KR101909079B1 - 석분을 포함하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물 및 이를 이용해 제조된 다공성 세라믹 패널 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, i) 점토 30 ~ 60 중량부; ii) 석분 35 ~ 45 중량부; 및 iii) 기공형성제 5 ~ 20 중량부;를 포함하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물에 대한 것이다.

Description

석분을 포함하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물 및 이를 이용해 제조된 다공성 세라믹 패널{Composition including stone dust used for manufacturing porous ceramic panel and porous ceramic panel manufactured using the same}
본 발명은 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물 및 이를 이용해 제조된 다공성 세라믹 패널에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 석분을 포함하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물 및 이를 이용해 제조된 다공성 세라믹 패널에 대한 것이다.
최근 석·골재 산업의 발전은 급진적으로 향상되고 있으나 분진 및 석분의 발생으로 인해 환경오염의 주범으로 전락되고 있는 실정이다.
석산 및 가공업체에서 원석을 채석하거나 가공하는 과정에서 석재의 약 30~60% 정도가 폐기물로 발생되며, 연간 폐석이 62,500M/T, 석분이 21,250M/T 발생된다.
폐석은 특별한 처리과정 없이 골재로 재활용 사용되고 있으나, 석분은 뚜렷한 처리방안이 마련되고 있지 않다. 석분의 폐기물 처리방법은 폐기물 수거 및 처리업체를 이용하거나 대단위 단지조성 공사 시 성토재로 재활용 되는데, 이를 처리하기 위한 비용은 석재가공업체로서는 큰 부담이 되고 있는 실정이다.
현재까지 처리방안으로 강구된 것으로는 농토 객토제, 벽돌, 개량 콘크리트 등의 분야에서 사용될 수 있다고 여러 연구실적에서 보고되고 있으나, 실용화 내지 현장에서의 적용은 미흡하다.
그동안 추진해왔던 일반적인 재활용 방법과 달리 환경문제 해결 및 자원 재활용 이라는 사회적 요구를 충족할 수 있는 석분 재활용 기술로서 산업에서 사용되고 있는 세라믹 패널 등의 원료로 사용되고 있는 소지를 제조하여 재활용함으로써 향후 지속적이면서도 경제성이 높은 개발이 시급히 요구되는 바이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 폐석분에 의한 환경문제 해결 및 자원 재활용을 동시에 충족시킬 수 있도록, 석분을 함유해 다공성 세라믹 패널의 제조에 사용될 수 있는 소지 조성물 및 이를 이용한 다공성 세라믹 패널을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, i) 점토 30 ~ 60 중량부; ii) 석분 35 ~ 45 중량부; 및 iii) 기공형성제 5 ~ 20 중량부;를 포함하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 제안한다.
또한, 상기 점토는 SiO2 55 ~ 65중량%; Al2O3 15 ~ 25중량%; Na2O 1 ~ 5중량%; K2O 0.1 ~ 1중량%; CaO 0.1 ~ 1중량%; MgO 0.1 ~ 1중량%; Fe2O3 1 ~ 3중량%; 및 TiO2 0.1 ~ 0.5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 제안한다.
또한, 상기 석분은, 화강 섬록암과 동일한 광물 조성을 가지며 SiO2 65 ~ 75중량%; Al2O3 10 ~ 20중량%; Na2O 1 ~ 5중량%; K2O 1 ~ 5중량%; CaO 1 ~ 3중량%; MgO 0.1 ~ 1중량%; Fe2O3 1 ~ 3중량%; 및 TiO2 0.1 ~ 1중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 제안한다.
또한, 상기 기공형성제는 규조토, poly-acrylonitrile, PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 유리질 중공체(glass hollow microsphere), 중공형 fly-ash, HAp(hydroxyapatite) 중공체, 카본 블랙, 전분(starch) 및 폴리스틸렌로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 제안한다.
또한, 글래스 프릿(glass frit)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 제안한다.
또한, 항균성 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 제안한다.
그리고, 발명의 다른 측면에서 (a) i) 점토 30 ~ 60 중량부; ii) 석분 35 ~ 45 중량부; 및 iii) 기공형성제 5 ~ 20 중량부;를 포함하는 다공성 세라믹 패널 제조용 슬러리를 수득하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 다공성 세라믹 패널 제조용 슬러리를 이용해 성형압 30~200kg/㎠로 성형체를 형성하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 성형체를 건조시키는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 건조된 성형체를 소성하는 단계를 포함하는 다공성 세라믹 패널의 제조방법을 제안한다.
그리고, 발명의 또 다른 측면에서 상기 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 이용해 제조된 다공성 세라믹 패널을 제안한다.
본 발명에 따른 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물은, 폐기물로 분류되어 많은 처리비용의 문제점을 안고 있던 석분을 다공성 세라믹 패널의 제조를 위해 재활용함으로써, 고갈되는 자원의 활용도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 관련 산업의 활성화에 기여할 수 있으며, 우수한 기계적 특성, 높은 흡수율과 원적외선 방사율, 그리고 다양한 색상을 가지며 내장 타일 등의 용도로 사용될 수 있는 다공성 세라믹 패널 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 각각 소지 조성물 제조를 위한 출발 원료인 거창석분, 원지점토 및 규조토(FA)의 입도분석 결과이다.
도 2(a) 내지 도 2(c)는 각각 소지 조성물 제조를 위한 출발 원료인 거창석분, 원지점토 및 규조토(FA)에 대한 XRD 분석 결과이다.
도 3은 출발원료의 온도별 소성시편을 나타낸 사진이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 원광의 소성 온도별 소성수축율 그래프 및 소성 온도별 흡수율 그래프이다.
도 5 출발원료의 온도별 소성시편을 나타낸 사진이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 출발원료의 소성 온도별 소성수축율 그래프 소성 온도별 흡수율 그래프이다.
도 7은 각 소지 조성물을 이용해 얻어진 소성온도별 소성시편을 보여주는 사진이다.
도 8(a) 및 도 8(c)는 각각 소지 조성물을 이용해 제조된 소성시편의 소성 온도별 소성수축율, 소성 온도별 흡수율 및 꺾임강도 측정 그래프이다.
도 9는 본원 실시예에서 사용된 소성온도별 다공성 세라믹 패널 제조 공정 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본원 실시예에서 다공성 세라믹 패널 제조시 이루어지는 소성 공정의 프로파일을 보여주는 곡선이다.
도 11은 본원 실시예에서 제조된 소성온도별 다공성 세라믹 패널을 보여주는 사진이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물은, i) 점토 30 ~ 60 중량부; ii) 석분 35 ~ 45 중량부; 및 iii) 기공형성제 5 ~ 20 중량부를 포함해 이루어진다.
상기 점토는 SiO2 55 ~ 65중량%; Al2O3 15 ~ 25중량%; Na2O 1 ~ 5중량%; K2O 0.1 ~ 1중량%; CaO 0.1 ~ 1중량%; MgO 0.1 ~ 1중량%; Fe2O3 1 ~ 3중량%; 및 TiO2 0.1 ~ 0.5중량%를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물은 기지 물질로서 상기 점토 외에도 백토나 황토를 포함해도 무방하며, 이외에도 기존에 다공성 세라믹 패널을 구성하기 위한 기지 물질로 사용된 소재도 포함할 수 있다.
상기 석분은, 화강섬록암과 동일한 광물 조성을 가지며 SiO2 65 ~ 75중량%; Al2O3 10 ~ 20중량%; Na2O 1 ~ 5중량%; K2O 1 ~ 5중량%; CaO 1 ~ 3중량%; MgO 0.1 ~ 1중량%; Fe2O3 1 ~ 3중량%; 및 TiO2 0.1 ~ 1중량%를 포함할 수 있다.
참고로, 경상남도 거창 지역에서 화강석 가공으로 발생되는 석분은 거창 화강석이 가지는 전형적인 화강섬록암의 광물 조성을 가져 회백색 내지 암색을 띠며 주 광물로 석영, 사장석, 알칼리장석 및 흑운모를 포함하며, 화강암 원석을 가공하는 과정에서 발생하는 미분말로서 원광을 분쇄할 필요가 없을 뿐 아니라 유해물질이 전혀 없어 재활용 측면에서 경제적으로 매우 유용한 자원이라고 할 수 있다.
그리고, 상기 기공형성제는 규조토, poly-acrylonitrile, PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 유리질 중공체(glass hollow microsphere), 중공형 fly-ash, HAp(hydroxyapatite) 중공체, 카본 블랙, 전분(starch) 및 폴리스틸렌로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
특히, 규조토는 흡수성이 풍부한 다공성을 가져 기공 형성제 원료로서 바람직하며, 다공성 세라믹 패널의 흡습 기능을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 기공 형성제는 조성물 내에 5 ~ 20 중량부의 함량으로 포함되는 것이 바람직한데, 기공 형성제의 함량이 5 중량부 미만인 경우에는 기대하는 만큼의 기공도 및 경량화를 달성할 수 없으며, 20 중량부를 초과하는 경우에는 과도한 기공 형성으로 인해 소지의 가소성 저하와 소성 후 강도가 저하되는 문제점이 유발된다.
나아가, 본 발명에 따른 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물은 글래스 프릿(glass frit)을 더 포함할 수 있다.
글래스 프릿은 저융점 유리로서 일반적인 세라믹 패널의 소성 온도보다 낮은 약 700℃정도의 온도에서 녹기 시작하여 패널 소성과정에서 입자 간에 이동이 용이하게 하며 접착제, 즉 바인더 역할을 하여 다공성 세라믹 패널의 강도를 높이는 역할을 한다.
다만, 과량의 글래스 프릿이 포함될 경우 다공성 세라믹 패널 표면에서 흡ㅇ방습성을 발휘하는 기공을 막게 되므로 10중량부 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물은 항균활성을 가지는 항균성 물질을 더 포함할 수 있다.
항균성 물질을 포함하여 다공성 세라믹 패널을 형성하는 경우, 다공성 세라믹 패널의 제조과정을 통해 변형된 항균 활성 물질을 통해 다공성 세라믹 패널에 항균성을 부여할 수 있다. 다공성 세라믹 패널을 상온에 두고 사용하는데 있어서, 다공성 세라믹 패널이 포함하는 기공을 통해 흡습이 이루어질 수 있고, 이때 다공성 세라믹 패널에 균일하게 분포된 항균성 물질과 수분이 접촉할 수 있다. 수분과의 접촉을 통해 변형된 항균성 물질에 화학 변화가 일어날 수 있고, 이로 인해 다공성 세라믹 패널의 기공 표면에 알칼리성이 부여되어 항균성능을 발휘할 수 있다. 상기 다공성 세라믹 패널의 항균성에 의해 세균 및 곰팡이의 증식을 억제할 수 있고, 실내 공기 중 부유 미생물 발생도 저감시킬 수 있어, 실내의 쾌적한 환경을 유지시킬 수 있다.
이때, 상기 항균성 물질은 탄산칼슘, 탄산칼륨, 탄산바륨, 탄산마그네슘, 탄산나트륨 등과 같은 금속 탄산염일 수 있다.
앞서 설명한 조성물을 이용한 다공성 세라믹 패널 제조는 아래의 제조방법을 통해 이루어질 수 있다.
즉, (a) i) 점토 30 ~ 60 중량부; ii) 석분 35 ~ 45 중량부; 및 iii) 기공형성제 5 ~ 20 중량부;를 포함하는 다공성 세라믹 패널 제조용 슬러리를 수득하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 다공성 세라믹 패널 제조용 슬러리를 이용해 성형체를 형성하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 성형체를 건조시키는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 건조된 성형체를 소성하는 단계를 거쳐 다공성 세라믹 패널이 제조될 수 있다.
상기 단계 (a)에서 슬러리를 수득함에 있어서, 점토, 석분 및 기공형성제를 균일하게 혼합하여 슬러리 형태를 형성할 수 있는 방법이기만 하면 그 구체적인 수행방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, i) 점토 30 ~ 60 중량부; ii) 석분 35 ~ 45 중량부; 및 iii) 기공형성제 5 ~ 20 중량부를 투입한 후 밀링(milling) 공정을 통해 균일하게 혼합하는 과정을 거쳐 슬러리를 수득할 수 있다. 이때, 볼밀(ball mill), 유성밀(planetary mill), 어트리션밀(attrition mill) 등 공지의 밀링 방법을 통해 본 단계를 수행할 수 있다.
상기 단계 (b)는 단계 (a)에서 얻어진 슬러리를 이용해 최종적으로 제조하고자 하는 패널 형상을 가지는 성형체를 제조하는 단계이다.
그리고, 상기 단계 (c)는 상기 단계 (b)에서 제조된 성형체를 당업계에 공지된 방법에 따라 건조시키는 단계이다.
상기 단계 (d)는 상기 단계 (c)에서 건조된 성형체를 소성하는 단계로서 본 단계 (d)에서의 소성은 공기 분위기 하에서 1000 ~ 1200℃의 온도로 10분 ~ 24시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
전술한 본 발명에 따른 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물은, 폐기물로 분류되어 많은 처리비용의 문제점을 안고 있던 석분을 다공성 세라믹 패널의 제조를 위해 재활용함으로써, 고갈되는 자원의 활용도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 관련 산업의 활성화에 기여할 수 있다.
석분은 입도가 아주 미세하여 세라믹 건자재로 활용시 다시 분쇄할 필요가 없으며, 장석대용으로 활용시 물리적 특성 등이 우수해 점토, 기공 형성제 등과 함께 조성물을 이뤄 내장 타일 등의 용도로 사용될 수 있는 다공성 세라믹 패널의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
아래에서 본 발명을 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
본 실시예에서는 다공성 세라믹 패널을 제조하기 위한 조성물 제조를 위한 출발원료인 석분, 점토 및 기공형성제로서 각각 거창석분, 원지점토 및 규조토FA를 이용해 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 제조하고, 이를 이용해 다공성 세라믹 패널을 제조하였다.
1. 출발원료 평가 및 선정
(1) 출발원료
본 실험에서는 거창 석재단지에서 폐기물로 다량 산출되는 석분을 주원료로 사용하였으며, 성형제로 경남지역 산청의 원지점토를, 제품의 기공형성제로는 미국산 규조토FA를 출발원료로 사용하여 다공성 세라믹패널을 제조하고자 하였다.
(2) 원료 처리
조성개발을 위한 원료처리는 출발원료인 석분, 점토, 규조토를 목적 조성에 맞게 칭량하고, 원료: 구석: 물=1:1:1(무게비)로 3L 자제 포트밀에 넣어 3시간동안 균질하게 혼합하여 200Mesh 표준망체에 잔사율 0.5% 이하로 처리하였다. 다음 혼합시료를 건조기 100±5℃에서 3시간 충분히 건조한 후 표준망체 60Mesh체를 통과시켰다. 그리고 8%의 수분을 첨가하여 24시간 숙성(aging)한 후 다시 14Mesh체에 전통시켜 성형을 위한 과립분말로 준비하였다.
(3) 출발원료의 원광특성 평가
본 실시예에서 사용할 출발원료의 화학성분 분석, 입도분석 및 X선-회절분석을 하고 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
표 1의 각 원료의 화학분석 결과에서 보는 바와 같이 주성분은 실리카로서 거창석분은 다른 원료에 비하여 알카리 성분(Na2O+K2O)이 8.10%로 월등히 많았으며, 따라서 융제 역할과 강도 증진 효과가 있을 것으로 기대되며, 원지점토는 함수 규산질 원료로 강열감량(Ig. loss)가 6.98%, Fe2O3가 6.85%로 가소성 및 발색제 원료로 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 규조토는 SiO2가 91.9%로 미세기공을 함유한 기공 형성제 원료로 사용할 수 있다.
[표 1] 출발원료에 대한 화학성분 분석 결과
Figure 112016014465955-pat00001
출발원료의 입도를 분석하였다. 먼저 각 원료의 체분석 결과 325 mesh 통과분은 거창석분이 가장 많이 92.03% 통과 하였으며, 원지점토는 100mesh체에 남은 입자는 7.39%로 모래성분으로 가장 많이 남았으며, 규조토FA는 0.72%로 제일 적게 남았다. 그리고 200mesh통과 325mesh에 남은 200/325mesh는 10.40%로 가장 많았다. 각 원료에 대하여 325mesh체에 통과한 시료는 레이저 입도분석기로 측정하였다. 그 결과 평균입경이 규조토 입자가 16.76㎛로 가장 컸으며, 원지점토가 6.26㎛로 가장 미세하였다.
[표 2] 출발원료의 입도분석 결과
Figure 112016014465955-pat00002
출발원료의 결정상을 확인하기 위하여 X-선 회절분석을 하였다. 거창석분은 주결정상이 α-Quartz, Albite로서 실리카와 장석계통, 부결정상이 Muscovite로 융제역할을 하는 원료로 확인되었으며, 원지점토는 Montmorillonite가 주결정상인 2차 퇴적점토이고, Muscovite, Kaolinite이 부수결정상으로 확인되었다. 규조토(FA)는 α-Cristobalite의 주 결정상만 확인되었다.
[표 3] X-선 회절분석(XRD) 결과
Figure 112016014465955-pat00003
(4) 출발원료의 소성특성 평가
1) 출발원료의 고온소성(자기질-바닥패널용) 특성 평가
건조한 거창석분 및 원지점토의 성형시편을 제작하여 제1차 소성시험으로 각각 1140℃, 1170℃, 1200℃까지 30℃ 간격으로 고온 소성하여 소결상태 및 물리적 특성을 평가하였으며, 이 분석결과로 제2차 소성시험으로 다공성 세라믹 플레이트의 소성조건에 맞추기 위하여 건조한 거창석분, 원지점토 및 규조토FA 성형시편을 소성온도 1000℃, 1050℃, 1100℃로 소성하였다, 이때 시험편의 수분을 충분히 방출하기 위하여 100℃까지는 승온속도 2℃/min.으로 하였으며, 100℃에서 최고온도 소성온도까지는 5℃/min.의 승온속도로 소성하였고, 이후 최고 소성온도에서는 1시간 유지 후 상온까지 로 냉각시켰다.
이에 의하여 소성한 출발원료의 온도별 소성시편은 도 3에 도시한 바와 같다. 또한, 각 출발원료의 온도별 물성 시험결과 즉, 소성수축율, 소성흡수율을 측정하고 표 4, 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타내었다.
표 4에서와 같이 소성수축율은 석분이 1140℃에서 15.89%로 가장 많이 수축이 일어났으며, 온도가 증가함에 수축이 커져야 하나 오히려 감소하는 것은 석분 내에 포함된 미량의 카본의 영향으로 사료된다. 점토는 7.88%로 석분의 절반정도의 수축이 일어났으며, 온도의 증가에 따라 소성 수축이 컸다. 각 온도별 소성후 시편의 흡수율은 석분이 1%이하로 자기질이며, 점토는 1140℃에서 4.88%, 1200℃에서 1%이하로 떨어졌다. 따라서 고온소성에서 석분은 융제 역할을, 점토는 성형 바인더 역할을 하는 것을 알 수 있다.
[표 4] 출발원료의 소성 수축율 및 흡수율 결과
Figure 112016014465955-pat00004
2) 출발원료의 저온소성(도기질-내장패널용) 특성 평가
출발원료에 대하여 저온소성(도기질-내장패널용) 특성을 확인하기 1000℃, 1050℃ 및 1100℃에서 각각 소성하고, 그 소성시편을 도 5에 나타내었다. 또한 저온소성에 대한 온도별 소성수축율 및 흡수율 결과를 표 5에 나타내고, 그 그래프를 도 6(a) 및 도 6(b)에 나타내었다. 표와 그래프에서 보는 바와 같이 거창석분 및 원지점토는 소성온도가 증가할수록 소성 수축율은 크게 나타났으며, 규조토 경우는 소축 수축율에 큰 변화가 없었다. 또한 석분 및 점토의 흡수율은 온도가 증가할수록 적게 나타났으며, 규조토는 흡수율이 아주 크게 나타났다. 따라서 다공성 형성의 역할은 규조토가 하며, 강도 및 융제의 역할은 거창석분이, 점토는 강도 및 성형 바인더 역할을 할 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 이 3가지 원료를 적절한 조성으로 조합하여 다공성 세라믹 패널 제조가 가능하도록 조성개발을 하고자 하였다.
[표 5] 출발원료의 소성 흡수율 및 수축율 결과
Figure 112016014465955-pat00005
2. 소지 조성물 제조 및 평가
(1) 소지 조합
다공성 세라믹 패널내의 기공을 증가시키기 위하여 소지조합 및 평가를 실시하였다. 거창석분을 40 중량%로 고정하고, 원지점토를 40~55중량%로 변화시키고, 규조토FA를 5~20중량%로 증가시키는 조성으로 표 6과 같이 4종을 조합하여 그에 대한 소성온도별 물성평가를 하였다. 이때 사용원료의 화학성분으로부터 조합 조성비를 환산한 화학 분석값은 표 7에 나타내었다.
[표 6] 원료별 소지 조합비
Figure 112016014465955-pat00006
[표 7] 조합소지의 화학성분치
Figure 112016014465955-pat00007
(2) 소성 특성 평가
1) 조합소지 소성시편 제작
4종의 사용 원료별 조합 분말을 수분 8%가 되도록 만들어 2인치 몰드를 이용하여 성형압 150Kg/㎠으로 성형하여 1025℃, 1050℃, 1075℃로 각각 소성하였으며 온도별 소성시편을 도 7에 나타내었다.
2) 소성시편 물리적 특성평가
소성온도 1025℃ 1050℃ 와 1075℃에서 소성한 시편을 이용하여 물리적 특성 평가를 하고, 그 결과를 표 8 내지 10과 도 8(a) 내지 8(c)에 나타내었다.
점토량이 증가할수록 (F1→F4) 수축이 많이 일어나 가능한 점토를 적게 넣어 소성수축을 적게 유도하는 것이 좋으나 최소 성형할 정도의 점토는 반드시 넣어야 한다. 또한 소성온도 변화에 따른 소성수축율의 경우 소성온도가 높을수록 수축이 많이 일어났음을 알 수 있다. 그러나 규조토 함량이 증가 할수록 수축율은 적게 나타났다. 표 8의 1025℃ 소성에서의 물리적 특성 결과 F-1, F-2, F-3 조성은 소성수축율, 흡수율 및 꺾임강도가 목표를 만족하고, F-4의 경우는 꺾임강도가 목표치 이하를 나타내었다. 이는 규조토양의 증가에 따른 흡수율을 상승하였으나, 강도가 떨어지는 결과를 나타내었다. 표 3.14의 1050℃ 소성에서의 물리적 특성 결과 F-1, F-2, F-3 및 F-4 전 조성이 목표치를 만족하였다. 따라서 4개 조성에서는 소성온도가 1050℃가 가장 최적의 제품제조 온도로 결정할 수 있다. 표 10의 1075℃ 소성에서의 물리적 특성 결과 F-2, F-3, F-4 조성은 소성수축율, 흡수율 및 꺾임강도가 목표를 만족하고, F-1의 경우는 흡수율이 목표치 이하를 나타내었다. 이는 규조토양의 부족하고, 점토 양이 증가함에 따라 흡수율 이 떨어짐을 나타낸 현상으로 반면에 강도가 제일 크게 나타나게 되었다.
따라서 4가지 조성 중에서 소성온도 1025℃, 1050℃, 1075℃ 의 모든 소성온도에서 만족하는 결과를 보여 F-3 조성이 가장 최적의 조성으로 결정할 수 있다.
[표 8] 1025℃ 소성에서의 물리적 특성
Figure 112016014465955-pat00008
[표 9] 1050℃ 소성에서의 물리적 특성
Figure 112016014465955-pat00009
[표 10] 1075℃ 소성에서의 물리적 특성
Figure 112016014465955-pat00010
표 11에 각 소성온도별 조성에 따른 색도를 측정하고 이 따른 색상 변화를 색도, 명도, 채도로 표 11에 나타내었다. 표면색상은 모두 베이지색 계통으로 이는 점토 내에 들어있는 철분이 천연의 발색제 역할을 하였으며, 소성온도가 높을수록 색상이 베이지색에서 갈색으로 진하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 따라서 조합비와 소성온도를 제어하여 색상을 변화시킬 수가 있었다.
[표 11] 각 소성온도별 조성에 따른 색상 변화
Figure 112016014465955-pat00011
3. 다공성 세라믹 패널 시작품 제작 및 평가
(1) 시작품 제조조건 공정 확립
이상과 같이 다공성 세라믹패널 제조를 위하여 최적의 조성비와 소성온도를 확립하고, 그 공정을 도 9에 나타내었다.
(2) 시작품 제작
1) 소지제조
조합 소지 시험에서 가장 양호한 F-3조성으로 볼밀에서 3시간 습식 혼합분쇄 한 후 200 mesh 표준체에 잔사가 0.5% 되게 출토하여 스프레이 건조기에서 건조 한 후 성형 분말로 하였다.
2) 금형 몰드설계 제작 및 시제품 성형
그림 3.22과 같이 150mm×150mm 크기의 금형몰드를 설계 및 제작하였으며, 해당 금형 몰드에 분말 300g을 평량하여 프레스를 이용 정사각형의 세라믹패널을 압력 150kg/㎠로 성형하였다.
3) 소성
전기로를 이용하여 도 10의 소성곡선과 같이 승온속도 5℃/min으로 각각의 최고온도 1025℃, 1050℃, 1075℃에서 1hr 유지 후 냉각하여 시제품을 제작하고, 도 11에 제작된 시제품을 나타내었다.
(3) 시작품의 물리적 특성 평가
상기 (2)에서 제조된 시작품에 대하여 물성평가를 하고 그 결과를 표 12 및 13에 나타내었다.
표 12에서 소성특성 확인결과 흡수율이 24%이상으로 목표치 16%이상을 만족하고, 꺾임강도는 1050℃, 1075℃에서 목표치 50kg/㎠를 만족하였다. 즉, 같은 조성, 같은 소성온도라도 성형압력에 따라 강도값이 달라짐을 알 수 있다. 따라서 최적의 공정조건인 조성 및 소성온도 조건에서도 성형조건 즉 성형압이 달라지면 강도값이 달라진다. 이는 생산성이 요구되는 현장에서는 자동 고압 성형프레스를 사용하여 성형하면 더 큰 강도값을 기대할 수 있다.
표 13 에 F-1과 F-3 조성에 대한 40℃ 원적외선측정 결과를 나타내었다. 원적외선 방사에너지와 방사율이 점토량이 많은 F-1이 더 높았으며, 이는 철분이 많을수록(F-1 4.6%, F-3 4.04%) 원적외선 방사율이 높음을 알 수 있다.
[표 12] F-3조성을 이용한 시제품의 온도별 물성평가 결과
Figure 112016014465955-pat00012
[표 13] 조성 F-1과 F-3의 40℃ 원적외선측정 결과
Figure 112016014465955-pat00013

Claims (8)

  1. i) 점토 45 중량부;
    ii) 석분 40 중량부; 및
    iii) 기공형성제 15 중량부;를 포함하되,
    상기 점토는 SiO2 58.5중량%; Al2O3 19.4중량%; Na2O 1.57중량%; K2O 2.41중량%; CaO 0.94중량%; MgO 1.56중량%; Fe2O3 6.85중량%; 및 TiO2 0.67중량%를 포함하고,
    상기 석분은 SiO2 69.8중량%; Al2O3 15.6중량%; Na2O 4.54중량%; K2O 3.56중량%; CaO 2.64중량%; MgO 0.54중량%; Fe2O3 1.89중량%; 및 TiO2 0.27중량%를 포함하며
    상기 기공형성제는 규조토인 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    글래스 프릿(glass frit)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    항균성 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물.
  7. 삭제
  8. 제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 다공성 세라믹 패널 제조용 소지 조성물을 이용해 제조된 다공성 세라믹 패널.
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