KR20140048361A - 폐유리를 이용한 발포 유리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발포 유리 - Google Patents

폐유리를 이용한 발포 유리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발포 유리 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 폐유리를 이용하여 유리의 용융이나 가수분해 또는 그 외의 사전 공정을 요구하지 않고, 단순한 공정을 이용하여 저밀도를 가지고 균일한 기공 분포를 가지는 발포 유리 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 발포 유리 제조 방법은, 폐유리를 준비하는 단계; 상기 폐유리에 서로 화학반응하여 기포를 형성하는 기포 형성제와 산소 공급제를 첨가하고, 상기 폐유리를 분쇄하여 유리 분쇄물을 형성하는 단계; 상기 유리 분쇄물을 성형하여 유리 성형물을 형성하는 단계; 및 상기 유리 성형물을 열처리하여 기포를 포함하는 발포 유리를 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

폐유리를 이용한 발포 유리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발포 유리{Method for manufacturing foam glass using waste glass and foam glass formed by the same}
본 발명의 기술적 사상은 발포 유리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 폐유리를 이용한 발포 유리 제조 방법에 관한 것이다.
발포 유리는 경량이면서 불꽃차단, 단열, 내열, 흡음 등에 탁월한 성능을 발휘하여 산업상 방수, 내열성, 내구성이 요구되는 경우에 사용되며, 특히 구조물이나 건축물에 있어서 훌륭한 보온단열재 및 흡음재로 사용되고 있다.
발포 유리의 제조 원리는 1930년대 후반에 이미 제안된 바 있다. 그 일예로서 특정한 조성의 유리에 탄소와 같은 환원제와 산화물, 황화물(sulfate) 또는 다른 형태의 산화 성분들을 함유하는 기포 형성제를 함께 혼합하여 이를 분쇄한 후, 이 분쇄된 혼합물을 일정한 용기 또는 틀에 넣어 연화 또는 용융 되는 온도 이하에서 소성하여 형성한다.
이러한 열처리 과정에서 탄소와 황산화물(또는 산화제 또는 유리의 산화물) 사이에 산화-환원반응이 일어나고, 그 결과 용융된 유리는 SO2 , CO2 , N2 , H2S 또는 다른 가스를 함유하게 되며, 이러한 가스들의 함유에 의하여 저밀도를 가지고 열전도 및 복사에 저항이 되는 구조를 형성하는 물질을 만들어, 유리가스를 형성한다. 그 결과로서, 가장 최상의 결과를 얻을 경우에는, 상기 유리의 구조는 물 또는 수증기, 또는 다른 액체 및 기체 등이 스며들지 않는 밀폐된 기포를 포함하게 된다.
이러한 제조 원리에 따라 제조되는 발포 유리 제조 공정에 대해서는 많은 연구 결과 및 관련 특허가 제안된 바 있다. 예를 들어, 미국의 피츠버그 코닝(Pittsburg Corning)사에서 상용화한 발포 유리를 제조하기 위해서는, 일차적으로 특정한 조성의 발포 유리 제조용 원료 유리를 제조하여야 한다. 이를 위해서, 통상의 유리 제조용 원료 성분에다 발포 유리를 형성할 될 수 있도록, Na2SO4, CaCO3, MgCO3, Na2O, As2O3 등의 여러 성분을 가한 후에, 1300℃ 내지 1600℃의 용융과정을 거쳐 발포 유리를 만들 수 있는 발포 유리 제조용 원료유리를 만들고 있다. 그리고 이렇게 만들어진 유리를 분쇄하고 여기에 다른 성분과 반응하여 직접적인 발포제 역할을 하는 기체를 생성하는 발포조제인 탄소 등을 첨가하여 잘 혼합한 다음, 이 혼합된 발포 유리 제조용 원료유리 분말을 일정한 용기에 담아 400℃ 내지 650℃에서 예열하고, 800℃ 내지 900℃의 조건하에서 발포과정을 거친 후, 안정화를 위한 냉각, 서냉 등의 열처리 과정을 거친 것을 일정한 크기로 절단하여 포장하여 판매하고 있다.
그러나 이 공정은 발포 유리 제조용 원료유리를 만드는 과정에서 상기한 바와 같이 열처리 온도가 1300℃ 내지 1600℃이므로, 다량의 에너지가 소요되고, 그에 따른 시설투자 및 관리비용이 필요하기 때문에, 발포 유리 제조용 원료유리의 생산 비용이 발포 유리 생산원가의 절반 이상을 차지하고 있다.
또한, 제조된 발포 유리를 일정크기로 절단할 때 파생되는 많은 양의 잔류 발포 유리의 발생(많게는 20wt%까지 발생함)은 발포 유리블록의 생산원가를 낮추지 못하는 또 하나의 주요 요인으로 된다.
그러한 까닭에 기존의 이 피츠버그 코닝사의 발포 유리 제조공장이 가동된 이후 현재까지 발포 유리제조 공정개선과 관련하여 제안된 많은 특허와 연구결과는 대부분 그 목적이 발포 단계 이전에 고에너지가 소요되는 공정을 거치지 않고 직접 발포 유리 제조를 위한 원료유리를 만드는 것에 초점을 맞추고 있다. 따라서, 발포 단계 이전에 고에너지가 소요되는 공정을 축소할 필요성이 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 폐유리를 이용하여 유리의 용융이나 가수분해 또는 그 외의 사전 공정을 요구하지 않고, 단순한 공정을 이용하여, 저밀도를 가지고 균일한 기포 분포를 가지는 발포 유리 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기 발포 유리 제조 방법을 이용하여 형성한 발포 유리를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법은, 폐유리를 준비하는 단계; 상기 폐유리에 서로 화학반응하여 기포를 형성하는 기포 형성제와 산소 공급제를 첨가하고, 상기 폐유리를 분쇄하여 유리 분쇄물을 형성하는 단계; 상기 유리 분쇄물을 성형하여 유리 성형물을 형성하는 단계; 및 상기 유리 성형물을 열처리하여 기포를 포함하는 발포 유리를 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리 분쇄물을 형성하는 단계는, 상기 폐유리를 1차 분쇄하여 1차 유리 분쇄물을 형성하는 단계; 상기 1차 유리 분쇄물에 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제를 첨가하는 단계; 및 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제를 첨가된 상기 1차 유리 분쇄물을 2차 분쇄하여 2차 유리 분쇄물을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 1차 유리 분쇄물을 형성하는 단계는, 건식 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2차 유리 분쇄물을 형성하는 단계는, 증류수, 에틸 알코올, 메틸 알코올, 및 아세톤 중 적어도 어느 하나를 용매로 사용하는 습식 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2차 유리 분쇄물을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 2차 유리 분쇄물을 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리 분쇄물을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 유리 분쇄물을 체질(sieving)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리 성형물을 열처리하여 기포를 포함하는 발포 유리를 형성하는 단계는, 상기 유리 성형물이 소성(firing)되어 유리 매트릭스를 형성하는 단계; 및 상기 유리 성형물에 포함된 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제가 서로 화학 반응하여 상기 유리 매트릭스 내에 상기 기포를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리 분쇄물을 열처리하여 기포를 포함하는 발포 유리를 형성하는 단계는, 900℃ 내지 1100℃의 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폐유리는 보로알루미노-실리케이트(boroalumino-silicate)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기포 형성제는 상기 기포를 충전하는 가스를 형성하는 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기포 형성제는 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 질화물(Si3N4), 붕소 질화물(BN), 티타늄 질화물(TiN), 및 실리콘 탄화물(SiC) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 산소 공급제는 상기 기포 형성제와 화학반응하기 위한 산소를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 산소 공급제는 코발트 산화물(Co3O4), 칼슘 탄산화물(CaCO3), 바나듐 산화물(V2O5), 비소 산화물(As2O5), 안티몬 산화물(Sb2O5), 철 산화물(Fe2O3), 및 나트륨 황산화물(Na2SO4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리 분쇄물을 형성하는 단계는, 1 ㎛ 내지 10㎛의 직경을 가지는 분말 형상의 유리 분쇄물을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발포 유리 내에 포함되는 상기 기포는 질소 가스, 이산화탄소 가스, 또는 이들의 혼합 가스를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리는 상술한 제조 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발포 유리는, 180 ㎏/㎥ 내지 200 ㎏/㎥ 범위의 밀도, 85% 내지 95 % 범위의 기공율, 1.0 MPa 내지 2.5 MPa 범위의 압축 강도, 및 25℃에서 0.04 Wm-1K-1 내지 0.125 Wm-1K-1 범위의 열전도도를 가질 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법은 분쇄된 폐유리에 기포 형성제와 산소 공급제를 첨가하여 열처리를 통한 소성과 발포에 의하여 발포 유리를 제조하므로, 공정이 단순화되어 공정제어가 용이하고, 균일한 기공 구조를 가지고, 심미적 특성이 우수한 발포 유리를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법은 거푸집방식이 아닌 일반 프레스를 이용하여 유리 성형물 및 발포 유리를 제조하므로 공정이 단순화되어 공정제어가 용이하다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법에 의하여 형성된 발포 유리는 경량이고, 취급이 용이하고, 불에 타지 않고, 유독가스가 발생되지 않는다는 특성을 가지므로, 다양한 건축, 토목 및 환경 관련 물품에 사용될 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발표유리 제조 방법(S1)을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시에 따른 발포 유리 제조 방법에 의하여 형성된 실험예 1 내지 4의 발포 유리의 외관을 나타내는 사진들이다.
도 3은 본 발명의 일실시에 따른 발포 유리 제조 방법에 의하여 형성된 실험예 1 내지 4의 발포 유리의 미세구조를 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발표유리 제조 방법(S1)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 발표유리 제조 방법은, 폐유리를 준비하는 단계(S10), 상기 폐유리를 1차 분쇄하여 1차 유리 분쇄물을 형성하는 단계(S20), 상기 1차 유리 분쇄물에 서로 화학반응하여 기포를 형성하는 기포 형성제와 산소 공급제를 첨가하는 단계(S30), 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제가 첨가된 상기 1차 유리 분쇄물을 2차 분쇄하여 2차 유리 분쇄물을 형성하는 단계(S40), 상기 2차 유리 분쇄물을 건조하는 단계(S50), 건조된 상기 2차 유리 분쇄물을 체질(sieving)하는 단계(S60), 상기 2차 유리 분쇄물을 성형하여 유리 성형물을 형성하는 단계(S70), 및 상기 유리 성형물을 열처리하여 기포를 포함하는 발포 유리를 형성하는 단계(S80)을 포함한다.
폐유리를 준비하는 단계(S10)에서는 발표유리의 원료가 되는 폐유리를 준비한다. 상기 폐유리는, 예를 들어 보로알루미노-실리케이트(boroalumino-silicate)를 포함하거나, 소듐-실리케이트(sodium-silicate)를 포함하거나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 폐유리는 LCD(liquid crystal dusplay)용 유리, PDP(Plasma display panel)용 유리, OLED(organic light emitting device)용 유리, 또는 브라운관용 유리 등을 포함할 수 있다. 표 1은 상기 폐유리로 사용될 수 있는 LCD 유리의 조성을 나타낸다. 그러나, 이러한 폐유리의 종류 및 조성은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
물질 B2O3 Al2O3 SiO2 CaO SrO MgO Cr2O3 Fe2O3
% 10.6 17.8 58 8.76 1.05 1.75 0.54 0.898
상기 폐유리를 1차 분쇄하여 1차 유리 분쇄물을 형성하는 단계(S20)에서는, 준비된 상기 폐유리를 디스크 밀(disk mill) 또는 볼밀(ball mill) 등을 이용하여 1차 분쇄한다. 상기 1차 분쇄는 건식 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 1차 유리 분쇄물의 분말 크기는 10 ㎛ 내지 1000㎛ 일 수 있다. 상기 1차 분쇄는 리사이클링 방법을 이용하여 반복하여 수행될 수 있다. 상기 1차 분쇄 단계는 선택적이며, 생략될 수 있다.
상기 1차 유리 분쇄물에 기포 형성제와 산소 공급제를 첨가하는 단계(S30)에서는, 기포를 형성할 수 있는 상기 기포 형성제와 상기 기포 형성을 위하여 상기 기포 형성제와 화학반응하기 위한 산소를 제공할 수 있는 산소 공급제를 첨가하여 혼합한다. 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제는 상기 1차 유리 분쇄물과 거의 동일한 분말 크기를 가질 수 있고, 또는 상기 1차 유리 분쇄물에 비하여 더 작은 크기를 가질 수 있다. 상기 1차 유리 분쇄물, 상기 기포 형성제, 및 상기 산소 공급제는 균일하게 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 기포 형성제는 상기 혼합 물질에 대하여 약 1.0 wt%(중량비) 내지 약 5.0 wt%의 범위로 첨가될 수 있다. 또한, 상기 산소 공급제는 상기 혼합 물질에 대하여 약 1.0 wt% 내지 약 5.0 wt%의 범위로 첨가될 수 있다.
상기 기포 형성제는 상기 기포를 충전(充塡)하는 가스를 형성하는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 질화물 또는 탄화물을 포함할 수 있고, 예를 들어, 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 질화물(Si3N4), 붕소 질화물(BN), 티타늄 질화물(TiN), 및 실리콘 탄화물(SiC) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 기포 형성제의 종류에 한정되는 것은 아니다.
상기 산소 공급제는 상기 기포 형성제와 화학반응하기 위한 산소를 포함할 수 있고, 예를 들어 코발트 산화물(Co3O4), 칼슘 탄산화물(CaCO3), 바나듐 산화물(V2O5), 비소 산화물(As2O5), 안티몬 산화물(Sb2O5), 철 산화물(Fe2O3), 및 나트륨 황산화물(Na2SO4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 산소 공급제의 종류에 한정되는 것은 아니다.
상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제는 하기의 화학식 1과 같은 반응을 통하여 기포를 형성할 수 있다. 화학식1은, 상기 기포 형성제로서 AlN을 사용하고, 상기 산소 공급제로서 Fe2O3를 사용하는 경우를 예시적으로 나타낸다.
Figure pat00001
상기 화학식1에 나타나는 바와 같이, 상기 폐유리에 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제를 첨가하고, 후속의 열처리 공정에서 가열시키면, 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제는 반응하여 질소 가스를 생성하게 되고, 상기 질소 가스는 유리 내에 포집되어 기포를 형성하므로, 결과적으로 발포 유리를 형성할 수 있다.
상기 기포 형성제가 질화물을 포함하는 경우에는 상기 질화물에 포함된 질소가 질소 가스로서 기포를 형성할 수 있다. 상기 기포 형성제가 탄화물을 포함하는 경우에는 상기 탄화물에 포함된 탄소가 이산화탄소 가스로서 기포를 형성할 수 있다.
상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제가 첨가된 상기 1차 유리 분쇄물을 2차 분쇄하여 2차 유리 분쇄물을 형성하는 단계(S40)에서는, 상기 폐유리를 디스크 밀(disk mill) 또는 볼밀(ball mill) 등을 이용하여 2차 분쇄한다. 상기 2차 분쇄는, 예를 들어 증류수, 에틸 알코올, 메틸 알코올, 및 아세톤 중 적어도 어느 하나를 용매로 사용하는 습식 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 용매는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 용매의 종류에 한정되는 것은 아니다.
상기 2차 유리 분쇄물의 분말 크기는 미세할수록 바람직하다. 예를 들어, 상기 2차 유리 분쇄물의 분말의 제조에 투입되는 경제적인 비용을 고려하면, 상기 2차 유리 분쇄물의 분말 크기(직경)는 1 ㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 1차 유리 분쇄물이 분쇄되는 동안, 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제도 함께 분쇄될 수 있고, 따라서, 상기 2차 유리 분쇄물은 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제를 더 포함할 수 있다. 상기 2차 유리 분쇄물의 분말 크기는 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제와 거의 동일한 것이 바람직하다. 상기 2차 유리 분쇄물의 분말 크기의 균일성을 확보하기 위하여 충분한 시간 동안 분쇄할 필요가 있고, 예를 들어 분쇄 후 약 2시간 정도 더 밀링할 수 있다.
상기 2차 유리 분쇄물을 건조하는 단계(S50)에서는, 상기 2차 유리 분쇄물을 건조하여 상기 용매를 제거한다. 상기 건조는 상온 내지 약 200℃의 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 1 시간 내지 24 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 건조된 상기 2차 유리 분쇄물을 체질하는 단계(S60)에서는, 상기 건조된 상기 2차 유리 분쇄물을 체(sieve)를 이용하여 조대한 분말과 미세한 분말을 분리한다. 상기 체는 원하는 미세한 분말의 크기에 따라 선택될 수 있고, 예를 들어 200 메쉬(mesh) 체를 이용할 수 있다. 걸러진 상기 조대한 분말은 1차 분쇄하는 단계 또는 2차 분쇄하는 단계에 투입될 수 있고, 상기 미세한 분말은 후속의 성형물을 형성하는 단계에 투입될 수 있다. 상기 체질하는 단계(S60)는 선택적이며, 생략될 수 있다.
상기 2차 유리 분쇄물을 성형하여 유리 성형물을 형성하는 단계(S70)에서는, 상기 2차 유리 분쇄물을 성형 몰드에 장입하고, 가압하여 원하는 형상으로 성형한다. 상기 유리 성형물을 형성하는 단계(S70)는 가압 프레스 법 등을 이용할 수 있고, 예를 들어 1축 가압 방법을 이용하거나 등방 가압(3축 가압) 방법을 이용할 수 있다. 상기 유리 성형물을 형성하는 단계(S70)는 상온 내지 약 300℃의 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 유리 성형물을 열처리하여 발포 유리를 형성하는 단계(S80)는, 상기 유리 성형물을 가열하여 소성(firing) 및 발포시켜 발포 유리를 형성한다. 상기 발포 유리를 형성하는 단계(S80)는, 예를 들어 약 900℃ 내지 약 1100℃의 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 약 950℃ 내지 약 1050℃의 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
발포 유리를 형성하는 단계(S80)는, 상기 유리 성형물 내에 포함된 유리 성분은 소성(firing) 과정을 통하여 서로 결합되어 유리 매트릭스를 형성하고, 상기 유리 성형물에 포함된 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제가 상기 화학식1과 같은 화학 반응하여 상기 유리 매트릭스 내에 상기 기포를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 유리 매트릭스 내에 상기 기포가 위치하는 발포 유리를 형성시킬 수 있다. 상기 기포는 상기 기포 형성제에 따라 다양한 종류의 가스를 포함할 수 있고, 예를 들어 질소 가스, 이산화 탄소 가스, 또는 이들의 혼합 가스를 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 2차 유리 분쇄물에 착색제를 더 추가하고, 상기 단계 S40 내지 단계 S80을 수행하여 컬러 발포 유리를 형성할 수 있다. 상기 착색제는 원하는 색상에 따라 다양한 물질을 사용할 수 있고, 예를 들어 코발트 산화물(Co3O4) 또는 망간 산화물(MnO3) 등일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법에 의하면, 균일한 미세 기공 구조를 가지며 심미성이 우수한 발포 유리를 용이하게 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법에 의하여 형성된 발포 유리는, 예를 들어 약 180 ㎏/㎥ 내지 약 200 ㎏/㎥ 범위의 밀도, 약 85% 내지 약 95 % 범위의 기공율, 약 1.0 MPa 내지 약 2.5 MPa 범위의 압축 강도, 약 1.5 MPa 내지 약 4.0 MPa 범위의 꺽임 강도 및 약 25℃에서 약 0.04 Wm-1K-1 내지 약 0.125 Wm-1K-1 범위의 열전도도를 가지는 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 발포 유리는 약 194 ㎏/㎥의 밀도, 약 92%의 기공율, 약 1.845 MPa의 압축 강도, 2.142 MPa의 꺽임 강도 및 약 25℃에서 약 0.047 Wm-1K-1 열전도도를 가지는 특성을 나타낼 수 있다.
실험예: 폐유리를 이용한 발포 유리의 제조
보로 실리케이트(borosilicate)조성을 가지는 폐유리를 준비하였다. 상기 폐유리의 조성은 상술한 표 1의 조성을 가졌다.
이어서, 상기 폐유리를 디스크밀을 이용하여 1차 분쇄하여 1차 유리 분쇄물을 형성하였다. 상기 1차 분쇄는 리사이클링 방법을 이용하여 수행되었으며, 3회까지 리사이클링 방법으로 수행되었다. 상기 1차 유리 분쇄물은 약 120㎛의 평균 분말 크기를 가졌다.
이어서, 상기 1차 유리 분쇄물에 기포 형성제와 산소 공급제를 첨가하였다. 첨가된 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제는 표 2와 같다.
실험예1 실험예2 실험예3 실험예4
기포 형성제 AlN AlN AlN AlN
산소 공급제 V2O5 Co3O4 CaCO3 Fe2O3
이어서, 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제를 첨가된 상기 1차 유리 분쇄물을 습식 방법을 이용하여 2차 분쇄하여 2차 유리 분쇄물을 형성하였다. 상기 2차 분쇄는 증류수와 에틸 알코올의 혼합 용액을 용매로 이용하였고, 300rpm의 속도로 회전하는 유성밀(planetary mill)을 이용하였고, 2시간 동안 수행하였다. 상기 2차 유리 분쇄물은 약 120㎛의 평균 분말 크기를 가졌다.
이어서, 상기 2차 유리 분쇄물을 오븐을 이용하여 약 60℃에서 24시간 건조하였다.
이어서, 상기 건조된 2차 유리 분쇄물을 200 메쉬 체를 이용하여 체질하였다. 상기 체질에 의하여 상기 2차 유리 분쇄물을 조대한 분말과 미세한 분말을 분리하였다.
이어서, 상기 미세한 분말의 2차 유리 분쇄물을 성형 몰드 내에 장입하고, 가압 프레스방법을 이용하여 가압하여 유리 성형물을 제조하였다.
이어서, 상기 유리 성형물을 전기로를 이용하여 소성 및 발포공정을 거쳐 발포유리를 제조하였다. 이 단계에서, 승온 속도는 약 3℃/분이었고, 온도는 약 950℃로 조정하였고, 시간은 약 2시간 동안 수행하였다.
도 2는 본 발명의 일실시에 따른 발포 유리 제조 방법에 의하여 형성된 실험예 1 내지 4의 발포 유리의 외관을 나타내는 사진들이다.
도 2를 참조하면, 실험예 1 내지 4의 발포 유리들은 심미적 특성을 가지는 외관을 가지는 것을 확인하였다. 상기 발포 유리들의 색상은 첨가된 산소 공급제의 종류에 따라 다르게 나타났다. 상기 발포 유리들은 하기의 표 3과 같은 특성을 나타내었다.
실험예1 실험예2 실험예3 실험예4
밀도 (㎏/㎥) 195 333 568 194
기공율 (%) 92 86.3 76.7 92
압축 강도 (MPa) 2.013 0.676 2.282 1.845
꺽임 강도 (MPa) 2.298 3.64 10.294 2.142
열전도도(Wm-1K-1) 0.052 0.073 0.125 0.047
일반 유리의 밀도가 약 2520㎏/㎥이므로, 본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리는 일반 유리에 비하여 매우 낮은 저밀도의 특성을 가진다. 또한, 일반 유리의 압축 강도가 약 170 MPa이므로, 본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리는 일반 유리에 비하여 약 10배 이상의 높은 압축 강도의 특성을 가진다. 또한, 일반 유리의 열전도도가 약 0.893 Wm-1K-1 이므로, 본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리는 일반 유리에 비하여 매우 낮은 열전도도의 특성을 가진다.
도 3은 본 발명의 일실시에 따른 발포 유리 제조 방법에 의하여 형성된 실험예 1 내지 4의 발포 유리의 미세구조를 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 3을 참조하면, 발포 유리들 내에 기포들이 분포하는 것을 알 수 있다. 상기 기포들은 균일한 크기와 균일한 분포를 가지고 상기 발포 유리 내에 분포되어 있다. 산소 공급제로서 V2O5을 사용한 실험예 1의 기포의 크기가 상대적으로 크며, 산소 공급제로서 CaCO3을 사용한 실험예 3의 기포의 크기가 상대적으로 작게 나타났다. 또한, 산소 공급제로서 Fe2O3을 사용한 실험예 4의 기포의 크기 분포가 가장 균일하게 나타났다. 상기 실험예들은 기포 형성제로서 AlN을 사용하였으므로, 기포 내에는 질소 가스가 포집될 것으로 예상된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법은 분쇄된 폐유리에 기포 형성제와 산소 공급제를 첨가하여 열처리를 통한 소성과 발포에 의하여 발포 유리를 제조하므로, 공정이 단순화되어 공정제어가 용이하고, 균일한 기공 구조를 가지고, 심미적 특성이 우수한 발포 유리를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법은 거푸집방식이 아닌 일반 프레스를 이용하여 유리 성형물 및 발포 유리를 제조하므로 공정이 단순화되어 공정제어가 용이하다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 발포 유리 제조 방법에 의하여 형성된 발포 유리는 경량이고, 취급이 용이하고, 불에 타지 않고, 유독가스가 발생되지 않는다는 특성을 가지므로, 다양한 건축, 토목 및 환경 관련 물품에 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (17)

  1. 폐유리를 준비하는 단계;
    상기 폐유리에 서로 화학반응하여 기포를 형성하는 기포 형성제와 산소 공급제를 첨가하고, 상기 폐유리를 분쇄하여 유리 분쇄물을 형성하는 단계;
    상기 유리 분쇄물을 성형하여 유리 성형물을 형성하는 단계; 및
    상기 유리 성형물을 열처리하여 기포를 포함하는 발포 유리를 형성하는 단계;
    를 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 분쇄물을 형성하는 단계는,
    상기 폐유리를 1차 분쇄하여 1차 유리 분쇄물을 형성하는 단계;
    상기 1차 유리 분쇄물에 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제를 첨가하는 단계; 및
    상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제를 첨가된 상기 1차 유리 분쇄물을 2차 분쇄하여 2차 유리 분쇄물을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 1차 유리 분쇄물을 형성하는 단계는, 건식 방법을 이용하여 수행되는, 발포 유리 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 2차 유리 분쇄물을 형성하는 단계는, 증류수, 에틸 알코올, 메틸 알코올, 및 아세톤 중 적어도 어느 하나를 용매로 사용하는 습식 방법을 이용하여 수행되는, 발포 유리 제조 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 2차 유리 분쇄물을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 2차 유리 분쇄물을 건조하는 단계;
    를 더 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 분쇄물을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 유리 분쇄물을 체질(sieving)하는 단계;
    를 더 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 성형물을 열처리하여 기포를 포함하는 발포 유리를 형성하는 단계는,
    상기 유리 성형물이 소성(firing)되어 유리 매트릭스를 형성하는 단계; 및
    상기 유리 성형물에 포함된 상기 기포 형성제와 상기 산소 공급제가 서로 화학 반응하여 상기 유리 매트릭스 내에 상기 기포를 형성하는 단계;
    를 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 분쇄물을 열처리하여 기포를 포함하는 발포 유리를 형성하는 단계는, 900℃ 내지 1100℃의 범위의 온도에서 수행되는, 발포 유리 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 폐유리는 보로알루미노-실리케이트(boroalumino-silicate)를 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 기포 형성제는 상기 기포를 충전하는 가스를 형성하는 물질을 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 기포 형성제는 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 질화물(Si3N4), 붕소 질화물(BN), 티타늄 질화물(TiN), 및 실리콘 탄화물(SiC) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 공급제는 상기 기포 형성제와 화학반응하기 위한 산소를 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 공급제는 코발트 산화물(Co3O4), 칼슘 탄산화물(CaCO3), 바나듐 산화물(V2O5), 비소 산화물(As2O5), 안티몬 산화물(Sb2O5), 철 산화물(Fe2O3), 및 나트륨 황산화물(Na2SO4) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 분쇄물을 형성하는 단계는, 1 ㎛ 내지 10㎛의 직경을 가지는 분말 형상의 상기 유리 분쇄물을 형성하는, 발포 유리 제조 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 발포 유리 내에 포함되는 상기 기포는 질소 가스, 이산화탄소 가스, 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는, 발포 유리 제조 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중의 어느 한 항의 방법을 이용하여 형성된, 발포 유리.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 발포 유리는, 180 ㎏/㎥ 내지 200 ㎏/㎥ 범위의 밀도, 85% 내지 95 % 범위의 기공율, 1.0 MPa 내지 2.5 MPa 범위의 압축 강도, 및 25℃에서 0.04 Wm-1K-1 내지 0.125 Wm-1K-1 범위의 열전도도를 가지는, 발포 유리.
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