KR20160102716A - 고물성 발포 세라믹스의 제조법 - Google Patents

Abstract

실제 니즈에 견디어낼 수 있도록한 고물성의 발포 세라믹스를 보다 균질하게 양산·제공 한다.
이산화규소의 함유율이 33∼55중량%인 현무암질 화성암분말을 이용할 경우, 이것을 균일 혼합된 발포 재료 분말과 함께 가열하고, 유리 전이점이상 융점이하에서 물엿 상태가 되는 온도를 선택해서 발포시킨다. 또 이산화규소의 함유율이 55∼70중량%인 보리밥 돌가루 분말을 이용할 경우는, 이것에 5∼20중량%의 유리 프리트 혹은 동등의 나트륨 성분을 포함하는 원료를 혼합하고, 이것들을 균일 혼합된 발포제 분말과 함께 가열하고, 유리 전이점이상 융점이하에서 물엿 상태로 발포시킨다. 가열의 수단을 강력한 적외선 조사라고 해서 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를 미리 윗면을 오목한면이 되도록 얇은판상 으로 형성해 두고, 혹은 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를 미리 측면이 위로 넓어지게 원추상으로 판상이 되게 형성하고, 알맞게 한 후에 가열 발포시킨다. 또 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를 그 이상으로 내열성이 있는 용기체에 넣어서 가열 발포시켜, 냉각후에 탈(脫)형 하지 않고 용기체 마다 제품화 하고,혹은 가열 발포시키기 이전의 해당혼합 재료중에 그 이상으로 내열성이 있는 세단섬유를 혼합해서 한다.

Description

고물성 발포 세라믹스의 제조법 {Method for manufacturing ceramics}

이 발명은, 강도 등의 물성에 뛰어난 발포 세라믹스의 제조법에 관계한다.

유리 분말을 발포제와 함께 소결(sintering) 해서 얻을 수 있는 발포체는 거품 유리로서 알려져 있지만, 독립 거품이란 것은, 경량으로 방수성이 있는 불연성 단열재로서 일부 특수한 곳에 사용되고 있다. 또 원료에 화산재 등을 이용해서 발포 소결(sintering) 해 발포 세라믹스를 만드는 시도도 예전부터 각각 행해져 왔다.

그런데, 상기와 같은 거품 유리 내지 발포 세라믹스의 시작에는 어느 정도 성공했어도, 이것을 실제의 니즈에 일치하는 물성을 갖추는 것은 너무 어렵게 여겨지고있어 극히 일부의 단열재나 특수 타일외, 이런것 등의 실시·보급은 대부분 실현하지 않고 있는 것이 현상이다.

그 실용화의 애로점이 되고 있는 것이, 먼저 강도, 특히 그 강도의 낮음이다. 다시 말해 도자기류가 공통적인 약점으로서 약함 내지 깨지기 쉬움이 있지만, 이것은 발포시키는 것에 따라 현저하게 늘어나므로 건재등의 용도에는 매우 적합하지 않은 경향이 있다.

또 소성물로써 제조상의 어려움은, 발포시키는 것에 의해 현저할 정도로 늘어나고, 이것이 균질한 제품을 제조 하는데는 매우 곤란하다.

본 발명은 문제가되는 난점을 극복하고, 실제의 [니] - [즈]에 견딜 수 있도록 고품질, 고물성의 발포 세라믹스를 보다 균질하게 양산·제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 이산화규소의 함유율이 30∼55중량%인 현무암질 화성암 분말을 균일 혼합된 발포 재료분말과 함께 가열하고, 유리 전이점 이상 융점이하에서 물엿 상태로 발포시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 이산화규소의 함유율이 55∼70중량%인 보리밥 돌가루 분말에 5∼20중량%의 유리 프리트 혹은 동등의 나트륨 성분을 포함하는 원료를 혼합하고, 이것을 균일 혼합된 발포 재료 분말과 함께 가열하고, 유리 전이점이상 융점이하에서 물엿 상태로 발포시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 현무암질 화성암이, 대한민국 제주도(濟州島)의 화산분출물이다.

또한 본 발명은 가열의 수단이, 강력한 적외선 조사이다.

또한 본 발명은 가열 발포시키기 이전의 해당혼합 재료를 윗면이 오목한 면이 되도록 얇은 판상으로 되게 형성해 두고, 알맞게 과열 발포시킨다.

또한 본 발명은 가열 발포시키기 이전의 해당혼합 재료를 밑면이 볼록한 면이 되도록 얇은 판상으로 되게 형성해 두고, 알맞게 과열 발포시킨다.

또한 본 발명은 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를, 측면이 위로 넓어지게 원추상이 되도록 형성해 두고, 알맞게 과열 발포 시킨다.

또한 본 발명은 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를, 그 이상으로 내열성이 있는 용기체에 넣어서 가열 발포시켜, 냉각후에 탈(脫)형 하지 않고 용기체 마다 제품화한다.

또한 본 발명은 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료중에 그 이상으로 내열성이 있는 세단섬유를 혼합한다.

또한 본 발명은 세단섬유가, 현무암질 화성암으로 이루어진다.

본 발명에 의하면, 이미 여러곳 에서 서술되왔던 것처럼, 발포 세라믹스의 큰 난점인 약점 등을 극복해서 건재에 필요한 강도 등의 물성을 현저하게 향상시킬 수 있고, 그것을 균일하고 고품질로서 대량으로 제조할 수 있기 때문에, 그 용도범위가 현저하게 확대된다.

특히 그 경량성, 단열성, 불연성, 내구성, 가공 및 시공 용이성, 방수 내지

차수성 등의 특징이 살아나, 건축·토목방면에 엄청난 용도로 발생할 뿐만 아니라, 비중을 1 전후로 임의로 할 수 있고, 콘크리트나 라이닝 강판 등과 달리 장기에 걸쳐 부식 변화하거나 수중 생물에 악영향을 미치게 하는 적이 없고 동시에, 가령 손상되도 부력을 잃어버리는 일이 없기 때문에, 해양에 있어서의 여러가지 에너지-이용이나 해양 발전 등의 부품으로서 광범위하게 이용할 수 있는 효과가 있다.

상기과제를 해결하기 위해서, 본 발명자는 수많은 시작·검증을 거듭해 온 결과, 드디어 (발포 세라믹스로서는 획기적인) 못도 칠 수 있을듯한 고강도(우츠보성)와 거품 균일성 등의 미관을 겸비한 발포 세라믹스를, 안정적임과 동시에 저비용에 제조하는 방법을 찾아내는 것에 이르렀다.

다시 말해, 본 발명에 있어서 사용되는 주 재료는, 자연계에 대량으로 존재하는 현무암질 혹은 이것과 비슷한 화성암이나 화산 분출물 이지만, 그 공통의 특징으로서 다량의 철분을 포함하고, 실리카(이산화규소)의 함유율이 30∼70중량%의 범위내에 있다고 말할 수 있고, 또 동(同)함유율이 30∼55중량%와 55∼70중량%에서는 제조 조건을 바꾼다는 것이 기본이다. 이것에 의해, 재현성이 좋게 균질함과 고물성의 발포 세라믹스를 대량으로 제조하는 것이 가능해졌다.

더욱 거품을 균일화시키기 위해서, 발포 재료를 미립자화 해서 될 수 있는한 균일하게 혼합해야 한다는 것은 예전부터 알고 있었던 것이지만, 그럼에도 불구하고 잘 되지 않은 근본원인을 본 발명은 해명한 것이어서, 특히 현무암질의 재료를 사용할 경우에 있어서의 최고 중요한 제조 조건으로서, 발포시켜야 할 피가열 재료가 유리 전이점이상 또한 융점이하의 온도에 있어서 물엿상의 점성 물질화한 상태를 유지하면서 발포시킨다는 수단을 취하는 것을 본 발명은 특징이라고 하고 있다.

여기에서 말하는 「물엿 상」이란, 끝(가장자리)에서 서서히 낙하 시킬때 액적이 아닌 끈 같이 연결 되어지는것과 같은 점성을 보이는 상태를 의미한다. 본 발명으로 이용되는 피가열 재료에는 반드시 그것에 해당하는 온도가 존재하고, 그것을 안정적으로 설정할 수 있다.

덧붙이자면 본 발명으로 이용되어지는 현무암질의 화성암은, 화산으로 분출되면 맨 먼저 흘러서 기슭의 들판쪽 평탄한곳에 굳어진다고 하는 특징이 있다. 이것은 철분을 시작으로, 알루미늄 분, 칼슘 분 등, 비실리카 분의 비율이 높고, 그 때문에 온도가 융점에 달성하면 빠른 속도로 점성이 저하되고, 유동성이 높은 액체가 되기 때문이며, 그 가공성의 나쁨이 이 재료를 세라믹스나 유리와 같은 제품화에 사용하는 것에 방해가 되고 있었기 때문, 이런 현상으로 현무암등은 아직도 거의 미 이용 자원으로서 방치되고 있어, 특히 발포 세라믹스화는 매우 곤란한 것이었다.

한편 본 발명자는 상기 재료가 가진 풍부한 철분 등이 일반 세라믹에서 특유의 약함을 개선하는 것을 찾아, 이것을 발포 세라믹스화하는 어려움을 극복하는 것으로서, 이하의 수단에 도달했다.

먼저 이산화규소의 함유율이 30∼55중량%인 현무암질 화성암 분말을 이용할 경우, 이것을 균일 혼합된 발포 재료 분말과 함께 가열하고, 유리 전이점이상 융점이하에 있어서의 물엿 상태가 되는 온도를 선택해서 발포시키는 것으로 한다. 그 물엿 상태가 필수적인 이유는, 온도가 1.100도대 라고 하는 분자운동의 아주 높은 고온상태에서는, 발포 세라믹스에 용도상 요구되는 비중 1± 0.3정도, 다시 말해 발포 배율 2∼4배정도의 거품을 균일하게 유지하기 위해서, 어느정도 저온의 용융 수지나 맥주 등에 있어서의 거품생성의 경우와는 사정이 다르고, 저점성에서 생성한 거품이 서로 분리하거나 융합하거나 하지 않도록 하기 위해서다.

다음에 이산화규소의 함유율이 55∼70중량%인 보리밥 돌가루 분말을 이용할 경우는, 이것에 5∼20중량%의 유리 프리트 혹은 동등의 나트륨 성분을 포함하는 원료를 혼합하고, 이것들을 균일 혼합된 발포제 분말과 함께 가열하고, 유리 전이점이상 융점이하인 물엿 상태로 발포시키도록 한다. 다시 말해 이 경우는 실리카의 함유율이 보다 많아지기 때문에, 그대로 상기와 같은 통상의 소결(sintering)기술에 의한 비교적 저온의 가열을 해도, 유리 전이점은 되지만 소망하는 물엿 상태에는 되기가 매우 어렵다. 따라서 적량의 유리 프리트 혹은 그것에 상당하는 나트륨 성분(탄산 나트륨 등)을 더 넣어서 해결한다.

상기와 같은 보리밥 돌은, 약4000만년∼7000만년 전의 지구의 화산 활동이 활발했던 시대에 솟아나온 용암이 다시 지하에 가라앉고, 차가워져 굳어져서 가능했던 화성암이며, 실리카의 함유율은 거의 상기와 같은 범위에 들어가고, 이외에 알루미나(alumina) 약16W%,산화 제2철 약6W%,산화칼슘 약 6%등을 포함하고 있다. 그중 약석으로서 잘 알려져지는 것은 실리카의 비율이 보다 높고, 비용도 높아서 본 발명의 원료로서는 바람직하지 못한 것도 있다.

이 보리밥 돌에 유리 프리트를 적량 혼합하면, 통상에 1100도대의 소결(sintering)온도라도 용이하게 물엿 상태가 되어 그 상태로 안정되기 때문에, 매우 균일해서 예쁜 거품 분포를 보이는 발포 세라믹스가 되고, 그 강도, 우츠보성등의 물성도, 재래의 거품 유리나 다른 발포 세라믹스보다 훨씬 양호한 것이 되는 것이 밝혀졌다.

한편 일반적으로 유리 프리트란 소다 석회 유리를 분쇄한 것을 말하기 때문에, 그 조성의 약12∼16W%을 차지하는 나트륨분과 동등한, 예를 들면 탄산 나트륨 등을 더해도 좋다. 이때 내수성을 부여하기 위한 석회분은, 이미 보리밥 돌중에 충분히 포함되어 있기 때문에, 반드시 필요하지 않다.

한편, 같은 현무암질의 화성암인 대한민국 제주도(濟州島)의 화산 분출물의 경우는, 실리카의 함유율이 약35%전후로 매우 낮게, 유리 전이점에 달한 후에 용이하게 물엿 상태가 되므로, 유리 프리트 등을 더하지 않아도 통상 1100도대의 소결(sintering)온도로 충분히 양호한 발포 세라믹스가 안정적으로 얻을 수 있다.

여전히 상기 어떤 것의 경우도, 재료중에 다량인 철분을 포함하기 때문에 검은색 내지 흑갈색을 보이고 있지만, 동시에 적외선도 잘 흡수하므로, 뜻밖에, 강력한 적외선 [히] - [타] -에 의한 전기로에서도 효율적임과 동시에 저비용으로 발포 세라믹스를 제조하는 것이 가능한 것도 밝혀졌다.

다음으로 양질인 해당 발포 세라믹스를 효율 좋게 제조 할때, 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를, 미리 표면이 오목한면이 되도록 얇은 판상으로 형성해 두고, 알맞게 한 후에 가열 발포시키도록 한다. 그렇게 함에 따라 발포와 함께 중앙부가 고조되어서 볼록하게 되는 경향이 있는 것을 상쇄하고, 거의 평탄한 표면을 보이는 판상의 발포 세라믹스로 할 수 있다.

또 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를, 미리 측면이 위로 넓어지게 원추상이 되도록 형성해 두고, 알맞게 한 후에 가열 발포 시키도록 한다. 이때, 재료를 넣는 틀테두리의 측쇄부내벽에 대해 넓어진 상태로 해 두는 이유 이다. 이렇게 가열 발포시킨 후, 냉각함에 따라서 수축하지만, 그 수축은 틀테두리에 접하지 않아 윗면에 저항 없이 진행되고, 그에 따라 측면도 윗 방향으로부터 당겨 떨어지도록 수축하기 때문에 위 넓어짐 원추상도 소실하고, 그 부분의 탈(脫)형도 동시에 행하여지게 된다.

한편, 내열 세라믹스, 내열 콘크리트, 스틸 등으로 미리 얇은 상자 기타 용기상 형틀을 만들어 두고, 그 안에 해당 발포 세라믹스용 재료를 넣어 가열 발포시킨 후, 탈(脫)형 하지 않고, 불필요한 부분을 없애는 등 , 형틀째 제품으로 해도 좋다. 이 경우, 형테두리 비용은 어느정도 탈(脫)형 비용으로 상쇄되어,또 때에 따라서는 형틀이 보강 재료로도 될 수 있다.

다음으로, 가열 발포시키기 이전의 해당혼합 재료중에, 그 이상으로 내열성이 있는 세단섬유, 예를 들면 길이 몇mm, 굵기 경수+μ정도의 카-본, 스틸, 현무암등의 광물섬유를 혼합해서 소결(sintering) 하면, 보강 섬유를 넣은 발포 세라믹스가 된다.

시작품에 의하면, 특히 굽힘 강도가 현저하게 증대되고, 게다가 경량화 할 수 있으므로, 지금까지 무거워서 깨지기 쉬운 도자기의 이미지를 일신하게 되었다.

이 때, 탄소섬유나 스틸을 이용할 경우는, 그것이 연소 없이 산화하지 않도록 무산소적 환경으로 소결(sintering) 할 필요가 있다.

또 현무암질 화성암으로 이루어진 세단섬유를 혼합할 경우는, 그 유리 전이점 및 융점이나 물엿상이 되는 온도가 해당 혼합 재료와 같다고 하지만, 그 혼합 재료를 구성하는 입자가 세단섬유 보다 너무 가늘어지면 , 분말로 이루어진 혼합 재료만 발포하고, 세단섬유는 변형 되지만 그 자체 발포할 일은 없다. 따라서 본 발명에 있어서는 이런 경우 세단섬유는 혼합 재료보다 내열성이 있다고 간주한다. 이 현무암질 화성암에 세단섬유가 들어간 해당발포 세라믹스는 섬유가 일체화 되어 있어서 강도가 있고, 매우 고물성의 발포체를 할 수 있다.

입경 50μ이하에 분쇄한 흑갈색의 제주도(濟州島) 화산분출물에 약 0.5W%의 분말상 카보란담과 적량의 성형용 binder-을 혼합하고, 종횡 약30cm, 두께 약3cm의 오목 렌즈상에 임시 프레스 성형하고, 이것을 알루미나(alumina) 분말을 바른 내열성 붕판에 裁置 해서 사방을 위로 넓어지게 원추상의 측판으로 둘러싼다. 이것을 미리 해당 재료로 물엿상이 되는 온도를 측정한 데이터를 짜 넣은 센서-을 이용해서 온도 제어하면서 롤러-하우스 킬른(kiln) 방식의 전기로에서 가열 발포시켜, 발포 배율을 가열 시간으로 컨트롤한다. 냉각을 완만하게 해서 미세 크랙의 발생 등을 방지하고, 탈(脫)형(경우에 따라 이것을 생략)한다. 용도에 따라 이 두꺼운 발포체를 그대로,혹은 얇은 판자에 얇게 썰어 사방을 가지런히 잘라서 제품화한다.

성분조성이 이산화규소 약63%, 산화제2철 약6%, 알루미나(alumina) 약16%, 산화칼슘 약 6%의 보리밥 돌에 분말상 유리 프리트 약10% 및 위와같은 발포재료 와 binder-를 균일혼합하고, 동일하게 가열 발포시킨다. 이 경우도 약간 색조는 다른지만 못을 칠 수 있을 만큼의 강인성과 반영구적인 차수성, 단열성 방음성, 차광성, 불연성등을 소유하고, 생물이나 환경에 완전히 무해하기 때문에 옥상녹화용 모판이나 해양발전용 부품 등에도 매우 좋은것으로 밝혀졌다.

성분조성이 이산화규소 약63%, 산화제2철 약6%, 알루미나(alumina) 약16%, 산화칼슘 약 6%의 보리밥 돌에 분말상 유리 프리트 약10% 및 위와같은 발포재료 와 binder-를 균일혼합하고, 동일하게 가열 발포시킨다. 이 경우도 약간 색조는 다른지만 못을 칠 수 있을 만큼의 강인성과 반영구적인 차수성, 단열성 방음성, 차광성, 불연성등을 소유하고, 생물이나 환경에 완전히 무해하기 때문에 옥상녹화용 모판이나 해양발전용 부품 등에도 매우 좋은것으로 밝혀졌다.

상기 제각기의 경우에 있어서, 길이 약5mm로 자른 탄소섬유,혹은 현무암섬유를 약5W %혼합하고, 동일하게 가열 발포시킨다. 이 경우는 분명히 굽힘강도의 증대를 인정 받아, 해당 섬유의 혼입량을 늘리는것에 따라 더한층 증대 되지만, 지나치게 늘리면 반대로 품질 저하나 제조상의 효율저하를 초래하므로 적량이하로 한다.

본 발명과 같은 물성이나 품질의 향상을 수반하는 발포 세라믹스는 막대한 니즈 가 있어 양산도 가능하기 때문에, 산업상의 이용 가능성은 충분히 있다.

Claims (10)

1. 이산화규소의 함유율이 30∼55중량%인 현무암질 화성암 분말을 균일 혼합된 발포 재료분말과 함께 가열하고, 유리 전이점 이상 융점이하에서 물엿 상태로 발포시키는 것을 특징으로 하는 고물성 발포 세라믹스의 제조법.
   
2. 이산화규소의 함유율이 55∼70중량%인 보리밥 돌가루 분말에 5∼20중량%의 유리 프리트 혹은 동등의 나트륨 성분을 포함하는 원료를 혼합하고, 이것을 균일 혼합된 발포 재료 분말과 함께 가열하고, 유리 전이점이상 융점이하에서 물엿 상태로 발포시키는 것을 특징으로 하는 고물성 발포 세라믹스의 제조법.
3. 현무암질 화성암이, 대한민국 제주도(濟州島)의 화산분출물인 청구항 1기재의 고물성 발포 세라믹의 제조법.
4. 가열의 수단이, 강력한 적외선 조사인 청구항 1∼3기재의 고물성 발포 세라믹스의 제조법.
5. 가열 발포시키기 이전의 해당혼합 재료를 윗면이 오목한 면이 되도록 얇은 판상으로 되게 형성해 두고, 알맞게 과열 발포시키는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼3기재의 고물성 발포 세라믹스의 제조법.
6. 가열 발포시키기 이전의 해당혼합 재료를 밑면이 볼록한 면이 되도록 얇은 판상으로 되게 형성해 두고, 알맞게 과열 발포시키는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼3기재의 고물성 발포 세라믹스의 제조법.
7. 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를, 측면이 위로 넓어지게 원추상이 되도록 형성해 두고, 알맞게 과열 발포 시키는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼3기재의 고물성 발포 세라믹스의 제조법.
8. 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료를, 그 이상으로 내열성이 있는 용기체에 넣어서 가열 발포시켜, 냉각후에 탈(脫)형 하지 않고 용기체 마다 제품화하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼3기재의 고물성 발포 세라믹스의 제조법.
9. 가열 발포시키기 이전의 해당 혼합 재료중에 그 이상으로 내열성이 있는 세단섬유를 혼합해서 하는 청구항 1∼3기재의 고물성 발포 세라믹스의 제조법.
10. 세단섬유가, 현무암질 화성암으로 이루어지는 것인 청구항 9기재의 고물성 발포 세라믹스의 제조법.