 장치가 요구되는 문제가 있으며, 경량기포 물질은 0.051의 비중을 갖는다. 즉 마그네시아 인산염 시멘트의 경우, 밀도는 최소 1.5내지 3.3의 범위를 갖고 경량기포는 0.051정도라서 밀도의 차이는 약 30배 내지 65배로 매우 크므로 이 물질들을 균일하게 혼합하는 것은 매우 어려우며, 분말상을 장시간 균일하게 혼합한다고 하여도 물을 투입하게 되면 물에 의해서 분말상의 밀도 차이로 원료의 재료분리가 발생할 가능성이 매우 높기 때문에 증점제 등이 요구되나 해당 명세서 상에는 이러한 내용이 기재되어 있지 않고, 밀도 차이에 따른 재료의 농도구배는 제품으로서의 가치를 저하하는 문제가 발생할 수 있다.
특허 공개 10-2013-0027869호는 무기질 다공성 단열재 조성물 제조방법에 관한 것이며, 발포에 의한 기공형성과 다공성 무기 충진제의 경화가 동시에 구현되어 단열성능이 우수하고 화염에 안전한 고온 내화성 단열재 조성물 제조방법을 게시하고 있다. 고알칼리성 규산염(pH>12)5-35 중량부와 다공성 무기충진제 10-78중량부, 마그네슘인산염계 무기질 결합재 15-55중량부를 조성물로서 하며, 이를 중화를 통한 겔화 및 건조를 통한 경화하는 단계로 제조되는 방법을 게시하고 있다. 이 방법은 80℃의 건조온도에 의해서 다공성 실리카 분말을 제조, 다공성 무기충진제 및 마그네슘인산염계 무기질 결합재를 사용하여 경화하는 원리로서 앞의 특허 공개에서와 마찬가지로 다공성 재료에 의존한 다공성 조성물이기 때문에 혼합 및 경화 등에서 균일화가 가장 중요하며, 문제 제시된 밀도차이에서 발생할 수 있는 여러 가지 요인들을 극복하지 않으면 제품의 성능을 구현하기 어려운 문제가 있다.
특허 공개 10-2013-0040083호는 산화마그네슘과 이의 경화제를 이용한 상온 무기발포 성형체의 제조방법에 관한 것이다. 산화마그네슘에 물을 이용하여 슬러리화 하고 여기에 경화제로서 황산마그네슘, 염화마그네슘, 1인산암모늄을 물에 희석하고, 기포제로서 아미노산계, 알킬설폰산염계 등의 유기성 계면활성제를 물에 분산시켜 기포수를 제조한 후 이 세가지 물질을 혼합, 성형 및 건조단계를 거쳐 제품이 완성되는 단계를 거친다. 그러나 제품에 기포를 발생시키기 위해서는 교반기의 형태나 교반속도에 의존하게 되기 때문에 대용량의 현장 타설 등은 어려우며, 수분제거를 위해서 건조공정이 요구되는 문제도 있다.
본 발명은 결합재로서 마그네슘 인산염계를 사용하는 측면에서는 유사한 특징이 있다. 반면에 기포를 형성하는 것은 지금까지 서술한 기포제나 경량기포 물질, 계면활성제를 전혀 사용하지 않는 것을 특징으로 하기 때문에 메커니즘은 전혀 다르다 할 수 있다. 또한 본원의 발명에서 건조단계를 거치지 않는데 반하여 세 가지 발명 들을 모두 수분을 제거하기 위한 건조단계가 요구되는 차이가 있다.
기존의 유기결합재인 에폭시나 우레탄 및 멜라닌 등의 다공성 제품들은 화재시 휘발성 유기화합물을 발생하는 등의 치명적 위험성을 갖고 있으나 본 발명은 이러한 유기성 물질을 전혀 사용하지 않기 유독성의 가스발생에 따른 인명피해의 우려는 없다.
또한 본 발명에 마그네시아 인산염 무기결합재 조성물은 US 5,830,815호, US 7,312,171 B2, US 6,136,088호 등 다수의 마그네슘 인산염 시멘트 조성물과 유사한 면이 있으나 인산염의 형태나 지연제의 차별성이 뚜렷하며, 특히 본 발명의 핵심기술인 발포기구는 MgO-NH4H2PO4 조성에 붕산과 K2CO3를 혼합하여 지연제로서 사용한 것과는 별개로 발포기구의 작용물질로서 사용함에 큰 차이가 있다고 할 수 있다.
해당 특허에서는 결합재로서의 사용 용도이기 때문에 탄산염을 인산염과 충분히 반응시켜서 이산화탄소를 제거하고 남은 물질로서 마그네슘 인산염 시멘트를 제조하였으나, 본원에서는 이산화탄소를 제거하는 것이 아니라 내부에 보다 효율적으로 발생할 수 있도록 조성물 및 제조방법을 발명함으로써 무기결합재 자체를 기재로서 사용함과 동시에 기공을 형성시키고, 남은 성분도 결합재로서 작용하는 스투루바이트 생성에 참여하도록 설계한 것에 가장 큰 차이점이 있다고 할 수 있다.
특허공개 KR2012 -0123743호 세포성 인산염 세라믹 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 인산염 화합물 및 금속 산화물을 포함하는 바인더, 필러, 그리고 지연제인 붕산을 제1 혼합하고, 물을 첨가하여 제2 혼합하고, 생성물의 공기버블을 포획하기 위한 폼을 첨가하여 혼합하여, 실온에서 경화시켜 제조 가능함을 제시하고 있다. 일본특허 JP2 ,516,530호는 다공체 및 그 제조방법에 관한 것으로 인산류, 다가 금속 산화물, 수지 에멀젼, 물 빛 발포제 또는 기포제를 혼합하여 경화 발포하는 단계를 포함하는 다공체의 제조방법 및 이로 인해 제조된 다공체에 관한 것으로, 상온에서 성형 및 경화하여 제조가능하고, 단열재, 방화 건축 재료, 방음재 등으로 사용가능함을 나타내고 있으며, 일본 특허공개 JP2001 -0278677호 단열성, 기계적 특성 및 내수성이 우수하고 균일한 기공을 가지는 무기 발포체 성형물의 제조방법에 관한 것으로, 인산류의 수용액 또는 수분산액, 주기표 제 2족, 동 제13족, 동 제14족 및 천이 금속으로부터 선택되는 금속의 산화물 또는 수산화물, 그리고 금속 탄산염을 약 -15 내지+10℃에서 혼합하고 난 후 약 90℃에서 가열 건조하여 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한 US 5,256,222호 무기입자, 무기 바인더, 물(10-60%), 바인더 세팅제를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 포함하는 코어(12)을 2개의 facing board(14, 16)사이에 위치시키고, 약 65 내지 200℃에서 가열하는 단계를 포함하는 경량 건축 재료 보드 제조방법에 관한 것으로 이들 4개의 특허기술과 본원의 차별성이 크게 대별된다고 할 수 있다. 본원의 특징은 상온에서 경화가 가능하며, 매우 단시간에 제품의 경화가 진행됨과 기능성 측면에서의 차별성이 분명하다고 할 수가 있다.
본 발명의 목적은 시멘트를 사용함에 따라 발생하는 대기오염문제와 같은 환경적 문제를 해결함과 동시에, 수질 및 하천수의 오염을 최소화할 수 있는 친환경적이면서도 인체에 악영향을 미치지 않고 제조된 발포세라믹의 구조로부터 수질이나 대기를 정화할 수 있는 친환경적 무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기존 사용되어 오던 마그네슘인산 조성물의 응용성 제고 및 새로운 개념의 발포세라믹을 제공함과 동시에, 지금까지 토목/건설/조경을 현장에서 시공할 때 기포제 사용에 따른 접착력 부족 및 내구성 부족 등의 문제 해결이 가능한 조성물 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물에 의해서 건축, 토목, 건설 현장을 비롯하여 식생매트, 수질정화재, 대기정화용 필터 등의 분야에 다양하게 활용할 수 있는 발포세라믹을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 목적의 조성물을 이용하여 경량화를 통한 경량성이 요구되는 콘크리트 2차 제품 생산 분야에의 응용기술 제공에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 반응 생성물인 마그네슘칼륨인산 화합물에 의해서 P와 같은 호소 및 하천 내에 있는 녹조발생 유발물질과 Pb 등과 같은 중금속을 흡착함으로써 깨끗한 물을 지하 생태계로 이동시킬 수 있는 구조를 지닌 친환경적인 무기질 결합재 조성물 및 이를 통하여 제조된 가공품을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 부가적으로 사용하는 금속 황산염에 의해서 pH 값이 저하되고 더불어 Ca(OH)2나 CaSO4 대비 수배에서 수십배의 낮은 용해도를 갖는 불용성화합물을 생성시키는 것에 의해서 양이온 및 음이온의 용출을 억제하는 것으로 주변 환경의 무기이온들의 악영향을 최소화하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 상온 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물은, 무기질 필러 5~20 중량%, 경량골재 5~20 중량%, 활성탄 10~20 중량%, 무기질 인산마그네슘 결합재 조성물(총 100중량%에 있어서 경소산화마그네시아와 반응성 산화마그네시아가 70:30 내지 85 : 15중량 %로 구성되는 산화마그네슘을 20-60 중량 %, 인산알루미늄 3 중량%와 1인산칼륨 30-70중량 %와 1인산암모늄 27-67 중량%로 구성되는 인산염 20-60 중량%, 붕산과 황산마그네슘 혼합 지연제를 2-10 중량%, 안료 0.5-2 중량%로 구성) 35-75 중량%, 금속황산염 0.1 ~ 1.5 중량 %, 탄산염 0.5 내지 10 중량% 로 구성된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
무기질 필러는 흙, 천연광물질, 산업부산물 등을 일컬으며, 이 중 어느 것을 사용해도 상관없다. 무기질 필러의 역할은 다공성 세라믹의 조성에 필요한 채움재 및 반응물로서 작용한다. 무기질 필러는 일반적으로 지표에서 얻어지는 붉은 색의 진흙(적점토)과 황토 등의 점질토와, 고령토, 백토, 마사토 등의 사질토 등이 사용가능하며, 각종 석분류도 이에 해당된다. 또한 규회석, 규조토, 해포석, 현무암, 천기석, 맥반석 등과 같은 천연의 암석을 분쇄를 통하여 미분화한 것을 사용할 수가 있으며, 입자의 크기는 325mesh 이상의 체분리를 통하여 얻어진 것이 바람직하다. 또한 고령토나 백토 등을 800℃에서 하소처리하여 활성화시킨 활성점토를 사용하는 것도 가능하다. 이는 천연광물의 반응성이 낮은 문제를 해결하기 위한 것으로 산성 혹은 알칼리성 분위기에서 이온용출이 빠르며, 원료의 가소성을 제거하였기 때문에 슬러리화 시킬 경우에도 천연의 점토에 비하여 매우 쉽게 제조할 수 있다.
산업부산물로서 화력발전소로부터 발생된 플라이 애시, 고로슬래그, 실리카퓸, 기타 소각회 등이 가능한데, 바람직하게는 중금속 등이 함유되지 않아 현재 시멘트 혼화재로서 사용중인 플라이 애시나 실리카퓸 등이 적당하며, 입자의 크기는 제한하지 않으나 정제되어 상품화된 원료를 사용하는 것이 바람직하다.
무기질 필러는 결합재 조성물 내에서 입자와 입자 사이에 존재하면서 접촉하는 물 혹은 공기 중의 유해물질을 물리적으로 흡착하는 작용을 하며, 공기 중으로 원적외선 방사와 같은 효과를 발휘한다. 무기질 필러의 입자크기 범위는 0.1~30㎛ 범위를 갖는 입자들이 적당하다. 입자의 크기가 클 경우, 필러로서의 기대하는 효과를 얻을 수가 없다. 또한 무기질 필러의 사용량은 5~20 중량 %의 범위를 사용하는 것이 바람직하며, 사용량이 범위 미달의 경우에는 필러효과가 떨어지고, 흙을 사용함으로써 기대되는 원적외선 방사효과, 유기물 흡착, 자정작용 등이 줄어들고, 사용량이 범위를 초과하게 되면 상대적으로 결합 작용물질들의 감소로 압축강도와 같은 물리적 특성이 감소함으로 내구성이 저하하는 문제가 있다. 또한 발포되는 과정에서 과량의 불순물로 작용하여 기공을 파괴하는 소포작용의 원인으로 되는 문제가 있다.
본 발명에서 사용한 경량골재는 특별히 제한하지는 않으나, 펄라이트, 질석, 발포유리, 난석, 플라이 애시 잔사, 버텀애시 경량분, 화산재 등이 이에 해당하며, 바람직하게는 경제적으로나 수급 등을 고려할 때 펄라이트를 사용하는 것이 좋다. 경량골재의 입자크기는 0.5내지 10mm 이하의 범위를 사용하는 것이 가능하며, 바람직하게는 1~5mm의 범위를 갖는 입자를 선별하여 사용하는 것이 좋다. 경량골재는 5~20 중량%의 범위내에서 사용하는 것이 바람직하다. 5중량% 미만에서는 강도발현에는 우수하나 발포시 부피증대를 위한 가교역할을 하기에 부족한 양이고, 20 중량% 이상을 사용하게 되면, 발포시 부피의 팽창으로 저밀도의 제품을 얻는 것에는 만족하나 제품으로서 필요한 물리적 특성의 저하로 제품화할 수 없는 문제가 있다. 범위를 초과 혹은 미달하게 되면 결합재의 물성이 목적하는 바를 얻을 수 없다. 경량골재의 사용에 있어서, 바람직한 것은 경량골재 자체에 다공성이 존재하는 것을 사용하는 것이다. 다공성 제품은 그 자체만으로도 흡도 조절기능이나 유해성 휘발물질의 물리적 흡착, 경량화가 가능하기 때문이다.
본 발명에서 사용되는 활성탄은 특별히 제한되지는 않는다. 일반적으로 수질정화 및 대기정화용도로 생산되는 활성탄으로서 1mm이하, 1~3mm, 3~8mm 제품을 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 3~8mm의 입자를 사용하는 것이다. 이는 잔 입자들보다는 굵은 입자의 부유성이 좋아 발포시 무게차이에 의한 소포성이 줄어들고, 입자가 크기 때문에 표면을 가공했을 경우, 뚜렷한 패턴을 줄 수 있기 때문이다. 수질정화 및 대기정화용도로 사용되는 분야에서는 보다 작은 입자를 사용하면 더욱 우수한 정화효과를 발현할 수 있다. 활성탄의 사용범위는 10내지 20 중량%의 범위를 사용하며, 이 범위를 벗어나면 원하는 물리적 특성과 정화기능을 얻을 수 없게 된다.
본 발명에서 사용되는 무기질 인산마그네슘 결합재 조성물은 특별히 제한되지는 않는다. 일반적으로 인산마그네슘 시멘트 조성물인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 본 발명자들에 의해서 발명된 무기질 인산마그네슘 결합재를 사용하는 것이다. 결합재 조성물 총 100중량%에 있어서 경소산화마그네시아와 반응성 산화마그네시아가 70:30 내지 85 : 15중량 %로 구성되는 산화마그네슘을 20-60 중량%, 인산알루미늄 3 중량%와 1인산칼륨 30-70중량%와 1인산암모늄 27-67 중량%로 구성되는 인산염 20-60 중량%, 붕산과 황산마그네슘이 혼합된 반응 지연제를 2-10 중량%, 안료 0.5-2 중량%로 구성되며, 사용범위는 35-75 중량%이다.
산화마그네시아는 마그네슘광산으로부터 채광된 암석을 800-1,000℃의 온도범위에서 하소하여 제조한 순도 88~90% 범위의 경소마그네시아, 1,450-2,300℃의 온도범위에서 결정화 한 순도 90% 이상의 중소 및 사소마그네시아, 돌로마이트로부터 추출하여 제조한 산화마그네시아, 바닷물로부터 추출한 수산화마그네슘을 열처리하여 얻어진 고순도(97% 이상) 산화마그네아 반응성 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 내화물의 수명완료 후 발생된 사소산화마그네슘이 사용 가능하며, 이를 하나 혹은 그 이상의 것을 혼합하여 사용할 수 있다.
발포세라믹은 발포시작 후, 소포현상이 생기지 않도록 하여야 한다. 즉, 발포기구에 의해서 발포될 때 성형틀이 좁을 경우, 일정한 점력을 유지하고 있는 성형물에 의해서 소포(발포시 기포가 꺼지는 현상)가 억제된다. 이 경우, 경소마그네시아 만을 사용하면 저가의 우수한 제품을 생산할 수 있다. 반면에 제조하고자 하는 제품이 타일형태나 보드 형태, 판넬 형태의 경우, 노출면적이 넓기 때문에 발포시 성형틀과 가까운 부분은 벽면을 기반으로 기포형성이 잘 일어나지만, 중앙부분으로 갈수록 지지기반이 없어지기 때문에 발생된 기포가 형성된 그대로 존재하기 위해서는 높은 점도를 유지하거나 지지기반을 중앙에 설치하여야 하는 등의 문제가 있다.
점도가 높을 경우에는 유동성이 현저하게 저하하기 때문에 발포시 생성된 기포가 전체적으로 균일하고 잘 형성되기 위해서는 점도가 낮을 때에 비하여 매우 많은 에너지를 필요로하기 때문에 이 또한 어려움이 있다. 넓은 면적을 갖는 판재 등을 생산할 때에는 소포현상이 일반적으로 생성되는 바, 발포에 의해서 기포가 형성되는 것과 경화시간을 조절하게 되면, 소포현상을 억제할 수 있게 된다. 탄산염에 의해서 발포되는 시간은 1~5분 정도의 범위이며, 5분 이후부터 경화반응이 진행되게 되면 소포현상을 억제할 수 있다.
그러나 경소마그네시아와 지연제 조성은 경화시간이 25분 이상 소요되며, 표면이 넓은 판재를 제조할 경우에는 소포현상을 억제하기 위한 조치가 필요로 한다. 반응성 산화마그네시아는 경화반응이 매우 급격한 물질이며, 경소마그네시아와 성분이 동일하고, 분말도가 높고 반응성이 우수하여 물리적 특성이 경소마그네시아에 비하여 높게 발현된다. 판재와 같이 넓은 발포를 생성시켜야 하는 공정에서는 반응성 산화마그네시아(순도 97% 이상) 15~30 중량 %를 경소산화마그네시아에 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 경소산화마그네시아는 경제적으로 저가이며, 순도가 높지 않아 반응성이 떨어지며, 해수로부터 추출한 반응성 산화마그네시아는 입자가 매우 미립이며(>10㎛) 순도가 높아서 반응성이 뛰어나나 가격이 비싸서 시장 경쟁력이 떨어지는 문제가 있다. 경소산화마그네시아의 순도는 작업성과 경제성 측면에서 볼 때 90% 전후의 순도를 갖는 것이 바람직하다. 15% 미만을 사용하게 되면 원하는 조기강도를 확보할 수가 없고, 30%를 초과하여 사용하면 가격 경쟁력이 나쁘게 되어 사업성이 떨어지는 문제가 있고, 급결하는 문제로 반응지연제를 추가로 첨가하여야 하는 문제점이 있다. 그러나 이러한 경소마그네시아와 반응성 산화마그네시아의 사용에 있어서 특별히 제한하지는 않는다. 그 제품 생산의 용도에 맞춰 사용하는 것이 좋다.
산화마그네슘은 첨가되는 인산염과 반응하여 마그네슘+알칼리토금속+인산의 복합체를 형성한다. 결합반응의 원리는 이온반응에 따르며, 보다 구체적으로는 마그네슘인산계 시멘트의 고화 원리를 따른다. 결합작용은 1인산칼륨을 사용할 경우, 첨가된 원료들이 물과 반응하여 MgKPO4·6H2O를 생성시키고, 물과의 반응으로 생성된 OH- 이온에 의해서 규사표면을 자극하여 표면의 요철이 생성되면 열린 Si 이온은, Mg 이온과 복합적으로 M-S-H(마그네슘 실리케이트 하이드레이트)를 생성하여 경화하게 된다.
적절한 사용량은 20~60중량%이며, 이 범위 미만의 경우에는 결합력이 저하되어 발포세라믹을 구성하는 입자들을 강력하게 결합할 수 없고, 이 범위를 초과하는 경우에는 매우 상대적으로 인산염이 감소하게 되므로 역시 결합력이 저하하는 문제가 있다. 또한 과량의 MgO 의 사용으로 물에 노출 시 물과 반응을 지속하면서 역수화반응에 의해서 장기강도가 저하하는 문제점이 있다. 게다가 마그네슘이온의 수화로 Mg(OH)2의 양이 증가하여 pH 값이 상승하는 문제점이 있다.
인산염은 인산화합물 중에서 산성을 띠는 AlPO4, LiH2PO4, Na2H2P2O7, (NaPO3)5~9, NH4H2PO4, KH2PO4, NaH2PO4 등이 가능하며, 하나 또는 그 이상의 물질을 혼합하여 사용하여도 좋다. 보다 바람직하게는 분말상의 인산알루미늄 3 중량 %, 인산수소칼륨 30내지 70중량 %, 인산수소암모늄 27 내지 67중량%의 범위를 사용하는 것이 좋다. 인산알루미늄은 인산염의 액성을 pH 1~2의 범위로 조절하여 MgO 와 인산염 자체의 용해도를 높이는 작용을 하며, 인산수소칼륨은 주요한 반응물질로서 스투르바이트(MgKPO 4 6H2O)를 생성시켜 강도발현이 가능하도록 하며, 인산수소 암모늄은 최종 제품의 pH 값을 중성영역으로 유지하는 역할과 더불어 스투루바이트의 다른 형태인 NH4MgPO4nH2O의 화합물을 형성한다. 또한 이러한 인산염의 PO4 3 - 이온에 의해서 산화마그네슘, 해포석, 규사 등의 무기성 필러가 자극을 받으며, 각각 이온 용출되어 Mg2 +, Al3 +, Si4 + 등으로 이온화되고, 이것과 첨가된 인산기가 반응하여 마그네슘 하이드로겐(또는 포타슘) 포스페이트 복합물을 생성하며, 마그네슘이온과 알루미늄 이온 등은 하이드로탈사이트(Mg4Al2(OH)12CO33H2O)를 생성시키는 작용을 한다. 생성된 마그네슘 하이드로겐 포스페이트, 마그네슘 포타슘 포스페이트, 하이드로탈사이트 등은 중금속의 흡착효율이 좋은 것으로 알려져 있으며, 인의 흡착능력도 우수한 것으로 나타났다. 선행 예비실험에 의해서 1인산 칼륨과 1인산 암모늄의 비율은 약 30 내지 70 및 67 내지 27의 범위로 혼합하여 사용할 때 단독으로 사용할 때와 비교하여 높은 압축강도 값을 발현하였다. 그러나 1인산암모늄 혹은 1인산칼륨 및 기타 사용가능한 인산염의 단독사용상에 문제가 있는 것은 아니기 때문에 특별히 사용원료에 제한하지는 않는다.
인산염의 적절한 사용량은 20~60중량%이며, 이 범위 미만의 경우에는 산화마그네슘과 반응에 의해 마그네슘 하이드로겐 포스페이트, 마그네슘 포타슘 포스페이트, 하이드로탈사이트등의 반응생성물의 생성량이 감소하여 강도저하로 나타나고, 이 범위를 초과하는 경우에는 과도한 인산염의 사용으로 미반응 인산기의 하천유입이나 호소유입에 의해서 부영양화나 녹조등의 원인이 되기도 하는 문제점이 있다. 최근 인산염은 가격은 극상승의 추세를 통하여 이를 이용하는 제품들의 원가를 상승시키고 있고, 현재 인산염의 가격 특히 산성을 띠는 인산염의 가격은 kg당 4,000원 이상으로 거래되고 있기 때문에 기타 결합재와의 경쟁력이 악화되는 문제점이 발생하게 된다. 더욱 바람직하게는 인산염을 산화마그네시아보다 과량 사용하는 것이 바람직하다. 즉 산화마그네슘 100중량부에 대해서 인산염은 100 중량부 내지 200 중량부 내에서 사용하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 반응 지연제는 특별히 제한되지는 않으나, 기존 문헌 등에서 잘 알려진 붕산, 붕사, 구연산, 폴리인산나트륨, Mg(OH)2, 카르복실산, 폴리카르복실산, 할로겐의 알칼리 금속염, 수산화 나트륨, 수산화칼륨, 수산화마그네슘, 수산화암모늄, 탄산 알칼리 금속, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 규불화소다, 질산칼륨, 질산나트륨, 황산나트륨, 황산칼륨, 황산마그네슘, 질산마그네슘, 탄산나트륨, 탄산칼륨 등이 사용 가능하다. 지연제의 사용량은 2 내지 10 중량 %가 적당하다. 2 중량% 이하로 사용하게 되면, 반응성 산화마그네시아를 사용함으로써 발생되는 급결성을 제어하기 어렵고, 이로서 발포세라믹 제작에 필요로 하는 최소한의 시간인 5분을 확보할 수 없고 기포가 완전하게 형성되지 않았기 때문에 원하는 밀도를 얻을 수 없는 문제가 있다. 반면에 10 중량%를 초과하게 되면, 초기 작업성을 확보할 수 있으나 반응성 산화마그네시아의 조기경화에 의한 소포현상 억제효과가 떨어지게 되므로 역시 원하는 밀도를 얻을 수 없다. 바람직한 지연제는 붕산과 황산마그네슘(MgSO4) 복합적으로 사용하는 것이다. 붕산과 황산마그네슘의 비율은 황산마그네슘을 1중량%로 고정하고 나머지를 붕산으로 투입하는 것을 특징으로 한다. 황산마그네슘의 사용량이 높거나 붕산의 사용량이 너무 낮으면 지연효과가 제품의 기포형성에 방해되기 때문에 적절한 양이 요구된다.
본 발명에서 사용되는 안료는 제품의 색상을 발현하도록 하기 위한 것으로 특별히 제한되지는 않으나, TiO2, Fe2O3, Fe3O4, MnO2 등이 적절하며, 사용량은 0.1~2.0 중량%의 범위로 사용하며, 이 범위를 벗어나는 조건에서는 원하는 색상 발현이 어렵거나 경제성의 문제가 있다. 바람직한 사용량은 1.5 중량%이다.
이상의 무기질 인산마그네슘 결합재 조성물은 35 내지 75 중량%의 범위로 사용하는 것이 좋다. 35중량% 미만 사용하게 되면, 발포 후 경화에 의한 형태 유지 및 물리적 특성 발현이 어렵고, 75 중량%를 초과하게 되면 물리적 특성은 매우 우수하나 가격 상승으로 경제성이 떨어지고, 더불어 0.5g/cm3이하의 밀도를 얻는 것이 용이하지 않은 문제가 있다.
본 발명에서 사용되는 금속염은 특별히 제한되지는 않으나, 황산기를 포함하는 Cu, Ni, Fe, Al, Co, Mg 등의 금속 황산염이 사용 가능하다. 이러한 금속 황산염을 단독 혹은 복합으로 사용할 수가 있다. 본 발명에서 금속염은 자체의 액성에 의해서 알칼리도를 낮추는 작용을 함과 동시에 표면에 불용성화합물을 형성하는 것으로부터 물질내의 이온이 용출되지 않도록 하는 작용을 하도록 한 것이다.
또한 금속염의 강한 산성 액성을 이용하여 마그네슘계 복합물의 용해를 촉진하여 반응성을 높이는 역할을 하며, 더불어 금속염에 포함된 금속성분들은 표면에 오픈되어 있는 Mg, Ca, K, Na 등으로 석출되는 수산화물의 OH- 를 선택적으로 소비하여 pH 값은 중성영역으로 변화시킨다.
작용원리는 다음과 같다. 첨가된 FeSO4는 물과 접촉으로 이온상태로 되어 Fe2 +
되고 결합재 조성물 내에 생성된 OH-이온과 반응하여 Fe(OH)2, FeOOH 등의 불용성화합물로 재석출되고, 이 물질은 Ca(OH)2(용해도 0.129%), CaSO4(용해도 0.208%) 보다 용해도가 1/10,000~1/100,000,000 이하이기 때문에 표면에 물이 접촉해도 내수성을 지속할 수 있는 특성을 발휘하게 된다. 또한 이러한 수산화철, 수산화알루미늄, 수산화니켈, 수산화코발트 등과 같은 불용성 화합물들은 매우 낮은 용해도뿐만 아니라 유해한 중금속을 흡착하는 흡착물질로 잘 알려져 있기 때문에 수질 내의 유해한 중금속의 흡착을 통하여 정화하는 기능이 부여될 수 있는 특성이 있다. 또한 금속염의 액성은 1.0~4.0의 범위로 산성을 띠기 때문에 결합재 조성물의 pH 값을 낮추는 작용도 한다. 바람직한 금속염의 사용량은 0.1 내지 1.5 중량% 가 좋다.
본 발명에 사용되는 탄산염은 특별히 제한되지는 않으나, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 과탄산소다, 탄산칼륨, 탄산수소칼륨, 탄산암모늄, 탄산수소암모늄, 암모늄카바메이트, 우레아, 탄산마그네슘, 탄산칼슘, 콜라, 환타, 사이다, 스프라이트, 맥주 등과 같이 탄산나트륨이 들어있는 탄산물 등이 사용가능하다. 탄산염은 하나 혹은 그 이상을 고체 혹은 액상의 형태로 혼합하여 사용할 수 있다. 탄산염의 사용량은 분말 혹은 과립의 경우, 0.5 내지 10 중량%의 범위가 적당하며, 액상의 경우, 물에 5~30 중량%를 희석하여 사용할 수 있다. 탄산염의 사용은 본 발명에 있어서 기포를 조성물 내에 형성시킴과 동시에 K 이온이나 Na 이온, NH4 이온이 Mg 및 PO4 이온과 반응하여 스투루바이트를 형성시키는데 매우 큰 장점이 있다.
일반적으로 기포를 발생시키는 원리는 주로 이산화탄소를 강제 주입하는 거에 의해서 기포를 형성시키거나 금속분말에 강산이나 강알칼리성 분위를 조성하는 것에 의해서 수소가스를 발생시키는 것으로 기포를 발생시키거나 또는 유기성 기포형성제(계면활성제 등)를 첨가하는 것으로 조성물 내에 거품을 인위적으로 발생시켜 다공성 형태를 생성시키는 것이 일반적이다. 또한 조성물에 탄산염이나 유기물을 혼합하여 성형한 후, 탄산가스가 발생할 만큼의 온도로 열처리하거나 유기물이 탄화할 수 있는 온도로 열처리하는 방법도 있다.
지금까지 마그네시아 인산염 시멘트계에서 사용된 탄산염은 탄산칼륨이 전무하며, 탄산칼륨의 역할은 지연제로서의 사용이다. 탄산칼륨은 조성물의 pH를 높여서 반응열을 효과적으로 낮추는 완충작용을 하며, 칼륨이온은 스투루바이트의 형성에 참여하도록 설계하였다. 이러한 작용기구에 의해서 제조된 조성물은 매우 단단하고 치밀한 밀도를 갖는 세라믹 제품이 되는 것으로 밝혀졌다.
한편, 본 발명에서 제공하고자 하는 탄산염을 이용한 발포원리는 클링커 광물의 조합에 의해서 제조되는 시멘트를 주성분으로 하는 조성물, 지오폴리머 조성물, 마그네슘옥시클로라이드 시멘트 등에는 전혀 기포를 발생하지 않는 특성이 있으며, 산화마그네슘과 인산염을 포함하는 조성물에서 상온에서 이산화탄소를 발생시키는 작용을 한다.
그러나 본 발명에서는 이러한 기존의 방법에서 적용한 원리가 아닌 탄산염을 상온에서 이온 분리시키고 이 때 발생된 탄산가스는 발포기구로 작용하며, 탄산가스를 제외한 잔여 Na, K, NH4 이온 등이 MgM(M=Na, K, NH4 )PO4의 스투르바이트를 형성시켜 발포세라믹의 강도를 보완해주는 작용을 하도록 하였다.
본 발명에 의한 상온 발포세라믹 조성물 및 그 제조방법은 시멘트 미사용으로 인하여 시멘트 생산시에 발생되는 CO2 가스의 방출을 억제하여 대기오염을 줄일 수 있고, 시멘트 독성인 Cr6 + 등의 발생을 원천적으로 봉쇄할 수 있고, 새롭게 생성된 스투루바이트 및 하이드로탈사이트 등은 환경오염을 유발하지 않고, 수질내의 P, Pb 등과 같은 유해물질을 흡착할 수 있는 것으로 알려진 물질들로서, 이를 이용하여 초기우수내의 비점오염원을 걸러내는 것이 가능하므로 수환경을 보호하는 효과를 얻을 수 있다.
또한 기존 제품들로부터 발생할 수 있는 금속염의 이온용출 문제를 해결하는 것으로 하천의 오염을 사전에 방지할 수 있는 장점과 더불어 이온용출에 의한 내수성 감소문제를 억제할 수 있어 제품의 품질이 장시간 지속하는 것이 가능하므로 유지보수 비용의 절감도 가능할 것이다. 또한 펄라이트와 활성탄의 흑백, 황토의 적색, 이산화티탄의 백색 등 첨가되는 필러와 안료 및 기능성 분말 등에 의해서 천연의 대리석질감을 인공적으로 가미한 친환경 건축마감재를 제공할 수가 있다.
도 1은 본 발명에서 실시예에 의한 제조공정 및 제품 사진이고,
도 2는 실시예에 의해서 다양한 색상으로 제작된 발포세라믹 판넬(가로 500mm ×세로 500mm × 높이 10mm)이고,
도 3은 실시예에 의해서 다양한 형태의 발포세라믹 사진이며,
도 4는 실시예에 의해서 제조된 발포세라믹의 투수성능을 나타내는 사진이다.
(실시예 1 내지 31) 및 (비교예 1 내지 8)
아래의 방법으로 무기질 상온경화형 발포세라믹 조성물을 제조하였다.
1) 표 1 내지 5에 정리하여 나타낸 바와 같은 조성물을 각각의 용기에 저울을 이용하여 칭량하는 단계;
2) 각각 칭량된 분상원료는 경량골재→활성탄→무기질 필러→무기질인산마그네슘 결합재의 순으로 키친 믹서기에 투입하는 단계(여기서 무기질 인산마그네슘 결합재의 조성물은 경소산화마그네시아 80 중량%와 반응성 산화마그네시아 20중량%로 구성되는 산화마그네슘을 40 중량%, 인산알루미늄 3중량%와 1인산칼륨 55중량%와 1인산암모늄 42 중량%로 구성되는 인산염 54중량%, 붕산과 황산마그네슘 혼합 지연제를 4.5 중량%, 산화티탄안료 1.5 중량 %로 구성되는 것을 이용하였음);
3) 분말상을 키친 믹서 레벨 1(약 30rpm)에서 5분간 느리게 균일 혼합하고, 레벨을 3(약 60rpm)으로 올려서 1~2분간 빠르게 혼합하는 단계;
4) 균일 혼합된 분말상의 조성물에 설정한 물을 일시에 투입하고 같은 레벨의 속도로 빠르게 30초간 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
5) 제조된 슬러리에 탄산염을 투입하는 단계;
6) 혼합된 슬러리를 레벨 5(120rpm)로 상승시켜 급격하게 교반하면서 물속에 기포를 주입하고, 탄산염이 MgO 와 PO4 이온과 반응하면서 초기 형태를 잃어버리고 M+나 M++(M=Na, K, NH4, M++=Ca, Mg, Ba 등) 및 CO2 의 형태로 분리되면서 CO2 가스에 의해 기포를 발생시키는 단계;
7) 발생된 기포가 소포되지 않도록 30초 이내에서 교반을 멈추고 즉시 이를 성형틀에 충진하는 단계(기포가 형성되는 단계에서는 물리적 충격을 가하면 소포현상이 발생할 수 있음);
8) 충진한 원료가 성형틀 곳곳에 잘 스며들 수 있도록 1~2초간 진동을 가하는 단계( 이 단계에서 진동을 가하여 슬러리가 소포현상을 나타내나 슬러리 내에 투입되어 있던 미반응 탄산염이 진동에 의해서 균일하게 포진하면서 MgO 와 PO4 이온과 접촉으로 기포발생이 촉진됨);
9) 성형틀에 채워진 성형물이 5~20분 이내에 경화하는 단계(경화시간은 성형하고자 하는 제품의 면적이나 규모 등에 따라서 지연제의 첨가량을 변화시키는 것으로 조절 가능함);
10) 경화된 발포세라믹 성형체는 30~60분의 자연경화시간 경과 후에 탈형하는 단계(탈형시간은 경화시간 조절에 의해서 변경가능하며, 탈형시간에 따라서 제품의 완성도가 높아지며, 생산성이 크게 좌우됨);
11) 탈형된 성형품은 자연양생 28일 재령하여 최종제품을 완성하는 단계;
11)-1 탈형된 성형품을 30-35℃의 온도하에 24~72시간 열풍 건조기내에 유지하는 것으로 최종제품을 완성하는 단계
Figure pat00001
실시예 9는 실시예 1과 동일하게 시행하되, 산화티탄안료 1.5 중량%를 Fe3O4 흑색 안료로 변경하였다.
실시예 11은 실시예 1과 동일하게 시행하되, 산화티탄안료 1.5 중량%를 Fe2O3 황토색 안료로 변경하였다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
* : MgCl2(3.6M 수용액)
각 실시예 및 비교예에 의하여 얻어진 시편들의 물성은 아래의 표 6과 같았다.
Figure pat00006
[비교예 9]
비교예 9는 대한민국 특허공개 특1999-014664호에 기재된 발명 조성물의 실시예 2를 재현한 것이다.
탄산칼륨 22g
인산일암모늄 36g
플라이 애쉬 25g
산화마그네슘 38g
물 17ml
그 결과, 28일 압축강도는 27.8MPa 을 발현하였으며, 초기 경화시간은 4분 40초, 종결시간은 5분 10초, 밀도는 1.98g/cm3, 흡수율 6.9%를 나타내었다.
[비교예 10]
비교예 10은 US 5,830,815호에 기재된 발명 조성물의 실시예 1을 나타낸 것이다.
탄산칼륨 15%를 인산수용액(50%)에 투입하여 수용액 제조한 후, 100g의 수용액에 50g의 산화물을 첨가하였다. 산화물은 하소된 MgO 85%와 붕산 15%를 혼합한 것이다. 탄산칼륨의 첨가로 수화열이 발생하지 않았다.
그 결과 제조된 시편은 오픈포아 6.1%, 밀도가 1.77g/cc(g/cm3), 클로스 포아 10.2%, 압축강도 3,700psi(25MPa)를 나타내는 치밀한 성형체를 얻을 수 있었다. 이는 K2CO3와 H3PO4의 중화 반응으로 KH2PO4를 생성시키고 추가로 첨가되는 MgO 와의 반응을 통해서 스투르바이트를 생성시킬 목적으로 사용하기 때문에 반응중에서 생성되는 이산화탄소를 모두 제거하고 안정화 한 후 MgO 를 첨가하여 반응시키는 제조방법을 이용하는 것으로부터 발포생성물을 얻을 수 없는 것이다.

Claims (7)

  1. 아래의 단계로 구성되는 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물의 제조방법.

    1) 무기질 필러 5~20 중량%, 경량골재 5~20 중량%, 활성탄 10~20 중량%, 무기질 인산마그네슘 결합재 40 내지 80 중량%, 탄산염 0.5 내지 10 중량%로 구성되는 무기결합재 조성물을 각각의 용기에 저울을 이용하여 칭량하는 단계;
    2) 각각 칭량된 분상원료를 경량골재→활성탄→무기질 필러→무기질인산마그네슘 결합재의 순으로 믹서기에 투입하는 단계;
    3) 믹서기에 투입된 분말상을 혼합하는 단계;
    4) 균일 혼합된 분말상의 조성물 100중량부에 대하여 30 내지 50중량부의 물을 투입하고 혼합하여 슬러리상으로 제조하는 단계;
    5) 제조된 슬러리 100 중량부에 대하여 탄산염 0.5 내지 11 중량부를 투입하는 단계;
    6) 탄산염이 혼합된 슬러리를 급격하게 교반하면서 물속에 기포를 주입하고, 탄산염이 MgO 와 PO4 이온과 반응하면서 초기 형태를 잃어버리고 M+나 M++(M=Na, K, NH4, M++=Ca, Mg, Ba 등) 및 CO2 의 형태로 분리되면서 CO2 가스에 의해 기포를 발생시키는 단계;
    7) 발생된 기포가 소포되지 않도록 교반을 멈추고 이를 성형틀에 충진하는 단계;
    8) 충진한 원료가 성형틀 곳곳에 잘 스며들 수 있도록 1~2초간 진동을 가하는 단계;
    9) 성형틀에 채워진 성형물이 5~20분 이내에 경화하는 단계;
    10) 경화된 발포세라믹 성형체는 30~60분의 자연경화시간 경과 후에 탈형하는 단계;
    11) 탈형된 성형품을 양생하여 무기질 상온경화형 발포 세라믹을 완성하는 단계
  2. 제1항에 있어서
    무기질 인산마그네슘 결합재 조성물은 결합재 조성물 총 100중량%에 있어서 경소산화마그네시아 80 중량%와 반응성 산화마그네시아 20중량%로 구성되는 산화마그네슘을 40 중량%, 인산알루미늄 3중량%와 1인산칼륨 55중량%와 1인산암모늄 42 중량%로 구성되는 인산염 54중량%, 붕산과 황산마그네슘 혼합 지연제를 4.5 중량%, 산화티탄안료 1.5중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    본말상을 혼합하는 단계는 5분간 느리게(30rpm) 혼합하고, 1~2분간 빠르게(60rpm) 혼합하는 것을 특징으로 하는 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물의 제조방법
  4. 제1항에 있어서,

    탄산염이 혼합된 슬러리를 혼합하는 단계는 100~150rpm으로 급격하게 혼합하는 것을 특징으로 하는 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 기재된 어느 한 항의 방법으로 제조되며, 상온 경화가 가능하고 흡수율이 45% 이상인 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물.
  6. 제5항에 있어서,

    밀도가 0.64 내지 0.98(g/cm3)인 것을 특징으로 하는 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물.
  7. 제5항에 있어서,

    표면경화시간이 7 내지 19분인 것을 특징으로 하는 무기질 상온경화형 발포 세라믹 조성물.
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