KR101667773B1 - 폐 도자기를 이용한 도자기 소지, 제조 방법 및 이에 따라 제조된 고강도 투광성 도자기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐 골회자기의 분쇄분을 소 골회와 혼합하여 제조한 도자기 소지와 이를 이용하여 제조한 고강도 투광성 도자기에 관한 것으로서, 폐기되는 골회자기를 재활용한 도자기 소지 및 이를 이용하여 제조된 도자기와 그 제조 방법을 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 폐 골회자기의 분쇄분을 포함하는 도자기 소지를 이용하여 도자기를 제조함으로써, 기존 고급 골회자기에 유사한 색채, 내구성 및 투광성을 나타내는 도자기를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 고강도 투광성 도자기는 소성온도가 비교적 낮아 에너지 절감 효과가 있고 또한 일반 소지와 소성과정이 다르지 않아 대형 제조설비의 설립 없이 제조할 수 있는 경제적인 효과가 있다.

Description

폐 도자기를 이용한 도자기 소지, 제조 방법 및 이에 따라 제조된 고강도 투광성 도자기{CERAMIC COMPOSITION USING WASTE CERAMICS, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND CERAMICS WITH HIGH STRENGTH AND TRANSPARENT USING THEREOF}
본 발명은 폐 도자기를 이용한 도자기 소지, 제조 방법 및 이에 따라 제조된 고강도 투광성 도자기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐 골회자기의 분쇄분을 소 골회와 혼합하여 제조한 도자기 소지와 이를 이용하여 제조한 고강도 투광성 도자기에 관한 것이다.
일반적으로 대부분의 폐 도자기 파편은 단순 매립되거나 소량만이 콘크리트 골재, 보도 블럭 등의 저부가가치 소재로 재활용되고 있어 이를 고부가가치 소재로 재활용하는 방안이 요구되고 있다. 고부가가치 소재로의 재활용 분야 중 하나가 도자기 소지로 재활용하는 것인데, 폐 도자기 파편을 분쇄하여 도자기용 소지로 재활용하는 경우 매년 매립되는 쓰레기 양을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 도자기 소지 원료의 일부분을 확보함으로써 경제적인 측면에서도 매우 유용하다.
또한 폐 도자기로부터 제조된 도자기용 소지 원료는 내부에 유약 성분을 일정량 함유하기 때문에 도자기 소지의 소결온도를 낮출 수 있을 것으로 예상되는데, 이러한 관점에서 보면 폐 도자기 파편을 소지의 원료로 사용하는 것이 에너지 절약형 도자기를 개발하는데 있어서 매우 유익할 것으로 보인다.
폐 도자기를 활용하여 재활용 소지를 제조하고, 이 소지로부터 에너지 절약형 생활자기를 제조할 경우, 폐기되는 자원의 재활용은 물론 중국, 호주 등에서 수입되는 도자기 원료를 대체하여 외화 절약 뿐 아니라 단순 매립되어 버려지는 자원을 재활용할 수 있다는 점에 의의가 있다. 또한 도자기 공장에서 발생하는 폐기물 처리비용을 절감하는 측면에서도 유익한데, 일반적으로 도자기 생산 과정에서 불량품의 발생은 불가피하며, 이를 처리하기 위한 많은 비용이 도자기 생산원가를 상승시키는 요인이 되고 있다.
골회소지로 제조한 골회자기(Bone China)는 강하고 투명하며 우유빛으로 발색하는 고급 도자기를 말한다. 기존의 골회자기는 일반적으로 1280 ℃ 이상의 소성온도에서 구워지며, 내화갑이라는 틀 없이 소성할 경우 형태가 붕괴된다. 때문에 제조하고자 하는 도자기의 형태와 종류, 소성 갯수에 따른 내화갑이 필요하고, 각각의 내화갑이 차지하는 부피까지 소화할 수 있는 넓은 공간의 고화도 대형 가마가 필요하여 소성 공정의 조건에 따른 비용이 발생한다. 또한 초벌에서 1280 ℃ 이상의 고온으로 소성되기 때문에 재벌시 유약을 입히기 위해서는 표면 열처리 후 유약을 분무하는 추가 공정 또한 필요하다.
관련 종래기술로는 한국공개특허 제10-20065-0104949(2005.11.03.), J. of Advanced Engineering and Technology Vol. 1, No. 1 (2008) pp. 77-81(2008.09.23) 등이 있다.
도자기를 재활용하여 새로운 도자기를 만드는 기술은 이미 존재하지만, 폐 골회자기를 이용하여 도자기 소지를 만들고 이를 이용하여 도자기를 만드는 것은 상기 언급된 기술적인 측면에서의 개선점에 의해 또 다른 의의를 갖는다. 그러나 이러한 분야의 기술은 현재까지는 공지된 바가 없는 실정이다.
이에 따라 폐 골회자기를 재활용하기 위해 그 분쇄분을 포함하는 도자기 소지를 제조함으로써, 제조 과정에 드는 에너지를 절감하여 비용적인 측면에서 유용하며 고강도 및 높은 투과성을 나타내는 도자기를 제조하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은, 폐 골회자기의 분쇄분과 소 골회를 포함하는 도자기 소지를 제조함으로써, 폐기되는 골회자기를 재활용한 도자기 소지 및 이를 이용하여 제조된 도자기와 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 골회를 포함하여 제조된 폐 도자기의 분쇄분; 및 소뼈를 소성하여 만든 소 골회를 포함하는 폐 도자기를 이용한 도자기 소지를 제공한다.
상기 분쇄분은 SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, BaO, CaO, Na2O, K2O, P2O5, TiO2 및 ZrO2으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 소지는 폐 도자기 분쇄분 20 및 골회 40 중량%를 포함할 수 있다.
상기 소지는 와목점토, 백고령토, 도석, 벤토나이트 및 장석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다.
상기 소지는 와목점토 22, 백고령토 4.8, 도석 2.5, 벤토나이트 1.9, 장석 8.8, 폐도자기 분쇄분 20 및 소 골회 40 중량%를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 도자기 소지를 이용한 고강도 투광성 도자기의 제조 방법에 있어서, 상기 도자기 소지를 이용하여 도자기 성형체를 제조하는 단계; 상기 도자기 제품 성형체를 800 내지 850 ℃에서 초벌구이하는 단계; 및 초벌구이된 성형체를 최고 온도 1240 ℃에서 재벌구이하는 단계를 포함하는 고강도 투광성 도자기의 제조 방법을 제공한다.
상기 도자기는 건조수축율이 4.65 % 이하이고, 소성수축율이 10.43 % 이하이며, 3점 굽힘 강도가 928.6 kgf/cm2 이상일 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 폐 골회자기의 분쇄분을 포함하는 도자기 소지를 이용하여 도자기를 제조함으로써, 기존 고급 골회자기에 유사한 색채, 내구성 및 투광성을 나타내는 도자기를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 고강도 투광성 도자기는 소성온도가 비교적 낮아 에너지 절감 효과가 있고 또한 일반 소지와 소성과정이 다르지 않아 대형 제조설비의 설립 없이 제조할 수 있는 경제적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도자기 소지로 제조한 도자기편의 (A)연화도 측정 시험을 나타낸 사진 및 (B)연화도 측정 시험 측면 사진.
도 2는 (A)본 발명의 실시예에 따른 도자기 소지와 (B)일반 시판 소지의 투광성 비교 결과.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 골회(bone ash)를 포함하여 제조된 폐 도자기의 분쇄분; 및 소뼈를 소성하여 만든 소 골회를 포함하는 폐 도자기를 이용한 도자기 소지를 포함한다. 상기 소지는 폐 도자기 분쇄분 20 및 골회 40 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분쇄분은 SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, BaO, CaO, Na2O, K2O, P2O5, TiO2 및 ZrO2으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
상기 소지는 와목점토, 백고령토, 도석, 벤토나이트(bentonite) 및 장석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 혼합물의 조성으로는 와목점토 22, 백고령토 4.8, 도석 2.5, 벤토나이트 1.9, 장석 8.8, 폐도자기 분쇄분 20 및 소 골회 40 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
와목점토(蛙目粘土)는 지름 1~3mm 정도의 석영 입자를 흩어진 점 모양으로 다량 포함하는 백색 내지 옅은 회녹색의 카올린 점토이다. 점점이 포함되어 있는 큰 입자의 석영 입자에 수분이 닿으면 마치 개구리눈처럼 보이므로 와목이라고 불린다. 점토분과 석영 입자를 수비(水飛)로 분리하여, 각각 도자기, 유리 등의 원료로 이용할 수 있다.
백고령토(AKW, 화이트 카올린)에 있어서 일반적으로 카올린의 성질은 원암의 종류, 분해의 정도, 결정의 크기, 이력 등에 따라 달라진다. 도자기 원료로서 없어서는 안 되는 원료이다. 할로이사이트계 카올린은 반응성이 풍부하므로 황산에 녹여서 황산알루미늄 또는 알루미나를 제조하기도 한다.
도석은 도자기 원료의 주원료가 되는 점토질, 규산질, 장석질을 함께 함유하고 있는 물질로서 소성하여 자기질화함으로써 그 자체만으로도 도자기를 만들 수 있는 점토이다. 우리나라의 전남 진도군 가사도, 영국, 독일, 뉴질랜드 등이 주산지이다. 광물학적 주성분은 견운모·규석 또는 단백석 등이다. 견운모가 많을수록 가소성(可塑性)이 증가하고, 건조 강도가 커진다. 또한 규석의 미세화 정도는 제품의 성질에 큰 영향을 미친다.
벤토나이트(bentonite)는 석영·장석(長石)·제올라이트 등을 포함한 것이 많다. 빛깔은 백색·회색·담갈색·담녹색 등을 나타낸다. 진주광택·납상광택을 가지며 지방감이 있는 치밀한 괴상으로 산출되는데, 물을 흡착하여 팽윤하고, 양이온 교환성이 뚜렷한 것 등 몬모릴로나이트의 성질과 흡사하다. 용도는 매우 넓어 석유정굴진용 이수의 주성분, 주물형의 결합제, 요업원료의 혼입제, 연고의 기초제로서 사용되기도 한다. 명칭은 발견지인 미국 와이오밍주의 지층에서 유래되었다.
장석(feldspar, 長石)은 칼륨, 나트륨, 칼슘, 바륨을 함유한 알루미늄 규산염광물이다. 화강암의 주요 구성성분이며, 칼륨장석, 나트륨장석, 칼슘장석의 세 가지 단성분의 계열로 주로 산출된다. 장석은 지각을 구성하는 광물 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 여겨지며 도자기의 원료가 되는 도토(陶土)는 장석이 풍화한 것이다.
도자기 소지의 제조에 있어서는 분쇄 및 혼합한 도자기 원료 조성물에 적당량의 물을 첨가하여 교반시키고, 필터프레스 기계를 사용하여 수분을 일정하게 제거한 후 토련기를 사용하여 일정한 함수량이 유지되도록 해야 한다.
또한 본 발명은 상기 도자기 소지를 이용한 고강도 투광성 도자기의 제조 방법에 있어서, 상기 도자기 소지를 이용하여 도자기 성형체를 제조하는 단계; 상기 도자기 제품 성형체를 800 내지 850 ℃에서 초벌구이하는 단계; 및 초벌구이된 성형체를 최고 온도 1240 ℃에서 재벌구이하는 단계를 포함하는 고강도 투광성 도자기의 제조 방법을 제공한다.
이 때, 도자기의 성형 방법으로는 물레성형(jiggering), 주입성형(casting), 압출성형(plastic forming by extruding) 및 압착성형(pressing) 중에서 어느 하나를 이용할 수 있다.
도자기 성형체는 소성 전 건조 과정을 거치는데, 입자의 활재인 수분이 증발함에 따라서 입자가 서로 접근하여 전체 성형체의 부피가 수축된다. 비교적 큰 입자가 서로 접촉하게 되면 수축은 거의 완료된다. 특히 입자가 작으면 작을수록 건조가 어렵다.
소성은 도자기의 제조공정에서 가장 중요한 단계이며, 소지, 유약, 모양, 크기, 용도 또는 가마의 종류, 연료, 소성온도, 불꽃 등의 조건에 따라 다소의 차이는 있으나 초벌구이(biscuit fire), 재벌구이(본구이: glost fire), 채색구이(decorating fire) 등으로 분류된다.
본 발명의 실시예에 따른 도자기 소지는 초벌구이 온도가 800 내지 850 ℃이므로 비교적 공정이 간단하다. 또한 이러한 이유로 레일 가마, 고화도 대형가마 및 내화갑과 같은 대형 제조설비가 필요하지 않다는 점에서 경제적이다.
상기 도자기는 건조수축율이 4.65 % 이하이고, 소성수축율이 10.43 % 이하이며, 3점 굽힘 강도가 928.6 kgf/cm2 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 도자기는 투광성이 뛰어난 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1. 폐 도자기의 분쇄
폐 도자기의 입자가 60 ㎜ 이하가 되도록 조 크러셔(Jaw Crusher)로 분쇄하였다. 그 다음 볼밀(Ball mill)을 사용하여 입자의 크기가 100 mesh 이하가 되도록 분쇄한 후 건조하였다. 분쇄 후 분쇄분의 성분을 분석하였다(표 1).
Figure 112015071987798-pat00001
실시예 2. 폐 도자기 분쇄분을 이용한 도자기 소지 제조
상기 표 1에 해당하는 폐 도자기 분쇄분(파본)과 소 골회(영국)를 포함하여 다음 기재된 중량비에 따라 와목점토, 백고령토, 도석(태백 지역), 벤토나이트 및 장석(인도)과 혼합하여 도자기 소지를 제조하였다(표 2).
Figure 112015071987798-pat00002
실시예 3. 폐 도자기 분쇄분을 이용한 도자기의 물성 측정
실시예 2에서 제조된 도자기 소지를 이용하여 도자기 시험편을 성형하였다. 성형체는 건조 과정을 거친 후, 800 내지 850 ℃에서 초벌구이 후 최고 온도 1240 ℃에서 1시간 유지하는 방법으로 재벌구이하였다. 소성 과정을 거친 후, 제조된 도자기 시험편에 대한 물성을 측정하였다(표 3).
Figure 112015071987798-pat00003
도자기 제조용 소지로서 사용하기 위해서는 성형성 뿐만 아니라 소결 후의 특성인 흡수율, 기공률, 강도 등의 특성이 충족되어야 한다. 이에 소성된 시험편의 흡수율, 기공률 및 겉보기비중은 KS L3114, 수축률은 KS L4004 측정법을 기준으로 측정하였다. 하중 연화도실험 측정은 소성 시 시험편의 휨 정도를 측정하여 계산하였으며, 강도 측정은 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 3 점 압축시험법으로 측정하였다.
시험편의 건조 과정에서 측정된 수축율은 4.65 %, 소성 과정에서 측정된 수축율은 10.43 %를 기록하였다.
색상을 표기한 CIE L*a*b* 값은 국제조명위원회 표색계 기준에 따라 기록하였다. CIE L*a*b* 색 공간에서 L* 값은 밝기를 나타낸다. L* = 0 이면 검은색, L* = 100 이면 흰색을 나타낸다. a*은 빨강과 초록 중 어느쪽으로 치우쳤는지를 나타낸다. a*이 음수이면 초록, 양수이면 빨강/보라 쪽으로 치우친 색이다. b*은 노랑과 파랑을 나타낸다. b*이 음수이면 파랑, 양수이면 노랑에 치우친 색을 나타낸다.
통상의 방법("굽힘 강도 측정," KS L1591, 1995.)에 따른 3점 굽힘 강도의 측정을 위해 제조된 시험편에 대해 만능시험기를 이용하여 위로부터 하중을 걸고 측정 후 아래와 같은 공식에 따라 계산하였다(P; 시험편이 파괴되었을 때의 최대 하중, L; 간격, w; 시험편의 폭, t; 시험편의 두께).
Figure 112015071987798-pat00004
시험편의 3점 굽힘 강도는 928 kgf/cm2로 측정되었다.
또한 시험편에 대해 하중에 따른 연화도를 측정하였다(도 1). 아래의 그림과 같은 규격에 따라 내화물로 고정대를 만들어 시험편을 거치하고 소성 중 자중에 의해서 휘어지는 중간 지점의 높이 변형을 측정하는 방법을 통해 6.63mm의 값을 도출하였다.
Figure 112015071987798-pat00005
Figure 112015071987798-pat00006
또한 제조된 소지의 투광성을 측정하기 위해 바닥에 광원을 배치한 뒤 오목한 모양으로 제조한 도자기 성형체를 거꾸로 뒤집어 덮어서 광원이 소지의 재질을 투과하는 정도를 관찰하였다(도 2).
결과적으로 시험편의 소지는 백자소지로서 고급자기인 본차이나가 가지는 장점인 내구성, 투광성 및 우수한 백색도를 모두 나타냈다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 골회(bone ash)를 포함하여 제조된 폐 도자기의 분쇄분 20 중량%; 및
    소뼈를 소성하여 만든 소 골회 40 중량%를 포함하는 폐 도자기를 이용한 도자기 소지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소지는 와목점토, 백고령토, 도석, 벤토나이트(bentonite) 및 장석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 도자기를 이용한 도자기 소지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소지는 와목점토 22 중량%, 백고령토 4.8 중량%, 도석 2.5 중량%, 벤토나이트 1.9 중량%, 장석 8.8 중량%, 폐도자기 분쇄분 20 중량% 및 소 골회 40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 도자기를 이용한 도자기 소지.
  6. 제 1 항, 제 4 항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 도자기 소지를 이용한 고강도 투광성 도자기의 제조 방법에 있어서,
    상기 도자기 소지를 이용하여 도자기 성형체를 제조하는 단계;
    상기 도자기 제품 성형체를 800 내지 850 ℃에서 초벌구이하는 단계; 및
    초벌구이된 성형체를 최고 온도 1240 ℃에서 재벌구이하는 단계를 포함하는 고강도 투광성 도자기의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 따른 방법으로 제조된 도자기에 있어서,
    상기 도자기는 건조수축율이 4.65 % 이하이고, 소성수축율이 10.43 % 이하이며, 3점 굽힘 강도가 928.6 kgf/cm2 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 투광성 도자기.
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