KR20120023206A - 소성석재의 제조방법 및 그 제품 - Google Patents

소성석재의 제조방법 및 그 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소성석재의 제조방법 및 그 제품에 관한 것으로, Al, Ba, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Si 및 Ti의 원소가 함유된 다수의 물질을 일정비율로 혼합하여 일정한 형태로 압축 성형한 다음 고온 소성한 석재를 제조함으로써 친환경적인 석재의 제조가 가능하다. 이를 위해 구성되는 본 발명의 방법적인 특징은 (a) SiO2, Al2O3, BaO, CaO, Fe2O3, K2O, MgO, MnO, Na2O 및 TiO2의 재료를 일정비율로 혼합 조성하는 단계; (b) 단계(a)의 과정에서 혼합 조성된 재료의 혼합물을 일정한 형태로 압축 성형하는 단계; 및 (c) 단계(b)의 과정에서 압축 성형된 성형물을 1100?1400℃의 온도 조건하에서 2?10시간 동안 고온 소성을 통해 석재를 제조하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진다. 그리고, 본 발명의 소성석재는 SiO2 중량에 대하여 Al2O3 18?22 중량부, BaO 0.1?0.3 중량부, CaO 1?3 중량부, Fe2O3 3?5 중량부, K2O 4?6 중량부, MgO 0.3?0.5 중량부, MnO 0.1?0.3 중량부, Na2O 5?7 중량부 및 TiO2 0.3?0.5 중량부의 비율로 혼합 조성한 다음, 일정한 형태로 압축 성형하여 1100?1400℃의 온도 조건하에서 2?10시간 동안 고온 소성을 통해 제조된다.

Description

소성석재의 제조방법 및 그 제품{Manufacturing method and same product of stone }
본 발명은 소성석재의 제조방법 및 그 제품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Al, Ba, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Si 및 Ti의 원소가 함유된 다수의 물질을 일정비율로 혼합하여 일정한 형태로 압축 성형한 다음 고온에서 소성하여 건축물의 실내?외나 정원석으로도 사용가능하도록 한 소성석재의 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다.
일반적으로 건축물의 내외장재로써의 석재는 산을 인위적으로 깎아 만든 채석장에서 대부분이 채취된다. 그리고, 집안의 정원을 꾸미기 위한 정원석은 하천이나 계곡 및 땅을 파헤치는 과정에서 채취된다.
전술한 바와 같은 채석장을 통한 석재의 채취는 제트버너나 와이어쇼의 사용으로 인한 소음공해 및 채석장 주변정리 미흡, 원석 운반을 위한 차량 운행시 차량 간 교행의 어려움 및 도로파손 등의 문제점이 있음은 물론, 석재의 채취로 인하여 발생하는 석재의 분진에 의해 수질이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 석재의 채취에 따른 친환경적 관리방안으로써 채석장 주변정리를 실시함은 물론, 수질을 양호하게 하기 위한 노력이 진행되어야 한다. 또한, 절개사면에 대한 안전 대책이나 소음과 분진 등 환경피해에 대한 대책이 있어야 함은 물론이다.
한편, 전술한 바와 같은 채석장을 통한 석재의 채취에는 한계가 있기 때문에 계속적으로 석재의 수급이 이루어지기 위해서는 새로운 채석장의 개발이 따르게 되는 문제가 있게 되고, 이에 따라 환경파괴의 악순환이 되풀이된다.
본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, Al, Ba, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Si 및 Ti의 원소가 함유된 다수의 물질을 일정비율로 혼합하여 일정한 형태로 압축 성형한 다음 고온 소성한 석재를 제조함으로써 친환경적인 석재의 제조가 가능하도록 한 소성석재의 제조방법 및 그 제품을 제공함에 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 기술은 Al, Ba, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Si 및 Ti의 원소가 함유된 다수의 물질을 일정비율로 혼합하여 일정한 형태로 압축 성형한 다음 고온 소성한 석재를 제조함으로써 원적외선 방사율이 양호한 석재를 제조할 수 있도록 함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 소성석재의 제조방법은 (a) SiO2, Al2O3, BaO, CaO, Fe2O3, K2O, MgO, MnO, Na2O 및 TiO2의 재료를 일정비율로 혼합 조성하는 단계; (b) 단계(a)의 과정에서 혼합 조성된 재료의 혼합물을 일정한 형태로 압축 성형하는 단계; 및 (c) 단계(b)의 과정에서 압축 성형된 성형물을 1100?1400℃의 온도 조건하에서 2?10시간 동안 고온 소성을 통해 석재를 제조하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진다.
전술한 바와 같은 구성의 단계(a)의 과정에서 재료의 혼합비율은 SiO2 중량에 대하여 Al2O3 18?22 중량부, BaO 0.1?0.3 중량부, CaO 1?3 중량부, Fe2O3 3?5 중량부, K2O 4?6 중량부, MgO 0.3?0.5 중량부, MnO 0.1?0.3 중량부, Na2O 5?7 중량부 및 TiO2 0.3?0.5 중량부의 비율로 혼합 조성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다른 특징인 소성석재는 SiO2 중량에 대하여 Al2O3 18?22 중량부, BaO 0.1?0.3 중량부, CaO 1?3 중량부, Fe2O3 3?5 중량부, K2O 4?6 중량부, MgO 0.3?0.5 중량부, MnO 0.1?0.3 중량부, Na2O 5?7 중량부 및 TiO2 0.3?0.5 중량부의 비율로 혼합 조성한 다음, 일정한 형태로 압축 성형하여 1100?1400℃의 온도 조건하에서 2?10시간 동안 고온 소성을 통해 제조된다.
본 발명의 기술에 따르면 Al, Ba, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Si 및 Ti의 원소가 함유된 다수의 물질을 일정비율로 혼합하여 일정한 형태로 압축 성형한 다음 고온 소성한 석재를 제조함으로써 친환경적인 석재의 제조가 가능하다는 장점이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 기술은 Al, Ba, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Si 및 Ti의 원소가 함유된 다수의 물질을 일정비율로 혼합하여 일정한 형태로 압축 성형한 다음 고온 소성한 석재를 제조함으로써 원적외선 방사율이 양호한 석재를 제조할 수가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 소성석재의 항곰팡이 시험에서 4주 후의 결과를 보인 사진.
도 2 는 본 발명에 따른 소성석재의 탈취시험에서 시간경과에 따른 가스농도곡선을 보인 그래프.
도 3a 는 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험에서 초기(대장균 : Escherichia coli ATCC 25922) 사진.
도 3b 는 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험에서 24시간 후(대장균 : Escherichia coli ATCC 25922) 사진.
도 3c 는 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험에서 초기(대장균 : Staphylococcus aureus ATCC 6538) 사진.
도 3d 는 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험에서 24시간 후(대장균 : Staphylococcus aureus ATCC 6538) 사진.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소성석재의 제조방법 및 그 제품을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 소성석재의 항곰팡이 시험에서 4주 후의 결과를 보인 사진, 도 2 는 본 발명에 따른 소성석재의 탈취시험에서 시간경과에 따른 가스농도곡선을 보인 그래프, 도 3a 는 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험에서 초기(대장균 : Escherichia coli ATCC 25922) 사진, 도 3b 는 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험에서 24시간 후(대장균 : Escherichia coli ATCC 25922) 사진, 도 3c 는 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험에서 초기(대장균 : Staphylococcus aureus ATCC 6538) 사진, 도 3d 는 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험에서 24시간 후(대장균 : Staphylococcus aureus ATCC 6538) 사진이다.
먼저, 본 발명을 구성하는 각각의 재료에 대한 일반적인 기술을 살펴보면 다음과 같다. 이산화규소(SiO2)는 규소의 산화물을 말하는 것으로, 실리카(silica)라고도 한다. 이러한 이산화규소의 화학식은 SiO2로, 모래나 석영 등으로 발견되며, 규조류의 세포벽에도 분포한다. 유리나 콘크리트의 주성분으로 지구의 지각 대부분을 차지하는 광물이다.
산화알루미늄(Al2O3)은 알루미늄의 산화물을 말하는 것으로, 흰색의 가루로 이루어진다. 이러한 산화알루미늄은 천연적으로는 코런덤?루비?사파이어 따위로 산출되고, 인공적으로는 수산화알루미늄을 태워 만든다. 알루미늄의 제조 원료, 연마재, 내화 재료 따위로 쓴다. 화학식은 Al2O3이다.
산화바륨(BaO)은 바륨의 산화물을 말하는 것으로, 질산바륨이나 탄산바륨을 가열하여 만든 흰색의 가루이다. 이러한 산화바륨은 공기 속에서 탄산가스와 수증기를 잘 흡수하고, 가열하면 과산화바륨이 되며, 물에 넣으면 많은 열을 내며 수산화바륨이 된다. 또한, 산화바륨은 바륨의 수산화물이나 과산화물을 만드는 데 쓴다. 밀도는 5.72이고, 녹는점은 1,923℃이며, 화학식은 BaO이다.
산화칼슘(CaO)은 칼슘의 산화물을 말하는 것으로, 탄산칼슘이나 질산칼슘의 열분해에 의하여 생기는 흰색 고체나 가루의 염기성 산화물이다. 이러한 산화칼숨은 물과는 급격하게 반응하여 높은 열을 내면서 수산화칼슘이 된다. 실험실에서는 암모니아의 건조나 알코올의 탈수에 쓰며, 공업적으로는 수산화칼슘, 카바이드, 유리, 비료 따위를 만들거나 금속 제련용의 용제로 쓴다. 산화칼슘의 화학식은 CaO이다.
산화철(Fe2O3)은 철의 산화물을 말하는 것으로, 산화 제일철, 산화 제이철, 사산화삼철 따위가 있다.
산화칼륨(K2O)은 칼륨의 산화물을 말하는 것으로, 칼륨과 질산칼륨을 진공 속에서 가열하거나 소량의 공기와 칼륨을 반응시켜 얻는 무색의 결정이다. 이러한 산화칼륨은 흡습성이 있고, 물과 반응하여 수산화칼륨이 된다. 산화칼륨의 화학식은 K2O이다.
산화마그네슘(MgO)은 마그네슘의 산화물을 말하는 것으로, 금속 마그네슘, 탄산마그네슘, 질산마그네슘 따위를 공기 속에서 태워서 만드는 흰색의 가루이다. 이러한 산화마그네슘은 물에 약간 녹아서 알칼리성을 나타낸다. 고온용 노재(爐材)나 도가니, 내화 시멘트 따위의 원료나 의약품으로 쓴다. 산화마그네슘의 녹는점은 2,800℃이고, 화학식은 MgO이다.
산화망간(MnO)은 망간의 산화물을 말하는 것으로, 일산화망간, 삼산화이망간, 사산화삼망간, 이산화망간 따위가 있다.
산화나트륨(Na2O)은 나트륨의 산화물을 말하는 것으로, 금속 나트륨을 180℃ 이하에서 산소와 접촉시켜 만든 흰색의 가루이다. 이러한 산화나트륨은 물과 반응하면 많은 열을 내면서 수산화나트륨이 된다. 또한, 산화나트륨은 탈수제 따위로 쓰인다. 화학식은 Na2O이다.
산화티나늄(TiO2)은 보통은 산화티탄을 가리킨다. 산화티탄은 이산화티탄이라고도 하며, 또 티탄산무수물?티타니아라고도 한다. 화학식은 TiO이다. 천연으로는 브루카이트?예추석(銳錐石)?판(板)티탄석?일메나이트(티탄철석) 등의 광물로서 존재한다. 구조가 다른 3개의 변종이 알려져 있는데, 고온에서 안정한 형을 루틸형, 저온에서 안정한 형을 예추형, 중간 온도에서 안정한 형을 브루카이트형이라고 한다. 이산화티타늄 광촉매는 반영구적이다.
본 발명에 따른 소성석재의 제조방법을 살펴보면 (a) SiO2, Al2O3, BaO, CaO, Fe2O3, K2O, MgO, MnO, Na2O 및 TiO2의 재료를 일정비율로 혼합 조성하는 과정, (b) 단계(a)의 과정에서 혼합 조성된 재료의 혼합물을 일정한 형태로 압축 성형하는 과정 및 (c) 단계(b)의 과정에서 압축 성형된 성형물을 고온 소성을 통해 석재를 제조하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진다.
아울러, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 소성석재의 제조방법에서 단계(c)과정의 고온소성 조건은 1100?1400℃의 온도 조건하에서 2?10시간 동안 소성을 통해 소성석재를 제조하게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 소성석재의 제조방법에서 단계(a) 과정의 SiO2, Al2O3, BaO, CaO, Fe2O3, K2O, MgO, MnO, Na2O 및 TiO2 재료의 혼합비율은 SiO2 중량에 대하여 Al2O3 18?22 중량부, BaO 0.1?0.3 중량부, CaO 1?3 중량부, Fe2O3 3?5 중량부, K2O 4?6 중량부, MgO 0.3?0.5 중량부, MnO 0.1?0.3 중량부, Na2O 5?7 중량부 및 TiO2 0.3?0.5 중량부의 비율로 혼합 조성된다.
한편, 전술한 바와 같이 SiO2, Al2O3, BaO, CaO, Fe2O3, K2O, MgO, MnO, Na2O 및 TiO2의 재료를 일정비율로 혼합 조성하여 금형을 통해 일정한 형태로 압축 성형한 다음, 고온 소성을 통해 제조된 소성석재는 친환경적인 제조가 가능하다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 소성석재는 인위적으로 제조된 석재이지만 하기의 표에서와 같이 원적외선 방사율이 매우 양호함을 알 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 소성석재는 제조하고자 하는 형태 예를 들어 벽돌이나 대리석 및 정형화되지 않은 정원석 등의 형태로 이루어진 금형을 통해 벽돌 형태나 대리석 형태 및 정형화되지 않은 정원석 형태로 압축 성형한 다음, 고온 소성을 통해 본 발명에 따른 석재를 제조하게 된다.
본 발명에 따른 소성석재의 구성을 요약하면 SiO2 중량에 대하여 Al2O3 18?22 중량부, BaO 0.1?0.3 중량부, CaO 1?3 중량부, Fe2O3 3?5 중량부, K2O 4?6 중량부, MgO 0.3?0.5 중량부, MnO 0.1?0.3 중량부, Na2O 5?7 중량부 및 TiO2 0.3?0.5 중량부의 비율로 혼합 조성한 다음, 일정한 형태로 압축 성형하여 1100?1400℃의 온도 조건하에서 2?10시간 동안 고온 소성을 통해 제조되는 것임을 알 수 있다.
[실험 예]
본 발명에 따른 실험 예에서는 SiO2 71.6 중량%, Al2O3 14.51 중량%, BaO 0.25 중량%, CaO 1.23 중량%, Fe2O3 2.98 중량%, K2O 3.91 중량%, MgO 0.42 중량%, MnO 0.24 중량%, Na2O 4.47 중량% 및 TiO2 0.39 중량%의 비율로 혼합한 다음, 일정한 형태로 압축 성형하였다. 그리고, 압축 성형한 제품을 1250℃의 온도 조건으로 3시간 동안 고온 소성하여 소성석재를 제조하였다.
전술한 바와 같은 실험 예에 따라 제조된 소성석재의 시료를 통해 라돈방출율, 원적외선 방사율, 독성검사, 음이온 방출시험, 방사선량 측정시험, 항곰팡이 시험, 탈취시험 및 항균시험을 진행하여 그 결과값을 하기에 표기하였다.
시료명 라돈방출율(pCi/m2?hr) 비고
본 발명의 소성석재 11.8 150mm×150mm×150mm
비교석재(포천석) 19.3
전술한 표 1에서와 같이 본 발명에 따라 제조된 소성석재의 라돈방출율 실험의 결과 라돈방출율은 비교석재인 포천석의 19.3(pCi/m2?hr)에 비해 현저히 낮아 라돈의 폐해를 저하시킬 수가 있다.
원적외선 방사율(5?20㎛) 원적외선 방사에너지(W/m2?㎛, 40℃)
0.926 3.73 × 102
전술한 표 2에서와 같이 원적외선 방사율 시험은 KFIA-FI-1005에 의한 시험방법을 통해 이루어진 것으로, 40℃에서 시험하였으며, FT-IR Spectrometer를 이용한 BLACK BODY 대비 측정 결과이다.
시료항목
시료명		 Pb As Cd Cr6 + Hg
본 발명의 소성석재 검출안됨 검출안됨 검출안됨 검출안됨 검출안됨
전술한 표 3에서와 같이 독성물질의 검출시험에서 Pb, As, Cd, Cr6 + 및 Hg 등의 물질은 검출되지 않았다. 이러한 시험에서 Pb, As, Cd, Hg는 시료를 산분해한 후 ICP-OES(유도결합플라즈마-광학발광분광기)로 분석하였고, Cr6 + 는 시료를 50ml ALKALINE SOLUTION(Na2CO3 + NaOH + MgCl2 + PHOSPHATE BUFFER)으로 90℃에서 1시간 동안 추출한 후, UV/VIS SPECTROPHOTOMETER(540nm)로 분석하였다.
항 목
시료명		 음이온(ION/cc)
본 발명의 소성석재 230
전술한 표 4에서와 같이 음이온 방출시험은 KFIA-FI-1042의 시험방법을 통해 전하입자 측정장치를 이용하여 실내온도 20℃, 습도 28%, 대기중 음이온수 102/cc 조건에서 시험하였으며, 측정대상물에서 측정대상물에서 방출되는 음이온을 측정하여 단위체적단 ION수로 표시한 결과이다.
항 목
시료명		 방사선량(μSv/hr)
밀착
본 발명의 소성석재 0.01
전술한 표 5에서와 같이 음이온 방출시험은 KFIA-FI-1108의 시험방법을 통해 방사선량 측정장치를 이용하여 실내온도 20℃, 습도 28% 조건에서 시험하였으며, 측정대상물에서 방사되는 방사선량을 측정하여 시간당 방사선의 선량으로 표시한 결과이다. 환경방사선준위가 0.05?0.30 μSv/hr임을 감안할 때 본 발명에 따른 소성석재의 방사선량은 미미하다 할 수 있다.
시료명 시험항목 배양시험기간
본 발명의
소성석재		 항곰팡이 시험 1주후 2주후 3주후 4주후
0 0 0 0
전술한 표 6에서와 같은 항곰팡이 시험은 ASTM G-21에 의한 시험방법을 통해 이루어진 것으로, 곰팡이균주로는 Aspergillus niger ATCC 9642, Penicillium pinophilum ATCC 11797, Chaetomium globosum ATCC 6205을 사용하였다. 본 발명에 따른 소성석재를 통해 항곰팡이 시험 결과 시료에서 균의 성장을 인지할 수 없었다. 항곰팡이 시험에 따른 결과는 도 1 의 사진에서와 같이 4주 후에도 균이 성장하지 않음을 알 수 있다.
시험항목 결과시간(분) Blank(ppm) 시료농도(ppm) 탈취율(%)

탈취시험
 초기 500 500 -
30 490 80 83
60 480 50 89
90 470 40 91
120 460 35 92
- Blank : 시료를 넣지 않은 상태에서 측정한 것임.
전술한 표 7에서와 같이 본 발명에 따른 소성석재의 탈취시험은 KFIA-FI-1004에 의한 시험방법을 통해 이루어진 것으로, 표에서와 같이 탈취율이 매우 높다는 것을 알 수 있다. 그리고, 탈취시험에 따른 결과는 도 2 에 도시된 바와 같이 시간경과에 따라 가스농도가 현저히 줄어듬을 알 수 있다.
시험항목 시료구분 초기농도 24시간 후 농도 정균감소율(%)
대장균에 의한
항균시험		 Blank 2.3×105 6.2×105 -
본 발명의 소성석재 1.1×104 98.2
포도상구균에 의한 항균시험 Blank 2.0×105 7.1×105 -
본 발명의 소성석재 2.0×103 99.7
- Blank : 시료를 넣지 않은 상태에서 측정한 것임.
- 배지상의 균수는 희석배수를 곱하여 산출한 것임.
전술한 표 8에서와 같이 본 발명에 따른 소성석재의 항균시험은 KFIA-FI-1002에 의한 시험방법을 통해 이루어진 것으로, 사용균주로는 Escherichia coli ATCC 25922과 Staphylococcus aureus ATCC 6538을 사용하였다. 이처럼 본 발명에 따른 소성석재의 항균력은 매우 우수함을 알 수 있다.
그리고, 도 3a 내지 도 3d 에 도시된 바와 같이 각 사용균주에 대하여 본 발명에 따른 소성석재는 정균감소율이 현저히 높음을 알 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 기술은 SiO2, Al2O3, BaO, CaO, Fe2O3, K2O, MgO, MnO, Na2O 및 TiO2의 재료를 일정비율로 혼합 조성하여 금형을 통해 일정한 형태로 압축 성형한 다음, 고온 소성을 통해 제조된 소성석재는 친환경적인 제조가 가능하다.
본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

Claims (3)

  1. (a) SiO2, Al2O3, BaO, CaO, Fe2O3, K2O, MgO, MnO, Na2O 및 TiO2의 재료를 일정비율로 혼합 조성하는 단계;
    (b) 단계(a)의 과정에서 혼합 조성된 재료의 혼합물을 일정한 형태로 압축 성형하는 단계; 및
    (c) 단계(b)의 과정에서 압축 성형된 성형물을 1100?1400℃의 온도 조건하에서 2?10시간 동안 고온 소성을 통해 석재를 제조하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진 소성석재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(a)의 과정에서 재료의 혼합비율은 SiO2 중량에 대하여 Al2O3 18?22 중량부, BaO 0.1?0.3 중량부, CaO 1?3 중량부, Fe2O3 3?5 중량부, K2O 4?6 중량부, MgO 0.3?0.5 중량부, MnO 0.1?0.3 중량부, Na2O 5?7 중량부 및 TiO2 0.3?0.5 중량부의 비율로 혼합 조성된 것을 특징으로 하는 소성석재의 제조방법.
  3. SiO2 중량에 대하여 Al2O3 18?22 중량부, BaO 0.1?0.3 중량부, CaO 1?3 중량부, Fe2O3 3?5 중량부, K2O 4?6 중량부, MgO 0.3?0.5 중량부, MnO 0.1?0.3 중량부, Na2O 5?7 중량부 및 TiO2 0.3?0.5 중량부의 비율로 혼합 조성한 다음, 일정한 형태로 압축 성형하여 1100?1400℃의 온도 조건하에서 2?10시간 동안 고온 소성을 통해 제조된 소성석재.
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