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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 첨가제 조성에 따라 폐유리와 점토를 주성분으로 사용하여 내·외장 타일로 응용 가능한 친환경적 타일 소지의 미세구조와 밀도변화에 따른 곡 강도 특성을 고찰하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 첨가제 조성에 따라 폐유리와 점토를 주성분으로 사용하여 내·외장 타일로 응용 가능한 친환경적 타일 소지의 미세구조와 밀도변화에 따른 곡 강도 특성을 고찰하였다. 이를 통해 산업 폐기물과 관련된 세라믹 타일 분야에 폐유리를 적용하는 방안을 모색하고, 향후 연관 산업분야에도 기술적 배경을 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 중공형 미세구는 풍선같이 안이 비어있는 형태로 poly-methyl methacrylate 성분으로 이루어져 있다. 원료 조합은 Table 3에 표기 하였는데, 폐유리(cullet)와 점토(Loess)의 비율을 1:9부터 7:3까지 변화시켜 준비하였으며, 원료 조합은 증류수를 용매로 사용하여 습식으로 혼합하였다. 혼합은 Al2O3볼과 폴리프로필렌 용기를 사용하여 3시간 동안 볼 밀링(ball milling) 한 후, 완전히 건조시켰다.
- 폐유리, 점토, 중공형 미세구를 출발원료로 사용하고 첨가제로 글라스 프릿, 붕산 또는 fumed silica를 첨가하여 700 ~ 800°C의 온도범위에서 제조한 환경친화적인 타일소지의 곡강도를 고찰하였다.
대상 데이터
- 출발원료로 폐유리 (Namgang Ceramics, Jinju, Korea), 점토 (9.8 µm, Namgang Ceramics, Jinju, Korea)를 주원료로 사용하였으며, 실험에 사용된 원료의 화학조성은 Table 1에 나타내었다.
- 8 µm, Namgang Ceramics, Jinju, Korea)를 주원료로 사용하였으며, 실험에 사용된 원료의 화학조성은 Table 1에 나타내었다. 첨가제로 붕규산염계 글라스 프릿 (Borosilicate glass frit, VA-750, Duklim, Korea), 붕산 (H3BO3, Samchun Pure Chemical Co., Ltd., Pyongtak, Korea), 그리고 fumed silica (Aerosil 300, Degussa, Germany)를 사용하였다. 첨가제로 사용된 붕규산염계 프릿의 화학조성은 Table 2에 나타냈고, 붕규산염계 프릿의 유리전이점은 690°C이다.
- 첨가제로 사용된 붕규산염계 프릿의 화학조성은 Table 2에 나타냈고, 붕규산염계 프릿의 유리전이점은 690°C이다. 또한, 경량화를 위한 기공형성제로는 중공형 미세구 (hollow microsphere, 461DE20, Expancel, Sundsvall, Sweden)를 사용하였다. 중공형 미세구는 풍선같이 안이 비어있는 형태로 poly-methyl methacrylate 성분으로 이루어져 있다.
성능/효과
- (b))의 미세구조는 소결온도가 700°C와 750°C보다 높은 800°C에서 소결했음에도 점토에 비해 상대적으로 부족한 폐유리의 함량으로 인해 치밀화를 위해 필요한 유리상이 충분히 형성되지 않아 유리성분이 점토 입자 사이의 기공을 채우지 못해서 기공벽에 잔류 기공이 많이 남아 있음을 관찰할 수 있다.
- 특히, 글라스 프릿을 첨가하고, 폐유리와 점토의 비율이 7:3인 시편에서 소결온도가 750°C에서 800°C 로 증가함에 따라 타일 소지의 밀도가 1.42 g/cm3 에서 1.78 g/cm3로 급격하게 (~25%) 증가하였음을 알 수 있다.
- 4는 글라스 프릿, 붕산, fumed silica를 첨가제로 사용하였을 때, 폐유리와 점토의 비율 및 소결 온도 변화에 따른 타일 소지의 밀도 변화를 보여준다. 각 첨가제 조성에서 소결 온도가 증가할수록 밀도가 증가하였고, 폐유리와 점토의 비율 변화는 시편의 밀도에 의미 있는 변화를 보여주지 않았다. 이는 낮은 연화점을 갖는 글라스 프릿에 비해 상대적으로 소결온도가 높은 점토의 특성으로 인해 소결온도가 증가할수록 점토에 비해 연화점이 낮은 글라스 프릿에 의한 유리상이 충분히 형성되어 타일 표면의 기공을 감소시켜 밀도가 증가됨을 알 수 있다.
- 본 연구에서 첨가제 조성을 변화시킨 상태에서 소결온도 및 폐유리와 점토의 비율을 제어함으로서 폐유리를 재활용한 친환경적 타일 소지의 밀도를 1.11-1.78 g/cm3 범위에서 제어하는 것이 가능하였고, 첨가제로 글라스 프릿을 첨가하고 폐유리와 점토의 비율이 7:3인 시편을 800°C에서 소결하는 것이 밀도가 가장 높은 타일을 제조할 수 있는 조건이었다.
- 또한 소결온도가 800°C로 동일할 때는 폐유리의 함량이 증가할수록 곡강도가 증가되는 것을 보여준다.
- 폐유리와 점토의 비율이 7:3이며 800°C에서 소결한 C7A 시편의 곡강도는 15.1 MPa로 fumed silica를 첨가한 시편 중에서는 가장 높은 값을 나타냈으나, 글라스 프릿 및 붕산을 첨가한 시편의 곡강도 보다는 낮은 값을 보였다.
- 본 연구에서 폐유리와 점토의 비율이 7:3이면서 글라스프릿을 첨가하고 소결 온도 800°C에서 타일을 제조했을때 곡강도가 40.1 MPa로 매우 우수한 곡강도를 갖는 친환경적 타일을 제조할 수 있었는데, 이러한 곡강도는 Song 등이20) 규조토를 이용하고, 중공형 미세구를 첨가하여 소결 온도 800°C에서 제조한 조습타일의 곡강도인 9 MPa 보다 월등히 우수한 값이기에 재활용 타일로서 큰 장점이 있다고 판단된다.
- 붕산을 첨가제로 사용한 시편의 경우에도 글라스 프릿을 첨가한 경우와 마찬가지로 소결 온도가 증가할수록, 폐유리 함량이 증가할수록 곡강도가 증가하였다. 예를 들면 폐유리와 점토의 조성비가 7:3인 시편에서 소결 온도가 750°C에서 800°C로 증가함에 따라 곡강도는 8.
- 본 연구에서 고찰한 조성 중에서 글라스 프릿을 첨가제로 사용하고 폐유리와 점토의 비율이 7:3이면서 800°C에서 소결한 시편이 약 40 MPa의 가장 높은 곡강도를 나타냈다.
- 폐유리, 점토, 중공형 미세구를 출발원료로 사용하고 첨가제로 글라스 프릿, 붕산 또는 fumed silica를 첨가하여 700 ~ 800°C의 온도범위에서 제조한 환경친화적인 타일소지의 곡강도를 고찰하였다. 글라스 프릿, 붕산 그리고 fumed silica를 첨가제로 사용한 모든 시편에서 소결 온도가 증가할수록 시편의 밀도는 증가하였다. 이는 소결 온도가 증가함에 따라 유리상이 충분히 형성됨으로써 기공 벽의 치밀화를 촉진하여 타일 소지의 밀도를 증가시켰기 때문이다.
- 본 연구에서 연구된 조성 중에 폐유리와 점토의 비율이 7:3이고 글라스 프릿을 첨가제로 사용하여 800°C에서 소결한 C7F 시편이 40.1 MPa의 가장 높은 곡강도를 나타냈다.
- Fig. 1(a)의 미세구조는 상대적으로 저온에서 소결이 이루어져서 폐유리의 소성상태가 좋지 않아 유리상의 거의 형성되지 않았고, 따라서 유리상이 입자 사이 및 내부의 기공을 채우지 못해 작은 입자간 기공이 많이 남아 있는 것을 볼 수 있다. Fig.
- 1(b) 의 미세구조를 보면 Fig. 1(a)에서 볼 수 없던 점토 입자 사이에 글라스 프릿과 함께 경량화를 위한 기공형성제로 첨가된 중공형 미세구에 의한 미세 기공이 관찰되었으며, 일부에서는 유리상이 형성되어 타일의 표면 및 내부의 기공을 감소시킨 것을 확인 할 수 있다. Fig.
- 붕산을 첨가한 시편들의 경우도 글라스 프릿을 첨가한 시편들과 마찬가지로 소결 온도가 증가할수록 시편들의 밀도가 증가하는 경향을 확인할 수 있는데, 소결 온도의 증가로 인해 유리상이 충분히 형성되면서 타일 표면의 기공을 감소시켜 밀도가 증가된 것으로 판단된다. 붕산을 첨가하고 소결 온도 700°C에서 폐유리와 점토의 비율이 5:5인 시편의 밀도는 1.
후속연구
- 다공질 SiC 세라믹스의 저온 제조 공정을 통해 결합재로서 글라스 프릿의 함량을 최적화 할때 추가적인 기계적 강도의 향상이 가능하다고 보고하였다. 이로부터 폐유리-점토 타일 소지의 경우에 글라스 프 릿의 함량을 최적화 함으로써 추가적인 곡강도 증진이 가능할 것으로 예상된다.
- 글라스 프릿의 조성 및 양을 최적화함으로써 폐유리를 재활용한 친환경적 타일의 곡강도를 추가적으로 향상시키는 것이 가능할 것으로 판단된다.
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