[논문]팽창진주암 무기복합재에서의 단열성능 및 열크랙 방지에 관한 연구

안원술

doi:10.5762/kais.2014.15.5.3286

팽창진주암 무기복합재에서의 단열성능 및 열크랙 방지에 관한 연구
A Study on Thermal Insulation Property and Thermal Crack Protection for Expanded Perlite Inorganic Composites 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.5, 2014년, pp.3286 - 3291

초록
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$400^{\circ}C$의 고온에서 사용할 수 있는 무기단열재를 개발하기 위한 기초 연구로서 물유리(waterglass)를 바인더로 사용하여 제조한 팽창진주암(expanded perlite) 무기복합재의 단열성과 열 충격에 의한 크랙 방지에 관한 연구를 진행하였다. 정량된 팽창진주암 미세분말과 물유리를 혼합한 반죽을 몰드에 넣고 하루 동안 안정화시킨 후에 $150^{\circ}C$ 오븐에서 완전히 건조하여 샘플을 제작하였다. 인산알미늄(aluminum phosphate)와 마이카(mica)분말이 각각 반응촉진제와 열 충격 방지제로 사용되었다. 특히 마이카 분말이 도입된 샘플은 $500^{\circ}C$ 고온에서도 열에 의한 크랙 발생이 일어나지 않았으며, 샘플의 단열성은 팽창진주암의 혼합비율이 높아질수록 향상됨을 보여주었으며, 중량비로 물유리/perlite/mica/Al phosphate=100/200/10/1.5의 조성비를 같는 샘플은 $500^{\circ}C$에서 약 0.09W/mK의 열전도도를 나타내는 우수한 단열 특성을 나타내었다. 그러나 나트륨 실리케이트(sodium silicate)가 주성분인 물유리 바인더의 열적 특성으로 인하여 $600^{\circ}C$이상의 온도에서는 심한 치수변형을 발생시켜 실제 사용상의 온도 제한성을 보여 주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study on the crack protection and thermal insulation properties of the expanded perlite inorganic composites was performed. Mixed expanded perlite with a water glass was stabilized for 24 hrs at room temperature in the mold and, thereafter, converted into a massive foamed body through complete drying process at $150^{\circ}C$. Aluminum phosphate and micron size mica powder were used as a reaction accelerator and a stabilizer for thermal crack, respectively. Especially, use of mica exhibited a remarkable effect on the protection of thermal crack at higher temperature over $500^{\circ}C$, and thermal conductivity of the composites was enhanced with higher perlite contents, showing ca. 0.09 W/mK for the sample of 100/200/10/1.5 water glass/perlite/mica/Al phosphate by weight. A severe dimensional deformation of the composite materials was observed over $600^{\circ}C$, however, showing a temperature limitation for a practical application. The facts were considered as the results from the glass transition temperature of the water glass, of which main component is sodium silicate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

한편 샘플의 단열 및 열전도 특성을 살펴보기 위하여 Exp-2에서의 #2-3의 mica 보강 샘플에 대한 열전달 시험을 행하였다. 두께 2.5cm의 12cmx12cmx 직사각형 샘플을 사용하여 온도가 조절되는 hotplate에 올려두고 온도를 올리면서 샘플 상-하부의 온도변화를 측정하여 간접적인 단열 효과를 알아보고자 하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 천연물질로부터 만들어지는 단열성과 가격경쟁력이 뛰어난 입자상의 Perlite를 근간으로 하여 여기에 무기바인더로서 물유리 (WaterGlass)와 몇 가지 강화재를 첨가하여 사용함으로서 분말상의 Perlite를 블록형태로 성형이 가능한 고온단열재를 제조하고 이의 열적 특성을 살펴보고자 하였다.

제안 방법

두 번째 실험으로서 EXP-1의 예비실험결과를 바탕으로 고온에서의 치수안정성을 살펴보기 위하여 규회석(wallastone), 흄드실리카, 및 마이카 분말을 사용하여 물유리 100phr에 대하여 Table 5에 보이는 바와 같이 혼합하여 앞에서와 같이 샘플을 제작하였다.
Table 4에 각 샘플의 formulation을 나타내었다. 만들어진 샘플은 치수안정성과 내열성 및 단열성을 측정하였다.
Exp-1에서의 결과를 바탕으로 새롭게 Table 5에 나타낸 Exp-2의 각 조성비를 시험하게 되었다. 일반적으로 mica와 같이 이방성을 가진 입자들은 등방성의 구형 입자들에 혼입될 경우 형상 안정화 기능을 나타낼 수 있으므로 여기서는 Table에 나타낸 바와 같이 섬유상의 입자상을 가진 규회석과 mica, 및 넓은 비표면적을 가진 fumedsilica를 내열 충격 보완재로 사용하여 열충격 안정성을 살펴보기로 하였다. 실험의 결과로서 mica를 충전한 샘플 이외에는 모두 500℃ 이상의 고온에서 크랙이 발생하는 것이 관찰되었다.
5phr로 고정하였다. 정량된 재료들을 믹서를 사용하여 혼합하여 슬러리(slurry)형태로 만들고 이를 12cmx12cmx2.5cm의 개방형 몰드에 부은 후에 상온에서 안정화한 후에 150℃에서 24시간 완전히 건조하여 샘플을 제작하였다. Table 4에 각 샘플의 formulation을 나타내었다.
첫 번째 실험으로서 perlite함량에 대한 괴상으로의 성형 가능성 및 기계적인 물성의 변화 영향을 살펴보기 위한 예비 실험으로서 샘플의 조성비를 물유리 100phr에 대하여 MSD-601perlite 분말을 100, 200, 및 300phr로 하고 Aluminum Phosphate는 1.5phr로 고정하였다. 정량된 재료들을 믹서를 사용하여 혼합하여 슬러리(slurry)형태로 만들고 이를 12cmx12cmx2.
한편 샘플의 단열 및 열전도 특성을 살펴보기 위하여 Exp-2에서의 #2-3의 mica 보강 샘플에 대한 열전달 시험을 행하였다. 두께 2.
한편 이와 같은 샘플의 단열 효과를 좀 더 정량적으로 알아보고, 또한 perlite함량 변화에 따른 단열성을 알아보기 위하여 물유리 100phr에 대하여 perlite가 각각 100 및 200phr 혼합된 샘플에 대하여 열전도도 k-factor를 측정하였다. Alphosphate 및 mica는 Exp-2에서의 #2-3과 같이 각각 1.

대상 데이터

경제적이며 고온단열재로서 성능이 우수한 무기단열재로서 천연재료로부터 만들 수 있는 팽창진주암 분말을 이용하여 무기바인더로서 물유리를 사용하고 반응촉진 및 형상안정보강제로서 각각 인산알미늄과 마이카를 사용하여 실험하였다. 연구의 결과로서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
무기바인더로 사용된 물유리(waterglass)는 수화된 나트륨 실리케이트(Hydratedsodium silicate)로서 (주) 영일화학의 YGS-40 물유리 제품으로서 SiO₂ 고체 함량 40w%인 것을 사용하였다. 액상 규산염은 화학식으로는 일반적으로 Na₂O-nSiO₂–xH₂O의 분자식으로 표시되며 세 가지 성분의 조성비에 따라 다양한 물리적인 상태를 이룬다[11].
미립자 형상의 팽창진주암 분말은 ㈜서경CMT의 MSD-601을 지원 받아 사용하였다. SiO₂가 주성분인 회색 분말 상으로서 플라스틱의 경량재, 도료, 건축재 및 보온단열재로 널리 사용된다.
반응촉진 및 내열안정성을 위한 강인화제로서 AluminumPhosphate는 시약급을 구입하여 그대로 사용하였다.
복합재료의 치수안정성 및 물성 강화재로 사용한 마이카 분말 (micapowder)는 ㈜서경CMT의 Scovite MicaSM-10과 SM-40을 사용하였다. 황색상의 판상 분말로서 SiO₂와 Al₂O₃가 주화학성분을 이룬다.

성능/효과

1) 이방성 입자인 마이카를 도입함으로서 고온의 열충격에도 크랙이 발생하지 않는 팽창진주암 무기 복합재료를 성공적으로 만들 수 있었다.
2) SodiumSilicate를 근간으로 하는 무기 바인더의 내열 특성으로 인하여 만들어진 무기 샘플의 내열 한계 온도는 유리전이온도 근처인 600℃ 이하인 것으로 나타났으며 그 이상의 온도에서는 심한 형상 수축 등의 형상 불안정 현상을 보였다.
3) perlite함량이 많아질수록 더 낮은 열전도도 값을 보이며, 본 연구에서와 같이 중량비로 물유리/perlite/mica/Alphosphate=100/200/10/1.5의 조성비를 같는 샘플은 500℃에서 약 0.09W/mK의 열전도도를 나타내는 우수한 단열 특성을 나타내었다.
1에서는 실험방법에서 기술한데로 입도가 서로 다른 SM-10과 SM-40mica분말을 내열 안정화 보강재로 사용한 경우의 150℃에서의 10시간 건조 후의 형상 안정성을 나타낸다. Exp-1에서와는 달리 두 개 샘플 모두에서 건조 조건에 의한 크랙 발생 없이 안정한 형태를 보여 주고 있음을 알 수 있다.
일반적으로 mica와 같이 이방성을 가진 입자들은 등방성의 구형 입자들에 혼입될 경우 형상 안정화 기능을 나타낼 수 있으므로 여기서는 Table에 나타낸 바와 같이 섬유상의 입자상을 가진 규회석과 mica, 및 넓은 비표면적을 가진 fumedsilica를 내열 충격 보완재로 사용하여 열충격 안정성을 살펴보기로 하였다. 실험의 결과로서 mica를 충전한 샘플 이외에는 모두 500℃ 이상의 고온에서 크랙이 발생하는 것이 관찰되었다. 이러한 결과로부터 규회석의 경우에는 입자의 작은 L/D값과 분산성이 약한 것에 기인하는 것으로 생각할 수 있고, fumedsilica의 경우에는 넓은 비표면적이 유효한 영향 인자가 될 수 있지만 fumedsilica의 형상이 벌크밀도가 매우 낮은 fluffy한 입자로서 기계적 강도에는 영향을 미치지 못하기 때문인 것으로 생각되었다.

후속연구

그림에서 보듯이 700℃에 3시간 이상 노출되는 경우에는 부피 수축율이 매우 커지는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 물유리를 바인더로 사용하는 mica보강 단열재는 600℃ 이상의 고온에 장시간 노출되는 경우의 치수안정성은 따로 연구되어야 할 것으로 생각된다.
한편 물유리의 내열성을 대체하여 600℃ 이상의 고온에서도 사용할 수 있는 친환경성 무기단열재료에 대한 연구는 앞으로 더 연구되어야 할 과제이며 본 연구실에서는 이를 위한 연구를 계속 수행하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단열재는 일반적으로 무엇으로 구분하는가?	일반적으로 단열재는 원료의 종류나 형태,및 사용온도에 따라 구분할 수 있으나 사용된 재질에 따라 분류하면 Table1에서 나타낸 바와 같이 크게 나누어 무기단열재와 유기단열재로로 나뉜다. 유기단열재는 무기단열재에 비하여 단열성이 우수한 반면 열에 약한 것이 문제점이 된다.
	무기재료를 단열재로 사용하고자 할 때의 최대 문제점은?	한편, 무기재료를 단열재로 사용하고자 할 때의 최대 문제점은 재료의 유연성과 시공 시의 분진 발생 및 가격이 된다. MineralWool은 천연 암석에 석회석을 첨가하여 전기로에서 요해하고 이것을 공기 또는 수증기를 불어 넣어 만드는 섬유상의 무기재료로서, 비중이 0.
	천연물질로부터 만들어지는 Perlite에 무기바인더로서 물유리와 몇 가지 강화재를 첨가하여 사용함으로서 분말상의 Perlite를 블록형태로 성형이 가능한 고온단열재를 제조하고 이의 열적 특성을 살펴보고자 한 이유는?	그럼에도 불구하고 미립자의 분말 형태이기 때문에 분진 발생 등의 이유와 함께 실용상의 사용상에 있어서의 제한성을 보이고 있다. 따라서 이러한 입자상의 단열재를 유효하게 사용하기 위하여서는 블록이나 패널 등의 형태로 성형하는 것이 가장 큰 해결과제가 된다. 이를 위하여 시멘트, 석고 등의 다양한 무기 바인더 들을 사용하여 연구된 바 있으나 이러한 방법은 FumedSilica나 Perlite의 경량성과 단열성을 크게 저하시키는 효과가 있으므로 좋은 방법이라고는 할 수 없다.9

참고문헌 (11)

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L. Le Pluart, J. Duchet, H. Sautereau, "Epoxy/montmorillonite nanocomposites: influence of organophilic treatment on reactivity, morphology and fracture properties, Polym., 46, pp. 1267-1278, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2005.10.089

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M. A. Kumar, K. H. Reddy, Y. V. Mohana Reddy, G. Ramachandra Reddy, N. S. V. Kumar, B. H. Nanjunda Reddy, "Assessment of nanoclay filled epoxy on mechanical, thermal and chemical resistance properties of nanocomposites", J. Metal. Mater. Sci., 52, pp. 305-315, 2010.
C.-T. Lee, M. Jang, and T-M. Park, "A Foamed Body through the Complexation with the Sepiolite and Expanded Pearlite", Appl. Chem. Eng., 23(1), pp. 77-85, 2012.

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Seokyung CMT Co., www.sk-cmt.co.kr
Young-il Chemical Co., www.youngilchem.co.kr

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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