수열합성법을 이용한 무기계 단열소재 제조방법 및 특성에 관한 연구 (1) A Study on Fabrication and Characterization of Inorganic Insulation Material by Hydrothermal Synthesis Method (1)원문보기
본 연구에서는 규석, 시멘트, 생석회 및 소량의 무수석고를 사용하여 미네랄 하이드레이트 단열소재를 제조하였다. 슬러리의 특성 분석을 선행한 후, $CaO/SiO_2$ 몰비 변화에 따른 배합설계를 통해 최적 배합비를 도출하였다. 도출된 배합 설계비를 기준으로 혼합수 함량 및 수열합성 조건에 따른 소재의 특성을 측정, 평가하였다. 초적 조건으로 제조된 미네랄 하이드레이트 소재의 특성은 각각 밀도 $0.26g/cm^3$, 압축강도 0.4MPa, 열전도율 0.064W/mK로 나타났다. 이는 기존의 ALC(Autoclaved Lightweight Concrete) 소재의 성능을 한층 개선한 결과로서, 향후 지속적인 열적특성 개선 연구를 수행하여 유기 및 무기 단열재를 대체하여 새로운 개념의 무기계 단열재로 사용 가능할 것이라 판단된다.
본 연구에서는 규석, 시멘트, 생석회 및 소량의 무수석고를 사용하여 미네랄 하이드레이트 단열소재를 제조하였다. 슬러리의 특성 분석을 선행한 후, $CaO/SiO_2$ 몰비 변화에 따른 배합설계를 통해 최적 배합비를 도출하였다. 도출된 배합 설계비를 기준으로 혼합수 함량 및 수열합성 조건에 따른 소재의 특성을 측정, 평가하였다. 초적 조건으로 제조된 미네랄 하이드레이트 소재의 특성은 각각 밀도 $0.26g/cm^3$, 압축강도 0.4MPa, 열전도율 0.064W/mK로 나타났다. 이는 기존의 ALC(Autoclaved Lightweight Concrete) 소재의 성능을 한층 개선한 결과로서, 향후 지속적인 열적특성 개선 연구를 수행하여 유기 및 무기 단열재를 대체하여 새로운 개념의 무기계 단열재로 사용 가능할 것이라 판단된다.
In this study, the inorganic insulating material was fabricated with quartzite, ordinary portland cement(OPC), lime and anhydrous gypsum. After characteristic analysis of slurry, the optimum mixing ratio was derived with different $CaO/SiO_2$ mole ratio. Based on derived mixing ratio, the...
In this study, the inorganic insulating material was fabricated with quartzite, ordinary portland cement(OPC), lime and anhydrous gypsum. After characteristic analysis of slurry, the optimum mixing ratio was derived with different $CaO/SiO_2$ mole ratio. Based on derived mixing ratio, the inorganic insulating material was fabricated at different water content and hydrothermal synthesis conditions. Specific gravity was $0.26g/cm^3$, compressive strength was 0.4 MPa, and thermal conductivity was 0.064 W/mK. This properties were enhanced performance of conventional ALC (Autoclaved Lightweight Concrete). And it can replace organic insulation with harmless inorganic insulation through continues research and development.
In this study, the inorganic insulating material was fabricated with quartzite, ordinary portland cement(OPC), lime and anhydrous gypsum. After characteristic analysis of slurry, the optimum mixing ratio was derived with different $CaO/SiO_2$ mole ratio. Based on derived mixing ratio, the inorganic insulating material was fabricated at different water content and hydrothermal synthesis conditions. Specific gravity was $0.26g/cm^3$, compressive strength was 0.4 MPa, and thermal conductivity was 0.064 W/mK. This properties were enhanced performance of conventional ALC (Autoclaved Lightweight Concrete). And it can replace organic insulation with harmless inorganic insulation through continues research and development.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 ALC의 단열특성을 개선하여 기존 유‧무기 단열재의 단점을 극복하고, 장점들을 결합한 새로운 개념의 무기단열재(이하 “미네랄 하이드레이트 단열소재”라 칭함)를 개발하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 ALC의 단열특성을 개선하여 기존 유‧무기 단열재의 단점을 극복하고, 장점들을 결합한 새로운 개념의 무기단열재(이하 “미네랄 하이드레이트 단열소재”라 칭함)를 개발하고자 하였다. 미네랄 하이드레이트 단열 소재를 제조하기 위해 슬러리의 특성을 분석‧ 평가하였으며, 슬러리 특성 분석 결과를 고려 하여 원료의 배합설계, 혼합수 함량, 수열합성 조건 등을 변화시켜 최적 조건을 검토하고자 하였다.
슬러리 제조 시 기포제 및 혼합수의 높은 함량으로 인해 슬러리는 정상적으로 팽창하지 못하고, 팽창과정 또는 팽창 후 경화과정에서 슬러리의 재료분리 또는 슬러리가 주저앉는 backing 현상이 발생한다. 본 연구에서는 기포제 및 혼합수 함량에 따른 슬러리의 특성 평가를 실시하였다. 특성 평가 결과, 슬러리가 정상적으로 팽창하기 위한 최적의 점도는 2,000∼4,000cP (Centi-Poise)로 판단되었다.
슬러리 특성 평가 방법으로는 점도계(DV-II+ Pro, BROOKFIELD社, USA)를 이용한 슬러리 점도 측정및 온도계(DTM-319, TECPEL社, Taiwan)을 이용한 슬러리 내부 온도를 측정하였으며, 슬러리 발포 후, 외관 관찰을 통한 슬러리 상태 평가를 실시하였다. 상기 측정 결과를 바탕으로 비정상 슬러리가 발생하는 원인과 정상 슬러리 제조를 위한 제어 조건을 도출하고자 하였다.
제안 방법
제조된 미네랄 하이드레이트 소재의 물성 분석 결과를 바탕으로 최적 배합비를 도출한다. 도출된 배합 설계비를 기준으로 혼합수 함량 및 수열합성 조건에 따른 미네랄 하이드레이트 소재의 특성을 측정, 평가하였다.
미네랄 하이드레이트 단열소재용 슬러리의 특성 평가를 위해, 혼합수의 함량 및 기포제의 함량을 제어하였다. 분말원료의 배합 설계비는 Table 2와 같으며, 혼합수의 함량은 분말 원료 대비 50, 70, 90, 110, 130, 150%로, 기포제의 함량을 분말원료 대비 0.
미네랄 하이드레이트 단열소재용 슬러리의 특성 평가를 위해, 혼합수의 함량 및 기포제의 함량을 제어하였다. 분말원료의 배합 설계비는 Table 2와 같으며, 혼합수의 함량은 분말 원료 대비 50, 70, 90, 110, 130, 150%로, 기포제의 함량을 분말원료 대비 0.3, 0.5, 0.7, 1.0%로 제어하였다. 슬러리 특성 평가 방법으로는 점도계(DV-II+ Pro, BROOKFIELD社, USA)를 이용한 슬러리 점도 측정및 온도계(DTM-319, TECPEL社, Taiwan)을 이용한 슬러리 내부 온도를 측정하였으며, 슬러리 발포 후, 외관 관찰을 통한 슬러리 상태 평가를 실시하였다.
숙성이 종료된 성형체는 오토클레이브를 이용하여 180℃조건에서 4시간동안 수열 합성하였다. 수열합성이 끝난 성형체는 각각의 물성 측정 방향에 맞추어 적절한 크기로 절단하고 항량 건조하여 물성 측정 및 평가를 시행하였다.
슬러리 특성 분석 결과 및 Table 1의 화학분석 결과를 바탕으로 CaO/SiO2 몰비 (C/S비) 변화에 따른 미네랄 하이드레이트 소재의 물성 변화를 검토하기 위해 규석 함량과 시멘트 함량을 변화시켜 배합비를 설계하였다.
0%로 제어하였다. 슬러리 특성 평가 방법으로는 점도계(DV-II+ Pro, BROOKFIELD社, USA)를 이용한 슬러리 점도 측정및 온도계(DTM-319, TECPEL社, Taiwan)을 이용한 슬러리 내부 온도를 측정하였으며, 슬러리 발포 후, 외관 관찰을 통한 슬러리 상태 평가를 실시하였다. 상기 측정 결과를 바탕으로 비정상 슬러리가 발생하는 원인과 정상 슬러리 제조를 위한 제어 조건을 도출하고자 하였다.
슬러리 특성 평가를 바탕으로 미네랄 하이드레이트 소재를 제조하였다. 미네랄 하이드레이트의 분말 함량은 규석 30%, 시멘트 55%, 생석회 10% 및 무수석고 5% 조건에서 최적 물성을 나타내었다.
제조된 시험체는 압축강도 측정을 위해 10x10x10cm크기로 절단하여 시편을 준비하였으며, 만능 재료시험기(WJ-1000, 우진정밀社, KOREA)를 이용하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정이 완료된 시험체를 유발로 분쇄한후 X-ray 회절 분석기(D5000, Siemens社, Germany)를 이용하여 결정상 분석을 실시하였다.
제조된 미네랄 하이드레이트 소재의 물성 분석 결과를 바탕으로 최적 배합비를 도출한다. 도출된 배합 설계비를 기준으로 혼합수 함량 및 수열합성 조건에 따른 미네랄 하이드레이트 소재의 특성을 측정, 평가하였다.
슬러리 특성 분석을 마친 후, Table 3과 같은 배합비로 미네랄 하이드레이트 소재를 제조하였다. 제조된 시험체는 압축강도 측정을 위해 10x10x10cm크기로 절단하여 시편을 준비하였으며, 만능 재료시험기(WJ-1000, 우진정밀社, KOREA)를 이용하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정이 완료된 시험체를 유발로 분쇄한후 X-ray 회절 분석기(D5000, Siemens社, Germany)를 이용하여 결정상 분석을 실시하였다.
미네랄 하이드레이트 소재를 제조하기 위하여 출발원료로 사용된 재료는 SiO2원으로 규석, CaO원으로 생석회와 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 주원료로 사용하였다. 이외에 소량의 무수석고를 사용하였으며, 발포제로는 알루미늄 분말을 사용하였다.
슬러리 특성 분석을 마친 후, Table 3과 같은 배합비로 미네랄 하이드레이트 소재를 제조하였다. 제조된 시험체는 압축강도 측정을 위해 10x10x10cm크기로 절단하여 시편을 준비하였으며, 만능 재료시험기(WJ-1000, 우진정밀社, KOREA)를 이용하여 압축강도를 측정하였다.
4는 오히려 강도값이 낮아지는 특징이 발현되었다. 이는 CaO/SiO2 몰비가 압축강도 특성에 영향을 줄 수 있는 요소라는 것을 의미하는 것으로 판단되며, 본 연구에서는 최적 배합설계조건으로 No.3 (CaO/SiO2 몰비-1.22)을 선정하였다.
원으로 규석, CaO원으로 생석회와 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 주원료로 사용하였다. 이외에 소량의 무수석고를 사용하였으며, 발포제로는 알루미늄 분말을 사용하였다. 원료의 CaO/SiO2비를 제어하기 위하여 화학성분 분석을 실시하였으며 그 결과는 다음 Table 1과 같다.
성능/효과
밀도 값도 혼합수 함량에 따라 감소하는 특성이 발현되었다. 그러므로 혼합수 함량은 압축강도 특성이 우수하고, 열전도율 값도 낮은 130% 조건이 가장 적합한 것으로 판단되었다.
미네랄 하이드레이트의 분말 함량은 규석 30%, 시멘트 55%, 생석회 10% 및 무수석고 5% 조건에서 최적 물성을 나타내었다. 또한 분말대비 기포제 및 혼합수 함량은 각각 0.3%, 130%, 수열합성 온도-시간은 170℃-4시간 조건으로 제조시, 밀도 0.26 g/cm3 , 열전도율 0.064W/mK, 압축강도 0.4MPa 를 나타내었다.
6에서와 같이 혼합수 함량이 증가함에 따라 압축강도는 증가하였으나, 130%에서 최대값에 이른 후 감소하였다. 또한 열전도율은 혼합수 함량 증가에 따라 점차 감소하는 특성이 발현되었으나, 혼합수 함량에 따른 변화 폭은 크지 않았다. 이때, 혼합수 함량 130%조건에서의 열전도율은 0.
슬러리 특성 평가를 바탕으로 미네랄 하이드레이트 소재를 제조하였다. 미네랄 하이드레이트의 분말 함량은 규석 30%, 시멘트 55%, 생석회 10% 및 무수석고 5% 조건에서 최적 물성을 나타내었다. 또한 분말대비 기포제 및 혼합수 함량은 각각 0.
슬러리 내부 온도가 높을수록 발포 속도는 빨라지며, 이때 기포 병합도 빠르게 발생하는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 혼합수 투입 후 30분 이내에 발포가 완료될 경우, 슬러리는 주저앉는 현상이 발생되었다. 하지만 30분 후에 팽창이 완료되면, 슬러리는 backing 되지 않았다.
1%이었다. 생석회의 CaO 함량은 90.38%이었으며, 무수석고는 CaO 39.32%, SO3%이었다.
슬러리 점도는 혼합수 함량과 출발원료의 입도 등에 큰 영향을 받으며, 최적의 점도는 2,000∼4,000cP (Centi-Poise)로 판단되었다.
특성 평가 결과, 슬러리가 정상적으로 팽창하기 위한 최적의 점도는 2,000∼4,000cP (Centi-Poise)로 판단되었다.
후속연구
그러나 기존 유기계 (발포 폴리스티렌 단열재-비드법 단열판 4호 : 0.15g/cm3이상, 0.043W/mK 이하, 0.05MPa 이상) 및 무기계 (미네랄 울 판상 단열재-보온판 3호 :0.16∼0.30g/cm3 , 0.044W/mK 이하) 단열재의 단열특성 기준에는 적합하지 않은 것으로 나타났으며, 향후 미네랄 하이드레이트 단열소재의 기계적 ‧ 열적 특성을 한층 더 개선할 수 있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건축물에 적용되는 단열소재는 어떻게 구분되는가?
건축물에 적용되는 단열소재는 크게 유기계, 무기계 및 유‧무기 복합계로 구분할 수 있다.(Kwon et al.
기존 무기단열재는 어떤 단점을 가지는가?
이에 따라 무기단열재가 사용되고 있으나, 유리섬유와 암면 등은 시공성이 불량하고, 수분에 취약하여 뭉침‧ 처짐 현상이 발생한다. 따라서 기존 무기단열재는 시간경과에 따라 단열성능이 크게 떨어지는 단점이 있다.(L.
수열합성된 ALC의 단점은 무엇인가?
(Kwon 1998), (Kadashevich et al. 2005) 그러나 기존 단열재보다도 비중(≒0.5g/cm3)과 열전도율(≒0.11W/mK)이 높아, 단열특성이 불량하다.
참고문헌 (10)
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Kwon O.S., Yu Y.H., Kim H.Y., (2009). A Study on the Fire Safety of Expanded Poly-Stylene Foam Panel, KIFSE Proceeding of 2009 Spring Annual Conference, 513-519
Lee K.W., Kim K.Y., Yang S.H., (2000). Ignition Characteristics and Combustion Gas Analysis of the Plastics Foam, JKorean Society of Safety 2000 Spring Annual conference, 124-129
L.. Smith(1996). Rockwool in Horticulture/Denis.
Patrik Johansson, (2001). Development of Test Procedure for Sandwich Panels using ISP 9705 Philosophy, SP Fire Technology.
Kwon T. Y., (1998) Introduction to Auto-claved Lightweight Concrete, SsangYong Report, 46-52.
I. Kadashevich, H. J. Schneider, et al, (2005), Statistical Modeling of the Geometrical Structure of the System of Artificial Air Pores in Autoclaved Aerated Concrete, Cement Concrete Research, 35, 1495-1502.
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