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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.1 pp.62-67
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.1.62

Evaluation of Humidity Control Ceramic Board Using Gypsum Binder

Jong-Kyu Lee†, Tae-Yeon Kim
Energy Environment Material Division, Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology Jinju-si, Gyeonsangnam-do 52851, Republic of Korea
Corresponding author : ljk25@kicet.re.kr (J. K. Lee, KICET)
20171106 20171106 20171127

Abstract

Active clay, bentonite and zeolite were used as porous materials for humidity controlling ceramic boards. The specific area and the pore volume of active clay were higher than bentonite and zeolite. The flexible strength of the gypsum board decreased with an increasing amount of porous material, and the flexible strength was lowest when active clay with a higher specific surface area than others porous materials was added. The specific surface area and total pore volume of ceramic boards containing porous material were highest at 102.25 m2/g, 0.142 cm3/g, respectively, when the active clay was added. In addition, as the amount of added porous materials increased, the specific surface area and total pore volume of the ceramic board increased, but the average pore diameter decreased. The addition of s porous materials with a high specific area and a large pore volume improved the moisture absorptive and desorptive performance of the ceramic board. Therefore, in this experiment, the moisture absorptive and desorptive properties were the best when active clay was added. Furthermore, as the amount of added porous materials increased, the moisture absorptive and desorptive properties improved. When 70 mass% of active clay was added to α-type gypsum, the hygroscopicity was the highest, about 300 g/m2, in this experiment.


석고계 바인더를 활용한 습도도절 세라믹 보드의 특성 평가

이 종규†, 김 태연
한국세라믹기술원 에너지환경소재본부

초록


    National Research Foundation of Korea
    2015M3C8A8050646

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    최근 산업의 발달과 국민의 건강에 대한 관심이 증폭 됨에 따라 건축 내장재도 변화되고 있다. 특히 건축 내 장재는 인체 유해성 등의 이유로 유기질 소재에서 무기 질 소재로 변화하고 있는 추세이며, 무기질 소재는 단 순한 내장재로서의 기능뿐만 아니라 인체에 유익한 기 능을 발현하는 제품들이 출시되고 있다.1)

    건축 내장재의 다양한 기능 중 최근 대두되는 물성으 로는 조습기능을 들 수 있다. 이는 난방 및 냉방효율 향 상과 에너지 효율의 극대화 일환으로, 건물의 밀폐성이 증가하여 생활환경에서의 습도가 문제되고 있기 때문이 다. 주거환경에서의 적당한 환경 습도는 40-70 % 범위 로, 이보다 높으면 곰팡이나 진드기의 왕성한 번식에 따 라 이들의 배설물이나 유해 미분말에 의해 천식 및 아 토피성 피부염과 같은 알레르기 질환이 증가하게 된다.2,3) 이보다 낮은 경우에는 감기 등의 바이러스 증식, 정전 기의 축적으로 인한 정밀기기의 오동작, 발화 및 미술 품/기타 제품 등의 열화가 발생하게 된다. 그러므로 적 당한 습도를 유지하기 위해 제습기나 가습기가 사용되 고 있으며, 이 경우 에너지 소비가 크고 장기간 사용 시 제습기/가습기 내부에 곰팡이나 진드기 또는 각종 세균 이 번식하게 되며, 결국에는 이들 세균들이 환경을 오 염시켜 인체 건강을 크게 위협하게 된다.4-5) 따라서 제 습기/가습기의 도움 없이도 주거 환경에 적합한 습도를 유지할 수 있는 조습 패널의 개발이 필요하다.6-8) 기존 의 습도조절용 세라믹 제품들은 1000 °C 이상에서 소성 하여 제조하는 것이 대부분으로 제조단가가 높은 단점 이 있다. 특히 지하/반지하 및 노후주택에 거주하는 취 약계층의 경우 주거환경 개선을 위한 비용부담을 줄이 기 위한 저비용의 습도조절용 세라믹소재의 개발이 필 요하다.9,10)

    따라서 본 연구에서는 기존의 소성방법이 아닌 상온에 서 경화시키는 기술을 이용하여 저가보급형의 습도 조 절용 세라믹보드의 제조를 목적으로 고강도의 석고계 바 인더를 활용하고 또한 각종 다공성 원료를 첨가하였을 때의 조습특성을 평가하였다.

    2.실험 방법

    2.1.출발원료 분석

    본 연구에서는 저가 보급형의 세라믹 보드 제조를 위 해 기존의 소성형이 아닌 비소성형의 무기바인더를 활 용하였다. 본 실험에 사용한 무기바인더로는 6~8기압, 120~140 °C에서 열처리를 통한 고강도의 알파형 반수석 고를 활용하였다. 또한 다공성 원료로는 황성백도, 벤토 나이트, 제올라이트를 사용하였다. 출발원료에 대하여 XRD 평가를 하였으며 또한 다공성 원료의 화학적 조성 분석, BET(Model TriStar 3000 V6.02A, Micromeritics Co., USA)를 이용하여 기공과 비표면적 특성을 이용하 였다.

    2.2.세라믹 보드의 제조

    습도조절용 세라믹 보드의 제조는 고강도 알파형석고 를 바인더로 활용하였으며 소량의 감수제, 지연제등을 사 용하였다. 다공성 원료로는 활성백토, 벤토나이트 제올라 이트를 사용하였으며 알파형 반수석고에 대해서 각각 내 할로 10~70 % 첨가하였다. 원료분말을 혼합한 후, water/ powder = 0.7의 물비로 혼합하였다. 혼합된 슬러리를 200 mm × 200 mm × 10 mm의 실리콘 몰드에서 25 °C 상온에 서 반응시켜 보드를 제조하였다. 1일 반응 후 탈형하여 측정시료로 사용하였다.

    2.3.세라믹 보드의 분석

    제조된 패널의 휨강도를 측정하기 위하여 만능재료 시 험기(Instron 5544, ITW Inc., USA)를 사용하여 측정하 였다. 또한 제조된 시료 흡방습 특성은 200 mm × 200 m 크기로 건조된 시편을 23 °C 50 %의 상대습도 조건에서 항량이 될 때까지 안정화 시킨 후 무게를 측정하였다. 이후 상대습도를 75 %로 상승시켜 12시간 동안 유지한 후 무게를 측정하였다. 12시간이 경과된 시점에서 상대 습도를 50 %로 하향조정하여 12시간동안 유지한 후 무 게를 측정하였다. 수분의 흡방습 시험은 총 24시간 동 안 실시하였으며 최조 12시간은 흡습과정, 이후 12시간 은 방습과정으로 하여 KS F 2611의 방법으로 흡·방습 특성을 측정하였다. 또한 시료의 미세구조 특성을 분석 하기 위하여 XRD 및 SEM 분석을 하였으며, 기공부피 및 비표면적 특성을 분석하기 위하여 BET 분석을 하였 다. 또한 다공성 물질 첨가량에 따른 열전도율 분석은 평판 열류가압식으로 측정을 하였으며 시료의 크기는 200 × 200 × 10 mm의 것을 사용하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.출발원료의 특성

    비소성형의 상온경화형 바인더로 친환경적인 측면 및 제품의 당양한 색상 등을 고려하여 백색계통의 석고계 바인더를 사용하였다. 일반적으로 탈황석고를 주원료로 하 는 석고계 바인더는 강도특성이 좋지 않아 조습특성을 향상시키기 위하여 필수적인 다공성 물질의 첨가량에 제 한을 받게 된다. 따라서 본 연구에서는 가압 열처리 방 법을 사용하여 알파형 반수석고 함량이 90 % 이상의 것 을 사용하였다. Fig. 1에 본 연구에서 사용한 석고의 XRD 결과를 나타내었다. 거의 대부분 알파형의 반수석고의 회 절피크를 보여주고 있음을 알 수 있다.

    또한 다공성 원료로 활성백토 벤토나이트 및 제올라이 트를 사용하였는데 각각의 다공성 원료의 화학분석 결 과를 Table 1에 나타내었다. SiO2 함량이 가장 많았으 며, Al2O3, Fe2O3 및 CaO 등이 주성분 이였다.

    BET를 사용한 다공성 원료의 비표면적 및 기공부피를 Table 2에 나타내었다. 활성백토의 비표면적은 177.95 m2/ g 으로 가장 높았으며, 벤토나이트 65.36 m2/g, 제올라이 트 53.86 m2/g 이였다. 기공부피의 경우 활성백토는 0.24 cm3/g, 벤토나이트는 0.10 cm3/g, 제올라이트 0.087 cm3/ g 이였다. 비표면적 및 기공부피 모두 활성백토에서 가 장 높은 값을 나타내었다.

    3.2.배합비에 따른 특성

    흡·방습 성능을 향상시키기 위해서는 다공성 원료의 첨 가량이 많을수록 유리하다. 기존의 연구에서는 최대 30 % 이상 첨가가 어려웠으나 본 연구에서는 고강도 알파형 석고를 사용함으로써 다량첨가가 가능하였다. Fig. 2에 CType 및 L-Type의 고강도 알파형 석고에 다공성 원료 를 첨가하였을 때의 휨강도 변화를 나타내었다. C-Type 및 L-Type은 소량의 첨가제에서 약간의 차이가 있는 조 성으로 주성분은 알파형 반수석고이다. 전체적으로 다공 성원료의 첨가에 따라 휨강도가 감소하고 있음을 알고 있다. 휨강도는 제올라이트가 가장 높은 값을 보여주고 있으며, 활성백토가 가장 낮은 값을 보여주고 있다. 이 는 비표면적과 관련 있으며 비표면적이 높을수록 휨강 도는 낮아지고 있음을 알 수 있다.

    Fig. 3에 석고계 바인더를 이용한 습도조절 세라믹 보 드에서 고강도 석고계 바인더에 다공성 물질인 활성백 토 벤토나이트 제올라이트를 50 % 첨가하여 습도조절용 보드를 제조하였을 경우의 BET 결과를 나타내었다. 활 성백토를 첨가하였을 경우 비표면적은 102.25 m2/g, total pore volume은 0.142 cm3/g으로 가장 높게 나타났다. 반 면 위의 3종류의 다공성 원료 중 제올라이트를 첨가하였 을 경우 비표면적은 39.30 m2/g, 전체적인 pore volume은 0.083 cm3/g으로 가장 낮게 나타났다. 그러나 평균 pore sizes는 활성백토의 경우 55.36 Å, 벤토나이트의 경우 73.11 Å, 제올라이트의 경우 84.67 Å로 활성백토를 첨가 하였을 경우가 평균 pore size가 가장 작게 나타났다.

    Fig. 4에는 석고계 바인더를 이용한 습도조절 세라믹 보드에서 비표면적 및 total pore volume이 가장 높은 활성백토의 첨가량에 대한 BET 분석 결과를 나타내었 다. 활성백도 첨가량을 10 %로 하였을 경우의 비표면적 은 32.11 m2/g 이였으나 활성백토를 70 % 첨가를 하면 135.22 m2/g로 활성백토 첨가량이 증가할수록 제조된 보 드의 비표면적은 증가를 하고 있음을 알 수 있다. 또한 total pore volume 도 활성백토 첨가량이 증가할수록 증 가하고 있음을 알 수 있다. 활성백토 70 % 첨가하였을 경우 total pore volume은 가장 높은 0.178 cm3/g 이였 다. 그러나 평균 pore size는 활성백토를 10 % 첨가한 경우 82.21 Å, 30 % 첨가한 경우 63.41 Å, 50 % 첨가한 경우 55.36 Å, 70 % 첨가한 경우 52.53 Å으로 활성백토 첨가량이 증가할수록 평균 pore size는 작아지고 있음을 알 수 있다.

    Fig. 5에는 다공성 원료의 종류 및 다공성 원료인 활 성백토 첨가량에 따른 pore size 분포와 pore volume을 나타내었다. 활성백토 첨가량이 증가할수록 pore volume 은 증가하고 있으나, 평균 pore size는 줄어들고 있음을 알 수 있다.

    Fig. 6에는 석고계 바인더를 이용한 습도조절 세라믹 보드에서 석고계 바인더에 대해서 활성백토를 내할로 30 %, 50 %, 70 % 첨가하였을 경우의 XRD와 활성백토 를 50 % 첨가하였을 경우의 SEM 사진을 나타내었다. 다 공성 물질중의 SiO2 피크가 나타나고 있으며 반수석고 가 물과 반응을 하여 생성된 이수석고 피크가 대부분임 을 알 수 있다. 또한 이수석고 피크의 강도는 활성백토 첨가량이 많아질수록 피크 높이는 낮아지고 있음을 알 수 있다. SEM에서는 침상(로드형) 형태의 이수석고가 관 찰되었다.

    Fig. 7에는 석고계 바인더에 대해서 다공성물질인 활 성백토, 벤토나이트, 제올라이트를 내할로 50 % 첨가하 였을 경우의 습도조절 세라믹 보드의 흡·방습 특성을 나 타내었다. 활성백토를 첨가하였을 경우 가장 높은 흡·방 습 특성을 보여주고 있었으며 약 230 g/m2의 흡습, 210 g/m2의 방습특성을 보여주고 있다. 벤토나이트의 경우 약 180 g/m2, 제올라이트의 경우 가장 낮은 약 160 g/m2 이 상의 흡습특성을 보여주고 있다. 이는 Figs. 4, 5에 나 타낸 것과 같이 비표면적, pore volume, pore size와 밀 접한 관계가 있다고 생각된다.

    Fig. 8에는 습도조절 세라믹 보드에서 Fig. 7에 나타 낸 것과 같이 흡·방습 특성이 가장 우수한 활성백토에 대해서 활성백토의 첨가량을 석고계 바인더에 대해서 내 할로 10 %, 30 %, 50 %, 70 %로 달리하였을 경우의 흡 ·방습 특성을 나타 내었다. 활성백토 첨가량이 증가할수 록 흡·방습량도 증가하고 있음을 알 수 있다. 활성백토 10 % 첨가하였을 경우 약 60 g/m2의 흡습성능을 보여주 고 있으며, 30 % 활성백토를 첨가하였을 경우 약 98 g/ m2, 50 %의 활성백토를 첨가하였을 경우에는 약 230 g/ m2, 활성백토를 70 % 증가 시켰을 경우 흡습 성능이 약 300 g/m2로 가장 높은 흡·방습 성능을 나타내고 있었다.

    세라믹보드의 습도조절기능을 향상시키기 위해서는 소 재의 흡·방습 성능도 중요하지만 소재의 열전도율에 중 요한 역할을 하게 된다. 습도조절 및 결로 방지 등을 위 해서는 단열성능이 우수한 소재가 필요하다. Fig. 9에 습 도조절 세라믹 보드에서 흡·방습 특성이 가장 우수한 활 성백토의 첨가량에 따른 열전도율 특성을 나타내었다. 활 성백토 첨가량이 증가할수록 열전도율이 낮아지고 있으 며 활성백토 70 % 첨가하였을 경우 열전도율 0.088 W/ mK로 단열성능도 우수하였다.

    4.결 론

    고강도 알파형 반수석고를 바인더로 활용하여 다량의 다공성 물질을 첨가하였을 경우의 물리적 특성 및 흡· 방습 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 첨가된 다공성 물질의 비표면적은 제올라이트, 벤 토나이트 활성백토 순으로 높게 나타났으며 기공부피도 제올라이트, 벤토나이트 활성백토 순으로 높게 나타났으 며 활성 백토의 경우 기공 부피는 0.24 cm3/g 이였다.

    • 2) 다공성 물질의 첨가량이 증가함에 따라 휨강도는 감 소하고 있으며, 다공성 물질중 비표면적이 가장 넓은 활 성백토를 첨가하였을 경우 강도가 가장 낮게 나타났다.

    • 3) 석고계 바인더를 이용한 습도조절 세라믹 보드에서 고강도 석고계 바인더에 다공성 물질인 활성백토 벤토 나이트 제올라이트를 50 % 첨가하여 습도조절용 보드를 제조하였을 경우의 BET 결과, 활성백토를 첨가하였을 경 우 비표면적은 102.25 m2/g, total pore volume은 0.142 cm3/g으로 가장 높게 나타났다. 반면 제올라이트를 첨가 하였을 경우 비표면적은 39.30m2/g, 전체적인 pore volume 은 0.083 cm3/g으로 가장 낮게 나타났다. 평균 pore sizes 는 활성백토의 경우 55.36 Å, 벤토나이트의 경우 73.11 Å, 제올라이트의 경우 84.67 Å로 활성백토를 첨가하였을 경우가 평균 pore size가 가장 작게 나타났다.

    • 4) 제올라이트, 벤토나이트, 활성백토 등의 다공성 물 질을 첨가하였을 경우 비표면적이 가장 높은 활성 백토 를 첨가하였을 경우 흡·방습 특성이 가장 높게 나타났 으며, 고강도 알파형 석고 바인더에 활성 백토를 70 % 첨가하였을 경우 흡습 성능이 약 300 g/m2로 가장 높은 성능을 나타내고 있었다.

    Acknowledgement

    This work was supported by a National Research Foundation of Korea(NRF) grant founded by the Korean Government( 2015M3C8A8050646).

    Figure

    MRSK-28-62_F1.gif

    XRD patterns of starting material(gypsum).

    MRSK-28-62_F2.gif

    Flexible strength of ceramic board with content of porous materials (a) C-type gypsum (b) L-type gypsum.

    MRSK-28-62_F3.gif

    BET hysteresis curve with porous materials (a) Active clay 50 % (b) Bentonite 50 % (c) Zeolite 50 %.

    MRSK-28-62_F4.gif

    BET hysteresis curve with amount of active clay.

    MRSK-28-62_F5.gif

    Pore volume and average pore diameter with porous materials (a) Amount of active clay (b) Types of porous materials.

    MRSK-28-62_F6.gif

    XRD patterns and SEM photograph with porous materials.

    MRSK-28-62_F7.gif

    Moisture absorption and desorption of ceramic board with porous materials.

    MRSK-28-62_F8.gif

    Moisture absorption and desorption of ceramic board with amount of active clay.

    MRSK-28-62_F9.gif

    Thermal conductivity of ceramic board with amount of active clay.

    Table

    Chemical omposition of Starting materials(unit : wt%).

    Specific Surface Area and Total Pore Volume of Porous Materials(unit : wt%)

    Reference

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