KR101267354B1

KR101267354B1 - 천연광물질을 이용한 경량 토기와용 조성물 및 그를 이용하여 토기와를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR101267354B1
Application number: KR1020120012830A
Authority: KR
Inventors: 김순호; 전병세; 김수환
Original assignee: 경남대학교 산학협력단
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-05-27

Abstract

본 발명은 단열 및 방수 기능을 증대시키고 무게를 경량화 한 토기와용 조성물 및 이를 이용한 기와의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 경량 토기와 조성물은, 조성물 총 100 중량부 기준으로, 다음 성분을 포함한다:
- 점토 45∼55 중량부,
- 규석 15∼20 중량부,
- 고령토 10∼15 중량부,
- 규조토 10∼15 중량부,
- 나노 카본블랙 1∼5 중량부, 및
- 철분 1∼3중량부.

Description

천연광물질을 이용한 경량 토기와용 조성물 및 그를 이용하여 토기와를 제조하는 방법 {Natural Mineral Composition For Light-weight Roofing Tiles And Method For Manufacturing The Roofing Tiles Using The Composition}

본 발명은 단열 및 방수 기능을 증대시키고 무게를 경량화 한 토기와용 조성물 및 이를 이용한 기와의 제조 방법에 관한 것이다.

우리 나라의 전통 가옥인 한옥의 지붕 구조는 점토기와로 마감되어 있고, 한옥이 목조 구조로 되어 있다. 이러한 한옥은 건축물의 특성상 기와의 자중에 의한 수직 하중을 많이 받게 되고 그로 인하여 주택의 붕괴 및 안전상의 문제를 가진다.

최근의 신 한옥 및 전통 가옥의 보수 및 단지 조성 등으로 가벼운 기와의 필요성이 증대되고 있다. 기와의 무게를 경량화 하여 건축물의 안전성을 도모하고, 더 나아가 기와의 단열 및 방수 기능을 증대시킨 기와의 필요성이 증대되고 있다.

한국특허 제 10-0547021 호에서는, 기와용 점토를 채굴 또는 구입하여 점토 반죽을 성형하고 이를 건조시켜 가스 가마에서 1,090∼1,150℃에서 1시간 유지한 후 950∼980 ℃에서 5∼10분간 미연소 성분을 가스를 분사시켜 탄소성분을 토기와에 흡착시키는 방법에 대해서 기재하고 있다. 이 특허의 기술은 토기와용 점토 선정에서 표준이 없고 단순하게 철분 성분이 있는 점토가 환원 소성됨으로써 흑색으로 변하는 원리를 이용하는 제조공정이다. 따라서 중량을 경량화할 수 없고 품질의 균질성을 유지할 수 없다.

또한 한국특허 제 10-0441988 호에서는, 기와 제조시 마찰 및 수납이 용이하도록 돌출 부위를 요철홈으로 하는 평판 토기와에 대해서 기재하고 있다. 이 특허에서는 토기와용 점토를 선정할 때 표준이 없고 단순하게 철분성분이 있는 점토를 사용함으로 환원 소성 단계에서 흑색으로 변하게 하는 기능을 갖고 있다. 따라서 이 특허에서는 토기와의 중량 및 품질의 균질성을 유지할 수 없다.

또한 한국특허 제 10-0482949 호에서는, 점토, 황토, 모래를 이용하여 황토 가옥의 황토벽 및 기와를 이용한 황토벽을 제조하는 일반적인 방법을 기술하고 있는데, 이러한 방법으로 제조된 기와는 단열성과 경량화 방수 성능을 동시에 개선하지 못하고 있다.

또한 종래의 기와 제조방법은 공장 주변의 점토를 채굴 또는 구입하여 사용하기 때문에 원재료의 분석 및 입도, 성분 조성 등이 산지에 따라 각기 다르므로, 기와의 제조 공정에서 균열, 블로팅(반점이 튀어나오거나 부분적으로 균열이 가는 결점 현상), 변색, 탈색, 치수변화 등의 문제를 일으키고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기와의 무게를 경량화 하여 건축물의 안전성을 도모하고, 더 나아가 기와의 단열 및 방수 기능을 중대시킨 기와를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 원재료의 성분, 입도 및 성분 함량을 조절하여 품질의 균일성을 확보하고, 기와의 제조 공정에서 균열, 블로팅, 변색, 탈색, 치수 변화 등의 문제를 해결하기 위한 기와의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명자들은 상기 문제점들을 인식하고 연구를 거듭한 결과, 특정 성분과 특정 조성비를 사용하고, 나노입자의 카본블랙을 첨가하여 기와를 제조하면 상기의 문제점들을 해결할 수 있다는 사실을 알아내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명에 사용된 원재료의 조성물은, 조성물 총 100 중량부 기준으로, 다음 성분을 포함한다:

- 점토 45∼55 중량부,

- 규석 15∼20 중량부,

- 고령토 15∼20 중량부,

- 규조토 10∼15 중량부,

- 나노 카본블랙 1∼5 중량부, 및

- 철분 1∼3중량부.

본 발명은 또한 다음 단계를 포함하는 토기와의 제조방법을 제공한다:

- 상기 소지 조성물을 1차 석별기 및 2차 석별기에 통과시키는 단계,

- 상기에서 얻어진 조성물을 상온 25 ℃에서 24시간 이상 보온 보습하는 숙성 단계,

- 상기 숙성된 조성물을 3차 진공토련하여 성형하는 단계,

- 상기에서 얻어진 성형물을 110℃에서 24시간 동안 건조한 후, 1,150℃∼1,200℃에서 1시간 동안 소성한 후 실온까지 냉각하는 단계.

본 발명에 따르면, 기와의 무게를 경량화 하여 건축물의 안전성을 도모하고, 더 나아가 기와의 단열 및 방수 기능을 중대시킬 수 있으며, 원재료의 성분, 입도 및 성분 함량을 조절하여 품질의 균일성을 확보하고, 기와의 제조 공정에서 균열, 블로팅, 변색, 탈색, 치수 변화 등의 문제를 해결할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 점토는 경남산청 오부지역에서 채굴되는 점토로서 철분 함량이 많은 소지 중 하나로 백자토나 청자토에 비해 흙 입자가 조금 거칠은 편이며, 산화 소성에서는 많은 효과를 보지 못하지만 환원 소성시 동영토보다 다소 핑크색 반점(모미지)이 생기도 한다. 주로 다른 소지와 섞어서 사용하면 다완이나 다기류 제작용으로 많이 쓰고 있으며 점토자체의 질감을 이용한 화분이나 화병 제작용으로 사용하기도 한다. 이 점토의 소성온도는 ,1200∼1,250 ℃이다.

본 발명에서 사용하는 오부점토의 성분 및 조성비는 다음과 같다: SiO₂: 45∼55%, Fe₂O₃: 5∼6%, Al₂O₃: 25∼35%, MgONa₂O: 8%, CaCO₃: 6%.

본 발명에서 사용되는 오부점토는 점토광물(粘土鑛物, clay mineral) 층상구조(層狀構造：판상구조)와 매우 작은 입자 크기(0.002㎜)를 가진 수화된 알루미늄 규산염 광물군의 일종으로 상당량의 철이나 알칼리 금속, 및 알칼리 토금속을 함유하기도 한다. 점토광물들은 서로 매우 비슷하여 많은 종류들이 X선 회절분석, 전자현미경 또는 시차열분석(示差熱分析)에 의해서만 구별된다.

본 발명에서 사용되는 점토는, 조성물 총 100 중량부를 기준으로, 45∼55 중량부의 양으로 사용된다. 점토의 양이 45 중량부 미만이면, 가소성이 낮아져 작업성이 나빠지는 문제점이 발생하고, 55 중량부를 초과하면 수축율이 증가하여 제품의 변형이 생기는 문제점이 발생한다.

본 발명에서 사용되는 고령토는 카올린, 고릉토 또는 백도토(白陶土, china clay)라고도 한다. 그 주성분은 카올리나이트 (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O)와 할로이사이트 Al₂O₃·SiO₂·4H₂O)이다. 이러한 고령토는 바위 속에 있는 장석·정장석·소다 장석·회장석 같은 장석류가 탄산 또는 물에 의해 화학적으로 분해되는 풍화에 의해 생성된다. 보통 원성토(原成土)로 된 바위 위에 수 미터의 두꺼운 층이 생겨 발달한다. 도자기의 원료로 사용되며 중국의 가오링[高陵]에서 많이 산출되었으므로 고령토라 불리게 되었다. 양질의 고령토는 철분이 포함되지 않기 때문에 연하고 밝은 색을 띄게되며 얇은 그릇을 만들기에 적당하다. 한국에서는 흔히 백토(白土)라고 하는데, 경남 하동(河東),산청(山淸)지방에 질이 좋은 백토가 많이 생산된다.

본 발명에서 사용되는 고령토의 성분 및 조성비는 SiO₂: 45∼55%, Fe₂O₃: 1∼5%, Al₂O₃: 25∼35%, MgONa₂O: 2%, CaCO₃: 약1%이며, 광물 구성요소로는 석영 60∼70%, 장석과 운모 10∼20%, 탄산염광물 5∼35%, 2∼5%의 실트는 각섬석, 인회석, 흑운모, 석류석, 휘석, 규선석, 전기석, 지르콘 등과 같은 중광물들로서 구성된다.

고령토는 요업원료, 제지, 페인트, 플라스틱, 고무공업 등에서 충전재, 토목, 건축재료, 화학공업에서의 촉매제, 농업분야에서의 비료첨가제, 토양중화제 등 다양하고, 최근에는 나노산업 등과 같은 첨단 분야에서도 광범위하게 이용이 확대되는 등 고기능성 소재로서의 중요성이 강조되고 있다.

본 발명에서 사용되는 고령토는, 조성물 총 100 중량부를 기준으로, 15∼20 중량부의 양으로 사용된다. 고령토의 양이 15 중량부 미만이면, 수축율이 증가하여 마찬가지로 제품이 변형되는 문제점이 발생하고, 20 중량부를 초과하면 가소성이 낮아져 작업성이 나빠지는 문제점이 발생한다.

본 발명에서 사용되는 규석의 분자식은 SiO로서 주로 석영으로 된 광석이다. 순도가 높고 흰색의 것을 백규석이라 하며 페그마타이트·석영맥(石英服)·규함·처트(chert)에서 산출된다. 규산분은 95∼97% 이상이다. 특히 페그마타이트에 포함된 것은 장석과 함께 채굴되기 때문에 장규석(長硅石)이라 한다. 내장석(內張石)은 규석의 작은 조각으로서 지름 5∼15cm이며 도자기 원료 분쇄용 볼밀(ball mill)의 내장용으로 사용된다. 유리 및 사기 그릇의 주요 원료로 사용하며 규석벽돌은 노(爐) 등의 내화재로 사용된다.

본 발명에서 사용되는 규석은 주로 석영으로 이뤄진 광물이다. 순도가 높은 흰색을 백규석이라 하고, 그 중 페그마타이트에 포함된 것을 장(長)규석이라고 한다. 연(軟)규석은 다소 점토가 섞여 있고, 노재(爐材) 규석은 철분을 함유하여 적색을 띄며, 내(內)장석은 작은 규석 조각이며, 규산분이 95∼97% 이상이다.

이러한 규석은 주로 유리, 도자기, 규소, 페로실리콘의 원료로 사용된다다. 연규석(軟硅石)은 석영질 암석이 풍화하여 토상(土狀)을 이룬 것으로 다소 점토가 섞여 있다. 내화(耐火) 모르타르나 시멘트의 혼합재로 사용되며 규산분이 90% 정도이다. 노재(爐材) 규석은 처트의 일종으로, 철분을 함유하므로 적색을 띠는 각력(角礫)이 있으며 내화벽돌의 주원료이다. 내장석(內張石)은 규석의 작은 조각으로, 지름 5∼15cm이며, 도자기 원료 분쇄용 볼밀(ball mill)의 내장용에 사용된다.

본 발명에서 사용되는 규석은, 조성물 총 100 중량부를 기준으로, 15∼20 중량부의 양으로 사용된다. 규석의 양이 15 중량부 미만이면, 소성시에 수축율이 높아져 제품이 변형되는 문제점이 발생하고, 20 중량부를 초과하면 점성이 떨어져 작업성이 나빠지는 문제점이 발생한다.

본 발명에서 사용되는 규조토는, 조성물 총 100 중량부를 기준으로, 10∼15 중량부의 양으로 사용된다.

본 발명에서 사용되는 철분은 Fe₂O₃로서 원료중 포함 성분을 분석하여 부족분을 순도 99%이상으로 한 Fe₂O₃를 사용한다. 본 발명에서 사용하는 철분은 점토나 고령토에 함유되어 있지만, 적정 성분량을 유지하기 위해 별도로 첨가한다.

본 발명에서 사용되는 철분은, 조성물 총 100 중량부를 기준으로, 1∼3 중량부의 양으로 사용된다. 철분의 양이 1 중량부 미만이면, 표면의 결정화 유리화가 되지 않아 균열 및 변색이 발생하는 문제점이 발생하고, 3 중량부를 초과하면 융점이 낮아져 변형이 생기고 색상이 진한갈색 또는 검정색으로 되는 문제점이 발생한다.

본 발명에서 사용되는 나노 카본블랙은 원료와 함께 성형 소성될 때 카본 성분은 고온에서 탄화되어 없어지고 빈 공간을 형성하게 되고, 또한 통상 1,000∼1,500m²/g 정도의 높은 비표면적을 갖기 때문에, 단열성 및 방수성을 증진시킬 수 있음은 물론 이 조성물로 만드는 제품을 경량화 할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 나노 카본블랙은, 조성물의 총 중량 기준으로, 1∼5 중량부의 양으로 사용된다. 상기 범위를 벗어나서 사용하면 충분한 공극을 형성할 수 없다.

경량 토기와 소지 조성물의 성분 및 조성비는 다음 표1에 나타낸 바와 같다.

경량 토기와 소지 조성물의 성분 및 조성비

구성광물의 조성	범위(%)
점토	45∼55
고령토	10∼15
규조토	10∼15
규석	15∼20
나노 카본블랙	1∼5

본 발명에서 사용하기 위한 천연 광물질의 화학성분과 조성은 다음 표2에서 나타낸 바와 같다.

내열소지 천연광물질의 화학성분 분석결과

화학 성분 (wt%)	구 분	SiO₂	Al₂O₃	Na₂O	K₂O	CaO	MgO	Fe₂O₃	TiO₂	Ig. loss
	오부점토	49.9	30.5	1.72	0.73	5.07	0.66	2.08	0.22	9.09
	규석	93.0	5.2	0.1	0.2	0.2	0.4	0.9	-	-
	고령토	45.0	32.5	0.08	0.66	0.89	1.43	4.75	0.50	14.2
	규조토	78.16	12.75	0.34	1.96	1.79	0.20	2.73	-	-
	구분	C(탄소)
	나노카본블랙	99.99

본 발명에 따라서, 기와를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 상술한 바와 같은 소지 조성물을 1차 석별기 및 2차 석별기에 통과시키게 되는데, 이 과정에서는 큰 돌이나 점토 덩어리를 분리해내고 작은 돌이나 흙덩어리는 깨어서 원료속으로 재순환시킨다.

상기에서와 같이 석별기를 통해 분류된 소지 조성물을 상온 25 ℃에서 24시간 이상 보온 보습하여 숙성하는 단계를 거친다. 이와 같이 숙성된 소지 조성물을 3차로 진공토련하여 기와를 성형하게 된다. 그 다음 상기에서 얻어진 성형된 기와를 110℃에서 24시간 동안 건조한 후, 1,150℃∼1,200℃에서 1시간 동안 소성하면, 가마 속 탄소가 산화철(Fe₂O₃)속의 산소를 빼앗아 산화 제일철(FeO:흑색) 또는 사산화 삼철(Fe₃O₄:흑색)로 되어 흑색 기와로 된다.

실시예를 통하여 본 발명에 따른 경량 토기와의 제조 방법에 대해서 상세히 설명한다.

실시예

상술한 바와 같이 1차 및 2차 석별기를 통해 분류된 천연 광물을 사용하였으며, 이와 같이 분류된 점토 500 g, 규석 150 g, 고령토 200 g, 규조토 100 g, 나노 카본블랙 3g, 및 철분(Fe₂O₃) 20 g을 3차 혼련기에서 혼합하여 상온 25 ℃에서 24시간 이상 유지함으로써 보온 보습하여 숙성한 후, 상기 숙성된 혼합물을 진공토련기를 이용하여 토련하여 기와를 성형하고, 상기에서 성형된 기와를 110℃에서 24시간 동안 건조한 후, 1,150℃∼1,200℃에서 1시간 동안 소성한 후 실온으로 냉각하여 본 발명에 따른 기와를 제조하였다.

실험예

1. 열전도(단열성시험)

상기 실시예에서 제조한 토기와 시편의 열전도도를 KSL 3306에 따라 측정하였다. 본 발명에 따른 기와의 열전도도가 약 0.98 w/m℃정도로 낮은 것은 점토의 축열 성능이 있지만, 특히 나노카본블랙의 기공 구조에 따른 열전도도의 저감에 기인한 것으로 사료된다. 일반 기와의 열전도도는 약 0.98 w/m℃정도 나타내고 있는데 비하여, 본 발명에 따른 기와의 열전도도는 0.61w/m℃ 미만으로서 기존의 기와보다 약 30%의 우수한 단열 성능을 나타내고 있다.

2, 부피비중(중량비교 )

상기 실시예에서 제조된 토기와의 시편을 110 ℃의 건조기에서 항량이 될 때까지 3시간 동안 건조한 후, KS L 3148에 규정한 방법에 따라 중량 변화율을 측정하였다. 건조 무게를 기준으로 한 백분율로 계산하였다. 동일한 부피의 종래 기와와 본 발명에 따라 제조된 동일한 부피의 토기와에 대한 무게를 측정한 결과, 본 발명에 따른 기와가 종래의 것보다 15% 더 감소하였다.

Claims

조성물 총 100 중량부 기준으로, 다음 성분을 포함하는 기와 제조용 조성물:
- 점토 45∼55 중량부,
- 규석 15∼20 중량부,
- 고령토 10∼15 중량부,
- 규조토 10∼15 중량부,
- 나노 카본블랙 1∼5 중량부, 및
- 철분 1∼3중량부.
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