KR20080017966A - 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물 및 그 타일의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 50~90 중량%의 폐유리 미분; 3~15 중량%의 알칼리금속규산염수용액(고형분 20~60%); 0~8 중량%의 물; 0~15 중량%의 알루미나 시멘트; 0~3 중량%의 무기염; 및 0~20 중량%의 점토광물;을 포함하여 구성되는 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물에 대한 것이다.

또한, 본 발명은 폐유리의 이물질제거, 분쇄과정을 포함하는 폐유리 처리단계; 상기 분쇄된 폐유리 미분을 포함하여 상기 조성물을 원료로 혼합하는 원료혼합단계; 상기 혼합된 원료를 몰딩 및 성형하는 단계; 상기 성형물을 건조하는 단계; 및 상기 건조물을 최대온도 850~1000℃(850℃제외)의 온도에서 소성시킨 후 서냉하는 소성단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물 및 그 타일의 제조방법은 폐기물로 매립되는 폐유리, 특히 별도의 분리수거로 재활용됨 없이 매립되는 건설폐기물인 건설 폐판유리를 활용할 수 있게 하여 제조원가를 줄이고, 폐자원의 활용으로 환경오염 등 2차적인 문제를 해결할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 폐유리 미분을 50 중량%이상 함유하면서도 규격시험에 통과할 수 있는 높은 하중강도를 가지는 세라믹 타일 조성물 및 그 타일의 제조방법을 제공한다.

세라믹 타일, 폐유리, 알칼리금속규산염수용액, 알루미나 시멘트, 점토광물, 무기염

Description

폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물 및 그 타일의 제조방법{Ceramic tile composition using waste glasses and manufacturing method of the same tile}

도 1은 본 발명의 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조공정을 나타내는 도면이다.

본 발명은 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물과 그 타일의 제조방법에 관한 것이다.

세계적으로 산업발전에 따라 산업폐기물은 증가추세에 있다. 그런데 이러한 산업폐기물 처리를 위한 기존의 매립방법은 폐기물 매립 부지의 한계와 환경오염 등의 2차적 문제 발생의 우려가 있어 새로운 산업폐기물 처리 방안이 요구되고 있다.

이러한 산업폐기물의 한 종류로서 폐유리를 들 수 있는데, 이 역시 국내 매립장의 한계로 인해 재자원화를 위한 대책이 절실히 요구되는 실정이다.

이러한 폐유리는 발생원인에 따라 크게 병유리 즉 폐병유리와 건설폐기물로 발생하는 판유리인 폐판유리 등을 들 수 있다. 폐병유리의 경우 정상적으로 수거되어 처리된 경우 대부분 제병공정에 재활용되고 있으며, 일부 타용도로 활용하고 있다. 다만, 사용되는 폐병유리는 품질이나 종류에 제한을 받고 있다. 폐병유리는 색상별로 무색병, 갈색병, 청록색병, 녹색병의 4가지로 크게 분류하여 사용하며, 이들을 재활용하기 위해서는 각각 이물질 제거, 세척, 선별, 파쇄 등의 전처리 공정이 요구된다. 그런데 이러한 과정에서 색상이 혼합될 경우 제병공정의 원료로 활용이 불가하여 매립처리되고 있는 실정이다.

이에 비해 건설폐유리의 경우는 주로 투명 판유리인데, 별도로 분리수거조차 하지 않은 상태로 건설폐기물로 매립되고 있는 것이 실정이다.

선진국에서는 폐유리의 처리방안을 다각적으로 검토하여 콘크리트의 혼화재 및 골재로 활용하는 방안, 도로의 포장재로 활용하는 방안, 경량 골재 및 발포 블록으로 활용하는 방안, 건축 내외장재로 활용하는 방안 등이 연구되었으며, 관련 기술이 성숙되어 일부는 상용화에 성공한 사례도 있다.

그러나, 국내의 경우 관련 연구가 다양하게 수행되고 있으면서도 아직 상용화에 성공한 사례는 크게 찾아 볼 수가 없는 것이 현실이다.

한편, 세라믹 타일은 건축용 내외장 마감재료로 그 활용범위가 넓고 다양하다. 이에 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조는 폐기되는 자원을 활용하는 유효한 방안이 될 수 있는바, 폐유리를 활용한 타일을 제조하는 방안들이 연구되었으나, 의장적인 면에 치우치거나 제조경제성이 없는 경우가 대부분이었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 폐기물로 매립되는 폐유리, 특히 별도의 분리수거로 재활용됨 없이 매립되는 건설폐기물인 건설폐판유리를 활용한 세라믹 타일 조성물 및 그 타일의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 폐유리를 50 중량%이상 함유하면서도 규격시험에 통과할 수 있는 높은 하중강도를 가지는 세라믹 타일 조성물 및 그 타일의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 50~90 중량%의 폐유리 미분; 3~15 중량%의 알칼리금속규산염수용액(고형분 20~60%); 0~8 중량%의 물; 0~15 중량%의 알루미나 시멘트; 0~3 중량%의 무기염; 및 0~20 중량%의 점토광물;을 포함하여 구성되는 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 폐유리의 이물질제거, 분쇄과정을 포함하는 폐유리 처리단계; 상기 분쇄된 폐유리 미분을 포함하여 상기 조성물을 원료로 혼합하는 원료혼합단계; 상기 혼합된 원료를 몰딩 및 성형하는 단계; 상기 성형물을 건조하는 단계; 및 상기 건조물을 최대온도 850 내지 1000℃(850℃제외)에서 소성시킨 후 서냉하는 소성단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조방 법을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 기술함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

1. 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물.

본 발명은 폐유리 미분, 알칼리금속규산염수용액을 필수적으로 포함하고, 선택적으로 물, 알루미나 시멘트, 무기염, 점토광물을 더 포함하여 구성되는 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물에 대한 것이다.

(1)폐유리 미분은 이물질을 제거한 폐유리를 분쇄하여 얻을 수 있는데, 바람직하게는 폐유리 중 건설 폐기물로 발생되는 판유리 즉 폐판유리를 사용한다. 기타 폐유리의 경우 이물질 제거 및 색상선별이 복잡하여 제조경제성이 적고, 알루미늄이나 철과 같은 금속물질을 함유하는 경우가 많아 소성과정에서 변색이나 기포발생의 우려가 크기 때문이다. 국내 건설 폐기물로 발생하는 폐판유리의 경우 간단한 이물질 처리공정을 거쳐 폐유리 미분의 제조가 가능한바, 경제적으로 타일을 제조할 수 있는 이점이 있다.

이때 상기 폐유리 미분의 사용범위는 50~90 중량%가 바람직하다. 폐유리 미분을 50 중량%이상 사용하여야 폐유리를 재활용하고자 하는 목적에 부합하며, 90 중량%를 초과하여 사용하는 경우 타일의 몰딩 및 성형시 형체를 유지하지 못하기 때문이다.

(2)알칼리금속규산염수용액은 유리의 용융을 돕고, 몰딩 및 성형시 혼합용액의 역할을 한다. 또한 상기 알칼리금속규산염수용액의 첨가가 제조된 세라믹 타일의 강도성능을 향상시키고, 세라믹 타일의 제조과정에서 소성온도를 낮추는 효과가 있음이 실험적으로 확인되었다. 상기 알칼리금속규산염수용액은 고형분 20~60%를 포함한 농도의 것을 사용한다. 상기 알칼리금속규산염수용액으로는 규산나트륨수용액만을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 규산나트륨수용액과 규산칼륨수용액을 혼합하여 사용한다. 이때 바람직하게는 상기 규산나트륨수용액은 고형분 20~60%를 포함한 농도의 것을 사용하고, 상기 규산칼륨수용액은 고형분 20~70%를 포함한 농도의 것을 사용한다. 상기 규산나트륨수용액과 규산칼륨수용액을 혼합하여 사용하는 경우 각각 20~100 중량%(100중량% 제외)와 0~80 중량%(0중량% 제외)로 알칼리금속규산염수용액을 구성한다.

또한, 상기 알칼리금속규산염수용액의 사용범위는 3~15 중량%가 바람직하다. 알칼리금속규산염수용액을 3 중량%미만으로 사용하는 경우 타일의 몰딩 및 성형성에 기여하기 어렵고, 15 중량%를 초과하여 사용하는 경우에는 수분이 과도하여 탈형 후 형체 유지가 어렵고, 소성시 매끄러운 표면을 제공하기 어렵다. 상기 폐유리 미분과 알칼리금속규산염수용액만을 혼합하여 타일의 조성물로 사용하는 경우에는 조성비는 85~90 중량%의 폐유리 미분과 10~15 중량%의 알칼리금속규산염수용액을 사용하는 것이 바람직하다.

(3)물은 타일의 몰딩 및 성형이 적절히 이루어지도록 혼합용액으로 사용되는 것으로서, 선택적으로 사용될 수 있다. 상기 물의 사용범위는 0~8 중량%가 바람직하다. 8 중량%를 초과하여 사용되는 경우 수분이 과도하게 되어 타일의 탈형 후 형태 유지가 어렵고, 소성시 매끄러운 표면을 제공하기 어렵기 때문이다.

(4)알루미나 시멘트는 선택적으로 사용되는 첨가제로서, 알루미나 시멘트 첨가시 성형 및 몰딩을 더 용이하게 할 수 있다. 또한, 알루미나 시멘트는 고온에 잘 견디는 소재이므로, 고온의 소성단계를 가지는 타일제조공정에 활용하기 좋다.

이때 상기 알루미나 시멘트의 사용범위는 0~15 중량%가 바람직하다. 알루미나 시멘트를 15 중량%를 초과하여 사용하는 경우, 소성 후 타일이 휘어지게 될 염려가 있으며, 폐유리 미분을 일정 부분이상 용융시켜 타일 형성을 방해하기 때문이다.

(5)무기염 역시 선택적으로 사용되는 첨가제로서, 첨가시 성형단계에서 성형체 내부의 수분을 흡수하여 수분에 의한 기포의 발생을 억제하는 효과가 있다. 이에 무기염의 첨가는 몰드 내에서 재료들이 밀실하게 충진되게 한다. 무기염으로는 NaCl이나 CaCl을 사용하는 것이 바람직하며, 양자를 모두 포함하여 사용하는 것도 가능하다.

또한 상기 무기염의 사용범위는 0~3 중량%가 바람직하다. 무기염을 3 중량%를 초과하여 사용하는 경우 무기염의 용융으로 인해 성형체의 표면이 미려하지 못 하게 된다.

(6)점토광물도 선택적으로 사용되는 첨가제로서, 첨가시 소성과정을 거치며 타일의 강도성능을 향상시키고, 독특한 질감을 제공할 수 있다. 점토광물로는 고령토, 황토, 점토, 메타고령토 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이들은 각각 사용하거나 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 점토광물의 사용범위는 0~20 중량%가 바람직하다. 상기 점토광물을 20 중량% 이상 사용하는 것은 가능하나, 상기 폐유리 재활용의 목적상 20 중량% 이하로 사용함이 바람직하다.

2. 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조방법

도 1은 본 발명의 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조공정을 나타내는 도면이다. 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조방법은 크게 폐유리 처리단계, 원료혼합단계, 몰딩 및 성형 단계, 건조 단계, 소성 단계로 구성된다.

폐유리 처리단계는 크게 이물질 제거와 분쇄단계로 구분된다. 건설 폐유리인 폐판유리를 사용하는 경우, 이물질 제거과정은 탈철 공정, 비중 선별기를 이용한 유기물 등 이물질 제거 공정 등 비교적 간이하게 진행된다. 이후, 폐유리 분쇄과정을 거치는데, 바람직하게는 폐유리를 1차 조분쇄 후, 이 1차 조분쇄물에 다시 2차 미분쇄를 행한다.

상기 미분쇄된 폐유리 미분은 상기 (1)에서 (6)의 배합비와 같이 혼합하는 단계를 거치게 된다. 이때 상기 알루미나 시멘트나 점토광물, 무기염을 첨가하는 경우 이들은 상기 폐유리미분과 알칼리금속규산염수용액 또는 이에 물을 추가한 원료의 혼합과정을 거친 후 혼합하는 것이 바람직하다. 알루미나 시멘트의 경우 함께 혼합시 알칼리금속규산염수용액 또는 이와 물을 첨가하여 구성되는 혼합용액과 먼저 반응하여 급결될 염려가 있기 때문이다. 또한, 이들을 2차적으로 혼합하는 것이 재료의 균질한 혼합에 바람직하다.

폐유리 미분과 상기 혼합용액을 혼합시에는 무중력 믹서를 이용하여 폐유리 미분에 혼합용액을 코팅하듯이 혼합한다. 2차적으로 혼합하는 경우에도 무중력 믹서를 사용하여 균질하게 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 원료혼합단계를 통해 혼합된 혼합물은 원하는 크기와 모양의 몰드에 채우고 압력을 가하여 성형한다. 이때 5~50MPa의 압력으로 일축 가압 성형을 통하여 성형할 수 있다.

상기 성형물은 건조단계를 거치는데, 건조단계를 거치지 않는 경우 이후의 소성단계에서 급격한 수분의 증발로 제조된 타일에 많은 기공이 형성되거나 뒤틀림이 발생하는 문제가 있다. 건조단계는 60~80℃에서 5~24시간 행하는 것이 바람직하다.

건조단계를 거친 상기 건조물은 소성단계를 거치는데 보통 5~15℃/분의 승온 온도로 최고온도를 850~1000℃(850℃제외)로 하여 소성을 행한다. 소성온도가 850℃이하의 경우에는 소성이 잘 되지 않아 제조된 타일이 외관상 불량하고, 휨파괴하중시험에서도 수치가 낮게 나타난다. 소성온도가 1000℃를 초과하는 경우에는 과소성되어 소성과정에서 용융된 유리가 흘러내리는 현상이 발생하거나 적은 수이나 구멍이 발생하고, 낮은 휨파괴하중을 보인다.

소성온도에서 5분 내지 1시간 동안 정치시킨 후, 서냉하여 타일을 제조한다. 제조된 타일의 비중은 2.2~2.7으로 나타난다.

실시예 : 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조

(1) 표 1의 조성비와 같이 각각 조성물을 준비하였다.

폐유리 미분은 건설 폐기물인 폐판유리를 이물질 제거 공정을 거친 후, 햄머 밀을 이용하여 입도범위 5mm 이하로 1차 조분쇄한 후에 진동 밀을 이용하여 0.074mm 체를 80% 이상이 통과하도록 2차 미분쇄하여 준비하였다.

알칼리금속규산염수용액은 규산나트륨수용액(고형분 40%, Na₂O·3SiO₂·20H₂O )과 규산칼륨수용액(고형분 50%, K₂O·2SiO₂·10H₂O)을 중량비 9:1의 비율로 사용하였다.

무기염으로는 NaCl을 사용하고, 점토광물로는 점토를 사용하였다.

<표1>

조성비(중량%)	실시예1	실시예2	비교예1	비교예2
폐유리 미분	65	80	65	80
알루미나 시멘트	10	6	-	-
알칼리금속규산염수용액	10	5	-	-
물	4	2	5	5
NaCl	1	1	-	-
점토	10	6	30	15
계	100	100	100	100

(2)상기 조성비의 조성물들을 혼합하였다. 원료의 혼합은 무중력 믹서로 실시하였다. 이때, 각 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 조성비로 조성물을 3개씩 준비하여 하기와 같이 소성온도를 달리하여 규격을 시험할 수 있게 하였다. 실시예 1 및 2의 경우 폐유리 미분, 알칼리금속규산염수용액, 물을 먼저 무중력 믹서로 혼합한 후 이에 알루미나 시멘트, NaCl, 점토를 다시 무중력 믹서로 혼합하였다.

혼합된 상기 혼합물들을 동일한 크기와 모양의 몰드에 각각 넣은 후, 동일하게 20MPa의 압력으로 일축 가압성형하였다.

상기 성형물들을 60℃에서 12시간 동안 건조하였다. 그리고 10℃/분의 승온온도로 각 조성비별 준비된 3개의 실험군에 대해 각각 소성온도 850℃, 950℃, 1,050℃로 하여 20분의 정치시간을 거친 후 서냉하여 타일을 제조하였다.

상기 실시예의 방법으로 제조된 타일의 물성을 확인하기 위해 다음의 시험예와 같은 시험을 하였다.

시험예 : 재활용 유리타일 규격시험

1.시험방법

GR L 2007 재활용 유리타일 규격에 의하면, 시험항목 및 규격은 표 2와 같다. 하기 규격을 참고로 하여 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 조성비로 제작한 타일들의 물성을 시험하였다.

<표 2>

시험항목	규격
외관	○
휨파괴하중(N/cm)	12 이상

○ : 양호 (구부러짐, 균열 및 구멍 없음)

△ : 보통 (구부러짐, 균열 및 구멍 약간 발생)

× : 불량 (구부러짐, 균열 및 구멍 심함)

2. 시험결과

상기 규격 시험을 행한 결과는 표 3과 같다.

<표 3>

소성 온도별 시험결과		실시예1	실시예2	비교예1	비교예2
850℃	외관	×	×	×	×
	휨파괴하중(N/cm)	12	13	0	0
950℃	외관	○	○	△	△
	휨파괴하중(N/cm)	15	18	8	9
1,050℃	외관	△	△	○	○
	휨파괴하중(N/cm)	12	13	10	8

먼저, 소성온도별 실시예 1 및 2의 시험결과를 보면, 850℃에서는 외관에서 불량으로 결과가 나오며, 950℃에서는 양호한 결과를 얻을 수 있고, 1050℃에서는 오히려 외관에서 950℃의 경우보다 좋지 않은 결과를 얻음을 확인할 수 있다. 또한 휨파괴하중강도시험에서도 실시예 1 및 2의 조성물로 만든 타일은 모두 휨파괴하중이 12N/cm이상으로 시험을 통과하는 것으로 나오나, 특히 950℃에서 가장 높은 하 중강도를 보이고 있다. 즉, 본 발명의 조성물의 바람직한 소성온도는 850℃초과 1050℃미만으로서, 더욱 바람직하게는 850℃초과 1,000℃이하이다.

통상 점토를 사용하여 세라믹 타일을 제조하는 경우는 통상적인 소성온도는 1,000~1,100℃로서, 본 발명의 폐유리를 활용한 세라믹 타일은 통상의 점토를 사용한 세라믹 타일에 비해 낮은 소성온도에서 규격에 적합하도록 제작할 수 있는바, 소성과정에서 높은 소성온도를 제공함으로 인한 비용을 절감하는 효과가 있다.

이에 비해 비교예 1 및 2의 실험결과를 보면, 1,050℃에서 가장 양호한 외관을 보이고, 그 이하의 온도에서는 외관에 있어서 양호한 결과를 얻지 못하며, 휨파괴하중강도시험에 있어서는 1,050℃에서 가장 높은 휨하중강도를 보임을 확인할 수 있다.

또한, 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2의 휨파괴하중강도시험결과를 비교하면, 실시예 1 및 2의 조성물로 제조된 타일은 모든 소성온도에서 시험을 통과하는 것으로 나타나나, 비교예 1 및 2의 조성물로 제조된 타일은 모두 10N/cm이하로 시험을 통과하지 못하는 것으로 나타난다.

즉, 본 발명에 의해 제조된 타일은 폐유리를 높은 조성비로 함유하고 있으면서도 높은 하중강도를 제공함을 확인할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물 및 그 타일의 제조방법은 폐기물로 매립되는 폐유리, 특히 별도의 분리수거로 재활용됨 없이 매립되는 건설폐기물인 건설폐판유리를 활용할 수 있게 하여 제조원가를 줄이고, 폐자원의 활용으로 환경오염 등 2차적인 문제를 해결할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 폐유리 미분을 50 중량%이상 함유하면서도 규격시험에 통과할 수 있는 높은 하중강도를 가지는 세라믹 타일 조성물 및 그 타일의 제조방법을 제공한다.

Claims (6)

1. 50~90 중량%의 폐유리 미분;

   3~15 중량%의 알칼리금속규산염수용액(고형분 20~60 %);

   0~8 중량%의 물;

   0~15 중량%의 알루미나 시멘트;

   0~3 중량%의 무기염; 및

   0~20 중량%의 점토광물;

   을 포함하여 구성되는 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물.
2. 제1항에서,

   상기 알칼리금속규산염수용액은 규산나트륨수용액(고형분 20~60%)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물.
3. 제2항에서,

   상기 알칼리금속규산염 수용액은,

   규산칼륨수용액(고형분 20~70 %)을 더 포함하여 구성되며,

   상기 규산나트륨수용액은 20~100 중량%(100중량% 제외)의 조성비로 포함되고,

   상기 규산칼륨수용액은 0~80중량%(0중량% 제외)의 조성비로 포함되는 것을 특징으로 하는 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물.
4. 제1항에서,

   상기 점토광물은 고령토, 황토, 점토, 메타고령토 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐유리를 활용한 세라믹 타일 조성물.
5. 폐유리의 이물질제거, 분쇄과정을 포함하는 폐유리 처리단계;

   상기 분쇄된 폐유리 미분을 포함하여 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항의 조성물을 원료로 혼합하는 원료혼합단계;

   상기 혼합된 원료를 몰딩 및 성형하는 단계;

   상기 성형물을 건조하는 단계; 및

   상기 건조물을 최대온도 850 내지 1000℃(850℃제외)에서 소성시킨 후 서냉하는 소성단계;

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조방법.
6. 제5항에서, 상기 원료혼합단계는,

   상기 알루미나 시멘트, 무기염, 점토광물은 다른 원료의 혼합 후 혼합되는 것을 특징으로 하는 폐유리를 활용한 세라믹 타일의 제조방법.

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