KR100702160B1

KR100702160B1 - 폐유리를 이용한 고강도 및/또는 표면 광택을 지닌 발포유리 제품

Info

Publication number: KR100702160B1
Application number: KR1020050065666A
Authority: KR
Inventors: 강경중
Original assignee: 주식회사 환경과 유리
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2007-04-02
Also published as: KR20070010784A

Abstract

본 발명은 발포유리 제품 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명에 따른 발포 유리 제품은 우수한 강도 및/또는 표면광택을 갖는 발포유리 제품 및 그 제조방법을 제공하려는 것이다.

본 발명의 발포유리제품은 폐유리 미분 75~95중량부와 용융 폐기물 미분 5~25중량부와 붕사(Na2B2O7) 2~5중량부와 발포제 0.1~5중량부 및 무기 파우다 0.5~5중량부로 원재료를 조성하여 균일하게 혼합(Mixing)한 다음, 750 내지 850℃에서 가열, 발포(Foaming)시켜 제조할 수 있다.또한 그 표면에 저융점유리 미분을 이용하여 광택층을 이루도록 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 발포유리제품은 단열재나 판재, 경량 골재와 같은 건자재로 사용할 수 있다.

폐유리미분, 발포유리, 표면 광택층, 유리타일, 판유리

Description

폐유리를 이용한 고강도 및/또는 표면 광택을 지닌 발포 유리 제품 {Foamed glass products having surface luster and/or high strength property using waste glasses}

도1은 일반적인 발포유리 제품 제조 공정도.

도2는 기존 연속로 및 본 발명에 적용된 연속로의 가열 단계별 온도분포 곡선도.

도3 내지 도6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발포유리제품의 사진이다.

본 발명은 발포유리 제품 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명에 따른 발포 유리 제품은 우수한 강도 및/또는 표면광택을 갖는 발포유리 제품 및 그 제조방법을 제공하려는 것이다. 본 발명의 상기 발포유리제품의 제조방법에 의하면 새로운 heating zone을 적용함으로써 유리의 냉각과정에서 일어나는 균열 현상을 최소화 하는 효과를 얻을 수 있다.

발포 유리는 유리질의 고체상과 기체(기포 또는 기공)상의 복합체로서 경량, 단열, 내습, 내열, 내식 등의 특성을 가지기 때문에 이미 여러 나라에서 상용화 되어 왔으며 앞으로도 다양한 분야에서 다양한 용도로 개발될 것으로 기대되고 있다.

발포 유리 제품으로서 미합중국의 Pittsburg Corning.USA(FOAMGLAS)사를 비롯해 cell-u-Foam, USA 등의 회사에서는 주로 경량 정형 단열재 및 산업용 판재를 중심으로 활발한 생산이 이루어지고 있으며, Misapor AG, Switzerland 주식회사 솔 테크니카(일본), 삼양육운(일본)등의 회사는 발포경량 토목건축자재 및 조경용 충진재 및 토압 경감재(supersol) 등의 용도의 제품을 주로 개발 생산 하고 있다. 회사마다 다소 차이가 있으나 그 생산 공정은 개략 다음과 같다.

발포 정형단열재는 원료유리의 조성공정-용융-대분쇄(5~20mm)-조분쇄(1~3mm)-미분쇄(75~150㎛)-입자선별-혼합재 투입-소성(800~1000。C)-서냉-절단 및 가공 공정 등의 과정을 거치며, 발포 경량골재의 경우에는 폐유리자재-조분쇄-이물질 제거-미분쇄-입자별 선별-발포제 혼합 -소성-급냉각-포장 등의 공정을 거쳐 제조되고 있다.

이와 같이 소정의 품질 유지를 목적으로 발포에 적합한 유리를 만들어 분쇄 하거나, 또는 폐유리병이나 폐판유리 등을 조분쇄, 미분쇄 등의 공정을 거쳐 발포 원자재로 사용하고 있으나, 재활용 가능한 폐유리를 직접 발포 유리 공정에는 도입하고 있지 못하고 있어 발포 유리를 만들 수 있는 재활용 가능한 폐유리, 특히 유리 미분은 아직도 많은 양이 산업쓰레기로 분류되어 버려지고 있다.

현재까지 제안된 폐유리의 재활용 방안들로서는 회수하여 그대로 재사용하거 나 또는 유리제품의 원료유리로 재활용되거나, 또는 재활용이 불가능한 경우는 콘크리트와 섞어서 사용하거나, 글라스 비드를 만들어 도로 포장용에 사용하는 등의 용도 개발이 고작이며, 예를 들면, 글라스 비드 제조 시 발생 되어 폐유리로 분류 되고 있는 유리미분의 경우, 도로 표시용 글라스 비드 제조 시 발생하는 유리 미분(100미크론 미만)은 도로 표지 도료용 유리의 기능상 사용할 수 없으므로 연간 약 1만톤 정도 발생하는 유리 미분이 다시 폐 유리로 남는 실정(논문 발췌 현부성 박사/ 요업 기술원 1999년 2월 세라미스트 지 발표)에 있다.

또한, TV 브라운관용 유리를 연마할 때 파생하는 유리미분, 각종 판유리 가공 공정에서 발생 되는 유리미분도 조성 성분(하기 표1 참조)상 발포 유리의 자재로 사용함에 전혀 문제가 없고, 년간 발생량 또한 일정량의 발포유리 공장을 운영할 만큼 충분함에도 불구하고 버려지고 있는 실정이다.

법랑유리(porcelain enamel)의 제조 시, 혹은 법랑 유리 유약(porcelain enamel frit)의 제조 시 발생하는 폐유리나, 기타 frit제조공정에서 발생하는 폐유리 혹은 공예유리의 조성시 발생하는 폐유리나 그 미분(이하 "용융(熔融) 폐기물"로 표기함) 등은 법랑 유리나 공예유리의 특장인 저융점과 높은 점도를 이용하여 상기 폐유리 미분과 조합하여 사용 시 유용하게 사용할 수 있음에도 불구하고 현재 많은 양의 용융(熔融) 폐기물 이 폐유리로 버려지고 있다.

< 각종 유리의 성분 비교(Typical Composition of Various Glasses) >

Component	Approximate composition(wt%)
Component	폐유리병 (혼합)	판유리	일반유리용기	글라스비드 폐유리미분
SiO₂	74	71	71	71.4
CaO	11	9	5	9.16
Na₂O	14	16	16	13.3
Al₂O₃	1	1	3	1.22
MgO	-	3	3	4.02
B₂O₃	-		1	-

한편, 발포 유리 제조 기술은 현재 거의 공지의 기술로서 일반화 되어 있다. 예를 들면, 발포유리제조공정은 크게 원료유리조성공정과 발포공정으로 나눌 수 있다. 발포유리는 유리분말과 발포제를 잘 분쇄 혼합한 후, 적정 온도에서 열처리함으로써 기포가 형성된 발포유리를 제조할 수 있다. 열처리는 먼저 유리분말이 소결된 다음, 셀이 생성되는 것으로서 유리 분말과 발포제를 균일하게 혼합시켜 발포제가 유리입자에 코팅된 다음 열처리함으로써 이상적인 기포(closed cell)를 형성시킬 수 있다.

유리 발포제품은 제품 내에 많은 기공을 형성하는 고로, 강도가 약해 질 수 밖에 없는 문제점을 내포 하고 있고, 폐 유리의 특성상 본래의 색상이나 조성 성분이 다른 여러 가지의 유리 입자로 형성 되기 때문에 서로의 팽창계수가 다르고 용융온도가 다름으로 인하여 쉽게 균열 현상이 올 수 있는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 발포 유리 생산 공정상 아직도 에너지 소비가 너무 많은 문제점 및 현재까지 개시된 기술에 의하면, 발포 유리 제품은 표면광택이 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 강도를 보강시킨 발포유리제품 및 그 제조방법을 제공하려는 것이다.

본 발명은 표면 광택층이 형성된 발포유리제품 및 그 제조방법을 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 새로운 heating zone을 적용함으로써 유리의 냉각과정에서 일어나는 균열 현상을 최소화 하는 효과를 얻을 수 있는 발포유리제품의 제조방법을 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 폐기되는 폐 유리 미분을 재활용함으로써 자원 절약형 및 환경 친화형 발포유리제품 및 그 제조방법을 제공하려는 것이다.

본 발명의 발포유리제품은 폐기되는 폐유리 미분 75~95중량부와 용융 폐유리 5~25중량부와 붕사(Na₂B₂O₇) 2~5중량부와 발포제 0.1~5중량부 및 무기 파우다 0.5~5중량부의 조성으로 원재료을 조성하는 단계, 상기 원재료 조성물을 균일하게 혼합(Mixing)하는 혼합단계, 상기 혼합된 원재료 조성물을 750 내지 850℃에서 소성(가 열), 발포(Foaming)시키는 발포유리 형성 단계, 상기 발포유리를 냉각시키는 냉각단계 및 상기 냉각된 발포유리를 소정의 형상과 사이즈로 절단(Sizing)하는 제품화 단계를 거쳐 제조될 수 있다.

본 발명의 발포유리제품은 상기 혼합단계를 거친 원재료 조성물은 소정의 성형틀에 담거나, 내열 벨트 위에 적재시킨 형태로 하여 연속로와 같은 가열로에 넣어 가열, 발포시킬 수 있다.

본 발명에서 사용될 수 있는 폐유리 미분은 글라스 비드 제조 시 발생 되어 폐유리로 분류 되고 있는 미분이나, TV 브라운관용 유리를 연마할 때 파생되는 유리미분 또는 각종 판유리 가공 공정에서 발생 되는 미분 등 어떠한 유리 미분도 제한 없이 사용될 수 있다.

본 발명에서 사용될 수 있는 폐유리 미분의 입도분포는 통상 미분으로 버려지는 10~150미크론미터(㎛)범위의 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용될 수 있는 용융 폐기물은 하기 표2에 기재된 조성으로 이루어진 폐 유리 미분(또는 분말)으로서 5~25중량부의 조성이 바람직하다. 이와 같은 조성을 갖는 유리로서는 예를 들면, 저 융점의 법랑 유리나 법랑용 유리 프리트(frit) 또는 공예 유리 등의 폐기물 미분을 들 수 있다.

하기 표2에서 나타난 것과 같이 용융 폐기물에는 CaO가 다른 유리 조성에 비해 월등히 높아서 CaO의 특성상 안정제 산화물로서 용융 효과가 대단히 크고 점도를 낮추는 효과가 있으므로 일반 발포 유리 공정보다 제조상의 소성 온도를 많이 (20~30도) 낮출 수 있기 때문에 에너지 절감의 효과도 있다. 또한 K₂O가 0.07%(실제0.05~0.1% 변동가능)있기 때문에 서냉 온도를 낮추는데 도움이 된다.

<용융 폐기물의 물성 분석 표의 일례(wt%) >

조성성분	조성비(wt%)
SiO₂	50.4
Al₂O₃	0.15
CaO	47.3
MgO	1.17
Fe₂O₃	0.31
K₂O	0.07
Na₂O	0.09
TiO₂	0.01
SrO	0.01
강열감량	0.50

본 발명에서 사용될 수 있는 상기 무기 파우다는 하기 표3에 기재된 조성으로서 0.5~5중량부의 조성으로 사용하는 것이 바람직하다.

항목	wt%
SiO₂	61-65
Al₂O₃	10-15
CaO	5-10
MgO	1-5
Fe₂O₃	0.5-2
K₂O	0.1-0.5
Na₂O	2-5
TiO₂	0.1-0.5
MnO	0.1-0.5
ZnO	0.1-0.5

폐 유리는 그 특성상 본래의 색상이나 조성 성분이 다른 여러 가지의 유리 입자의 혼합물로 구성되어 있으므로 서로의 팽창계수가 다르고 용융온도가 다름으로 인하여 발포제품의 표면에 쉽게 균열 현상이 올 수 있다. 이를 해결하는 방법으로 본 발명에서는 무기 파우다를 사용하여 유리 결정화 기술을 공정에 도입한다. 이는 각 유리 입자가 표면의 예리한 각부부터 녹기 시작할 때 (750~800℃정도) 침상 결정을 형성시켜 서로 부분적인 융착만 하도록 하여 약간의 공극도 만들면서 서로 다른 팽창 계수로 인한 균열 현상을 방지할 수 있다.

또한 조성물의 구성상 발포 후 충격에 약한 점을 보완하기 위하여 붕사(Na₂B₂O₇)를 상기 원재료의 2~5 중량부 정도를 첨가, 사용할 수 있다. 이는 유리의 망목 구조 성분으로서 열 응력을 감소시켜 강도를 높여주는 B2O3의 공급원이 되어 내열성, 내구성, 저 팽창성을 보완하며 동시에 Na₂O도 공급됨에 따라 용융 온도를 낮추는 효과도 얻을 수 있다.

본 발명에서 사용될 수 있는 발포제는 발포유리 제품제조 시 사용되는 통상적인 발포제로서 예를 들면, 탄소나 탄산칼슘과 같은 탄화물계 발포제를 0.1~5중량부 사용할 수 있다.

본 발명의 발포유리 형성 단계는 대량생산과 작업 시간 절감을 위하여 예열부 가열부 서냉부로 이어지는 길이 20~30미터(m) 정도의 연속로를 사용하며(예를 들면, rotary kiln이나 roller hus kiln 등) 약 4~5시간 정도에 걸쳐 통과시키는 공정을 채택한다. 예열부와 서냉부를 제외하고 가열부 통과에 30분~60분을 소요하게 하나, 소성(가열) 과정에서 새로운 가열부(heating zone) 설계를 통하여 열 손실을 줄이고 정확한 온도 조절을 통하여 서냉(anealing) 공정을 제어함으로써 전체 소성 시간을 줄이면서 보다 더 효과적으로 유리 균열을 방지할 수 있다.

본 발명에 적용되는 연속로는 예열부 가열부 서냉부로 이어지는 통상의 연속로 형태로 구성되지만, 가열온도 및 그 제어범위를 다양한 종류의 폐유리 미분을 원료로 하는 본 발명의 발포 유리제품에 적합하게 새롭게 구성하였다.

통상적으로 가열로는 그 상하부, 혹은 양측면을 포함한 발열체로 3~5개의 발열부를 연속 배치하여 열을 집중시킴으로써 열효율을 극대화하는 동시에 그 잠열로 예열부와 서냉부에서 열을 유지하는 구조로 되어 있으나, 발포 유리의 특성상 서냉과정에서 균열이 오기 쉽기 때문에 유리 전이점(glass transition Temperature=Tg) 혹은 전이 영역 이상의 온도(약500~550℃)에서 약 60~90분의 시간을 유지하면서 서냉할 때 보다 더 효과적으로 유리균열을 방지할 수 있다.따라서 본 발명에서는 연속로의 가열부를 아래와 같이 배열함으로써 서냉 시 발생되는 발포유리의 균열문제를 해결하였다.

기존 연속로와 본 발명의 연속로의 가열 단계별 온도분포 곡선을 도2에 나타내었다.

기존 가열부 배치

설정온도(예) 단위;℃

780 830 730

실측온도(예)

550 780 830 730 550 350 150

예열

가열1

가열2

가열3

임의측정1

임의측정2

임의측정3

본 발명에 따른 가열부 배치

설정온도(예)

780 850 500

실측온도(예)

550 780 850 600 500 420 150

예열

가열1

가열2

가열3

임의측정1

상기 연속로 에서 발포유리로 성형된 발포유리는 냉각시키는 냉각단계를 거쳐 소정의 형상과 사이즈로 절단(Sizing), 제품화되어 그 나름 대로의 다양한 용도로 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 발포유리제품은 보다 용도를 다양하게 전개 하기 위하여 외부 표면에 표면 광택층이 더 형성될 수 있다. 상기 표면 광택층은 발포 유리가 다양한 특성을 지니면서도 종래에는 가지지 못하였던 특성으로서 이는 다른 유리와 결합시킴으로써 형성시킬 수 있다.

예를 들면, 발포 유리를 만드는 공정, 즉, 발포유리 형성 단계 전에 혼합 원재료의 표층에 상기 표2의 용융 폐기물 미분을 2~10mm정도의 두께로 골고루 뿌리고 표면을 고르게 한 다음, 700~880도의 소성 발포공정을 거치게 함으로써 내부에서 발포가 이루어지는 동안 표면 층은 융점이 발포 유리 조성 성분 보다 낮은 상기 용융폐기물이 아주 완전히 용융되어 발포 유리 표면에 얇고 아주 광택이 좋은 법랑 층을 형성하게 할 수 있다.

같은 유리이면서도 다른 물성과 특성을 가진 유리 제품과의 결합을 통하여 발포 유리의 장점인 경량이라는 특징과 다른 유리가 가진 표면 광택성 등을 결합함으로써 전혀 다른 용도와 수요를 창출할 수 있다.

또한 상기 제품화 단계 다음의 발포 유리 제품의 표면에 부조된 판유리를 올려 재 소성함으로써 광택면과 무늬를 가지면서도 경량인 유리타일 등을 생산할 수도 있다.

또 다른 방법으로서 발포 유리와 유리 타일이나 판유리와 결합시켜 광택을 가진 건축자재 등을 얻을 수 있다. 예를 들면, 발포 유리 제품에 유리 타일을 결합시킴으로써 유리 타일만으로는 가질 수 없는 경량이면서도 두께 조절이 가능한 유리타일을 얻을 수도 있다.

예를 들면, 발포 유리를 가로100mm 세로100mm 높이20mm로 절단하고 윗면 표면을 고르게 잘 연마한 다음, 같은 크기의 두께 5 mm 의 유리타일을 U.V.접착 방식으로 붙이던가 아니면 다시 700~800도의 소성 공정을 약1 시간 정도 통과하게 되면 같은 유리 성분이므로 표면끼리 융착이 되어 25mm라는 일반 타일이 가질 수 없는 두께를 지니면서도 아주 경량인 유리 타일이 만들어진다. 통상 유리와 유리를 열을 가하여 융착 시킬 때 서로의 팽창계수의 차이로 균열현상이 오기 쉬우나, 발포 모재로 사용하는 폐유리 미분의 주성분이 소다 라임유리 계열이므로 일반 소다라임유리 계열의 유리타일이나 판유리를 사용할 시에는 그러한 현상이 없는 것으로 나타났다.

[실시예1]

폐 유리미분 70중량부, 용융폐기물(법랑용 유리 프리트 미분) 25중량부, 상기 표3과 같은 조성의 무기파우더 1중량부, 붕사 3중량부 및 발포제(탄소)1중량부의 조성으로 조성된 원료 조성물을 교반기로 30분간 잘 혼합 한 다음, 이를 난연 소재로 된 sheet belt 위에 폭1meter 높이 10Cm로 적재시키면서 폭1.2meter 높이0.5meter 길이25meter(로내 규격 기준)의 연속 전기로에 5meter/h의 속도로 계속하여 투입하였다.

또 원료 조성물의 일정 높이를 유지하기 위해 knife cut방식으로 그 높이를 일정 하게 유지하고, 도2에 도시된 온도 분포로 제어하면서 발포(소성)시키고 서냉 시킨 다음, 배출구에서 길이 1meter단위로 자동 절단기를 사용하여 절단, 각각 길이 1meter 높이 13.3cm의 발포유리 판재(도3 참조)를 얻었다. 상기 판재의 물성은 밀도가 0.35g/cm³, 열전도율이 0.05kcal/mh℃를 나타내었고, 압축강도가 28kg/cm²로서 종래의 것(18kg/cm²)에 비해 우수하였다.

[실시예2]

폐 유리미분 85중량부 ,용융폐기물 10중량부, 붕사3중량부 ,발포제 2중량부 중량부의 조성으로 조성된 원료조성물(무기 파우다를 혼합치 아니하였음)을 실시예1과 같은 연속 전기로의 조건에서 소성하되, 급냉시킴으로써 스스로 균열이 가게 하고, 배출구에서 균열이 되어 자연스럽게 지름 약 3~8cm 정도의 각종 모양을 가진 파쇄물인 경량골재(도4 참조)를 얻었다.

생산된 제품은 비중이 0.2, 압축강도가 25kg/cm²로서 종래의 것(18kgf/cm²)에 우수한 강도를 나타내었다.

[실시예3]

폐 유리미분 95중량부, 붕사3중량부 ,발포제 2중량부를 혼합하여 길이와 넓이가 각각 10cm, 높이가5cm의 내화갑 속에 높이2cm 만큼 채우고 그 위에 용융 폐기물 미분(약 100미크론의 입자)을 0.5cm정도의 두께로 채운 다음, 실시예1과 같은 연속 전기로의 조건에서 소성하여 발포유리층 높이가4cm 광택유리 표면층의 높이가 0.25cm인 고광택 경량 유리 타일(도5 참조)을 얻었다.

[실시예4]

실시예1에서 얻어진 판재를 가로200mm, 세로110mm, 두께20mm로 절단하여, 그 표면을 고르게 연마한 다음(절단 발포 유리 판), 같은 크기에 두께가 5mm인 판 유리를 절단하고 그 위에 비상구 유도 표시용 무늬를 지정된 색상으로 고온용 색상 초자잉크 및 축광 초자잉크를 사용하여 인쇄(silk screen print)한 다음, 인쇄 되지 않은 면을 위로하고 인쇄된 면을 이래로 하여 상기 절단 발포 유리 판위에 올려놓고 다시 750도에서 1시간 소성하여 발포 유리 위에 인쇄된 판유리가 접합된 축광 비상유도 표시판(도6 참조)을 얻었다.

본 발명의 발포유리제품은 폐유리의 재활용에 따른 환경 친화적인 요소와 공정 절감에 따른 원가 절감의 효과를 가지며, 용도로서는 종래의 제품(foamglass ,cell-u-foam등)과 같은 성형 단열재나 판재로서 사용이 가능할 뿐만 아니라, 또한 다른 토목용 발포제품(supersol등)과 강도가 같거나 더 강한 경량 골재의 제조가 가능 하고, 그 제조 과정에서 혹은 후 가공에서(파쇄, 절단 등) 발생하는 소 입자들은 perlite(pearl stone) 대용으로 원예 자재 또는 토양 개량재로 사용할 있으 며, 다른 판유리나 저융점유리 프리트 폐기물의 분말등 과의 결합에 따른 경량이면서도 강도와 표면 광택을 지닌 건자재를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

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폐유리 미분 75~95중량부와 용융 폐기물 미분 5~25중량부와 붕사(Na₂B₂O₇) 2~5 중량부와 발포제 0.1~5중량부로 이루어지는 원재료 조성물을 750 내지 850℃에서 발포시킨 발포 유리제품에 있어서,

상기 발포 유리제품이 그 외부 표면에 표면 광택층이 형성된 것을 특징으로 하는 발포 유리제품.
제4항에 있어서, 상기 표면 광택층이 저 융점의 법랑 유리미분 또는 공예 유리미분으로 형성된 것을 특징으로 하는 발포 유리제품.
제4항에 있어서, 상기 표면 광택층이 판유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 발포 유리제품.
제6항에 있어서, 상기 표면 광택층이 그 내부 면에 인쇄층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 발포 유리제품.