KR102611738B1 - 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 폐기공을 형성하여 흡음성, 단열성을 크게 개선하고, 강도 등 물리적 특성을 향상시킨 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 질석과, 점토와, 납석을 포함하는 분말 원료를 마련하는 단계와; 상기 분말 원료와 무기 점착제를 1 : 0.3~0.6의 중량비로 혼합한 배합 원료를 마련하는 단계와; 상기 배합 원료를 성형한 세라믹 성형체를 마련하는 단계와; 상기 세라믹 성형체를 소성하여 세라믹 소성체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법{Method for manufacturing lightweight porous ceramic sintered body using vermiculite}

본 발명은 다수의 폐기공을 형성하여 흡음성, 단열성을 크게 개선하고, 강도 등 물리적 특성을 향상시킨 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법에 관한 것이다.

질석(蛭石)은 알루미늄과 철이 많이 포함되어 있는 화강암속의 흑운모가 분해된 3층 구조형 운모상의 광물질로서 건축재료, 내화재료, 농축산용, 원예용 등의 여러 분야에서 응용 사용되고 있는 무공해 재료이다.

이러한 질석(vermiculite)을 가열하게 되면 층간수가 탈수되는 현상이 일어나고, 이때 결정속에서 발생하는 수전기의 압력으로 인하여 밑면 방향으로 박리 팽창하여 거머리와 같이 늘어나는 성질이 있어서 이를 라틴어로 버미큘라이트(Vermiculite)라고도 한다.

상기 질석은 비중 약 2 ∼ 3, 경도 약 1.5로 연질이고, 요곡성은 있지만 탄성은 없으며, 입자 크기는 일반적으로 0.15 ∼ 5 mm 정도로서 미세한 입자의 것은 물로 이기면 큰가소성을 나타내는 물리적 성질을 가지고 있다.

이러한 질석 고유의 물리적 성질을 이용하여 상기에서 언급된 바와 같이, 다양한 용도로 사용되고 있는데 이를 설명하면 다음과 같다.

첫 번째, 건축물의 주요 철골 구조체를 화재로부터 보호하기 위해 철골표면을 내화단열재로 피복하여 고온의 화재시에도 건물의 붕괴를 최대한으로 방지하며, 인명피해를 막는 동시에 연소(延燒)를 방지하는 방화구획설치도 겸할 수 있도록 건물에 대한 내화단열피복은 절대적으로 필요한 설계요소로 되어 있다.

따라서, 이러한 요소들에 적합하도록 질석은 건축물의 충진단열재, 시멘트와 석고 등의 경량 단열 혼합재, 천장, 벽체 음향조절, 단열, 방음재, 온돌 바닥 및 난방파이프의 보온재, 파이프 보온커버, 냉장 단열/콘크리트 지붕보드와 같은 건축물의 충진 및 내화 단열재로의 용도로 사용될 수 있다.

둘째, 질석은 불연, 단열, 경량, 흡음 등의 다목적 성능을 갖춘 건축물의 신소재로서 주로 미장을 겸한 방화, 보온, 흡음 및 결로 방지의 목적으로 두께 5 ∼ 20 mm까지 신속하게 시공할 수 있는 분무식 코팅제(spray coating)로 사용되어 시간을 단축시키고 염가로 시공할 수 있다.

셋째, 질석은 토양미생물제로서 추비시 부숙을 촉진시키고 토양개량, 작물의 다수확 및 품질향상에 역점을 두어 퇴비 중에서 유효하고 중요한 균만을 분리하여 특별배양한 다음, 여러 가지 광물질 및 무수한 기공을 가지고 있는 팽창질석에 흡착 고정시켜 종합효소제로 사용될 수도 있다.

이러한 질석을 이용한 선행특허 1로는 대한민국 등록특허 제10-0883056호에서 "열처리에 의해 수분이 제거된 질석분말과 소지분말을 혼합하고 여기에 물유리를 적하시켜 그래뉼화하는 공정, 제조된 그래뉼을 1차 가열하여 건조하는 공정, 건조된 그래뉼의 표면에 물유리를 분무하여 도포하는 공정, 물유리가 도포된 그래뉼을 소정형상의 형틀에서 성형하는 공정, 제조된 성형물을 700~900℃에서 2차 가열하여 소성하는 공정 및 소성된 성형물을 형틀에서 분리하는 탈형공정순으로 제조하는 것을 특징으로 하는 질석을 이용한 흡음재의 제조방법이 개시되어 있다.

또 다른 선행특허 2로는 대한민국 등록특허 제10-1707608호에서 "입도 별로 분류된 원석 질석을 소성 설비에 투입 후 800℃~1,100℃의 열을 가하여 팽창시켜 발포 질석을 제조하고 상기 발포 질석이 100℃~150℃를 유지하도록 예열 되는 단계; 상기 예열된 발포 질석을 200℃ 이상의 열풍이 코팅기 내부로 제공하여, 코팅단계에서 발포 질석의 온도가 100℃~150℃를 유지하도록 하는 조건에서, 패들 방식으로 점진적으로 이송되면서 코팅재가 수회에 걸쳐 상기 발포 질석 내/ 외부 기공 전부를 코팅하는 코팅 단계;상기 코팅된 발포 질석은 상온 수준으로 급속 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 발포 질석의 제조 방법"이 개시되어 있다.

다만, 상기 선행특허 1의 경우, 질석분말과, 물유리를 혼합 성형한 성형물을 700~900℃의 온도에서 소성하는데, 이 경우 질석분말과 함께 혼합된 물유리는 용융되지 않기 때문에 단순 코팅층을 형성하는 역할만을 한다는 제한이 있으며, 상기 선행특허 2의 경우, 건축 자재 원재료로서의 팽창질석 제조방법에 국한된 것으로서, 건축용 내외장 패널이나 블록 등의 기술분야에서 경량성을 크게 개선한 세라믹 소성체의 연구, 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-0883056호 대한민국 등록특허 제10-1707608호

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다수의 폐기공을 형성하여 흡음성, 단열성을 크게 개선하고, 강도 등 물리적 특성을 향상시킨 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법은 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법에 있어서, 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법에 있어서, 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법은 다수의 폐기공을 형성하여 흡음성, 단열성을 크게 개선하고, 강도 등 물리적 특성을 향상시킨 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법의 일실시예를 도시하는 공정도이다.
도 2a는 실시예 1의 세라믹 소성체를 촬영한 사진이고, 도 2b는 실시예 1의 세라믹 소성체를 절단한 단면 사진이다.
도 3a 및 도 3b는 실시예 2, 3의 세라믹 소성체를 물의 넣은 모습을 촬영한 사진이다.
도 4는 실시예 2, 3의 세라믹 소성체를 물의 넣은 모습을 촬영한 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 비교예 1, 2의 세라믹 소성체를 촬영한 사진이다.
도 6은 비교예 1, 2의 세라믹 소성체를 물에 넣고 촬영한 사진이다.
도 7은 비교예 3의 세라믹 소성체를 촬영한 사진이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법의 일실시예를 도시하는 공정도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법은 방음, 보온 및 단열용으로 사용할 수 있는 세라믹 소성체를 제조하는 것으로서, 크게 질석과, 점토와, 납석을 포함하는 분말 원료를 마련하는 S1단계와, 상기 분말 원료와 무기 점착제를 혼합한 배합 원료를 마련하는 S2단계와, 상기 배합 원료를 성형한 세라믹 성형체를 마련하는 S3단계와, 상기 세라믹 성형체를 소성하여 세라믹 소성체를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 S1단계의 분말 원료는 질석 50~70중량부와, 점토 20~40중량부와, 납석 3~10중량부로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

상기 질석은 소성 과정에서 팽창하여 기포를 형성하는 데, 형성된 기포들은 세라믹 소성체의 경량성은 물론, 방음, 보온 내지 단열 특성을 제공하게 된다.

상기 질석이 50중량부 미만인 경우에는 팽창 또는 기포 형성이 충분히 이루어지지 않게 되며, 70중량부를 초과하는 경우에는 다른 성분에 비해 상대적으로 과다하게 함유되어 강도 등 물성 저하의 원인이 되므로, 상술한 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 점토는 성형 및 소성 과정에서 접착력을 제공하는 역할을 하는 것으로서, 20중량부 미만인 경우에는 접착 내지 결합재 성능을 충분히 발휘하기 어렵고, 40중량부를 초과하면 질석의 팽창 내지 기포 형성을 과도하게 억제하여 세라믹 소성체의 경량성 등의 특성을 발휘하지 못하게 되므로, 상술한 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 납석은 소성시 질석의 팽창으로 인해 약해진 강도를 높이기 위해 첨가되는 것으로서, 연질 특성의 세라믹 소성체를 경질 특성이 되도록 개질하는 역할을 하는 것으로서, 3중량부 미만인 경우에는 강도 개선 효과를 기대하기 어렵고, 10중량부를 초과하는 경우에는 질석의 팽창 내지 기포 형성을 과도하게 억제하므로 상술한 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 S1단계의 분말 원료는 질석 60~65중량부와, 점토 30~35중량부와, 납석 4~6중량부인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 S2단계는 분말 원료와 무기 점착제를 혼합하여 배합 원료를 마련하는 것으로서, 1 : 0.3~0.6의 중량비로 혼합되는 것을 예시할 수 있는데, 무기 점착제의 중량비가 0.3 미만이 되면 후술할 폐기공 형성이 어렵고, 0.6을 초과하게 되면 분말 원료와 대비할 때 상대적으로 과다하게 혼합되어 경량성을 구현하기 어렵고 질석 팽창 및 기공 형성에 장애가 되므로 상술한 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.

그리고 분말 원료와 무기 점착제의 중량비는 1 : 0.45~0.55인 것이 보다 바람직하다.

여기서, 무기 점착제는 규산나트륨 용액인 것을 예시할 수 있으며, S4단계의 소성 과정에서 질석이 팽창할 때 발생하는 수증기의 압력에 의해 기포가 형성되는데, 이러한 기포를 가두어 폐기공(close pores)을 형성하도록 하는 역할을 한다.

다만, 규산나트륨 용액의 농도가 너무 묽으면 폐기공 형성이 되지 않고 너무 진하면 성형성이 좋지 않으므로 농도 설정이 중요하다.

본 발명에서는 규산나트륨 용액으로서, KS-3호(Na₂O 9~10 중량%, SiO₂ 28~30 중량% 및 잔량은 물)의 규격을 가진 물유리 80~90중량%와 물 10~20중량%를 혼합한 것을 사용하였다.

본 발명의 S3단계는 배합 원료를 성형하여 세라믹 성형체를 마련하는 것으로서, 패널이나 블록 형상으로 성형하는 것을 예시할 수 있으며, 건축용 내장재 또는 외장재 및 샌드위치 패널의 심재 등으로 활용할 수 있다.

본 발명의 S4단계는 세라믹 성형체를 소성하여 세라믹 소성체를 형성하는 단계로서, 상술한 분말 원료의 혼합비와, 배합 원료의 배합비에 맞는 소성 온도와 소성 시간이 중요하다.

본 발명에서는 세라믹 성형체의 소성은 1,150~1,200℃의 온도에서 6~10시간 동안 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

소성 온도가 1,150℃ 미만, 예를 들어 1,100℃가 되면 질석의 팽창 및 기공 형성이 충분이 이루어지지 않는다. 일반적으로 질석을 급속 가열하여 팽창 질석을 만드는 온도는 대략 800~1,100℃로 알려져 있으나, 이는 질석을 단독으로 소성하여 팽창시키는 경우이고, 본 발명과 같이 질석을 포함한 분말 원료를 만들고, 분말 원료와 무기 점착제를 배합하는 경우에는 기존 소성 최대 온도인 1,100℃에서도 질석 팽창에 따른 기공 형성이 이루어지지 않게 된다.

그리고 소성 온도가 1,200℃를 초과하면 세라믹 성형체의 형태를 유지하지 못할 정도로 융착되는 문제가 발생하므로 상술한 온도 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 따른 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.

S1. 질석 60중량부, 점토 35중량부, 납석 5중량부를 혼합한 분말 원료를 마련한다.

S2. 분말 원료와 규산나트륨 용액을 1 : 0.5중량부로 혼합한 배합 원료를 마련한다.

S3. 배합 원료를 성형하여 세라믹 성형체를 마련한다.

S4. 세라믹 성형체를 전기로에서 1,175℃의 온도에서 7시간 동안 소성하여 세라믹 소성체를 제조하였다.

도 2a는 실시예 1의 세라믹 소성체를 촬영한 사진이고, 도 2b는 실시예 1의 세라믹 소성체를 절단한 단면 사진이다. 도 2a 및 2b를 참조하면 실시예 1의 세라믹 소성체는 내부에 무수한 기공들이 형성되어 있다는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 1에서 소성 온도를 1,150℃로 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 소성체를 제조하였다.(도 3a 참조)

실시예 1에서 소성 온도를 1,200℃로 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 소성체를 제조하였다.(도 3b 참조)

도 4는 실시예 2, 3의 세라믹 소성체를 물의 넣은 모습을 촬영한 사진으로서, 도 4에 나타난 바와 같이 실시예 2, 3의 세라믹 소성체는 내부 기공으로 인해 물에 뜬다는 것을 확인할 수 있었다.

[비교예 1]

실시예 1에서 소성 온도를 1,050℃로 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 소성체를 제조하였다.(도 5a 참조)

[비교예 2]

실시예 1에서 소성 온도를 1,100℃로 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 소성체를 제조하였다.(도 5b 참조)

도 6은 비교예 1, 2의 세라믹 소성체를 물에 넣고 촬영한 사진으로서, 실시예 2, 3의 세라믹 소성체와 달리 물에 가라앉는다. 이를 통해, 본 발명의 세라믹 성형체를 1,150℃ 미만에서 소성하는 경우 세라믹 소성체의 기공 형성이 충분히 이루어지지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

[비교예 3]

실시예 1에서 소성 온도를 1,250℃로 설정한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 소성체를 제조하였다.

도 7은 비교예 3의 세라믹 소성체를 촬영한 사진으로서, 세라믹 소성체가 융착되어 직육면체의 세라믹 성형체가 소성 과정에서 완전히 무너져 내린다는 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (3)

1. 질석 60중량부와, 점토 35중량부와, 납석 5중량부로 혼합한 분말 원료를 마련하는 단계와;
   상기 분말 원료와 무기 점착제인 규산나트륨 용액을 1 : 0.5의 중량비로 혼합한 배합 원료를 마련하는 단계와;
   상기 배합 원료를 성형한 세라믹 성형체를 마련하는 단계와;
   상기 세라믹 성형체를 1,150~1,200℃의 온도에서 6~10시간 동안 소성하여 세라믹 소성체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질석을 이용한 경량 다공성 세라믹 소성체 제조방법.
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