KR102380992B1

KR102380992B1 - 정수 슬러지를 활용한 꺾임강도가 높은 흑색 도자기용 소지 조성물 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102380992B1
Application number: KR1020210109120A
Authority: KR
Inventors: 변현란
Original assignee: 변현란
Priority date: 2021-08-19
Filing date: 2021-08-19
Publication date: 2022-04-01

Abstract

본 발명은, 와목 점토와 카올린 등의 통상의 소지 원료; 페라이트 슬러지; 및 정수 처리 후 남는 폐 정수 슬러지를 포함하는 페라이트 슬러지와 정수 슬러지를 활용한 어두운 색상 도자기용 소지 조성물을 제공한다.

Description

정수 슬러지를 활용한 꺾임강도가 높은 흑색 도자기용 소지 조성물 및 이의 제조방법{Black Ceramic Composition Comprising with High Bending Strength Using Water treatment Sludge and Method for Preparation thereof}

본 발명은 정수 슬러지를 활용한 꺾임강도가 높은 흑색 도자기용 소지 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

일반적으로 도자기 소지는 기본적으로 장석과 규석 및 고령토 등을 원재료로 구성하되, 용도에 따라 조금씩 각 구성성분 함량비율을 변경하거나 다른 종류의 원재료를 추가하여 이용되어 왔다. 도자기 소지는 전통적으로 크게 백자토, 분청토 및 청자토 등으로 나눌 수 있고 조합토, 산청토, 옹기토 및 자기토 등도 널리 사용된다.

도자기는 위의 도자기 소지를 이용하여 반죽을 하여 초벌소성을 거친 후 유약의 표면을 코팅하여 미적효과와 강도를 증가시키는 유약을 도포한 후 재벌소성을 거쳐 완성된다. 도자기는 소비자가 원하는 색상에 따라 유약의 색상이 선택되는데, 백색의 도자기를 제조하는 경우 그 색상의 선명도를 향상시키기 위해서는 어둡지 않은 색상의 소지에 백색을 내는 유약을 입혀 제조한다. 반대로 흑색에 가까운 어두운 색상의 도자기를 제조하는 경우 어두운 색상의 소지에 어두운 색을 내는 유약을 입혀 제조하며, 흑색의 도자기가 요구되는 경우에는 유약을 입히지 않고 초벌소성된 상태로 자연스러운 거친 느낌을 표현하고자 하는 경우가 많아 소지 자체가 발하는 색상이 매우 중요하다. 뿐만 아니라 이러한 경우 도자기의 강도를 높여주는 유약이 배제되므로 소지 자체의 강도가 다른 소지보다 월등히 높을 것이 요구된다.

종래에는 흑색 소지 조성물을 제조할 때 색을 어둡게 발현하는 산화물 '안료'(물감)를 혼합하는 방법이 주로 사용되었다. 그러나 산화물 안료의 가격이 매우 비쌀 뿐만 아니라 단순히 기존의 일반적인 방법을 통해 혼합하다 보니 소지의 색상 자체가 자연스럽고 깊은 느낌이 다소 떨어지고 꺾임강도 향상에 기여하지 못하였다. 종래기술인 등록특허 제 10-0945787호의 갯벌흙을 이용한 유약 및 이를 이용한 흑색, 황색 반점을 갖는 도자기 제조 방법에는 '흑색' 반점을 가지는 도자기 인 점은 개시되어 있긴 하나 소지가 아닌 유약에 관한 것으로서 소지 자체로 어두운 흑색을 발하는 것은 아닌 점에서 그 사용도가 좁은 단점이 있다.

이에 본 발명자는 보다 경제적이고 고급스러운 흑색의 자연미를 살릴 수 있는 도자기용 소지를 개발하고자 예의 연구를 거듭하였고, 흑색을 내기 위하여 무료로 쉽게 구할 수 있는 정수 슬러지(물을 정수하고 남은 찌꺼기)와 페라이트 슬러지를 첨가하고, 더 깊은 색감과 더 높은 강도를 내기 위해 이들을 특유의 과정을 통해 혼합하여 소지를 제조하였다. 이에 의하면 기존 소지에 비하여 현저히 저렴한 비용으로 제조할 수 있으며, 이를 활용하여 도자기를 제조하는 경우 기존에 비하여 더 자연스럽고 깊은 느낌의 흑색을 띄는 것을 알게 되어 이를 체계적으로 정리하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 일 목적은 보다 경제적인 흑색 도자기용 소지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적은 보다 자연스럽고 고급스러운 깊은 느낌의 흑색을 내며 그 꺾임강도가 우수한 도자기용 소지 및 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 정수 슬러지(water treatment sluge)와 페라이트 슬러지 분말 및 통상의 소지 원료를 포함하는 소지 조성물을 제공한다.

본 발명은 와목 점토와 카올린 등의 통상의 소지 원료; 페라이트 슬러지; 및 정수 처리 후 남는 폐 정수 슬러지를 포함하고, 조성물 전체 중량을 기준으로 상기 와목점토는 43중량%, 상기 카올린은 18중량%, 상기 폐 정수 슬러지는 32중량%, 상기 페라이트 슬러지는 7중량%인 것을 특징으로 하는 정수 슬러지를 활용한 꺾임강도가 높은 흑색 도자기용 소지 조성물을 제공할 수 있다.

본 발명의 추가적인 해결수단은 아래에서 이어지는 설명에서 일부 설명될 것이고, 그 설명으로부터 부분적으로 용이하게 확인할 수 있거나, 또는 본 발명의 실시에 의해 지득될 수 있다.

전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 단지 예시적이고 설명을 위한 것이며 청구범위에 기재된 본 발명을 제한하지 않는다.

본 발명에 따른 정수 슬러지를 활용한 흑색 도자기용 소지 조성물은 보다 자연스럽고 고급스러운 깊은 색감을 낼 수 있으며 우수한 꺾임강도를 가질 뿐만 아니라 경제적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소지를 제조하는 제조방법의 전체 플로우차트다.
도 2는 본 발명에 따른 소지를 제조하는 제조방법 중 원료 혼합단계의 디테일한 구성을 표현한 플로우차트다.
도 3은 본 발명에 따른 원료 혼합단계 중 폐 정수 슬러지를 압축하는 프레스 공정을 표현한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 소지 조성물의 가소성 확인 방법을 표현한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 소지 조성물을 시편으로 제조 후 이를 산화 소성한 결과물이다.
도 6은 본 발명에 따른 소지 조성물을 시편으로 제조 후 이를 환원 소성한 결과물이다.
도 7은 본 발명에 따른 소지 조성물의 UV 측정 실험 결과 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 상세하게 서술하도록 한다.

다만, 본 발명의 구체적 일 실시 형태를 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 소지를 제조하는 제조방법의 전체 플로우차트다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 소지를 제조하는 제조방법은 원료 혼합단계(S100) 및 소지 형성단계(S200)를 포함한다.

원료 혼합단계(S100)는 폐 정수 슬러지와 와목 점토, 카올린 및 페라이트 슬러지를 습식혼합하는 과정을 거쳐 수행될 수 있다. 여기서 폐 정수 슬러지를 제외한 나머지 구성요소들이 먼저 습식 혼합된 후 별도의 분말화 공정을 거친 폐 정수 슬러지가 나중에 혼합될 수 있다. 자세한 사항은 후술한다.

소지 형성단계(S200)는 원료 혼합단계(S100)를 거친 혼합물을 건조하여 반죽으로 만들어 소지 조성물을 형성할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 소지를 제조하는 제조방법 중 원료 혼합단계의 디테일한 구성을 표현한 플로우차트다.

도 3은 본 발명에 따른 원료 혼합단계 중 폐 정수 슬러지를 압축하는 프레스 공정을 표현한 도면이다.

도 2를 참조하면 원료 혼합단계(S100)는 제1혼합단계(S110), 정수 슬러지 분말화 단계(S120) 및 제2혼합단계(S130)를 포함할 수 있다.

제1혼합단계(S110)는 와목 점토와 카올린 및 페라이트 슬러지를 혼합용기에 물과 함께 습식혼합한 후 72시간이상 숙성시켜 제1조성물을 구성하도록 수행될 수 있다. 와목 점토와 카올린 및 페라이트 슬러지는 모두 분말화 된 상태에서 물과 함께 습식혼합 될 수 있으며 그 분말 입자의 크기는 150 내지 200mesh일 수 있다.

다음으로 정수 슬러지 분말화 단계(S120)는 폐 정수 슬러지를 마련하여 물과 혼합시켜 반죽을 구성한 후 이를 압축하는 프레스 공정, 교반 공정, 건조 공정, 분쇄 공정 및 체로 걸러내는 거름 공정을 통해 분말로 구성할 수 있다.

여기서 프레스 공정은 도 3에 도시된 바와 같이 고정 프레임(1)과 프레서(2)를 포함하는 프레스 장치(10)에 의해 수행될 수 있다. 고정 프레임(1)은 물과 혼합된 정수 슬러지 반죽(50)이 놓여질 수 있는 바닥 부분을 제외한 전 방향이 개방되도록 구성될 수 있다. 프레서(2)는 전후 이동하면서 정수 슬러지 반죽(50)의 하방을 제외한 모든 방향에서 정수 슬러지 반죽(50)을 압축한다. 모든 프레서(2)가 동시에 압축하는 과정, 서로 마주보는 한 쌍의 프레서만 압축하는 과정, 서로 마주보는 다른 한 쌍의 프레서가 압축하는 과정 등이 차례대로 번갈아가며 수행되어 정수 슬러지 반죽(50)을 효과적으로 압축하고 이에 의하여 정수 슬러지의 입자를 고르게 하고 색을 내는 성분인 산화철(Fe₂O₃)과 산화망간(MnO)의 균일도를 향상시킬 수 있다. 고른 입자와 높은 균일도가 소지 조성물의 색감 및 색감의 균일도와 꺾임강도의 증가에 긍정적인 영향을 미치므로 이를 위해 프레스 공정을 별도로 수행할 수 있다.

프레스 공정이 종료된 후에는 교반 공정, 건조 공정, 분쇄 공정 및 체로 걸러내는 거름 공정(150-170mesh 채를 통과)을 반복적으로 순환 수행하여 최종적으로 정수 슬러지를 분말의 형태로 구성할 수 있다. 정수 슬러지 분말화 단계를 별도로 수행하는 이유는 모든 원료를 한꺼번에 습식 혼합을 한 후에는 정수 슬러지의 입자를 고르게 하고 색을 내는 성분의 균일도 향상이 쉽지 않기 때문이다.

제2혼합단계(S130)는 제1조성물에 정수 슬러지 분말화 단계(S120)을 거쳐 분말화 된 정수 슬러지 분말을 물과 함께 습식혼합하여 48시간 내지 72시간 숙성시키되 24시간마다 한 시간씩 200-250℃로 가열하는 과정을 거친 제2조성물을 형성할 수 있다. 24시간마다 한 시간씩 200-250℃로 가열하는 과정은 입자들의 혼합을 활성화하고 습식혼합 된 채로 오래 놓여짐에 따른 혼합물의 과한 습도를 제거하기 위하여 반드시 필요하다. 이렇게 형성되는 제2조성물을 20-24℃에서 자연건조하여 본 발명에 따른 도자기용 소지 조성물을 구성할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 소지 조성물의 가소성 확인 방법을 표현한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 소지 조성물을 시편으로 제조 후 이를 산화 소성한 결과물이다.

도 6은 본 발명에 따른 소지 조성물을 시편으로 제조 후 이를 환원 소성한 결과물이다.

도 7은 본 발명에 따른 소지 조성물의 UV 측정 실험 결과 그래프이다.

본 발명에 따른 소지 조성물에 대하여 굽힘성과 성형강도를 확인하기 좋은 요소인 가소수량을 측정하기 위하여 도 4에 나타난 바와 같이 소지를 coiling기법으로 직경 6.5-7.5mm, 길이 140-160mm의 막대 형태로 만들어 양쪽 끝부분을 잡고 원을 그리며 휘어지게 하여 교차되는 정도를 확인하는 기법을 사용하였다. 가소수량은 건조된 소지의 분말이 성형하기 적당한 상태가 되는 데 필요한 물이 첨가된 비율을 의미하며, 다음과 같은 식에 의해 산출된다.

가소수량 =

×100

도 5와 6을 참조하면 소지 조성물의 시편이 각각 산화 및 환원 소성된 것으로 그 색상이 각각 갈색계열과 회색-회청색 계열인 것을 파악할 수 있다. 산화 소성의 경우 전기가마에서 1260℃로 1시간 유지하였고, 환원 소성의 경우 가스가마에서 1250℃ 1시간을 유지하였다. 색상을 측정하기 위한 시편은 가로:3.8-4.2㎝×세로:4.8-5.2㎝×깊이:0.4-0.6㎝로 파인 석고몰드에 압입하는 방법으로 제작하였다. 흡수율과 꺾임강도를 측정하기 위한 시편도 이와 동일한 방법으로 제작하여 시험할 수 있다. 수축율 측정과 관련하여 수축율 측정용 시편은 가로:12.5-13.5㎝×세로:2.8-3.2㎝×깊이:0.4-0.6㎝로 파인 석고몰드에 압입하여 제작하고, 이 시편위에 버니어 켈리퍼스 등의 날카로운 도구로 100mm내외의 길이의 표식을 긁는 방식으로 표시하고 건조 및 소성 후에 표식의 길이를 측정하는 방식으로 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 소지 조성물은 와목점토, 카올린, 페라이트 슬러지 및 정수 슬러지를 포함하여 구성될 수 있다. 이들의 성분 함량 비율은 아래의 표 1과 같다(단위: wt%)

와목점토	카올린	정수 슬러지	Ferrite
43	18	32	7

상기 각 구성요소들의 구체적인 성분과 각 성분의 함량비율은 아래와 같다.

시험예: 와목점토 성분 분석

아래의 표 2는 XRF로 분석한 와목점토의 성분분석 결과표이다.

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	ZnO	NiO	MnO	기타
함량 (단위 wt%)	55.44	41.32	1.26	0.206	0.299	0.57	0.067	0.009	0.004	0.009	0.816

시험예: 카올린 성분 분석

아래의 표 3은 XRF로 분석한 카올린의 성분분석 결과표이다.

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	ZnO	NiO	MnO	기타
함량 (단위 wt%)	55.20	33.91	0.79	6.77	0.53	0.62	1.94	0.042	0.003	0.015	0.18

시험예: 페라이트 슬러지 성분 분석

아래의 표 4는 XRF로 분석한 페라이트 슬러지의 성분분석 결과표이다.

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	ZnO	NiO	MnO	기타
함량 (단위 wt%)	0.44	0.44	65.99	0.147	0.58	0.0430	-	22.14	9.65	0.20	0.37

시험예: 정수 슬러지 성분 분석

아래의 표 5는 XRF로 분석한 정수 슬러지의 성분분석 결과표이다.

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	ZnO	NiO	MnO	기타
함량 (단위 wt%)	27.35	30.47	29.81	4.5	0.9	0.72	0.21	0.02	0.01	5.2	0.81

각 성분 분석결과의 기타 성분은 그 성분 함량이 작아 유약의 특징에 큰 영향을 미치지 않는 요소를 '기타'라는 하나의 카테고리로 묶은 것이다.

아래의 표 6은 소성하기 전의 소지 조성물의 항목 별 물성치 값이다.

항목	수치	비고
흡수율	0.15%	0.30%이하로 생활자기로 사용 적합
꺾임강도	835kgf/㎠	일반적인 분청소지는 400~500kgf/㎠, 청자소지는 500~600kgf/㎠, 백자소지는 700~800kgf/㎠인 것을 감안하였을 때에 꺾임강도 값이 매우 높음
건조수축율	5.67%	일반적인 도자기 소지는 건조수축율이 4%, 소성수축율이 12%, 전체수축율이 15% 내외로 이와 비교 시 높은 흡수율을 가지는 것으로, 정수 슬러지의 다공성 특징으로 인하여 소지 제조 과정에서 다량의 수분을 흡수하기 때문임
소성수축율	17.19%
전체수축율	21.62%

아래의 표 7은 소성 후 시편에 대한 UV-vis 분석을 통한 색상 분석 결과 값이다.

색상분석

L: 36.37,
a: -0.01,
b: -4.46

명도(L)가 낮은 것으로 흑회색 내지 흑색이 발현된 것을 파악할 수 있음

L은 명도, a는 Red와 Green의 정도, b는 Yellow와 Blue의 정도를 나타내는 수치다.

본 발명에 따른 소지 조성물은 흡수율이 0.15%로 생활자기로 사용하기 매우 적합하고 꺾임강도가 835kgf/㎠로 일반적인 기존의 분청, 청자, 백자 소지 어떤 것과 비교해보아도 매우 높으며 환원소성 시 흑회색 내지 진한 흑색을 발현한다. 이와 같이 본 발명에 따른 소지 조성물은 기존에 볼 수 없던 깊고 진한 느낌의 특유의 흑색을 발현하면서도 꺾임강도가 매우 높은 우수한 특성을 가진 것을 특징으로 한다.

본 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 본 실시예의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 본 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 따라서 본 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등하거나 균등하다고 인정되는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

와목 점토와 카올린;
페라이트 슬러지; 및
정수 처리 후 남는 폐 정수 슬러지
를 포함하고,
조성물 전체 중량을 기준으로 상기 와목점토는 43중량%, 상기 카올린은 18중량%, 상기 폐 정수 슬러지는 32중량%, 상기 페라이트 슬러지는 7중량%이며,
상기 와목점토는 와목점토 전체 중량을 기준으로 산화규소(SiO₂) 55.44중량%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 41.32중량%, 산화철(Fe₂O₃) 1.26중량%, 산화칼슘(CaO) 0.206중량%, 산화마그네슘(MgO) 0.299중량%, 산화칼륨(K₂O) 0.57중량%를 포함하고,
상기 카올린은 카올린 전체 중량을 기준으로 산화규소(SiO₂) 55.20중량%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 33.91중량%, 산화칼슘(CaO) 6.77중량%, 산화나트륨(Na₂O) 1.94중량%, 산화철(Fe₂O₃) 0.79중량%, 산화마그네슘(MgO) 0.53중량%, 산화칼륨(K₂O) 0.62중량%를 포함하며,
상기 페라이트 슬러지는 페라이트 슬러지 전체 중량을 기준으로 산화규소(SiO₂) 0.44중량%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 0.44중량%, 산화철(Fe₂O₃) 65.99중량%, 산화칼슘(CaO) 0.147중량%, 산화마그네슘(MgO) 0.58중량%, 산화아연(ZnO) 22.14중량%, 산화니켈(NiO) 9.65중량%를 포함하고,
상기 폐 정수 슬러지는 폐 정수 슬러지 전체 중량을 기준으로 산화규소(SiO₂) 27.35중량%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 30.47중량%, 산화철(Fe₂O₃) 29.81중량%, 산화칼슘(CaO) 4.5중량%, 산화마그네슘(MgO) 0.9중량%, 산화망간(MnO) 5.2중량%, 를 포함하며,
흡수율은 0.15%, 꺾임강도는 835kgf/㎠이며,
가스가마에서 1250℃ 1시간을 유지하는 환원 소성을 거치는 경우 흑회색 내지 흑색의 색상이 발현되는 것
을 특징으로 하는 정수 슬러지를 활용한 꺾임강도가 높은 흑색 도자기용 소지 조성물.
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제1항에 있어서,
가스가마에서 1250℃ 1시간을 유지하는 환원 소성을 거친 시편의 UV-vis분석 결과값이 L: 36.37, a: -0.01, b: -4.46인 것
을 특징으로 하는 정수 슬러지를 활용한 꺾임강도가 높은 흑색 도자기용 소지 조성물.