석분슬러지를 이용한 인조석 제조에 관한 연구

김동경, 황성태, 장경환, 변윤섭*, 정경락

전북대학교 화학공학과, 전북산업대학교 공업화학과*

A study of the artificial stone manufacture on the utilization

of stone powder sludge

Dong-Kyong Kim, Seong-Tae Hwang, Gyeong-Hwan Chang,

Youn-Seop Byoun*, Gyeong-Rak Jheong

Dept. of Chem. Eng., Chonbuk Univ.,

Dept. of Indu. Chem. Eng., Chonbuk Sanup Univ.*

1. 서  론

과학기술이 발달함에 따라 물질적·경제적인 풍요는 누릴 수 있었지만 지구상에 매장된 천연자원의 다량소비로 인한 자원의 고갈과 각종 산업현장에서 배출되는 산업폐기물로 인한 자연환경 파괴 등 심각한 사회문제가 대두되고 있다. 특히 우리나라 석재공업의 경우 채석장에서 원석을 채굴하여 건축, 산업용 석판재 등으로 가공하는 과정에서 원석의 약 60% 정도가 폐석이나 석분슬러지로 손실되고 있다. 이러한 폐석이나 석분슬러지가 자연환경을 오염시키는 원인이 되기도 한다. 따라서 한정된 부존자원의 소비를 줄이고 환경오염문제를 해결하는 방안으로서 자원의 리사이클링이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 석재 가공공정에서 발생하는 석분슬러지를 회수하여 자원의 재활용과 환경오염을 줄이는 방법의 하나로 고품위의 인조석 판재를 제조하는 기술 및 방법[1∼4]을 개선함으로써 부가가치가 높은 건축용 자재 및 생활·사무용 집기로도 이용할 수 있을 것으로 판단된다.

따라서 본 연구에서는 석재가공 공정에서 발생하는 석분슬러지를 이용하여 인조석 판재를 제조하기 위하여 먼저 석분의 물리적·화학적 특성을 분석하고, 고부가가치의 인조석 판재를 제조하기 위한 제조조건(성형온도와 시간 및 압력)과 원료의 조성에 따른 강도와 내열성 그리고 내약품성 등을 측정하여 인조석 판재 제조에 대한 기초자료를 얻고자 한다.

2. 실  험

2.1 폐석과 석분슬러지

인조석 제조에 사용된 주원료는 전북 익산지역의 광산에서 채굴된 원석을 절단 및 연마가공하면서 발생하는 폐석 및 석분슬러지를 순환식 열풍건조기(105℃, 24hr)에서 수분을 제거하여 사용하였다. 석분슬러지의 화학적 조성은 Table 1과 같다.

분체의 유동특성을 나타내는 석분의 기초물성은 Powder Tester(Hosokawa Co.)를 사용하여 측정하였으며 그 결과 다짐성 50%, 부착성 82.4%, 안식각 46.8도로 흐름성이 나쁘게 나타났다. 계면력과 활성도를 나타내는 비표면적은 BET 표면적 측정장치인 ASAP 2010(COULTER Co.)을 이용하여 측정하였고 그 결과 비표면적은 24.975□/g, 세공용적은 0.010831□/g, 평균세공경이 1.7346nm로 아주 작은 세공이 매우 적게 존재함을 알 수 있었다.

쇄석은 황등석의 폐석을 해머로 분쇄하여 사용하였으며 shieving 조건을 일정하게 유지시키기 위하여 체진탕기를 이용하였고 평균입경은 1.5, 2.4, 3, 4, 5.2□으로 분급하여 이용하였다.

Table 1  The chemical composition of stone powders

Composition	wt%	Composition	wt%
SiO2	70.18	MgO	0.8
TiO2	0.39	CaO	1.99
Al2O3	14.47	Na2O	3.48
Fe2O3	1.57	K2O	4.11
FeO	1.78	H2O	0.84
MnO	0.12	P2O5	0.19

2.2 결합제 및 기타 첨가제

결합제는 예비실험을 통해 내열성 및 압축강도 등의 물성이 우수하고 비교적 가격이 저렴한 불포화 폴리에스테르수지((주)미원 VUP 271B)를 사용하였다. 경화제는 MEKP(methylethylketone peroxide), 충전제로 황토, 진흙, 수산화알루미늄, 탄산칼슘 등을 이용하였다. 또한 증점제는 산화마그네슘과 산화아연을 이용하였으며 소량의 소포제 및 이형제를 사용하였다. 인조석의 착색을 위한 안료로서 흑색(carbon black), 백색(TiO2), 황색(PbCrO4), 녹색(Cr2O3), 적색(Fe2O3)을 사용하였다.

또한 계면에서 응력전달의 증진과 물분자의 배제, 가공 중 점도감소 및 표면 촉매 효과 그리고 충전제의 분산증진 즉 결합제와 석분의 계면력을 증진시키기 위해 석분의 표면을 silane coupling제(□-MPS, □-Methacryloxy propyl trimethoxy silane, Sigma Co.)로 전처리를 행하였다.

2.3 인조석 제조방법

본 실험에서 적용한 인조석 제조공정은 Fig. 1에 나타냈다. 제조공정은 크게 ㉠원료의 전처리공정 ㉡폐석과 석분 그리고 결합제를 혼합하는 혼합공정 ㉢혼합한 원료를 가열, 가압성형하는 성형공정 ㉣성형물을 고화시키는 경화공정으로 나눌 수 있으며 이 밖에 제조된 인조석의 절단 및 연마공정으로 구성되어 있다.

3. 결과 및 고찰

3.1 비중 및 흡수율

일반적으로 석재의 비중은 암석을 구성하는 조암광물의 종류와 함량 그리고 조직 등에 따라 다르지만 국내 화강암의 비중은 대략 2.53∼2.64의 범위이다. 본 실험에서 제조한 인조석의 경우 성형압력이 증가할수록 겉보기비중은 증가하였으며 천연 화강암의 약 84%에 해당하는 2.05∼2.33의 범위 값을 나타내었다.

흡수율은 암석을 구성하는 광물입자간의 공극과 미세균열에 결정되며 풍화도의 지표로 널리 활용되기도 한다. 국내 화강암의 경우 풍화도에 따라 다르지만 대략 0.2∼0.7%정도이다[5]. ASTM의 건축용 화강암재 표준규격에 대한 흡수율의 최대허용값은 0.4%인데 비해 본 인조석의 경우 제조조건에 따라 0.21∼0.81%의 값으로 양호한 편이었다.

3.2 성형온도가 굴곡강도에 미치는 영향

가열·가압성형법에 의한 인조석 제조시 성형온도에 따른 굴곡강도의 관계를 Fig. 2에 나타내었다. 성형온도가 증가함에 따라 굴곡강도는 증가하다가 70℃에서 최대값을 나타내고 다시 감소하는 경향을 보이고 있다. 이것은 인조석 제조에 사용된 결합제의 겔화에 따른 발열온도가 80℃부근에서 급격히 증가되기 때문에 물성저하가 일어나는 것으로 생각된다.

3.3 성형압력이 압축강도에 미치는 영향

성형온도를 70℃로 일정하게 유지하고 성형압력과 쇄석의 양을 변화시키면서 제조한 시편의 압축강도를 Fig. 3에 나타내었다. 혼합물 중 쇄석의 양이 증가함에 따라 압축강도는 감소하고 성형압력이 증가하면 압축강도는 증가하여 100 Kgf/□에서 극대값을 나타내었다. 이는 석분/쇄석/결합제의 혼합물이 성형압력이 증가함에 따라 치밀도가 증가되지만 성형압력이 150Kgf/□ 이상이 될 경우에는 지나친 하중에 의해 쇄석/쇄석사이의 거리 근접 및 쇄석의 파괴 그리고 결합제가 유출되어 상대적으로 그 양이 줄어들기 때문에 압축강도가 감소하는 것으로 생각된다.

3.4 Silane 전처리한 경우 강도에 미치는 영향

석분의 표면을 silane coupling제로 전처리하고 서로 크기가 다른 쇄석을 일정 비율로 혼합하여 그 양 변화에 따른 강도를 Fig. 4에 나타내었다. 동일조건하에서 전처리한 경우가 전처리하지 않은 경우에 비해서 압축강도 및 굴곡강도의 값이 약 20%정도 증가되었음을 알 수 있다. 이는 석분을 silane 전처리할 경우 석분의 기초물성인 흐름성과 젖음성이 향상되어 석분/쇄석/결합제간의 혼합이 치밀해져 공극을 감소시키거나 매트릭스인 수지와 석분이나 쇄석의 결합력을 증가시키기 때문이라고 생각되어 진다.

3.5 내약품성 및 내열성

내산성은 아주 뛰어나지만 알카리 및 유기용제에 대해서는 내성이 다소 영향을 받는 것으로 나타났다. 한편 전처리한 경우는 약품에 대한 내성이 약간 증가되었다.

인조석의 열중량분석(thermogravimetric analysis)결과 약 150℃부근에서 중량 감소가 일어나기 시작하여 약 300℃부근에서부터 급격한 중량 감소가 일어나 450℃이상에서는 전체 중량의 17%정도가 감소되었는데 이는 인조석 제조시 석분 및 쇄석을 80%, 기타 결합제 등 유기물을 20% 사용하므로 TGA분석이 정상적으로 이루어졌으며 본 실험에서 제조한 인조석의 경우는 300℃정도의 온도에서도 내열성이 우수함을 알 수 있다.

4. 결  론

(1) 인조석 제조에 대한 최적의 성형조건으로는 성형압력 100Kgf/□, 가압시간 90분, 성형온도 70℃였다.

(2) 강도저하를 일으키지 않고 석분슬러지 및 쇄석을 충분히 접착시킬 수 있는 최적의 결합제 양은 18wt%였다.

(3) 인조석의 내열성은 300℃까지는 우수하였고 silane 전처리한 경우 내약품성 또한 양호한 편이었다.

(4) 압축강도는 본 인조과 같은 크기의 화강암 시편을 만들어 비교 측정하였을 때 화강암의 압축강도 930Kgf/□정도, 인조석 810Kgf/□정도로 화강암에 비해 약간 낮은 값을 나타내었다.

참고문헌

1. 和田嘉行 : 人工大理石□製造方法, J04104979(1992)

2. 細野 覺, 白田 寬, 阿部義孝, 紫田憲彦 : 石目調人造大理石□□□□□製造方法, J04144946(1992)

3. 橋本與太郞 : 高密度人造石□製造方法, J05285911(1993)

4. 村上圭佑 : 石肌模樣□有□□內,外裝材□製造方法, J06134715(1994)

5. 홍동호 : 석재의 물성시험법과 응용, 광업진흥, 41, pp. 327∼348, 1993

Fig.1 Schematic of the artificial stone	Fig.2 Effect of the moulding temp.

manufacture.	on Flexural strength at

artificial stone manufacture.

Fig.3 Effect of the moulding pressure	Fig.4 Effect of the mixing amount of

on compressive strength at	stone crush on strength at

artificial stone manufacture.	artificial stone manufacture.

Moulding Cond. ; Temp. : 70℃	(―○―, ―□― : Compressive strength,

Mixing Cond. ; UP : Stone powder : Stone crush = 3 : 7 : 0∼7	―●―, ―■― : Flexural strength)

Stone crush size : 3□	Moulding Cond. ; Temp. : 70℃, Press. : 100Kgf/□

Mixing Cond. ; UP : Stone powder : Stone crush = 3 : 7 : 0∼7

Stone crush size mixing ratio = 1 : 1.5 : 2 : 1.5 : 1

(1.5 : 2.4 : 3 : 4 : 5.2□)