KR100386881B1

KR100386881B1 - 고강도의 무기질 경량 발포 세라믹 제조방법

Info

Publication number: KR100386881B1
Application number: KR10-1999-0044964A
Authority: KR
Inventors: 손명모
Original assignee: 손명모
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2003-06-09
Also published as: KR20010037434A

Abstract

본 발명은 고강도의 무기질 경량 발포 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것으로, 종래에는 심한 부피 팽창이 일어나면서 최종 제품의 치수제어가 힘들어 절단 및 연마의 가공공정이 따르고, 심한 발포로 인한 붕판에 유리질 성분이 부착되어 탈지에 상당한 어려움이 따랐다. 그리고, 유리질 성분이 너무 많으면 불균일한 큰 기포가 형성되어 건축용 판재로서의 기계적 강도가 떨어지는 문제점으로 벽재 및 바닥재의 경량재로 사용할 경우 압축 강도에 상당한 문제점을 야기시켰다. 즉, 보통 큰 기물 형태로 소성하여 절단 및 연마 가공공정을 거쳐서 약간 두거운 두께로 제조하고 있으나, 절단 및 연마 가공공정에 비용이 가중되기 때문에 실제 경량 발포 세라믹 전체의 제조단가가 높은 단점을 가지고 있다.

이에 본 발명은, 천연 유리화원료 및 천연원료의 량을 최대로 낮추고 대신에 열팽창 계수가 적은 무알카리계 폐유리와 내화성이 우수한 폐세라믹 섬유를 첨가시킨 고강도의 무기질 경량 발포 세라믹을 제조하므로서, 표면이 치밀하고 평활하며 광택이 없는 광도상에 유리질이고 직경이 0.1∼5mm 정도의 미세한 균일 폐기공을 갖으며, 밀도 0.9∼1.2 정도로 제조할때 부피의 수축이 거의 없게 하여 건축용 벽재, 바닥재, 플랜트용의 경량 불연의 단열과 보온재료에 아주 이상적으로 적용하는 고강도의 무기질 발포 세라믹 제조방법을 제공한다.

Description

고강도의 무기질 경량 발포 세라믹 제조방법{MANUFACTORY METHOD OF DISCHARGE CERAMIC LIGHT WEIGHT WITH INORGANIC MATTER A HIGH STRENGTH}

본 발명은 고강도의 무기질 경량 발포 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 표면이 치밀하고 평활하며 광택이 없는 광도상에 유리질이고 직경이 0.1∼5mm 정도의 미세한 균일 폐기공을 갖고 밀도 0.9∼1.2 정도로 제조할때 부피의 수축이 거의 없는 고강도의 무기질 경량 세라믹 소결체를 제조하여 건축용 벽재, 바닥재, 플랜트용의 경량 불연의 단열과 보온재료에 아주 이상적으로 적용할수 있도록 하는 고강도의 무기질 경량 발포 세라믹 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 무기질의 경량 발포 세라믹은 점토성분(일부 팽창점토, 혈잠, zeolite 등 첨가)과 천연융제(장석, 조석, 석회석 등)가 배합된다.

이와같은 세라믹 혹은 유리질 경량 발포체들은 연화 및 발포 과정에서 충분한 표면 유리질 층과 밀도 0.9 이하의 경량화를 위하여 과도한 발포 및 연화과정을 거치므로, 심한 부피 팽창이 일어나고 또한 배합된 천연 발포성 원료들의 불균일한 발포로 경량화의 잇점은 있으나, 최종 제품의 치수제어가 힘들어 절단(cutting) 및 연마의 가공공정이 따른다.

또한, 심한 발포로 인한 붕판에 유리질 성분이 부착되어 탈지에 상당한 어려움이 따랐다.

그리고, 유리질 성분이 너무 많으면 불균일한 큰 기포가 형성되어 건축용 판재로서의 기계적 강도가 떨어지는 문제점이 초래되었다.

따라서, 벽재 및 바닥재의 경량재로 사용할 경우 압축 강도에 상당한 문제점을 야기시켰다.

그래서, 보통 큰 기물 형태로 소성하여 절단 및 연마 가공공정을 거쳐서 약간 두꺼운 두께로 제조하고 있으나, 절단 및 연마 가공공정에 비용이 가중되기 때문에 실제 경량 발포 세라믹 전체의 제조단가가 높은 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 천연 유리화원료 및 천연원료(예: 장석, 조석, 알카리 원료 등)의 량을 최대로 낮추고 대신에 열팽창 계수가 적은 무알카리계 폐유리와 내화성이 우수한 폐세라믹 섬유를 첨가시킨 고강도의 무기질 경량 발포 세라믹을 제조하므로서, 표면이 치밀하고 평활하며 광택이 없는 광도상에 유리질이고 직경이 0.1∼5mm 정도의 미세한 균일 폐기공을 갖으며, 밀도 0.9∼1.2 정도로 제조할때 부피의 수축이 거의 없게 하여 건축용 벽재, 바닥재, 플랜트용의 경량 불연의 단열과 보온재료에 아주 이상적으로 적용할수 있도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기 목적달성을 위한 본 발명 고강도의 무기질 경량 발포 세라믹은,

무알카리계 폐유리(brown관용 bulb유리 및 E-glass) 20∼60wt%에 폐세라믹섬유(alumino-silicate계 세라믹섬유)를 10∼30wt%로 첨가하고,

상기 폐세라믹섬유가 첨가된 폐유리에 10∼30wt%의 폐석고와 장석, 고령토, 제올라이트와 같은 천연원료 20∼50wt%로 배합하며,상기 배합물을 토련기에서 습식 성형하여 건조시킨 후 1050∼1150℃의 소결온도에서 충분히 발포 소결하여 직경이 0.1∼0.5mm의 균일 미세한 폐기공을 갖고 그 밀도가 0.9∼1.2의 범위를 갖는 고강도 및 고탄성의 발포 세라믹 소결체를 제조함을 특징으로 하는 것이다.

상기의 구성에 의하여 본 발명은, 일반 발포 세라믹에 사용된 점토성분과 장석성분의 상당량을 무알카리계 폐유리와 폐세라믹섬유로 치환하므로서, 종래의 고온 판넬 및 과도한 부피 팽창으로 인한 강도 저하등의 문제점을 해결하였다.

즉, 30∼70wt%로 혼합된 무알카리계 폐유리 및 폐세라믹섬유에 폐석고를 10∼30wt%를 배합하고, 이에 다시 20∼50wt%의 천연원료를 배합한다.

그리고, 상기의 배합물에 30∼50%의 물을 가해 습식 혼합한 후, 이를 토련기로 압출 성형하여 건조시킨다.

이때, 상기 건조물을 1050∼1130℃의 비교적 낮은 소결온도에서 소성시키면, 고강도 및 고탄성의 무기질 경량 발포 세라믹이 제조되는 것이다.

여기서, 본 발명으로 제조되는 발포 세라믹은 습식으로 제조하기 때문에 압출 성형 및 주입 성형도 가능하고, 성형에 대한 자유도가 훨씬 자유롭게 제공되므로서, 공업재료(dorn형이나 pipe관 등)의 성형에도 가능하다.

이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 발포성 세라믹 원료로는 폐유리, 폐세라믹섬유, 폐석고, 장석, 고령토, zeolite에 발포성분으로 SiC, Sb₂O₃등이 미량 첨가된다.

즉, 본 발명의 배합조건은 폐유리 20∼60wt%, 폐세라믹섬유 10∼30wt%, 폐석고 10∼40wt%, 천연원료 20∼50wt%에 소량의 발포제 0.1∼3wt%를 첨가하면 좋다.

이 경우, 폐유리는 20wt% 이하에서는 천연원료의 장석이나 조석을 30wt% 첨가하여야 하므로 발포 및 유리화 온도가 올라가게 되고, 열팽창 계수가 크므로 균열의 원인이 된다.

또한, 폐유리가 60wt% 를 초과하면 너무 유리화 온도가 낮아져서 발포 팽창현상이 커지면서 미세 균일 발포에 문제가 많이 발생하게 되므로, 상기 폐유리의 최적범위는 25∼50wt% 이다.

폐세라믹섬유는 강도 및 탄성을 증대시키기 위한 목적으로 첨가되는 것으로, 이는 10wt%이하에서는 효과가 매우 적고, 30wt%이상에서는 유리화할때 점성이 너무 올라가서 발포가 잘되지 않아, 발포 온도를 상승시킬수 밖에 없으며, 역시 소결온도가 1250℃ 이상이어야 하고, 1250℃ 이하일때는 냉각시 균열 발생의 원인이 되고, 균일한 발포조건을 얻기가 힘들다.

따라서, 폐유리섬유의 최적 배합비는 10∼25wt% 가 적절하며, 1050∼1100℃ 부근의 충분한 멀라이트(mullite: 사방정계(斜方晶系)에 속하는 광물로서 산화알루미늄과 산화규소의 화합물이고, 화학성분은 3Al2O3, 2SiO2이다. 주상결정(柱狀結晶)을 이루며, 굳기 7.5, 비중 3이다.)결정의 색출로 인하여 기계적 강도가 향상되었고, 소결체 밀도가 증가하였다.

일예로, 세라믹섬유의 증가량에 따른 소결체의 밀도 및 강도 향상에 대하여 살펴보면,

폐유리 40∼45wt% 함량에서 20∼25wt%의 세라믹섬유가 첨가된 경우 가장 높은 밀도와 강도값을 나타내었으며, 고강도이 우직한 경량 발포 세라믹 건재가 제조되었다.

기존 천연원료의 석회석 대신에 폐석고를 첨가시킨 결과 발포의 효과도 좋고 자원의 재활용 측면에서 유리했다.

폐석고 10wt% 미만의 첨가는 효과가 미비하고, 40wt% 이상은 석고에 함유된 SO₃가스의 과도한 발포로 불균일 기공을 야기되어 소결체의 강도를 저하시켰으므로, 가장 적절한 범위는 폐석고 10∼30wt%로 사료된다.

천연원료는 되도록 이면 적게 사용하는 것이 바람직하며, 자원의 재활용 측면에서 좋지만 20wt% 미만에서는 장석과 zeolite의 함량이 각각 10wt% 이하가 되므로 발포가 일어나지 않았다.

또, 50wt% 이상 첨가의 경우에는 고령토의 함량이 15wt% 이상 첨가될 경우 발포 및 소결온도가 너무 올라가서 발포조건을 맞추기 힘들며, 장석 및 zeolite의 함량 40wt% 이상될 경우 천연원료의 가격이 올라가고, 발포가 너무 과도하게 일어나서 기계적 강도를 저하시킨다.

따라서, 천연원료의 최적범위는 20∼35wt%가 적절하며, 특히 고령토는 5∼15wt%가 최적이다.

발포제는 별도로 첨가시키지 않아도 되지만 신속 소성의 경우 SiC 혹은 Sb₂O₃를 0.1∼1.0wt% 정도 첨가시키면 균일한 미세 폐기공을 얻을수 있게 된다.

상기 조건으로 배합된 원료에 묵을 30∼50wt% 첨가하고 이를 볼밀(ballmill:원통내에 파쇄하고자 하는 물품을 강구(鋼球)와 함께 넣어 원통을 회전시킴으로서 서로의 충돌에 의해 분쇄하는 파쇄기(Crusher)의 일종이다.)에서 분쇄 및 혼합하여 슬립(slip)을 만들고 토련기에 넣어 압출 성형한다.

멀라이트(mullite)질의 내화제 붕판에 Al₂O₃또는 돌로마이트(dolomite:삼방정계(三方晶系)에 속하는 광물로서 백운석(白雲石),고회석(苦灰石)이라고도 하고 화학성분은 CaMg(CO3)2이다. 굳기 : 3.5~4, 비중 : 2.8~2.9 을 가진다) 계통의 이형재를 적절히 산포하고 그 위에 성형체를 놓고 건조시킨 후 붕판채로 대형 전기가마에 넣어 1050∼1150℃까지 승온시켜 0.5∼2시간 가량 유지시킨 후 급냉시켜서 350∼400℃ 부근에서 급출시켜도 전혀 크랙이 없는 균일한 미세 폐기공(독립 폐기공)을 가진 고강도 경량 발포 세라믹을 제조하였다.

여기서, 제조되는 고강도의 경량 발포 세라믹의 흡식율은 거의 0.1%이하이고 밀도는 0.9∼1.2kg/l였으며 압축강도는 우수하게 나타났다.

본 발명의 제 1 실시예를 표1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 무알카리계 폐유리 25∼50wt%와 폐세라믹섬유 10∼25wt%에 폐석고 10∼30wt%를 배합하여 물 30∼50%를 첨가한 ballmill에서 4시간이상 미분쇄시킨 후, 토련기를 이용하여 적당한 크기(150 ×70 ×30mm)로 압출 성형한다.

먼저, 무알카리계 폐유리 25∼50wt%와 폐세라믹섬유 10∼25wt%에 폐석고 10∼30wt%를 배합하여 물 30∼50%를 첨가한 볼밀(ballmill)에서 4시간이상 미분쇄시킨 후, 토련기를 이용하여 적당한 크기(150 ×70 ×30mm)로 압출 성형한다.

이후, 이형제(Al₂O₃, MgCO₃, Dolomite powder 등)를 산포한 멀라이트(mullite)제 붕판위에 놓고 공기중 건조시킨 후 붕판채로 승온속도 5∼10℃/min으로 1050∼1150℃ 까지 승온시켜 30∼40분 가량 유지시키면, 5∼10℃/min 속도로 냉각이 이루어지고, 상기 냉각에 따라 350∼400℃ 에서 노출시키면 고강도의 경량 발포 세라믹 제조가 이루어지는 것이다.

먼저, 각 원료의 배합비를 본 발명의 제 1 실시예에서와 동일하게 한 후 그 소결온도를 1050∼1100℃에서 90∼120분간 소결하여 냉각시킨 경우, 밀도가 0.9∼1.0 정도의 고강도 경량 발포 세라믹이 얻어진다.

이의 몇가지 예는 표2에 나타내었다.

여기서, 참비중의 측정은 참비중 측정장치로 상온에서 측정하고, 고강도측정은 10cm ×10 ×2 크기의 시편으로 만들어 시험한다.

따라서, 상기 표2에서와 같이 폐유리가 40∼45wt%, 폐세라믹섬유가 20∼25wt%를 첨가시 폐유리 및 폐세라믹섬유에서 Al₂O₃의 함량이 증가하고, 고강도가 가장 높았으며, 기존 발포 세라믹 보다 거의 2배 이상의 고강도 값을 가졌다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명의 고강도 경량 발포 세라믹은 강도 증대 및 치수제어를 우하여 무알카리계 폐유리, 폐세라믹섬유, 폐석고를 첨가하기 때문에 일반 천연원료만으로 제조하는 발포 세라믹에 비하여 소결온도가 낮고, 열팽창계수가 적으며, 이로인하여 냉각시 불량율이 적어지는 효과가 있다.

더불어, 폐자원을 60∼80%로 사용하기 때문에 제품의 원가부담을 줄일수 있을뿐만 아니라 고강도인 관계로, 건축 외장재, 바닥재로도 가능하다.

또한, 발포가 심하지 않기 때문에 치수제어의 어려움이 적고 단열 및 방화용 공업재료의 각종 규격에 쉽게 맞출수 있는 잇점일 제공한다.

Claims

무알카리계 폐유리(brown 관용 bulb 유리 및 E-glass) 20∼60wt%에 폐세라믹섬유(alumino - silicate계 세라믹 섬유)를 10∼30wt%로 첨가하고,

상기 폐세라믹섬유가 첨가된 폐유리에 10∼30wt%의 폐석고와 장석, 고령토, 제올라이트와 같은 천연원료 20∼50wt%로 배합하며,

상기 배합물을 배합물 중량의 30~50wt%의 물을 가해 습식 혼합 한후 토련기로 압출성형하여 건조시킨 다음 1050∼1150℃의 소결온도에서 충분히 발포 소결하여 직경이 0.1∼0.5mm의 균일 미세한 폐기공을 갖고 그 밀도가 0.9∼1.2의 범위를 갖는 고강도 및 고탄성의 발포 세라믹 소결체를 제조함을 특징으로 하는 고강도의 무기질 경량 발포 세라믹 제조방법.