KR100889635B1

KR100889635B1 - 세라믹 발포체 제조 방법 및 상기한 방법으로 제조한 세라믹 발포체

Info

Publication number: KR100889635B1
Application number: KR1020080089659A
Authority: KR
Inventors: 변재희
Original assignee: 변재희
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2009-03-20

Abstract

본 발명은 각종 무기질 광물을 조합하여 환경 친화적으로 세라믹 발포체 제조용 조성물을 만든 것이다.

세라믹 발포체, 발포, 압축 강도, 인공토, 여과제, 흡착제

Description

세라믹 발포체 제조 방법 및 상기한 방법으로 제조한 세라믹 발포체{METHOD OF FORMING CERAMIC FOAM AND CERAMIC FOAM USING THE SAME}

본 발명은 세라믹 발포체의 제조 방법 및 상기 제조 방법으로 제조한 세라믹발포체에 관한 것이다.

종래의 기술에 따르면 무기 재료를 이용하여 건축자재와 같은 난연성 성형물을 제조하기 위해 여러가지 방법이 시도되어 왔다.

특히, 경량 기포 콘크리트(autoclaved lightweight concrete)와 같은 물질은 콘크리트 내부에 기포를 분산시켜 중량을 가볍게 한 경량 콘크리트의 일종이다.

상기한 경량 기포 콘크리트는 가볍고 가공성이 좋을 뿐 아니라 내화성이 좋지만 제조과정에서 여러 가지 무기질 재료를 조합하기 어려우며 강도나 흡습도 등 물리적 특성을 증대하는 데 한계가 있다.

이에 따라, 압축강도나 흡습성 등 물리적 특성이 훌륭하면서도 경제적으로 형성할 수 있는 천연 무기 재료의 발포체가 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 좋은 물리적 특성을 가지면서도 낮은 온도에서도 경제적으로 형성할 수 있는 세라믹 발포체의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

나아가 본 발명은 상기한 세라믹 발포체의 제조방법으로 제조한 세라믹 발포체를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명에 따르면 중성 산화물 1 몰 당 산성 산화물 2.90 내지 9.5몰과 염기성 산화물 0.80 내지 2.80몰을 포함하는 무기질 재료를 준비하고, 상기 무기질 재료의 30 내지 60 중량%의 물을 상기 무기질 재료에 가한 후, 상기 물이 가해진 무기질 재료를 발포시킨 다음, 상기 발포된 무기질 재료를 소성함으로써 세라믹 발포체를 제조한다. 상기 무기질 재료를 소성할 때는 건식가마를 사용하여 소성한다.

상기 무기질 재료는 150 메쉬 이상의 입자로 구성되며, 규석, 도석, 백운석, 생석회, 석회석, 시멘트, 소나무재, 장석, 점토, 활석, 카오린, 황토, 제올라이트, 알루미나, 산화철, 질석으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질에 포함된 성분이다. 상기 무기질 재료는 산성 산화물, 중성 산화물, 염기성 산화물 등을 포함하고 있으며, 이때 상기 산성 산화물은 SiO₂ 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나이고, 상기 중성 산화물은 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 중 적어도 어느 하나이고, 상기 염기성 산화물은 MgO, CaO, Na₂O 및 K₂O 중 적어도 어느 하나이다.

상기 무기질 재료에는 상기 무기질 재료의 3 내지 5중량%의 생석회, 2 내지 4중량%의 시멘트가 가해진다.

또한, 상기 무기질 재료에는 활성탄, 목탄, 폐활성탄 및 숯 중 적어도 어느 하나가 상기 무기질 재료 대비 2 내지 3중량%의 양으로 가해질 수 있다. 상기한 활성탄, 목탄, 폐활성탄과 같은 물질이 가해지는 경우에는 물의 양이 상기 무기질 재료의 50~60중량%인 것이 바람직하다.

이에 더하여, 상기 무기질 재료에는 알루미늄 분말이 상기 무기질 재료 대비 0.01 내지 0.2중량%의 양으로 더 가해질 수 있다.

상기한 방법으로 제조한 본 발명에 따른 세라믹 발포체는 중성 산화물과, 산성 산화물과, 염기성 산화물을 포함한다. 이때, 상기 중성 산화물과 산성 산화물 및 염기성 산화물의 몰비는 1 : 2.90~9.5 : 0.80~ 2.80이다.

상기 세라믹 발포체는 생석회와 시멘트를 더 포함할 수 있으며, 이때 생석회는 상기 중성 산화물과 산성 산화물 및 염기성 산화물 총 중량의 3 내지 5중량%에 해당하며, 상기 시멘트는상기 중성 산화물과 산성 산화물 및 염기성 산화물 총 중량의 2 내지 4중량%에 해당한다.

상기 각 중성 산화물, 산성 산화물 및 염기성 산화물은 규석, 도석, 백운석, 생석회, 석회석, 시멘트, 소나무재, 장석, 점토, 활석, 카오린, 황토, 제올라이트, 알루미나, 산화철, 질석으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질에 포함되는 것으로, 상기 산성 산화물은 SiO₂ 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나이고, 상기 중성 산화물은 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 중 적어도 어느 하나이고, 상기 염기성 산화물은 MgO, CaO, Na₂O 및 K₂O 중 적어도 어느 하나이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 발포체를 형성하기 위해서는 발포를 시키는 단계를 거쳐야 한다.

본 발명에 따른 세라믹 발포체는 물리적 특성이 훌륭한 세라믹 발포체를 제조하면서도 그 과정이 종래보다 단순하고 쉽다는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면 겉보기 공률과 물에 대한 흡수율 및 압축강도가 매우 크고 중금속 흡착력이 좋은 세라믹 발포체를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한 건축자재, 흡착제, 여과제, 인공토 등으로 사용할 수 있는 상기한 방법으로 제조한 세라믹 발포체를 제공한다.

이하에서는 먼저 본 발명의 제조 방법에 사용되는 무기질 재료에 대해 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 발포체는 천연 무기물에 함유된 산화물을 포함하여 구성되며, 중성 산화물 1 몰 당 산성 산화물 2.90 내지 9.5몰과 염기성 산화물 0.80 내지 2.80몰을 포함한다.

상기 천연 무기물에 함유된 중성 산화물, 산성 산화물 및 염기성 산화물은 표 1과 같다.

염기성 산화물		중성 산화물		산성 산화물
K₂O	CaO	MnO	Al₂O₃	SiO₂	MnO₂
Na₂O	MgO	CdO	B₂O₃	TiO₂	CeO₂
Li₂O	ZnO	CuO	Fe₂O₃	SnO₂	As₂O₃
Cu₂O	BaO	CoO	Sb₂O₃	ZrO₂	Sb₂O₆
FeO	PbO	Nio	Cr₂O₃	B₂O₆	V₂O₆
		SrP	Mn₂O₃	P₂O₆	UO₃

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기한 산성, 중성, 염기성 산화물 중 일부를 함유한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 발포체가 함유하는 산성 산화물은 SiO₂ 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나이고, 상기 중성 산화물은 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 중 적어도 어느 하나이고, 상기 염기성 산화물은 MgO, CaO, Na₂O 및 K₂O 중 적어도 어느 하나이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 발포체가 함유하는 산화물은 천연 광석과 같은 무기질에 함유된 산화물에 해당하며, 상기 산화물들 중 일부를 함유하는 대표적인 천연 무기질 재료는 규석, 도석, 백운석, 생석회, 석회석, 시멘트, 소나무재, 장석, 점토, 활석, 카오린, 황토, 제올라이트, 알루미나, 산화철, 질석 등이 있다.

표 2는 상기한 대표적인 천연 무기질 재료가 함유하는 산성 산화물, 중성 산화물, 염기성 산화물의 함량을 중량%로 나타낸 것이다.

하기한 표 이외에, 본 명세서에서 사용된 % 비율은 별도의 언급이 없는 한 중량%에 해당한다.

표 3은 상기 표 2의 구성을 갖는 각 무기질 재료 100g당 함유한 산화물의 몰수를 나타낸 것이다. 여기서 표 3의 값은 몰 수 계산시에 소수점 셋째자리에서 반올림한 값이다.

상기한 바와 같이, 각 무기질 재료, 즉, 광물에는 중성 산화물, 산성 산화물 및 염기성 산화물들이 서로 다른 비율로 함유되어 있다. 따라서, 상기 표에서의 몰비를 이용하여 각 무기질 재료를 적절한 양으로 혼합함으로써 중성 산화물, 산성 산화물 및 염기성 산화물의 비율을 조절할 수 있다.

각 산화물의 비율을 조절하여 혼합하는 이유는 다음과 같다.

본 발명과 같은 세라믹 발포체를 제조할 때 사용하는 무기질 재료 중 염기성 산화물은 융제 또는 매용재료로서 작용한다. 또한, 산성 산화물은 물질을 개선하고 흐름성을 조절하며, 중성 산화물은 상기 염기성 산화물과 산성 산화물 사이에서 중성으로 작용하여 두 물질의 기능을 조절하는 역할을 하므로, 적절한 비율로 조합하여야 한다. 만약, 상기 중성, 산성 및 염기성 산화물의 조합비를 벗어나는 경우에는 이후 소성시 흐름성이 너무 크거나 작게 된다. 즉, 산성 재료가 지나치게 많은 경우 소성 후 강도가 저하되는 문제점이 있으며, 너무 적은 경우 소성시 흘러내리거나 형태 자체를 형성하지 못하게 된다. 염기성이 지나치게 많은 경우에는 산성 재료와 반대의 결과를 낸다. 이때, 상기 산성 재료와 염기성 재료의 양을 조절함과 동시에, 중성 재료는 상기 산성 재료와 염기성 재료의 산도를 조절할 수 있어 적절하게 가하는 것이 필요하다.

또한, 상기 중성, 산성 및 염기성 산화물의 조합비를 벗어나는 경우에는 지나치게 매용재료가 많거나 적어지게 되며 그 결과 매용 재료의 양에 따라 소성 후 세라믹 발포체의 내구성에 큰 차이가 나게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 발포체는 상기한 중성 산화물, 산성 산화물 및 염기성 산화물을 혼합한 무기질 재료의 3 내지 5중량%의 생석회와, 2 내지 4중량%의 시멘트를 더 함유한다.

상기 생석회, 알루미늄 파우더, 시멘트는 이후 발포가 일어나게 하는 역할을 한다.

상기 무기질 재료는 입자의 크기가 150메쉬 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라 150~300메쉬의 무기질 재료를 사용할 수 있다. 이때, 입자의 크기가 크면 클수록 발포시에 무기질 재료의 분리 현상이 일어날 가능성이 커지기 때문에 상기한 바와 같은 크기의 무기질 재료를 사용하는 것이 좋다.

그리고 필요에 따라서는 원적외선·음이온 동시 방사체를 추가로 첨가 할 수 있다.

상기한 무기질 재료를 이용하여 세라믹 발포체를 제조하는 방법은 다음과 같다.

먼저 중성 산화물 1 몰 당 산성 산화물 2.90 내지 9.5몰과 염기성 산화물 0.80 내지 2.80몰을 포함하는 무기질 재료를 준비한다.

상기 무기질 재료는 중성 산화물 1 몰 당 산성 산화물 2.90 내지 9.5몰과 염기성 산화물 0.80 내지 2.80몰이 되도록 몰수비를 맞추어 준비한다.

상기 중성 산화물, 염기성 산화물 및 산성 산화물은 규석, 도석, 백운석, 생석회, 석회석, 시멘트, 소나무재, 장석, 점토, 활석, 카오린, 황토, 제올라이트, 알루미나, 산화철, 질석 등의 무기질 재료가 함유하고 있는 중성, 염기성 및 산성 산화물의 몰비를 적절하게 조절함으로써 준비할 수 있다. (표 3 참조)

상기한 바와 같이, 상기 무기질 재료는 산성 산화물, 중성 산화물, 염기성 산화물 등을 포함하고 있으며, 이때 상기 산성 산화물은 SiO₂ 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나이고, 상기 중성 산화물은 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 중 적어도 어느 하나이고, 상기 염기성 산화물은 MgO, CaO, Na₂O 및 K₂O 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 상기 무기질 재료에는 활성탄, 목탄, 폐활성탄, 탄소나노튜브 및 숯 중 적어도 어느 하나가 상기 무기질 재료 대비 2 내지 3중량%의 양으로 가해질 수 있다. 상기한 활성탄, 목탄, 폐활성탄, 탄소나노튜브과 같은 물질이 가해지는 경우에는 물의 양이 상기 무기질 재료의 50~60중량%인 것이 바람직하다.

이때, 상기 무기질 재료는 150 메쉬 이상의 분말을 사용하며 서로 교반하여 혼합한다. 여기서, 생석회와 시멘트는 제외하고 교반한다. 상기 무기질 재료를 교반하는 시간은 제조하고자 하는 세라믹 발포체의 용도에 따라 다르게 조절할 수 있다. 즉, 공기 필터용으로 세라믹 발포체를 제조하는 경우에는 최대한 표면적이 큰 세라믹 발포체를 만들어야 하므로 10 시간 정도 동안 일정 속도로 교반을 하여야 하고, 인공토로 사용하는 경우에는 그보다 짧은 시간, 예를 들어 1시간 정도의 교반작업을 할 수도 있다.

상기 무기질 재료에는 상기 무기질 재료와 물 및 알루미늄 전체 중량의 3 내지 5중량%의 생석회, 2 내지 4중량%의 시멘트가 가해진다. 더 바람직하게는 4중량%의 생석회와 3중량%의 시멘트를 함유하는 것이 좋다. 상기 생석회와 시멘트, 알루미늄 파우더는 화학 반응을 일으켜 탄산가스를 형성함으로써 상기 무기질 재료의 발포를 돕는다. 따라서, 상기 생석회와 시멘트는 다른 무기질 재료를 모두 교반하고 나서, 발포 직전에 마지막에 넣어 교반한다. 다음으로, 상기 무기질 재료의 30 내지 60 중량%의 물을 상기 무기질 재료에 가하고, 상기 물이 가해진 무기질 재료를 발포시킨다.

이때, 발포시키기 전에 1분에서 2분 가량 물이 가해진 무기질 재료를 밀봉시키고 교반한다. 상기 교반시 수분이 증발하는 경우 증발한 양에 해당되는 물을 더 가해줄 수 있다.

만약, 상기 무기질 원료가 점토와 분말이 섞인 경우에는 총 사용되는 물의 40%를 먼저 혼합물의 일부와 섞어 이장(흙물)을 만든 다음, 나머지 물과 생석회 및 시멘트를 한꺼번에 넣고 거푸집에 넣어 발포를 시킬 수 있다

상기 발포를 시키는 단계는 다양한 방법이 있을 수 있으며 그 중 일반적으로 사용되는 세 가지 방법을 보면 다음과 같다.

첫째는 발포를 시키지 않고 가마 안에 위치시킨 후 가마 안에서 발포하는 경우이다. 불석(沸石) 종류인 흑요석이나 제올라이트 중 한가지와, 다른 무기질 재료를 혼합하여 분말이나 10% 내외의 수분을 함유한 분말로 만든 후 내화갑 안에 일정한 모양을 갖추어 넣은 후 1300℃ 내외로 열을 가하는 방법으로 수행된다.

두 번째는 발포를 시킨 후 가마에 넣어 소성하는 방법이다. 상기 발포를 시키는 단계는 또한, 종래의 경량 콘크리트 세라믹 발포체를 제조하는 방법과 유사하게 규석, 생석회, 시멘트와 무기질 재료를 넣어 발포를 시킨 후 습식 가마(오토 클레이브)에 넣어 500℃ 미만의 양생 과정을 통해 열과 압력을 가하는 방법 또한 사용할 수 있다.

세 번째는 화학적 방법을 이용하는 것이다. 이는 플라스틱이나 스폰지를 제조하는 것과 같이 발포제를 넣어 발포시키는 방법에 해당한다.

본 발명의 일 실시예에서는 발포를 시킨 후 가마에 넣어 소성하는 방법을 이용한 온도의 범위가 오토 클래이브를 이용한 소성 방법에 비해 고온을 사용하며, 습식이 아닌 건식 소성 방법을 사용한다. 본 발명의 실시예에서는 다양한 모양을 갖는 틀(예를 들어 거푸집)을 이용하여 그 안에서 발포시킨 후 소성한다. 이로써 용도에 따라 다양한 형태의 조형물을 쉽게 만들 수 있으며, 소성 후 완제품의 경우 수축이 일어나지 않는다.

본 발명에서 발포를 일으키기 위한 원료로 생석회, 시멘트, 알루미늄 파우더 및 물을 이용한다.석회질 원료로는 소석회나 생석회 모두 사용할 수 있으나, 소석회는 상온에서 응결이 지연되는 현상이 있다.

생석회는 물과 접하면 상당히 미세한 다수의 공 극으로 다량의 물이 흡수되어 수화 반응을 일으킨다. 이 반응은 대단히 효과적인 분쇄 공정의 하나로써, 반응 결과 Ca(OH)₂는 CaO에 비해 상당한 팽창력을 가지며 결합수의 양에 따라 수분 후에는 대단히 미세한 백색 분말 또는 미립자가 분포된 분산 슬러리상으로 변화시킨다. 이러한 미립자의 집합은 건조해가며 결합력이 증대되고, 이러한 작용으로 거푸집 안에서 건조시간의 단축이 가능하게 되며 생석회 자체의 순도와 분말도가 높을수록 그 효과는 증대된다.

상기 생석회로는 CaO 순도 85~90%, MgO 1% 이하의 생석회를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 생석회는 혼합 원료 전체 중량에 대해 약 3 내지 5%, 바람직하게는 약 4%의 양으로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 시멘트는 일반적으로 포플랜드 시멘트가 주로 사용된다. 발포제로써 Al 분말을 사용하는 경우 시멘트 중의 Na₂O, K₂O와 같은 알칼리 성분량은 시멘트의 수화반응 온도와 함께 슬러리상으로부터의 발포속도, 발포량, 기포의 크기와 분포에 영향을 준다. 따라서 비교적 일정한 품질의 세라믹 발포체 제조하기 위해서는 균질한 성분과 일정한 품질의 시멘트 사용이 요구된다. 본 발명의 상기 혼합 원료에서 상기 시멘트는 중량 기준으로 약 2 내지 4%, 바람직하게는 약 3% 포함되는 것이 바람직하다.

세라믹 발포체의 제조 공정상에서 알루미늄에 의한 기포의 발생은 다음의 화학반응으로 설명할 수 있다.

2Al + Ca(OH)₂ + 2H₂O → CaAl₂O₄ + 3H₂

2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3H₂

수소 가스의 발생은 20분을 전후하여 종료되지만, 수분양이 많아 팽창이 종료된 후에도 유동이 심하면 기포가 소멸해 전체적인 부피가 감소할 우려가 있다. 또한 팽창 종료 전 경화가 시작되면 기포형이 편평해지고 그 분포가 고르지 못해 비중의 증가가 초래된다. 이러한 점을 방지하기 위해서는 발포의 종료와 동시에 최대한의 경화가 이루어지도록 하는 것이 무엇보다 중요하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발포에 있어서는 발포 전의 무기질 재료가 30~60% 내외의 수분을 함유하도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 수분은 생석회 와 시멘트 및 알루미늄이 반응하여 발포시키는 역할을 한다. 이때, 외형적인 부피에 비해 무게가 많이 나가거나, 그와 반대로 부피에 비해 무게가 적게 나가는 경우 수분량을 조절함으로써 전체적인 크기와 중량을 조절한다. 이에 따라, 우선 무기질 재료의 특성에 따라 수분을 많이 흡수하는 무기질 재료를 선정하는 등, 필요에 따라 다른 무기질 재료를 선택하고, 그 다음 순서로 수분량을 조절한다.

또한, 물의 양을 60% 이상 넣었을 경우에는 소성 전에 취급의 불편성으로 인해 작업에 능율성이 떨어지고, 기공이 편평해져 강도가 떨어지는 문제점이 있다. 그뿐만 아니라, 이후 소성 단계에서 수분이 제거되면서 수축이 많이 일어나며 그로 인해 기공과 기공이 부서져 균열이 많아진다. 이에 반해, 30% 이하로 넣었을 경우에는 충분한 반응이 일어나지 않아 발포량이 적어지며 이로 인한 불량률이 증가한다.

다음에는, 틀 내에서 발포된 발포체는 틀을 탈형한 후 가마안에 적재하여 상기 발포된 무기질 재료를 소성함으로써 세라믹 발포체를 제조한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 소성 시의 온도는 200~400℃에서 2시간 정도 유지하며 수분을 증발시키고, 약 5시간에 걸쳐 1050~1250℃의 온도가 될 때까지 온도를 상승시킨다. 이때, 온도가 상승되었을 때의 정점에서의 온도, 즉 최고 온도가 1050~1250℃이다. 상기 온도 범위는 고온을 유지하는 것이 아니라 정점온도를 뜻하며, 필요에 따라 1시간 내지 2시간 동안 상기 온도를 유지시킬 수 있다. 그 다음으로는 500℃ 이하가 되도록 3시간 정도에 걸쳐 강제로 냉각시킨다.

여기서, 상기 최고 정점 온도보다 낮은 경우에는 소성이 되지 않을 수 있다.또한, 무기질 재료는 도자기의 유약의 성분과 유사한 역할을 하기 때문에 상기 온도보다 높은 경우에는 기물이 녹아흐르게 되는 문제점이 있다. 이 결과 겉보기 기공이 없어지고 단위 부피당 면적이 늘어나게 되며, 불투명한 유리 형상으로 되는 경우도 있다.

상기 발포된 무기질 재료를 소성하는 경우 소성하는 가마의 크기나 온도에 따라 발포체의 강도 등 물리적 특성이 변할 수 있음은 물론이다.

이때, 상기 소성 단계에서 부분적인 환원을 하고자 할 경우에는 내화갑을 제작하여 사용한다. 상기 내화갑 내에서 최대한 환원 분위기를 내기 위해 약 1200℃ 이상의 상대적인 고온에서는 알루미나를 상기 내화갑의 빈 공간에 넣은 후 소성할 수 있다. 이때, 1000℃ 이하의 상대적인 저온에서는 실리카센드를 빈 공간에 넣어 소성할 수 있다.

또한, 발포석을 가마에 적재할 때 발포석이 닿는 바닥에 실리카센드나 알루미나를 얇게 깔아줘서 급격한 수축에 대비한다.

다음은 무기질 재료의 비율을 달리하여 세라믹 발포체를 제조한 실시예 중 일부를 대표하여 나타낸 것으로, 무기질 재료의 비율 이외의 과정은 모두 같다. 별도의 실시예로 나타내지 않은 것은 표 11에 함께 표시하였다.

하기한 실시예에서의 %는 무기질 재료와 물을 합한 전체의 중량을 100%로 하였을 때의 상대적인 중량%이다.

표 4는 다양하게 함량을 변화시켜 제조한 실시예 제1 그룹부터 제7 그룹으로 나누어 표로 정리한 것이다. 각 값은 모두 중량(g)으로 표시되었다.

표 4의 다양한 실시예 중 대표적인 시료에 대한 자세한 조건은 이하 설명하기로 한다. 여기서 7그룹은 산성 산화물, 중성 산화물 및 염기성 산화물의 비율이 본 발명의 최적 범위에서 벗어난 것을 나타낸 비교예이다.

시료 3

표 5에 나타난 값과 같이 물, 제올라이트, 알루미나, 생석회, 시멘트, 규석, 알루미늄 분말을 이용하였으며, 최고 온도는 1150℃로 소성하였다. 각 산화물의 비율은 중성 산화물을 1로 보았을 때 염기성산화물 1.53~2.15, 산성산화물7.13~8.77이다.

종류	재료 함량(중량%)	중량(g)
제올라이트	22.20%	400
알루미나	5.55%	100
생석회	4.44%	80
시멘트	3.33%	60
규석	19.98%	360
알루미늄	0.11%	2
물	44.40%	800
총합	100.00%	1802

시료 11

표 6에 나타난 값과 같이, 물, 제올라이트, 알루미나, 생석회, 시멘트, 규석, 알루미늄 분말, 장석, 활성탄을 이용하였으며 최고 온도는 1150℃로 소성하였다. 각 산화물의 비율은 중성 산화물을 1로 보았을 때 염기성산화물1.44~2.77, 산성산화물 6.5~7.47이다.

종류	재료 함량(중량%)	중량(g)
제올라이트	10.54%	190
알루미나	5.55%	100
생석회	4.44%	80
시멘트	3.33%	60
규석	17.76%	320
장석	11.10%	200
활성탄	2.77%	50
알루미늄	0.11%	2
물	44.40%	800
총합	100.00%	1802

시료 22

표 7에 나타낸 값과 같이, 물, 제올라이트, 알루미나, 생석회, 시멘트, 규석, 알루미늄 분말, 황토를 이용하였으며 최고 온도는 1150℃로 소성하였다. 각 산화물의 비율은 중성 산화물을 1로 보았을 때 염기성 산화물 1.04~1.5 산성 산화물 4.22~6.5이다.

종류	재료 함량(중량%)	중량(g)
제올라이트	14.98%	270
알루미나	5.55%	100
생석회	4.44%	80
시멘트	3.33%	60
규석	16.65%	300
황토	10.54%	190
알루미늄	0.11%	2
물	44.40%	800
총합	100.00%	1802

시료 27

표 8에 나타낸 값과 같이, 물, 도석, 알루미나, 생석회, 시멘트, 카오린, 규석, 활석, 석회석, 알루미늄 분말을 이용하였으며, 최고 온도는 1150℃로 소성하였다. 각 산화물의 비율은 중성 산화물을 1로 보았을 때, 염기성 산화물 0.96~1.43, 산성 산화물 3.32~3.79이다.

종류	재료 함량(중량%)	중량(g)
도석	5.45%	300
알루미나	9.08%	500
생석회	5.45%	300
시멘트	3.63%	200
카오린	3.63%	200
규석	16.35%	900
활석	9.08%	500
석회석	3.63%	200
알루미늄	0.11%	6
물	43.59%	2400
총합	100.00%	5506

시료 29

표 9에 나타낸 값과 같이, 물, 점토, 규석, 알루미나, 생석회, 시멘트, 알루미늄 분말을 이용하였으며, 최고 온도는 1150℃로 소성하였다. 각 산화물의 비율은 중성 산화물을 1로 보았을 때, 염기성 산화물 0.7~2, 산성 산화물 3.72~7.13이다.

종류	재료 함량(중량%)	중량(g)
점토흙(소지)	21.64%	390
알루미나	5.55%	100
생석회	4.44%	80
시멘트	3.33%	60
규석	20.53%	370
알루미늄	0.11%	2
물	44.40%	800
총합	100.00%	1802

시료 35

표 10에 나타낸 값과 같이, 물, 황토, 알루미나, 생석회, 시멘트 을 이용하였으며, 최고 온도는 1150℃로 소성하였다. 각 산화물의 비율은 중성 산화물을 1로 보았을 때, 염기성 산화물 0.79~1.3, 산성 산화물 2.12~4.65이다.

종류	재료 함량(중량%)	중량(g)
황토	42.18%	760
알루미나	5.55%	100
생석회	4.44%	80
시멘트	3.33%	60
알루미늄	0.11%	2
물	44.40%	800
총합	100.00%	1802

표 11은 상기 표 10에 나타낸 무기질 재료 및 물 함량에 맞추어 세라믹 발포체를 제조할 경우의 세라믹 발포체로서의 제형 가능 여부와 압축 강도 및 탈취 시험 결과를 나타낸 것이다.

표 12는 무기질 재료의 질석의 함량에 따른 세라믹 발포체의 크랙을 나타낸 것이다. 그리고, 표 12는 본 발명의 일 실시예로서, 상기 표 10의 24번의 무기질 재료 및 물의 양으로 제조한 세라믹 발포체의 물리적 성질을 나타낸 것이다.

번호	무기질 재료중 질석의 함량(부피 %)	크랙 발생 여부	활용
31	4.50%	약1cm이하 크랙 다수 발생	인공토,흡착제, 여과제, 공기 필터, 건축 자재
32	4.05%	약2cm이하 크랙 다수 발생
4	3.60%	약2cm이하 크랙 다수 발생
5	3.15%	약3cm이하 크랙 다수 발생
9	2.70%	약3cm이하 크랙 다수 발생
8	2.25%	약4cm이하 크랙 다수 발생

시험 분석 항목	시험 분석 결과	시험 분석 방법
겉보기 비중	2.64	KS L 3114:2005
부피 비중	1.22
수분 흡수율(%)	43.9
겉보기 공률(%)	53.7

표 11 내지 표 13를 참조하면, 시료 45와 시료 46의 경우에는 중성 산화물과 염기성 산화물이 범위에 포함은 되나 산성 산화물이 범위를 벗어나기 때문에 자화가 되지 않아 세라믹 발포체로서 형성이 되지 않았음을 확인할 수 있다. 또한, 시료 47과 시료 48을 살펴보면 중성 산화물과 산성 산화물의 범위는 해당되나 염기성 산화물의 범위가 해당되지 않으며, 이 또한 결과적으로 세라믹 발포체로 형성되지 않았음을 확인할 수 있다. 또한 시료 37~45에 각각의 1100, 1150, 1200, 1250도로 열을 가하여 소성하였을 때, 무기질 재료 중에 산성 산화물이 많기 때문에 전체적인 불균형이 심해 온도가 올라갈수록 수축이 매우 심하고, 열충격으로 인해 녹아내려 흘러내리기도 하는 등 세라믹 발포체로 성형하기가 어려웠다.

본 발명에 따른 세라믹 발포체의 경우 겉보기 공률이 53.7%로 매우 크고 물에 대한 흡수율도 43.9%로 매우 크다. 이는 발포가 진행됨에 따라 세라믹 발포체의 표면적이 매우 커지기 때문에 나타나는 것으로 여과제나 흡착제로 사용할 수 있음을 뜻한다.

각 실시예에 따라 제조한 세라믹 발포체의 압축강도는 93N/cm² 이상의 값을 보였으며, 단일 부피 내에서의 포름알데하이드 탈취시험 결과 35% 이상의 포름알데하이드가 탈취되었음을 알 수 있다. 그러나, 37번부터 45번의 비교예를 살펴보면 산성 산화물, 중성 산화물 및 염기성 산화물의 비율이 적합하지 않는 때에 압축강도 상기 값을 만족시키지 못하고 있음을 확인할 수 있다.

도 1 내지 도 2는 상기한 실시예에 따른 세라믹 발포체를 SEM으로 촬영한 사진이다. 여기서, 도 1은 표 11의 12번 시료에 대한 사진이며, 도 2는 24번 시료에대한 사진이다. 도시한 바와 같이 발포와 소성 단계를 통해 무기질 재료들이 발포 세라믹체를 이루면서 굴곡진 표면을 형성하므로 표면적이 넓게 형성된다.

도 3 내지 도 5는 표 4의 무기질 재료 구성으로 제조한 세라믹 발포체의 일부를 나타낸 사진이다. 여기서, 도 3은 23번 시료, 도 4와 도 5는 29번 시료로 제조한 세라믹 발포체의 사진이다. 도시한 바와 같이, 무기질 재료의 종류와 조성비를 변경시켜 겉보기 기공의 크기가 다른 세라믹 발포체를 형성할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 발포체는 충분한 압축 강도를 가지므로 건축자재로 사용할 수 있음은 물론이고, 상기한 바와 같은 탈취력을 가지므로 다양한 모양으로 제형하여 흡착제나 여과제로도 사용할 수 있다.

인공토로 사용 실시예

본 발명에 따른 세라믹 발포체는 발포 및 소성 후 분쇄하여 인공토로서도 사용할 수 있다. 이하는 시료 23으로 세라믹 발포체를 제조한 후 분쇄하여 인공토로 사용한 실시예로서, 미나리 재배 시험을 통해 본 발명에 따른 세라믹 발포체가 식물 생육의 기반제로 사용할 수 있는지의 기능을 평가한 것이다.

표 14에 나타낸 바와 같이, 실험을 위해 개발 조성 물질(세라믹발포체)와 부엽토, 세라믹 볼을 이용하여 4가지 그룹으로 나누어 50ml 플라스틱 용기에 미나리를 재배하여 그 생장량을 측정하였다.

구분	부엽토(g)	세라믹발포체	세라믹볼	물
A	50	50	-	30ml
B	-	50	-	30ml
C	50	-	-	30ml
D	-	-	50	30ml

실험그룹은 3반복 실험하였으며 평균값을 표 15에 나타내었다.

구분	5일 후	15일 후
물30ml + 부엽토 + 세라믹발포체 (A)	약 4cm	약 8cm
물30ml + 세라믹발포체 (B)	약 4cm	약 8cm
물30ml + 부엽토 (C)	약 2cm	변화 없음
물30ml + 세라믹 볼 (D)	변화 없음	변화 없음

5일, 15일 까지의 생장량 측정결과 각각 세라믹 발포체가 첨가된 두 개의 실험구에서 가장 높은 생장량을 보였다. 세라믹발포체와 부엽토를 함께 넣은 실험구와 세라믹발포체 만을 넣은 실험구에서 생장량 차이를 보이지 않았다.

또한 부엽토만을 넣은 실험구와 세라믹발포체만을 넣은 실험구를 비교하면 부엽토만을 넣은 실험구에서는 15일 까지 생장량 변화가 거의 없었지만 세라믹발포에만을 넣은 실험구에서는 8cm의 생장량을 보였다. 실험결과에서 보듯이 세라믹 발포체 만으로도 미나리의 초기 생장량이 높음을 알 수 있었다.

도 6a 내지 도 6b는 미나리 생장 실험 15일 후 각각 A 내지 D 그룹의 미나리 지상부 생장량 비교 사진이며, 도 7a 내지 도 7b는 지하부 생장량 비교 사진이다. 도시한 사진을 통해서도 미나리의 생장량을 확인 할 수 있다. 이것은 세라믹 발포체내 식물 초기 생장에 필요한 양분이 함유되어 있거나 공기중 질소 등을 고정하는 것으로 판단된다.

상기 표와 도면에서 보여진 바와 같이, 세라믹발포체를 넣은 실험구(A, B)에서 가장 좋은 생장을 보였다.

여기서, 상기 세라믹 발포체는 분쇄가 쉽도록 하기 위해서 추가적으로 질석을 더 첨가하여 발포 및 소성을 시킬 수 있다. 질석의 함량이 클수록 작은 크랙이 다수 발생하므로 쉽게 부스러지는 성질을 갖기 때문이다.

상기한 바와 같이 쉽게 부스러지는 경우의 세라믹 발포체는 상토용 또는 조경용 인공토로 사용이 가능하며, 크랙이 적게 발생하는 경우에는 여과제나 흡착제, 건축 자재 등으로 사용할 수 있다.

중금속 흡착제로 사용한 실시예

본 발명에 따른 세라믹 발포체(시료 22번, 표 7 참조)를 이용하여 담수내 중금속 흡착 정도에 대한 실험을 실시하였다. 먼저, 20ml의 증류수에 ICP 다성분 용액(multi-element standard solution) VI을 희석하여 Pb이 50ppb가 되도록 하였다. 이 용액에 버퍼용액을 넣어 각각 pH 5.08, 7.31, 9.02가 되도록 조절하였다.

여기서, 본 발명에 따른 세라믹 발포체를 넣지 않은 것을 대조구, 상기 세라믹 발포체를 약 2.1g 넣은 것을 실험구1, 상기 세라믹 발포체를 약 4.2g 넣은 것을 실험구2로 하여 상기 세라믹 발포체 투입 8일 후 용액 내 중금속 함량을 ICP-MS(ELAN 9000, Perkinelmer, USA)를 이용하여 측정하였다.

하기한 표 16은 실험에 사용된 용액의 농도와 발포석 함량 및 대조구 및 실험구의 pH 변화를 나타낸 것이다.

구분	pH		초기 중금속 농도(Pb, ppb)	시료량
구분	발포석 투입 전	발포석 투입 8일 후	초기 중금속 농도(Pb, ppb)	용액량(ml)	흡착 물질 투입량(g)
대조구-1	5.08	5.36	50.00	20.00	0.00
대조구-2	7.31	7.36	50.00	20.00	0.00
대조구-3	9.02	9.07	50.00	20.00	0.00
실험구1-1	5.08	12.20	50.00	20.00	약 2.1
실험구1-2	7.31	12.21	50.00	20.00	약 2.1
실험구1-3	9.02	10.29	50.00	20.00	약 2.1
실험구2-1	5.08	12.65	50.00	20.00	약 4.2
실험구2-2	7.31	12.50	50.00	20.00	약 4.2
실험구2-3	9.02	11.13	50.00	20.00	약 4.2

표 16 과 같이 발포석 투입 8일 후 대조구의 pH는 0.05-0.28 증가하였고 최초 pH 5.08이었던 실험구 1-1, 2-1에서는 pH가 7.12, 7.57 정도 크게 증가하였다. 최초 pH 7.31이었던 실험구 1-2, 2-2는 pH가 4.90, 5.19 증가하였고 최초 pH 9.02였던 실험구 1-3, 2-3는 pH가 1.27, 2.11 증가하였다. 이와 같은 pH 변화는 상기 세라미기 발포체내의 알칼리성 함유물질이 알칼리보다는 중성에서 중성보다는 산성에서 더욱 많은양이 용출되어 pH를 증가시켰기 때문으로 판단된다.

그 다음, 용액내 중금속 함량을 측정한 결과 대조구1, 2에서 Zn의 농도가 증가하였는데 이것은 실험 오차로 판단되며 최고 36.29% 감소한 것은 실험오차와 함께 pH 변화에 따른 용기내벽에 흡착 되었거나 화합물이 형성되어 감소한 것으로 보인다. 표 17은 본 발명에 따른 세라믹 발포체를 투입하고 8일이 지난 후 대조구의 용액내의 중금속 농도 (ppb) 및 중금속 감소 정도(%)를 나타낸 것이다.

실험구 1에서는 최소 42.97%, 최고 96.981% 감소하였는데. 실험구 1-1과 1-2의 중금속 함량 감소정도는 비슷하지만 실험구 1-3의 중금속 감소정도는 두 실험구보다 낮다. 이것은 pH의 영향으로 중금속 용출정도나 화합물 형성정도가 다르기 때문으로 생각된다. 표 18은 발포석 투입 8일 후 실험구 1의 용액내 중금속 농도(ppb) 및 중금속 감소 정도(%)를 나타낸 것이다.

실험구 2에서는 최소 54.11%, 최고 99.568% 감소하였고 그 감소 정도가 실험구 1과 비슷한 결과를 보였다. 그러나 상기 세라믹 발포체가 두 배정도 더 투입 되었고 pH역시 실험구 1보다 약간 높기 때문에 중금속 농도 감소 정도 역시 약간 높게 나타났다.

표 19는 발포석 투입 8일 후 실험구 2의 용액내 중금속 농도(ppb) 및 중금속 감소 정도(%)를 나타낸 것이다.

이와 같은 결과에 따라 적당량의 발포석 투입으로 담수내 pH의 증가와 그로인한 중금속의 용출 감소 및 화합물의 형성 그리고 발포석내 중금속 흡착에 뛰어난 효과가 나타나는 것으로 판단된다.

따라서, 본 발명에 따른 세라믹 발포체는 민물의 중금속 흡착제로서 사용이 가능하며 상기한 바와 같이 매우 성능이 뛰어나다.

도 8 내지 도 11은 본 발명의 제조방법에 따라 다양한 용도로 사용할 수 있도록 제조한 것을 나타낸 사진이다. 도 8은 인공토양용, 도 9은 여과제, 도 10 내지 도 11는 건축재용으로 제조한 것이며, 도 11는 흡착제용으로도 제조한 것을 나타낸 것이다. 상기한 도면에 도시된 사진들은 일 실시예를 나타낸 것으로 다른 형태를 가지도록 형성할 수도 있다.

도 8 내지 도 11은 본 발명의 제조방법에 따라 다양한 용도로 사용할 수 있도록 제조한 것을 나타낸 사진이다. 도 8은 인공토양용, 도 9은 여과제, 도 10 내지 도 11는 건축재용으로 제조한 것이며 도 11는 흡착제용으로도 사용할 수 있다.

상기 개시된 특정 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 본 명세서에서 나타난 장점을 가지도록 당업자에게 자명한 방법으로 균등한 방법으로 달리 수정되고 실행될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특정한 실시예들은 변경되고 수정될 수 있으며 이러한 모든 변경들이 본 발명의 범위 및 원리 내에서 고려될 수 있음은 자명하다. 그러므로, 본 명세서에서 추구하고자 하는 보호 범위는 청구항에서 보여질 것이다.

도 1 내지 도 2는 상기한 실시예에 따른 세라믹 발포체를 SEM으로 촬영한 사진이다.

도 3 내지 도 5는 표 10의 무기질 재료 구성으로 제조한 세라믹 발포체의 일부를 나타낸 사진이다.

도 6a 내지 도 6b는 미나리 생장 실험 15일 후 각각 A 내지 D 그룹의 미나리 지상부 생장량 비교 사진이다.

도 7a 내지 도 7b는 미나리 생장 실험 15일 후 각각 A 내지 D 그룹의 미나리 지하부 생장량 비교 사진이다.

도 8 내지 도 11는 본 발명의 제조방법에 따라 다양한 용도로 사용할 수 있도록 제조한 것을 나타낸 사진이다.

Claims

중성 산화물 1 몰 당 산성 산화물 2.90 내지 9.5몰과 염기성 산화물 0.80 내지 2.80몰을 포함하는 무기질 재료를 준비하는 단계;

상기 무기질 재료에 알루미늄 분말을 상기 무기질 재료 대비 0.01 내지 0.2중량% 가하는 단계;

상기 무기질 재료의 30 내지 60 중량%의 물을 준비하고 상기 무기질 재료에 가하는 단계;

상기 물이 가해진 무기질 재료를 발포시키는 단계; 및

상기 발포된 무기질 재료를 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 발포체 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 무기질 재료는 규석, 도석, 백운석, 생석회, 석회석, 시멘트, 소나무재, 장석, 점토, 활석, 카오린, 황토, 제올라이트, 알루미나, 산화철, 질석으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질에 포함된 성분이며,

상기 산성 산화물은 SiO₂ 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나이고,

상기 중성 산화물은 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 중 적어도 어느 하나이고,

상기 염기성 산화물은 MgO, CaO, Na₂O 및 K₂O 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 세라믹 발포체 제조방법.
제2항에 있어서,

상기 생석회는 상기 무기질 재료의 3 내지 5중량%, 상기 시멘트는 상기 무기질 재료의 2 내지 4중량%인 것을 특징으로 하는 세라믹 발포체 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 소성 온도는 1050~1250℃인 것을 특징으로 하는 세라믹 발포체 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 무기질 재료를 준비하는 단계는 상기 무기질 재료에 활성탄, 목탄, 폐활성탄 및 숯 중 적어도 어느 하나를 상기 무기질 재료 대비 2 내지 3중량% 가하는 단계를 포함하며, 상기 물의 양은 상기 무기질 재료의 50~60중량%인 것을 특징으로 하는 세라믹 발포체 제조방법.
삭제
중성 산화물;

산성 산화물;

염기성 산화물; 및

상기 중성 산화물과 산성 산화물 및 염기성 산화물 총 중량의 3 내지 5중량%의 생석회를 포함하며,

상기 중성 산화물과 산성 산화물 및 염기성 산화물의 몰비가 1 : 2.90~9.5 : 0.80~ 2.80인 것을 특징으로 하는 세라믹 발포체.
삭제
제7항에 있어서,

상기 각 중성 산화물, 산성 산화물 및 염기성 산화물은 규석, 도석, 백운석, 생석회, 석회석, 시멘트, 소나무재, 장석, 점토, 활석, 카오린, 황토, 제올라이트, 알루미나, 산화철, 질석으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질에 포함되며,

상기 산성 산화물은 SiO₂ 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나이고,

상기 중성 산화물은 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 중 적어도 어느 하나이고,

상기 염기성 산화물은 MgO, CaO, Na₂O 및 K₂O 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 세라믹 발포체.