KR20010037432A

KR20010037432A - 폐유리를 이용한 무기질의 경량 발포 세라믹 제조방법

Info

Publication number: KR20010037432A
Application number: KR1019990044962A
Authority: KR
Inventors: 손명모
Original assignee: 손명모
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2001-05-07
Also published as: KR100386882B1

Abstract

본 발명은 무기질의 경량 발포 세라믹 제조방법에 관한 것으로, 종래에는 균일발포가 되지 못하고 입자들끼리 융착된 상태에서 기계적 강도가 많이 떨어져 장식용외의 용도로 사용하는데 문제가 있다. 그리고, 소결 및 유리화 온도가 너무 높아서 발포팽창이 과도하여 균일기공이 형성되지 못하고 소성온도가 너무 높기 때문에 냉각시 균열 발생으로 인한 불량율이 아주 높은 단점을 가지고 있다. 이에 종래의 경량 발포 세라믹은 원료의 가격이 높고, 국내의 경우 화산재의 이용이 자연훼손이라는 측면에서 사용되지 못하고 있다. 또한, 냉각 및 가공시 불량이 너무 높아 제품의 가격이 너무 높게 책정되는 폐단도 따랐다.

이에 본 발명은, 연화온도가 600~750℃ 정도의 무알카리계 폐유리에 균일발포성을 증대시키기 위한 폐석고를 첨가하고, 이에 천연원료와 발포제를 일정비율로 습식 혼합하면서 토련기로 압출 성형하여 건조시킨 후 이를 일정온도에서 발포소결하므로서, 건축용, plant용의 경량, 불연의 단열 및 보온재료 각종 벽재, 천장재, 내장재로 가능하며 공업용 각종 열회수 pipe line의 보온재료에 아주 이상적으로 사용할수 있도록 표면이 치밀하고 평활하며 광택의 유무를 자유롭게 조절하는 무기질의 경량 발포 세라믹 제조방법을 제공한다.

Description

폐유리를 이용한 무기질의 경량 발포 세라믹 제조방법{MANUFACTORY METHOD OF DISCHARGE CERAMIC LIGHT WEIGHT A INORGANIC MATTER USING ABOLITION GLASS}

본 발명은 건축용, plant용의 경량, 불연의 단열 및 보온재료 각종 벽재, 천장재, 내장재로 가능하며 공업용 각종 열회수 pipe line의 보온재료에 아주 이상적으로 사용할수 있는 무기질의 경량 발포 세라믹 소결체의 제조방법에 관한 것으로, 특히 무알카리계 폐유리(TFT용 유리 및 섬유유리), 폐석고, 천연원료(예; 장석, 고령토, zeolite, 활석, 석회석 등), 발포제(예: 산화물, 비산화물, 할로겐화합물 등)를 일정비율로 혼합한 후 이를 일정온도(예: 1000∼1100℃)에서 발포 소결하여 표면이 치밀하고 평활하며 광택의 유무를 자유롭게 조절할수 있는 폐유리를 이용한 무기질의 경량 발포 세라믹 제조방법에 관한 것이다.

종래에는 천연유리(화산재, 흑요석 등) 및 천연요업원료를 이용하여 세라믹 혹은 유리질 경량 발포제를 제조하는 방법으로 크게 세가지의 종류가 보편적으로 알려져 있다.

[1]. 천연유리의 흑요석이나 화산재를 그대로 가열하여 유리중에 미량 함량된 수분에 의하여 발포하여 발포한 입자를 가압 융착시키는 방법.

[2]. 천연원료에 발포제를 첨가시켜 고온에서 가열 발포시키는 방법.

[3]. 천연유리 및 원료 그대로 발포에서는 고온을 필요로 하기 때문에 여기에 알카리 원료를 첨가하여 변성시킨 후 가열 발포시키는 방법.

여기서, 상기 [1] 경우 균일발포가 되지 못하고 입자들끼리 융착된 상태에서 기계적 강도가 많이 떨어져 장식용외의 용도로 사용하는데 문제가 있다.

그리고, [2][3]의 경우 소결 및 유리화 온도가 너무 높아서 발포팽창이 과도하여 균일기공이 형성되지 못하고, 소성온도가 너무 높기 때문에 냉각시 균열 발생으로 인한 불량율이 아주 높은 단점을 가지고 있다.

그러므로, 상기에서와 같이 [1][2][3]의 방법으로 만들어지는 일반적인 경량 발포 세라믹은 원료의 가격이 높고, 국내의 경우 화산재의 이용이 자연 훼손이라는 측면에서 사용되지 못하고 있다.

또한, 냉각 및 가공시 불량이 너무 높아 제품의 가격이 너무 높게 책정되는 폐단도 따랐다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 연화온도가 600∼750℃ 정도의 무알카리계 폐유리(TFT용 유리 및 섬유유리)에 균일 발포성을 증대시키기 위한 폐석고를 첨가하고, 이에 천연원료(예; 장석, 고령토, zeolite, 활석, 석회석 등)와 발포제(예: 산화물, 비산화물, 할로겐화합물 등)를 일정비율로 습식 혼합하면서 토련기로 압출 성형하여 건조시킨 후 이를 일정온도(예: 1000∼1100℃)에서 발포 소결시키므로서, 건축용, plant용의 경량, 불연의 단열 및 보온재료 각종 벽재, 천장재, 내장재로 가능하며 공업용 각종 열회수 pipe line의 보온재료에 아주 이상적으로 사용할수 있도록 표면이 치밀하고 평활하며 광택의 유무를 자유롭게 조절하는 무기질의 경량 발포 세라믹을 제조하는데 그 목적이 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은,

연화온도가 600∼750℃ 정도의 무알카리계 폐유리(TFT용 유리 및 섬유유리) 20∼70wt%에 균일 발포성을 증대시키기 위한 폐석고를 10∼30wt%의 비율로 첨가하고,

상기 폐석고가 일정비율로 첨가된 폐유리에 20∼50wt%의 천연원료(예: 장석, 고령토, zeolite, 활석, 석회석 등)와 0.1∼3wt%의 발포제(예: 산화물, 비산화물, 할로겐화합물 등)를 배합한 후 압출 성형하여 건조하며,

상기 압출 성형되어 건조된 배합물을 일정온도(예: 1000∼1100℃)에서 발포소결하여 폐기공의 유리질 표면층을 갖는 무기질의 경량 발포 세라믹을 제조함을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명의 발포제는 비점이 1100℃ 이상인 산화물 및 탄화물을 이용하고, 상기 산화물은 Sb₂O₃(삼산하안티몬), AS₂O₃(아비산), P₂O₅, B₂O₃등이 있으며, 상기 탄화물은 C, SiC, B₄C 등이 있다.

그리고, 상기 산화물과 탄화물 중 발포효과는 Sb₂O₃, SiC가 우수하며, 단독 또는 2종류 이상을 병용해도 양호하다.

이러한, 발포제는 전체 원료 100kg에 대해서 0.1∼1kg 정도 배합한다.

한편, 0.1kg 미만에서는 발포가 일어나지 않고, 1kg 이상에서 얻어지는 무기발포 소결체는 발포 유리층 보다도 표면층에 기포가 이동하게 되어 바람직하지 못하다.

또한, 주성분으로 들어가는 천연원료와 폐자원과의 배합비는 장석 10∼30wt%, 고령토 5∼25wt%, 폐유리 20∼60wt%, 폐석고 10∼30wt%, zeolite 5∼20wt% 가 적정하다.

즉, 장석 10wt% 미만은 폐유리의 함량이 높아지므로 유리화 할때 너무 점성이 떨어져 최종 소결후의 기계적 강도가 떨어지고, 30wt% 이상은 원료 가격이 너무 높고 최종 제품의 팽창계수가 크므로, 최적범위는 10∼20wt%가 양호하다.

고령토는 5wt% 이하는 소결 후 기계적 강도가 낮고 내열성이 떨어져 냉각시 불량율이 높고, 25wt% 이상은 소결온도가 너무 올라가서 1100℃ 에서 발포 소결에 문제가 많으므로 최적범위는 7∼15wt% 가 좋다.

폐유리는 20wt% 이하에서는 자원 이용의 효과가 적고 소결온도를 낮추는데 효과가 없고, 60wt% 이상은 너무 점성이 떨어져서 발포제의 휘발에 의한 기포 크기가 너무 커져서 균일한 pore 형성에 문제가 많으면서 표면 유리층이 너무 많이 형성되어 기계적 강도가 떨어지므로 최적범위는 25∼50wt% 가 적절하다.

폐석고는 15wt% 미만은 발포의 효과가 적고 유리점성을 낮추는데 효과가 적고, 30wt% 이상은 발포속도가 너무 커져서 균일 크기의 기포형성에 문제가 많으므로 최적범위는 10∼20wt% 가 좋다.

zeolite도 역시 5wt% 이하는 발포효과가 적고 20wt% 이상은 유리의 점성을 너무 떨어뜨려서 균일 발포에 문제가 많으므로 최적범위는 7∼15wt% 가 좋다.

그 외 색상을 얻기 위하여 무기안료를 이용할수도 있으며, 유리의 실투와 소결연화등의 악영향을 주지 않는 첨가제의 배합은 한정되지 않는다.

그리고, 폐유리와 폐석고의 함량이 30∼90wt% 로 상당한 량의 자원 재활용과 원료비 절감의 효과를 얻을수 있다.

상기 원료 배합량 100에 30∼40% 의 물을 첨가하여 ballmill에서 습식 분쇄하여 평균 입경 10∼50㎛의 소지 slip을 만들고 토련기로 압출 성형 및 수타성형을 하여 건조시킨 후, 이형제를 산포한 붕판위에 놓고 성형체를 소성한다.

상기의 소성은 3∼20℃/min의 승온속도로 950∼1100℃ 에서 0.5∼2시간 유지시키는 것이 바람직하다.

즉, 소성온도가 950℃ 미만에서는 충분한 발포가 일어나지 않고 소결 강도도 떨어진다.

또한, 1100℃를 초과하면 과도한 발포로 pore가 커지고 유리질 소결체는 발포 유리층보다도 표면층에 기포가 이동하게 되어 바람직하지 못하다.

특히, 발포 세라믹은 반유리질의 소결체로 950∼1050℃ 부근에서 발포에 의하여 형성된 내부의 단독 기공들은 표면층에 형성된 유리질 성분에 의하여 폐기공으로 남게 되고, 냉각되면서 폐기공과 유리질 matrix를 갖는 유리질 소결체가 된다.

따라서, 배합비와 소결온도가 일치하여야 하므로 최적의 소결온도는 1000~1100℃ 이다.

또한, 소성 후의 냉각과정에 있어서 강온속도를 조절하므로서 광택 또는 광채를 임의로 조절할수 있도록 하였다.

즉, 소결후 적어도 700∼850℃ 까지의 온도에서 10∼15℃/min의 속도로 급냉시키므로서 유리의 실투를 방지하여 광택이 있는 유리질 소결체를 얻을수 있게 되는 것이다.

또, 1∼6℃/min 정도 낮은 속도를 서냉시켜서 보다 결정화를 많이 시키면, matt상의 무광택 유리질 소결체를 얻을수 있다.

특히, 폐유리의 경우 열팽창계수가 α=40∼50 ×10^-7/℃ 정도로 상당히 낮기 때문에 폐유리를 본 발포 세라믹에 20∼50wt% 혼합시킬 경우,

발포 세라믹 소재의 팽창계수가 떨어져서 냉각시 급냉에 대한 정확성을 증대시키며, 300∼350℃ 에서 노출시킨 경우 균열이 거의 없는 우수한 제품을 얻을수 있다.

따라서, 냉각대의 길이를 줄일수 있고 급냉에 의한 불량이 거의 없다.

이하, 본 발명의 제 1 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

표1에서와 같이 폐유리(TFT 유리 혹은 유리섬유)와 폐석고(도자기 혹은 위생도기 업체의 폐석고) 30∼80wt%에 장석 10∼20wt%, 고령토 7∼15wt%, zeolite 7∼15wt%, 발포제 미량(0.1∼1wt%%)을 혼합하였다.

물 30∼40% 첨가한 상태로 ballmill에서 습식 분쇄하여 토련기를 이용하여 벽돌형의 적당한 크기(200 ×90 ×50mm 두께)로 성형하여 이형제(Al₂O₃power, Dolomite power 등)를 산포한 mullite제 붕판위에 놓고 공기중 건조시킨 후 붕판채로 micro-kiln 전기가마 내에 넣어 승온속도 4∼8℃/min의 강온속도로 700℃까지 내리고, 다시 3∼5℃/min로 서냉시켜 300∼350℃ 부근에서 노출시켰다.

얻어진 소결체는 표면층에 0.5∼1mm 두께의 유리질이며 상당한 광택을 갖고 있었으며, 내부 기공은 불연속인 균일한 폐기공을 갖고 있었다.

이 표면의 유리질 치밀층에 연결된 내부층은 참비중 0.7∼0.9 정도의 광택을 갖는 발포 유리층으로 되며, 무기질 경량 발포 세라믹 이라고 할수 있다.

또 발포 유리층은 침수 테스트에 의하면 흡수율 0.5% 이하의 독립 폐기공인 것으로 확인되었다.

또한, 본 발명의 제 2 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제 1 실시예에서 냉각속도를 3∼5℃/min 정도로 느리게 700℃까지 내리고 다시 5℃/min 정도로 서냉시키며 표면의 심한 실투현상에 의하여 표면의 유리질 치밀층은 광택이 없는 불투명 결정상이 되었다.

광택이 없는 matt상태의 표면이지만 표면의 기계적 강도는 우수하고 탄성율도 좋았다.

한편, 본 발명의 제 3 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제 1 실시예에서 최고 소성온도 1100℃에서 1시간 30분 이상 유지시키고 10℃/min 속도로 700℃까지 강온시키고, 3∼5℃/min의 속도로 250∼300℃까지 냉각시켜 얻어지는 제품은 표면층의 광택이 우수한 유리질 층이 얻어지고, 내부의 기공이 거의 2∼3mm 정도 크게 발포되어 참비중이 0.5∼0.7 정도의 아주 낮은 경량 발포 세라믹이 얻어졌다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 무알카리계 내열성 폐유리와 폐석고의 함량이 40∼80wt%를 차지하므로 기존원료의 량을 50wt% 이상 절감하여 원자재 부담을 줄일수 있고, 소결온도가 기존 제품들보다 150∼200℃ 정도 낮게 설정되기 때문에 에너지 절감과 동시에 생산 단가를 낮추고 냉각시 불량을 최대로 줄일수 있다.

또한, 폐유리의 첨가량에 따라 소성 후의 냉각조건을 자유로이 선택할수 있고 광택에서 무광택의 유리질 표면층을 임의로 제조할수 있는 특징이 있다.

더불어, 본 발명의 무기질 경량 발포 세라믹은 그 표면이 유리질 치밀층이고 내부에 미세 균일한 폐기공에 의하여 경도 및 강도가 높고, 내열성 및 탄성이 우수하고 참비중 0.5∼0.9정도의 경량체 이므로 건축 내외장재, 각 종 단열, 보온, 보냉용 벽재 및 천장재, 그 외 각종 열회수 pipe line의 보온재료 등 공업저그로 아주 유용하게 사용할수 있는 효과를 제공한다.

Claims

연화온도가 600∼750℃ 정도의 무알카리계 폐유리 20∼70wt%에 균일 발포성을 증대시키도록 10∼30wt%의 폐석고를 첨가하고,

상기 폐석고가 첨가된 폐유리에 다시 20∼50wt%의 천연원료와 0.1∼3wt%의 발포제를 배합한 후 압출 성형하여 건조하며,

상기 압출 성형되어 건조된 배합물을 1000∼1100℃의 소결온도에서 충분히 발포 소결하여 폐기공의 유리질 표면층을 갖는 발포 세라믹을 얻도록 함을 특징으로 하는 폐유리를 이용한 무기질의 경량 발포 세라믹 제조방법.