JP6342996B2 - 高強度及び高吸放湿性を有する多孔性セラミックタイル - Google Patents

Description

高強度及び高吸放湿性を有する多孔性セラミックタイルに関する。

近年、建築物の超高層化、高断熱及び高気密化により、室内空気を外部空気と強制的に換気させない以上、室内空気の質は低下せざるを得ない実情である。特に、夏季の高い室内の湿度によってリビングルームの窓や室内の奥まった壁に結露が生じ、それにより、カビ、ダニ等ができて、呼吸器疾患及びアトピー等の発生を誘発する問題が生じている。

このような問題を解決するために、湿度が高い時は、湿気を吸い込んで室内の湿度を下げ、乾燥すると、吸収した水分を放出して湿度を高めることのできる湿度調節機能を有する室内仕上げ用の建築資材の開発が必要な実情である。
前記湿度調節機能を最大化するためには、調湿機能を発揮するゼオライト、硅藻土等の核心物質をできる限り多く担持しなければならないが、一般に、室内仕上げ材のうち、厚さが最も厚いタイル製品が理想的である。

しかし、今まで韓国内で機能性タイルとして発売されている製品は、全般的に吸湿、放湿機能はあるものの、タイルの強度等、物理的性質に劣るという短所があり、機能性よりはデザインを優先として製造したものがほとんどであるため、吸放湿機能を確保すると同時に強度及び物理的特性を発揮するセラミック成形体に関する技術開発が必要な実情である。

なし

本発明の一具現例は、吸湿及び放湿機能に優れたγ−アルミナ及びバインダの役割を通して強度を高めるガラス質結合物質を含む多孔性セラミックタイルを提供する。

本発明の一具現例において、γ−アルミナ１５重量％〜６０重量％及びガラス質結合物質５重量％〜２０重量％を含む多孔性セラミックタイルであって、前記ガラス質結合物質により連結された多孔性セラミックタイル形成粒子を含み、前記多孔性セラミックタイル形成粒子の表面に分布された平均直径が１ｎｍ〜５０ｎｍの微細気孔及び前記多孔性セラミックタイル形成粒子間に形成された平均直径が０．５μｍ〜５０μｍの開いた気孔を含む、多孔性セラミックタイルを提供する。

前記γ−アルミナは、窒化アルミニウム、炭酸アルミニウム、塩化アルミニウム、塩化アルミニウム二水和物、水酸化アルミニウム、アルミニウムクロリド、アルミナイトライド、アルミナゾル、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つのアルミニウムソースが相転移した物質を含むことができる。

前記ガラス質結合物質は、ガラスフリットを含むことができる。

前記多孔性セラミックタイルは、総１００重量％中、母物質を約２５重量％〜約６５重量％含むことができる。
前記母物質は、粘土、白土、黄土、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つ以上を含むことができる。

硅藻土、長石、陶石、石灰、乳白剤、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つ以上の添加物をさらに含むことができる。

前記多孔性セラミックタイルは、総１００重量％に対して、前記添加物を約５重量％以下含むことができる。

前記多孔性セラミックタイルの曲げ強度は、約１０ＭＰａ〜約２０ＭＰａであってよい。
前記多孔性セラミックタイルの吸放湿量は、約６０ｇ／ｍ^２〜約１００ｇ／ｍ^２であってよい。

前記多孔性セラミックタイル形成粒子の気孔率は、約３０％〜約５０％であってよい。

前記多孔性セラミックタイルは、吸放湿性を維持及び増進させ、同時に低い焼成強度を増進させて機能性タイルとして用いられ得る。

本発明の一実施例である多孔性セラミックタイルを図式化して示したものである。 従来の多孔性セラミックタイルを図式化して示したものである。

以下、本発明の具現例を詳細に説明する。ただし、これは例示として提示されるものであって、これによって本発明が制限されることはなく、本発明は、後述する請求項の範疇により定義されるだけである。

本発明の一具現例において、γ−アルミナ１５重量％〜６０重量％及びガラス質結合物質５重量％〜２０重量％を含む多孔性セラミックタイルを提供する。
通常の多孔性セラミックタイルは、作製するにあたって焼成過程が必要となるが、焼成温度領域によりタイルを分類することができる。通常、約１３００℃以上の温度で焼成されて形成されるポリッシングタイル、約１３００℃未満の温度で焼成されて形成される磁器質タイル、そして約８００℃の温度で焼成されて形成される陶器質タイルに分類されるが、前記焼成温度が高いほど組織が緻密で、高い曲げ強度を示したのが一般的である。

従来の多孔性セラミックタイルは、当時は、空気の出入を円滑にするための開いた気孔を作るために、焼成過程が約１０００℃以下でなされ、それによって、一般の磁器及びポリッシングタイルに比べて組織が緻密でなく、強度が弱い問題点があった。

従って、これを補完するために、バインダの役割をすることができるガラス質物質を一定量添加したが、ガラス質物質の含量を増加させるほど、空気が出入する気孔を塞ぎ、調湿機能を発揮する核心物質の微細気孔を塞いで吸放湿性が低下する恐れがあった。

そこで、本発明においては、吸放湿性の低下なしに調湿タイルの曲げ強度を向上させるために、多孔性セラミックタイル組成物内に調湿機能をするγ−アルミナ及びバインダの役割をするガラス質結合物質の含有割合を調節したが、前記多孔性セラミックタイルは、γ−アルミナ約１５重量％〜約６０重量％、及びガラス質結合物質約５重量％〜約２０重量％を含むことができる。

前記γ−アルミナは、遷移状態のアルミナであって、調湿機能を付与することができる。アルミニウムソースを熱処理することで他の構造相に転移が可能であり、広い比表面積と微細な気孔ホールを有しており、分離膜、触媒、触媒担体及び吸着剤として優れた特性を示すことができる物質である。

前記γ−アルミナは、多孔性セラミックタイル形成粒子が含む気孔の表面に形成され、優れた調湿及び脱臭機能を有することができる。それによって、前記γ−アルミナは、湿度が高い時に、前記気孔を通して湿気を吸収し、室内の湿度を下げる機能をし、逆に、湿度が低い時は、前記気孔内に貯蔵されていた湿気を放出して室内の湿度を高める機能をする。また、前記γ−アルミナは、商用のγ−アルミナを用いることもできるが、コスト節減及び効率性の側面から、具体的には、安価なアルミニウムソースを熱処理によって相転移させたγ−アルミナを用いることができる。

前記γ−アルミナは、約１５重量％〜約６０重量％、具体的には、約１０重量％〜約３５重量％を含むことができる。前記γ−アルミナが約１５重量％未満の場合、十分な調湿機能を示し難くなる恐れがあり、約６０重量％を超える場合、多孔性セラミックタイルの焼結性が低下することによりタイルの強度が低下する恐れがある。

それゆえ、γ−アルミナを前記範囲だけ含むことにより、高い調湿機能を発揮し、安定したタイルの強度を確保することができる。

また、前記γ−アルミナの比表面積は、特に制限されるものではないが、例えば、約１５０ｍ^２／ｇ〜約３５０ｍ^２／ｇであるものであってよい。前記γ−アルミナの比表面積が約１５０ｍ^２／ｇ未満の場合、十分な調湿機能を示すことができず、約３５０ｍ^２／ｇを超える場合、製造工程の困難を招くことがあり、製造コストを上昇させる恐れがある。

具体的に、前記γ−アルミナは、窒化アルミニウム、炭酸アルミニウム、塩化アルミニウム、塩化アルミニウム二水和物、水酸化アルミニウム、アルミニウムクロリド、アルミナイトライド、アルミナゾル、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つのアルミニウムソースが相転移した物質を含むことができる。ただ、前記アルミナソースが例示したものに限定されるのではなく、熱処理によりγ−アルミナに相転移できるあらゆるアルミニウムソースがこれに含まれ得る。

例えば、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）がγ−アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に相変化する場合、水酸化アルミニウムのγ−アルミナ転換率は、約０．６〜約０．７であってよい。

前記多孔性セラミックタイルは、ガラス質結合物質を含むことができる。前記ガラス質結合物質とは、約７５％以上のガラスを含有するガラス質物質をいうが、前記ガラス質は、溶融状態で急速に冷却する場合、結晶化せず、原子の配列に長距離規則度のない無定形固体状態を意味する。

具体的に、前記ガラス質結合物質は、約５重量％〜約２０重量％を含むことができる。前記ガラス質結合物質が約５重量％未満の場合、焼成強度が弱くなる恐れがあり、約２０重量％を超える場合、作製コストが増加する問題点がある。それゆえ、前記含量範囲のガラス質結合物質を含むことにより、作製コストに対比して高い焼成強度を発揮する効果を容易に具現することができる。

前記ガラス質結合物質は、ガラスフリットを含むことができる。前記ガラスフリットは、低融点ガラスであって、一般のタイルの焼成温度より低い約７００℃程度の温度で溶け始めてタイル焼成過程で粒子間の移動を容易にし、接着剤、即ち、バインダの役割をして多孔性セラミックタイルの強度を高める役割をする。

前記ガラスフリットは、バインダの役割によって、多孔性セラミックタイル形成粒子間に空気の出入通路である気孔を小さくし、γ−アルミナにより多孔性セラミックタイル形成粒子の表面で吸放湿性を発揮する気孔を塞ぐこととなり、吸放湿性を低下させ得る。しかし、前記ガラス質結合物質の含量を調節することにより、ガラス質結合物質によって多孔性セラミックタイル形成粒子間の気孔が小さくなり、多孔性セラミックタイル形成粒子の表面の気孔が塞がって発生する吸放湿性低下現象を抑制することができる。

前記多孔性セラミックタイルは、前記γ−アルミナ及びガラス質結合物質以外に母物質を含むことができる。前記母物質は、前記多孔性セラミックタイルを構成する基礎母材となる物質、即ち、タイル内で骨組みの役割をする物質であって、具体的に、前記母物質は、粘土、白土、黄土、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つ以上を含むことができる。

前記母物質の含量は、特に制限されるものではなく、多孔性セラミックタイルの適用分野及び用途に応じてその他の添加物が添加されることで、その含量が変わり得るものであって、例えば、総１００重量％中、前記母物質を約２５重量％〜約６５重量％含むことができる。前記範囲の母物質を含むことにより、前記多孔性セラミックタイルに適切な成形性及び焼結性を付与することができ、さらに機械的安定性を確保することができる。

前記多孔性セラミックタイルは、硅藻土、長石、陶石、石灰、乳白剤、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つ以上の添加物をさらに含むことができる。前記添加物の含量は、特に制限されるものではなく、前記多孔性セラミックタイルの機能を損なわない範囲内で適切に採用することができる。
具体的に、前記多孔性セラミックタイルは、総１００重量％に対して、前記添加物を約５重量％以下、具体的には、約３重量％以下を含むことができる。前記含有量の添加剤を含むことにより、γ−アルミナ、ガラス質結合物質及び母物質の含量を適切に調節することができ、前記多孔性セラミックタイルの成形強度、焼成強度等の物理的安定性及び吸放湿性の機能を一定水準維持することができる。

前記添加物のうち、硅藻土は、吸収性が豊富な多孔質であって、多孔性セラミックタイルの形成に添加される場合、吸湿機能をより向上させることができ、その他、珪石、長石、陶石及び石灰等も、それぞれ適切な量で中に含まれ得る。併せて、前記乳白剤は、ガラス製品が白光を帯びるようにするために添加する粉末であって、その種類は、特に制限されるものではないが、塩化物、スズ、チタン酸化物、硫酸塩、リン酸塩、ヒ酸塩及びフッ化物からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。

前記多孔性セラミックタイルの曲げ強度は、約１０ＭＰａ〜約２０ＭＰａであってよい。曲げ強度は、曲げ試験において、破壊時の最大引張応力をいうが、多孔性セラミックタイルに曲げ圧力を加えたとき、多孔性セラミックタイル破壊時の最大引張応力を意味する。通常の多孔性セラミックタイルの曲げ強度は、約１０Ｍｐａ未満の曲げ強度を有するものと測定されるが、前記多孔性セラミックタイルは、バインダの役割をするガラス質結合物質を約５重量％〜約２０重量％含むことで、通常の多孔性セラミックタイルの曲げ強度に比べて約１００％以上向上した曲げ強度を確保することができる。

多孔性セラミックでない一般のセラミックタイルの曲げ強度は、約２０ＭＰａ程度であり、この場合、運送及び施工中、破損が極めて稀に発生するので、これを適切な強度の基準とするのが普通である。それゆえ、前記多孔性セラミックタイルの曲げ強度は、一般のセラミックタイルの曲げ強度と類似しており、多孔性セラミックタイルの作製、運送及び施工時に生じる物理的衝撃による破損、クラック発生等を最小化でき、損失率を減らすことができて、生産単価を減らし、施工速度を向上させることができる。

前記多孔性セラミックタイルの吸放湿量は、約６０ｇ／ｍ^２〜約１００ｇ／ｍ^２であってよい。前記多孔性セラミックタイルの吸放湿量は、ヒトにとって最も快適な生活ができるといった中湿領域（温度約２５℃、相対湿度約５０％〜約７５％）で湿度を調節するために必要であり、前記タイルの吸湿量と放湿量の平均で計算することができる。前記タイルの吸放湿量が前記範囲を維持することにより、湿気による不快指数を最小化でき、前記タイルでのカビ及び細菌の発生を抑制することができる。

また、前記多孔性セラミックタイルは、約１５重量％〜約６０重量％のγ−アルミナを含むが、多孔性セラミックタイル形成粒子の表面に一定水準以上の孔隙率を有する気孔を含むことができる。また、ガラス質結合物質を共に含むにもかかわらず、前記γ−アルミナの含有量の調節と同時にガラス質結合物質の含有量を調節するが、空気の出入を円滑にするための一定大きさの多孔性セラミックタイル形成粒子間の気孔を確保することができる。

図１は、本発明の一実施例である多孔性セラミックタイルを図式化して示したものである。前記多孔性セラミックタイルは、前記ガラス質結合物質により連結された多孔性セラミックタイル形成粒子を含むことができる。

具体的には、多孔性セラミックタイル形成粒子がガラス質結合物質により連結され得、前記多孔性セラミックタイル形成粒子の表面に微細気孔、前記多孔性セラミックタイル形成粒子間に開いた気孔を含むことができる。また、前記多孔性セラミックタイル形成粒子は、微細気孔と同時にガラス質結合物質により塞がった微細気孔を含むことができ、それぞれの物質の含量を調節して曲げ強度及び吸放湿性を最適化することができる。

前記多孔性セラミックタイルは、従来の多孔性セラミックタイルを図式化して示した図２と比べて、多孔性セラミックタイルを形成するγ−アルミナ及びガラス質結合物質の含量を調節して含むが、ガラス質結合物質がバインダの役割をさらに強固に果たすことにより、従来の多孔性セラミックタイルに比べてより高い強度を確保することができる。

前記多孔性セラミックタイル形成粒子の気孔率は、約３０％〜約５０％であってよい。具体的には、多孔性セラミックタイル形成粒子の表面に分布された微細気孔と多孔性セラミックタイル形成粒子間に形成された開いた気孔の気孔率を意味するが、前記気孔率は、前記微細気孔及び開いた気孔の孔隙の程度を示す数値、即ち、前記気孔率は、多孔性タイル形成粒子の全体積に対するタイル内部の開いた気孔及び微細気孔体積の百分率を意味する。

前記多孔性セラミックタイルは、γ−アルミナの他にガラス質結合物質を含み、前記ガラス質結合物質により塞がった微細気孔が生じ得るが、前記γ−アルミナ及びガラス質結合物質の含量を調節することで、前記範囲の気孔率を維持することができ、それによって、高い調湿機能に起因した優れた湿度調節効果を容易に具現することができる。

前記多孔性セラミックタイルは、平均直径が約０．５μｍ〜約５０μｍである気孔を含むことができる。具体的に、前記気孔は、前記多孔性セラミックタイル形成粒子間に形成された気孔であって、開いた気孔ともいい、空気の出入を円滑にするための空間を意味する。より具体的に、前記気孔の平均直径は、前記開いた気孔径の算術的な平均値をいう。

前記多孔性セラミックタイルがガラス質結合物質を含むことでバインダまたは接着剤の役割を果たすことにより、従来の多孔性セラミックタイルの開いた気孔に比べて相対的に小さくなった開いた気孔の平均直径を有するが、前記ガラス質結合物質の含有量を調節し、前記範囲内の開いた気孔の平均直径を維持することができ、それによって、空気及び水分等が出入するのに円滑な流れを確保することができ、タイルの強度が高く維持されることで、タイル内部の微細気孔を有するγ−アルミナの相対量が一定に維持され、調湿機能を確保することができる。

具体的に、前記多孔性セラミックタイルは、平均直径が約１ｎｍ〜約５０ｎｍである気孔を含むことができる。このとき、前記気孔は、多孔性セラミックタイル形成粒子の表面に分布された微細気孔であってよく、微細気孔が前記範囲の平均直径を維持することでタイルの強度を高く維持でき、調湿機能もまた確保することができる。

それゆえ、前記多孔性セラミックタイルは、前記ガラス質結合物質及び前記γ−アルミナを同時に一定含量含むことで、前記多孔性セラミックタイルの強度及び吸放湿性を共に確保することができる。

以下においては、本発明の具体的な実施例を提示する。ただし、下記に記載された実施例は、本発明を具体的に例示または説明するためのものに過ぎず、これによって本発明が制限されてはならない。

＜実施例及び比較例＞
下記表１に記載の固形成分の混合物を、総量（％）に対比して水を約２０〜５０％加えてボールミルを通して粉砕し、これにより得られたスラリーを噴霧乾燥工程を通して均一に混合し、含水率が８％、平均粒度３００μｍの球形の顆粒粉末を製造した。このとき、前記製造された顆粒粉末は、下記表２に記載の固形成分を含む。

次いで、前記顆粒粉末を乾式プレス成形し、横、縦、厚さがそれぞれ５ｃｍ、５ｃｍ、０．６ｃｍである多孔性セラミックタイルを製造した。次に、電気加熱炉（Ｆｕｒｎａｃｅ）に投入し、８５０℃の温度で５分間焼成して、多孔性セラミックタイルを製造した。

具体的に、製造過程中、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）はγ−アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）は生石灰（ＣａＯ）に変わり、水酸化アルミニウムのγ−アルミナ転換率は、約０．６〜約０．７であり、炭酸カルシウムの生石灰転換率は、約０．５〜約０．６であってよいが、下記表１及び表２において、水酸化アルミニウムのγ−アルミナ転換率は０．６５４、炭酸カルシウムの生石灰転換率は０．５６であった。

＜実験例＞−多孔性セラミックタイルの吸放湿性及び屈曲強度の測定
前記実施例及び比較例の多孔性セラミックタイルの吸放湿性及び屈曲強度を測定し、その結果を下記表３に示した。

１）吸放湿量:２５℃の温度及び相対湿度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ、ＲＨ）５０％の条件で、２４時間の間、前記実施例及び比較例の多孔性セラミックタイルを放置した後、さらに２５℃の温度及びＲＨ７５％の条件で、１２時間の間維持して重量差を測定し、さらに２５℃の温度及びＲＨ５０％の条件で、１２時間の間維持した後、重量差を測定し、その平均値を単位面積に換算して計算した。
２）屈曲強度：屈曲強度を測定するために、３点曲げ強度法を用いたが、横、縦がそれぞれ約５ｃｍ、５ｃｍ、高さが０．５ｃｍである直方体状のタイルを３個ずつ作製した後、破壊が生じるまで力を加えて曲げ強度を測定した。
前記曲げ強度は、（３ＰＬ）／（２ｗｔ＾２）により計算され、このとき、Ｐは、タイルが破壊された時の最大荷重、Ｌは、外部間隔、ｗは、タイルの幅、ｔは、タイルの厚さである。

前記表２及び表３を参照すると、実施例１乃至６は、γ−アルミナ１５重量％〜６０重量％、及びガラスフリット５重量％〜２０重量％を含んで形成された多孔性タイルであって、屈曲強度の場合、約１０ＭＰａ〜約２０ＭＰａの範囲内に測定され、吸放湿性を示す坪量は、約６０ｇ／ｍ^２以上を示したが、前記多孔性セラミックタイルが、ガラス質結合物質及びγ−アルミナの含量調節により、屈曲強度及び吸放湿性を同時に確保することを類推することができた。

これに対して、γ−アルミナを含有量に比べて少なく含んでいる比較例１の場合、屈曲強度は最適化されたが、ガラスフリットが多孔性タイルの気孔を塞ぎ、吸放湿性を確保することができず、γ−アルミナを含有量に比べて多く含んでいる比較例２の場合、相対的に母物質、即ち、粘土の含量が低くなって焼成（成形）強度が減少し、多孔性セラミックタイルの製造において焼成中に破壊された。

また、ガラス質結合物質を含有量に比べて少なく含んでいる比較例３の場合、γ−アルミナの含有によって吸放湿性は最適化されたが、低いガラス質結合物質の含量によって弱い強度を有することとなり、ガラス質結合物質を含有量に比べて多く含んでいる比較例４の場合は、過量のガラス質結合物質によって焼成中の収縮が激しく、曲げられて破壊された。

Claims (10)

1. γ−アルミナ１５重量％〜６０重量％及びガラス質結合物質５重量％〜２０重量％を含む多孔性セラミックタイルであって、
   前記ガラス質結合物質により連結された多孔性セラミックタイル形成粒子を含み、
   前記多孔性セラミックタイル形成粒子の表面に分布された平均直径が１ｎｍ〜５０ｎｍの微細気孔及び前記多孔性セラミックタイル形成粒子間に形成された平均直径が０．５μｍ〜５０μｍの開いた気孔を含む、多孔性セラミックタイル。
2. 前記γ−アルミナは、窒化アルミニウム、炭酸アルミニウム、塩化アルミニウム、塩化アルミニウム二水和物、水酸化アルミニウム、アルミニウムクロリド、アルミナイトライド、アルミナゾル、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つのアルミニウムソースが相転移した物質を含む、請求項１に記載の多孔性セラミックタイル。
3. 前記ガラス質結合物質は、ガラスフリットを含む、請求項１に記載の多孔性セラミックタイル。
4. 前記多孔性セラミックタイルは、総１００重量％中、母物質を２５重量％〜６５重量％を含む、請求項１に記載の多孔性セラミックタイル。
5. 前記母物質は、粘土、白土、黄土、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つ以上を含む、請求項４に記載の多孔性セラミックタイル。
6. 硅藻土、長石、陶石、石灰、乳白剤、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つ以上の添加物をさらに含む、請求項１に記載の多孔性セラミックタイル。
7. 前記多孔性セラミックタイルは、総１００重量％に対して、前記添加物を５重量％以下含む、請求項６に記載の多孔性セラミックタイル。
8. 前記多孔性セラミックタイルの曲げ強度は、１０ＭＰａ〜２０ＭＰａである、請求項１に記載の多孔性セラミックタイル。
9. 前記多孔性セラミックタイルの吸放湿量が、６０ｇ／ｍ^２〜１００ｇ／ｍ^２である、請求項１に記載の多孔性セラミックタイル。
10. 前記多孔性セラミックタイル形成粒子の気孔率が、３０％〜５０％である、請求項１に記載の多孔性セラミックタイル。

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