[논문]납석으로 카올린을 대체한 도자기 소지의 뮬라이트 형성과 특성

곽안나; 김근희; 피재환; 김종영; 조우석; 김경자; 이종근

doi:10.4191/kcers.2012.49.3.216

납석으로 카올린을 대체한 도자기 소지의 뮬라이트 형성과 특성
Mullite Formation and Effect in Porcelain Body by Replacing Kaolinite with Pyrophyllite 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.3, 2012년, pp.216 - 220

곽안나 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) , 김근희 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) , 피재환 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) , 김종영 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) , 조우석 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) , 김경자 (한국세라믹기술원 도자세라믹센터) , 이종근 (대한세라믹스 주식회사)

Abstract ▼ AI-Helper

Mullite formation in a porcelain body was promoted extensively by replacing kaolinite with pyrophyllite. Effects of mullite formation and vitrification by substitution of kaolinite with pyrophyllite on the mechanical and thermal properties were investigated. Addition of 45-55% pyrophyllite (pyrophyllite (45-55%)-feldspar (30%)-Gairome clay (20%)) could vitrify the sintered samples (water absorption : 0.05%, bulk density : 2.66g/cc) and improve the flexural strength (122MPa) when fired at $1280^{\circ}C$. Mullite formation was found to be decreased with increasing content of pyrophyllite. On the contrary, beyond 50% of pyrophyllite quartz and cristobalite phases was found to be increased. Thermal expansion coefficient of the samples decreased with increase of mullite phase. In triaxial system of pyrophyllite-feldspar-clay, the mullite formation of the samples with 50% pyrophyllite reaches about 78.7% and thermal expansion coefficient was found to be $5.4{\times}10^{-6}/K$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 국내산 납석으로 고령토를 대체하였다. 납석-장석-와목점토로 조성된 소결체의 납석 첨가량 변화에 따른 물성을 평가하고 결정상을 정량 분석하였다. 이와 같은 실험 결과를 토대로 뮬라이트의 생성량을 비교하고, 강도와 열충격 등이 우수한 자기소지에 적절한 납석 양에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 국내산 납석으로 고령토를 대체하였다. 납석-장석-와목점토로 조성된 소결체의 납석 첨가량 변화에 따른 물성을 평가하고 결정상을 정량 분석하였다.
삼성분계 도자기 조성에서 뮬라이트 형성에 미치는 납석의 영향을 확인하기 위하여 장석과 와목점토의 비율을 3:2로 고정하고, 납석의 양은 45%, 50%, 55%로 차등을 두었다. 배합비는 상용 자기소지의 광물조성인 점토 50%-규석 25%-장석 25%을 참고로 하여 조성한 것이다.
출발 원료는 전남 완도산 납석, 장석, 와목점토를 사용하였다. 상용 자기소지의 소성온도 범위에서 납석을 소결 시키기 위하여 장석을 사용하였다. 알칼리(Alkali)성분이(산화나트륨(Na₂O)과 산화칼륨(K₂O)) 납석의 분해와 치밀화 그리고 뮬라이트 생성에 미치는 영향의 차이를 확인하기 위하여 소다장석(Na-feldspar)과 카리장석(K-feldspar) 두 가지로 하였다.
소결체를 4×3×40 mm로 가공 후 표면 연마하여 0.5 mm/min의 cross head 속도로 3점 꺾임강도를 측정하였다.
5 mm/min의 cross head 속도로 3점 꺾임강도를 측정하였다. 소결체를 직경 5 mm, 길이 25 mm의 원통형으로 가공한 후 열팽창측정기(DIL 402 PC, Netzch, Germany)를 이용하여 승온속도 10℃/min으로 상온에서 800℃까지의 열팽창계수를 구하였다.
3 m³ 전기로에서 2℃/min의 속도로 1280℃까지 가열하여 고온에서 30분 유지하였다. 소결체의 수축율은 장축방향으로 10 cm의 수축 확인선을 표시하여 소성 전후의 수축비로 계산하였다. 소결체의 밀도는 아르키메데스 법을 이용하여 측정 하였다.
상용 자기소지의 소성온도 범위에서 납석을 소결 시키기 위하여 장석을 사용하였다. 알칼리(Alkali)성분이(산화나트륨(Na₂O)과 산화칼륨(K₂O)) 납석의 분해와 치밀화 그리고 뮬라이트 생성에 미치는 영향의 차이를 확인하기 위하여 소다장석(Na-feldspar)과 카리장석(K-feldspar) 두 가지로 하였다. 고령토에 비하여 부족한 납석의 가소성을 보완하기 위하여 와목점토를 사용하였다.
납석-장석-와목점토로 조성된 소결체의 납석 첨가량 변화에 따른 물성을 평가하고 결정상을 정량 분석하였다. 이와 같은 실험 결과를 토대로 뮬라이트의 생성량을 비교하고, 강도와 열충격 등이 우수한 자기소지에 적절한 납석 양에 대하여 고찰하였다.

대상 데이터

알칼리(Alkali)성분이(산화나트륨(Na₂O)과 산화칼륨(K₂O)) 납석의 분해와 치밀화 그리고 뮬라이트 생성에 미치는 영향의 차이를 확인하기 위하여 소다장석(Na-feldspar)과 카리장석(K-feldspar) 두 가지로 하였다. 고령토에 비하여 부족한 납석의 가소성을 보완하기 위하여 와목점토를 사용하였다. 각 출발원료의 화학분석 결과를 Table 1에 나타내었다.
9 wt%이다. 납석의 화학식은 Al₂Si₄O₁₀(OH)₂이고 이론 조성은 SiO₂-66.7 wt%, Al₂O₃-28.3 wt%, H₂O-5.0 wt%로 카올리나이트에 비하여 구조수(構造水) 함량이 낮다. 납석의 이러한 특성은 가열시 상대적으로 비정질에 가까운 메타카올리나이트(Metakaolinite)로 상분해 되는 카올리나이트에 비하여 디하이드록실화(Dehydroxylation)에 의하여 구조가 교란 받을 여지가 적어 초기 뮬라이트 구조로의 전이가 쉽다.
출발 원료는 전남 완도산 납석, 장석, 와목점토를 사용하였다. 상용 자기소지의 소성온도 범위에서 납석을 소결 시키기 위하여 장석을 사용하였다.

이론/모형

배합비는 상용 자기소지의 광물조성인 점토 50%-규석 25%-장석 25%을 참고로 하여 조성한 것이다.⁷⁾ 볼밀링으로 혼합한 슬러리의 입도를 레이저 회절법(beckman coulter LS13 320, U.S.A)으로 측정하였다. 슬러리를 직사각형(130×35×4 mm) 석고몰드에서 주입성형 하였다.
소결체의 밀도는 아르키메데스 법을 이용하여 측정 하였다. 소결체의 결정상 분석은 X-선 회절분석 장비로 측정하여 리트벨트(Rietveld)법에 의한 정량분석법(QPA: quantitative phase analysis)을 이용하였다. 소결체를 4×3×40 mm로 가공 후 표면 연마하여 0.
소결체의 수축율은 장축방향으로 10 cm의 수축 확인선을 표시하여 소성 전후의 수축비로 계산하였다. 소결체의 밀도는 아르키메데스 법을 이용하여 측정 하였다. 소결체의 결정상 분석은 X-선 회절분석 장비로 측정하여 리트벨트(Rietveld)법에 의한 정량분석법(QPA: quantitative phase analysis)을 이용하였다.

성능/효과

8) 산화칼륨이 산화나트륨에 비하여 열팽창계수를 낮추는데 유리하다는 기존의 연구결과와 일치한다.¹¹⁾ 50%의 납석을 원료로 하여 뮬라이트를 다량으로 생성시키고 쿼츠와 비정질실리카의 양을 제어하면 열충격에 강한 자기 소지의 개발이 가능한 것으로 판단된다.
고령토를 원료로 한 소결체는 비정질실리카를 제외한 결정상의 정량분석에서 34~44%의 뮬라이트를 가지며 열팽창 계수는 6×10⁻⁶/K로 보고되고 있다.^7,9) 본 연구에서는 납석을 원료로 한 자기 소결체가 뮬라이트 생성량이 많아 열팽창 계수를 낮추는데 유리함을 확인 할 수 있었다. 동일한 뮬라이트 생성량의 소결체에서 카리장석을 첨가한 소결체가 소다장석을 첨가한 소결체에 비하여 열팽창 계수가 20% 이상 낮게 나타나는 것은(Fig.
가소성을 향상시켜주는 콜로이드(colloid)가 포함된 1 µm 이하의 입자들이 17.7% 이상 확인되었다.
고령토를 납석으로 대체한 결과 소결체의 뮬라이트 생성량이 증가하였고 이로 인하여 강도와 열팽창 등 물성이 향상된 자기 소지를 제작할 수 있었다.
고령토를 납석 45~55%로 대체한 자기 소지를 제조하여 1280℃에서 소성하였다. 납석 50%에 카리장석을 첨가한 소결체의 꺽임강도는 평균 122.5 MPa로 고령토를 원료로 한 기존의 연구결과에 비하여 47.5% 이상 증가되었다. 뮬라이트 생성량을 확인하기 위한 결정상 정량 분석에서 납석 45%에 소다장석을 첨가한 소결체의 뮬라이트 생성량은 79.
정량적으로 제시한 수치는 소결체의 결정상 만을 대상으로 하여 계산한 값이다. 납석 첨가량이 늘어날수록 뮬라이트 생성량이 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 소성 전 혼합물의 화학조성(Table 3)에서 뮬라이트 생성에 직접적인 영향을 주는 알루미나(Al₂O₃)의 양이 줄어들기 때문인 것으로 판단된다.
카리장석을 혼합한 소결체의 강도가 소다장석 혼합 소결체에 비하여 높게 나타났다. 납석을 50%를 혼합한 소결체가 122.5 MPa, 114.0 MPa 로 가장 높은 강도를 나타내었다. 이것은 45% 첨가 소결체의 강도에 비하여 14~21% 높은 수치로 뮬라이트의 생성과 치밀화가 동시에 일어난 결과로 판단된다.
각 혼합물의 조합비는 Table 2, 화학조성비는 Table 3과 같다. 납석의 첨가량이 늘어날수록 SiO2의 함유량이 1.6~1.7 wt% 늘어나고 Al2O3의 함유량은 0.6~0.7 wt% 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 소다장석을 첨가한 PN군 시료와 카리장석을 첨가한 PK군 시료에서 산화나트륨의 함유량은 1.
이것은 45% 첨가 소결체의 강도에 비하여 14~21% 높은 수치로 뮬라이트의 생성과 치밀화가 동시에 일어난 결과로 판단된다. 또한 고령토의 7.5%를 납석으로 대체 하여 최대 82.7 MPa의 강도를 얻은 기존의 연구결과에 비하여 47.5% 이상 향상된 값이다.⁹⁾
5% 이상 증가되었다. 뮬라이트 생성량을 확인하기 위한 결정상 정량 분석에서 납석 45%에 소다장석을 첨가한 소결체의 뮬라이트 생성량은 79.3%로 가장 높았다. 열팽창계수 측정결과 납석 45%에 카리장석을 첨가한 소결체의 열팽창계수가 5.
7 wt% 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 소다장석을 첨가한 PN군 시료와 카리장석을 첨가한 PK군 시료에서 산화나트륨의 함유량은 1.5~1.9 wt% 차이가 있었으며 산화칼륨의 함유량은 2.8~3.5 wt%의 차이가 있었다. 기타 알칼리 성분인 산화칼슘(CaO)은 PN군의 시료가 0.
3%로 가장 높았다. 열팽창계수 측정결과 납석 45%에 카리장석을 첨가한 소결체의 열팽창계수가 5.3×10⁻⁶/K로 가장 낮게 나타났다.
1에 나타내었다. 측정결과 납석의 주성분인 엽납석(Al₂Si₄O₁₀(OH))과 쿼츠(Quartz-SiO₂) 결정상이 나타났다.
5) 기준으로 나타낸 것이다. 측정결과 뮬라이트 생성량이 많아질수록 열팽창 계수가 낮아지는 것을 확인 할 수 있다. 고령토를 원료로 한 소결체는 비정질실리카를 제외한 결정상의 정량분석에서 34~44%의 뮬라이트를 가지며 열팽창 계수는 6×10⁻⁶/K로 보고되고 있다.
3은 소결체의 치밀화 정도를 비교하기 위하여 밀도를 나타낸 것이다. 측정결과 소결체의 밀도는 최소 2.3 g/cc, 최대 2.4 g/cc이며 장석의 종류와 납석양의 차이로 인한 주목할 만한 특징은 관찰되지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	납석의 뮬라이트 상이 침상으로 성장할 때 일반 자기소지의 원료인 고령토를 납석으로 대체 하였을 때 보다 나은 뮬라이트 생성 촉진을 기대할 수 있는 이유는?	4-6) 납석을 가열하게 되면 약 800oC에서 탈수작용 등에 의한 흡열반응이 끝난 후에도 가열 전의 납석과 구조 변화가 거의 없는 파이로필라이트디하이드록실레이트(Pyrophyllite dehydroxylate) 상태를 1050oC까지 유지하며 입자의 가장자리로부터 안쪽으로 뮬라이트상이 침상으로 성장한다.4-6) 이는 카올리나이트에서 뮬라이트가 뚜렷한 방향성 없이 생성 되는 것과 구별된다. 따라서 일반 자기소지의 원료인 고령토를납석으로 대체 하였을 때 보다 나은 뮬라이트 생성 촉진을 기대할 수 있다.
	납석이란?	납석(Pyrophyllite)은 두개의 SiO4 사면체판 사이에 AlO4(OH)2 팔면체판이 결합한 2:1층형 층상규산염 점토광물이다. 우리나라에는 전남일대를 중심으로 약 730만 톤이 부존 되어 있으며 생산량은 2005년 기준 약 74만 톤으로 시멘트, 타일, 분체 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
	납석을 가열하면 조직은 어떻게 변하는가?	납석의 이러한 특성은 가열시 상대적으로 비정질에 가까운 메타카올리나이트(Metakaolinite)로 상분해 되는 카올리나이트에 비하여 디하이드록실화(Dehydroxylation)에 의하여 구조가 교란 받을 여지가 적어 초기 뮬라이트 구조로의 전이가 쉽다.4-6) 납석을 가열하게 되면 약 800oC에서 탈수작용 등에 의한 흡열반응이 끝난 후에도 가열 전의 납석과 구조 변화가 거의 없는 파이로필라이트디하이드록실레이트(Pyrophyllite dehydroxylate) 상태를 1050oC까지 유지하며 입자의 가장자리로부터 안쪽으로 뮬라이트상이 침상으로 성장한다.4-6) 이는 카올리나이트에서 뮬라이트가 뚜렷한 방향성 없이 생성 되는 것과 구별된다.

참고문헌 (11)

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B. S. Kim, D. Y. Lee, H. K. Kim, and J. W. Jang, "The Decision on the Thermal Expansion Coefficient of the Glass Infiltrated in All Ceramic Crown (in Korean)," J. Kor. Ceram. Soc., 40 [1] 93-7 (2003).

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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