KR100386884B1

KR100386884B1 - 연마 슬러지와 폐유리 섬유를 이용한 발포 세라믹의 제조방법

Info

Publication number: KR100386884B1
Application number: KR10-1999-0063541A
Authority: KR
Inventors: 손명모
Original assignee: 손명모
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2003-06-09
Also published as: KR20010061060A

Abstract

본 발명은 T.V.Brown 관 연마후 폐슬러지 혹은 반도체표면 연마후 슬러지 등과 유리섬유 제조후 부생되는 폐유리 섬유등을 최대 90%까지 혼합하여 제조될 수 있는 경량발포세라믹 제조방법으로 표면이 치밀하고 평활하며, 광택이 우수한 高강도 발포세라믹을 얻을 수 있다.

종래에 주로 화산재나 폐수슬러지등을 많이 이용하여 제조한 발포세라믹의 경우 너무 과대한 발포로 경량성은 좋으나 경도가 약하고 기계적 강도도 많이 떨어져 천정재외 실제벽재나 바닥재로 사용하는데 문제가 많았다. 또한 천연장석, 도석 등을 유리질 융재로 이용한 발포세라믹의 경우 유리화 온도가 너무 높아서 소결후 냉각시 냉각대가 아주 길지 않으면 노출시 냉파에 의한 불량율이 아주 높다.

이러한 제반 문제점을 개선하기 위하여, 천연유리질 원료(진주회, 규암 등)와 알카리 융제에 해당하는 천연원료(장석, 도석, 규회석)등을 잘 혼합하여 배합하고 있지만 소결온도를 1200℃이하로 낮추기는 거의 힘들고 너무 높은 소결온도에서의 발포로 팽창현상이 너무 심하여 폐기공의 크기가 너무 크고 기계적 강도가 떨어지는 것이 문제였다.

이에 본 발명은 유리질 성분이 주성분인 폐유리섬유와 폐연마슬러지(T.V.Bro-wn관 전면유리 연마후 부생되는 원료)를 50∼90%정도 혼합한 배합조건으로 연마슬러지, 폐유리섬유, 황토 및 고령토, 규조토, 장석, 발포제 등의 원료를 칭량하여 물을 30∼60% 첨가한 상태에서 ball milling 시킨후 토련기를 이용하여 습식성형한후 Alumina, ZrO₂, 백운석 등의 미립자를 살포한 mullite질 붕판위에 기물을 놓고 건조시킨후 siliconit단가마에 넣어서 1100∼1150℃에서 30∼90분간 발포소결시킨후로냉시키고 300∼350℃ 부근에서 노출시켜서 직경 0.1∼0.5mm의 균일 미세폐기공과 밀도 0.8∼1.3범위로되는 고강도 고탄성의 무기질의 경량발포세라믹을 제조하는 방법을 제공한다.

Description

연마슬러지와 폐유리섬유를 이용한 발포세라믹의 제조방법{Preparation of foamed ceramics using the polishing slags and glass fibres}

본 발명은 연마슬러지와 폐유리섬유를 이용한 발포세라믹 소결체의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 폐자원을 70∼90% 활용하기 때문에 제조가격이 낮고 유리섬유와 연마슬러지 성분의 결정화와 인성으로 인하여 기계적강도가 우수한 재질로 건축용 벽재 및 공업용 각종 단열 보온재로 적합하다.

또한 표면도 평활하며, 광택과 matt를 열처리 조건에서 조절할 수 있다.

종래 천연원료(화산재 및 점토광물 등)을 이용한 발포세라믹 소결체들은 발포팽창 및 소결온도(1250∼1300℃)가 높고 팽창계수가 크기 때문에 냉각시 냉파에 의한 불량율이 높다.

또한 폐자원(폐수, 하수슬러지 등)을 이용한 발포세라믹의 경우는 슬러지에 불순문이 너무 많아 색상이 너무 어둡고 과량의 유기물 함유로 인하여 강도나 경도가 너무 떨어져 실제 건축용 벽재로 사용하는데 문제가 많다.

따라서, 건축용 천정재로 일부 사용가능하나 내장재, 외장재, 벽재, 바닥재 또는 공업용 각종 단열 보온재로 사용하기는 어렵다고 볼 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 천연원료 및 화산재 대신에 자원재활용 측면에서 폐연마슬러지와 폐유리섬유를 50∼90%까지 배합하였고 나머지 천연원료로 아주 가격이 저렴한 황토, 폐규조토 등을 사용하고 원료에 대한 원가부담이 전혀 없다. 또한 연마슬러지와 폐유리섬유는 유리질 형성이 아주 용이하므로 소결온도도 1100∼1150℃ 부근으로 일반 발포세라믹 보다 100∼150℃나 낮아 냉각시 냉파에 의한 불량이 거의 없다. 유리섬유를 많이 배합하므로 인성이 높아서 기계적 강도도 우수하다.

따라서, 본 발명의 경량발포세라믹은 건축용 벽재의 내장, 외장 및 천징재료로아주 우수하며 불연, 단열 및 보온용 경량 건축재로 최상의 제품이 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예로서 연마슬러지+폐유리섬유+천연원료의 열분석 곡선도.

도 2는 본 발명의 일실시예로서 상기 배합된 원료로 성형된 기물을 1140℃에서 소결한 시편의 X-선 회절 분석도.

상기 목적 달성을 위한 본 발명의 경량발포세라믹의 제조는,

연마슬러지 10∼70wt%, 폐유리섬유 10∼70wt%, 황토 또는 고령토 5∼40wt%, 규조토 또는 벤토나이트 5∼35wt%, 장석 또는 석회석 0∼20wt%, 발포제 0∼5wt%의 원료배합 범위를 설정하는 단계와;

상기 단계에 의해 설정된 배합 범위내에서 원료를 혼합하여 적절한량의 수분을 첨가 후 ball mill에서 충분히 혼련 및 미분쇄시킨후 토련기에서 압출 성형후 건조시키는 단계와;

상기 단계에 의한 건조물을 kiln에 장입하고 일정한 가열속도(5∼10℃/min)로 승온하여 1100∼1150℃에서 30분 이상 발포팽창 및 소결시킨후 로냉시켜 경량발포세라믹을 제조하는 단계; 로 진행된다.

상기 구성에 의하여 연마슬러지, 폐유리섬유, 황토 또는 고령토, 규조토 또는 벤토나이트, 장석 또는 석회석, 발포제 등의 배합범위에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

[1] 연마슬러지

SiO₂성분과 알카리 성분을 많이 함유하고 있으므로 고온에서 유리질형성과 자원재활용측면에서 효과적이고, 10wt% 이하에서는 자원재활용의 효과가 적고, 유리질형성에 크게 영향을 주지 못한다.

그리고, 70wt% 이상에서는 슬러지의 함량이 너무 높아 무광택의 어두운 색상을 야기시키고 유리연화온도가 너무 떨어져 소결온도에서 과대한 발포를 유발 불균일 발포를 낳게 한다. 이것은 결국 기계적 강도를 떨어뜨리므로, 적정한 범위는 10∼65wt%이다.

[2] 폐유리섬유

유리질형성의 주성분으로 들어가며 천연원료인 장석이나 화산 재 보다 연화온도가 훨씬 낮기 때문에 소결온도를 낮출 수 있고, 열팽창계수가 낮기 때문에 노출시 불량을 최대로 줄일 수 있다.

10%이하 배합에서는 유리질형성과 자원재활용 측면에서 의미가 없다. 또한 유리질이 적으면 발포가 잘 되지 않는다. 그리고 70wt% 이상은 자원재활용의 효과는 크겠지만 너무 유리상태에서 점성이 떨어지므로 과대발포를 야기시킨다. 또한 이와같은 과대발포는 기공이 서로 연결되어 결국에는 폐기공이 아닌 표면까지 연결된 개기공을 만들 수 있다. 이것은 결국 흡수성을 증대시켜, 단열, 보온, 방음등의 효과가 떨어진다. 적정범위는 10∼65wt%이다.

[3] 황토 또는 고령토

유리질막으로부터 재료내의 강도를 보강하기 위하여 결정성 복합물질을 만드는데 도움을 두고 유리질의 점성을 상승시키는데 역활을 한다.

5%이하는 상기의 역할에 너무 미미하고 40% 이상은 너무 유리의 점성이 올라가 발포팽창 온도에서 소결될 때 유리질이 잘 형성되지 않는다.

이것은 재료전체로서의 점성이 너무 상승하여 발포가 어려워지고 유리질 표면이 잘 형성되지 않아 기포가 빠진후 생성되는 무수한 폐기공을 얻을 수가 없다.

이러한 현상이 일어나면 발포세라믹이 제조되지 않고 일반개기공을 가진 tile이나 적벽돌과 같은 치밀질의 소결체가 얻어진다. 따라서 적정범위는 5∼35wt%이다.

[4] 규조토 또는 벤토나이트

발포팽창에 보조재료로 들어가고 또한 SiO₂성분이 많기 때문에 결정화 소결시 재료의 강도 및 발포를 균일하게 하는데 효과적이다.

5%이하에서는 SiO₂성분을 얻기위한 의미가 없고 자원재활용(폐규조토)의 측면에서도 효과가 없다. 적정범위는 5∼30wt% 이다.

[5] 장석 또는 석회석

첨가시키지 않아도 상관은 없지만 발포를 보조해 주고 유리의 점성을 조절하는데 효과가 있다.

그렇지만 20% 이상 첨가는 천연원료의 cost가 올라가고 상대적으로 폐유리섬유의 함량이 낮아지므로 자원재활용의 의미가 적어지고 제품의 단가를 낮출수 없다. 적정범위는 0∼20wt% 이다.

[6] 발포제

탄화규소(SiC), 산화안티모(Sb₂O₃), 산화비소(AS₂O₃) 등의 발포제는 균일 발포 및 폐기공을 얻는데 아주 효과가 크다. 특히, 석회석과 발포제를 잘 조절하여 강도가 우수하면서도 균일한 폐기공을 갖는 재료가 개발될 수 있을 것이다.

그렇지만 발포제가 5%이상되면 너무 과도한 발포로 내화갑에 붙을 우려가 크고 냉각시 불량이 많다. 따라서 적절한 량은 4wt%까지이다.

그리고, 상기의 [1]∼[6] 까지의 배합범위에서 배합된 원료를 물 30∼60%를 첨가하여 ball mill에서 미분쇄 한 후 진공토련기로 압출 성형하여 대략 10×10×5cm 정도 크기의 벽돌형태로 성형하여 대기중 건조시키면 된다.

이후, 상기 건조물을 실리코니트(sillicont; SiC발열체 전기로를 말함) 전기로 속에 넣고 1100∼1150℃까지 5∼10℃/min의 속도로 가열시킨후, 30∼100분 소결발포시키고, 3∼15℃/min의 속도로 노냉(소성로에서 냉각시킴)시킨후, 300∼350℃ 부근에서 노출시켜 제품의 표면상태를 점검한 결과 균열이 없고 표면 평활도 및 치밀도가 좋고, 강도가 우수한 다양한 색상의 경량발포세라믹을 얻었다.

여기서, 상기 폐자원을 활용한 경량발포세라믹은 흡수율이 거의 0.3%이하였고, 밀도는 0.8∼1.3g/cc였으며, 압축강도는 100∼200kg/㎠ 로 일반 폐수슬러지나 화산재로 이용하여 제조한 경량발포세라믹(주로 외국제품 및 일부 국산제품 있음)(50∼80kg/㎠)보다 2배이상의 기계적 강도를 가졌다.

본 발명의 제 1 실시예를 표1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연마슬러지 10∼60wt%와 폐유리섬유 10∼60wt%에 황토, 규조토, 장석과 발포제를 적절히 배합하여 물 30∼50%를 첨가한 ball mill에서 8시간 이상 미분쇄 시킨후, 토련기를 이용하여 적당한 크기(10×10×5cm)로 압출 성형한다.

이후, 이형제(Alumina powder, MgCO₃, Dolomite powder 등)를 산포한 뮬라이트(mullite)제 붕판위에 놓고 공기중 건조시킨후 붕판채로 승온속도 5∼10℃/min로 1100∼1150℃까지 승온시켜 30∼60분 가량 유지시키고, 800∼900℃까지 10∼15℃/min로 급냉시킨후 400℃까지 서냉시킨다.

다시 350∼400℃에서 노출시키면 표면광택이 우수한 고강도의 경량발포세라믹 제품이 얻어진다.

한편, 본 발명의 제 2 실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 각원료의 배합비를 본 발명의 제 1 실시예에서와 동일하게 한 후 그 소결온도를 1100∼1150℃에서 30∼60분 가량 유지시키고, 800∼900℃까지 5℃/min로 서냉시킨후 10∼20분 유지시키고 400℃까지 서냉시킨다.

이후, 350℃ 부근에서 노출시키면 표면광택이 없는 matt 상의 표면결정화가 충분히 일어난 고강도의 경량발포세라믹 제품이 얻어진다.

또한, 본 발명의 제 3 실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 각 원료의 배합비를 본 발명의 제 1 실시예에서와 동일하게 한 후 그 소결온도를 1100∼1150℃에서 20∼30분간만 유지시키고 10℃/min속도로 900℃ 부근까지 냉각시키고 10∼20분간 유지시킨후 로냉시켜서 350℃ 부근에서 노출시킨다.

얻어진 시제품에 대한 열분석결과는 도 1과 같고, X-선회절분석 결과는 도 2와 같다.

도 2와 같이 연마슬러지내에 있는 Fe₂O₃성분이 충분히 결정성장되어 강한 X-선 회절 peak을 나타내고 있다.

특히, 제 3 실시예에 의해 얻어진 제품은 폐기공의 크기가 0.5mm 이하로 밀도가 1.1∼1.3 정도로 높고 기계적강도가 150∼200kg/㎠로 고강도 경량발포세라믹 건재가 얻어진다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명의 폐자원을 활용한 고강도 경량발포세라믹은 기계적 강도가 우수하고 소결시간과 냉각속도를 조절하여 광택, 무광택, 고강도제품을 자유자재로 만들 수 있고, 연마슬러지와 폐유리섬유등의 폐자원을 80∼90%까지 사용할 수 있다는 잇점이 있다.

또한, 폐유리섬유와 연마슬러지의 경우 열팽창계수가 적기 때문에 냉각 및 노출시 crack으로 인한 불량이 거의 없다.

또한, 발포가 심하지 않기 때문에 치수제어가 용이하고, 단열 및 방화용 각종 건축용 내외장재, 공업용 단열 보온재의 각종 규격에 잘 맞출수 있을 것이다.

Claims

연마슬러지 10∼70wt%, 폐유리섬유 10∼70wt%, 황토 또는 고령토 5∼40wt%, 규조토 또는 벤토나이트 5∼35wt%, 장석 또는 석회석 1∼20wt%, 발포제 1∼5wt% 로 원료배합 범위를 설정하는 단계와;

상기 단계에 의해 설정된 배합 범위내에서 원료를 혼합하여 적절한량의 수분을 첨가 후 ball mill에서 충분히 혼련 및 미분쇄시킨후 토련기에서 압출 성형후 건조시키는 단계와;

상기 단계에 의한 건조물을 kiln에 장입하고 일정한 가열속도로 승온하여 일정온도에서 일정시간 이상 발포팽창 및 소결시킨후 노냉시키는 단계; 로 진행함을 특징으로 하는 연마슬러지와 폐유리섬유를 이용한 발포세라믹의 제조방법.
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