KR20000031492A - 석회를 이용한 건축용 내.외장재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석회를 이용하여 건축용 내·외장재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 규석, 점토, 황토, 실리카 및 이들의 혼합물로부터 선택된 원료 50 내지 80 중량%, 석회 20 내지 50 중량% 및 선택적으로 무기안료 및 충전재를 포함하는 혼합물을 분쇄하고, 상기 분쇄 혼합물을 성형시킨 후 수열합성시켜 건축용 내·외장재를 제조하는 본 발명의 방법에 따르면, 기존의 건축용 내·외장재에 비해 딱딱하지 않고 부드러운 느낌을 지니며, 파스텔톤의 다양한 색상을 가진 건축용 고급 내·외장재를 저비용으로 제조할 수 있다.

Description

석회를 이용한 건축용 내.외장재의 제조방법

본 발명은 석회를 이용한 건축용 내·외장재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건축용 내·외장재 원료, 석회 및 임의의 무기안료 및 충전재의 혼합물을 성형한 후, 성형품을 수열합성하여, 고급 건축용 내·외장재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 건축용 내·외장재는 크게 두가지로 나눌 수 있는데 첫째는 무기질 원료를 사용하여 고온에서 소성하여 만든 석재 타일형이며, 둘째로 시멘트를 사용하여 양생시켜 만든 콘크리트형이다.

현재 사용되고 있는 건축용 내·외장재의 대부분은 시멘트를 경화하여 만든 콘크리트식이며 이러한 건축용 내·외장재는 시멘트 자체가 유독성이 있고, 느낌이 딱딱하다는 등의 단점을 가지고 있다. 또한, 근래에는 콘크리트식 바닥재를 건물의 외장으로 사용되던 점토벽돌로 대체하는 경우도 있다. 하지만 이러한 점토벽돌은 고온에서 소성 단계를 거쳐야 하므로 제조비용이 높고, 색상도 적색으로 단조롭다는 단점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제 90-7754 호에는 입도가 다른 규석을 수용성 아크릴 수지와 혼합하여 내화 바닥재를 제조하는 것이 기술되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제 90-9489에는 고령토에 시멘트, 도석, 장석, 규조토, 점토 등을 혼합, 성형하고 고온, 고압하에서 소성시켜 타일을 제조한 것이 개시되어 있다. 또한 대한민국 공개특허공보 제 91-561 및 91-6170호에는 제주도 화산재, 규석, 점토 등을 혼합, 성형하고 소성시켜 타일을 제조하는 것이 제시되어 있다. 그리고 일본공개특허공보 평7-32442, 평8-105278 및 평9-264057에도 규조토를 배합성분으로 한 바닥재, 타일 등이 기재되어 있다. 그러나, 상기 문헌에 기재된 방법 역시 모두 고온에서 소성하는 것으로 제조비용이 높다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 다양한 색상을 나타낼 수 있고, 인체에는 무해한 건축용 내·외장재를 저비용으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 제조공정에 따라 제조된 세라믹 바닥재 내부의 전자현미경 사진(배율: 1a:×5,000, 1b:×3,000)이고;

도 2a는 본 발명의 제조방법에 따라 무기안료를 포함하여 다양한 색상으로 제조된 세라믹 바닥재의 사진이고, 도 2b는 황토, 점토 및 규석을 사용한 경우의 바닥재의 사진이며;

도 3은 석회함량에 따른 수열합성 세라믹 바닥재의 곡강도의 변화를 나타낸 그래프이다.

상기 목적에 따라, 본 발명에서는 규석, 점토, 황토, 실리카 및 이들의 혼합물로부터 선택된 원료 50 내지 80 중량%, 석회 20 내지 50 중량% 및 선택적으로 무기안료 및 충전재를 포함하는 혼합물을 분쇄하고, 상기 분쇄 혼합물을 성형시킨 후 수열합성시켜 건축용 내·외장재를 제조하는 방법을 제공한다

본 발명의 특징은 무기 결합제로서 석회를 사용함으로써 시멘트의 강한 알칼리성으로 인한 독성 문제를 나타내지 않고, 고온에서 소성하지 않고 수열합성으로 제조되기 때문에 저비용으로 부드러운 질감을 갖는 다양한 색상을 가진 고급 건축용 내·외장재를 생산하는 것이다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본원에서 사용되는 용어 "건축용 내·외장재"는, 타일, 벽돌, 보도 블록 등과 같은 건물의 내·외장재, 실내 및 야외보도용 바닥재용으로 사용되는 건축자재를 모두 지칭한다.

본 발명에 사용되는 건축용 내·외장재 원료는 규석, 점토, 황토 분말 등을 포함하며 실리카 함유량이 많을수록 바람직하다. 규석과 같은 실리카질 분말은 그대로 사용할 수 있고, 실리카 함유량이 60 내지 70% 내외인 황토나 점토 분말은 미분의 실리카 분말을 첨가하면 강도가 더욱 향상될 수 있다. 무기 결합제로 사용되는 석회는 소석회 (Ca(OH)₂), 생석회(CaO) 등을 포함한다. 상기 건축용 내·외장재 천연 원료 분말 및 석회는, 이들의 총 중량을 기준으로, 각각 50 내지 80중량% 및 20 내지 50 중량%의 양으로 사용된다.

다양한 색상을 부여하기 위해 사용되는 무기안료로는 적색의 Fe₂O₃계 안료, 녹색의 Cr₂O₃계 안료, 청색의 코발트계 안료 등 거의 대부분의 통상적인 무기안료를 모두 사용할 수 있으며, 천연 무기 원료와 석회의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 5 중량%의 양으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 백색의 규석분말을 사용할 경우 무기안료를 사용하여 다양한 색상을 가진 제품을 제조할 수 있는데, 동일한 색상이라도 무기안료의 양을 조금씩 변화시켜 파스텔톤의 부드러운 색상을 가진 제품도 자유롭게 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 선택적으로 충전재로서 규산질 광물과 같은 반응성 골재 및/또는 지푸라기, 볏짚과 같은 천연섬유를 사용할 수 있는데, 너무 많이 사용하게 되면 최종 건축용 내·외장재의 강도가 저하되므로, 사용된 원료의 종류 및 용도에 따라 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 바닥재 제품의 경우에는, 천연 섬유는 제품의 중량을 기준으로 0.1중량% 이하의 양으로 사용하고(볏짚과 같은 천연섬유는 밀도가 매우 낮으므로 0.1중량%라도 부피를 꽤 많이 차지하므로, 그 이상으로 사용되면 강도가 저하될 수 있다), 골재는 20 내지 30 중량%의 양으로 사용된다. 건축 외장으로 사용되는 경우에는 천연 섬유는 사용하지 않아도 무방하다.

본 발명에 따른 세라믹 바닥재의 제조방법은 다음과 같다. 건축용 내·외장재 천연 원료, 석회 및 선택적 성분인 무기안료 및 충전재를 볼밀기 등을 이용하여 혼합분쇄한다. 분쇄된 혼합물의 입자크기는 제품의 강도에 영향을 미치는데, 입자 크기가 작을수록 수열합성시 수화물생성이 활발해지고 바닥재가 치밀해지기 때문에 강도가 향상된다. 입자 크기는 평균 입경 10 내지 20㎛ 정도가 바람직하다.

이때, 실리카 함유량이 99% 이상인 규석 분말은 20 중량% 정도의 소량의 석회를 사용해도 충분하며, 실리카 함유량이 60 내지 70 중량% 정도로 비교적 낮은 황토나 점토분말은 석회가 보다 많은 양으로 필요하다. 따라서, 천연원료의 실리카 함유량에 따라 석회의 사용량을 조절해야 한다. 또한, 백색의 규석분말을 사용할 경우 무기안료를 사용하여 다양한 색상을 가진 제품을 제조할 수 있다.

혼합 분쇄된 원료는 성형단계를 거치게되는데, 용도에 따라 여러 가지 형태의 몰드를 사용하여 통상적인 방법으로 다양한 형태의 성형품으로 제조할 수 있다. 성형시에는, 5 내지 20 중량% 정도의 수분함량이 되도록 수분을 가하는 것이 바람직하며, 압력은 0.5 내지 1톤/㎠가 바람직하다. 성형시 분말에 포함된 수분의 함량과 성형압이 제품의 강도변화에 중요한 요인이 되는데, 수분 함량이 5 중량% 미만이면 성형압이 높아도 치밀한 성형체를 만들기 어렵기 때문에 높은 강도의 제품을 기대하기 어려우며, 20 중량%를 초과하면 성형시 치밀한 성형체를 만들 수 있지만 수분이 새어나와 제품의 강도에 영향을 미친다. 결국 성형시 포함되는 수분의 양은 성형압에 따라 상호 조절이 되어야 하며, 치밀한 성형체 제조가 강도를 높일수 있는 방법이다. 상대적으로 밀도가 낮은 석회의 함량이 증가하면 성형시 포함되는 수분의 양이 증가하는 것이 좋으며, 치밀한 성형체를 위해서는 성형압력은 높은 것이 좋다.

이어서, 제조된 성형체를 수열합성(hydrothermal synthesis)시켜 최종 건축용 내·외장재를 제조한다. 수열합성은 오토클레이브내에서 수행되며, 수화시간은 10 내지 25시간, 수화온도는 150 내지 250℃, 압력은 60 내지 560 psi로 한다. 석회의 함량이 낮을수록 반응시간이 짧아진다.

이때, 고온 고압증기하에서 무기 충전제 중의 실리카(SiO₂)와 석회, 예를 들면, 소석회(Ca(OH)₂)의 수화반응으로 성형체 내부에 CSH계 침상 수화물이 생성되는데 그 반응식은 다음과 같다.

χCa(OH)₂＋ χSiO₂＋χH₂O ⇒ CSH 겔상 ⇒ CSH계 수화물(침상)

상기 반응식은 성형체의 내부에서 일어나는 수화반응으로, 초기에는 수분에 용해된 Ca^2＋이온이 실리카 입자주위를 둘러싸서 CSH계 겔막을 형성하고, 이 CHS 겔막이 CSH계 침상의 수화물로 전환된다. 결국 고온고압에서 수화반응으로 인해서 실리카 입자사이에 수화물 CSH계 겔상이나 침상을 형성함으로써 성형체의 강도를 발현하는 주요인이 되며, 이러한 수화물 생성은 분말의 입도, 천연원료와 소석회의 혼합(분산)상태, 성형체의 치밀도 등의 요인에 따라 달라질 수 있다. 따라서 조건을 잘 제어하여 충분한 수화물을 생성하게 함으로써 강도를 향상시키는 것이 아주 중요하다. 본 발명에 따라 제조된 제품은 성형체의 공극사이에 수화물이 생성되기 때문에 치수변화는 거의 발생하지 않는다.

본 발명의 방법에 따르면, 소성단계를 거치지 않고 저비용으로 제품을 생산할 수 있으며, 흰색의 원료분말과 무기안료를 사용하여 파스텔톤의 다양한 색상을 가진 제품을 제조함으로써 용도에 따라 다양한 분위기를 연출할 수 있는 고급 바닥재와 같은 건축용 외·내장재를 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 발명은 시멘트를 사용하는 콘크리트형과는 달리 무기 결합제로 석회를 사용하기 때문에 상온 양생으로는 강도가 발현되지 않고 오토클레이브 내에서 수열합성으로 제조되어야 만이 강도가 발현될 수 있다. 또한, 수열합성 조건에서 수화물을 충분히 발생시켜 강도를 강하게 하려면 성형시 적절한 수분의 양과 높은 성형압으로 치밀한 성형체를 제조함으로써 통상적으로 사용되는 벽돌과 타일에 필적하는 강도를 가진 제품을 만들 수 있다.

이하 실시예는 본 발명의 예시일 뿐 본 발명을 이로서 제한하는 것은 아니다.

실시예 1

규석 분말(325메쉬(mesh)통과분) 70 내지 80 중량%, 소석회(Ca(OH)₂) 20중량% 및 규석 분말과 소석회의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 5중량%의 적색의 Fe₂O₃계 안료, 녹색의 Cr₂O₃계 안료, 청색의 코발트계 안료 등의 무기 안료를 혼합한 후, 혼합물과 같은 중량의 알루미나 볼을 첨가하여 볼밀기에서 24시간 분쇄하였다. 이어서, 분쇄된 혼합분말을 80℃에서 건조시켰다.

상기 혼합분말에 수분 함량이 10%가 되도록 수분을 가한 다음, 직경 4㎝의 원형몰드에 분말을 10g 씩 가하고, 5∼8톤의 압력으로 일축 가압성형하였다. 성형된 제품은 오토클레이브 안에서 증류수 400㎖와 함께 210psi, 200℃에서 10 내지 20시간 수열합성하여 본 발명의 세라믹 바닥재를 제조하였다.

실시예 2 내지 4

소석회의 양을 각각 30, 40 및 50중량%으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 본 발명의 세라믹 바닥재를 제조하였다.

비교예 2 내지 4

소석회의 양을 각각 60 및 70중량%으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 세라믹 바닥재를 제조하였다.

제조된 바닥재의 곡강도를 측정하여 석회함량에 따른 곡강도의 변화를 도 3에 나타내었다.

곡강도 측정은 한국산업규격 KSL 1591의 고기능 "요업제품의 꺽임강도 시험방법"에 따라 수행하였다.

도 3을 보면, 규석분말을 이용한 시편의 강도는 석회의 함량이 40 내지 50 중량%에서 가장 높게 나타났으며, 석회의 함량이 50중량% 이상에서는 강도가 다시 감소한 것을 알수 있는데, 석회의 함량이 20 내지 30중량%인 시편의 강도 보다 높게 나타났다 하더라도 시편에는 미반응의 석회가 다량 존재하기 때문에 Ca(OH)₂에 의한 강알카리성이 문제가 되어 바람직하지 않다.

도 3에서 곡선 3-1 및 3-2는 각각 평균입경이 9.8㎛, 3.9㎛인 두가지 규석분말을 사용하여 곡강도를 측정결과를 나타낸 것으로, 분말평균입경이 작은 것이 전반적으로 강도가 높게 나타난 것을 알 수 있었으며, 이는 분말 입경이 미세할수록 석회와 반응성이 높아져서 수화물을 많이 생성하기 때문으로 생각된다.

실시예 5

무기안료를 사용하지 않고, 규석분말 대신에 점토 분말(325메쉬(mesh)통과분)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 세라믹 바닥재를 제조하였다.

실시예 6

무기안료를 사용하지 않고, 규석분말 대신에 황토 분말(325메쉬(mesh)통과분)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 세라믹 바닥재를 제조하였다.

실시예 7

미분의 실리카 분말을 10중량% 더 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 절차를 반복하여 세라믹 바닥재를 제조하였다.

실시예 8

석회의 사용량을 40중량%로 하는 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 절차를 반복하여 세라믹 바닥재를 제조하였다.

실시예 9

미분의 실리카 분말을 10중량% 더 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 절차를 반복하여 세라믹 바닥재를 제조하였다.

본 발명에 따라 실시예 6 내지 9에서 제조한 세라믹 바닥재와 상업적으로 구입할 수 있는 도기질 타일, 석기질 타일 및 자기질 타일(대한민국 김해 소재의 서울 세라믹스사 제품)을 곡강도를 한국산업규격의 KSL 1591에 따라 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

	천연원료	석회함량(중량%)	곡강도(Mpa)
실시예 5	황토	20	21.87
실시예 6	황토 + 실리카	20	22.91
실시예 7	황토	40	28.26
실시예 8	황토 + 실리카	40	40.05
도기질 타일	-	-	24.95
석기질 타일	-	-	30.37
자기질 타일	-	-	44.56

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 황토를 사용한 시편의 강도는 석회함량이 20 중량%에서 실리카 함량이 50%밖에 되지 않음에도 불구하고 분말 자체의 가소성 때문에 강도가 상당히 높게 나타나는 것을 알수 있다. 또한, 석회 함량이 40 중량%인 경우, 미분의 실리카 분말이 10%첨가 되었을 때 강도가 현저히 향상되었음을 알수 있다. 시판되는 각종 타일은 종류에 따라 강도가 다르게 나타났지만 벽재용 도기질 타일의 경우의 강도는 24Mpa로 규석분말에 석회의 함량이 20중량% 첨가된 시편의 강도와 비슷하며, 바닥용 석기질 타일 강도는 석회의 함량이 40중량% 첨가되었을 때 보다 다소 낮게 나타났다.

따라서 본 발명에 따라 제조된 제품의 강도는 시판된 건축자재와 유사한 수준이거나 더 높은 것을 알 수 있으며 건축 바닥재용으로 사용하기 적합하다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 수열합성 세라믹 바닥재 제조방법에서는 시멘트를 사용하지 않고 밀도가 낮은 석회를 사용하기 때문에 기존의 타일이나 벽돌보다 가벼우며 시공이 용이하다. 뿐만 아니라 수열합성 바닥재는 소성단계를 거치지 않으므로 저비용을 제조가능하고, 흙의 부드러움과 흡습성등의 흙의 장점을 살린 환경공생적 제품으로 저택의 정원, 가로수 주위, 공원, 빌라, 거리 등 각종 야외 보도용으로, 그리고 건축 내·외장재, 조경용(담장, 조형물)뿐만 아니라 인테리어용으로 사용될수 있으며, 파스텔톤의 다양한 색상을 가진 제품 생산으로 용도에 따른 다양한 분위기 연출, 쾌적한 주거환경을 조성할수 있는 고급 바닥재로 사용될수 있다.

Claims (8)

1. 규석, 점토, 황토, 실리카 및 이들의 혼합물로부터 선택된 원료 50 내지 80 중량%, 석회 20 내지 50 중량% 및 선택적으로 무기안료 및 충전재를 포함하는 혼합물을 분쇄하고, 상기 분쇄 혼합물을 성형시킨 후 수열합성시켜 건축용 내·외장재를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 석회가 생석회 또는 소석회인 것을 특징으로 하는 방법
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 분쇄 혼합물의 입경범위가 10 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 방법
4. 제 1 항에 있어서,

   성형전에 분쇄혼합물을 수분함량이 5 내지 20 중량% 범위가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   성형시의 압력이 0.5 내지 1톤/㎠인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 수열합성 단계가, 60 내지 560 psi의 압력하 150 내지 250℃의 온도에서 10 내지 24 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 충전재가 천연섬유, 반응성 골재 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로 부터 선택되고, 상기 원료 분말 및 석회의 충중량을 기준으로 천연섬유의 경우는 0.1 중량% 이하, 골재의 경우는 20 내지 30 중량%의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 건축용 내·외장재.