KR20130064406A

KR20130064406A - 친환경성 다기공 세라믹볼용 조성물, 이를 사용하여 제조된 세라믹볼 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20130064406A
Application number: KR1020110130997A
Authority: KR
Inventors: 박성진; 박광진
Original assignee: (주)금양소재산업
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-18
Also published as: KR101306934B1

Abstract

본 발명은 하수처리부터 공업용수, 생활용수를 처리하는 과정에서 사용될 수 있으며, 이의 제조시 화학적인 바인더를 사용하지 않아 친환경적이며, 기존 고온발포로 제조한 세라믹볼의 비표면적보다 더 많은 비표면적을 가지는 다기공 세라믹볼 조성물, 이를 사용하여 제조된 세라믹볼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

친환경성 다기공 세라믹볼용 조성물, 이를 사용하여 제조된 세라믹볼 및 이의 제조방법 {COMPOSITION FOR ENVIRONMENT-FRIENDLY POROUS CERAMIC BALLS, POROUS CERAMIC BALLS MANUFACTURED THEREWITH AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 친환경성 다기공 세라믹볼용 조성물, 이를 사용하여 제조된 세라믹볼 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수처리부터 공업용수, 생활용수를 처리하는 과정에서 사용될 수 있으며, 이의 제조시 화학적인 바인더를 사용하지 않아 친환경적이며, 기존 고온발포로 제조한 세라믹볼의 비표면적보다 더 많은 비표면적을 가지는 다기공 세라믹볼 조성물, 이를 사용하여 제조된 세라믹볼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

세라믹이란 일반적으로 고순도의 천연 무기물이나 인공물로 합성한 무기화합물을 원료로 하여 고도의 기능을 갖게 한 제품을 말한다. 일반 세라믹은 도자기ㅇ 시멘트ㅇ 유리와 같이 규산염에 한정되며 기능이 용기적이고, 뉴세라믹은 물질의 종류도 다양하고 용도도 공구나 전자재료 등으로 확대되었다.

원료는 일반적으로 1 ㎛ 이하인 것(서브마이크론)이 사용된다. 용도도 정밀성이 요구되는 것이 많으므로 제품의 치수 정밀도에서도 일반 세라믹, 뉴세라믹에 비해 훨씬 고도이다. 따라서 성형, 소성, 가공 등에도 고도의 기술이 필요하며 용도도 다양하고 사회적 영향도 크다. 즉 전자기 광학적 기능을 갖는 것은 정보통신기술에, 열적, 기계적 기능을 갖는 것은 에너지 절약 기술이나 정밀기계 기술에, 내식성과 생체친화성을 살린 것은 의학용에 주로 사용된다. 정보, 에너지, 바이오테크놀러지 또는 생명과학이라는 첨단기술의 모든 분야에서 중요한 소재로 쓰인다.

세라믹볼이란 세라믹을 재료로 하여 볼 형태로 가공한 것으로 질화규소볼(Si₃N₄), 지르코니아볼(ZrO₂), 탄화규소볼(SiC), 알루미나볼(Al₂O₃), 초경볼(T/C) 등 다양한 종류가 생산되고 있다.

일반적으로 세라믹볼은 고온 소결한 치밀한 소재로, 공유결합을 유지하여, 내열성과 고온강도, 경도가 우수한 편이다.

이러한 세라믹볼은 높은 다기공성에 의한 높은 비표면적으로 인하여 바이오 세라믹볼, 정수용 세라믹볼, 각종 바이오 및 건강용 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

세라믹볼에 관한 종래기술은 하기와 같다.

한국공개특허 제1996-0004277호에서는 가열부로 세라믹볼 성형용 슬러리를 방울형태로 분사하는 단계와, 상기 분사된 방울형태의 슬러리를 가열하여 볼형태로 변형시키는 단계와, 상기 세라믹볼을 냉각시켜 고형화시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 세라믹볼 제조방법에 관하여 개시하고 있다.

한국공개특허 제1995-0018811호에서는 금속천이원소의 산화물을 MnO₂:CuO:CoO:Fe₂O₃=6:1:1:2의 비율로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 1000℃에서 하소처리하는 단계; 코디어라이트(2MgO, 2Al₂O₃, 5SiO₂)계 세라믹을 준비하는 단계; 상기 하소처리된 혼합물 30%와 상기 코디어라이트 70%를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 하소처리된 혼합물 30%와 상기 코디어라이트 70%로 구성된 혼합물을 1100℃에서 소결시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹볼 성형방법에 관하여 개시하고 있다.

이와 같은 세라믹볼의 제조방법에서는 유리질 분말과 세라믹을 혼합 성형하여 고온 발포하여 유리질 분말이 고온에서 유리질화되어 세라믹 고유의 미세한 기공을 막아버리는 문제점이 있다. 따라서, 종래기술에서 제조한 세라믹볼은 단단해 보이지만 큰 기공 밖에 남아 있지 않아 수질정화 및 미생물 부착에도 용이하지 않다.

본 발명자들은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 연구를 거듭하였고, 기존 고온발포로 제조한 세라믹볼의 비표면적보다 더 많은 기공과 비표면적을 가지면서 저온 소성으로 연료비 절감을 물론 친환경적인 제조방법을 개발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 저온 소성으로 세라믹 고유의 미세기공과 기능성을 살리면서 비표면적을 극대화시켜 미생물 부착과 흡착 기능 등이 우수하여 하수처리부터 공업용수, 생활용수의 처리에 사용될 수 있는 다기공 세라믹볼의 조성물 및 이를 사용하여 제조된 다기공 세라믹볼을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 원료 소재로 친환경적인 자연 산물만 사용하여 세라믹볼의 성형시 화학적인 바인더를 사용하지 않아 친환경적인 다기공 세라믹볼의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다기공 세라믹볼의 규격의 정확성을 확보하여 주문자의 용도에 따라 맞춤형 세라믹볼을 제조할 수 있고, 대량 생산이 가능한 다기공 세라믹볼의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다기공 세라믹볼을 제조하기 위한 조성물로서, 고령토 10∼20 중량%, 천연제올라이트 20∼30 중량%, 자철석 10∼15 중량%, 맥반석 5∼10 중량%, 게르마늄 1∼2 중량%, 전기석 5∼10 중량% 및 톱밥(200메쉬) 10∼20 중량%를 포함하는 다기공 세라믹볼용 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 다기공 세라믹볼용 조성물을 톱밥이 골고루 분산되도록 고속 혼합하는 단계(단계 1); 세라믹 성형기에 천연제올라이트 비드를 넣고 회전시키면서 스프레이건으로 물을 분사하면서, 상기 다기공 세라믹볼용 조성물을 세라믹 성형기에 분산투입하는 단계(단계 2); 상기 세라믹 성형기를 일정 속도로 회전시킨 후, 형성된 다기공 세라믹볼을 꺼내어 자연 건조시키는 단계(단계 3); 및 상기 건조된 다기공 세라믹볼을 800∼850℃로 산화소성시키는 단계(단계 4)를 포함하는 다기공 세라믹볼용 조성물의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 천연제올라이트 비드는 0.1∼1 ㎜의 직경, 바람직하게는 0.1 ㎜의 직경을 갖는 천연제올라이트 비드일 수 있다.

본 발명에 따른 다기공 세라믹볼용 조성물의 제조방법의 상기 단계 3에서 상기 자연 건조된 다기공 세라믹볼에 포함된 수분이 전체 중량 기준으로 5% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상술한 방법에 따라 제조된 다기공 세라믹볼을 제공한다.

본 발명은 저온 소성으로 세라믹 고유의 미세기공과 기능성을 살리면서 비표면적을 극대화시켜 미생물 부착과 흡착 기능 등이 우수하여, 하수처리부터 공업용수, 생활용수의 처리에 사용될 수 있는 다기공 세라믹볼의 조성물 및 이를 사용하여 제조된 다기공 세라믹볼을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 원료 소재로 친환경적인 자연 산물만 사용하여 세라믹볼의 성형시 화학적인 바인더를 사용하지 않아 친환경적이면서도 둥근 볼 형태의 다기공 세라믹볼의 규격의 정확성을 확보하여 주문자의 용도에 따라 맞춤형으로 대량 생산할 수 있는 다기공 세라믹볼의 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다기공 세라믹볼의 제조방법의 공정 흐름을 개략적으로 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 사용된 세라믹 성형기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 사용된 세라믹 성형기의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 사용된 세라믹 성형기의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 사용된 세라믹 성형기의 배면도이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 다기공 세라믹볼을 제조하기 위한 조성물로서, 고령토 10∼20 중량%, 천연제올라이트 20∼30 중량%, 자철석 10∼15 중량%, 맥반석 5∼10 중량%, 게르마늄 1∼2 중량%, 전기석 5∼10 중량% 및 톱밥(200메쉬) 10∼20 중량%를 포함하는 다기공 세라믹볼용 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 다기공 세라믹볼용 조성물은 상기와 같이 친환경 자연 산물만을 사용하여 구성되며, 원적외선을 방출할 수 있는 맥반석, 게르마늄 등을 포함하여 원적외선 방출 효과가 우수하며, 천연제올라이트 이외 음이온을 방출할 수 있는 귀양석 또는 토르마린을 추가적으로 포함하여 음이온 방출 효과 또한 우수하다.

본 발명에 따른 다기공 세라믹볼용 조성물은 적외선중 긴 파장의 광선이며 짧은 파장의 광선(근적외선)과 달리 물질에 침투력이 강하고 세포활성화 효과로 생육광선이라고 불리는 원적외선을 방출하여 부착 미생물의 생존율을 높이는 효과가 있으며, 또한 음이온을 방출하여 원적외선과 같이 세포를 활성화시키는 역할을 한다.

또한, 본 발명에 따른 다기공 세라믹볼용 조성물에는 톱밥(200메쉬)이 포함됨으로써, 다기공 세라믹볼용 조성물을 산화 소성하는 경우 톱밥이 산화되면서 톱밥이 산화된 자리가 모두 기공체를 형성하게 된다.

하기 본 발명에 따른 다기공 세라믹볼용 조성물을 이용한 다기공 세라믹볼의 제조방법을 구체적으로 설명한다.

우선, 상기 다기공 세라믹볼용 조성물을 톱밥이 골고루 분산되도록 고속 혼합한다(단계 1).

상기 다기공 세라믹볼용 조성물을 핸슬 믹서 등을 이용하여 고속 혼합하여 톱밥이 골고루 분산되게 혼합한다.

이후, 세라믹 성형기에 천연제올라이트 비드를 넣고 회전시키면서 스프레이건으로 물을 분사하면서, 상기와 같이 혼합 분산된 다기공 세라믹볼용 조성물을 세라믹 성형기에 분산투입한다(단계 2).

보다 상세하게는, 단계 1에서 혼합 분산된 원료를 준비한 후, 미리 준비된 천연제올라이트 비드를 세라믹 성형기에 적정량을 넣고 회전시킨 후 스프레이건으로 물을 분사한다.

이와 같이 물을 분사하게 되면, 천연제올라이트 비드 표면에 수분이 가해지고 미리 준비한 다기공 세라믹볼용 조성물을 분산하여 투입하게 되면 그 수분으로 인해 비드 표면에 부착되게 된다.

상기 단계 2에서 세라믹 성형기에서 스프레이건으로 물의 분사하는 공정은, 형성되는 다기공 세라믹볼의 직경이 목적하는 직경을 만족하는 경우 중단함으로써 다기공 세라믹볼의 직경이 더 이상 커지지 않도록 하다.

또한, 세라믹 성형기에서 천연제올라이트 비드 표면이 충분히 젖을 때까지 물을 분사한 후, 다기공 세라믹볼용 조성물을 공급한다. 이때 다기공 세라믹볼용 조성물을 지나치게 많이 투입하면 수분이 모자라 비드 형태의 입자가 구형성을 잃을 수 있고, 또한, 공급된 수분보다 다기공 세라믹볼용 조성물이 적게 공급되는 경우 수분 과다로 비드 형태의 입자가 서로 달라붙어 일정하고 정확한 규격의 친환경성 다기공 세라믹볼을 얻을 수 없다.

다기공 세라믹볼의 규격을 조절하기 위해서는, 예를 들어, 지름 15 ㎜ 규격의 친환경성 다기공 세라믹볼을 제조하는 경우, 지름 14.8 ㎜ 에서 수분 공급을 중단하고 세라믹 성형기를 계속 회전시키면서 원심력에 의해 친환경 다기공 세라믹볼 내부의 수분이 밖으로 빠져 나오게 되고, 이 시점에서 다기공 세라믹볼용 조성물을 골고루 투입한다. 따라서, 제조자는 세라믹 성형기에서 수분 상태를 항상 체크하며 공급 수분량과 다기공 세라믹볼용 조성물을 적절하게 조절해야 한다.

이후, 상기 세라믹 성형기를 일정 속도로 회전한 후, 형성된 다기공 세라믹볼을 꺼내어 자연 건조시킨다(단계 3).

세라믹 성형기가 일정 회전 속도로 연속적으로 회전하여 분산투입된 다기공 세라믹볼용 조성물이 그 내부에서 서로 부딪히고 세라믹 성형기 벽면을 구르면서 둥글게 형성되면서 투입된 다기공 세라믹볼용 조성물의 양만큼 천연제올라이트 비드의 지름이 커지게 된다. 상기 세라믹 성형기에서 회전하면서 세라믹 성형기의 벽면과 세라믹볼끼리 서로 부딪히고 마찰하면서 더욱 단단히 압착하며 치밀하게 되고, 회전력에 의해 아주 둥근 형태의 세라믹볼이 된다.

이와 같은 과정을 계속 반복하면 최초 투입된 천연제올라이트 비드의 직경보다 커지게 된다. 이 과정에서 최초 투입되는 천연제올라이트 비드는 목적하는 크기의 다기공 세라믹볼을 얻기 위해서 0.1∼1 ㎜의 직경, 바람직하게는 0.1 ㎜의 직경을 갖는 천연제올라이트 비드를 사용할 수 있다.

상기 단계 3에서는 목적하는 규격의 크기를 가진 다기공성 세라믹볼을 제조한 후 세라믹 성형기의 작동을 멈추고, 다기공성 세라믹볼을 수득한 후 자연 건조시킨다.

수득된 다기공성 세라믹볼을 자연 건조시키는 단계는 다기공성 세라믹볼을 건조대에 넣어 응달에서 자연 건조시키거나 선풍기를 이용하여 건조시킴으로써, 다기공 세라믹볼에 포함된 수분이 전체 중량 기준으로 5% 이하가 되도록 한다.

상기 다기공 세라믹볼에 포함된 수분이 전체 중량 기준으로 5% 초과되는 경우, 다기공 세라믹볼 소성시 다기공 세라믹볼이 갈라지거나 터질 우려가 있다.

마지막으로, 상기 건조된 다기공 세라믹볼을 800∼850 ℃에서 10 내지 12 시간 동안 산화소성시킨다(단계 4).

본 발명에서는 상기 온도에서 다기공 세라믹볼을 산화소성시킴으로써세라믹 분말을 경화시켜 물 속에서도 견딜 수 있는 강도를 구현할 수 있으며, 톱밥을 최대로 산화시켜 많은 기공을 형성할 수 있다.

본 발명에서는 상기 단계 4에서와 같이 수득된 다기공 세라믹볼에 함유된 이산화규소(SiO₂)의 1차 전이온도(800℃) 보다 조금 높은 800∼850℃에서 산화소성시킴으로써 약간의 유리질화로 물속에서도 풀리거나 터지지 않는 안정성을 갖게 된다.

상기 단계 4에서와 같이 다기공 세라믹볼을 산화소성시키는 경우 다기공 세라믹볼의 조성물에 포함된 톱밥이 산화되면서 톱밥이 산화된 자리가 모두 기공체로 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에 기재된 실시예, 시험예 및 도면은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.

실시예 1

(1) 천연제올라이트 비드의 제조

지름 120 ㎝의 스테인레스 원통에 입구 쪽이 좁아지는 성형기(1)를 두께 100 ㎜ 두께 및 800 ㎜ 길이의 샤우드(3)와 연결하고 연결된 샤우드(3) 앞쪽과 뒤쪽에 베어링(2)을 장착하고 감속모터(5)와 연결된 원판형 톱니 기어판(8) 및 원판형톱니 기어판(7)에 체인(6)을 연결하여 성형기(1)를 22 rpm으로 구동시켰다. 상기 성형기(1)에 325 메쉬 입도의 천연제올라이트 분말을 200 ㎏ 투입하여 7일 동안 컴퓨레샤와 물탱크에 연결된 에어스프레이건으로 분당 1리터의 물을 분무시켰다. 이때 천연제올라이트 분말(수분 5-7 % 이내)이 물입자와 결합되면서 수분을 갖게 되고, 지속적인 회전과 성형기(1) 내부 벽면과의 마찰과 입자끼리의 마찰로 0.1 ㎜ 정도의 아주 미세한 비드 형태의 입자가 형성되며 여기에 계속적인 수분 공급과 동시에 천연제올라이트 분말(수분 5-7 % 이내)을 분산 공급하면 0.1 ㎜ 의 비드 형태의 입자는 점점 커졌다. 비드 형태의 입자가 0.3 ㎜ 가 되면 성형기(1)는 비드 형태의 입자로 가득 차버렸다. 이 비드 형태 입자의 2/3를 수분이 유지되도록 20 ㎏씩 비닐봉지에 담아 사각플라스틱 상자에 보관하였다. 남은 1/2의 0.3 ㎜ 비드 형태의 입자는 성형기(1)에서 계속 회전시키면서 수분과 천연제올라이트 분말을 지속적으로 투입하여 1 ㎜의 비드 형태의 천연제올라이트를 수득하였다.

(2) 친환경성 다기공 세라믹볼의 제조

고령토 20 중량%, 천연제올라이트 30 중량%, 자철석 10 중량%, 맥반석 10 중량%, 게르마늄 2 중량%, 전기석 8 중량% 및 톱밥(200메쉬) 20 중량%를 핸슬 믹서에서 1분 동안 고속 혼합하여 다기능 세라믹볼용 조성물을 제조하였다. 이후, 성형기(1)에 상기에서 제조한 1 ㎜ 크기의 천연제올라이트 비드를 150 ㎏ 투입 후, 전과 동일하게 성형기(1)를 22 rpm의 회전력으로 회전시키면서 분당 1 리터의 물을 골고루 충분히 젖을 때까지 공급한 후 상기 다기능 세라믹볼용 조성물을 분산하여 공급하였다. 이후 성형기(1)로부터 제조된 다기공 세라믹볼을 꺼내어 건조대에 넣어 응달에서 자연 건조시켜 수분 5% 이하로 건조시킨 후, 이를 사각내화갑에 넣어 소성 가마에서 800℃로 12시간 산화 소성시켜 본 발명의 다기공 세라믹볼을 제조하였다.

시험예 1 : 다기공 세라믹볼의 물성측정시험

실시예 1 및 비교예 1에서의 세라믹볼에 대해 당업계에서 통상적으로 사용되는 측정방법에 따라 기공율, 비표면적, 수분흡수율, 음이온 방출량, 원적외선 방출량을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

	기공율	비표면적	수분흡수율	음이온 방출량	원적외선 방출량
실시예 1	83.2%	2.25	42.4%	800개/cc	92.7%

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 다기공 세라믹볼은 기공율, 비표면적, 수분흡수율이 높은 수치를 나타내었고, 음이온 및 원적외선 또한 방출되는 것을 알 수 있다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 세라믹 성형기 2: 베어링
3: 샤우드 4: 모터
5: 감속기 6: 체인
7 및 8: 원판형 톱니 기어판

Claims

다기공 세라믹볼을 제조하기 위한 조성물로서,
고령토 10∼20 중량%, 천연제올라이트 20∼30 중량%, 자철석 10∼15 중량%, 맥반석 5∼10 중량%, 게르마늄 1∼2 중량%, 전기석 5∼10 중량% 및 톱밥(200메쉬) 10∼20 중량%를 포함하는 다기공 세라믹볼용 조성물.
고령토 10∼20 중량%, 천연제올라이트 20∼30 중량%, 자철석 10∼15 중량%, 맥반석 5∼10 중량%, 게르마늄 1∼2 중량%, 전기석 5∼10 중량% 및 톱밥(200메쉬) 10∼20 중량%를 포함하는 다기공 세라믹볼용 조성물을 톱밥이 골고루 분산되도록 고속 혼합하는 단계(단계 1);
세라믹 성형기에 천연제올라이트 비드를 넣고 회전시키면서 스프레이건으로 물을 분사하면서, 상기 다기공 세라믹볼용 조성물을 세라믹 성형기에 분산투입하는 단계(단계 2);
상기 세라믹 성형기를 일정 속도로 회전시킨 후, 형성된 다기공 세라믹볼을 꺼내어 자연 건조시키는 단계(단계 3); 및
상기 건조된 다기공 세라믹볼을 800∼850 ℃로 산화소성시키는 단계(단계 4);
를 포함하는 다기공 세라믹볼용 조성물의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 천연제올라이트 비드는 0.1 ㎜의 직경을 갖는 천연제올라이트 비드인 것을 특징으로 하는 다기공 세라믹볼용 조성물의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 단계 2에서 세라믹 성형기에서 스프레이건으로 물의 분사하는 공정은, 형성되는 다기공 세라믹볼의 직경이 목적하는 직경을 만족하는 경우 중단되는 것을 특징으로 하는 다기공 세라믹볼용 조성물의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 건조된 다기공 세라믹볼에 포함된 수분이 전체 중량 기준으로 5% 이하인 것을 특징으로 하는 다기공 세라믹볼용 조성물의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 다기공 세라믹볼용 조성물에는 음이온 분말로서 귀양석 또는 토르마린을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다기공 세라믹볼용 조성물의 제조방법.
청구항 2 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 따라 제조된 다기공 세라믹볼.
청구항 7에 있어서,
상기 다기공 세라믹볼은 바이오 세라믹볼 또는 정수용 세라믹볼인 것을 특징으로 하는 다기공 세라믹볼.