KR20050112207A

KR20050112207A - 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050112207A
Application number: KR1020040037125A
Authority: KR
Inventors: 조백일; 김영도; 손세구; 채영배; 정수복
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-11-30
Also published as: KR100602728B1

Abstract

본 발명은 국내에 산재해 있는 광산중 중석광산에서 발생된 폐광미를 이용하여 흡수율이 낮은 치밀한 세라믹스를 제조하도록 하는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이는 특히, 산화아연 또는 아연산화물을 융제로서 소정량 첨가하여 이것을 성형, 소성하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라서, 폐광미를 이용하여 흡수율이 낮은 치밀한 세라믹스를 제조하도록 하는 것이다.

Description

폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 및 그 제조방법{a ceramics cinder with low absorptiveness using waste mine tailing and a manufacturing method thereof}

본 발명은 국내에 산재해 있는 광산중 중석광산에서 발생된 폐광미를 유효하게 이용하도록 하는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 및 그 제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게로는, 산화아연 또는 아연염화물을 융제로서 소정량 첨가하여 이것을 성형, 소성하는 구성으로 흡수율이 낮은 치밀한 세라믹스를 제조하도록 하는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

폐광미는, 주로 광산에서 유용광물을 분리·선별하기 위하여 파·분쇄 및 선별 처리하는 과정에서 발생된 waste이며, 현재 국내에는 1000여개의 휴, 폐광산으로부터 배출된 폐광미는 약 8800만 톤에 이른다.

이러한 폐광미는, 매립이나 콘크리트 충진재 등으로 활용되고 있는 실정이다.

또한, 최근에는 폐광미를 다른 분야로 유용하게 활용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

예를들면, 특허 제16062호에서 화강암 광산 폐기물인 석분에 수지를 유기결합재로서 첨가하여 인조석 판재를 제조하는 방법을 제시하였지만, 그 인조석 판재는 수지 및 메틸에틸케톤/옥사이드 및 코발트 나프타네이트 등과 같은 유기물을 첨가하여 접착한 형태로서, 최근의 실내공기질 관리법등에 의해서 규제될 휘발성 유기물질(VOCs; Volatile Organic Compounds)이 다량 함유되어 있는 수지 등을 사용함으로써 두통이나 아토피성 알레르기 등을 일으킬 위험성이 있다는 단점이 있다.

또한, 특허 제1669호에서 규석을 주성분으로 한 폐광미를 이용한 건축 및 토목자재 조성물을 제조하는 방법을 제시하였으며, 이는 유기물을 이용하여 접착시킨 형태이다.

그러나, 유기물을 이용한 고분자 형태의 접합제는 냄새와 휘발성 유기물질을 발생시키는 문제점이 있다.

또한, 이와 같은 제품은 열에 약한 단점으로 화재시 건축물의 붕괴위험을 안고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 특허공개 제2002-0061266호에서 광산폐기물을 주원료로 하는 반자기질의 건축용 벽돌 및 바닥벽돌의 제조방법을 제시하였다.

그렇지만, 이와 같은 방법은 제조 조성이 복잡하고, 치밀한 소성체를 얻기 위해서는 1200℃이상의 고온에서 소성하여야만 하여 제조효율이 저하되는 단점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 산화아연 혹은 아연염화물의 적어도 하나 이상에 의해 만들어지는 분체와 폐광미를 배합한 혼합물을 성형한후 소성하여 저흡수성 세라믹스 소결체를 용이하게 제조하고, 폐광미를 안정화하여 치밀하게 소성시키도록 하는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산화아연 및 아연염화물을 5~50중량%, 폐광미를 95~50중량%인 혼합물을 성형하여 형성되는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체를 제공한다.

또한, 산화아연 및 아연염화물을 5~50중량%, 폐광미를 95~50중량%인 혼합물을 성형한후, 소성하여 형성되는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 제조방법을 이하에 상세하게 설명한다.

본 발명에 사용되는 폐광미는, 중석광산으로부터 발생된 폐광미를 이용하였다.

또한, 본 발명에 사용된 융제로서는 산화아연 및 아연염화물이 이용되었다.

그리고, 아연화합물은 염화아연, 탄산아연, 산화아연, 질산아연, 황산아연 등을 들 수 있다.

이와 같은 것은 단독으로 사용해도 좋고, 2종 이상을 혼합하여 사용하여도 좋다.

이런 아연화합물은, 소성에 의해서 산화아연으로 변하기 때문에 통상 사용하기 좋은 산화아연을 사용하는 것이 적합하다.

폐광미에 대하여 산화아연의 첨가량이 적을 때는 소성수축률이 작고 다공성의 치밀하지 않은 소성체로 된다.

또한, 첨가량이 많을 때는 폐광미의 유효이용의 효과가 적고, 폐광미의 자체 소성수축에 산화아연이 방해가 되므로 치밀한 소성체를 얻을 수 없다.

폐광미와 산화아연의 혼합물중, 산화아연은 5중량%이상 50중량% 이하의 범위가 적당하고, 폐광미는 50중량% 이상 95중량%이하로 사용하는 것이 바람직하다.

폐광미와 산화아연은 볼밀, 스피드밀, 유발, 칼날믹서 등으로 혼합분쇄한 후, 성형한다.

성형방법은, 특별히 제한하는 것은 아니고, 프레스를 이용한 일축 가압성형법, 사출성형법, 압출성형법 등이 가능하다.

얻어진 성형체는 산화분위기 중에서 소성하지만, 소성은 폐광미의 융점 이하에서 행하며, 일반적으로는 1000~1100℃온도범위에서 행한다.

최고 온도에서의 유지시간은 성형체의 두께, 형상에 따라서 적당하게 결정하면 좋지만, 일반적으로 1~3시간 정도를 유지하면 좋다.

얻어진 소성체는 흡수율이 거의 1%정도로 치밀화가 진행된 적갈색이다.

또한, 폐광미와 산화아연의 혼합물에 다른 성분, 예를 들면 철, 동, 니켈, 코발트, 망간, 몰리브덴, 주석 또는 이런 것들의 화합물을 소량 첨가하면, 다른 색으로 착색된 소성체를 얻을 수 있다.

이런 첨가물은 다량으로 첨가하면 소결성을 방해하기 때문에 일반적으로 1~5 중량%정도 첨가하는 것이 좋다.

본 발명에서 주 재료는 광산 폐기물인 폐광미를 사용하고 융제로서 산화아연을 부재료로 사용하였다.

주원료 구성에서 폐광미의 역할과 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

폐광미는 광산에서 유용광물을 분리·선별하기 위하여 파·분쇄 및 선별처리하는 과정에서 발생된 선광광미로서 처리가 어렵고, 부적절한 처리로 인한 중금속 유출, 지표수 및 지하수 오염, 미적 자연환경 파괴 등 환경문제를 야기시키고 있다.

이와 같은 폐광미는 현재 자원순환형 재료로서 주목되고 있는 원료 중의 하나이다.

폐광미의 화학성분은 SiO₂58.5~61.2 중량 % Fe₂O₃ 11.31~11.68 중량 % Al₂O₃ 9.1~10.35 중량 % CaO 7.74~9.09 중량 % 및 기타 양이온과 불순물로 구성되어 있다(표1 참고).

이와 같은 폐광미는 폐광미만으로는 저온에서는 소결하기 어렵고 제품의 품질이 점토(1차점토, 2차점토 등)질 세라믹보다 떨어진다.

(표 1) 단위(wt.%)

Sample	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	CaO	K₂O
Tailing 1	58.51	9.20	11.55	2.56	9.09	2.05
Tailing 2	61.02	9.10	11.68	2.09	7.74	2.22
Tailing 3	60.47	10.35	11.31	2.25	7.78	2.24

본 발명은 폐광미에 산화아연을 첨가함으로써 폐광미의 점력과 소성결합력을 증진하고, 발색되는 색상을 조절하는 장점이 있다.

부 재료인 산화아연의 배합 %에 따라 소성후 발생되는 착색과 질감이 차이가 나며, 첨가량에 따라서 폐광미 내에 입자 사이에서 용융액상을 형성하므로써 소성수축을 촉진한다.

이와 같은 액상소결에 의해서 낮은 온소에서 소성이 가능하고, 흡수율이 작으면서 압축강도는 월등히 더 나아가는 등의 제품 품질특성이 있다.

본 발명의 세라믹 소결체 제조방법은 폐광미에 일정한 양의 산화아연을 첨가하여 혼합한 배합토를 가압성형기를 이용하여 성형한 후, 건조 및 소성시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 형태의 세라믹 소결체 제조 방법은 폐광미에 일정한 양의 산화아연를 첨가하여 혼합한 배합토를 진공토련기에 의하여 압출성형하며, 성형체를 원하는 크기로 절단하여 건조 및 소성시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예는 아래와 같다

[실시예 1]

중량 %로 폐광미 97%와 산화아연 3%를 혼합 분쇄하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 수분함량을 17~20%가 되도록 하여 가압성형기를 이용하여 240×115mm의 사각금형에 충진하여 200kg/cm² 의 일축 가압하에 프레스 성형하였다.

그리고, 이 성형물을 상온에서 1일간 자연 건조하여 160℃에서 48시간 건조 후, 1050℃의 온도에서 36시간 예열 및 소성한 후, 냉각시켜서 세라믹스 소결체를 제조하였다.

[실시예 2]

중량 %로 폐광미 95%와 산화아연 5%를 혼합 분쇄하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 수분함량을 17~20%가 되도록 하여 가압성형기를 이용하여 240×115mm의 사각금형에 충진하여 200kg/cm² 의 일축 가압하에 프레스 성형하였다.

[실시예 3]

중량 %로 폐광미 90%와 산화아연 10%를 혼합 분쇄하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 수분함량을 17~20%가 되도록 하여 가압 성형기를 이용하여 240×115mm의 사각금형에 충진하여 200kg/cm² 의 일축 가압하에 프레스 성형하였다.

[실시예 4]

중량 %로 폐광미 80%와 산화아연 20%를 혼합 분쇄하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 수분함량을 17~20%가 되도록 하여 가압성형기를 이용하여 240×115mm의 사각금형에 충진하여 200kg/cm² 의 일축 가압하에 프레스 성형하였다.

[실시예 5]

중량 %로 폐광미 70%와 산화아연 30%를 혼합 분쇄하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 수분함량을 17~20%가 되도록 하여 가압성형기를 이용하여 240×115mm의 사각금형에 충진하여 200kg/cm² 의 일축 가압하에 프레스 성형하였다.

[실시예 6]

중량 %로 폐광미 60%와 산화아연 40%를 혼합 분쇄하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 수분함량을 17~20%가 되도록 하여 가압성형기를 이용하여 240×115mm의 사각금형에 충진하여 200kg/cm²의 일축 가압하에 프레스 성형하였다.

[실시예 7]

중량 %로 폐광미 50%와 산화아연 50%를 혼합 분쇄하고 이 혼합물 100 중량부에 대하여 수분함량을 17~20%가 되도록 하여 가압성형기를 이용하여 240×115mm의 사각금형에 충진하여 200kg/cm²의 일축 가압하에 프레스 성형하였다.

[비교예 1]

실시예에 이용된 폐광미를 실시예 3과 동일하게 240×115mm의 사각금형에 충진하여 200kg/cm²의 가압으로 성형하였다.

얻어진 성형체를 실시예와 동일한 방법으로 건조하여 최종적으로 1200℃에서 36시간 동안 예열 및 소성결합시킨 후, 냉각시켜 세라믹스 소결체를 제조하였다.

상기 실시예 및 비교예에 의하여 얻어진 세라믹 소결체를 아래와 같은 기준으로 물성을 측정하였다.

[실험예] 흡수율과 부피비중

한국산업규격 KSL 4201와 KSL 3114의 방법에 따라 실시예 1~7의 세라믹스 소결체와 비교예 1의 세라믹 소결체에 대하여 흡수율과 부피비중을 시험하였다.

여기서 a = 흡수율

W₁ = 건조 후 무게(g)

W₂ = 24시간 물에 침적한 포수시편의 무게

조작방법

① 시료를 105~120℃의 공기 중탕 속에서 24시간 건조하여 실온까지 방냉한 후, 칭량하고 이것을 건조 후에 무게 W₁(g)으로 한다.

② 이 시료를 즉시 /끊는 물 속에 담가 3시간 끊인 후 실온까지 방냉하는데 이때의 방냉은 물을 가해도 좋으며, 또한 24시간 흡수에 따라 흡수율을 구하는 경우에는 건조시료를 즉시 20±5℃의 물 속에 24시간 정치하며, 아울러 시료상부와 수면사이의 거리는 50-60mm로 한다.

③ 이것을 물속에서 꺼내어 재빨리 젖은 헝겊으로 표면의 수분을 닦고 즉시 무게를 달아서 이것을 수분을 포함한 무게 W₂(g)로 한다.

여기서 D_b = 부피비중

W₁ = 건조시험편의 무게

W₂= 포수 시험편의 물 속의 무게

W₃= 24시간 물에 침적한 포수시편의 무게

조작방법

② 건조 무게를 측정한 시험편을 증류수 속에 담가 3시간 이상 끓이고 실온까지 냉각한다. 이것을 포수시료라 한다. 이때 증류수를 가하여 냉각하여도 무방하다.

③ 포수시료를 지름 1 mm 이하의 철사로 물 속에 매단 채로 달아, 철사의 무게를 뺀 값을 포수시 료의 물 속 무게 W2 (g)로 한다.

④ 포수 시료를 물 속에서 꺼내어 물수건으로 표면을 닦고, 무게를 달아 포수시료의 무게 W3 (g) 로 한다.

상기와 같은 기준에 의한 시험결과는 다음 표 2와 같았다.

(표 2)

구 분	흡수율(%)	부피비중	비고
실시예 1	8.8	2.168
실시예 2	6.5	2.289
실시예 3	1.0	2.753
실시예 4	4.1	2.412
실시예 5	5.3	2.466
실시예 6	7.8	2.487
실시예 7	11.1	2.540
비교예 1	7.0	2.160

본 발명에 의하면, 폐광미의 융제로서 아연산화물을 이용하여 치밀한 저흡수성 세라믹스 소결체가 얻어지는 것이다.

또한, 본 발명의 저흡수성 세라믹스 소결체는 치밀화가 진행되어 투수성을 나타내지 않는 것에 의해서 외장타일, 판넬, 욕실의 타일 등의 건축자재로서도 유효하게 사용될 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀 두고자 한다.

Claims

산화아연 또는 아연염화물중에서 선택되는 적어도 하나 이상이루어진 분말 5~50중량%와 폐광미 50~95 중량%로 이루어진 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체.
제1항에 있어서, 상기 폐광미와 산화아연 혼합물에 철, 동, 니켈, 코발트, 망간, 몰리브덴, 주석 또는 이런 것들의 화합물을 1~5 중량%정도 첨가하는 것을 특징으로 하는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체.
제1항에 있어서, 상기 아연염화물은, 염화아연, 탄산아연, 산화아연, 질산아연, 황산아연중에서 선택되는 아연화합물이 단독 또는 2종이상 병용되는 것을 특징으로 하는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체.
산화아연 또는 아연염화물중에서 선택되는 적어도 하나 이상이루어진 분말 5~50중량%와 폐광미 50~95 중량%를 혼합분쇄한후 가압성형하고, 이를 건조 및 소성하여 제조되는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 소결체는, 수분함량이 17~20%가 되도록 가압성형기에서 가압성형되고, 상온에서 1일간 자연건조한후 160℃의 온도에서 48시간 건조되며, 1000~1050℃의 온도에서 소성후 냉각되어 그 흡수율이 1.0~5%가 되도록 제조되는 것을 특징으로 하는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 아연염화물은, 염화아연, 탄산아연, 산화아연, 질산아연, 황산아연중에서 선택되는 아연화합물이 단독 또는 2종 이상을 병용하여 사용되는 것을 특징으로 하는 폐광미를 이용한 저흡수성 세라믹 소결체 제조방법.