KR100729677B1 - 다공질 세라믹 및 이것의 제조방법 - Google Patents

Abstract

반지름이 300 내지 4000 nm 인 미세 구멍이 전체 미세 구멍 용량의 90% 이상을 차지하는 연속 미세 구멍 구조를 가지는 다공질 세라믹이 제공된다. 상기 다공질 세라믹은 폐기물을 주 성분으로, 골재 및 접합재를 포함하는 원료를 건조하는 제1 단계를 포함하는 방법으로 제조된다. 제2 단계에서, 상기 제1 단계에서 건조된 원료를 혼합한다. 제3 단계에서, 상기 제2 단계에서 얻은 혼합물에 물을 첨가한다. 제4 단계에서, 상기 제3 단계에서 얻은 물-첨가 혼합물을 사출성형한다. 제5 단계에서, 상기 제4 단계에서 얻은 중간 성형체를 소성한다.

다공질 세라믹, 미세 구멍, 폐기물

Description

다공질 세라믹 및 이것의 제조방법{POROUS CERAMIC AND METHOD FOR MANURACTURING THE SAME}

도 1은 시험예 1의 벽돌 블럭 내의 미세 구멍 분포를 설명하는 그래프이고,

도 2는 비교예 1의 벽돌 블럭 내의 미세 구멍 분포를 설명하는 그래프이다.

본 발명은, 예를 들어 도로용 포장재, 외벽 구성용 벽돌 블럭 및 타일, 및 세라믹 골재 등의 재료를 이용하는 폐기물을 주성분으로 사용하여 제조되는 다공질 세라믹에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 다공질 세라믹의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 빠르게 증가하고 있는 산업 폐기물 및 폐 소각재의 처리가 주요 사회적 이슈가 되고 있다. 산업 폐기물 및 폐 소각재의 재활용 촉진에 시급한 요구가 있다. 그러한 산업 폐기물 및 폐 소각재를 재활용하여 만들어지는 다공질 세라믹 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 그러한 타입의 다공질 세라믹은 널리 알려져 있다(예를 들어, 일본 공개특허공보 2004-217495호). 상기 특허공보에 개시되어 있는 다공질 세라믹은, 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 및 칼슘(Ca)을 가진 화합물을 50 질량% 이상 함유하는 분말(powder)(폐기물), 1000℃ 이상의 내열성이 있는 골재 및 접합재로 구성된 원료에 물을 더하고 혼합하는 제1 단계를 포함하는 방법으로 제조된다. 제2 단계에서는, 제1 단계에서 얻어진 혼합물을 성형하여 소정 형태의 중간 성형체를 얻는다. 제3 단계에서는, 제2 단계에서 얻어진 중간 성형체를 소정 온도에서 소성한다. 제1 단계에서 더하는 물의 양은 혼합물의 질량에 대하여 20~30 질량% 이다.

분말(폐기물)의 구체적 예로는, 하천이나 정수장 등에서 퇴적된 슬러지 등의 미소성(non-fired) 분말, 및 소각된 재, 세라믹 폐기물 재 및 화산재 등의 다양한 타입의 소성 분말이 포함된다. 1000℃ 이상의 내열성을 가지는 골재의 구체적 예에는 지붕 폐 타일, 맷돌 부스러기, 열풍로 슬래그, 용융 슬래그 및 화성암 등의 토기를 부숴서 얻어지는 샤모트(chamotte)가 포함된다. 접합재의 구체적 예로는, 다양한 타입의 점토 및 규산 나트륨이 포함된다. 다공질 세라믹에는 수 마이크로미터에서 1mm 의 반지름을 가지는 불규칙적인 연속하는 미세 구멍이 있다.

도로 포장을 위한 재료로 사용하는 경우, 다공질 세라믹은 빗물을 흡수하고 내부에 이를 유지시키고 그 유지된 수분의 기화열을 이용하여 도로 표면 온도의 증가를 제어하는 기능이 요구된다. 다시 말하면, 다공질 세라믹은 우수한 흡수능력 및 우수한 보수능력을 가져야 한다.

그러나, 상기 설명한 종래 기술의 다공질 세라믹에서는 충분한 흡수능력 및 보수능력을 보장하는 것이 어렵다. 종래 기술의 다공질 세라믹은 그 반지름이 수 마이크로미터에서 1mm 까지의 매우 넓은 범위를 가지고 있기 때문에, 상당히 큰 반 지름(예를 들어, 1mm 정도)를 가지는 구멍이 많이 있는 것으로 여겨진다. 이것은 흡수된 물이 그 구멍을 통해 빠져나가는 결과를 가져온다.

따라서, 본 발명의 목적은 향상된 흡수성 및 보수성을 가지는 다공질 세라믹 및 그러한 다공질 세라믹의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 측면은 다수의 미세 구멍이 있는 다공질 세라믹이다. 상기 미세 구멍은, 수은압입법으로 측정한 경우, 반지름이 300 내지 4000 nm의 미세 구멍이 전체 미세구멍 용량의 90% 이상을 점유하는 미세 구멍 반지름 분포도를 가진다.

상기 다공질 세라믹에서는, 미세 구멍은 반지름이 300 내지 4000 nm인 미세 구멍이 전체 미세구멍 용량의 90% 이상을 점유한다. 미세구멍 반지름의 범위는 상기 종래 기술의 다공질 세라믹(수 마이크로미터 내지 1mm)보다 상당히 협소하다. 300 내지 4000 nm 범위의 반지름을 가지는 미세 구멍은 충분한 흡수량 및 흡수된 수분을 일시적으로 통과시키지 않고 그 내부에 유지하는 기능을 보장한다. 따라서, 그러한 방식(전체 미세 구멍 용량의 90% 이상)으로 동작하는 다수의 미세 구멍으로 형성된 본 발명의 다공질 세라믹은 충분한 흡수성 및 보수성을 보장한다.

본 발명의 더 다른 측면은 원료로서의 물, 골재, 및 접합재를 건조시키고, 물을 추가하지 않고 상기 건조 후에 상기 원료를 혼합하고, 그 혼합으로 얻어진 혼합물에 물을 더하고, 여기에서 얻어진 물-첨가 혼합물을 압출 성형하여 중간 성형체를 얻고, 상기 압출 성형으로 얻어진 중간 성형체를 소성하는 단계를 포함하는 다공질 세라믹 제조 방법이다.

상기 방법에서, 물, 골재 및 접합재 성분들로 구성되는 원료를 건조시킨다. 그 다음, 상기 성분을 물을 추가하지 않고 혼합한다. 즉, 상기 성분들을 건식-혼합하여 균일한 혼합체가 되게 한다. 따라서, 본 발명은 이들 성분들을 원료에 다량의 물을 추가하면서 혼합하는 소위 습식-혼합을 사용함으로써 성분들의 비-균일 혼합을 일으키고 흡수성 및 보수성을 떨어뜨리는 종래 기술의 문제점이 방지된다. 즉, 본 발명의 제조 방법에서는, 혼합시 각 성분들이 모이지 않고 균일하게 혼합된다. 이것은 소성 과정에서 성분들간의 열수축율 차이를 줄여준다. 그 결과, 소정 크기의 다수의 미세 구멍을 가지는(전체 미세구멍 용량의 90% 이상)것으로 얻어진 다공질 세라믹은 일시적으로 흡수된 수분을 최적으로 유지한다. 그러므로, 본 발명의 제조 방법에 따라 얻어진 다공질 세라믹은 흡수성 및 보수성이 확실히 향상된다.

본 발명의 다른 측면 및 장점들은 본 발명의 원리를 단지 예로써 설명하는, 첨부된 도면을 참고하는 이후 상세한 설명을 통해 분명해질 것이다.

지금부터 본 발명의 양호한 실시예에 따른 다공질 세라믹을 설명한다.

양호한 실시예의 다공질 세라믹은 물, 골재 및 접합재를 원료로 제조된다. 이 다공질 세라믹은 도로 포장 및 외벽을 형성하는 벽돌 블럭이나 타일의 재료로 사용된다.

폐기물은 다공질 세라믹을 위한 원료에 있어서 주성분으로서 포함되며 소성 을 통한 열수축이 있는 경우 다공질 세라믹 내에 많은 구멍을 형성한다. 본 명세서에서 사용되는 "주 성분"이란 용어는 원료중에 50% 이상 함유된 성분을 언급하는 것이다. 이러한 타입의 폐기물의 구체적 예로는 제지 슬러지, 목재 등의 소각된 재, 하천이나 정수장 등에 퇴적토나 슬러지, 세라믹 폐기물 점토, 및 화산재가 포함된다. 이러한 폐기물들은 단독으로 사용되거나 또는 2종 이상 혼합하여 사용된다.

상기 원료 내의 폐기물의 함유량은 50 내지 70 질량% 이며 적절하게는 50 내지 60질량% 이다. 만약 상기 원료 내의 폐기물의 함유량이 50질량% 미만인 경우에는, 다공질 세라믹 내에 충분한 갯수의 미세 구멍이 형성될 수 없다. 이것은 요구되는흡수율 및 보수율 보장을 어렵게 한다. 만약 원료 내의 폐기물 함유량이 70질량% 이상이 되는 경우에는, 다공질 세라믹 내에 너무 많은 미세 구멍이 형성된다. 이것은 다공질 세라믹의 강도를 약화시킨다.

다공질 세라믹이 요구되는 강도 및 내열성을 가지기 위해서 골재가 포함된다. 이러한 타입의 골재의 구체적인 예로는, 샤모트, 도기파편 분말, 철강 슬래그, 소각처리 슬래그, 부서진 퇴적암, 부서진 변성암, 및 부서진 화성암이 포함된다. 상기 샤모트의 예로는, 불량 지붕 타일 제품을 부수어 얻어지는 지붕 타일 샤모트 등일 수 있다. 도기파편 분말의 예로는, 부숴진 타일, 지붕 타일, 유리 및 위생 도기 등일 수 있다. 철강 슬래그의 예로는, 서냉(slow-cooled) 슬래그, 물 입자로 된 슬래그, 전로 슬래그, 및 전기로 슬래그 등일 수 있다. 소각처리 슬래그의 예로는, 하수 슬러지 용융 슬러그, 다양한 타입의 폐기물의 소각처리 슬래그, 및 하수 슬러지 소각처리 슬래그 등일 수 있다. 퇴적암의 예로는, 역질암, 사암, 루타이트(lutite) 및 응회암 등일 수 있다. 변성암의 예로는, 혼펠스(hornfels), 천매암, 편암, 편마암 및 대리암 등일 수 있다. 화성암의 예로는, 현무암, 조면암, 섬록암, 반려암, 분암, 휘록암, 휘석 안산암 및 석영안산암 등일 수 있다. 다른 골재로는 석탄재, 클링커재, 하수 소각재, 및 부숴진 경량기포콘크리트(ALC) 가 포함되기도 한다. 이들 골재는 단독으로 또는 2종 이상으로 혼합되어 사용된다.

원료의 골재 함유량은 20 내지 30질량% 이며, 바람직하게는 25 내지 30질량% 이다. 만약 원료의 골재 함유량이 20질량% 미만이라면, 다공질 세라믹의 충분한 강도 및 내열성을 보장하기 어렵다. 만약, 원료의 골재 함유율이 30질량% 를 초과한다면, 원료의 성형성이 떨어진다.

접합제는 원료중의 각 성분을 접합하기 위해 함유된다. 이러한 접합제 타입의 구체적 예로는, 카올리나이트 점토, 몬로릴로나이트 점토, 견운모 점토, 헬로이사이트 점토, 피로필라이트 점토, 및 벤토나이트 점토 등의 다양한 점토, 및 에틸렌-비닐 아세테이트 중합체(EVA), 폴리비닐 알코올(PVA), 에폭시 수지, 아크릴 수지, 페놀릭 수지, 요소 수지, 및 멜라민 수지 등의 수지가 포함된다. 다른 예로는, 다양한 세멘트, 규산 나트륨, 녹말, 및 글루텐이 있다.

원료 중의 접합재의 함유량은 5 내지 30질량% 이며, 바람직하게는, 20 내지 30질량% 이다. 원료 중의 접합재의 함량이 5% 미만인 경우에는, 각 성분들이 충분히 섞이지 않는다. 이것은 재료의 밀도를 떨어뜨리며 다공질 세라믹이 충분한 강도를 가질 수 없게 되는 가능성을 높여준다. 만약 원료 중의 접합재의 함량이 30 질량% 를 초과하는 경우에는, 각 성분을 섞는데 있어서 향상된 효과를 기대할 수 없다. 따라서, 접합재를 초과 사용하는 것은 낭비이며 경제적이지 못하다.

원료에 산화 칼슘을 함유시키는 것이 바람직하다. 산화 칼슘은 다공질 세라믹에 함유되어서 다공질 세라믹의 알칼리 도(pH)를 높여서 그 표면에 이끼 및 곰팡이가 끼는 것을 최적으로 막아준다. 원료 중의 산화 칼슘의 함량은 0.1 내지 1.0질량% 이며, 바람직하게는 0.4 내지 1.0질량% 이다. 만약 원료 중의 산화 칼슘의 함량이 0.1질량% 미만인 경우에는, 알칼리 강도가 충분히 증가하지 못하며, 이끼 및 곰팡이가 끼는 것을 막는 효과가 나빠진다. 만약, 원료 중의 산화 칼슘 함량이 1.0질량% 를 초과하게 되면, 향상된 효과는 기대할 수 없다. 따라서, 산화 칼슘을 너무 많이 사용하는 것은 낭비이며 경제적이지 못하다.

양호한 실시예에서, 원료에 색소, 발포제, 및 소결보조제 등의 각종 첨가제를 더 함유시킬 수 있다. 색소로는 산화철, 산화 티타늄, 또는 산화 코발트 분말이 있을 수 있다. 발포제로는 펜탄, 네오펜탄, 헥산, 이소헥산, 이소헵탄, 벤젠, 온탄 또는 톨루엔 등의 휘발성 유기용제가 있겠다. 소결보조제로는, 주기율표의 2A족의 원소(칼슘(Ca), 등) 및 3A족의 원소(이트리움(Y), 네오디움(Nd), 이터비움(Yb) 등)의 적어도 하나를 포함하는 재료, 예를 들어, Y₂O₃, Yb₂O₃, Nd₂O₃, 또는 CaO 등의 혼합물이 있을 수 있다.

양호한 실시예의 다공질 세라믹의 특징을 지금부터 설명한다.

앞서 설명한 바와 같이, 양호한 실시예의 다공질 세라믹에는 원료 중에 함유 된 폐기물의 열 수축에 의해 형성되는 많은 미세 구멍이 있다. 수은압입법으로 측정한 경우, 반지름이 300 내지 4000 nm 이 미세 구멍이 전체 미세 구멍 용량의 90% 를 차지한다. 따라서, 양호한 실시예의 다공질 세라믹에는 반지름이 300 nm 미만인 미세 구멍과 반지름이 4000 nm 를 초과하는 미세 구멍은 전체 미세 구멍 용량의 10% 이하만 차지하고 있다. 만약 반지름이 300 nm 미만인 미세 구멍이 전체 미세 구멍 용량의 10% 이상을 차지하게 되면, 미세 구멍 용량이 적어지고, 다공질 세라믹의 내부(미세 구멍)로 들어가는 수분의 양도 감소한다. 따라서, 흡수 성능 및 보수 성능 모두 낮아질 가능성이 있다. 만약, 반지름이 4000 nm 이상인 미세 구멍이 전체 미세구멍 용량의 10% 이상을 차지하게 되면, 다공질 세라믹의 내부(미세 구멍)으로 흡수된 수분이 그 구멍으로 그냥 통과해 버린다. 이것은 보수성을 떨어뜨리게 한다.

수은압입법으로 측정한 다공질 세라믹의 미세 구멍 용량은 0.1 내지 0.15 mL/g 이다. 만약, 미세 구멍 용량이 0.1 mL/g 미만인 경우에는, 낮은 미세 구멍 용량은 그 구멍으로 들어가는 수분의 양을 줄어들게 할 것이다. 이것은 흡수성 및 보수성을 떨어뜨리게 된다. 만약, 미세 구멍 용량이 0.15 mL/g 을 초과하는 경우에는, 다공질 세라믹의 강도가 상당히 감소할 것이다. 수은압입법으로 측정한 다공질 세라믹의 비표면적은 0.8 내지 1.5 ㎡/g 인 것이 바람직하다. 만일 비표면적이 0.8 ㎡/g 미만인 경우에는, 다공질 세라믹의 강도가 상당히 떨어지게 된다. 만약 비표면적이 1.5 ㎡/g 이상인 경우에는, 미세 구멍 용량이 감소한다. 이것은 미세 구멍으로 들어가는 수분의 양을 감소시키게 되고 흡수성 및 보수성을 떨어뜨린 다.

양호한 실시예의 다공질 세라믹은 그 표면상에 이끼나 곰팡이가 끼는 것을 막는다는 관점에서 알칼리인 것이 양호하며, 10 이상의 pH 값을 가지는 것이 적절하다. 다공질 세라믹의 pH 는 증류수에 12시간 동안 다공질 세라믹을 담근 후에 그 증류수의 pH 를 측정해서 얻는다. 다공질 세라믹과 증류수와의 무게비는 1:1 이다.

지금부터 양호한 실시예의 다공질 세라믹 제조 방법을 설명한다.

양호한 실시예의 다공질 세라믹은 제1 내지 제5 단계로 제조된다. 제1 단계는 원료를 건조시키는 단계이다. 제2 단계는 제1 단계 이후 물을 추가하지 않고 원료의 성분들을 혼합하는 단계이다. 제3 단계는 제2 단계에서 얻은 혼합물에 물을 첨가하는 단계이다. 제4 단계는 제3 단계에서 얻은 물-첨가 혼합물을 압출 성형하여 중간 성형체를 얻는 단계이다. 제5 단계는 제4 단계에서 얻은 중간 성형체를 소성하는 단계이다. 지금부터 이들 각 단계에 대하여 상세히 설명한다.

제1 단계에서, 원료를 100 내지 400℃ 온도에서 건조시켜 원료 중의 수분을 증발시킨다. 만일 건조 온도가 100℃ 미만인 경우에는 재료를 건조시키는데 더 많은 시간이 필요하게 되고 생산 효율이 떨어진다. 이것은 원료 중의 수분을 충분히 증발시키는 것을 어렵게 하기도 한다. 만약 건조 온도가 400℃ 이상인 경우에는 원료로부터 수분을 증발시키는 것에 관하여 높은 효과를 기대할 수 있다. 그러나, 원료 중의 접합재가 분해되어 접합력이 상실될 수 있다.

제1 단계에서 원료 중의 수분이 포함된 정도를 나타내는 함수율은 7질량% 이 하인 것이 바람직하다. 만약 원료 중의 함수율이 7질량% 보다 큰 경우에는 제2 단계에서 원료 성분이 균일하게 혼합되는 것이 어려워진다. 이것은 반지름이 너무 큰 미세 구멍(예를 들어, 반지름이 4000 nm 이상인 미세 구멍)이 많이 형성되거나 또는 반지름이 너무 작은 미세 구멍(예를 들어, 반지름이 300 nm 미만인 미세 구멍)이 많이 형성되게 된다. 그 결과, 다공질 세라믹을 위한 충분한 흡수성 및 보수성을 보장하는 것이 어려워지게 된다. 제1 단계 이후의 원료의 성분들은 소정의 균일한 크기로 분쇄된다.

제2 단계에서, 상기 성분들을 물을 첨가하지 않고 균일하게 혼합하고 접합재로 서로 섞는다. 이들 성분들은 혼합하는 것은 볼 분쇄기, 헨셀(Henscel) 혼합기, 쉐이커(shaker), 텀블러(tumber) 또는 라이카이(raikai) 혼합기 등을 사용하여 이루어진다.

제3 단계에서, 제2 단계에서 얻은 혼합물에 물을 첨가하여 물-첨가 혼합물을 얻는다. 첨가된 물의 양은 혼합물의 질량에 대하여 20 내지 30질량% 인 것이 적절하다. 만약, 첨가된 물의 양이 혼합물 질량에 대하여 20질량% 미만인 경우에는 원료의 유동성이 상당히 떨어진다. 이것은 제4 단계에서의 성형성을 나쁘게 만들기도 한다. 만약, 첨가된 물의 양이 혼합물의 질량에 대하여 30질량% 를 초과하는 경우에는, 혼합물의 성분들이 입자 크기가 사로 달라 중력이 차이가 나는 것 등으로 인해 서로 분리된다. 이것은 균일한 혼합을 어렵게 만든다. 또한, 이것은 제4 단계에서의 충진 밀도를 높이는 것을 어렵게 만든다.

제4 단계에서, 제3 단계에서 얻은 물-첨가 혼합물을 소정의 성형재에 넣어 중간 성형체를 얻는다. 상기 성형은, 예를 들어, 압출 성형, 프레스 성형, 독터-블레이드 성형, CIP (Cold Isostatical Pressing) 등으로 이루어질 수 있다. 그러나, 만들어진 다공질 세라믹의 압축 강도 증가의 용이함에 있어서 진공 압출 성형이 가장 적절하다. 상기 진공 압출 성형을 위해 사용되는 압출 압력은 물-첨가 재료(성형 재료)의 충진 밀도 증가 관점에서 250 kg/㎡ 이상인 것이 적절하다. 압출 압력의 상한은 사용되는 성형기 타입에 따라 달라지며 특별한 제한은 없다.

양호하게는, 본 실시예에서는, 상기 중간 성형체를 강도가 충분해 질 때까지 양생한다. 본 발명에서 사용되는 양생 방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 대기중 양생, 수중 양생, 및 열기 양생 등이 포함될 수 있다. 대기중 양생이 저렴하게 할 수 있기 때문에 특히 적절하다. 온도, 습도 및 시간 등의 양생 조건은 중간 성형체의 크기에 따라 달라지며 따라서 특별히 제한되지 않는다.

제5 단계에서, 제4 단계에서 얻은 중간 성형체를 연속 소성로 등을 사용하여 소성한다. 사용되는 연속 소성로로는, 회전로, 롤러 하우스로, 터널로, 등이 있을 수 있다. 소성 온도는 1000 내지 1200℃ 이며, 1100 내지 1200℃ 가 적절하다. 만약 소성 온도가 1000℃ 미만인 경우에는, 높은 강도를 갖는 다공질 세라믹 제조 가능성이 나빠질 수 있다. 만약 소성 온도가 1200℃ 를 초과하는 경우에는, 소성 온도가 과도하게 올라감에 따른 유리화(vitrification)가 발생하게 된다. 이 유리화는 다공질 세라믹을 수축하게 만들고 미세 구멍의 일부를 막히게 한다. 제5 단계에서의 소성 시간은 중간 소성체 전체가 설정된 소성 온도에 도달하기에 충분한 경우라면 특별히 제한되지 않는다.

지금부터 양호한 실시예의 다공질 세라믹의 작용을 설명한다.

상기 설명한 바와 같이 본 실시예의 다공질 세라믹을 제조하는 경우, 폐기물, 공재 및 접합재 등의 성분을 함유하는 원료를 제1 단계에서 건조시킨다. 다음으로, 제2 단계에서 이 성분들을 혼합한다. 따라서, 양호한 실시예에서, 상기 성분들은, 균일한 혼합을 저해하는 가장 큰 요소인 물이 함유된 상태가 최소인 상태(함수율이 7질량% 이하)에서 상기 제2 단계에서 건식-혼합 된다. 이것은 상기 성분들이 모이는 것이 방지되며 각 성분들이 균일하게 혼합되게 한다. 그 결과, 제5 단계에서의 소성 과정 동안 성분들간의 열 수축율 차이가 줄어든다. 이것으로 소정범위의 반지름(300 내지 4000 nm)를 가지는 미세 구멍이 전체 미게 구멍 용량의 90% 이상 함유되어 있는 다공질 세라믹을 얻는다.

반지름이 300 내지 4000 nm 인 미세 구멍은 충분한 수분 흡수뿐만 아니라 흡수된 수분을 통과시키기 않고 유지시키는 것도 보장한다. 따라서, 많은 미세 구멍(전체 미세 구멍 용량의 90% 이상)을 포함하는 본 발명의 다공질 세라믹은 충분한 흡수성 및 보수성을 가진다. 이와 같은 다공질 세라믹을 예를 들면 도로 포장용으로 사용하는 경우, 충분한 빗물이 상당 기간 동안 유지될 수 있다. 이것은 다공질 세라믹 내부에 유지된 빗물의 기화를 통해 도로의 표면 온도가 상승하는 것을 막아준다.

내부에 충분한 빗물을 상당 기간 동안 유지하고 있는 다공질 세라믹은 상당한 습기를 가지고 있다. 그러므로, 세라믹 표면에 이끼나 곰팡이가 쉽게 낄 수 있다. 따라서, 양호한 실시예에서, 다공질 세라믹용 원료에 산화 칼슘을 포함시키는 것이 적절하다. 산화 칼슘을 포함시키면, 다공질 세라믹(도로포장 재료)의 알칼리 레벨이 상승한다. 이것은 산화 칼슘과 이끼 및 곰팡이 간의 상호작용으로 인하여 이끼와 곰팡이가 끼는 것을 막아준다.

양호한 실시예의 장점들을 아래에 설명한다.

(1) 본 실시예의 다공질 세라믹에서, 반지름이 300 내지 4000 nm 범위의 미세 구멍이 전체 미세 구멍 용량의 90% 이상을 차지한다. 이것은 다공질 세라믹의 흡수성 및 보수성을 향상시킨다. 예를 들어, 도로 포장용 재료로 사용하는 경우, 이러한 다공질 세라믹은 빗물을 오랫동안 유지할 수 있다. 이것은 다공질 세라믹에 유지되는 빗물의 기화로 인해 도로 표면 온도가 상승하는 것을 막아준다.

(2) 본 실시예의 다공질 세라믹은, 수은압입법으로 측정한 경우, 미세 구명 용량은 0.1 내지 0.15 mL/g 이며, 비표면적은 0.8 내지 1.5 ㎡/g 이다. 따라서, 미세 구명 내부에 충분한 양의 수분이 유지될 수 있다. 이것은 다공질 세라믹의 흡수성 및 보수성을 향상시킨다.

(3) 본 실시예의 다공질 세라믹은 10 이상으 pH 값을 가지며, 따라서 높은 알칼리 레벨을 갖는다. 예를 들어, 도로 포장용 재료로 사용하는 경우, 이러한 다공질 세라믹은 표면에 이끼나 곰팡이가 끼는 것을 막으며 포장된 도로 외관을 만족스럽게 유지시켜 준다.

(4) 본 실시예의 다공질 세라믹은 폐기물, 골재 및 접합재 등의 성분을 포함하는 원료를 건조시키는 제1 단계, 및 상기 성분을 건식 혼합하는 제2 단계로 제조된다. 따라서, 본 양호한 실시예에서는 성분들이 균일하게 혼합되지 않는 흡식 혼 합을 사용하며 다공질 세라믹의 흡수성과 보수성이 떨어지는 종래 기술의 문제점을 피할 수 있다. 다시 말하면, 양호한 실시예의 다공질 세라믹에서, 각 성분들이 서로 뭉치지 않고 균일하게 혼합된다. 이것은 제5 단계에서의 소성 단계 동안 원료 성분들 사이의 열 수축율 차이를 줄어준다. 따라서, 다공질 세라믹은 소정 크기(반지름이 300 내지 4000 nm 범위)의 많은 미세 구멍(전체 미세 구멍 용량의 90% 이상)을 가지며 흡수된 수분이 최적으로 유지될 수 있다. 그 결과, 다공질 세라믹의 흡수성 및 보수성이 향상된다.

또한, 제5 단계에서의 소성 과정 동안 성분들간의 열 수축율 차이의 감소는 소성 동안의 다공질 세라믹의 변형 및 크래킹(cracking)을 효과적으로 막아준다. 따라서, 양호한 실시예에서, 치수 정밀도 및 강도 모두 향상된 다공질 세라믹(예를 들어, 도로포장, 블록, 벽돌 블록, 및 세라믹 골재 등의 재료)이 얻어진다.

(5) 제1 단계 이후 원료의 수분 함유량은 7질량% 이하이다. 이것은 각 성분의 균일한 혼합을 용이하게 한다. 따라서, 소정 크기(반지름이 300 내지 4000 nm 범위)의 다수의 미세 구멍이 있는 다공질 세라믹이 쉽게 얻어지며, 이 다공질 세라믹은 충분한 흡수성 및 보수성을 가진다.

(6) 원료에 산화 칼슘이 포함되는 것이 적절하다. 이러한 경우, 산화 칼슘이 함유된 다공질 세라믹의 알칼리 레벨(pH)은 증가한다. 그러므로, 세라믹 표면의 이끼나 곰팡이가 끼는 것이 최적으로 억제된다.

또한, 다공질 세라믹은 후술하는 바와 같은 방법으로 제조되기도 한다. 한 방법에서, 폐기물, 골재, 접합재 및 산화 칼슘으로 구성된 원료를 건조하는 제1 단 계가 포함된다. 제2 단계에서, 제1 단계에서 건조된 원료를 혼합한다. 제3 단계에서, 제2 단계에서 얻어진 혼합물에 물을 첨가한다. 제4 단계에서, 제3 단계에서 얻어진 물-첨가 혼합물을 사출 성형하여 중간 성형체를 얻는다. 제5 단계에서, 중간 성형체를 소성한다. 이 방법으로 이끼와 곰팡이가 끼는 것을 쉽게 억제하는 다공질 세라믹을 얻는다.

다른 제조 방법에서는, 폐기물, 골재, 접합재 및 산화 칼슘으로 구성된 원료에 물을 첨가한 다음 각 성분을 혼합하는 제1 단계를 포함한다. 제2 단계에서, 제1 단계에서 얻은 혼합물을 사출 성형하여 중간 성형체를 얻는다. 제3 단계에서, 중간 성형체를 소성한다. 이 방법에서, 이끼와 곰팡이가 끼는 것을 쉽게 억제하는 다공질 세라믹이 얻어진다.

원료에 함유된 산화 칼슘의 함유량은 0.1 내지 1.0질량% 인 것이 양호하다. 이 경우, 산화 칼슘의 효과가 충분히 나타나며, 이끼나 곰팡이류 등이 끼는 것이 쉽게 억제된다.

지금부터 시험예 및 비교예를 통해 상기 실시예를 좀 더 상세히 설명하도록 한다.

벽돌 블럭 제품

(시험예 1)

표 1에 표기된 성분들로 구성된 원료를 200℃ 에서 건조시키고(제1 단계), 이 원료 성분을 혼합기에서 혼합한다(제2 단계). 제1 단계 후의 원료의 수분 함유율은 5질량% 이다. 상기 혼합물에 물을 첨가하고(제3 단계), 물-첨가 혼합물을 진공 압출 성형하여 중간 성형체를 얻는다(제4 단계). 제3 단계에서 혼합물에 첨가된 물의 양은 혼합물 질량에 대하여 약 23질량% 이다. 제4 단계에서 얻은 중간 혼합체를 양생한 다음 소정의 상태하에서(1100 내지 1200℃ 온도에서 48시간 동안) 소성하여 200 x 100 x60 mm 크기의 직육면체 형태를 가진 벽돌 블럭을 제조한다. 이 벽돌 블럭의 물리적 특성은 이하 설명한 바와 같이 측정된다. 그 결과를 표 1에 도시하였다.

(비교예 1)

비교예 1에서는, 상기 제1 단계(원료를 건조시키는 단계)를 생략하고 다른 단계를 통해 벽돌 블럭을 제조한다. 보다 구체적으로, 표 1에 표기된 성분들로 구성된 원료가 물을 첨가하고 서로 혼합한다. 원료에 첨가되는 물의 양은 원료의 질양에 대하여 약 30질량% 이다. 이 혼합물을 진공 압출 성형하여 중간 성형체를 얻는다. 이 중간 성형체를 양생한 다음 소정 상태에서 소성하여(1100 내지 1200℃ 온도에서 48시간 동안 소성함) 200 x 100 x 60 mm 크기의 직육면체 벽돌 블럭을 얻는다. 이 벽돌 블럭의 물리적 특성에 대해서는 아래에 평가한다. 그 결과를 표 1에 도시하였다.

(흡수성 평가)

일본산업표준(JIS) R 1250 에 따라 흡수율을 측정했다.

(보수성 평가)

보수성 인터록팅(interlocking) 블록용 품질 기준에 따라 아래 수학식 1에 기초하여 측정하였다. 수학식 1의 "습윤질량" 및 "완전 건조 질량"의 측정 방법은 아래와 같다.

습윤질량(g)은 각각의 샘플을 15 내지 25℃ 에서 24시간 동안 물에 침전시켜 물을 흡수시키는 방법으로 측정했다. 다음으로, 샘플을 물에서 꺼내어 밀폐용기에 넣었다. 이를 15 내지 30℃ 온도의 방안에 30분 놓아서 물이 빠져나오게 했다. 천 조각으로 샘플의 보이는 물을 닦아낸 후 샘플의 질량을 측정했다.

각각의 샘플을 건조기 내에 놓고(105℃±5℃의 온도) 소정 질량이 될 때 까지 건조시키는 방법으로 완전 건조 질량(g)을 측정했다. 다음으로, 각 샘플을 정상 온도까지 냉각시키고 그 상태에서 샘플의 질량을 측정했다.

(강도 평가)

일본 산업 표준(JIS) A 5363에 따라 굽힘 강도를 측정했다.

(미세 구멍 분포 측정)

각 샘플을 건조시킨 후, 샘플의 미세 구멍 반지름 분포를 수은 포로시메터(porosimeter)(Carlo Erba Instrument사가 제조한 포로시메터 시리즈 2000)를 가지고 수은압입법으로 측정했다. 또한, 샘플의 미세 구멍 분포로부터 상기 샘플의 평균 미세 구멍 반지름(nm), 미세 구멍 용량(ml/g) 및 비표면적(㎡/g)을 알아냈다. 도 1은 시험예 1의 벽돌 블럭과 관련된 미세 구멍 반지름 분포도를 보여주고 있으며, 도 2는 비교예 1의 벽돌 블럭과 관련된 미세 구멍 만지름 분포도를 보여주고 있다.

	시험예 1	비교예 1
제지 슬러지 소각재(폐기물)	50.0질량%	50.0질량%
지붕 타일 샤모트(골재)	25.0질량%	25.0질량$
클레이(접합재)	24.3질량%	24.1질량%
색소	0.5질량%	0.5질량%
산화 칼슘	0.2질량%	0.4질량%
(평가)
보수성 (g/㎤)	0.31	0.16
흡수율(%)	17.39	8.25
굽힘 강도(N/㎣)	7.42	5.95
미세 구멍 용량(mL/g)	0.116	0.036
비표면적(㎡/g)	1.0	3.3

표 1에 도시된 바와 같이, 시험예 1의 벽돌 블럭이 비교예 1과 비교할 때 미세 구멍 용량이 상당히 많음을 알 수 있다. 도 1 및 2를 통해 볼 수 있는 바와 같이, 전체 미세구멍 용량의 대부분을 차지하는 미세 구멍의 반지름 분포는 비교예 1의 벽돌 블럭보다는 시험예 1의 벽돌 블럭에서 훨씬 좁다. 또한, 시험예 1의 벽돌 블럭이 반지름이 300 내지 4000 nm 인 미세 구멍이 전체 미세 구멍 용량의 90% 이상을 차지하는 미세 구멍 구조를 가지고 있음도 알게 되었다. 이런 결과로부터 흡수성(수분 흡수량) 및 보수성(수분 유지량) 모두 시험예 1의 벽돌 블럭이 향상된 것으로 볼 수 있다. 특히, 보수성은 수분-유지 인터로킹 블럭을 위한 품질 표준에서 명시된 표준값인 0.15 g/㎤ 보다 두 배 이상 상당히 높은 값을 가졌다. 이러한 우수한 결과는 폐기물, 골재, 및 접합재 등의 성분들을 건식 혼합으로 균일하게 혼합하여 흡수된 수분을 최적으로 유지할 수 있는 소정 크기(반지름이 300 내지 4000 nm)를 갖는 많은 미세 구멍을 형성(전체 미세 구멍 용량의 90% 이상)하였기 때문인 것으로 믿어진다.

반대로, 도 2에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 벽돌 블럭은 전체 미세 구멍 용량의 대부분(90% 이상)이 전 범위에 걸쳐(4 내지 4000 nm) 있는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 비교예 1의 벽돌 블럭은 반지름이 매우 작은 미세구멍(300 nm 미만의 미세 구멍)이 대다수(예를 들어, 전체 미세 구멍 용량의 60% 이상)이며, 따라서, 미세 구멍 용량이 상당히 감소한다. 이것은 비교예 1에서, 다공질 세라믹(미세 구멍)으로 주입되는 물의 양이 줄어들게 되어 흡수성(흡수된 물의 양) 및 보수성(유지된 물의 양)이 모두 낮다.

또한, 시험예 1의 벽돌 블럭의 굽힘 강도는 비교예 1의 굽힘 강도와 비교할 때, 더 높다는 것도 알게 되었다. 보다 구체적으로, 시험예 1의 벽돌 블럭의 굽힘 강도는 수분-유지 인터로킹 블럭을 위한 품질표준에서 명시한 표준값인 5.0 N/㎟ 보다 약 1.5배나 큰 상당히 높은 값을 가진다. 이것은 각각의 성분이 균일하게 혼합되어 소성 과정 중에 각 성분들 간의 열 수축율 차이의 감소를 가져와 크랙 발생이 억제되었기 때문인 것으로 믿어진다.

당업자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 본 발명을 실시할 수 있음을 명백한 것이다. 따라서, 본 명세서의 예 및 실시예들은 설명을 위한 것일 뿐으로서 이것으로 제한되는 것이 아니며, 본 발명은 본 명세서에 제시된 내용으로 한정되는 것이 아니고 첨부한 특허청구범위의 범위 내 및 그 내용안에서 수정될 수 있다.

본 발명에 따르면 향상된 흡수성 및 보수성을 가지는 다공질 세라믹 및 그러한 다공질 세라믹의 제조 방법이 제공된다.

Claims (6)

1. 다수개의 미세 구멍이 있는 다공질 세라믹에 있어서,

   상기 미세 구멍은 수은압입법으로 측정한 경우, 반지름이 300 내지 4000 nm 인 미세 구멍이 전체 미세구멍 용량의 90% 이상을 점유하는 미세구멍 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 미세 구멍은 수은압입법으로 측정한 경우, 0.1 내지 0.15 ml/g 의 미세 구멍 용량 및 0.8 내지 1.5 ㎡/g 의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 다공질 세라믹은 10 이상의 pH 값을 갖는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹.
4. 원료로서의 물, 골재 및 접합재를 건조시키는 단계;

   상기 건조 후에 물을 첨가하지 않고 상기 원료를 혼합하는 단계;

   상기 혼합으로 얻은 혼합물에 물을 첨가하는 단계;

   상기 물 첨가로 얻은 물-첨가 혼합물을 압출성형하여 중간 성형체를 얻는 단계;

   상기 압출 성형으로 얻은 상기 중간 성형체를 소성하는 단계

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹의 제조 방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 건조 단계에서 건조된 원료의 함수율은 7질량% 이하인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹의 제조 방법.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 원료에는 산화 칼슘이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹의 제조 방법.

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