[논문]준불연 초경량 지오폴리머의 물성

김유택

doi:10.6111/jkcgct.2019.29.3.132

준불연 초경량 지오폴리머의 물성
Properties of quasi-noncombustible ultra-lightweight geopolymer 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.29 no.3, 2019년, pp.132 - 139

초록
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EPS 단열재는 우수한 단열성능과 경제성, 초경량 등의 장점으로 각광받고 있는 건축재이다. 하지만 EPS 단열재는 가연성 물질로서 화재 시 연소되기 쉽고, 유해가스를 방출시킴으로써 대규모 인명피해를 유발 시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 산업부산물인 IGCC fused slag 및 Si sludge를 활용하여 초경량 지오폴리머를 제작하고, EPS 단열재의 대체 가능성에 대해 확인하고자 하였다. 그 결과, 조분쇄 상태의 탄소 함량이 적은 IGCC fused slag를 이용하였을 경우 0.04 MPa, $0.064g/cm^3$의 압축강도 및 밀도를 갖는 초경량 지오폴리머를 제작할 수 있었고, 이때의 열전도율은 0.072 W/mK을 나타내었다. 이는 KS M 3808에서 제시하는 EPS 열전도율 값의 1.5~2배 정도의 높은 물성이지만 시중에서 판매하는 EPS 단열재와 큰 차이가 없으며 보통 매립되는 산업 부산물을 재활용한다는 점과 세라믹 재료 특성상 화재시에도 고온에서 버틸 수 있다는 큰 장점이 있기 때문에 화재시 쉽게 발화되어 다량의 유독가스를 방출시키는 EPS 단열재의 단점을 해결할 수 있는 차세대 단열재로서의 가능성은 충분하다고 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

EPS (expanded polystyrene) is one of the most used building materials for insulation that is favored by its excellent heat insulation, economical efficiency and lightweight characteristics. However, EPS is vulnerable to the fire and producing large amount of toxic gases in case of fire. Therefore, ultra-lightweight geopolymer which can replace EPS is fabricated by using IGCC (integrated gasification combined cycle) fused slag and Si sludge as raw materials and the possibility of replacement on ultra-lightweight geopolymer for EPS as an insulation building material was evaluated in this study. Ultra-lightweight geopolymer can be fabricated with the pulverized IGCC fused slag having low carbon content and density, compressive strength, thermal conductivity were $0.064g/cm^3$, 0.04 MPa, and 0.072 W/mK, respectively. The thermal conductivity of ultra-lightweight geopolymer is 1.5~2.0 times higher than that of EPS suggested in the KS M 3808; however, the thermal conductivity value of geopolymer is meaningful and competitive to that of EPS in the market. Therefore, ultralightweight geopolymer can be applicable to the building material for thermal insulation purpose and have an enough possibility to replace EPS in the future because it is not only much safer than EPS in case of fire but also it can be fabricate by using waste materials from the industry.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. XRD pattern and SEM of IGCC fused slag.
표 Table 1 Chemical composition of IGCC fused slag determined by XRF (wt%)
그림 Fig. 2. XRD pattern of Si sludge.
표 Table 2 EDS analysis results of IGCC fused slag (wt%)
표 Table 3 BET and C/S analysis results of IGCC fused slag
표 Table 4 Chemical composition of Si sludge determined by XRF (wt%)
그림 Fig. 3. Comparison of physical properties of geopolymer ac-cording to mol concentration: (a) Compressive strength and (b) density.
그림 Fig. 4. Comparison of geopolymer properties according to Si sludge addition: (a) Compressive strength and (b) density.
표 Table 5 Experimental conditions
표 Table 6 KS standard specification of EPS panel
그림 Fig. 5. Comparison of geopolymer properties by W/S ratio and Si sludge addition: (a) Compressive strength and (b) density.
그림 Fig. 6. Comparison of geopolymer properties by W/S ratio and Si sludge addition: (a) Compressive strength and (b) density.
그림 Fig. 7. Comparison of geopolymer properties according to degree of crushing and carbon content: (a) Compressive strength and (b) density.
그림 Fig. 8. Stability of ultra-lightweight geopolymers in water for 24 hours according to the aging time.
그림 Fig. 9. Change of pH of ultra-lightweight geopolymer according to the aging time.
표 Table 7 Thermal conductivity according to Si sludge addition of ultra-lightweight geopolymer
그림 Fig. 10. Photographs of the samples before and after exposing to fire frame.
표 Table 8 Exposing time to fire frame and temperature of the specimensurface (m: minute, s: second)
표 Table 9 Incombustible test result of ultra-lightweight geopolymer (m: minute, s: second)
표 Table 10 Quasi-noncombustible test result of ultra-lightweight geopolymer (m: minute, s: second)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 석탄 화력, 화학 플렌트, 복합 화력이 합쳐진 신개념 발전 방식으로, 기존 석탄 화력보다 효율은 높으면서도 공해 배출은 적어 친환경 청정발전기술로 태안서부 발전의 석탄가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 설비에서 발생하는 산업 부산물인 IGCC fused Slag와 반도체 분야에서 실리콘 웨이퍼(wafer)를 제조하는 과정 중 잉곳(Ingot)을 컷팅(cutting)하면서 발생하는 산업 부산물인 Si sludge를 발포제로써 활용하여 초경량 지오폴리머를 제조하고 그 특성을 검토하여 향후 샌드위치 패널을 대체할 수 있는지에 대한 가능성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

그 결과 전체적으로 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었으며 밀도의 경우 9몰에서 소폭 감소한 결과를 나타내었지만 실험적 오차로 생각 되고 오히려 6몰에서 밀도가 증가한 결과를 나타내었다. 따라서 본 실험에서는 밀도를 감소시키기 위한 방법으로 알칼리 활성화제의 농도를 감소시키는 방법은 무의미하다고 판단하여 향후 실험에서는 알칼리활성화제 농도를 12몰로 고정시켜 실험을 진행하였다.
1 wt%의 탄소를 함유하고 있는 High carbon IGCC fused slag를 활용하여 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 탄소 함량이 적게 들어있는 Low carbon IGCC fused slag를 조/미분쇄를 실시하여 초경량 지오폴리머를 제작하기 위해 실험을 진행하였다. 실험결과 Fig.
Table 7은 조분쇄된 Low carbon IGCC fused slag를 이용한 초경량 지오폴리머의 열전도율 분석 결과이다. 열전도율 분석은 Heat Flow Meter 방법으로 진행하였으며 Si sludge를 40 wt% 첨가하였을 경우 밀도 0.1 g/cm³을 갖는 시편과 Si sludge를 50 wt% 첨가하였을 경우 밀도 0.062 g/cm³을 갖는 시편에 대해서 실시하였다. 실험결과 밀도 0.

대상 데이터

본 연구에서는 초경량 지오폴리머를 제작하기 위한 발포제로써 반도체 웨이퍼 잉곳을 컷팅하는 과정에서 발생하는 산업 부산물인 Si sludge를 발포제로 사용하였다. Fig.

이론/모형

초경량 지오폴리머의 난연 성능에 대해 알아보기 위해 불연 시험 및 준불연 시험을 국토교통부고시 제 2015-744호(건축물 마감 재료의 난연 성능 및 화재 확산 방지구조 기준)에 따라 시험을 진행하였다.

성능/효과

하지만 실제 시중에서 판매하는 EPS 패널과 큰 차이가 없으며 보통 매립되는 산업부산물을 재활용한다는 점과 세라믹 재료 특성상 화재시 고온에서도 버틸 수 있다는 큰 장점이 있다. 따라서 화재에 굉장히 취약하고 유독가스를 방출시키는 EPS의 단점을 해결할 수 있는 차세대 단열재로서의 가능성은 충분하다고 판단된다. 하지만 다량의 발포제 사용으로 인해 압축강도가 급격히 약해진다는 점은 향후 개선해야 할 점으로 판단된다.
본 논문에서는 산업 부산물인 IGCC fused slag와 Si sludge를 이용한 초경량 지오폴리머의 EPS 패널 대체 가능성에 대해 확인하기 위해 연구를 진행하였다. 실험 결과 밀도는 최대 0.062 g/cm3까지 감소시켰으며 열전도율의 경우 0.072 W/mK을 나타내었다. 이는 KS 규격에서 제시하는 물성보다 약 2배 정도 높은 수치이다.
이는 KS 규격에서 제시하는 물성보다 약 2배 정도 높은 수치이다. 하지만 실제 시중에서 판매하는 EPS 패널과 큰 차이가 없으며 보통 매립되는 산업부산물을 재활용한다는 점과 세라믹 재료 특성상 화재시 고온에서도 버틸 수 있다는 큰 장점이 있다. 따라서 화재에 굉장히 취약하고 유독가스를 방출시키는 EPS의 단점을 해결할 수 있는 차세대 단열재로서의 가능성은 충분하다고 판단된다.

후속연구

하지만 다량의 발포제 사용으로 인해 압축강도가 급격히 약해진다는 점은 향후 개선해야 할 점으로 판단된다. 추가적인 연구를 진행하여 압축강도를 증진시키고 불연 등급을 획득할 수 있도록 향후 연구목표를 설정하여 연구를 진행시켜야하겠다.
따라서 화재에 굉장히 취약하고 유독가스를 방출시키는 EPS의 단점을 해결할 수 있는 차세대 단열재로서의 가능성은 충분하다고 판단된다. 하지만 다량의 발포제 사용으로 인해 압축강도가 급격히 약해진다는 점은 향후 개선해야 할 점으로 판단된다. 추가적인 연구를 진행하여 압축강도를 증진시키고 불연 등급을 획득할 수 있도록 향후 연구목표를 설정하여 연구를 진행시켜야하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포틀랜드 시멘트는 CO2를 배출을 얼만큼 하는가?	현재 대부분의 토목 건설에서 사용하는 포틀랜드 시멘트는 1톤 생산당 0.7~1.0톤의 CO2 가스를 배출함으로써 전세계 CO2의 7%를 차지할 정도로 심각하다[4]. 이에 제조 과정에서 다량의 CO2를 배출하는 시멘트를 대체할 수 있는 무시멘트 계 재료의 개발 요구가 증대되어 호주, 미국, 유럽 등을 중심으로 플라이애시, 고로슬래그, 메타카올린 등을 이용한 알칼리 활성화제를 이용한 무기결합제에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[5].
	EPS 샌드위치 패널의 장점은?	샌드위치 패널은 용도에 있어 공업용 65 %, 창고용 25 %, 주택용 10 % 정도로 파악되며, 샌드위치 패널의 여러 장점으로 점차 공업용 건축물뿐 아니라 상업용 건축물 등으로도 확대되는 경향을 보이고 있다. 현재 국내에서 유통되고 있는 샌드위치 패널 중 Expanded Polystyrene(EPS) 샌드위치 패널은 다른 건축자재에 비해 단열성능이 우수하면서 상대적으로 가볍고 취급 및 시공이 유리하며 가격이 저렴하고 작업자의 안전성에서 수요자의 선호를 받는 이유로 현재 시장의 75 % 가량을 점유하고 있다[1]. 그러나 이들 단열재들은 모두 연소하기 쉬운 가연성물질로서 화재 시 급속한 화염전파, 높은 열방출율, 다량의 연기발생 등으로 인해 화재의 위험성이 상대적으로 높은 단점을 가지고 있다.
	EPS 단열재의 단점은?	현재 국내에서 유통되고 있는 샌드위치 패널 중 Expanded Polystyrene(EPS) 샌드위치 패널은 다른 건축자재에 비해 단열성능이 우수하면서 상대적으로 가볍고 취급 및 시공이 유리하며 가격이 저렴하고 작업자의 안전성에서 수요자의 선호를 받는 이유로 현재 시장의 75 % 가량을 점유하고 있다[1]. 그러나 이들 단열재들은 모두 연소하기 쉬운 가연성물질로서 화재 시 급속한 화염전파, 높은 열방출율, 다량의 연기발생 등으로 인해 화재의 위험성이 상대적으로 높은 단점을 가지고 있다. 또한 화재 시 발생되는 많은 양의 검은색의 연기는 가시거리의 확보가 어려워 피난 및 소화 활동에 큰 장애 요인이 되고 있으며 이들 연기 중에는 일산화탄소(CO), 염소가스(HCl), 시안화수소(HCN) 등과 같은 유해가스가 포함되어 있어 피난자의 감각기관과 호흡기관을 자극하여 피난 시 피난자의 행동 장애뿐만 아니라 고농도에 노출될 경우 사망에 이르게 하는 등 화재로 인한 직접적인 피해를 초과할 만큼 심각한 경우도 있다[2]. 최근 국내에서는 대형화재사례가 빈번히 발생함에 따라 국토해양부는 건축법 및 시행령 개정을 통해 건축물의 화재안전기준을 2010년 상반기부터 시행 하였으며, 더욱이 2010년 12월 29일부터는 건축물의 내부마감재뿐만 아니라 외벽 마감재료까지 방화재료 사용을 의무화하는 건축법 시행안이 시행되어 건축물의 대부분을 차지하고 있는 벽체시스템에서도 불연성 및 내화성능의 향상이 요구되고 있다[3].

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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