KR102144929B1 - 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백토 50 ~ 80 중량부, 점토 20 ~ 50 중량부, 마사 10 ~ 30 중량부로 이루어진 세라믹 소지에 알카리가 5 ~ 20 중량부 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말 5 ~ 20 중량부를 혼합하여 세라믹소지를 혼합하는 소지혼합단계, 수분 10 ~ 20 중량부로 혼합된 세라믹 소지를 균일하게 반죽하고 숙성하는 소지반죽 및 숙성단계, 반죽 숙성된 세라믹 소지를 성형틀에 넣고 가압하여 성형하거나 또는 토련기에 투입하여 압출성형하는 소지 성형단계, 성형품을 50 ~ 150℃ 온도에서 2 ~ 72 시간 건조하는 성형품 건조단계, 건조된 성형품을 900 ~ 1050℃의 온도에서 10 ~ 36 시간 소성하는 성형품 소성단계(S5)로 구비되어 세라믹 소재의 소결 온도를 낮추어 소결에 필요한 에너지를 절감하고 소결재 내부에 기공을 만들어 소결재의 무게를 경량화 하며 열전도율을 낮추어 단열성능을 극대화 시킬 수 있는 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법이 개시된다.

Description

저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법{MANUFACTURE METHOD OF CERAMICS SINTERED BODY}

본 발명은 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소결에 필요한 에너지를 절감하고 소결재 내부에 기공을 구비하여 무게를 경량화하며 열전도율을 낮추어 단열성능을 극대화한 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 세라믹 벽돌이나 타일은 소결 시 소성온도를 낮추기 위해 화력발전소에서 발생하는 미 연소 탄소성분이 함유된 석탄재(플라이애쉬나 바텀애쉬)를 주로 사용하거나 또는 제지소각회 등을 사용하고 있으며, 미연소 탄소성분의 소결 시 휘발됨으로 공극을 만들어 소재를 경량화 하고 있다.

그러나, 미분탄을 사용하는 석탄 화력발전소에서 배출되는 플라이애쉬의 사용은 그 일부를 콘크리트 혼화제로 활용하고 나머지 대부분은 매립 처리하므로 매년 수백만톤에 달하는 플라이애쉬의 처리방법에 대한 대안이 강구되지 않아 환경적인 문제로 대두되고 있는 실정이다.

또한 플라이애쉬 입자간 소결온도는 사용하는 석탄과 연소조건에서 생성된 플라이애쉬의 조성에 따라 약간씩 변화하며 통상 약 1,400℃ 이상이 되고 일부 표면조성의 연화점 역시 약 1,200℃ 이상인 것으로 알려져 있으므로 소성온도보다 낮은 저온에서 소성시키기 위해서는 저온에서 용융하며 보다 강한 결합력을 가지는 융제를 사용하거나 액상의 점결제를 사용해야 하는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 종래 기술로, 등록특허 10-0432775호인 저온소성 성형벽돌 제품의 조성물 및 그 제조방법이 안출된 바 있으며, 이는 다량의 미 연소 탄소분이 함유된 플라이애쉬를 주로 사용하고 규산소다와 산화철을 첨가하여 상온에서 혼합, 성형하여 소성한 벽돌을 제조하는 것으로 플라이애쉬를 대량으로 활용하여 환경 친화적이며 저온 소성으로 인한 에너지를 절감시키고 압축강도가 양호하고 밀도가 작아 경량제품으로 제조가 가능하고 수축률이 작아서 제품의 치수 안정성과 불량률이 적은 소성벽돌을 제조할 수 있도록, 플라이애쉬 100중량부에 대하여 산화철 5-15중량부를 첨가시켜 혼합한 후 액상규산소다 20-40중량부를 첨가하여 균질 및 혼합시켜서 상기 혼합물을 금형에 장입하고 100-200kg/cm2 의 성형압력으로 압축, 탈형하고 건조된 성형물을 50℃, 105℃ 및 550℃에서 각각 2시간 유지한 후 최종적으로 약 850℃에서 4시간 소성한 후 냉각시켜서 제조하도록 하고 있다.

그러나, 이러한 종래 기술에 의해 제조된 벽돌의 경우에는 일반적으로 생산하는 점토벽돌로 인식하기 어려워 실질적으로 건축물의 외관에 적합하지 않은 문제점이 있다.

더욱이, 미연소 탄소성분이 포함된 플라이애쉬를 사용함에 따라 다공성 및 경량화는 물론 소성온도를 낮추었다고 할 수 있으나, 석탄 화력발전소의 경우 대기환경 문제로 인해 점차적으로 가동이 중단되는 추세임을 감안할 때 장기적으로 미연소 탄소성분이 포함된 플라이애쉬를 사용하여 벽돌을 제조할 수 없게 되어 이를 대체할 기술 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

뿐만 아니라, 세라믹소재로 제조되는 점토벽돌은 주성분이 규산 알루미늄 물질인 실리카가 주성분으로 알루미나가 첨가되고 있으며, 산화철, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화칼슘, 산화마그네슘, 이산화티타늄이 소량의 비율로 첨가되는 것으로, 이 중 알카리 금속성분인 산화나트륨이나 산화칼륨이 소성 시 가장 큰 소결재 역할을 하고 부가적으로 알카리 토금속 성분인 산화칼슘이나 산화마그네슘이 소결재 역할을 하고는 있으나, 점토 벽돌 제조를 위해 사용되는 자연광물 중에 존재하는 규산 알류미늄질 원료인 점토 광물은 소결재 역할을 하는 산화나트륨이나 산화칼륨 성분이 극히 미미하여 제품 제조 시 높은 온도에서 소결을 위해 다량의 에너지를 소비하고 있으며, 이는 에너지 사용량 증가에 따른 대기환경 문제의 발생과 천연 에너지 자원의 부족으로 인해 지구 생태계를 위협하게 되는 문제점이 야기되고 있다.

특허문헌 1 : 대한민국등록특허 10-0432775호(2004.05.13. 등록) 특허문헌 2 : 대한민국등록특허 10-0678365호(2007.01.29. 등록)

본 발명은 미연소 탄소성분이 포함된 석탄회를 대체할 수 있으며 소재의 소결 시 저온소결이 가능한 알카리가 5 ~ 20 중량부 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말을 소결재에 혼합하여 소결재의 소결 온도를 낮추고 소결재와 알카리가 함유된 나노실리카 분말의 소결 온도차이에 의한 공극이 생성되도록 하여 무게를 경량화할 수 있으며 다공성에 의해 물류비 절감 및 단열성능을 높일 수 있도록 한 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명인 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법은, 백토 50 ~ 80 중량부, 점토 20 ~ 50 중량부, 마사 10 ~ 30 중량부로 이루어진 세라믹 소지에 알카리가 5 ~ 20 중량부 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말 5 ~ 20 중량부를 혼합하여 세라믹소지를 혼합하는 소지혼합단계; 소지혼합단계 후, 수분 10 ~ 20 중량부로 혼합된 세라믹 소지를 균일하게 반죽하고 숙성하는 소지반죽 및 숙성단계; 소지반죽 및 숙성단계 후, 반죽 숙성된 세라믹 소지를 성형틀에 넣고 가압하여 성형하거나 또는 토련기에 투입하여 압출성형하는 소지 성형단계; 소지 성형단계 후, 성형품을 50 ~ 150℃ 온도에서 2 ~ 72 시간 건조하는 성형품 건조단계; 성형품 건조단계 후, 건조된 성형품을 900 ~ 1050℃의 온도에서 10 ~ 36 시간 소성하는 건조품 소성단계로 구비되어 이루어진다.

본 발명은 점토와 백토 또는 마사(sand)를 포함하는 세라믹 소지에 알카리가 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말을 이용하여 세라믹 소지의 소결을 위한 소성 시 소성온도를 낮추고 소결에 필요한 에너지를 절감할 수 있으며, 소결재 내부에 기공이 구비됨에 따라 소결재의 무게를 경량화할 수 있어 물류비 절감은 물론 시공에 따른 시공성 및 작업성을 크게 향상시킬 수 있으며 기공에 의한 열전도율을 낮출 수 있어 단열성능을 높여 건축자재로 사용할 때 건축물의 냉방은 물론 난방용 에너지를 크게 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명인 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법의 공정을 나타낸 공정도이다.
도 2는 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법에 의해 제조된 소결재를 나타낸 사진이다.

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법을 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

도시된 바와 같이 본 발명은, 백토 50 ~ 80 중량부, 점토 20 ~ 50 중량부, 마사 10 ~ 30 중량부로 이루어진 세라믹 소지에 알카리가 5 ~20 중량부 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말 5 ~ 20 중량부 혼합하여 세라믹소지를 혼합하는 소지혼합단계(S1)와, 소지혼합단계(S1) 후 수분 10 ~ 20 중량부로 혼합된 세라믹 소지를 균일하게 반죽하고 숙성하는 소지반죽 및 숙성단계(S2)와, 소지반죽 및 숙성단계(S2) 후 반죽 숙성된 세라믹 소지를 성형틀에 넣고 가압하여 성형하거나 또는 토련기에 투입하여 압출성형하는 성형품 성형단계(S3), 성형품 성형단계(S3) 후 성형품을 50 ~ 150℃ 온도에서 2 ~ 72 시간 건조하는 성형품 건조단계(S4) 및 성형품 건조단계(S4) 후 건조된 성형품을 900 ~ 1050℃의 온도에서 10 ~ 36 시간 소성하는 성형품 소성단계(S5)로 구비되어 이루어진다.

[소지혼합단계]

본 발명의 소지혼합단계(S1)는, 백토 50 ~ 80 중량부, 점토 20 ~ 50 중량부, 마사(sand) 10 ~ 30 중량부로 이루어진 세라믹 소지에 알카리가 5 ~ 20 중량부 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말 5 ~ 20 중량부를 혼합하여 세라믹소지를 혼합하는 단계로, 이 때 나노실리카졸 또는 나노실리카분말은, 정량공급펌프 또는 정량 스크류피더를 이용하여 공급 혼합한다.

상기 원료 배합에 있어 백토 및 점토의 비율이 증가할 경우 세라믹 소지의 가소성이 증가되는 반면, 건조 및 소성시간이 증가하고 동시에 건조 수축 및 소성수축율이 증가되기 때문에 백토 50 ~ 80 중량부, 점토 20 ~ 50 중량부를 한정하는 것이 바람직하다.

또한 상기 마사(sand)는 세라믹 소지의 뼈대 기능을 하는 것으로, 마사가 10 ~ 30 중량부 이상으로 혼합될 경우 가소성을 낮추게 되고 소성 후 물리적 성능이 저하되기 때문에 10 ~ 30 중량부로 한정하는 것이 바람직하다.

또한 상기 알카리가 5 ~ 20 중량부 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말을 5 ~ 20 중량부로 한정하는 이유는 상기 나노실리카졸 또는 나노실리카분말이 20 중량부 이상으로 혼합될 경우 소성된 성형품의 물리적 성능은 개선될 수 있으나 제조 공정상 여러 문제가 발생되기 때문에 상기 나노실리카졸 또는 나노실리카분말을 5 ~ 20 중량부로 한정한다.

백토는 산화철 함량이 거의 포함되지 않은 미세입자로 구성된 규산 알루미늄질로 수분을 함유하면 가소성을 나타내고 건조하면 강도를 나타내는 물질로, 소성하면 흰색으로 나타난다.

점토는 백토와 비슷한 화학성분과 물리적인 특성을 나타내지만 산화철 함량이 일정향 포함되어 있어 소성하면 핑크색상이나 붉은 색으로 나타난다.

이와 같이 백토와 점토는, 모두 가소성을 가지며 미세한 입자로 구성되어 있기 때문에 제품을 생산할 때 생산성을 높기 위해 마사(sand)를 일정량 혼합하는 것이다.

또한 나노실리카졸은 70 ~ 90 중량부의 실리카입자에 5 ~ 20 중량부의 나트륨입자가 물에 희석되어 있는 것이고, 나노실리카분말은 나노실리카졸에 포함된 수분을 제거하고 건조하여 분말화 한 것이다.

[소지반죽 및 숙성단계]

본 발명의 소지반죽 및 숙성단계(S2)는, 소지혼합단계(S1)에 의해 혼합된 세라믹소지에 수분 즉 물을 10 ~ 20 중량부를 투입하고 퍼그밀을 이용하여 균일하게 혼합한 다음 숙성하는 것으로, 이 때 상기 소지반죽 및 숙성단계(S1)에서 숙성시간은, 12 ~ 36 시간 방치하여 숙성한다.

이는 수분이 세라믹 소지에 골고루 분포되도록 하여 가소성을 향상시키고 건조강도를 증진시키기 위함이다.

[성형품 성형단계]

본 발명의 성형품 성형단계(S3)는, 혼합 및 숙성된 세라믹 소지를 일정한 모양의 금형에 공급하여 가압성형 또는 압출성형에 의해 성형품을 성형하는 것으로, 가압성형은 유압프레스를 이용하여 150kg/cm2의 압력을 이용하여 가압성형하고, 압출성형은 토련기를 이용하여 210 ~ 230암페어(A)전력으로 압출 성형한다.

[성형품 건조단계]

본 발명의 성형품 건조단계(S4)는, 성형품을 50 ~ 150℃ 온도에서 2 ~ 72 시간 건조하는 것이다.

이 때, 상기 성형품 건조단계(S4)는 드라이오븐 또는 건조실을 이용하여 성형품을 건조하는 것으로, 세라믹 소지의 수분함량이 1 중량부 이하가 되도록 조절하여 건조하면 되는 것이며, 열풍을 이용하여 건조시간을 단축시킬 수 있음은 물론이다.

[성형품 소성단계]

본 발명의 성형품 소성단계(S5)는, 전기로나 소성가마를 이용하여 건조된 성형품을 900 ~ 1050℃의 온도에서 10 ~ 36 시간 소성하는 것으로, 이 때 세라믹 소지입자를 코팅하고 있는 나노실리카졸이나 나노실리카분말의 융점이 세라믹소지의 융점보다 낮기 때문에 세라믹소지에 비해 나노실리카졸이나 나노실리카분말이 먼저 수축되어 동시에 기공이 형성된다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

S1 : 소지 혼합단계 S2 : 소지반죽 및 숙성단계
S3 : 소지 성형단계 S4 : 성형품 건조단계
S5 : 건조품 소성단계

Claims (4)

1. 백토 50 ~ 80 중량부, 점토 20 ~ 50 중량부, 마사 10 ~ 30 중량부로 이루어진 세라믹 소지에 알카리가 5 ~ 20 중량부 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말 5 ~ 20 중량부를 혼합하여 세라믹소지를 혼합하는 소지혼합단계(S1);
   소지혼합단계(S1) 후,
   수분 10 ~ 20 중량부로 혼합된 세라믹 소지를 균일하게 반죽하고 숙성하는 소지반죽 및 숙성단계(S2);
   소지반죽 및 숙성단계(S2) 후,
   반죽 숙성된 세라믹 소지를 성형틀에 넣고 가압하여 성형하거나 또는 토련기에 투입하여 압출성형하는 소지 성형단계(S3);
   소지 성형단계(S3) 후,
   성형품을 50 ~ 150℃ 온도에서 2 ~ 72 시간 건조하는 성형품 건조단계(S4);
   성형품 건조단계(S4) 후,
   건조된 성형품을 900 ~ 1050℃의 온도에서 10 ~ 36 시간 소성하는 성형품 소성단계(S5)로 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 소지혼합단계(S1)에서 알카리가 함유된 나노실리카졸 또는 나노실리카분말은, 정량공급펌프 또는 정량 스크류피더를 이용하여 공급 혼합하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 소지반죽 및 숙성단계(S1)에서 숙성시간은,
   수분이 세라믹 소지에 골고루 분포되도록 12 ~ 36 시간 방치하여 숙성하도록 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 성형품 건조단계(S4)는 드라이오븐 또는 건조실을 이용하여 성형품을 건조하고,
   상기 성형품 소성단계(S5)는 전기로나 소성가마를 이용하여 성형품을 소성하도록 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온소결 경량 다공세라믹 소결재 제조방법.

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