KR101064841B1 - 유무기 하이브리드 타일 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유무기 하이브리드 타일 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수용성 유기물 1 내지 20 중량부와 무기물인 세라믹 80 내지 99 중량부가 포함되어 형성되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일 및 이의 제조시 열처리 공정이 없는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 유무기 하이브리드 타일은 유기물이 가지는 내수성, 강도 및 경도의 물성과 무기물이 가지는 내구성, 내화학성 및 난연성의 물성이 모두 우수한 효과를 가질 뿐만 아니라, 열처리 공정이 없음으로 인하여 첫째, 점토의 가소성이 살려져 편이성 및 경제성이 우수하며, 둘째, 기능성 물질의 첨가에 따른 효과가 극대화되며, 셋째, 유기물의 바인딩 효과에 의해 기물의 수축 및 뒤틀림이 극복되는 효과를 가진다.

하이브리드 타일, 세라믹, 수용성 유기물, 점토, 가소성, 열 처리

Description

유무기 하이브리드 타일 및 그의 제조방법 {ORGANIC-INORGANIC HYBRID TILE AND METHOD OF PREPARING THE SAME}

본 발명은 유무기 하이브리드 타일 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수용성 유기물 1 내지 20 중량부와 무기물인 세라믹 80 내지 99중량부가 포함되어 형성되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일 및 이의 제조시 열처리 공정이 없는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 세라믹 타일은 점토, 석영 및 장석으로 이루어진 삼성분계 세라믹을 기본 성분으로 하고 있으며, 보통 단미의 세라믹보다 비교적 저온인 800 내지 1300 ℃에서 소성되어 유리화되면서 제조된다.

삼성분계 중에 특히 점토는 물을 이용해 습하게 하면 가소성(plasticity)을 나타내며, 완전히 건조 시키면 단단하게 굳는 강성(elasticity)을 나타낸다. 이러한 점토의 성질은 10% 이하의 수분으로 세라믹 입자를 형틀에 찍어내는 건식 성형 공정뿐만 아니라, 10% 이상의 수분으로 성형성을 주어 가소성 성형, 압출 및 압연 등의 습식 성형 공정을 가능하게 만든다. 그러나 건조된 점토는 물에 닿으면 다시 형태를 잃고 가루로 돌아가려는 성질을 나타내기 때문에, 삼성분계 세라믹 타일은 800 내지 1300 ℃의 열처리(firing) 공정을 필요로 하게 된다.

세라믹 타일의 제조를 위한 열처리(firing) 공정은 소성을 통한 구조체의 유리화 과정이며, 그로 인해 내수성, 내화학성, 내구성, 강도 및 경도 증대를 목적으로 하는 과정이다. 그러나 열처리(firing) 공정은 세라믹 타일의 제조 공정 비용의 절반 이상을 차지하며, 기물의 수축 및 뒤틀림을 동반한다. 또한 기능성을 부여하기 위해 첨가된 흡착제 등은 열처리 변수로 인하여 흡착제 자체의 변질과 성능이 저하될 수 있는 문제점이 있다.

이러한 열처리(firing) 공정의 단점을 극복하기 위해서 현재 상온 건조한 세라믹 타일들이 많이 개발 되고 있으나. 대부분 석고의 기경성, 시멘트의 수경성으로 세라믹 타일의 물리적인 물성을 극복하고 있다. 이러한 제조 방법은 몰딩이라는 전형적인 시멘트, 석고의 제조 방법을 그대로 따르고 있어, 시간적으로나 비용적으로 기존 열처리 공정의 단점을 크게 극복하지 못하고 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 상기의 무기물인 세라믹 타일에 수용성 유기물이 더욱 포함된 유무기 하이브리드 타일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 타일의 제조시 열처리 공정이 없는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수용성 유기물 1 내지 20 중량부와 무기물인 세라믹 80 내지 99 중량부가 포함되어 형성되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일을 제공한다.

또한, (a) 수용성 유기물 1내지 20 중량부와 무기물인 세라믹 80 내지 99 중량부를 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합된 성분을 타일 형태로 성형하는 단계; 및 (c) 상기 성형물을 건조 및 숙성하는 단계를 포함하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 유무기 하이브리드 타일은 유기물이 가지는 내수성, 강도 및 경도의 물성과 무기물이 가지는 내구성, 내화학성 및 난연성의 물성이 모두 우수한 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 유무기 하이브리드 타일은 열처리 공정이 없음으로 인하여 첫째, 점토의 가소성이 살려져 편이성 및 경제성이 우수하며, 둘째, 기능성 물질의 첨가에 따른 효과가 극대화되며, 셋째, 유기물의 바인딩 효과에 의해 기물의 수축 및 뒤틀림이 극복되는 효과를 가진다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 수용성 유기물과 무기물인 세라믹을 포함하는 유무기 하이브리드 타일을 열처리(firing) 공정 없이 제조하는 기술에 관한 것이다.

본 발명에 따른 유무기 하이브리드 타일은 수용성 유기물 1 내지 20 중량부와 무기물인 세라믹 80 내지 99 중량부가 포함되어 형성된다.

상기 무기물인 세라믹은 점토, 석영 및 장석으로 이루어진 삼성분계 세라믹인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 유무기 하이브리드 타일 100 중량부에 대하여 80 내지 99중량부로 포함된다.

상기 본 발명의 유무기 하이브리드 타일은 상기 무기물인 세라믹의 구성 재료인 점토에서 비롯되는 가소성 상태에서 제조된다. 점토의 가소성은 항복점이 표면장력에 비례하여 줄어들기 때문에 표면장력이 높은 극성의 물을 이용하는 것이 바람직하며, 이에 따라 사용되는 유기물 또한 수용성이 바람직하다.

일반적으로 점토의 건조 강도는 점토 입자 판상 사이에 존재하는 반데르발스인력으로 나타나게 되는 데, 본 발명의 유무기 하이브리드 타일의 경우, 점토 입자 판상 사이에 존재하게 되는 수용성 유기물의 입자들이 반데르발스인력을 높임으로써 강도 및 경도가 증대되게 된다.

이때 점토의 판상 사이에 존재하게 되는 수용성 유기물의 함량은 삼성분계 성분 내 점토 함량 대비 2 내지 40 중량%가 바람직하며, 그 이상을 초과할 때 유기물은 점토 판상을 넘어서 점토 입자 사이에 존재하게 되며 유무기의 복합적인 성질에서 유기물의 성질이 더 발현하게 된다.

상기 점토의 함량은 삼성분계 세라믹의 종류에 따라 다양하게 함유되어 있으므로 사용되는 삼성분계 세라믹의 종류에 따라 달리 결정될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 수용성 유기물은 실리콘, 폴리우레탄 또는 아크릴계 폴리머 등이 사용될 수 있으며, 무엇보다 음이온으로 하전된 유기물인 것이 중요하다. 양이온으로 하전된 수용성 유기물을 사용할 경우 점토 입자의 음전하를 감소시키기 때문에 가소성이 낮아지게 된다.

또한, 상기 수용성 유기물은 본 발명의 유무기 하이브리드 타일 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함된다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 타일은 수용성 유기물과 무기물인 세라믹을 모두 포함함에 따라, 수용성 유기 바인더와 점토와의 물리적인 고착 내지 반응으로 인하여 수용성 유기물로 인한 내수성, 강도 및 경도의 물성과 무기물인 세라믹으로 인한 내구성, 내화학성 및 난연성의 물성을 모두 얻을 수 있다.

본 발명의 유무기 하이브리드 타일은 흡착제, 항균제, 음이온 방출제 및 조 습제로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 기능성 물질이 코팅 및 분말 상태로 더욱 첨가될 수 있다.

상기 흡착제로서 제올라이트, 활성탄, 숯, 화산재 등이 사용될 수 있다.

종래에는 일반적으로 세라믹 타일은 고온에서 소성되는 열처리 공정을 가지기 때문에 분말 상태로 기능성 물질을 첨가하는 것이 어려웠던 반면, 본 발명에서는 고온 열처리 공정이 없음으로 인해 다양한 기능성 물질을 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.

상기 기능성 물질은 본 발명에 따른 수용성 유기물과 세라믹의 총합 100 중량부에 대하여 0 내지 30 중량부로 첨가되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 기능성 물질이 활성탄과 같은 소수성일 경우에는 점토의 가소성을 낮추기 때문에 20 중량부 이내로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 기능성 물질을 통한 기능성 발현은 세라믹 매트릭스의 기공을 통하여 이루어지므로, 세라믹 매트릭스의 기공이 높은 것이 기능성 발현에 유리하다. 일반적인 천연의 세라믹 원료들은 규석과 장석의 조립 재료, 카올린의 중립 재료, 점토의 미립 재료가 적당한 조합으로 이루어져 있음에 따라 그 천연원료 자체가 입자충전률이 높으므로, 단미의 세라믹 원료를 사용할 경우에 나타나는 초기 기공율 30% 정도 보다 낮을 수 있다. 이 경우 삼성분계 세라믹 재료 중 조립의 규석과 장석을 1 내지 5 중량부 정도 첨가하면 초기 기공율을 30% 이상으로 높일 수 있다. 이때 첨가되는 유기물의 함량은 기능성 물질에 영향을 주지 않도록 5 중량부 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 유무기 하이브리드 타일은 삼성분계 세라믹의 구성 재료인 점토에서 비롯되는 가소성을 이용하여 성형시키는 것으로, (a) 수용성 유기물 1 내지 20 중량부와 무기물인 세라믹 80 내지 99 중량부를 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합된 성분을 타일 형태로 성형하는 단계; 및 (c) 상기 성형물을 건조 및 숙성하는 단계를 거쳐 제조된다.

구체적으로, 삼성분계 세라믹의 구성재료와 1 내지 20 중량%의 유기물을 함유한 물을 혼련기를 이용하여 혼련한다. 이때 첨가되는 물의 양은 삼성분계 세라믹의 구성재료에 따라 다를 수 있다. 다음, 혼련된 반죽을 상압 및 진공 토련기를 이용하여 토련한 후, 토련된 반죽을 가소성 성형 공정 및 압출 공정을 이용하여 타일 형태로 성형한다. 이후, 급격한 건조는 수용성 유기물의 불균일성을 유발할 수 있으므로 상온 이상 60℃ 이하의 온도에서 함수율 5% 이하로 건조 한다. 건조 방식은 일반적인 열풍 건조 방식이며 특별히 열 압축(hot pressing) 방식 또한 이용될 수 있다. 이후, 120 내지 180 ℃에서 2 내지 24시간 건조하며 숙성한다. 여기서 숙성은 유기물의 중합을 최적화하는 단계를 의미한다.

최종 완성된 유무기 하이브리드 타일의 표면에 기능성 부여를 위한 코팅 및 처리가 부가될 수 있다. 즉, 상기 (a) 단계에서 흡착제, 항균제, 음이온 방출제 및 조습제로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 기능성 물질을 더욱 첨가하여 혼합할 수 있다.

특히, 기존의 세라믹 타일은 800 내지 1300 ℃의 열처리(firing) 공정을 거쳐야 했으나, 본 발명에서는 상기 열처리 공정이 포함되지 않는 것이 특징이다. 따 라서, 열처리 공정이 포함되지 않음에 따라 점토의 가소성이 그대로 살려져 제조되므로, 편이성 및 경제성이 우수해진다. 또한, 첨가되는 기능성 물질들의 기본 성질이 그대로 유지됨에 따라 그 효과가 극대화되며, 또한, 유기물의 바인딩 효과에 의해 기물의 수축 및 뒤틀림이 극복되는 효과를 가진다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예 에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

60 mesh 이하 황토(산청토) 60~80 wt%, 수용성 음이온 아크릴 바인더(50%) 4 wt% 내지 24 wt% 및 물 0 내지 16 wt% 를 혼련기에 투입하여 혼련시킨다. 이후, 혼련된 반죽을 상압 및 진공 토련기를 이용하여 토련하고, 토련된 반죽을 가소성 성형 공정 및 압출 공정을 이용하여 타일 형태로 성형한다. 이후, 상온 이상 60℃ 이하의 온도에서 함수율 5% 이하로 건조 한다. 이후, 120℃ 에서 24시간 건조하며 숙성하여 유무기 하이브리드 타일을 제조하였다.

실시예 2

실시예 1에서 60 mesh 이하 황토(산청토) 60~80 wt%, 수용성 우레탄 바인더(50%) 4 wt% 내지 24 wt% 및 물 0내지 16 wt% 를 혼련기에 투입하여 혼련시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.

실시예 3

60 mesh 이하 황토(산청토) 48 wt%, 제올라이트 12 wt%. 수용성 음이온 아크릴 바인더(50%) 24 wt% 및 물 16 wt% 를 혼련기에 투입하여 혼련시킨다. 이후, 혼련된 반죽을 상압 및 진공 토련기를 이용하여 토련하고, 토련된 반죽을 가소성 성형 공정 및 압출 공정을 이용하여 타일 형태로 성형한다. 이후, 상온 이상 60℃ 이하의 온도에서 함수율 5% 이하로 열풍건조 한다. 이후, 160℃ 에서 1시간 건조 숙성한 경우와 160℃ 에서 24시간 건조 숙성한 경우로 나누어 기능성 유무기 하이브리드 타일을 제조하였다.

실시예 4

실시예 3에서 60 mesh 이하 황토(산청토) 48 wt%, 제올라이트 12 wt%, 수용성 우레탄 바인더(50%) 24 wt% 및 물 16 wt%를 혼련기에 투입하여 혼련시키는 것과, 160℃ 에서 1시간 건조 숙성한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 제조하였다.

비교예 1

60 mesh 이하 황토(산청토) 80 wt%, 제올라이트 20wt% 를 혼련기에 투입시켜 혼련한 후 토련하여 타일을 제조하였다. 상온 이상 60℃ 이하로 함수율 5% 이하가 될 때까지 건조한 후 900℃ 에서 1시간 소성하여 기능성 타일을 제조하였다.

[시험예]

1. 실시예 3에 따라 제조된 기능성 유무기 하이브리드 타일 및 비교예 1에 따라 제조된 기능성 타일(6mm 두께)의 강도를 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

	강도 (N/cm)
실시예 3	20.94
비교예 1	12.8

2. 실시예 3에 따라 제조된 기능성 유무기 하이브리드 타일의 포름알데하이드 제거능 측정.

타일(5 ㎝× 5 ㎝ open) 1개를 Tedler bag (5L 크기)에 넣고, 여기에 1L의 공기를 넣는다. 여기에 미리 기화시킨 포름알데하이드를 1L 넣고(최종 Tedler bag 내 농도는 107ug/L), 시간별로 검지관을 사용하여 농도를 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

[표 2]

	0분	5분	15분	30분	60분	120분
포름알데하이드 잔류량 (검지관눈금)	20	15	10	6.8	3.5	0.7

검지관 1눈금 = 10.72 ug 포름알데하이드

통상적으로 세라믹 타일은 내화학성, 난연성 및 경도가 우수한 반면, 기능성 세라믹 타일은 강도가 떨어진다. 기능성을 발현하기 위해서는 충분한 기공도가 유지되야 하므로 세라믹 타일의 강도는 낮아질 수 밖에 없기 때문이다. 이와 반면 본 발명에 따른 기능성 유무기 하이브리드 타일을 제조한 실시예 3에 의하면 통상적인 기능성 타일을 제조한 비교예 1과 비교하여 강도가 우수함을 알 수 있다. 또한, 표 2를 통하여 강도가 우수함에도 포름알데하이드 제거능 역시 우수함을 확인할 수 있는 바, 본 발명에 따른 기능성 유무기 하이브리드 타일은 기능성 실현 및 우수한 강도를 함께 얻는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 기재된 구체예를 중심으로 상세히 설명하였지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

Claims (13)

1. 수용성 유기물 1 내지 20 중량부와 무기물인 세라믹 80 내지 99 중량부가 포함되어 형성되고,

   상기 수용성 유기물은 실리콘 바인더, 폴리우레탄 또는 아크릴계 폴리머가 사용되며, 음이온으로 하전된 유기물이 사용되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유무기 하이브리드 타일은 흡착제, 항균제, 음이온 방출제 및 조습제로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 기능성 물질을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 기능성 물질은 상기 수용성 유기물과 무기물인 세라믹의 총합 100 중량부에 대하여 0 내지 30 중량부로 더욱 포함되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 세라믹은 점토, 석영 및 장석으로 이루어진 삼성분계 세라믹인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일.
6. (a) 수용성 유기물 1 내지 20 중량부와 무기물인 세라믹 80 내지 99 중량부를 혼합하는 단계;

   (b) 상기 혼합된 성분을 타일 형태로 성형하는 단계; 및

   (c) 상기 성형물을 건조 및 숙성하는 단계

   를 포함하고,

   상기 수용성 유기물은 실리콘 바인더, 폴리우레탄 또는 아크릴계 폴리머가 사용되며, 음이온으로 하전된 유기물이 사용되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 유무기 하이브리드 타일의 제조방법은 800 내지 1300 ℃의 열처리(firing) 단계를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 (a) 단계에서 흡착제, 항균제, 음이온 방출제 및 조습제로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 기능성 물질 0 내지 30 중량부를 더욱 포함하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법.
9. 삭제
10. 제 6항에 있어서,

    상기 세라믹은 점토, 석영 및 장석으로 이루어진 삼성분계 세라믹인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일 제조방법.
11. 제 6항에 있어서,

    상기 건조 단계는 상온 이상 60℃ 이하의 온도에서 함수율 5%이하가 될때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법.
12. 제 6항에 있어서,

    상기 건조는 열풍 건조 또는 열압축 건조의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법.
13. 제 6항에 있어서,

    상기 건조 및 숙성 단계는, 60℃ 이하의 온도에서 함수율 5% 이하로 열풍건조 한 후, 120 내지 180℃ 에서 2 내지 24 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 타일의 제조방법.