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문제 정의
- 본 연구에서는 폐유리분말과 플라이애시를 사용하여 경량 발포 소재를 제조하고 소재의 공극을 제어하여 가볍고 열전도율이 낮은 무기계 발포소재를 제조하였다. 또한 물리적 특성을 분석하여 단열용 제품으로서의 가능성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 경량 발포소재를 만들기 위한 배합은 Table 2와 같다. 발포제의 종류에 따른 물성 변화를 검토하기 위해 2가지의 발포제로 실험을 하였고 플라이애시의 배합량 및 탄산칼슘과 그라파이트의 혼입량을 증량하여 실험하였다. 시험체의 배합은 폐유리분말과 플라이애시를 충분히 건조한 후 발포제를 첨가하여 혼합기와 볼밀을 사용하여 12시간 혼합한 후 사용하였다.
- 본 연구에서는 폐유리분말과 플라이애시를 사용하여 경량 발포 소재를 제조하고 소재의 공극을 제어하여 가볍고 열전도율이 낮은 무기계 발포소재를 제조하였다. 또한 물리적 특성을 분석하여 단열용 제품으로서의 가능성을 확인하고자 하였다.
- 2와 같다. 소성조건은 사전에 혼합물의 열분석을 통해 발포되는 온도를 결정하였다. 소성온도는 약 950℃이며 실제 열분석 온도보다는 높은 온도이다.
- 경량 발포소재의 물성측정은 밀도 및 강도이며 밀도는 KS F 2701 경량기포 콘크리트 블록의 밀도 측정방법에 준하여 측정하였고 압축강도는 KS L ISO 679의 시멘트의 강도시험 방법에 준하여 측정하였다. 압축강도는 30ton급 UTM을 사용하였고 규격에 적합하도록 시험체를 가공하였다. 또한 경량 발포소재의 불연 및 난연 특성을 파악하기 위해 KS F ISO 1182와 KS F ISO 1182로 특성을 파악하였고 판정기준은 Table 3과 같다.
- 또한 발포제는 규산나트륨, 탄산칼슘과 그라파이트 등을 고온에서 반응시켜 기포를 형성한다. 탄산칼슘은 약 820℃ 전후의 열분해와 그라파이트는 O2와의 반응에서 발생하는 CO2 가스에 의한 발포를 기본 메커니즘으로 한다.
- 소성온도는 약 950℃이며 실제 열분석 온도보다는 높은 온도이다. 혼합된 혼합물을 소성하였을 경우 발포에 의해 열이 내부로 침투하기 어려우며 이에 따라 발포가 다르게 나타나므로 균열하게 열이 전달될 수 있도록 온도를 설정하였다.
대상 데이터
- 경량 발포소재를 제조하기 위해 기본이 되는 원재료는 폐유리분말과 플라이애시이며 화학성분은 Table 1과 같다. 폐유리분말은 수거된 소다라임 유리를 2차의 분쇄공정을 거쳐 분말화 한 것이다.
- 플라이애시는 하동화력에서 부산된 것이며 SiO2, Al2O3, Fe2O3의 함량이 70% 이상인 플라이애시이다. 발포제로는 일본 Y사의 분말형 탄산칼슘(CaCO3, 99.0%)과 국내 H사의 그라파이트(graphite)를 사용하였다. 경량 발포소재를 만들기 위한 배합은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 소성된 발포체는 정밀커터를 이용하여 형태에 맞게 가공하였다. 경량 발포소재의 물성측정은 밀도 및 강도이며 밀도는 KS F 2701 경량기포 콘크리트 블록의 밀도 측정방법에 준하여 측정하였고 압축강도는 KS L ISO 679의 시멘트의 강도시험 방법에 준하여 측정하였다. 압축강도는 30ton급 UTM을 사용하였고 규격에 적합하도록 시험체를 가공하였다.
- 압축강도는 30ton급 UTM을 사용하였고 규격에 적합하도록 시험체를 가공하였다. 또한 경량 발포소재의 불연 및 난연 특성을 파악하기 위해 KS F ISO 1182와 KS F ISO 1182로 특성을 파악하였고 판정기준은 Table 3과 같다.
성능/효과
- 1. 플라이애시의 혼입량이 증가할수록 밀도도 증가하는 경향을 보인다. 또한 탄산칼슘 및 그라파이트의 혼입량 증가에 따라 공극이 불균일하며 열린 공극을 형성하므로 2% 이하로 사용하는 것이 유리하며 발포제 및 혼합물에 대한 다양한 접근이 요구 된다.
- 2. 소성에 의해 생성되는 공극은 외부에 접하는 바탕면보다는 내부의 공극이 크며 발포제의 종류에 따라 생성되는 공극도 변한다. 또한 균일하고 미세한 공극이 많을수록 밀도와 강도에서 유리하다.
- 4는 폐유리분말과 플라이애시를 500배 확대한 SEM사진이다. SEM에 의한 사진에서 폐유리분말은 인공적인 분쇄에 의해 모서리가 뾰족한 형태인 각형의 구상형태를 하고 있으며 플라이애시는 완전한 형태의 구상을 하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 사진과 같이 폐유리분말이 플라이애시보다는 좀 더 입도가 고르게 분포되어 있는 것을 관찰할 수 있었다.
- 경량 발포소재의 불연 및 난연성능 시험결과 모두 적합한 것으로 나타났다. 불연재료의 판정기준인 평형온도차와 질량감소율이 약 3K와 0.
- 또한 발포제의 혼입량이 많은 경우 발포 정도는 커지나 과도 발포되어 공극이 병합되거나 형상이 일정하지 않았고, 혼입량이 적은 경우도 과소 발포되어 공극이 불균일하고 일정한 공극크기를 유지하지 못했다. 그라파이트를 발포제로 사용한 경우는 사용량이 많아질수록 밀도가 감소하는 경향을 보였다. 또한 플라이애시의 혼입율이 10%인 경우보다 20%인 경우가 더 기포가 생성되어 밀도가 작게 나타났다.
- 유리분말은 90% 이상이 50μm 이하의 입도를 나타냈다. 또한 TG-DSC에 열분석 결과 폐유리분말은 724~771℃ 사이에서 융점이 나타났으며 화학분석 결과 일반 소다라임 유리의 특징을 나타냈다. 플라이애시는 약 3∼310μm의 크기를 가지며 평균입도는 약 19μm이다.
- SEM에 의한 사진에서 폐유리분말은 인공적인 분쇄에 의해 모서리가 뾰족한 형태인 각형의 구상형태를 하고 있으며 플라이애시는 완전한 형태의 구상을 하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 사진과 같이 폐유리분말이 플라이애시보다는 좀 더 입도가 고르게 분포되어 있는 것을 관찰할 수 있었다.
- 8에 밀도와 압축강도의 관계를 나타내었다. 발포제에 따른 뚜렷한 경향을 보이지는 않았지만 그라파이트의 혼입량이 증가할수록 밀도의 감소보다 압축강도의 감소가 더 크게 나타났으며 열린 공극의 형태를 보였다. 밀도가 작은 경우 압축강도도 낮게 나타났으며 밀도가 큰 경우 압축강도도 높은 일반적인 경향을 보였다.
- 경량 발포소재의 불연 및 난연성능 시험결과 모두 적합한 것으로 나타났다. 불연재료의 판정기준인 평형온도차와 질량감소율이 약 3K와 0.5%로 나타나 판정기준인 20K와 30% 이하를 만족하였으며, 준불연재료 판정기준인 총방출열량, 200kW 초과시간과 가스유해성 실험에서도 판정기준을 만족하는 것으로 나타났다. 경량 발포소재는 불연재료인 유리와 플라이애시를 기본으로 소성하여 제조하므로 불연재료로서 적합하다.
- 일반적으로 플라이애시와 발포제 등 여러 요인에 따라 발포특성은 달라지지만 미세하고 균일한 공극을 많이 포함할수록 강도 측면에서 유리하다. 탄산칼슘을 발포제로 사용한 경우 플라이애시의 비율이 증가할수록 공극은 닫힌 공극의 형태로 생성되는 것을 확인할 수 있었으며 공극의 형태도 구형의 공극 형태를 보였고 공극도 작아지는 경향을 보였다. 이는 폐유리분말의 함량이 감소함에 따라 소성조건에서 발포 할 수 있는 여력이 적었고 유리의 연화 및 용융과 발포가스의 생성에 의해 공극이 생성되어야 하나 바인더로 적용되는 양이 적어졌기 때문이다.
후속연구
- 3. 폐유리분말과 플라이애시를 사용하여 제조한 경량 발포소재는 밀도 및 강도가 우수하고 불연재료이므로 화재시 성능이 요구 되는 부위에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
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