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KR910003055B1 - 내화목재 합성물, 특히 내화벽판 및 이것의 제조방법 - Google Patents

내화목재 합성물, 특히 내화벽판 및 이것의 제조방법 Download PDF

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KR910003055B1
KR910003055B1 KR1019860700278A KR860700278A KR910003055B1 KR 910003055 B1 KR910003055 B1 KR 910003055B1 KR 1019860700278 A KR1019860700278 A KR 1019860700278A KR 860700278 A KR860700278 A KR 860700278A KR 910003055 B1 KR910003055 B1 KR 910003055B1
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South Korea
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refractory
water glass
furnace slag
alkali
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폴스 벵트
Original Assignee
폴스 콘설트 케이와이, 케이비이
폴스 벵트
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Abstract

내용 없음.

Description

내화목재 합성물, 특히 내화벽판 및 이것의 제조방법
본 발명은 내화목재 합성물, 특히 주로 목재 칩, 목재 파이버, 톱밥 및/또는 목재 울(woodwool)과 같은 목재성분과 결합제를 함유한 벽판과 같은 건축판 및, 상기 목재 합성물의 제조방법과 상기 합성물의 제조에 필요한 새로운 수경성 결합제에 관한 것이다.
화재, 균 및 흰개미 등에 대해 향상된 저항력을 지닌, 목재 화이버, 톱밥 및 목재 울 등을 주성분으로 하는 벽판에 사용되는 결합제는 주로 포오틀랜드 시멘트, 마그네시아 또는 소렐 시멘트 및 석고 등이다. 파아티클 보오드(particle board)와 같은 시멘트 결합 목재 합성물은 30-70중량%의 목재 파이버 및 입자와 약 70-30중량%의 무기 결합제를 함유한다. 결합제는 그 제조방법 및 제품의 특성에 크게 영향을 준다.
여러 제조단계를 거친 목재 파이버는 결합제, 여러 화학약품 및 필요량의 물과 혼합된다. 벽판이 콘베이어 벨트 또는 판상에서 하나 이상의 층으로 형성된 후, 그 판들은 일반적으로 한 프레스에서 예비 압축된 후 고온의 주 프레스에서 압축된다. 프레스의 압력은 5-40atm이며, 프레싱은 그 판독이 방출되어 운반될 수 있을 정도의 충분한 강도를 갖게될 때까지 계속된다. 포오틀랜드 시멘트 결합판의 프레스 시간은 8시간 또는 그 이상이며, 마그네시아 시멘트에 있어서 10-15분 후 방출 강도(release strength)를 얻을 수 있다.
프레싱 후 그 판들은 다듬질되고, 모래로 뿌려지고 포장되어 저장된다.
특히, 포오틀랜드 시멘트 결합판에 있어서, 장기간의 프레스 하면 비용이 많이 들게되어 제조에 있어서의 나쁜 요인으로 작용한다.
포오틀랜드 시멘트가 필요량의 물과 혼입될 때 포오틀랜드의 경화는 여러 화학약품에 의해 쉽게 영향 받는다. 시멘트의 경화를 가속시키는 물질은 가속제(accelerator)라고 불리우며, 수화반응을 지연하는 물질은 지연제라고 칭하여진다. 가속제는 수용성상에서 이온농도를 증가시켜 시멘트의 수화 생성물에 대한 용해도를 증가시키는 알칼리 또는 알칼리토류의 클로라이드, 설페이트, 질산염 등의 간단한 수용성 염으로 주로 구성된다.
지연제는 시멘트중의 석회와 함께 약간 용해될 수 있거나 또는 불용성의 칼슘염을 형성하는 용해성 금속염 또는 시멘트 입자의 표면상에 석출되어 더 이상의 수화를 방지하는 반응 생성물로 구성된다. 고분자량의 용해성 유기물질은 보통 시멘트의 경화시 지연효과를 부여한다.
포오틀랜드 시멘트용량의 가장 통상적인 지연제는 카르보하이드레이트, 특히 시멘트 중량의 수백분의 1퍼센트 정도의 낮은 농도에서도 시멘트의 수화를 상당히 지연시키는 당분이다.
여러 종류의 목재는 포오틀랜드 시멘트의 경화시 지연효과를 크게하는 많은 성분을 함유하고 있다. 가장 해가되는 성분은 여러 당분 및 전분, 탄닌산, 페놀성 성분 및 헤미셀룰로오스의 분해 생성물이다. 따라서 시멘트 결합 목재판의 제조에 있어서 상기 성분들의 함량이 작거나 혹은 과도한 비용을 들이지 않고 적절한 수준까지 상기 성분들을 감소시킬 수 있는 종류의 목재만을 사용해야 한다.
특히 견목(hardwood)은 펜토오스 형태의 추출가능한 당분을 다량으로 함유하고 있으며, 따라서 결합제로서 포오틀랜드 시멘트를 함유한 목재판에서 견목을 사용하는 것은 거의 불가능하다.
포오틀랜드 시멘트의 수화에 있어서, 다량의 Ca(OH)2가 방출되어 기공용액의 pH는 약 12.5가 된다. 이러한 pH에서 목재의 헤미셀룰로오스(즉 홀로셀룰로오스 보다 작은 분자량을 갖는 셀룰로오스 성분)는 일부가 수용성인 더 작은 단위로 분해되어 경화시간을 지연시킨다. M.H. Simatupang은 그의 논문 "광물결합목재 합성물의 제조를 위한 소규모 플랜트(1978년 10월 16-28일, 자카르타의 Eight World Forestry Congress의 Forest for People, FID II/21-3)"에서 목재는 양호한 결합을 제공하기 위하여 가능한 작은량의 헤미셀룰로오스를 가져야 한다고 주장한다.
시멘트-결합 목재판 등과 같은 사용 목적용의 목재에 대한 적합성은 공지된 크기를 갖는 공지된 양의 목재 칩을 시멘트 및 물과 혼합하여 페이스트를 만들고 단열 열량계에서 경화시키는 동안 온도변화를 관찰하는 것으로 테스트된다. 상기 방식에서, 목재의 해로운 추출물질과 지연의 심각성과 강도에 대한 좋은 구상을 얻을 수 있다(W. Sandermann, R. Kohler, "Uebereine kurze Eignungsprufung von Holzern fur Zementgebundene Werkstoffe", Holzforschung Bd 18(1964) H 12 pp. 53-59 및 W. Sandermann, .U. V. Delm, "Einfluss chemischer Faktoren aufdie Festigkeit-seigenschaften zementgebundener Holzwolleplatten", Holz als Roh-und Werkstoff 9. H 3(Marz) 1951 pp. 97-101 참조). 상기 방식에 있어서, 서로 상이한 수백종의 목재에 대해 시멘트 결합입자 생성물의 제조의 적합성에 대한 테스트를 행하였다. 서로 다른 종류의 목재는 서로 상이한 시간-온도 곡선을 나타내며, 테스트의 온도변화 및 여러종류의 목재로부터 만들어진 시멘트-결합판의 강도 사이에는 분명한 관계가 성립되고 있다.
상기 테스트로부터, 일반적으로 연질목재(softwoods)가 견목보다 지연효과가 적은 경화시간을 제공한다는 것을 알 수 있다. 적합한 종류의 목재의 보기로서 가문비나무류, 소나무 및 모피(fur) 등을 들 수 있으며, 자작나무 및 너도밤나무 등은 완전히 사용이 불가하지만 오오크나무는 어떤 조건하에서는 사용될 수 있다.
연질 목재일지라도 경화시 지연효과를 일으킬 수 있다. 따라서 목재는 완전히 박피되고 사용되기 전에 수개월동안 물에 저장될 필요가 있다. 이 방식에 의해 약간의 해로운 성분이 목재로부터 추출될 수 있으며 경화시간의 지연이 감소될 수 있다. 또한, 목재 추출의 해로운 효과는 소위 속성 시멘트, 즉 다량의 클링커성분 C3S(트리칼슘 실리케이트) 및 C3A(트리칼슘 알루미네이트)를 갖는 미세하게 분쇄된 시멘트의 사용에 의해 중화시킬 수 있는데, 상기 클링커 성분은 다른 플링커 성분보다 더 빠르게 반응하며 더 많은 열을 방출한다.
경화를 지연하는 물질의 추출을 막거나 감소시키기 위하여 시멘트와 혼합되기 전에 목재 칩에 스며드는 소위 광화제(mineralizer)를 사용함으로써 좋은 결과가 얻어졌다. 이러한 광화제의 보기로서 CaCl2, MgCl2, 칼슘 포르메이트 및 칼슘 아세테이트, 폴리에틸렌글리콜, MgSiF6, 아질산염, 질산염 등을 들 수 있다. 그러나, 이러한 광화제의 효과는 한정될 뿐만 아니라, 이러한 광화제의 사용은 부가적 측조치 및 제조비용의 증가를 수반한다.
단기간에 더 큰 강도를 얻기 위해 부가적으로 Al2(SO4)3및 Ca(OH)2가 사용되었다. 이들 두 성분은 광물성 에트린자이트(C3A·3Ca(SO4)·32-36H2O)를 형성하는데, 상기 에트린자이트는 긴 바늘형태의 결정체로 석출되어 단기간에 더 큰 강도를 일으킬 수 있다.
본 발명의 목적은 내화벽판 및 유사제품의 제조에 있어서 포오틀랜드 시멘트 및 심지어 더욱 값이 비싼 마그네시아 시멘트(소렐 시멘트)와 대치할 수 있는 결합제를 제공하는데 있다. 실험을 통하여 포오틀랜드시멘트를 미세하게 분쇄된 수경성 용광노 슬랙으로 대치하고 적합한 화학약품을 첨가함으로써, 포오틀랜드시멘트를 결합제로서 사용했을 때 시멘트 결합목재 입자 및 목재 울판의 제조시 발생했던 여러 난제들을 극복할 수 있다는 것을 알게 되었다.
본 발명의 주요 특징들은 하기의 특허청구 범위에 명백히 기술되어 있다.
포오틀랜드 시멘트에서 혼합물로서 슬랙을 사용함으로써 낮은 열방출, 감소된 단기 강도 및 더 느린 강도의 증가를 지닌 시멘트가 만들어진다. 따라서 우수한 단기 강도는 필요하지 않지만 기타 특성이 필요한 부위에 적절한 소위 슬랙 시멘트 또는 혼합 시멘트가 얻어진다. Czielski의 "Beton in Fasern aus Holz", Holz als Roh-und Werkstoff 33(1975) pp. 303-307과 Pampel 및 Schwarz의 "Technologic und Uerfahrungstecknik zementgebundener Spanplatten", Holz als Roh-und Werkstoff 37(1979) pp. 195-202에 의해 고품질의 시멘트는 강도가 더 큰 고강도의 시멘트 결합목재 입자 제품을 만들게 됨을 입증하게 되었다.
따라서, 미세하게 분쇄된 수경성 용광노 슬랙으로부터 시작하여 여러 화학약품의 첨가에 의해 목재에서의 해로운 추출물질에 대해서는 민감하지 않지만 포오틀랜드 시멘트를 결합제로서 사용할 때 가능했던 것보다 더 빠른시간 경과 후 성형틀로부터 방출될 수 있는 단기의 강도를 지닌 제품을 제공하는 결합제를 얻을 수 있다.
동시에 슬랙을 사용하면 속성경화 포오틀랜드 시멘트 등의 사용 경우에서처럼 최종 강도에 어떠한 역효과를 주지 않으면서 제조공정에서 보다 높은 프레스 온도가 사용될 수 있다.
따라서 결합제로서 용광노 슬랙을 사용함으로써 지연효과를 주는 많은 량의 추출성분 때문에 파티클보드의 제조시 사용될 수 없었던 종류의 목재를 사용할 수 있으며, 또한 동시에 값이 비싼 장시간의 프레스 시간을 공정 처리중에서 피할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 특히 벽판같은 내화목재 합성물이 제조되며, 상기 합성물은 주로 목재 칩, 목재 파이버, 톱밥 및/또는 목재 울과 같은 목재 성분과 알칼리 반응으로 활성제에 의해 활성화되는 미세하게 분쇄된 수경성 용광로 슬랙으로 구성된 결합제로 구성된다.
또한, 본 발명에 따라, 목재 칩, 목재 화이버, 톱밥 및/또는 목재 울과 같은 목재성분을 미세하게 분쇄된 용광노 슬랙으로 구성되는 결합제와 활성제에 접촉시킨 후 얻어진 덩어리를 열과 압력의 영향하에 원하는 형태(바람직하게는 판형태)로 형성시킴으로써 내화목재 합성물, 특히 벽판을 제조하는 방법이 제공된다.
상기 덩어리가 원하는 농도를 갖기 위하여는 소정량의 물이 첨가되어야 한다.
목재성분 대 용광노 슬랙의 적합한 비율은 20 : 80 내지 80 : 20의 중량비를 가질 때이다.
더 가벼운 목재 합성물을 원한다면, 목재성분의 일부를 팽창 클레이, 퍼얼라이트, 버미클라이트 등과 같은 무기 밸러스트(inorganic ballast)(저밀도를 지닌 물질)로 교체시킬 수 있다.
또한, 용광노 슬랙의 일부를 포오졸라나(예 : 플라이 애쉬 등)로 교체시킬 수 있다.
용광노 슬랙에 유용한 바람직한 활성제는 알칼리 히드록사이드 같은 알칼리 반응을 하는 화합물과 여러 가지 알칼리염이다. 활성제는 주로 나트륨 물유리 및 수산화나트륨으로 구성되는데, 그 비율은 용광노 슬랙의 중량에 대해 약 0.2-10%의 나트륨 물유리(waterglass) 및 약 1-10%의 수산화나트륨이다. 또한 유용한 활성제의 다른 예로서 라이(lye), 소다 및 물유리를 들 수 있다. 활성제로서 사용되는 라이는 또한 소다 및 석회의 반응에 의해서도 형성될 수 있다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 좀더 상세히 설명된다.
실험실 규모 및 공장 규모로서 실시된 시험에서, 슬랙의 경화시 여러 알칼리염 및 NaOH의 화합에 대한 효과가 조사되었다. 알칼리염의 총량 및 서로 다른 알칼리 성분들 사이의 분포가 경화의 개시 및 속도와 제품의 강도에 영향을 준다는 것을 발견하였다.
실험에 있어서, 볼밀(ballmill)로 470㎡/㎏의 비표면적이 되도록 분쇄된 수경성 용광로 슬랙이 사용되었다. 반응속도 및 강도 향상도는 슬랙의 비표면적에 따른 실험으로 알 수 있다. 슬랙의 화학조성은 하기와 같다.
[슬랙의 화학조성 ]
[표 1]
Figure kpo00001
염기 및 알칼리 형태의 여러 무기성분을 활성제로서 사용했다. NaOH는 슬랙에 대한 활성제로서 오랫동안 알려져 있다. 하기 표에서 명백한 바와 같이 물유리와 함께 사용하면 90 : 10의 슬랙 및 목재 가루의 혼합물은 빠르게 경화된다. 실험에 있어서 값이 싼 Na 물유리를 일반적으로 사용하지만 K 물유리로 또한 사용가능하다.
[표 2]
[여러 가지 활성제 성분을 사용할 때 슬랙과 목재 가루(90 : 10)의 반죽의 경화시간, 중량비 0.48(중량비라는 것은 결합제에 대한 물의 중량비를 나타낸다). 온도 27℃.]
Figure kpo00002
상기와 유사한 반죽이 10%의 가문비나무 또는 자작나무 가루와 90%의 급속 경화 시멘트로부터 제조되었을 때 물의 첨가로부터 7.5시간 이내에는 어떠한 경화도 관측되지 않았다. 그러나 24시간의 저장 후 상기 반죽은 경화되었다.
경화는 온도, 물/결합제의 비 및 목재/결합제의 비에 크게 영향을 받는다.
슬랙 및 자작나무의 반죽(90 : 10)의 경화시간에 영향을 주는 몇가지 다른 방법들이 하기 표 3에 기술되어 있다 : (온도, 27℃ ; 물/결합제의 비=0.48)
[표 3]
Figure kpo00003
x) 메타 실리케이트
xx) 슬랙중 10%를 플라이-애쉬로 치환됨.
물유리는 미세하게 분말화된 규산으로 완전히 또는 부분적으로 교체될 수 있다.
[실시예 2]
결합제가 포오틀랜드 시멘트로 구성되었을 때 사용할 수 없는 판형태의 목재의 제조에서도 새로운 방법을 사용할 수 있다는 것을 알게 되었다.
전술된 인용 문헌으로부터 견목은 시멘트의 경화에 강한 지연효과를 주는 펜토오스 및 기타 추출물질의 함량이 많기 때문에 사용할 수 없다는 것을 알 것이다.
상기의 방식으로 슬랙을 결합제로서 사용했을 때 경화가 지연되지 않아 여러 종류의 견목이 사용될 수 있으므로 생산 비용이 감소된다. 실험실에서 여러 목재 종류의 목재 가루와 슬랙의 혼합물에서 경화시간을 측정하기 위하여 실험을 실시했다. 마찬가지로 실험실에서 자작나무, 오오크, 너도밤나무, 남송, 유우칼리 및 기타 목재로부터 판이 제조되었으며 좋은 결과를 나타내었다. 그 결과가 하기 표 4에 명시되어 있다.
[표 4]
[목재 가루/용광로 슬랙 혼합물의 경화시간(Vicat 응결시험기)]
Figure kpo00004
x) K 물유리.
[실시예 3]
가문비나무와 자작나무와 슬랙으로 이루어진 판들이 각각 실험실과 공장에서 제조되었다.
실험실에서 판은 70 : 30비(중량)의 슬랙 : 목재로부터 손으로 형성되어 여러 프레스 시간 및 온도에서 경화되었다. 그 결과가 하기 표 5에 명시되어 있다.
[표 5]
[파티클보드의 휨에서 인장강도에 미치는 프레스 시간과 압력의 영향(판의 두께=10㎜, 중량비=0.45, 가문비나무 입자/슬랙=30/70)]
Figure kpo00005
슬랙 및 자작나무 가루의 판 강도에 대한 알칼리 함량의 효과가 하기 표 6에 명시되어 있다. 프레스 온도는 125℃이며, 프레스 시간은 20분이다. 판의 두께는 10㎜이다.
[표 6]
[여러 가지 NaOH 및 물유리가 첨가된 슬랙/자작나무판(70 : 30)의 휨에서의 인장강도 ]
Figure kpo00006
실험실의 실험에서, 칩 형태의 목재를 사용할 때보다 더 큰 물/결합제 비를 가진 분쇄된 목재만이 사용되었다. 결과적으로, 실험실의 실험에서 실물크기의 실험에서 보다 더욱 낮은 강도가 예상된다.
[실시예 4]
[실물크기 실험]
결합제로서 미세하게 분쇄된 입상의 용광노의 슬랙으로의 실험이 공장에서 실물크기로 실시되었는데, 마그네시아 시멘트가 결합제로서 이미 사용되었다.
필요량의 물과 함께 슬랙, 가문비나무 칩/자작나무 칩, 라이 및 물유리가 2-3분동안 200㎏의 배치의 동력 혼합기에서 혼합되었다. 판은 외부층(슬랙/목재=70/30) 및 코어층(슬랙/목재=60/40)을 지닌 3층으로 형성되었다. 외부층 : 코어층의 정량비는 50 : 50이다.
외부층의 혼합물에서 사용된 활성제는 슬랙의 양에 대해 각각 6.2%의 NaOH 및 4.6%의 물유리이다. 코어 혼합물에 있어서, 상기에 대응하는 대응치는 각각 4.7% 및 3.5%이다.
외부층의 혼합물에서 가문비나무 칩의 수분함량은 7%이며, 코어층에 대한 가문비나무 칩의 수분함량은 10%이다. 자작나무 칩의 수분함량은 각각 4.0% 및 5.3%이다.
혼합물에서 물/결합제의 비는 0.30 내지 0.34이다. 혼합물은 플레이트의 콘베이어 3층으로 퇴적되며, 예비 압축 후에 홀더속에 쌓여 최종적으로 10-15분동안 135-140℃에서 프레스된다.
판은 12㎜의 두께를 가지며 목표하는 바의 밀도는 1250㎏/㎥이다.
방출된 후, 판은 냉각덕트(cooling duct)에서 냉각되며, 그후 다듬질되고 모래 처리된다. 그 결과가 하기 표 7 및 8에 기술되어 있다.
[표 7]
[슬랙/가문비나무 칩 판의 특성]
Figure kpo00007
[표 8]
[슬랙/자작나무 칩 판의 특성]
Figure kpo00008
실험인자의 최적화는 이루어지지 않았다.

Claims (12)

  1. 목재 칩, 목재 파이버, 톱밥 및 목재 울중에서 선택된 목재성분과 결합제를 함유하는 내화목재 합성물에 있어서, 상기 결합제는 알칼리 반응성을 갖는 활성제에 의하여 활성화되는 미세하게 분쇄된 수경성 용광노 슬랙과 물유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물.
  2. 제1항에 있어서, 목재성분 대 용광노 슬랙의 중량비는 20 : 80 내지 80 : 20인 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물.
  3. 제1항에 있어서, 용광노 슬랙의 일부분은 포졸라나로 교체되는 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물.
  4. 제1항에 있어서, 알칼리 반응성을 갖는 활성제는 알칼리 히드록사이드인 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물.
  5. 목재 칩, 목재 파이버, 톱밥 및 목재 울중에서 선택된 목재성분을 결합제 및 활성제와 접촉시킨 후 얻어진 혼합물을 열과 압력의 영향하에 원하는 형상으로 성형하는 특히 벽판같은 내화목재 합성물의 제조방법에 있어서, 미세하게 분쇄된 수경성 용광노 슬랙이 결합제로서 사용되며 알칼리 반응성을 갖는 알칼리염과 화합물에 의하여 활성화되는 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 목재성분 대 용광노 슬랙의 20 : 80 내지 80 : 20인 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 용광노 슬랙의 일부분은 포졸라나로 교체되는 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 활성제는 용광노 슬랙의 중량을 기준으로 했을 때 0.2-10%의 나트륨 물유리와 1-10%의 나트륨 히드록사이드의 양으로 사용되는 나트륨 물유리와 나트륨 히드록사이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 활성제는 용광노 슬랙의 중량을 기준으로 했을 때 0.2-10%의 나트륨 물유리 및 1-10%의 수산화나트륨의 비율로 물유리와 알칼리 히드록사이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 활성제는 용광노 슬랙의 중량을 기준으로 했을 때 0.2-10%의 나트륨 물유리 및 1-10%의 수산화나트륨으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 물유리는 나트륨 물유리인 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물.
  12. 제1항에 있어서, 용광노 슬랙은 470㎡/㎏의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 내화목재 합성물.
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