KR100869131B1

KR100869131B1 - 복합가소제로 개질된 위생도기 슬립 및 이를 이용한위생도기 소지

Info

Publication number: KR100869131B1
Application number: KR1020070050123A
Authority: KR
Inventors: 최의석; 김응수; 김덕겸
Original assignee: 요업기술원
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2008-11-17

Abstract

본 발명은 복합가소제로 개질된 위생도기 슬립 및 이를 이용한 위생도기 소지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 친수성 가소제와 소수성 가소제가 소정 비율로 혼합된 복합 가소제를 이용하여 위생도기 슬립을 개질함으로써 점도가 감소하여 제조가 용이할 뿐만 아니라, 이와 같이 개질한 위생도기 소지는 미세구조가 치밀화되고 뮬라이트상의 형성량이 증진됨으로써 밀도가 증가하며 열간변형 안정성 및 충격강도가 향상된 복합가소제로 개질된 위생도기 슬립 및 이를 이용한 위생도기 소지에 관한 것이다.

위생도기, 슬립, 소지, 가소제, 복합가소제, 점도

Description

복합가소제로 개질된 위생도기 슬립 및 이를 이용한 위생도기 소지{Sanitary chinaware slip modified with complex plasticizer and Sanitary chinaware body using the same}

도 1은 위생도기 소지의 소성전과 소성후의 결정상을 X-ray 회절 분석한 그래프,

도 2a 내지 도 2c는 각각 개질하지 않은 슬립(R), 친수성 가소제로 개질한 슬립(P), 복합 가소제로 개질한 슬립(H)으로 제조한 위생도기 소지의 소성 후 파단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.

본 발명은 복합가소제로 개질된 위생도기 슬립 및 이를 이용한 위생도기 소지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 친수성 가소제와 소수성 가소제가 소정 비율로 혼합된 복합 가소제를 이용하여 위생도기 슬립을 개질함으로써 점도가 감소하여 제조가 용이할 뿐만 아니라, 이와 같이 개질한 위생도기 소지는 미세구조가 치밀화되고 뮬라이트상의 형성량이 증진됨으로써 밀도가 증가하며 열간변형 안정성 및 충격강도가 향상된 복합가소제로 개질된 위생도기 슬립 및 이를 이용한 위생도기 소지 에 관한 것이다.

위생도기는 일반적으로 위생도기 슬립(slip)에 가소제(plasticizer)를 첨가한 후 몰드(mold)에 주입하여 성형하고, 이를 건조한 후 소성함으로써 제조된다. 슬립이라 함은 미분말이 분산되어 있어 주입 가능한 농후 현탁액을 의미하며, 가소제는 세라믹스 분체의 성형조제 중의 하나로서 소지에 가소성을 부여할 목적으로 첨가하는 것이다. 가소제는 고분자 형태로서 입자들의 표면에 흡착되어 성형을 용이하게 하는 역할을 수행한다.

위생도기 슬립은 전단응력(shear stress)가 증가할수록 점도값이 감소하게 되는 전단연화(shear thinning) 특성을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 위생도기 슬립은 힘이 가해지지 않을 때는 높은 점성을 유지하여 규사와 같은 입자들의 해리를 방지하면서도, 성형 공정시 힘이 가해지면 점도가 감소하여 주입성형 몰드에 쉽게 주입되어 성형되어야 한다.

그러나, 일반적인 위생도기 슬립은 점도가 높아 성형이 용이하지 않은 문제점이 있다.

또한, 가소제를 첨가하지 않거나 친수성 가소제만 첨가한 경우 위생도기 소지는 열간 변형량이 커서 소성 단계에서 변형이 일어나는 문제점이 있다. 또한, 가소제를 첨가하지 않거나 친수성 가소제만 첨가한 경우 위생도기 소지는 건조수축률과 소성수축률이 커서 건조와 소성시 소지의 변형이 발생하는 문제점이 있다. 더불어, 이 경우 위생도기 소지는 꺾임강도와 충격강도가 약해 제조과정 또는 완제품의 사용시 파손가능성이 크다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 친수성 가소제와 소수성 가소제가 소정 비율로 혼합된 복합 가소제를 이용하여 위생도기 슬립을 개질함으로써 점도가 감소하여 제조가 용이할 뿐만 아니라, 이와 같이 개질한 위생도기 소지는 미세구조가 치밀화되고 뮬라이트상의 형성량이 증진됨으로써 밀도가 증가하며 열간변형 안정성 및 충격강도가 향상된 복합가소제로 개질된 위생도기 슬립 및 이를 이용한 위생도기 소지를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 위생도기 슬립은 친수성 가소제와 소수성 가소제가 9:1 내지 10:1의 중량비로 혼합된 복합 가소제로 개질되되, 상기 복합 가소제는 상기 위생도기 슬립의 고형분에 대하여 총 0.15~0.5wt%로 첨가된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 친수성 가소제는 폴리에틸렌글리콜(PEG)이고, 상기 소수성 가소제는 폴리에틸메타아크릴레이트(PEMA) 또는 폴리디메틸실록산비에틸렌옥사이드(PDESEO;Poly(dimethylsiloxane-b-ethylenene oxide))일 수 있다.

또한, 상기 위생도기 슬립은 1rpm에서의 점도가 5500~5800 cP인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 위생 도기 소지는 상기 위생도기 슬립으로 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 위생도기 소지는 충격강도가 60~70 kg/㎠ 일 수 있다.

또한, 상기 위생도기 소지는 건조 수축율과 소성 수축율을 합한 총 수축율이 11.65~11.69% 일 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위생도기 슬립은 친수성 가소제와 소수성 가소제가 혼합된 복합 가소제로 개질된다. 이때, 상기 친수성 가소제로는 폴리에틸렌글리콜(PEG), 소수성 가소제로는 폴리에틸메타아크릴레이트(PEMA)가 사용되었다. 이외에도 소수성 가소제로 폴리디메틸실록산비에틸렌옥사이드(PDESEO;Poly(dimethylsiloxane-b-ethylenene oxide))가 사용될 수도 있다. 또한, 상기 위생도기 슬립은 점토 43%, 장석 35%, 규석 22%로 이루어질 수 있다.

친수성 가소제와 소수성 가소제의 배합 중량비는 9:1~10:1인 것이 바람직하다. 친수성 가소제가 소수성 가소제의 9배보다 적게 배합되거나 10배보다 많게 배합되면 위생도기 슬립의 점도가 증가되고 이를 통해 제조된 위생도기 소지의 충격강도가 감소되는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 상기 복합 가소제는 상기 위생도기 슬립의 고형분에 대하여 총 0.15~0.5wt%로 첨가되는 것이 바람직하다. 복합 가소제의 첨가량이 0.15wt% 미만이면 꺾임강도가 감소하고 수축률이 증가하는 문제점이 발생하게 된다.

① 점도 측정

점토 43%, 장석 35%, 규석 22%로 이루어진 위생도기 소지를 PEG : PDESEO = 10:1로 혼합한 복합 가소제로 개질하는 실험을 실시하였다. 이때, 첨가한 복합 가소제의 양은 슬립의 고형분에 대하여 0.5wt%가 되도록 하였다.

복합 가소제의 첨가가 슬립의 유동학적 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 테이블형 점도계인 Brookfield viscometer를 이용하여 점도를 측정하였다. 스핀들(spindle)의 회전속도를 0.1~30 rpm으로 변화시키면서 가소제로 개질하지 않은 것(R), 친수성 가소제인 PEG만으로 개질한 것(P), 복합 가소제로 개질한 것(H)으로 나누어 점도를 측정하였다. 그 결과가 아래 표 1에 나타나 있다.

rpm	R (cP)	P (cP)	H (cP)
30	-	2935	1300
10	6647	4427	1788
2	22195	9658	3119
1	37271	18183	5716
0.1	1.91E+05	73184	20396

표 1을 참조하면 R, P, H 모두 회전속도가 증가하면서 점도값이 감소하게 되는 전단연화(shear thinning) 현상을 보이는 것을 알 수 있다. 슬립의 전단연화 현상은 요업공정의 성형 과정을 고려할 때 슬립이 필수적으로 가져야 할 물성이다. 즉, 힘이 가해지지 않을 때는 높은 점성을 유지하여 규사와 같은 입자들의 해리를 방지하나, 성형공정시 힘을 가하면 점도가 감소하여 주입성형 몰드에 쉽게 주입되어 성형되어야 한다.

1rpm에서 슬립의 상대점도 값은 R의 경우 37271cP, P의 경우 18183cP, H의 경우 5716cP의 결과를 보였다. 가소제로 개질된 슬립의 경우 점도가 감소하며, 특히 복합 가소제로 개질된 슬립은 R에 비해 28%정도 점도가 감소하는 효과를 보였다. 추가적인 실험에 의하면 복합 가소제로 개질한 위생도기 슬립은 1rpm에서의 점도가 5500~5800 cP를 나타내었다.

H의 경우 P에 비해서도 낮은 점도값을 가진다. 이것은 가소제와 해교제간의 반응에 의하여 일어나는 현상으로, 복합 가소제로 개질된 점토입자들이 보다 쉽게 슬라이딩(sliding)을 일으켜 이러한 현상을 보이게 된다. 또한, 복합 가소제의 일부를 차지하는 소수성 가소제가 공기방울을 슬립 내에 트랩(trap)하여 실리피지(slippage)효과를 가져옴으로써 전반적으로 점도가 낮아지도록 하는 효과를 발휘할 수 있다.

② 수축률 측정

점토 43%, 장석 35%, 규석 22%로 이루어진 위생도기 소지를 PEG : PEMA = 9:1로 혼합한 복합 가소제로 개질하는 실험을 실시하였다. 이때, 첨가한 복합 가소제의 양은 슬립의 고형분에 대하여 0.15~0.5wt%가 되도록 하였다. 이와 같이 개질된 위생도기 슬립을 원통형의 몰드에 주입하고 20분 후 잔여 슬립을 따라낸 뒤 1시간동안 석고몰드에 두고 나서 시편을 분리하였다. 제조된 시편은 상온에서 40시간 건조 후 80도씨 오븐에서 8시간 건조하여 소성하였다.

복합 가소제의 첨가가 소지의 변형에 미치는 영향을 분석하기 위해 건조수축률과 소성수축률을 측정하였다. 가소제로 개질하지 않은 것(R), 친수성 가소제인 PEG를 0.15wt% 첨가한 것(P1), PEG를 0.3wt% 첨가한 것(P2), PEG를 0.5wt% 첨가한 것(P3), 복합 가소제를 0.15wt% 첨가한 것(H1), 복합 가소제를 0.5wt% 첨가한 것(H2)으로 나누어 수축률을 측정하였다. 그 결과가 아래 표 2에 나타나 있다.

	건조수축률	소성수축률	총수축률
R	1.8100	10.0667	11.8767
P1	1.9133	10.0733	11.9867
P2	1.3000	10.6733	11.9733
P3	2.4967	10.4767	12.9733
H1	1.1367	10.5533	11.6900
H2	1.7033	9.9533	11.6567

표 2를 참조하면, 복합 가소제로 개질한 H1과 H2의 경우가 총수축률이 작은 결과를 보였다. 특히, 복합 가소제를 0.5wt% 첨가한 H2의 경우가 총수축률이 가장 작아, 건조와 소성시 적은 변형량을 보였다.

③ 충격강도 측정

상기 ①과 같이 위생도기 슬립을 개질한 후 기물을 성형하였다. 주입성형으로 성형된 기물을 1215도씨에서 소성한 후 충격강도 시험기를 이용하여 충격강도를 측정하였다. 실험방법은 KSL-1596 충격강도 시험방법으로 측정하였다. 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.

	I	t (cm)	inch	S (psi)	S (kg/cm²)	평균값
R1	0.12	0.51	0.20	36.14	24.90	25.84 kg/cm²
R2	0.18	0.649	0.26	33.09	22.80
R3	0.16	0.535	0.21	43.28	29.82
P1	0.10	0.339	0.13	67.37	46.42	54.32 kg/cm²
P2	0.12	0.302	0.12	101.86	70.18
P3	0.16	0.429	0.17	67.31	46.37
H1	0.16	0.345	0.14	104.07	71.71	63.26 kg/cm²
H2	0.12	0.32	0.13	90.73	62.51
H3	0.17	0.404	0.16	80.64	55.56

표 3을 참조하면 복합 가소제로 개질된 H1, H2, H3이 가장 높은 충격강도를 보이고 있다. 그 이유는 소지 내에 존재하는 기공들이 충격을 흡수 완화하는 효과에 기인한 것으로 보인다. 실제로 세라믹의 미세구조에서 섬유(fiber) 형태의 그레인(grain)과 기공을 적절히 혼합하여 충격강도를 증진시킨 결과를 찾아볼 수 있다. 충격강도의 경우 친수성 가소제로 개질된 기물은 200%, 복합 가소제로 개질된 기물은 250%의 강도 증진 효과를 나타내었다.

④ 열간변형 측정

상기 ②와 같이 개질하여 제조된 시편을 이용하여 소지의 열간변형을 측정하였다. 소지의 열간변형은 바 형상(bar type)의 시편을 이용하여 소성공정 중 변형정도를 측정하였다. 축간거리 90mm의 받침점 거리를 가지는 내화물 위에 시편을 올려 소성 후 변형도를 측정한 후, 그 결과를 아래 표 4에 나타내었다. R은 가소제로 개질하지 않은 것, P1은 PEG를 0.15wt% 첨가한 것, P2는 PEG를 0.3wt% 첨가한 것, P3은 PEG를 0.5wt% 첨가한 것, H1은 복합 가소제를 0.15wt% 첨가한 것, H2는 복합 가소제를 0.5wt% 첨가한 것을 나타낸다.

열간변형	평균
R	2.7367
P1	2.7367
P2	2.2767
P3	2.4733
H1	2.1667
H2	2.7100

표 4를 참조하면 복합 가소제를 0.15wt% 첨가한 H1이 가장 낮은 열간변형을 보였다.

도 1은 위생도기 소지의 소성전과 소성후의 결정상을 X-ray 회절 분석한 그래프이다.

도 1을 참조하면 위생도기 소지는 점토성분인 kaolinite와 muscovite, 장석류인 microcline, 규사로 이루어져 있음을 알 수 있다. 그러나 소성 후에는 기존 원료들의 반응에 의하여 뮬라이트(mullite)와 석영(quartz)으로 상변화를 일으키는 것을 알 수 있다.

위생도기 소지의 소성 과정을 살펴 보면 우선적으로 규석은 560도씨 부근에서 상전이를 일으킨다. 사용원료에 함유되어 장석은 소성온도 1000도씨 정도에서 서서히 분해하여 고온으로 갈수록 소실되면서 mullite, tridymite, cristobalite 등의 광물생성에 영향을 미치고, 고온에서는 유리화되어 도자기 태토를 치밀화시킨다. 점토광물은 가열과정 중 SiO₂ 성분이 α-quartz나 고온변태상인 tridymite와 cristobalite로 전이하여 남게 된다.

기존 소지(R)와 개질된 소지(P, H)의 소성후 결정상을 비교 분석하면 소결된 세가지의 소지 모두에서 mullite와 규사만이 존재하는 것을 알 수 있다. 전반적으로 친수성 가소제와 복합 가소제로 개질된 소지에서 규사 peak intensity는 감소한 반면, mullite의 peak intensity는 증가한 것을 알 수 있다. 이것은 정성적인 측면에서 소지 내에 mullite량이 증가하였음을 나타낸다. 도자기 소지 내의 mullite상은 소지의 강도를 직접적으로 증가시키는 요소로 작용하게 된다.

도 2a를 참조하면 소지의 기지 내에는 1~20㎛에 이르는 기공들이 존재함을 알 수 있다. 대부분의 기공들은 소결이 진행되어 원형의 형태를 띠고 있으나 5㎛ 이상의 기공들은 모서리가 있는 타원형을 띠고 있음을 알 수 있다. 이렇게 모서리가 있는 기공들은 충격이 가해질 경우 파괴의 원인으로 작용할 수 있다.

도 2b를 참조하면 대부분의 작은 기공들은 보다 원형에 가까운 형태를 띠고 있음을 알 수 있다. 비교적 큰 기공인 10㎛ 범위의 기공들이 구부러진 타원형 형태를 띠고 있는데, 이것은 이 소지에서 치밀화가 더 진행되었음을 보여준다.

도 2c를 참조하면 작은 기공들이 불규칙한 형태를 가지고 있으며 기공들이 많이 연결되어 있음을 알 수 있다. 이는 소수성 가소제로 개질된 입자들이 서로간의 친화력으로 인하여 기공들이 연결된 것과 같은 미세구조를 형성하는 것으로 보여진다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의하면 위생도기 슬립의 점도가 감소함으로써 보다 용이하게 주입성형을 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 수축률과 열간변형이 감소하고, 반면 충격강도는 증가시킴으로써 건조와 소성 과정에서 위생도기 소지의 변형을 방지하고 보다 우수한 품질의 위생도기를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

위생도기 슬립에 있어서,

상기 위생도기 슬립은 친수성 가소제로 폴리에틸렌글리콜(PEG), 소수성 가소제로 폴리에틸메타아크릴레이트(PEMA) 또는 폴리디메틸실록산비에틸렌옥사이드(PDESEO;Poly(dimethylsiloxane-b-ethylenene oxide))가 9:1 내지 10:1의 중량비로 혼합된 복합 가소제로 개질되되, 상기 복합 가소제는 상기 위생도기 슬립의 고형분에 대하여 총 0.15~0.5wt%로 첨가된 것을 특징으로 하는 위생도기 슬립.
삭제
제1항에 있어서,

상기 위생도기 슬립은 1rpm에서의 점도가 5500~5800 cP인 것을 특징으로 하는 위생도기 슬립.
제1항 또는 제3항에 의한 위생도기 슬립으로 제조된 위생도기 소지.
제4항에 있어서,

상기 위생도기 소지는 충격강도가 60~70 kg/㎠ 인 것을 특징으로 하는 위생도기 소지.
제4항에 있어서,

상기 위생도기 소지는 건조 수축율과 소성 수축율을 합한 총 수축율이 11.65~11.69% 인 것을 특징으로 하는 위생도기 소지.