KR101157956B1 - 폐유리를 이용한 발포유리 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 사용되어 지는 판유리, 병유리 등의 파쇄분 폐유리를 이용하여 발포유리를 제조하는 것으로 기공 형성을 위한 첨가물 없이 폐유리를 직접 발포시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 사용하는 발포용 원료분말은 폐유리를 이용하여 분쇄공정을 통하여 얻어진다.
습식 분쇄공정에 있어 용매로는 물, 에틸 알코올, 메틸 알코올, 아세톤 등을 이용하였으며, 분쇄된 분말은 성형몰드에 체밀 충전하여 일축 또는 정수압 성형을 행한 후, 600～1000℃의 온도구간에서 발포시켰으며, 발포공정 후 만들어진 발포유리는 심미성 및 균일한 미세 기공구조를 가지는 발포유리를 제조하였다.
발포유리의 기본적인 물성은 287 ㎏/㎥의 밀도 값과 88%의 기공율, 1.4 MPa의 압축강도, 그리고 25℃에서 0.070 kcal/mh℃ 열전도도를 나타내는 특성을 나타내었다. 이와 같은 본 발명은 건축용 경량 내화재, 방음재 등으로 이용되고 경량이어서 취급이 용이하다.

Description

폐유리를 이용한 발포유리 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING FOAMED GLASS FROM WASTE GLASS}

본 발명은 발포유리 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 폐유리를 원료로 하여 기공형성제의 첨가 없이도 분쇄와 열처리 공정을 통하여 발포유리를 제조하는 발포유리 제조방법에 관한 것이다.

발포유리는 경량이면서 불꽃차단, 단열, 내열, 흡음 등에 탁월한 성능을 발휘하여 산업상 방수, 내열성, 내구성이 요구되는 경우에 반드시 사용되며, 특히 구조물이나 건축물에 있어서 훌륭한 보온단열재 및 흡음재로 쓰인다.

발포유리의 제조 원리는 1930년대 후반에 이미 제안된 바 있다. 그 일예로서 특별한 조성의 유리에 탄소와 같은 환원제와 산화물, 설페이트(sulfate) 또는 다른 형태의 산화성분들을 함유하는 기포 형성제를 함께 혼합하여 이를 분쇄한 후, 이 분쇄된 혼합물을 일정한 용기 또는 틀에 넣어 연화 또는 용융 전까지 소성시키는 것이다.

이 열처리 과정에서 탄소와 황산화물(또는 산화제 또는 유리의 산화물) 사이에 산화-환원반응이 일어나고 그 결과 용융된 유리는 SO₂ , CO₂ , N₂ , H₂S 또는 다른 가스를 함유하게 되며 이것이 저밀도이며 열전도 및 복사에 저항이 되는 구조를 형성하게 하는 물질을 만들며 유리가스를 형성한다. 그 결과 가장 최상의 결과를 얻을 경우 유리의 구조는 물 또는 수증기, 또는 다른 액체 및 기체 등이 스며들지 않는 밀폐기공을 갖게 된다.

이와 같은 제조 원리에 따라 제조되는 발포유리 블록의 제조 공정에 대해서는 많은 연구결과 및 관련 특허가 제안된 바 있으며, 이미 완성된 생산공장이 존재하고 있다.

미국의 피츠버그 코닝(Pittsburg Corning)사에서 상용화한 발포유리를 제조하기 위해서는 일차적으로 특별한 조성의 발포유리 제조용 원료유리를 제조하여야 한다. 이를 위해서 통상의 유리 제조용 원료 성분에다 발포유리가 될 수 있도록 Na₂SO₄, CaCO₃, MgCO₃, Na₂O, As₂O₃ 등의 여러 성분을 가하여 1300～1600℃의 용융과정을 거쳐 발포유리를 만들 수 있는 발포유리제조용 원료유리를 만들고 있다.

그리고 이렇게 만들어진 유리를 분쇄하고 여기다 다른 성분과 반응하여 직접적인 발포제 역할을 하는 기체를 생성하는 발포조제인 탄소 등을 첨가하여 잘 혼합한 다음, 이 혼합된 발포유리제조용 원료유리 분말을 일정한 용기에 담아 400～650℃에서 예열하고, 800～900℃의 조건하에서 발포과정을 거친 후 안정화를 위한 냉각, 서냉 등의 열처리 과정을 거친 것을 일정한 크기로 절단하여 포장 판매하고 있다.

그러나 이 공정은 발포유리제조용 원료유리를 만드는 과정에서 상기한 바와 같이 열처리 온도가 1300～1600℃로 되어 다량의 에너지가 소요되고, 그에 따른 시설투자 및 관리비용이 필요하기 때문에, 발포유리 제조용 원료유리의 생산비용이 발포유리 생산원가의 절반 이상을 차지하고 있다.

그 외에도 제조된 발포유리를 일정크기로 절단할 때 파생되는 많은 량(많게는 20wt%까지 발생함)의 잔류 발포유리의 발생은 발포유리블록의 생산원가를 낮추지 못하는 또 하나의 주요 요인으로 된다.

그러한 까닭에 기존의 이 피츠버그 코닝사의 발포유리 제조공장이 가동된 이후 현재까지 발포유리제조 공정개선과 관련하여 제안된 많은 특허와 연구결과는 대부분 그 목적을 발포단계 이전 이러한 고에너지가 소요되는 공정을 거치지 않고 직접 발포유리 제조를 위한 원료유리를 만드는 것에 초점을 맞추고 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 저밀도이면서 균일한 기공분포를 갖는 효율적인 기능의 발포유리를 기공형성제 없이 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 원료유리로서 일반적인 폐유리를 이용할 수 있는 것으로서 특별한 조성을 만들기 위한 유리의 용융, 가수분해 또는 기타의 어떠한 사전 공정도 필요로 하지 않는 발포유리 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면 발포유리 원료로서의 소듐 및 보로알루미노-실리케이트(sodium & boro alumino-silicate)조성 폐유리를 준비하는 단계; 상기 폐유리를 발포용 원료분말로 이용하기 위하여 1 ~ 10 ㎛ 크기가 되도록 분쇄하는 단계; 상기 폐유리 분말을 1 ~ 72 시간 밀링하는 단계; 폐유리 분말을 발포형성제 첨가 없이 성형몰드에서 가압하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 600 ~ 1000℃에서 소성한 후, 발포시키는 단계를 포함하는 폐유리를 이용한 발포유리제조방법이 제공된다.

본 발명에서는 폐유리를 이용하여 기공형성제의 첨가 없이 공정제어를 통하여 발포유리를 제조하므로 공정이 단순화되어 공정제어가 용이하며, 균일한 기공구조를 가지고 심미적 특성이 우수한 발포유리를 제조할 수 있으므로 다양한 건축 및 환경관련 물품에 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폐유리를 이용한 발포유리 제조공정을 나타내는 흐름도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1 ~ 4에 따라 제조되는 발포유리의 미세구조를 나타내는 사진도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조되는 발포유리의 밀도 및 외관을 나타내는 사진도이다.

본 발명은 일반적으로 생활상이나 산업적으로 발생되는 폐유리를 이용하여 발포유리제조를 위한 다른 특별한 전처리공정을 거치지 않고 폐유리를 직접 발포시켜 발포유리를 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 발포유리 원료로서의 소듐 및 보로알루미노-실리케이트(sodium & boro alumino-silicate)조성 폐유리를 준비하는 단계; 상기 폐유리를 발포용 원료분말로 이용하기 위하여 1 ~ 10 ㎛ 크기가 되도록 분쇄하는 단계; 상기 폐유리 분말을 1 ~ 72 시간 밀링하는 단계; 폐유리 분말을 발포형성제 첨가 없이 성형몰드에서 가압하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 600 ~ 1000℃에서 소성한 후, 발포시키는 단계를 포함하는 폐유리를 이용한 발포유리제조방법이 제공된다.

본 발명에 있어서, 발포유리의 생성 메카니즘은 다음과 같다.

[식 1]

상기의 반응식에 나타나는 바와 같이, 특정 조성을 가지는 원료유리에 물을 가하면 가수분해에 의하여, 유리 속에 물 분자 및 수산화이온이 침투하여 존재하게 된다. 이후 소성 발포 공정을 거치면서, 가수분해결과 유리에 함유된 유리상태 수분 또는 -OH 성분이 분해되어 연화 또는 용융된 유리입자의 사이를 빠져나오면서 기포를 형성하게 되고 그 결과 유리 내에 기포가 형성되어 발포유리가 되는 것이다.

본 발명에서 사용될 수 있는 폐유리는 소듐 및 보로알루미노-실리케이트(sodium & boro alumino-silicate)조성 폐유리이다. 이러한 조성을 가지는 폐유리를 발포유리제조 원료로 사용하는 경우에는 별도의 발포형성제의 첨가 없이도 발포유리의 제조가 가능하기 때문이다.

폐유리로부터 발포용 원료분말을 얻기 위하여 폐유리를 1차 조분쇄와 2차 미분쇄 공정을 통해 분쇄하는 단계를 거치게 된다. 상기 2차 미분쇄공정은 습식 분쇄공정에 의하는 것이 바람직하며, 용매로는 물, 에틸 알코올, 메틸 알코올 및 아세톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 용매를 사용할 수 있다.

이때 그 분말입도는 1 ~ 10 ㎛ 크기가 되도록 한다. 폐유리의 분말입도는 미세할수록 바람직하나 가능한 경제적인 분쇄가공 정도를 고려할 때 1 ~ 10 ㎛ 정도가 바람직하다.

폐유리는 디스크밀, 볼밀 등의 분쇄장치에서 분쇄된다. 상기 폐유리 분말은 원료제어를 위하여 1 ~ 72 시간 밀링가공단계를 거치는 것이 바람직하다. 이후 폐유리 분말은 발포형성제 첨가 없이 성형몰드에 담겨져 1축 및 등방가압에 의하여 성형체로 제조된다.

상기 성형체는 600 ~ 1000℃에서의 소성 및 발포 단계를 거쳐 발포유리로 제조되었다. 상기의 제조공정에 의하여 균일한 미세 기공구조를 가지며 심미성이 뛰어난 발포유리가 제조되었다. 상기 제조방법에 의하여 제조된 발포유리의 기본적인 물성은 287 ㎏/㎥의 밀도값과 88%의 기공율, 1.4 MPa의 압축강도, 그리고 25℃에서 0.070 kcal/mh℃ 열전도도를 나타내었다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1~4:폐유리를 이용한 발포유리의 제조

소듐-실리케이트(sodium-silicate)조성 폐유리를 디스크밀을 이용하여 1차 분쇄하였다. 분쇄조건은 3회까지 리사이클링 방법으로 분쇄하였다. 1차 분쇄과정에서 1회 리사이클링 분쇄된 분말(평균 120㎛)을 유성밀을 이용하여 증류수를 용매로 하여 100~400rpm의 속도로 1~72시간 동안 2차 습식분쇄(평균 2㎛) 하였다.

2차 분쇄 분말은 오븐을 이용하여 60℃에서 24시간 건조하였다. 건조된 분말은 200mesh 체를 이용하여 체거름을 하였다. 체거름된 분말을 성형 몰드에 넣어 가압프레스방법으로 성형체를 제조하였다. 상기 성형체를 전기로를 이용하여 승온속도 분당 1~20℃조건하에서 600℃~1000℃에서 소성 및 발포공정을 거쳐 발포유리를 제조하였다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
승온속도(℃/분)	1	5	10	20
소성온도	700℃	700℃	700℃	700℃
소성시간(h)	2	2	2	2
분쇄시간(h)	8	8	8	8

도 2는 본 발명의 실시예 1 ~ 4에 따라 제조되는 발포유리의 미세구조를 나타내는 사진도이다. 도 2의 좌상부분사진은 상기 실시예 1에 의해 제조된 발포유리의 미세구조를 나타낸다. 우상부분사진은 상기 실시예 2에 의해 제조된 발포유리의 미세구조를 나타낸다. 좌하부분사진은 상기 실시예 3에 의해 제조된 발포유리의 미세구조를 나타낸다. 우하부분사진은 상기 실시예 4에 의해 제조된 발포유리의 미세구조를 나타낸다.

도 2에 나타나는 바와 같이 상기 실시예에서 제조된 발포유리는 균일하게 형성된 기공을 가지는 것으로 확인되었다. 특히 실시예 2의 경우는 도 3에 도시된 바와 같이 저밀도이며, 심미성도 우수한 것으로 확인되었다.

Claims (4)

1. 발포유리 원료로서의 소듐 및 보로알루미노-실리케이트조성 폐유리를 준비하는 단계; 상기 폐유리를 발포용 원료분말로 이용하기 위하여 1 ~ 10 ㎛ 크기가 되도록 분쇄하는 단계; 상기 폐유리 분말을 1 ~ 72 시간 밀링하는 단계; 폐유리 분말을 발포형성제 첨가 없이 성형몰드에서 가압하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 600 ~ 1000℃에서 소성 및 발포시키는 단계를 포함하는 폐유리를 이용한 발포유리 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 분쇄단계는 제 1 조분쇄단계 및 제 2 미분쇄단계로 이루어지는 것이며, 상기 제 2 미분쇄단계는 습식분쇄공정인 것임을 특징으로 하는 폐유리를 이용한 발포유리 제조방법.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 습식분쇄공정의 용매로는 물, 에틸 알코올, 메틸 알코올 및 아세톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 용매를 사용하는 것임을 특징으로 하는 폐유리를 이용한 발포유리 제조방법.
   
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되는 것으로서, 287 ㎏/㎥의 밀도, 88%의 기공율, 1.4 MPa의 압축강도, 그리고 25℃에서 0.070 kcal/mh℃의 열전도도를 가지는 발포유리.

Images