KR20040049395A

KR20040049395A - 토르말린과 희토류광물을 이용한 복합 기능성 소재조성물, 그 소결체 및 그 소결체의 제조방법

Info

Publication number: KR20040049395A
Application number: KR1020020076792A
Authority: KR
Inventors: 이승욱
Original assignee: 주식회사 동성실리콘; 이승욱
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-06-12

Abstract

본 발명은 토르말린(tourmaline)을 이용하여 상온에서 원적외선 방사는 물론 음이온(Anion)이 다량 방출되는 소재에 대한 조성물, 그 조성물에 의한 소결체 및 그 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 토르말린은 육방정계에 주상형을 띄는 광물인 화성암의 일종으로서 보석으로 많은 각광을 받았지만 특이한 성질들이 발견되면서 기능성 소재로 많이 사용되고 있다. 토르말린은 그 자체로도 전하를 갖고 있으며, (+)극과 (-)극에서 미약하지만 영구 전류(0.06㎃)가 흐르는데 이는 압력이나 온도 변화등 외부적인 요인에 따라 기인하며, 본 발명에서는 이러한 특성을 배가시키며 기능 활성화 위한 목적으로 희토류원소를 첨가하는 것이다.

본 발명의 기능성 소재 합성물은 토르말린 20-50중량부, 천연 희토류 광물 10-30중량부, 천연 제오라이트 10-20중량부, 산화티타늄 5-10중량부, 벤토나이트 5-10중량부, 티탄자철광 5-10중량부, 및 미량의 은(Ag)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

토르말린과 희토류광물을 이용한 복합 기능성 소재 조성물, 그 소결체 및 그 소결체의 제조방법{A Mixed Functional Material Composion by Tourmaline and Rare-earth Mineral, the Sinter and the Sintering Method thereof}

본 발명은 토르말린과 희토류광물 이용한 복합 기능성 소재의 조성물에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 토르말린과 희토류광물을 혼합소성 분쇄하여 상온에서 원적외선이 다량 방출되고 음이온이 다량 방사되는 소재의 조성물과 그 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

토르말린(tourmaline)과 희토류 광물은 약 1만년 이상 전에 화산 폭발에 의해 용출된 마그마가 고온 고압에서 이루어진 결정체이며, 토르말린의 경우 구성성분에 따라 대략 11종류가 있다. 일반적인 토르말린의 경우 화학 성분은 철·마그네슘·알칼리금속 등과 알루미늄의 복잡한 붕규산염이다. 대개는 6각 또는 9각 때로는 3각 주상(柱狀)을 이루며, 주(柱)의 상하에서 결정형을 달리하는 경우도 있다. 또 상하가 편평한 능면체나 침상(針狀)·모상(毛狀)을 나타내며, 때로는 입상(粒狀)·괴상(塊狀)을 이루기도한다. 이러한 토르말린의 경우 주로 산업적인 면 보다는 현재 생활용품 등으로만 많이 사용되고 있다.

또한, 희토류라하는 것은 주기율표 제3A족인 스칸륨·이트륨 및 원자번호 57에서 71인 란탄계열의 15원소를 합친 17원소를 총칭하며, 산업적으로 많은 각광을 받고 있는 소재이나 산출 규모가 균일하지 못하고 지구상에 매장량이 풍부하지 않은 단점과, 특정 성분에 대하여는 분리 회수에 많은 어려움이 있다.

이러한 광물들은 그동안 일반적인 원적외선 상품으로 일본에서나 국내에서도 많은 실용화가 이루어지기는 하였으나, 가격이 고가이고 산출지에 따른 품질상 저하 문제와 원적외선, 음이온 등에 대해서도 그동안 알려진 바와 같이 큰 효과를 보지 못하고 있는 면이 있다.

본 발명의 주목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 토르말린과 희토류 광물을 혼합 조성하여 상온에서도 원적외선이 다량 방사되고 음이온도 보다 많이 발생되는 조성물을 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이러한 조성물을 이용하여 소결체 형태로 제조하여 산업상 각종 분야에 첨가원료로 활용이 가능하도록 하고자 하는데 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 토르말린 20-50중량부, 희토류 광물 10-30중량부, 천연 제오라이트 10-20중량부, 산화티타늄 5-10중량부, 벤토나이트 5-10중량부, 티탄자철광 5-10중량부 및 미량의 은(Ag)분말의 혼합물로 구성되는 조성물에 의해 달성된다.

본 발명에 의한 기능성 소재는 상기 원료에 물, 가소제, 이형제를 가하여 혼합하고 건조 소결하여 소정의 입도로 다시 분쇄하는 공정을 통하여 달성된다.

본 발명에 사용된 토르말린은 325메쉬의 입도를 갖는 소재와 세라이트, 모나자이트 개들리나이트가 함유된 희토류 광물을 사용하였다.

희토류 광물은 그동안 영구 자석류에는 많이 사용된 소재이기는 하나 다른 기능성 소재로는 많이 사용되지 않았으며 이러한 희토류 광물의 종류는 대략 다음과 같다.

(1)바오타이트(baotite,包頭圓): 바스네사이트(basnasite)와 모나자이트 (monazaite)의 혼합광(圓)으로서 중국 포두(包頭)에서 생산된다.

(2)바스네사이트(basnasite): 미국의 마운트 패스(Mount Pass), 중국 쓰촨(四川), 산뚱(山東)에서 생산된다.

(3)모나자이트(monazaite): 인도, 남아공, 브라질, 오스트레일리아, 중국에서 각각 채광하고 있고, Th, U의 함량이 높고, 방사능함량이 높아 중국에서는 거의 채광이 정지된 상태이다.

(4)티탄자철원광: 국내의 소연평도 광석층에 포함된 맥석으로서 주로 녹니석 계통으로 일르멘나이트(Ilmenite, FeTiO₃)이고 약자성을 띤다.

(5)제노타임(xenotime)광: 말레이시아와 중국에서 생산된다.

(6)우라늄광, 철광, 니오브광, 인회석 중에서 회수한 희토류 등이 있다.

희토류광물은 음이온을 다량 방사시키는 기능과 전반적인 소성온도를 낮추어 주는 역할을 해주며 본 발명에 사용된 희토류 광물 중 모나자이트는 화학성분은 (Ce, La, Y, Th)PO₄이며, 세륨족 희토류원소의 인산염 광물이다. 판상(板狀) 또는 단주상(短柱狀)의 결정을 이루며, 때로 입상(粒狀)·괴상(塊狀)이다. 단구(斷口) 패각상(貝殼狀) 또는 불규칙하고, 모오스경도 5∼5.5, 비중 4.6∼5.4이다. 황색·황갈색·적갈색 등이며, 투명 또는 반투명하며, 수지광택(樹脂光澤)이 난다. 산성 심성암·편마암·결정편암 중에 지르코니아 등과 함께 부성분 광물로서 산출되며, 그 밖에 화강암질 페그마타이트나 고온열수광맥 중에 농집되어 광상을 이루며 그 구성이 이루어지는 구성성분은 다음의 표와 같이 이루어져 있다.

희토류광물의 주요 구성성분

성분	Al₂O₃	SiO₂	P₂O₅	Fe₂O₃	Y₂O₃	La₂O₃	ZrO₂	CeO₂	Pr₆O₁₁	Nd₂O₃
함량	20.74	25.42	9.1	4.98	1.1	6.46	1.3	14.31	1.1	5.5

구성 성분 중 티탄자철광의 분말을 조성함으로 산화티타늄의 광촉매기능과 원적외선 방사특징을 갖는 소재로서 본 발명 구성 성분중에 하나인 소재로서 한정하거나 제한하지는 않는다.

상기 조성물을 일정한 혼합 비율로 혼합 후 건식 혼합 밀(Mill)에서 혼합 후 건조 시킨다. 상기와 같은 혼합 건조 공정을 거친 분말은 회전 날개가 부착된 혼합기 내에서 4-10 중량부의 수분을 첨가하고 바인더로는 PVA, PVB, CMC, 에멀젼 바인더, 유기바인더와 수용성에멀젼타입의 바인더 등을 첨가하여 홈이 파여진 두개의 회전로울러 혹은 압출기에서 소정의 모양으로 성형시킬 수 있고, 성형된 모양과 크기에는 크게 제한을 받지 않으며 분쇄에 적당한 정도로 성형한다.

성형된 벌크상의 혼합물은 분당 2-5℃의 승온 속도로 900℃-1,100℃까지 30분간 소결하며, 일반적으로 셔틀킬른 혹은 로타리 킬른등 소결로의 제한을 받지는않는다. 이때 소결은 혼합된 원료들이 충분한 반응을 유도키 위한 것이며 반응이 이루어진 상태의 소결체는 연한 갈색을 띄게 된다.

이렇게 하여 얻어진 분말에 대한 원적외선 방사율 측정결과(한국건자재 시험연구원), 원적외선 방사율이 5-20㎛의 파장범위에서 0.90-0.93으로서 방사 효율이 뛰어나고 음이온이 3,000-12,000ea/㏄인 우수한 분말을 얻을 수 있었다. 이하, 본 발명에 따른 토르말린과 희토류광물을 이용한 기능성 소재 조성물 및 그 소결체의 제조방법에 대하여 여러 실시예들을 들어 상세하게 설명하지만, 하기의 실시예들은 본 발명을 한정하거나 제한하는 것이 아님을 미리 밝혀 둔다.

실시예 1

30-100㎛의 입도를 갖는 토르말린 30 중량부, 300-325㎛입도의 희토류광물 30중량부, 이 조성물에 100-200㎛의 입도 분포를 갖는 제오라이트 10중량부, 10-20㎛의 입도분포를 갖는 산화티타늄 10중량부, 30-90㎛의 벤토나이트 10중량부, 100-200㎛의 입도를 갖는 티탄자철광 10중량부 및 1-10㎛의 은분말 미량으로 구성되는 원료를 두축에 회전부를 갖는 드럼 상의 혼합기에 평량하여 혼합후 볼밀(Ball Mill)에 넣어 충진하고 10-30 rpm의 속도로 회전시키면서 3-5 시간 충분히 혼합 분쇄한 후 혼합 분말을 출토하였다. 상기 혼합물의 경우에 충분한 혼합 시간을 거쳤음에도 불구하고 혼합의 특성상 비중차이로 인한 손실을 고려하여 두 축이 회전하는 혼합 리딩기에서 이들 전체의 혼합물에 대하여 10중량부에 해당하는 수분과 15중량부에 해당하는 덱스트린을 혼합하고 충분한 혼합이 이루어지도록 교반 혼합하여 필요한 형태의 성형용 조성물을 얻었다. 상기와 같은 과정에 의하여 얻어진 조성물을 지름 φ5-6㎜이고 깊이가 10-20㎜의 홈이 규칙적으로 파여진 두개의 성형로울사이에서 연속적으로 성형하였다. 성형된 벌크상의 혼합물을 소성로에 넣고 소성로의 내부 온도가 분당 2-5℃의 승온 속도로 900℃에서 30분간 소결하였다.

소결된 제품은 보올과 바가 충진된 연속식 진동밀에서 평균 입경이 30마이크로미터 이하가 되도록 분쇄를 실시하여 생산된 분말을 얻었으며 우수한 원적외선 방사와 음이온이 발생되는 소재로 사용될 수 있었다.

실시예2

30-100㎛의 입도를 갖는 토르말린 50중량부, 300-325㎛입도의 희토류광물 10중량부, 100-200㎛의 입도 분포를 갖는 제오라이트 10중량부, 10-20㎜의 입도분포를 갖는 산화티타늄 10중량부, 입도분포가 30-90㎜의 벤토나이트 10중량부 및 입도 1-10㎜의 은분말 미량으로 구성되는 원료를 분쇄기내에서 분쇄 및 혼합 후 혼합된 분말을 볼밀로서 45도 경사의 회전판이 있는 면을 갖는 분쇄혼합기에 투입하고 분당 20-30rpm으로 회전시키면서 100-200㎛입도의 티탄자철광 분말 10중량부를 투입하고 분쇄 혼합을 행하였다. 다음, 추가로 물 10중량부를 분사 공급시키면서 이렇게 반복 작업을 계속하여 구형의 비드가 얻어지면 규격별로 진동체를 이용하여 선별한 후에 선별된 비드를 건조로에 넣고 내부온도가 60℃를 유지하여 건조시킨 다음, 소결로에 넣고 분당 2-5℃의 승온 속도로 1100℃에서 30분간 소결하여 볼 형태의 소결체를 얻었다. 이렇게 생성된 볼을 얄산성을 띠고 있는 먹는 물속에 4시간 담지하여 매시간 마다 리트머스시험지를 이용하여 물의 ph변화를 측정한 결과 ph가 상승하여 알카리수로 전환 되는 것으로 나타났다.

실시예 3

30-100㎛의 입도를 갖는 토르말린 20중량부, 300-325㎛입도의 희토류광물 30중량부, 이 조성물에 100-200㎛의 입도 분포를 갖는 제오라이트 20중량부, 10-20㎛의 입도분포를 갖는 산화티타늄 10중량부, 30-90㎛의 입도분포를 갖는 벤토나이트 10중량부, 100-200㎛입도의 티탄자철광 분말 10중량부 및 1-10㎛ 입도의 은분말 미량으로 구성되는 원료를 볼밀내에서 분쇄 및 혼합 후 혼합된 분말에 물과 분산제를 첨가한 후 20시간 밀링을 하였다. 1차 밀링 후 바인더와 이형제, 가소제를 첨가한 후에 추가적으로 2시간 더 밀링을 실시하였다. 이렇게 밀링된 슬러리를 디스크 혹은 노즐이 장착된 챔버 내에서 400℃ 고온의 열풍을 주입하면서 노즐 분무에 의한 후, 분무성형작업을 실시하여 구형에 가까운 분말을 얻은 다음에 프레스 성형방식으로 디스크타입으로 150㎏/㎝의 압력으로 성형한 다음, 성형체를 소결로에 넣고 분당 2-5℃의 승온 속도로 1000℃에서 30분간 소결하여 소결체를 얻었다.

이상과 같이 제작된 디스크를 약산성을 띤 먹는 물에 담지하여 매시간마다 물의 상태 변화를 리트머스시험지를 이용하여 측정한 결과 약 네 시간후 이는 산성수로부터 알카리수로 개선된 것임을 알 수 있었다.

비교예1

30-100㎛의 입도를 갖는 토르말린 60 중량부, 300-325㎛입도의 희토류광물 10중량부, 이 조성물에 100-200㎛의 입도 분포를 갖는 제오라이트 10중량부, 10-20㎛의 입도분포를 갖는 산화티타늄 10중량부, 30-90㎛의 벤토나이트 5중량부, 100-200㎛의 입도를 갖는 티탄자철광 5중량부 및 1-10㎛의 은분말 미량으로 구성되는원료를 두축에 회전부를 갖는 드럼 상의 혼합기에 평량하여 혼합한 후 볼밀에 넣고 10-30 rpm의 속도로 회전시키면서 3-5 시간 충분히 혼합 분쇄한 후 혼합 분말을 얻어 이를 혼합 리딩기에서 이들 전체의 혼합물에 대하여 10중량부에 해당하는 물과 15중량부에 해당하는 덱스트린을 혼합하고 충분한 혼합이 이루어지도록 교반 혼합하여 얻어진 성형용 조성물을 지름 φ5-6㎜이고 깊이가 10-20㎜의 홈이 규칙적으로 파여진 두개의 성형로울사이에서 연속적으로 성형하여 자연건조시킨 후에 건도된 성형물을 소성로에 넣고 소성로의 내부 온도가 분당 2-5℃의 승온 속도로 900℃에서 30분간 소결하여 소결체를 얻었다.

비교예2

30-100㎛의 입도를 갖는 토르말린 15중량부, 300-325㎛입도의 희토류광물 35중량부, 이 조성물에 100-200㎛의 입도 분포를 갖는 제오라이트 20중량부, 10-20㎛의 입도분포를 갖는 산화티타늄 10중량부, 30-90㎛의 입도분포를 갖는 벤토나이트 10중량부, 100-200㎛입도의 티탄자철광 분말 10중량부 및 1-10㎛ 입도의 은분말 미량으로 구성되는 원료를 볼밀내에서 분쇄 및 혼합 후 혼합된 분말에 물과 분산제를 첨가한 후 20시간 밀링을 행한 후에 바인더와 이형제, 가소제를 첨가한 후에 추가적으로 2시간 더 밀링을 실시하였다. 이렇게 밀링된 슬러리를 노즐이 장착된 챔버 내에서 400℃ 고온의 열풍을 주입하면서 노즐 분무에 의한 후, 분무성형작업을 실시하여 구형에 가까운 분말을 얻은 다음에 이를 소결로에 넣고 분당 2-5℃의 승온 속도로 1000℃에서 30분간 소결하여 소결체를 얻었다.

이와 같이 얻어진 조성물을 이용하여 원적외선 방사량은 파장이 5-20㎛의 범위에서의 방사율을 측정하고 음이온발생량은 ㏄당 음이온의 수효를 각각 측정하여 본 결과 실시예1 내지 실시예3의 경우에는 원적외선이 다량 방출되고 음이온이 많이 발생됨을 알 수 있으나, 비교예1의 경우에는 실시예2에 비하여 원적외선의 방사량이나 음이온의 발생량 그다지 크게 상승되지 못하고, 비교예2의 경우에는 실시예3에 비하여 원적외선의 방사량이나 음이온의 발생량이 급감하는 것을 알 수 있으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.

원적외선 방사율 및 음이온 발생량

구분	원적외선 방사율(파장 5∼20㎛)	음이온 발생량(ea/㏄)
실시예 1	0.91	8,000
실시예 2	0.93	12,000
실시예 3	0.90	3,000
비교예 1	0.94	11,000
비교예 2	0.80	800

이상 살펴본 바와 같이 본 발명은 토르말린과 희토류광물을 이용하여 혼합 및 소결 처리한 새로운 조성물 중 실시예1 내지 실시예3의 경우에는 원적외선이 다량 방출되고 음이온이 많이 발생됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 조성물이나 소결방법에 의하여 제조되는 소결체의 경우 토르말린과 희토류 광물을 혼합 조성하여 상온에서도 원적외선이 다량 방출되고 음이온도 보다 많이 발생되게 되며 이러한 조성물을 이용하여 소결체 형태로 제조하여 산업상 각종 분야에 첨가원료로 활용이 가능하게 되므로 조성물 자체에 의한 소결성형체나 아니면 기존의 다른 소재인 예를 들면, 합성수지소재, 섬유, 식음료 등의 넓은 분야에 걸쳐 적용이 가능한 것으로 판단되며, 필요시에 새로운 부가 기능을 부여하고 건강관련 산업이나 환경 산업 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용할 수 있는 장점을 갖게 된다.

Claims

토르말린 20-50중량부, 천연 희토류 광물 10-30중량부, 제오라이트 10-20중량부, 산화티타늄 5-10중량부, 벤토나이트 5-10중량부, 티탄자철광 5-10 중량부 및 미량의 은(Ag)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 토르말린과 희토류광물을 이용한 복합 기능성 소재 조성물.
제1항에 있어서,

상기 조성물을 900-1100℃의 온도범위에서 소결 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 조성물을 성형하고, 900-1100℃의 온도범위에서 소결 처리하는 단계를 제조가 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결체.