석분폐기물의 세라믹 제품화 공정 및 그 열적 특성에 관한 연구

이해정, 최승훈

서남대학교 화학공학과

A Study on Clay Ceramic Products of Stone Sludge and its thermal properties

Hae Jeang Lee, Seung Hoon Choi

Dept. of Chemical Engineering, Seonam University

서론

경제규모가 확대됨에 따라 건설분야 및 건축자재 시장은 확대되고 그에 따라 파생되는 석재관련 폐기물의 문제를 해결하기 위한 많은 노력이 있었다. 석재공장 및 레미콘 공장의 석분, 슬러지와 건축폐기물 중간처리제품 등을 건축자재로 재활용하는 방안은 첫째 셀프레벨링재, 도로포장용 안정처리재 등 석분 그자체를 활용하는 방법과 타일, 투수콘크리트, 경량벽돌 등 열처리 가공하는 방법, 폴리머와 조합하여 벽체, 슬레이브, 장식재, 시설 구조물 등으로 활용하는 폴리머 복합체로의 제조 등 수많은 활용연구가 수행되었다[1,2].

본 연구에서는 전북 장수군과 경남 함양군 등지의 석재산업에서 파생되는 석분을 재활용하기 위해 석분 특성을 분석한 다음, 전통적인 세라믹제품인 도자기 소지로서의 활용가능성을 검토하고, 특히 원료배합비 및 제조조건에 따라 비열 및 열전도도 등 열적특성에 대한 실험을 수행하여 축열재 및 방열, 내열 재료로서의 가능성을 연구하였다.

실험

1. 석분 시료

본 연구에 사용된 전북 장수군 D업체의 석분의 모암석은 미사장석(microcline), 사장석(plasioclase), 석영(quarizite), 운모 등으로 구성된 화강편마암 또는 반상화강암질편마암으로 분류된다. 편광 현미경으로 모드분석한 결과 장석류(feldspar)가 62%, 석영 28%, 흑운모(biotite) 4%, 방해석(calcite) 2%, 녹니석(chlorite) 2% 등으로 주요 광석을 이루고 있다.

또한 경남 함양군 마천석은 조중립질의 사장석(plagioclase), 흑운모(Biotite), 휘석(Augite) 및 K-장석류(Kalifeldspar) 등이 주 구성원이며 부성분 광물로 석영(Quartzite) 각섬석(Hornblende), 인회석(Apatite), 저콘(Zircon) 및 불투명 광물들이 소량 또는 미량 수반되고 있다. 마천석의 주성분인 사장석(45%), 휘석(21%), 흑운모(15%), K-장석(12%) 등은 모두 규산염 광물로서 그 석분폐기물 또한 장석류에 분류될 수 있다.

Table 1. Chemical compositions for samples.

구분	SiO2	Al2O3	FeO	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	TiO2	MnO	P2O5	LOI
장수군 석분	71.8	14.5	0.71		1.78	0.18	5.75	4.64	0.07	-	-	0.49
마천석 석분	54.0	16.7	5.87	2.20	7.10	5.07	4.56	3.55	0.93	0.14	0.50
흑운모 화강암 (남원지역)*	68.6	15.7	3.44		3.34	1.15	2.96	3.96	0.35	0.05	0.08	0.76
점토	56.7	36.8	2.44		2.95	0.77			0.19	0.03		0.5

위의 석분과 도자기 소지실험을 위해 사용한 전북 남원인근 지역의 점토의 성분을 분석한 결과를 Table 1에 수록하였다. 각각의 시료의 입도는 100∼140mesh의 석분을 사용하였고, 미리 110℃에서 24h이상 건조한 다음 도자기 시편제조실험에 사용하였다.

2. 실험방법

2.1 점토 세라믹 제조공정

점토 세라믹의 세가지 주요성분은 점토/고령토, 석영 그리고 장석으로서, 각각의 구조적기능이 있으며, 조성비에 따라 여러 세라믹 제품의 특성이 나타난다[3]. 본 실험에서는 가소성을 부여하기 위해 점토를 사용하였고, 규소함량이 많은 전북 장수군 석분과 장석류에 해당하는 경남 마천석의 3가지 원료를 가지고 여러 배합비로 도자기 소지를 제조하였다.

세라믹 제품의 제조는 Fig. 1에 나타난 바와 같이원료의 가공과 준비 (분쇄, 분류, 혼합), 성형 (주형, 압착, 물레질, 주입성형), 건조 및 예열(수분, 유기결합제의 제거), 1차소성에 의한 소결, 시유, 2차 소성순으로 진행하였다.

Fig. 1. Manufacture of Clay Ceramics

본 실험에서 1차소성은 실험용 전기로를 사용하여 실온에서부터 700∼900℃까지 6∼8시간 동안 가열하면서 소성시켰고, 최종온도에서 통상 1 ∼ 2시간 동안 유지시켰다. 이후에 냉각시킨 후 D산업과 I사의 유약 2종류를 사용하여 시유하였다. 2차 소성 온도조건은 1100∼1200℃에서 3∼4시간동안 소성하였고, 전체 소성시간은 15∼18시간이였다.

석분을 많은 양의 활용차원에서 전북 장수군 석분과 경남 마천석 석분만의 2성분계 도자기 시편와 점토와 각 석분을 혼합한 2성분계 도자기 시편제조실험으로 나누어 수행하였으며, 이 때의 주요 공정변수로서는 원료의 입도, 배합비, 소성 온도 및 시간이였다.

도자기 시편제조 실험 결과는 각 조건에 따른 시편 표면의 유리질화, 시편의 강도, 시편의 백색도 및 유약 표면의 색상으로 석분의 도자기 소지로써 활용여부를 판단하고자 하였다.

한편 원료의 종류, 원료배합비 및 소성조건에 따라 도자기 시편의 비열 및 열전도도 등 열적특성을 DTA(Differential Thermal Analysis) 및 DSC(Differential Scanning Calorimeter) 등을 이용하여 측정하였고, 기존의 세라믹 축열재와 비교 검토함으로써 활용 가능성을 판단하고자 하였고 또한 방열, 내열 재료로서의 가능성을 연구하였다.

결과 및 토론

1. 도자기 시편제조

규소 함량이 많은 장수군 석분과 장석류에 해당되는 경남 마천석 석분만의 2성분계 도자기 시편제조실험은 장수석 대 마천석의 배합비를 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7로 변화시키면서 제조실험을 수행하였고, 1차 소성온도는 700, 800, 900℃로 변화시켰으며, 2가지 유약을 시유하여 그 표면상태를 관찰하였다. 2차 소성온도 및 시간은 1205℃(1h), 1180℃(2h), 1160℃(2h), 1155℃(4h)과 1100℃(2h) 등으로 변화시키면서 도자기 시편을 제조하였다.

전반적으로 가소성이 부족하여 성형하기 어려웠고, 최종소성후의 강도를 일정이상 유지하기 위해서는 유약의 선택이 필연적이며 2차 소성온도가 1150℃이상이 되어야만 하였다.

Fig. 2. Photographs of samples.

Fig. 2. Photographs of samples.

한편 점토와 각 석분을 혼합한 2성분계 도자기 시편제조 결과, 1차 소성온도가 높을수록 더 밝은 색을 띠는 것을 알 수 있었고, 마천석보다는 장수석이 그리고, 점토의 함량이 많을 경우에도 같은 경향을 나타내었다(Fig. 3 참조). 표면 상태도 점토의 함량이 많을수록 우수하였으며, 고온에서 소성한 시편이 인장강도가 높게 나타내었다.

1차 소성후 2차 소성에서도 이와 같은 경향은 그대로 유지되어 점토의 함량은 높은 시편이 밝은 갈색을 나타내었지만, 도자기 시편의 기계적 강도면에서는 점토의 함량이 적을수록, 그리고 마천석이 장수석보다 우수한 특성을 나타내었다. 표면 상태는 전반적으로 1차 소성후보다 검은 밤색을 띄고 있었지만 점토의 성분이 적을수록 그리고 마천석의 경우가 장수석보다 표면 광택이 우수하였다.

2차소성과 같은 고온에서는 마천석과 같은 장석류는 융제(flux)로 작용하여 상대적으로 낮은 온도에서부터 유리질화되었다고 사료되며, 세라믹의 뼈대를 구성하게 되는 산화규소가 많은 장수석이 기계적 강도를 더해줄 것이지만 반대로 마천석의 경우보다 강도가 작게 나타난 것은 적절한 온도 및 배합조건에서 소결되지 않았다고 사료된다.

Table 2. Manufacturing conditions for samples and experimental runs.

		장수석분			마천석분
1차 소성 배합비	700℃	800℃	900℃	700℃	800℃	900℃
85:15	#1	#2	#3	#10	#11	#12
70:30	#4	#5	#6	#13	#14	#15
55:45	#7	#8	#9	#16	#17	#18
		2차소성	: 1180℃	(5h)	(총17.5h)

Fig. 3. Photographs of samples.

그림 . Photographs

2. 열분석 및 열적 특성

본 실험을 통하여 세라믹 제품을 제조하여 기존의 세라믹 축열재와 비교 검토함으로써 활용 가능성을 판단하고자 하였는데, 이에 있어서 중요한 열적 특성치은 비열, 열전도도, 축열용량 등이다.

Fig. 3 . 석분의 열분석(TGA) 분석 결과.

참고문헌

1. Han, S.M, KORES Report, 98-2(1998).

2. Lee, S.H, Park, C.W, Choi, S.C. and Lee, Y.S, J. of the Korean Institute of mineral and Energy Resources Engineers, 34, 463(1997).

3. W. B□chner, R. Schliebs, G. Winter and K.H. B□chel, "Industrial Inorganic Chemistry", VCH, New York(1989).