KR970010288B1 - 건축용 무기다결정질 인조석재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

[발명의 명칭]

건축용 무기다결정질 인조석재 및 그 제조방법

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 자연을 훼손하지 아니하는 범위에서 무한정 얻을 수 있는 토분(토분土粉), 산업활동에서 불가피하게 발생되는 폐석과 잡석으로부터 얻어진 석분(石粉), 그리고 파유리 등의 무기질 재료를 하여 각종 건축산업에 유용하게 활용할 수 있는 인조석재 재조분야에 해당하는 기술이다.

더욱 상세하게는, 토분(土粉), 석분(石粉), 그리고 파유리등을 기본재료로 하고 일부의 무기결합체 및 무기착색제를 균일하게 혼합하여 준비하고, 준비된 재료의 물리적, 화학적특성 내지는 무기착색제에 의한 색상별 구별되는 것을 규칙, 불규칙하게 적층시켜 가압성형하는 과정과 소결공정(燒結工程)을 거쳐 제조된 고강도, 고품위의 건축용 무기다결정질 인조석재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

[발명의 배경]

본 발명에 의해 제조된 무기다결정질 인식석재의 이용분야는 건축용으로 활용하는데 이상적으로 물리적특성과 화학적특성 그리고 시각적인 외관의 미강의 증대를 가져오는데 있다. 이에 건축물에 석재를 활용함에 있어서는 일반적으로 건축물의내장벽재, 외장벽재, 기둥벽재, 바닥재, 각종장식품, 위생용품, 주방용품등으로 석재가 활용되고 있다.

상기와 같은 건축용 석재로서는 천연석재인 대리석 및 화강암등이 많이 사용되고 있으나, 천연산 석재를 사용하므로 천연자원의 고갈 및 성태계의 파괴를 유발시킴에 따라 채석에 한계가 있는 원재료의 수급과정에 문제점이 있다.

한편, 천연석재의 경우는 강도가 비교적 낮기 때문에 축조된 건물의 안전성과 가공된 천연석재의 관리에 대한 안정감을 고려하여 자재의 두께를 비교적 두껍게 유지해야 하는 조건이 요구된다.

또, 건축용으로 활용함에 있어서는 상기와 같이 필요 이상의 두께가 요구됨에 따라 석재의 중량화가 불가피한 결점을 내포하고 있다.

또한, 천연석재 조직의 특성상 건축물의 모서리부위에 적용되는 곡면가공이 난해하거나 거의 불가능하고, 천연석재의 형상 및 품질이 산지의사정에 따라 좌우되므로 양질의 원하는 량만큼 동질, 동질외관, 동일형상과 크기로 얻는 것이 불가능한 문제점이 있기 때문에 건물의 다양한 설계 및 시공에 제한을 받고 있는 실정이다. 그리고, 제품의 가격이 고가인 결점이 있었다.

따라서, 건축용 석재로서 상기와 같은 천연석재에 단점을 보완하고, 천연석재와 같은 외관은 물론 물성(物性)을 갖는 무기질 재료를 활용한 일면 인조석재에 대한 연구개발이 계속되어 오고 있다.

최근에 인조석재를 사용용도별, 기능별, 특성별로 각종 특이조성 내지는 제조방법에 대해 개발완성되어 일부는 현장에 활용되고 있거나 문헌으로 소개되고 있다.

특정한 기능을 갖는 유형의 인조석으로서는 원적외선을 발산할 수 있는 무기질 화학성분으로 조성된 인조석이 있고, 초고온에서의 내구성과 단열성을 갖도록 하기 위해 용융점이 높은 화학성분을 주체로 한 인조석이 있고, 건축물조용도로 활용할 수 있는 시멘트를 주재료로 함과 무기혼화제를 활용하여 고강도를 띠는 인조블럭도 있고, 또, 경량, 단열기능을 갖도록 하기 위해 다공질 조직을 갖는 인조석 등이 소개되고 있다.

이와 같은 형태의 인조석에 관련한 국내의 특허문헌은 많이 소개되고 있으나 그에 대한 상세 기재는 생략하기로 한다.

이들 인조석에 관한 제반 기술은 각기 화학조성의 특이성이나 제조방법에 특이성이 있고, 각기 사용용도별, 기능별, 물리, 화학적 특성을 충족시키기 위한 연구결과임을 확인할 수 있었다.

본 발명의 적용분야에 해당하는 건축물에 전용할 수 있는 인조석재로서는 특허공고 제94-6415호 건축용 소결인조석 및 그 제조방법으로 소개되고 있으며, 또, 특허공고 제94-1651호 화강암 조제 인공석에도 소개되고 있다. 이 경우, 천연석재와 같은 물성을 도달하기 위한 기술내용이므로 다양한 외관적인 장식 효과유발에 한계가 있음과 아울러 양산성이 낮고, 제조단서가 높음과 해당분야에 활용시 가공성이 낮은 결점이 있었다.

[발명의 목적]

본 발명의 목적은 무한한 재료이면서 폐기물에 해당하는 무기질 재료를 재활용하여 고급품위의 건축용 인조석재로서 환경훼손 방지 및 저렴한 단가로 보급할 수 있는 건축용 무기다결정질 인조석재의 제조방법을 제공하기 위함과, 천연석재와 같거나 증대된 물리적, 화학적 특성을 갖는 제품 제공을 위함과, 건축의 설계와 구조에 따라 임의 선택 시공할 수 있는 다양한 질감과 외관을 인위적으로 조각 제조하여 다양한 무늬, 색상을 갖는 제품과 제조방법을 제공함에 있으며, 또, 제조공정의 단순화를 꾀하여 최소의 제조단가로 가공성이 우수한 제품 제공을 본 발명의 목적으로 하여 많은 실험과 시행착오를 거쳐 완성한 것이다.

[발명의 요약]

본 발명의 자연의 훼손없이 무한히 수급 가능한 무기질 재료인 토분과 석분 내지는 무기질 폐기물을 활용함에 기술목적이 있는 만큼 채취 내지는 수집된 무기질 재료를 미립상태로 분말화로 준비하고 각각 적정범위의 화학조성을 갖도록 배합하여 일정량의 무기결합제를 첨가시켜 혼련된 재료에 무가착색제를 첨가하여 균일하게 혼합하여 무기착색제의 색상종류별 구분되게 분말상태의 원재료(무기질 분말재료)를 준비하고, 해당 무기질 분말재료에 대해 가압성형공정과 소결공정을 수행함에 있어서, 본 발명의 가압성형공정으로는 가압성형틀에 건식 또는 습식에 의한 무기질 분말재료를 규칙, 불규칙 적층시키는 단계와, 1차 가압성형 또는 소결과정에서 2차 가압성형하는 단계와, 소결공정으로는 마이크로웨이브에 의한 가열로에서 700∼1000℃ 온도에서 일정시간동안 예비소결과 900∼1350℃ 온도에서 일정시간 유지시키는 본 소결과정을 거쳐 품온이 500℃까지는 40∼50℃/min의 냉각 1단계와 이하의 온도는 자연냉각으로 무기다결정질 인조석재가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제조공정에서 본 발명은 기본재료에 첨가한 무기착색제의 종류에 따라 구분하여 준비된 무기질 분말재료의 가압성형틀에 대한 적층상태가 층상 규칙 또는 불규칙한 층상으로 적층배치함에 따라 완제품의 외관적인 색상의 배열이 달라지고 주문자 요구에 따라 무늬와 색상이 다른 어떤 형태로든지 가능하게 함에 그 특징이 있다.

그리고, 본 발명에 의해 제조된 제품을 요구되는 규격에 따라 절단하여 마무리가공에 해당하는 마광처리 또는 굴곡처리를 거치게 되고, 또, 제조된 제품에대한 절단방향에 따라 그 얻어지는 제품의 외관적 질감을 달리할 수 있게 함이 그 특징이다.

이하, 본 발명을 완성하기까지 여러 실시예에 따른 실험결과치에 따라 상세한 내용을 다음과 같이 설명한다.

[발명의 구체적인 설명]

본 발명은 상기 기술목적에서 기재한 바와 같이 기본재료를 토분, 석분, 유리분 그리고 기타 채취수집된 무기질 재료를 기본으로 하여 산업사회에서 폐기물 재활용과 자연상태계 유지를 그 목적으로 하는 만큼 국내에 산재해 있는 점토와 자갈 그리고 건축물 파쇄에서 얻어지는 콘크리트 잔해물 그리고 파유리를 활용하게 되었다.

본 발명에 동원되는 원재로로서, 토분이란, 진흙(점토), 자기토, 카울리나이트(고령토), 할로이사이트, 피로필라이트, 마이올리카점토(Maiolica clay), 그레스점토(gres clay)등이 있으며, 각 화학조성에 따라 구분되어지는 토질(土質) 전반을 그 대상으로 무작위 50∼350mesh 범위의 입경을 갖도록 분쇄된 미립상태로 준비된 것을 말한다. 석분이란, 모래와 자갈 및 콘크리트 파쇄물, 그리고 채광할 수 있는 규석, 석회석, 장석, 형석, 대리석, 화강석, 현무암 도석(陶石)등 화학조성에 따라 종류별 구분되어지는 광물의 전반을 그 대상으로 함과, 화력발전소에서 산업폐기물로 생성되는 플라이애쉬(Fly Ash)와, 버텀애쉬(Bottom Ash) 등의 산업활동에서 발생되는 무기질 재료를 포함하여 50∼350mesh 범위의 분말로 분쇄된 상태를 말한다. 유리분이란, 판유리, 관유리, 병유리 등의 유리제품 생산시 또는 유통과정에서 발생되는 재활용을 위한 분리가 어려운 상태의 것 전부를 그 대상으로 하여 50∼350mesh 범위의 분말로 분쇄된 상태를 말한다.

또, 본 발명에서 상기와 같이 무기질 분말재료에 대해 첨가하는 무기결합제는 성형 및 소성시 각 혼합물 성분의 결합이 용이하도록 하기 위한 것으로서 무기결합제는 메타인산, 테트라인산, 트리인산 등의 인산과, 알카리염, 인산알카리토류염, 인산알루미늄 등의 인산염등을 사용할 수 있다.

또, 본 발명에서 최종제품인 인조석의 용도가 건축용 재료로서 사용되는 만큼 장식적효과를 중요내용으로 하는 것으로 상기와 같은 무기질 분말재료에 대한 착색제로서는

적색 : 산화철,

백색 : 산화주석, 산화티탄,

흑색 : 산화구리, 산화이리듐,

녹색 : 산화크롬, 중크롬산칼륨,

청색 : 산화코발트, 산화구리

자색 : 산화망간,

갈색 : 산화니켈, 산화망간,

회색 : 산화이리듐, 염화백금,

황색 : 산화안티몬, 산화우라늄,

등을 주성분으로 뚜렷한 색상을 가질 수 있도록 화학조성으로 이루어진 시판용 무기착색들이 동원된다.

제조공정

국내에서 수집한 흙과 채취수집된 석재 여러종류와 파유리를 수집하여 볼밀(Ball mill)에서 수분을 첨가하면서 분쇄하여 입도 250mesh 통과분의 무기질 분말을 준비하였다.

상기 무기질 분말을 준비함에 있어 전체 중량에 대해 토분은 40중량부로 석분은 45중량부 그리고 유리분 5중량부 및 콘크리트 잔해물 10중량부 비율로 혼합 및 분쇄를 준비된 것이다.

이와 같은 무기질 분말재료의 대체적인 화학조성은 RO₂계 산화물(R은 주로 R₂O₃계 산화물(R은 주로 Al 또는 Fe), RO계 산화물(R은 주로 Mg 또는 Ca)로 이루어진 것임을 확인할 수 있었다.

그 대체적인 화학조성은 표 1과 같은 조성범위가 본 발명의 무기다결정질 인조석을 제조하는데 적합한 것으로 확인할 수 있었다.

으로 여러실험을 통해 결정되었으며, 상기 표 1)에서 기재된 나머지 화학조성은 정도 이하의 미량의 불가분적인 성분으로 인조석의 최종제품에 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다.

즉, 본 발명에서 사용되는 기본재료는 기본적으로 쉽게 채취할 수 있는 흙과 자투리 석재 그리고 파유리 및 건축물 잔해를 활용하되 각기 분말을 혼합하는 비율은 특별히 관리의 대상이 되지 아니하고, 혼합된 전채 무기질 분말의 화학조성은 상기 표 1)과 같은 범위로 조성된 것을 본 발명의 원재료로 함이 바람직한 최종제품을 얻을 수 있었다.

여기서, 표 1)과 같은 화학조성범위를 결정함에는 본 발명의 최종제품인 소결인조석을 실현하는데 물리적, 화학적 특성을 충족하는데 적당한 것을 나타냈다.

상기와 같이 준비된 무기질 분말에 대해 무기결합제 5∼10WT%를 첨가하고, 일정량씩 별도 구분되어 준비된 무기질 분말에 무가착색제를 색상별로 각각 10WT% 이하 첨가하여 균일한 분포를 갖도록 교반하여 본 발명에 기본재료인 소결용 무기질 분말재료의 준비를 완료한다. 이 과정에서 사용되는 분쇄기, 교반기(고속회전믹서기, 더블새프트믹서기 등) 등은 기존의 인조석재 제조를 위한 설비와 같은 것을 활용할 수 있다.

상기와 같이 준비된 소결용 무기질 분말재료에 대한 주요특징기술인 소결과정은 다음과 같이 이행한다.

압력 100kg/㎤ 이상 가압력을 지닌 가압형틀내에 분말상태의 색상별 구분되게 준비된 소결용 무기질 분말재료를 규칙 또는 불규칙하게 배치적층시킨후 1차 가압성형한다. 여기서, 완성된 제품의 색상별 층상구조에 따라 인위적으로 적층배치와 적층량을 달리할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 1차 가압성형된 것을 마이크로웨이브 가열로를 활용하여 무기질 분말재료가 소성변형이 어느정도 진행될 수 있는 정도의 700∼1100℃가 되도록 예비소결을 진행하고, 다시, 압력 100kg/㎤ 이상의 가압력으로 제2차 가압성형을 이행한 후 900∼1350℃ 온도가 도달시킨후 5∼10분 정도 유지시키는 본 소결을 이행한다. 이때, 예비소결후 제2차 가압성형을 이행함은 일부 진입된 유기질의 산화작용 내지는 내부에서의 화학반응으로 다공질의 조직이 되는 것을 방지하여 조밀조직화를 위한 것이다.

또, 본 소결을 이행함에 있어서는 일부 소결용 무기질 분말재료의 화학조성에서 용융점의 차이로 인해 제품 조직의 불균형 현상을 최소화를 위해 본 소결온도 유지시간의 제한이 필요하다.

이와 같이 본 소결온도 도달과 유지시간이 경과된 후에는 냉각과정에서 품온이 500℃까지 40∼50℃/min로 1단계 냉각을 수행후 자연냉각에 의한 2단계 냉각으로 제품제조를 완료한다. 여기서, 1단계 냉각에서 냉각속도의 제한은 가열소결시 융제역할을 하는 비교적 용융온도가 낮은 실리카계 화학조성은 안정된 결합관계아 무기결합계의 소성강도증대를 가져오게 되는 것으로 확인되었다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 제조공정에 공정별 조건결정이 있기까지 그 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다.

[실시예]

본 실시예는 많은 실험 및 제조과정을 거친 결과를 전체적으로 정리하여 설명하기로 한다.

(무기질 재료의 준비공정)

일반논에서 채취한 흙과 경기도 이천에서 수집한 자기토를 토분의 재료로 준비하고, 대리석 및 자갈, 모래의 석분의 재료로 준비하였다. 준비된 재료를 각각 볼밀에서 분말로 미분쇄하여 약 250mesh의 결정입자 분말로 준비하였다.

상기와 같이 각각 준비된 분말재료인 토분 35∼45중량부, 석분 40∼50중량부와, 콘크리트 잔해물 8∼15중량부 및 유리분말 4∼7중량부의 범위내에서 고속회전믹서기에서 약 1시간동안 믹성하였다. 그에 따른 대체적인 화학성분조성은 여러 구별된 것을 분석한 결과 표 2)와 같이 나타났다.

상기 표 2)의 무기질 분말재료에 무기결합제를 약 6WT%, 첨가함과, 구분되어진 시료 각각에 색상을 달리하는 무기착색제를 8WT%를 첨가하여 고속믹서기에서 30분정도 균일분포를 갖도록 믹싱하였다.

상기와 같이 준비된 무기질 분말재료에 무기결합제와 무기착색제를 첨가하여 준비된 것을 압력 150kg/㎤의 가압형틀 내부(1m×1.5m)에 무기착색제별 구분된 무기질 분말재료를 불규칙적으로 건식방법에 의해 배치적층시킨후 각 시료별 각각 제1차 가압성형하였다.

성형완료된 상태에서 마이크로웨이브 가열로에서 중심부까지의 품온이 950℃가 되도록 예비소결을 행한후 지체시간이 거의 없이 다시 압력 150kg/㎤ 가압력으로 제2차 가압성형하였고, 이때 부피의 변화는 5% 이내에서 됨을 확인할 수 있었으나, 이는 토분, 석분, 유리분, 기타 무기질 폐자재에 혼합된 유기물의 함량정도에 따라 달라질 수 있는 것으로 보여진다.

한편, 예비소결후, 가압성형은 제조완료된 제품의 조직조밀화로 강도증대를 위한 수단으로 동원되는 것이다.

이와 같이 제2차 가압성형후, 마이크로웨이브 가열로에서 품온이 온도 1150℃ 도달되도록 가열하여 약 7분 정도 유지시켰다.

그리고, 냉각장치에서 냉각속도 42℃/min로 품온이 500℃ 도달시까지 1단계 냉각을 수행한 후 곧바로 자연냉각으로 2단계 냉각시켜 제품제조를 완료하였다.

한편, 상기 표 2)와 같이 준비된 것에 무기결합제 및 무기착색제를 혼합한 재료를 물 약 2WT% 정도씩 첨가하면서 프레스로라에서 시트상으로 성형하여 가압성형틀에 습식에 의해 색상별 구분된 재료를 적층을 이행한 후 상기와 동일조건으로 제조하였다.

이와 같이 제조완료된 제품의 물리적특성을 살펴본 결과 표 3)과 같이 나타남을 알 수 있었다.

※ 측정방법은 KSL1001 및 1591에 의해 실시한 후 대체적인 평균치를 나타냈음.

상기 표 4)에서 나타난 바와 같이 본 발명품은 건축용 용도의 석재로 사용함에 요구되는 비중(g/㎤), 굽힘강도(kgf/㎤), 열팽창률(×10 /℃), 흡수율(%)에서 천연석재보다 우수한 것으로 나타남은 물론 타종류의 인조석재와 기본재료 수급 문제에서 구애됨이 없이 활용하는 본 발명품의 것이 대등하거나 우수한 것으로 나타났다.

한편, 본 발명 제품의 화학적특성 역시 기존의 무기질 재료를 이용한 소결인조석의 특성에서 알 수 있듯이 내식성이 매우 우수함을 확인할수 있다.

그리고, 본 발명품의 주요 특징적인 것은 일정크기로 소결된 인조석(1m×1.5m)의 원제품을 절단공정을 통해 판재로서 가공하여 건축용 석재로 활용함에 있어 절단의 방향에 따라 일률적인 색상적층구조를 갖는 제품을 얻게 되고, 또 장식적효과를 증대시키기 위함과 주문자가 요구되는 색상 및 색상의 구도와 배치 배열을 임의조작 관리하여 제품제조를 이행할 수 있게 됨에 가장 이상적인 고품위의 건축용 자재를 보급할 수 있다.

상기 건식방법에 의한 무기질 분말재료에 배치는 층상간에 무기질 착색제의 혼합이 이루어져 불분명한 색상띠를 갖게 딤을 알 수 있었고, 또, 습식방법에 의한 무기질 분말재료를 적층시킨 경우 색상별 배치층상이 완제품에서 뚜렷하게 구분되어진 외관을 갖게 됨을 확인할 수 있다.

따라서, 상기와 같은 건식, 습식방법의 활용으로 어떤 형태의 색상배치의 무늬 소결인조석재 제조가 가능하게 되어 천연석재의 종류별 무늬조작 내지는 건축물의 내부장식에 알맞는 무늬와 색상으로 제조할 수 있게 되는 주된 특징을 갖고 있는 것이다.

또, 소결공정을 거쳐 완성된 제품을 절단하여 후가공으로 마쇄, 마광을 하게 되면 파유지 내지는 실리카계 성분에 의해 미려하고 매끄러운 표면을 갖는 제품을 얻을 수 있게 되는 한편, 후가공으로 쇼트피니싱 가공을 이행하게 되면 무기다결정질로 이루어진 제품은 각 조성별 층상간의 물리적특성의 차이에 의해 요철을 갖는 표면으로 자연미를 부각시킬 수 있었다.

특히, 본 발명에 의한 재료를 활용하여 석조물 자재로 활용하는 경우, 더욱 제품성에 증대시킬 수 있는 재료로서 활용가치가 크다고 할 것이다.

즉, 본 발명을 실행하므로 인해 산업사회에서 발생되는 무기질 폐자재를 활용함과 자연훼손없이 수급이 가능한 무한한 재료인 각종 토분 및 석분을 활용하여 천연석보다 우수한 물리, 화학적 특성을 갖춘 건축용 자재로 보급하게 되고, 특히 기존의 어떤 형태의 석재보다도 외관적인 색상과 무늬를 인위적으로 조절 제조하여 최상의 장식적효과를 유발시킬 수 있는 무기다결정질 인조석재를 제공하게 된 것이다. 이는 건축용 용도는 물론 공예품제조용도 및 가구제조용도로 활용도가 광범위한 것으로서 환경보존의 역할과 제조공정의 단순화로 저렴한 자재보급을 실현하게 된 것이다.

Claims (4)

1. 산화물인 RO₂계(R은 주로 Si) 42∼65WT%, R₂O₃계(R은 주로 Al, Fe) 22∼43WT%, RO계(R은 주로 Mg, Ca) 0.2∼2.2WT%, 나머지 필수광물조성으로 이루어진 무기질 분말재료에 적당량의 무기결합제 및 무기착색제를 첨가시켜 100kg/㎤ 이상의 가압성형과 700∼1100℃에서 예비소결 및 900∼1350℃에서 본 소결과정을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 건축용 무기다결정질 인조석재.
2. 산화물인 RO₂계(R은 주로 Si) 42∼65WT%, R₂O₃계(R은 주로 Al, Fe) 22∼43WT%, RO계(R은 주로 Mg, Ca) 0.2∼2.2WT%, 나머지 필수광물조성으로 이루어진 무기질 재료를 50∼350mesh로 분말화하여 무기질 분말재료를 준비하는 제1공정과, 해당 무기질 분말재료에 무기결합제를 5∼10WT% 첨가하고 이를 다시 무기착색제를 10WT% 이하 첨가하여 색상별 구분시켜 준비하는 제2공정과, 제2공정으로 얻어진 것을 100kg/㎤이상의 가압성형틀에 색상별 구분된 재료로 규칙, 불규칙적으로 배치적층시켜 성형하는 제3공정과, 제3공정으로 성형공정을 거친 것에 대해 품온이 700∼1100℃이 되도록 하여 예비소결하는 제4공정과, 예비소결된 것에 대해 제2차 가압성형한 후 품온이 900∼1350℃ 도달되어 5∼10분 정도 유지시키는 본 소결을 이행하는 제5공정과, 소결공정을 거친 것에 대해 품은 500℃도달까지 냉각속도 40∼50℃/ min으로 1단계 냉각과 자연냉각시키는 제6공정으로 소결인조석을 제조하고 후가공으로 절단 및 표면가공하여 제조완료하게 되는 일련의 공정을 특징으로 하는 건축용 무기다결정질 인조석재의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 무기질 분말재료를 분말상태로 가압성형틀에 일정두께와 배치관계로 적층시키는 건식방법으로 제3공정을 수행하게 되는 것을 특징으로 하는 건축용 무기다결정질 인조석재의 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 무기질 분말재료에 적당량의 물을 혼입하여 시트상 재료로 구현하여 가압성형틀에 적층시키는 습식방법으로 제3공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 건축용 무기다결정질 인조석재에 제조방법.