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2020년 6월 20일 (토) 01:37 판

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

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용