발포재료
발포재료란 ?
최근 각 산업분야에 있어서는 재료에 보다 많은 기능을 갖는 것을 요구하는 경향이 강해지고 있고, 다공질재료가 갖는 독특한 특성이 주목되고 있다. 발포재료란 재료내에 무수히 많은 기포들을 균일하게 형성시킨 다공질재료로, 비표면적과 공극률이 큰 3차원의 망상 다공질재료이다. 종래에 주류를 이루고 있던 다공질 소결재료보다 더욱 광범위한 용도를 갖는 발포재료의 개발이 요구된다. 발포재료는 생성된 기포들로 인하여 일반재료에 비해 여러가지의 특성을 나타내게 된다. 공공 100Ao이하의 초 미립자를 소결한 것, 또는 금속섬유를 felt상으로 성형소결해서 다공률을 60-80%까지 확대한 것, 다공률이 98%이상인 해면상의 구조를한 발포금속도 개발되고 있다. 여기서는 폴리우레탄폼 등의 발포수지와 동일한 모양의 기포를 갖는 다공질재료를 발포재료라고 정의한다.
종류 및 특성
각종 다공질금속의 다공률과 공공크기를 그림1에, 발포금속의 골격구조를 그림2에 나타내었다. 발포금속은 종래의 다공질금속에 비해 많은 특이한 기능과 특징을 갖고 있고, 그것은 다음 4가지로 요약할 수 있다.
1) 골격이 해면과 같은 3차원의 망목상이고, 공공은 모두 연결되어 있다. 다공률이 최대 98%를 얻을 수 있다. 극히 경량이고 공공에 다른 물질을 대량으로 충진이 가능한 기능을 갖고 있다.
2) 높은 비표면적을 갖고 있다. 가스, 유체 등이 발포금속을 통과할 때, 금속골격과 필히 접촉하고 화학반응을 시키는 것에 적당하다.
3) 통기저항이 작아 압력손실이 미소하다. 높은 비표면적과 함께, 다른 다공질 금속에서는 얻을 수 없는 여과반응을 시키는 것이 가능하다.
4) 두꺼운 판상의 제품이다. 제품으로서 필요한 크기로 자유로이 절단, 프레스 가공등이 가능하고, 두께의 조절에 의해 다공률을 임의로 조정할 수 있다.
표2. 발포재료의 종류
구 분 | 종 류 | 특 성 |
유기계 | 폴리스티렌 거품, 폴리에틸렌 거품, 폴리우레탄 거품, 염화비닐 거품, 요소거품, 페놀거품, 고무거품 | 초경량성 방음기능 단열성 완충효과 전자파 SHIELD특성 |
무기계 | 펄라이트, 버미큘라이트, 발포유리, ALC, 제올라이트, 알루미나, 실리카 겔 | |
금속계 | 발포알루미늄, 발포철, 발포스테인레 스, 발포아연, 발포니켈-크롬합금, 발포동합금, 은 |
발포알루미늄
최근 알루미늄 발포체의 제조기술이 개발되어 금속발포재료로 주목되고 있다. 경량성, 단열성, 불연성 등의 특징이 있으며 기포의 조건에 따라서는 음향성능 면에서의 용도도 고려되고 있으며 성능, 용도개발 어느면에서도 앞으로의 발전이 기대되는 바 크다. 독립기포의 박막Cell구조를 갖는 초경량의 발포알루미늄이다. 과거에는 기술적 경제적인 어려움으로 실용화 되지 못했으나, 최근에 개발된 발포기술로 일본에서 실용화되어 초경량에 여러가지의 우수한 특성을 갖는 꿈의 신소재로 주목을 받고 있다. 발포알루미늄은 박막에 의해 형성된 독립기포의 집합체로써 각 기포가 입체적으로 가장 안정한 다면체를 형성하고 있어서 다음과 같은 우수한 특성이 있다.(그림3, 12)
1. 초경량성
비중이 0.2 - 0.3g/cm3으로 원료인 알루미늄의 1/10, 티타늄의 1/20, 철의 1/30,목재와 플라스틱의 1/4이다.
2. 용이한 가공성
톱으로의 절단, 못으로의 천공, 굽힘가공 및 금속접착재로의 접착 등이 가능하다.
3. 내화성
약 350oC에서 연화하지만, 외력이 가해지지 않는 상태에서는 500oC까지 그 형상을 유지할 수 있다. 또한 플라스틱과 같이 연소에 의해 유해가스가 발생하지 않는다.
발포유리(foamed glass)
고운 유리가루에 기체발생제를 첨가하여 특수 금형에 넣고, 1020-1173K 정도로 가열하여 내 부에서 기체 또는 증기를 일정하게 발생시켜 분포시킨 다음, 다공질의 해면모양으로 팽창 고화시킨 것이다. 발포제로는 돌로마이트, 탄산칼슘, 카보런덤, 규소철 등이 사용된다. 좋은 조건에서 제조된 것은 미세한 기포가 벽에서 완전히 격리되어 닫히게 되므로 기체나 증기를 통과시키지 않는다. 밀도 160-180kg/m3에서 열전도도 0.047-0.059Wm/ok, 압축강도 0.98-1.47MPa, 기공률 92% 정도이다. 불연성이고, 경량연질로 가공이 쉽기 때문에 보냉재료, 건축용 단열재, 옥외 땅속의 각종단열재로 사용되고 있다. 33-693ok의 대단히 넓은 범위에서 이용할 수 있는 것이 특징이다.
퍼얼라이트
흑요석, 송지암, 진주석 등 천연유리질의 암석을 분쇄하여 1173-1473ok로 급가열하면 수분이 기화되고 연화된 유리를 팽창시켜 속이빈 공모양이 얻어지는데 이것이 퍼얼라이트이다. 이 속빈구술에 물유리 등을 첨가하여 가압성형한 후, 이산화탄소로 경화시킨 퍼얼라이트 보드나 발수제를 첨가한 발수성 보온판 등이 있다. 퍼얼라이트 보온재의 열전도도는 충진밀도에따라 대폭적으로 변화된다.
제조방법
발포금속
일반적으로 알려지고 있는 발포금속의 제조방법으로는 표4에 나타낸 바와 같이, 전기도금 법, 주조법, 분체소결법이 있다.
1) 주조법
a) lost foam법
미국의 ERG사와 일본의 日立製作所로 부터 제법특허가 나오고 있다. 이 방법은 일반장식품 등에 이용되는 정밀주조기술을 응용한 것으로 3차원의 망상수지를 모형으로 해서 수지의 공 공내를 주형재료로 충진하고 그후, 주형을 가열하여 수지를 소각 하든지, 용제에 의해 수 지를 용해해서 소거시킨다. 따라서 주형에는 3차원의 망상의 구조와 동일한 공공이 가능하 다. 이 주형의 공공내를 감압시켜서 금속의 용탕을 유입시킨다. 그후 냉각해서 주형을 제 거하는 방식이다. 충진주형재료는 석고와 정주용 슬러리로 식염등을 첨가하면 주형을 물로 제거하는데 용이하다.
b)발포제에 의한 방법
재생 알미늄의 용금을 철재 몰드에 주입하고, 응고 직전에 TiH2의 첨가에 의해 화학적으로 발포를 시킨다. 화학조성은 표5과 같고, 칼륨은 필요한 점도를 얻기 위하여 인위적으로 첨 가한다.
사용재료
1) 점도계
2) graphite crucible
3) lib
4) TiH2 powder or ZrH2 powder, Ca
5) Themometer, furnace, agitater
6) 알루미늄 foil(0.02-0.15mm), 스텐레스강 망사(10-60 mesh)
7) mould
발포금속의 제조방법
1) 알루미늄의 용해(melt의 temperature는 720℃)
2) thickening agent로 Ca의 첨가(0.2-8wt%) ---1.6%, 후 stirring
3) foaming agent로 분말상의 TiH2의 첨가(1-3wt%) ---720℃에서 1.6% --- stirring --- mould도 M.P.이상으로 가열된다.
4) to control the pressure inside the mould(lid with appropriate weight which has an air release hole for releasing the gas generated in the mould)
5) M.P.이하까지 서냉을 요함
The Chemical Composition of Titanium Hydride Powder
type | particle size | TiH2 | Cl | Mg | Fe | Mn | Si | N | C | H | O |
TSH450 | -45μm(-325mesh) | 99.5 | 0.1 | 0.03 | 0.05 | 0.01 | 0.02 | 0.03 | 0.02 | 3.5 | 0.40 |
* 東方Titanium Co.
The Chemical Composition of Aluminium Foam
Fe | Ca | Ti | Si | Cu | Ni | Mn | Al |
0.75 | 0.78 | 0.4 | 0.06 | <0.01 | < 0.01 | < 0.01 | bal. |
Titanium Hydrided powder 제조
titanium의 chip 이나 return 또는 bulk를 수소분위기의 retrot에 넣고 450℃에서 수소화되고, 700-750℃에서는 분해가되어 수소gas가 발생한다. 한편 V. G. Teplenko 등의 연구에 의하면 수소화는 수소화온도에서의 유지시간에 따라 수소화가 진행되는 것이 아니라, 냉각시에 60-80%의 수소화합물이 형성되기 때문에 1-2시간 유지후 7-10시간동안 서냉시키는 것이 필요하다고 밝혔다.
2) 분체소결법
금속분을 슬러리상으로 조정하고, 폴리우레탄폼의 발포수지에 도포하고 그 골격대로 금속 을 소결시켜서 발포금속을 얻는 방법이다. 한편 금속분을 세라믹분으로 대체하여도 동일한 방법으로 가능하다. 이 제조방법은 공경이 1mm이상의 것에는 적용이 가능하지만 공경이 작 은 것은 분체가 막혀서 제조가 어렵다.
3) 전기도금법
수지폼 골격에 도전처리를 하고, 전기도금에 의해 금속을 피복한 후, 수지골격을 소거 또 는 용제에 의해서 제거함으로써 얻어진다. 일반적으로 수지폼 등의 비도전성 물질에 금속을 피복하는 방법은 무전해도금 또는 진공증착 등의 방법이 사용되고 있다. 그러나 이 방법은 수 μ의 도금두께를 얻는데는 적당하지만 발포금속은 금속피복 후, 수지를 소거하여 만들어 지기 때문에 수 10μ이상의 금속피복이 필요하고 위의 방법으로는 적당하지 않다. 따라서 무전해도금 또는 카본피복에 의해서 도전성을 부여한 후, 비도전성 다공질체에 전기도금을 실시하는 프로세스가 사용되고 있다.
발포유리
1) 발포제에 의한 방법
용융된 유리에 발포제를 첨가하여 지름이 0.5-2mm정도의 무수한 기포를 발생시킴으로써 스폰지와 같이 팽창되게한 것인데 gum-sponge와 같이 연하지는 않다. 비중은 0.18-0.2이고 굽힘강도는 5kg/cm2 이지만 λ는 0.04이고 내구성, 내화성이 있다. 90%이상의 균질한 독립기 포에 의한 기공률을 갖고 냉동, LNG tank 등의 고단열용도에 이용되고 있다. 미국의PCG사 제품이 대표적인 것이다. 유리의 발포제에는 당초 탄산칼륨을 사용했지만, 연속기포 때문에 독 립기포를 얻는 탄소계 빌포제를 사용하는 분말소성법을 PCC사가 개발하여 사용하고 있다. 또 한 판유리의 분말과 돌로마이트(CaCO3. MgCO3)를 발포제로 사용하는 제법이 있다.
2) 산용액 용출법
SiO2, B2O3, Na2O 등을 혼합하여 13000c에서 용융시킨 다음, 원하는 형태(판,구슬)로 형 성시켜 열처리를 실시하여 상분리를 유발시킨다. 분리된 상을 유리성분만 존재하도록 산용액 에 용출시켜 제거하면 다공질의 유리를 얻을 수 있다. 이러한 방법은 여러가지가 개발되었으 며 각각을 그림14, 15, 16에 나타내었다.(표6, 7, 8)
퍼얼라이트
흑요석, 송지암, 진주석 등 천연유리질의 암석을 분쇄하여 1173-1473ok로 급가열하면 수분 이 기화되고 연화된 유리를 팽창시켜 속이빈 공모양이 얻어지는데 이것이 퍼얼라이트이다.