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건축구조용 내화 보강재 및 이의 제조방법{Fireproof Reinforced Materials for Building Construction and Preparation Method Thereof}
본 발명은 건축구조용 내화 보강재로서 보다 상세하게는 규조토, 경량세라믹, 펄프, 무기 결합제 및 고분자 물질을 이용하여 내충격, 내압축성, 내화학성 및 방화 성능이 우수한 건축용 보드의 제조 방법에 관한 것이다. 보드라고 하는 것은 벽 또는 천장지지 구조물에 부착할 수 있고 장식 마감 또는 디자인을 수용할 수 있는 구조재로서, 지금까지는 석고 기재의 보드 제품이 건축업의 규격품이었고 가격이 저렴하고 현장에서 사용하기에 적절한 성능을 지니기 때문에 용인되어 왔다. 그러나 석고 제품의 경우는 자체 강도에 비해 무게가 무겁기 때문에 취급시 쉽게 파손될 수 있으며, 또한 석고 보드 내의 유해 화학물질로 인하여 인체 및 환경에도 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 이러한 석고보드의 단점을 개선한 보드를 제조하기 위한 생각은 새로운 것이아니며 다양한 선행 기술에서 제안되었으나, 이들 제안 중 어느 것도 상업화되지 못했다. 미국 특허 제 3,819,388호에는 질석과 같은 경량의 광석 골재를 포함하는 석고 및 시멘트 기재의 보드 조성물로서 단열 및 방음특성을 부여하기 위해 다공성 구조를 형성하기 위한 발포제를 첨가하는 것을 특징으로 한다. 그리고 미국 특허 제 4,263,048호에는 건물의 내부 칸막이 벽에 사용하는 건축 자재로서, 팽창 펄라이트 골재와 시멘트가 포함된 콘트리트 블럭의 제조 방법이다. 그러나 이러한 제품들은 기존 제품보다 비중이 크고, 두꺼워 실용적이지 못하다. 미국 특허 제 4,263,048호에는 팽창 펄라이트와 무기 결합제의 조성으로 이루어진 보드로서, 기존의 석고 보드에 비해 강도가 떨어지고 고비용이며 생산공정이 복잡하다. 또한 각종 무기재료를 사용한 보드류는 열적 특성 (방화 및 단열성)은 우수하지만 기계적 특성 (충격강도)이 약하고, 경도가 높을수록 가공이 어려운 순수 세라믹의 특성을 가지는 경향이 있다. 상기한 내용 외에도 선행 기술에서 공지된 각종 제품과 방법을 예시하고 있지만 그중 어느 것도 본 발명에 따른 건축구조용 내화 석고보드를 대신하기에 충분할 만큼 강하고 경제적인 경량의 건축구조용 보드에 대한 것은 없다.
본 발명은 기존의 내화용 석고 보드에 비해 경량이면서 충격 및 압축에 강하고, 충분한 방화성능을 갖는 건축구조용 내화 보강재의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 제시하는 보드는 그 구성성분을 조절함으로써 다양한 특성을 부여할 수 있다. 즉 배합비에 따라 다양한 특성 부여가 가능하며 이러한 특성들로는경량성, 가공 용이성, 불연성, 고강도로 구분할 수 있다. 기존의 석고 기재의 보드류는 자체 무게로 인하여 취급 및 현장에서의 시공에서 상당부분이 자체 무게에 의해 파손되며, 그 양은 25% 내외인 것으로 조사되었다. 본 발명에서 제시하는 보드는 기본적으로 경량성을 가지고 있기 때문에 이러한 석고 보드의 단점을 보완하는데 효과적이다. 또한 세라믹 제품들은 소성에 따른 소재 자체의 취성으로 인하여 후가공이 어려운 단점이 있다. 이러한 작업성 및 후가공의 어려움으로 인해 순수 세라믹 제품들은 현 시장에서 적용되지 못하고 있다. 그러나 본 발명에서 제시된 제품은 일반 목공용 톱으로도 절단이 가능하며, 나사못 유지력 또한 우수한 것으로 나타났으며 이러한 특성들은 모두 기존의 석고 보드 및 순수 세라믹 계열의 제품이 가지는 단점을 극복할 수 있다. 또한 이러한 경량성, 가공성 뿐 아니라 세라믹 구조체가 가지는 불연성을 그대로 가지고 있고, 단열 성능이 우수한 규조토 및 고분자 물질의 혼합으로 건축용 내화 심재나 구조재 또는 선박·철도용 내장재로의 응용이 가능하다. 따라서 본 발명은 기존의 선행 기술에서 제안한 경량 세라믹 입자를 기재로 적용한 제품들과는 달리 세라믹/고분자 물질의 최적 배합으로 세라믹이 가지는 불연성, 단열성과 고분자 물질이 가지는 가공성, 경량성, 내습성, 내충격성 등을 복합적으로 발현한 것이다. 본 발명의 가장 중요한 특성 중 하나는 기존의 석고 기질 보드 및 세라믹 보드가 제조공정 상에서 필수적으로 거쳐야하는 건조/소성의 단계에서 많은 시간과 에너지를 소모해야하는 단점을 개선했다는 점이다. 상기 기술한 고분자물질은 무기세라믹 물질과 반응하여 이러한 건조/소성의 시간을 줄임으로써생산성을 크게 높였다.
도1은 본 발명에 따른 건축구조용 내화 보강재의 제조 공정도 도2는 기존의 석고보드와 각 실시예에 따른 제품의 물성시험 결과표
본 발명은 경량의 건축구조용 내화 보강재를 제공한다. 이 재료는 규조토 및 탄산칼슘, 수산화 알루미늄, 기능성 무기 첨가제, 펄프, 무기 결합제 그리고 고분자 물질로 구성된다. 이 조합의 조성물은 세라믹 물질 및 고분자 물질이 균일하게 분포되어 있으며, 약 20 내지 약 60 중량%의 규조토, 약 5 내지 40 중량%의 탄산칼슘/수산화 알루미늄 혼합물, 약 4 내지 60 중량%의 펄프, 무기 결합제 약 15 내지 50 중량%, 그리고 5 내지 80 중량%의 액상 고분자 물질과 필요에 따라 소량의 촉진제 및 항균성 무기 화합물로 이루어져 있다. 본 발명에 따른 구조용 내화 보강재의 제조 공정도를 도 1에 도시하였다. 본 발명에 사용되는 무기질 결합제는 규산소다 (Na 2 O·nSiO 2 ·xH 2 O) 및 리튬 폴리실리케이트 (Li 2 O·nSiO 2 ·xH 2 O)와 같은 알카리 실리케이트와, 알루민산 소다 (Na 2 O·Al 2 O 3 ·xH 2 O)와 같은 알카리 알루미나, 실리카 졸 (nSiO 2 ·xH 2 O, 콜로이드 타입) 또는 복합 마그네슘-알루미늄 설폰산염 소다 (Na 2 O·Mg/Al-SO 4 ·xH 2 O)이며, 바람직하게는 규산소다 (Na 2 O·nSiO 2 ·xH 2 O), 알루민산 소다 (Na 2 O·Al 2 O 3 ·xH 2 O), 리튬 폴리실리케이트 (Li 2 O·nSiO 2 ·xH 2 O)를 사용하는 것이 좋다. 본 발명에 있어서 상기의 무기 결합제는 1종 또는 2종 이상의 조합으로 이루어 질 수 있다. 무기 세라믹은 규조토를 기본 성분으로 사용하며 밀도 0.34g/㎤, pH 10, 입자 사이즈는 5㎛ ∼ 14㎛의 분말 형태이다. 탄산칼슘/수산화 알루미늄은 일반 공업용 제품으로 입자 사이즈는 약 8㎛ 내외의 것을 사용한다. 펄프는 일반 폐지를 분쇄기에서 물과 혼합 후 분쇄하여 사용할 수 있지만 더 바람직하게는 재활용 가능한 폐슬러지를 이용한다. 폐슬러지는 제지 공정에서 발생되는 펄프로서 본 발명에 적용하기 위해서는 적절한 처리 공정을 거친 후 사용된다. 이러한 공정은 항균성 첨가제 및 살균제를 소량 첨가하여 무기 바인더와 혼합하여 슬러지 상태로 제조하는 것이다. 셀룰로오스계 섬유가 분산된 슬러지에 상기 언급한 규조토 및 탄산칼슘/수산화알루미늄 혼합물을 배합하여 고속으로 교반하여 혼합한다. 이렇게 혼합된 슬러리상에 적정량의 발포제를 첨가하게 되면 내부에 기포가 형성된 경량 보드가 제조된다. 또한, 이러한 발포제와 고분자 물질을 적정비로 배합하게 되면 건조시 발생되는 세라믹 보드의 수축을 막을 뿐만 아니라 건조시간을 단축할 수 있다. 이러한 고분자 물질로는 스타일렌, 아크릴계 모노머, 폴리에스테르계, 에폭시 또는 이소시아네이트계 1종 및 2종 이상의 배합으로 이루어진다. 보다 바람직하게는 상기 언급한 무기결합제와 이소시아네이트계, 에폭시, 불포화 폴리에스테르의 혼합으로 최종 제품의 비중, 건조 속도, 기계적 특성, 난연성을 조절할 수 있다. 즉 이소시아네이트계의 고분자 물질 또는 상기 물질과 혼합한 아크릴계, 에폭시, 불포화 폴리에스테르계의 혼합물이 증가할수록 무게는 가벼워지며 유연하고 성형성이 우수한 제품이 얻어진다. 고분자 물질이 첨가되면 비중을 적정하게 낮춰주면서 가공 용이성도 어는 정도 유지하며 세라믹이 가지는 불연성이 발현된다. 따라서 본 발명은 고분자 물질과 세라믹의 함량 조절을 통해 다양한 특성을 가진 제품 생산이 가능하며, 고분자 물질이 과량 첨가되어도 세라믹 성분의 절연, 내화특성에 의해 불연성을 가진 보드로 제조되는 것이다. 이러한 폐슬러지를 이용한 강화재와 고분자 물질의 혼합으로 기존의 석고 보드 및 세라믹 보드에 비하여 가공 및 충격 강도가 우수한 제품이 얻어진다. 본 발명에 따른 섬유질 보강 경량 세라믹 보드의 제조에 있어서 건조온도의 범위는 20℃∼200℃의 범위로 하는 것이 바람직하고, 작업공정 및 생산량에 따라 온도를 조절 할 수 있다. 그러나 바람직하게는 고온에서 건조되었다 하더라도 세라믹 내부의 수분이 결정수로 변환되도록 충분한 시간을 주는 것이 좋다. 본 발명에서의 가열 건조시간은 바람직하게는 10 ∼ 60분이고, 자연 건조시간은 약 1시간 이상으로 한다. 본 발명에 의하여 제조된 보드는 기존의 내화용 경량 석고보드 및 밤라이트 계열의 보드가 가지는 기계적 물성과 비교할 때, 비중의 차이는 거의 없으면서 압축강도는 약 1.86∼17.3배, 인장강도는 약 1.36∼3.98배, 굽힘강도는 약 1.94∼10.1배 이상 증가되었으며, 도 2에서 각 실시예에 따른 물성 결과를 비교하여 나타내었다. 본 발명은 초경량·내충격성·파열저항이 우수한 건축 구조용 내화 보강재의 제작이 가능하다. 이하 본 발명을 실시예에 의거 설명할 수 있으며, 본 발명의 범위가 그 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 실시예 1 ∼ 4는 우수한 불연성을 가지는 제품으로 기본 물질인 규조토의 함량과 폐슬러지의 함량 조절로 비중, 나사못 유지력 및 강도를 조절한 타입이다. 폐슬러지 이외에는 성분이 무기물이기 때문에 한국 공업규격 (KS)F-2257의 건축 구조부분의 내화시험 방법에 따라 가로 900mm, 세로 1,800mm, 두께 12.5mm의 각 실시예에 따른 시편을 제작, 건조 후 실시한 900℃ 난연시험에서 표면이 검게 그을린 것 외에는 화염전파 및 가스발생이 거의 없었다. 실시예 1과 3은 비중이 각각 1.05g/㎤, 1.1g/㎤ 이며 실시예 2와 4는 비중이 각각 0.8g/㎤, 0.65g/㎤이다. 또한 충격강도 및 나사못 유지력은 실시예 2와 4의 경우가 실시예 1과 3보다 우수하였다. 실시예 1부터 실시예 4까지의 시편은 900℃에서 가열한 난연 테스트 결과, 30분 후 이면온도가 약 135℃ ∼ 168℃로 나타났다. 무기/유기계의보드는 상기 언급한 무기첨가물에 고분자 물질을 혼합하여 사용하는 방법으로서, 실시예 5에서 실시예 8까지 나타내었다. 제조된 폐슬러지를 함유한 바인더에 실시예에서 명시한 규조토 및 무기계 분말, 고분자 물질을 혼합하고 형틀에서 건조시켜 제조하였다. 실시예 5에서 실시예 8까지는 이러한 무기/유기계 결합제의 혼합비를 조절하여 제조한 예이다. 이렇게 제조된 제품은 낮은 비중, 건조시간의 단축, 후가공 용이성 및 우수한 충격강도를 가진다. 실시예 5에서 실시예 8에 따라 제조된 제품의 비중은 각각 0.7g/㎤, 0.8g/㎤, 0.5g/㎤, 0.62g/㎤ 로 나타났으며, 실시예 7의 경우는 아주 가볍고 기계적 물성은 우수하지만 상대적으로 실시예 1∼4번 제품보다는 불에 약하며, 900℃ 난연시험 결과 각 샘플의 이면온도는 152℃ ∼ 174℃인 것으로 나타났다. 기존의 석고보드와 본 발명에 따른 각 실시예의 난연시험 결과 비교표를 도 2에 나타내었다. 각 실시예에 따른 제품의 전체적인 특성값은 비중 0.5∼1.1g/㎤, 압축강도 284.5∼2643.7kg f /㎠, 인장강도 21.3∼62.4kg f /㎠, 굽힘강도 35.7∼186.4kg f /㎠이며, 불연 또는 난연성을 가지는 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 경량 방화용 보드는 유기계와 무기계의 복합재료로서 저비용으로 생산 가능하며, 유기계가 가지는 저비중, 고탄성, 가공 용이성, 내충격성과 무기계가 가지는 고강도, 불연성의 특성을 함께 발현시킨 것이다. 즉 상기 실시예에 나타난 바와 같이 유기계와 무기계의 함량 차이를 조절함으로써 비중, 가공성 및 충격 강도 등의 특성을 조절할 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 보드는난연, 단열, 방화용 보강재 뿐만 아니라 적절한 표면처리를 통해 건축 내장재로도 사용가능하며, 석고 보드 대체용으로 다양하게 사용될 수 있다. |
