폼폼조
2019 CE
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 지오폴리머 반응의 활성조건과 폼 형성에 관한 개선 연구 방안
영문 : An improved study on active conditions and foam formation of geopolymer reaction
과제 팀명
폼폼조
지도교수
김효 교수님
개발기간
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 2016XXX0** 이*영(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 2013XXX0** 유*학
서울시립대학교 화학공학과 2013XXX0** 조*정
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 석탄비산재(coal fly ash)를 기반으로 하는 지오폴리머에 발포제로써 Al 파우더를 첨가하여 지오폴리머 폼을 합성 ◇ NaOH의 농도, 계면활성제의 종류에 따른 물성(압축강도, 열전도도, 공극률(또는 밀도))측정 ◇ 샘플의 단면 사진과 SEM 이미지를 통해 포어구조 관찰 ◇ 지오폴리머 폼의 질량과 열전도도 경향성 비교 ◇ 최적의 배합비에서 기존의 유·무기 단열재와 비교하여 대체 가능성 평가
개발 과제의 배경
◇ 건축물 및 플랜트 등에서 에너지 절감 및 단열을 목적으로 한 소재들은 지속적으로 사용량이 증가하고 있으며, 관련 정책 및 선진국 추이를 고려할 때 향후 증가 추세가 계속될 것으로 예상된다. 국토교통부에서는 2025년 제로에너지 주택건설 의무화를 목표로 녹색 건축물 조성지원법, 에너지절약설계기준 등을 통해 건축물의 에너지저감 대책을 강화하고 있으며 이에 따라 국내 단열재 시장은 급속하게 확대되고 있다. ◇ 건축용 단열재는 소재에 따라 유기계와 무기계로 나뉘는데, 현재 국내 시장의 70% 이상의 점유율을 가지는 EPS, PUR 등의 유기계 단열재는 단열성능이 우수함에도 불구하고, 화재 취약성, 환경 유해성 및 구조적 취약성 등의 단점을 가지고 있어 점차 그 사용이 제한되고 있는 추세이다. 내열성이 우수한 무기계 단열재의 경우 단열성능이 유기계 단열재에 크게 못 미치고, 매우 고가이거나 높은 흡습성으로 인한 성능 저하 및 변질 등의 문제가 제기되고 있다. 기존 유기계 단열소재를 대체하기 위해 화재 취약성에 대한 해결뿐만 아니라 단열재로서의 낮은 열전도율, 낮은 흡수율, 시공 용이성, 형상 제어, 경제성 등을 만족하는 새로운 소재의 개발이 필요하다. ◇ 이러한 유·무기 단열재의 단점을 보완할 물질로 주목받고 있는 것이 지오폴리머 폼(geopolymer foam)이다. 우선, 지오폴리머란 실온 또는 이보다 약간 높은 온도에서 고체알루미나 또는 실리카를 함유하는 전구체(건축용은 석탄재 및 소성점토)를 알칼리로 활성화시켜 얻어지는 알루미노실리케이트 결합재로, 지난 수세기 동안에 시멘트 콘크리트의 대체재로써 개발되었다. 그 중 석탄재는 석탄 화력발전소에서 석탄이 연소된 후 모아지는 부산물로, 집진기를 통해 모아지는 비산재(fly ash)와 소각로 아래로 떨어져 모아지는 바닥재(bottom ash)로 나뉜다. 석탄재는 수경성이 없으나 알칼리 활성화제를 사용하고 고온양생을 시킴으로서 중합반응(Polymerization)을 일으켜 강도를 발현시킨다. ◇ 폼 콘크리트는 골재의 유무에 관계없이 기공을 함유하는 시멘트 결합재로 구성된 경량의 콘크리트를 지칭한다. 고온 합성 지오폴리머 폼은 상대적으로 균일한 기공구조를 가지고 강도/밀도 비도 높지만, 이들은 콘크리트라고 하기보다는 발포 세라믹에 가까워서 세라믹 타일이나 벽돌 등을 대체할 수는 있지만 저온(실온 혹은 실온보다 조금 높은 온도)에서 합성한 제품이 에너지 절감이나 가격측면에서 산업적으로 더욱 유효하다. 저온 지오폴리머 폼 제조는 비교적 새로운 분야로 많은 연구결과가 나와 있지 않으며, 특히 메타카올린 사용 지오폴리머에 비해 건축용에 적합한 석탄재 사용 지오폴리머에 대한 연구 결과는 극히 적다.
◇ 폼 콘크리트의 발포제로는 미분화된 알루미늄 분말이 가장 많이 사용된다. 알루미늄은 water-splitting agent로써 아래의 식에 따라 물과 반응하여 수소기체를 발생시켜 기포를 형성한다.
◇ 계면활성제는 폼 크기와 구조를 조절하는 역할을 한다. 지오폴리머 폼 발포 시 표면장력을 낮추어주고, 스스로 지지할 수 있을 때까지 폼 window 안정화를 통한 폼의 붕괴를 막아주며 폼 변형을 감소시켜서 셀 사이즈 조절을 가능하게 한다.
◇ 비산재의 경우, 실온 및 대기압 조건에서 물과 반응하여 초기에는 빠르게 분해되나, 낮은 용해도를 갖는 분해물질이 원료물질 위에 침적하여 비산재의 지속적인 분해 반응을 차단하거나 반응속도를 느리게 하여 무기결합재로서의 특성을 크게 약화시키게 된다. 따라서 무기결합재의 특성을 향상시켜 시멘트 산업에 응용하기 위해서는 비산재의 중합반응을 지속적으로 유지할 수 있는 활성화 공정이 필요하며, 이를 위한 방법으로 알칼리 용액이 활성화제로 사용되고 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ KS 기준 단열재 규격에서 제시하는 최소 압축강도 기준인 2.94MPa 이상 만족. ◇ KS 기준 0.188 W/M˚K 이하 열전도도 만족. ◇ NaOH의 농도, 계면활성제의 종류를 변수로 정하여 지오폴리머 폼 형성 시 최적의 배합비를 도출 ◇ 기존 유·무기 단열재와의 성능 비교를 통해 기존 소재 단점 보완 가능성 평가
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ (전 세계적인 기술 현황) 단열재는 주택이나 빌딩 등 건축물의 단열·방화를 위한 내외장재로 가장 많이 쓰이며, 최근 건물의 단열성과 내화성을 강화하는 세계적 추세 속에 고성능·고효율 단열재에 대한 수요가 증가하고 있다. 건축 단열재의 주요한 시장 추동력의 하나는 세계 각국이 정하고 있는 온실가스 배출저감이다. 세계 고성능 단열재 시장 규모는 2015년 592억 달러에서 연평균 성장률 6.1%로 2020년엔 796억 달러에 이를 것으로 예측된다. 국내 고성능단열재 시장 규모는 2020년 3,819억 원에 이를 전망이다. 전 세계적으로 주택 및 건축물의 고급화, 첨단화와 함께 단열기준의 강화, 난연성 단열재 및 친환경 단열재의 사용 의무화로 앞으로 불연성 무기계 및 고성능 유기계 단열재가 각광받을 전망이다.
◇ (지오폴리머 활용) 지오폴리머 콘크리트는 이산화탄소를 포틀랜드 시멘트보다 적게 배출하는 친환경·고성능 콘크리트로서 미래사회가 요구하는 개념에 부합하는 콘크리트다. 지오폴리머 콘크리트에서는 시멘트 페이스트 대신에 지오폴리머를 결합재로 사용하며 내화․내열 섬유복합체, 밀폐제 등 다양한 분야에서 적용이 가능하다. 또한 낮은 투수성을 가지므로 유독성, 방사성 폐기물의 차단제로도 사용이 가능하고 높은 내구성으로 해안구조물이나 산성 환경 하의 구조물 등에 탁월한 효과가 있다.
◇ (유기 단열재) 폴리우레탄(PU)은 Polyol과 Isocyanate를 주원료로 하여 발포제, 촉매제, 안정제, 난연제 등을 혼합시켜 발포하여 생산하며, 산업 전반에 다양한 방법으로 사용 되고 있다. 그 중 단열재로서 우레탄 폼은 폴리우레탄 시장의 25%로 전체 2위를 차지할 정도로 영향력이 크며 성능 또한 뛰어나다.
우레탄 폼은 표면처리에 따라 1종과 2종으로 나뉘는데 표면처리가 안 된 1종 보온판의 경우, 밀도 45, 열전도율 0.024이하, 압축강도 30이상의 성능을 보여준다. 하지만 오래사용 할 경우 내부에 차있던 가스가 공기와 치환되며 단열 성능이 감소하는 것으로 나타났으며 초기측정값 0.019에서 365일 경과 후 0.023로 21%의 성능 감소가 연구된 바 있다.
◇ (무기 단열재) 글라스울(glass wool)은 유리를 일정 크기로 성형한 무기질의 광물섬유 단열재로써 밀도 120, 열전도율 0.036 이하의 성능을 보여준다. 석면의 대체제 및 보완재로 사용되며 폐유리 등을 재활용하여 친환경자재로 평가받는다. 또한, 칼이나 가위로 쉽게 자를 수 있는 등 시공성이 뛰어나고 불연성, 흡음성 등에서도 뛰어난 성능을 보인다. 하지만, ‘솜’ 형태로 습기에 취약하고, 점차 처지게 되어 상부에 단열재가 비게 된다. 불연성 소재로써 목재 건축자재의 단열재로 많이 쓰이지만 글라스 울에 스며든 습기가 목재로 만든 벽체를 썩게 만들 수 있다는 단점이 있다.
◇ (친환경 단열재) 규석, 알루미나-실리카, 부석, 변성 실리케이트 및 메틸 셀룰로오즈를 포함하는 난연재 조성물과 옥수수 속대를 포함하여 제조된 내화 난연 단열재이다. 내화 난연 단열재(샌드위치 패널) 제조 시에, 종래의 샌드위치 패널을 제작하는 설비를 변경하지 않고, 제조 공정에서 단순 혼합 처리 및 건조를 통해, 난연성, 흡음성, 및 단열성을 부여하고, 시공성이 뛰어나며, 설비투자 비용을 절감할 수 있다. 그리고 옥수수 속대에 난연성 조성물을 고르게 혼합 처리함으로써, 옥수수 속대 입자 표면에 전체적으로 균일하게 코팅처리 되어 난연 성능을 최대로 발휘하여 연소 확대를 억제하고, 화재시 불연가스를 발생시켜 소화 작용을 도우며, 유독가스 발생을 최소화하는 난연성 샌드위치 패널(단열재)을 제공한다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ 산업폐기물을 활용한 건축재료용 단열흡음성 발포체의 조성물 및 상기 조성물을 이용한 단열흡음성 발포체의 제조방법 (출원번호 : 10-2017-0172017) - 산업폐기물(바닥재, 비산재, 레드머드 등)과 기포제, 유기실란 및 결합제를 이용하여 다공성 발포체의 성형체를 제조. 경량, 단열, 흡음, 및 기계적 강도 등이 우수한 건축재료의 조성물과 상기 조성물을 이용한 단열흡음성 발포체의 제조방법에 관한 것이다. ◇ 플라이애쉬와 팽창암석을 사용한 고강도 불연성 단열패널 및 그 제조방법 (출원번호 : 10-2017-0002873) - 비산재와 탄산나트륨, 칼슘화합물, 팽창암석 및 벤토나이트를 특정 배합비로 혼합하여 불연성이면서 압축강도 및 단열성능이 강화된 경량 단열패널 제공에 관한 특허이다. ◇ 경질 단열재를 이용한 단열공법용 단열재와 복합단열재 및 이를 이용한 단열공법 (출원번호 : 10-2017-0155776) - 본 발명은 단열성이 우수한 발포폴리스티렌와 같은 경질의 단열재를 이용하여 운송과 취급 및 단열시공이 간편하도록 롤 형태로 권취가 가능하게 한 단열공법용 단열재와 복합단열재 및 이를 이용한 단열공법에 관한 것이다.
◇ 다양한 산업폐기물을 활용한 친환경적 소재 단열재로써 경량·강한 압축강도·불연성·저비용·높은 단열효과 제시 ◇ 단열 및 차음의 효율을 높이는 돌기 형상의 단열재 ◇ 운송·취급·시공에 간편한 롤 형태의 시트층을 포함한 단열재
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 석탄재 기반 지오폴리머 폼을 형성함으로써 우수한 내화성을 활용하여 화재에 강한 단열재 제작이 가능하다.
◇ 단열에 영향을 미치는 가장 중요한 매개변수 중 하나로서 열전도도는 공극, 밀도, 공극포화상태, 결합재의 조성 및 충전재의 복합 기능이다. 지오폴리머는 균일한 다공성 기포를 만들 수 있어 열전도도를 전체적으로 일정하게 형성하고, 단열재로서 적정한 압축강도를 가진다.
◇ 타 단열재 대비 경량질의 단열재로 프리캐스트형식의 비교적 자유롭게 시공이 가능하다.
◇ 비이온/음이온/양이온성 계면활성제 구분에 따라 변화되는 플라이애시 지오폴리머 폼의 물성변화를 비교할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 지오폴리머 폼 합성 시, 산업 부산물인 석탄재를 활용함으로써 경제적일 뿐만 아니라 석탄재 매립에 의한 토양 및 수질오염 문제와 매립지 부족 문제를 해결할 수 있다. 또한, 석탄재 날림으로 인한 인근 지역 피해문제 등을 해결할 수 있다.
◇ 무기계 단열재는 강도 발현을 위해 제조 과정에서 고온, 고압 양생을 거쳐야 한다. 이는 과량의 이산화탄소를 배출시키는 문제가 있다. 고온·고압의 소성과정이 생략되는 지오폴리머 폼 양생은 상대적으로 이산화탄소 배출 감소는 물론 에너지도 많이 절약할 수 있다.
◇ 유기계 단열재를 사용한 건축물 화재 발생률은 전체 건물 화재의 7%에 불과하지만, 피해액은 20%를 차지할 정도로 심각하다. 지오폴리머 폼을 사용할 경우 유기계 단열재의 취약점을 보완하여 화재발생 확률 뿐 아니라 화재 발생 시 피해액 및 피해 규모를 줄일 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
제품의 요구사항
개념설계안
[실험과정]
[1] 바닥재와 비산재를 바닥재/비산재 질량비 0, 0.5, 1, 그리고 2의 비율로 섞어준다.
[2] 고체 혼합물에 12~18 M NaOH 용액과 계면활성제를 첨가하고 호바트 믹서로 5분간 혼합한다. 계면활성제는 전체 질량의 2%만큼 첨가한다.
[3] 혼합이 완료된 혼합물에 발포제(Al powder or Al dross)를 넣고 30초간 혼합한다.
[4] 혼합물을 100 × 100 × 100 mm^3 철제 몰드에 모두 부은 후 십자 틀을 넣는다.
[5] 밀봉 후 40℃오븐에서 24시간 양생 후 75℃ 오븐에서 24시간 양생한다.
(*혼합물을 바로 고온(50~90℃)에서 양생하면 생성된 기체의 에너지가 증가하고 혼합물의 표면장력이 감소해 기체를 잡아둘 수 없게 된다. 결과적으로 포어(pore)를 생성하지 못하고 붕괴된다(coalescence). 따라서 초기에 폼 모양을 어느정도 형성하기 위해 낮은 온도에서 먼저 양생 후, 샘플을 경화시키기 위해 높은 온도 75℃에서 양생하도록 한다.)
[6] 상온에서 추가로 5일 더 양생하여 재령 7일에서 분석을 진행하도록 한다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
포스터
관련사업비 내역서
