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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.10 pp.550-557
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.10.550

Influence of Flowability of Ceramic Tile Granule Powders on Sintering Behavior of Relief Ceramic Tile

Cheol Shin, Jung-Hoon Choi, Jung-Hun Kim, Kwang-Taek Hwang, Jin-Ho Kim†
Icheon Branch, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology, Icheon 17303, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : jino.kim@kicet.re.kr (J.-H. Kim, KICET)
September 3, 2020 September 24, 2020 September 24, 2020

Abstract


Used in the ceramic tile market as a representative building material, relief ceramic tile is showing increased demand recently. Since ceramic tiles are manufactured through a sintering process at over 1,000 °C after uniaxial compression molding by loading granule powders into a mold, it is very important to secure the flowability of granular powders in a mold having a relief pattern. In this study, kaolin, silica, and feldspar are used as starting materials to prepare granule powders by a spray dryer process; the surface of the granule powders is subject to hydrophobic treatment with various concentrations of stearic acid. The effect on the flowability of the granular powder according to the change of stearic acid concentration is confirmed by measuring the angle of repose, tap density, and compressibility, and the occurrence of cracks in the green body produced in the mold with the relief pattern is observed. Then, the green body is sintered by a fast firing process, and the water absorption, flexural strength, and durability are evaluated. The surface treatment of the granule powders with stearic acid improves the flowability of the granule powders, leading to a dense microstructure of the sintered body. Finally, the hydrophobic treatment of the granule powders makes it possible to manufacture relief ceramic tiles having a flexural strength of 292 N/cm, a water absorption of 0.91 %, and excellent mechanical durability



과립분말 유동성 변화가 부조세라믹타일의 소결거동에 미치는 영향

신 철, 최 정훈, 김 정헌, 황 광택, 김 진호†
한국세라믹기술원 이천분원

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    점토를 주원료로 1,000 °C 이상의 고온에서 열처리 과 정을 통하여 제작되는 판형의 세라믹 타일은 대표적인 건축용 내외장재로 사용되고 있다. 이와 같은 세라믹타 일은 고령토, 석회석 등의 광물형 원료를 조합하여 성 형, 시유, 데코레이션, 소성, 마감 등의 공정을 거쳐서 제 작되며 표면에 다양한 색상과 패턴 및 질감을 표현함으 로서 제품의 가치를 높일 수 있다.1,2) 특히 최근에는 디 지털 잉크젯 프린팅 양산 설비 도입이 확산되면서 기존 의 규격화된 평면 디자인의 제품이 아닌 다양한 소재의 표면질감을 표현할 수 있는 입체형 표면의 부조(relief) 세라믹 타일에 대한 시장의 수요가 증가하고 있다. 세 라믹타일은 조합 원료를 슬립 상태로 제조 후 분무건조 (spray dryer) 공정을 통하여 과립분말(granule powders) 로 제조하여 금형몰드에 장입하고 일축가압 성형하여 제 작되고 있다. 따라서 1,000 °C 이상의 고온 소성 과정을 거치며 큰 수축이 발생하기 때문에 최종 소성품의 정밀 한 치수제어 및 평탄도(flatness) 유지가 매우 중요하다. 금형몰드에 장입되는 과립분말의 유동성은 최종 소성품 의 치수 제어가 큰 영향을 미치게 되며, 특히 부조세라 믹타일의 경우 일축가압 과정에서 발생하는 불균일한 표 면 응력 및 소성 과정의 수축률 편차를 효과적으로 제 어하기 위하여 우수한 유동성(flowability)을 갖는 과립 분 말 제조가 매우 중요하다.3,4)

    분무건조 공정은 세라믹 원료의 과립분말 제조에 널리 사용되고 있으며, 고온 건조실 내부로 세라믹 고형분이 포 함된 슬러리를 분무하여 균일한 크기를 갖는 구형의 과 립 분말을 대량으로 제조하는 방법이다. 세라믹타일 산 업에서는 분무건조 공정이 생산 현장에 적용되어 사용되 고 있으며, 금형몰드 내 균일한 충진을 위하여 높은 유 동성을 가진 과립분말 제조에 대한 연구가 활발하게 진 행되었다.5-7) 최근에는 과립분말의 유동성을 향상시키기 위 하여 유동층 코팅기를 이용한 코팅 공정에 관한 여러 논 문이 발표되었다.3,8,9) 유동층 코팅공정은 미분체를 유동 공 기에 의해 유동시키면서 일정하게 유동 흐름을 만들고 입 자들이 충분히 예열되었을 때 분무 노즐을 통하여 원하는 물질의 용액을 분사시켜 입자들간에 liquid bridge를 형성 하여 코팅하는 공정이다. 이와 같은 유동층 코팅 기술은 다양한 코팅제의 사용이 가능하여 식품이나 제약산업에 널 리 활용되고 있다. Choi 등은 유동층 코팅공정을 이용하 여 본차이나 과립분말 표면에 규산나트륨(sodium silicate, Na2SiO3)을 코팅함으로서 과립분말의 소수화(hydrophobic) 처리를 통한 유동성 향상으로 바인더 제팅(Binder Jetting) 3D 프린팅 소결체 물성을 향상시켰다고 보고하였다.10)

    본 연구에서는 분무건조 공정으로 제조된 세라믹타일 과립분말의 표면에 유동층 코팅 공정을 이용하여 소수 화 처리를 하고 이에 따른 과립분말의 유동성 변화 및 부조세라믹타일 성형체 및 소성체 물성에 미치는 영향 에 대하여 확인하였다. 과립분말의 소수화 표면 코팅 제는 포화지방산의 일종으로 양친매성(amphipathy) 분 자구조로 계면활성제와 연화제로 널리 사용되고 있는 스테아르산(stearic acid)을 사용하였다.11,12) 표면 코팅 제인 스테아르산 농도에 따른 과립분말 유동성 변화는 안식각(angle of repose), 탭밀도(tap density), 압축도 (compressibility) 및 유동성 지수(flowability index) 측정 하여 확인하였다. 또한 표면코팅 처리된 세라믹타일 과 립분말을 이용하여 부조세라믹타일 성형체를 제작하고, 이 후 신속소성(fast firing) 공정으로 열처리하여 소결체의 굽힘강도와 흡수율 및KS L 1001 도자기질타일규정 에 맞추어 내구성 평가를 진행하였다.

    2. 실험방법

    실험에 사용된 과립분말의 출발원료는 세라믹타일의 원 료로 사용되는 EPK 카올린, 부여규석, 부여장석을 사용 하였으며, Table 1은 과립분말의 화학조성을 보여주고 있 다. 출발원료를 10 mm 크기의 지르코니아 볼과 함께 2 시간 볼밀(ball mill)하여 혼합한 후 분무건조기(spray dryer, EYERA SE-1000)를 이용하여 10 L/h 속도로 분 무시켜 구형의 과립분말을 제조하였다. 분무건조 공정의 입구온도와 출구온도는 각각 140 °C와 80 °C이며, 분무 압력은 50-60 kPa 범위 내에서 조절하였다. 제조된 과립 분말은 110°C 오븐에서 24시간 건조하여 수분을 제거하 였다. 과립분말의 표면코팅제는 스테아르산(Sigma-Aldrich) 을 사용하였으며, 코팅농도는 과립분말 중량 대비 0, 2, 5, 8, 10 wt%로 조절하였다. 과립분말의 표면코팅은 유 동층 코팅기(FBG-2, 에스원코리아)를 이용하였으며, 과립 분말 투입 시 공기유량은 45 m3/h이며, 다양한 농도로 제 조된 스테아르산 용액을 분사속도 2.3 ml/min 조건에서 진행하였다. 이때 유동층 코팅기 내부 온도는 60 °C로 유 지하였으며, 전체 코팅시간은 50분으로 고정하였다. 표면 처리된 과립분말은 부조세라믹타일 시편 제작을 위하여 격자 패턴이 디자인된 이형 금형몰드에 장입하여 성형 체를 제작하였다. Fig. 1은 실험에 사용된 침투깊이가 0.8 mm로 부조패턴이 디자인된 금형몰드를 보여주고 있으 며, 금형몰드의 재질은 SK 11이며, 제작 성형체 시편의 크기는 50 × 50 × 7(t) mm 이다. 이때 과립분말의 수분 함유량은 몰드 충진 시 충진효율에 영향을 미치기 때문 에 1 % 이하로 제어하였다. 금형몰드에 장입하는 과립 분말의 양은 20 g이며, 성형압력은 360 kfg/cm2 이다. 세 라믹타일 성형시편의 소성은 실제 세라믹타일 양산 공 정에 적용되는 roller hearth kiln(길이: 10 m, 최대온도: 1,400 °C, 제작: 미르가열시스템)를 이용하였다. 전체 송 차시간은 50 min이며, 최대온도는 1,220 °C 조건으로 소 결하였다.

    과립분말의 유동성 평가를 위한 안식각, 탭밀도, 압축 도 및 유동성 지수의 측정은 분체특성측정기(PowderPro A1, 케이원나노)를 사용하였다. 과립분말의 입도는 크기 가 다른 체눈으로 측정하는 체거름법(sieve method)으로 분석하였으며, 분체특성측정기로 측정하였다. 과립분말 미 세구조는 field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JSM-6390, JEOL)으로 분석하였으며, 화학 분석은 ionized coupled plasma (ICP, OES 5300DV, PerkinElmer)을 이용하였다. 그리고 세라믹타일 소결체의 굽힘강도(bending strength)는 만능시험기(UTM Inspekt 250, Sweden)를 이용하여 3점 굽힘시험(3-point bending strength) 방법으로 측정하였다. 소결체 흡수율은 세라믹 타일 시편을 150 °C 항온기에서 3시간 건조 후 건조무 게(W1)를 측정하고, 증류수 속에 담가 3시간 이상 끓인 후 실온까지 냉각하여 포수시료를 만든 후 물 속에서 매 단 채 무게(W2)를 측정하였다. 그 후에 물 속에서 시 편을 꺼내어 표면의 물기를 제거한 후 무게(W3)를 측 정하여 흡수율을 계산하였다. 그리고 세라믹타일 내마모 성(abrasion resistance)은 규격화된 탄화규소 연막재 분 말을 낙하시킨 후 타일의 전후 무게 차이를 측정하였 다. 세라믹타일 내균열성(crack resistance)은 시편을 오 토클레이브(autoclave)에 장입하여 밀폐한 후 1시간 동안 1 N/mm2 압력이 되도록 온도를 높인 후, 가압 상태에서 1시간 유지하는 과정을 10회 반복 후 유기염표를 시편의 표면에 도포하여 균열의 유무를 관찰하여 측정하였다. 세 라믹타일 내동해성(frost resistance)은 시편을 상온에서 물 속에 24시간 이상 담가 물을 흡수시킨 후 -20 ± 3 °C 냉 동조 내에 넣고 8시간 이상 경과하고 나서 꺼내어, 이 것을 상온의 깨끗한 물속에 6시간 이상 담그는 과정을 10회 반복한 후 시편의 갈라짐 유무를 관찰하였다.

    3. 결과 및 고찰

    Fig. 2와 Table 2는 분무건조 공정으로 제조된 세라믹 타일 과립분말의 X선 회절분석을 통한 결정구조 분석과 FE-SEM을 통한 미세구조 분석 및 입도분석 결과를 보 여주고 있다. Fig. 1(a)의 XRD 분석 결과에서 규석 광 물에 의한 쿼츠(quartz, SiO2) 피크가 가장 강하게 관찰 되고 있으며, 그 외에 조장석(albite, NaAlSi3O8), 할로이 사이트계 카올린[kaolin, Al2Si2O5(OH)4] 등에 기인한 피 크가 관찰되고 있다. 세라믹타일 조성은 점토(카올린)광 물-장석광물-규석광물의 삼성분계로 구분되며, 점토광물은 가소성과 성형성을 부여하며, 성형체의 바인더로서 작용 한다. 장석광물은 저온 용융성 알칼리 알루미노 실리케 이트이고 점성의 액상이 형성되는 온도를 낮추는 역할 을 한다. 이러한 장석광물의 액상화 현상은 다른 소지 조성과 반응하여 점차 조직 내로 침투하여 치밀화를 유 도하는 역할을 한다. 규석은 높은 소결온도에서 화학적 으로 안정한 고융점으로 재료로서 소지가 상당한 양의 액상을 형성하는 온도에서 뒤틀리거나 수축하는 경량을 막아주는 역할을 한다.13) Fig. 2(b)의 FE-SEM 분석 결 과에서 분무건조 공정으로 제조된 과립분말은 수십에서 수백 μm 크기의 입도를 갖는 구형의 분말을 확인하였 다. 또한 Table 2에서 체거름법을 이용한 과립분말 입도 를 분석 결과, 75 ~ 150 μm 입도를 갖는 과립 분말이 가 장 많이 분포하고 있으며, 75 ~ 355 μm 범위의 입도를 갖는 과립분말이 전체의 94 %를 차지하고 있다. 높은 유 동성을 갖는 과립분말은 잔존 수분량이 동일하다는 조 건에서 100 ~ 400 μm 입도의 구형을 가져야 하는 것으 로 알려져 있다.14,15) 따라서 본 실험에 사용되는 과립분 말은 높은 유동성을 요구하는 세라믹타일에 사용이 가 능한 것을 확인하였다.

    과립분말의 화학성분 결과(Table 1)에서 주성분인 실리 카(SiO2)는 표면에 실란올(Si-OH)기를 포함하기 때문에 친수성을 갖게 된다.16) 따라서 친수성인 실리카의 수소 화(hydrophobic)를 위해서는 화학적·물리적으로 표면을 개 질하여야하며, 본 연구에서는 포화지방산인 스테아르산을 이용하여 과립분말의 표면 소수화처리를 진행하였다. Jeong 등은 중질탄산칼슘(ground calcium carbonate) 미 분체를 스테아르산으로 표면을 소수화 처리하여 스테아 르산이 미분체의 표면에 매우 균일하게 코팅되었을 경 우 최종적으로 분체의 유동성이 향상되었다고 보고하였 다.11) 과립분말의 유동성은 분체의 이동 능력을 의미하 며, 건식 성형을 위하여 금형몰드에 장입 시 세라믹 성 형체의 밀도 및 균질화 특성 뿐만 아니라 열처리 이후 소결체의 물성에 큰 영향을 미치게 된다. 이와 같은 분 말의 유동성을 측정하는 방법으로 적층된 분말의 경사 각을 이용한 안식각(angle of repose) 측정법이 가장 널 리 이용되고 있다. 안식각은 분말을 깔때기(funnel) 구멍 을 이용하여 떨어트려 쌓이는 수평면과 경사면이 이루는 각을 의미하며, 안식각이 낮을수록 분말의 유동성이 높 다는 것을 의미한다. 또한 탭밀도(tap density)는 분말을 충전 시 일정한 조건으로 용기를 진동시켜 얻어지는 분 말의 겉보기 밀도를 의미하며, 따라서 유동성이 우수한 분말은 높은 탭밀도를 갖게 된다. 압축도(compressibility) 는 탭밀도와 벌크밀도(bulk density)의 차이를 백분율로 표시한 값이며, 압축도가 작을수록 과립분말의 유동 특 성이 우수하다는 것을 나타낸다. Fig. 3은 스테아르산 농 도에 따른 세라믹타일 과립분말의 (a) 안식각과 탭밀도 변화 및 (b) 압축도와 유동성 지수 변화를 보여주고 있 다. Fig. 3(a)에서 표면처리되지 않은 과립분말의 경우 안 식각과 탭밀도는 각각 27.31o와 1.39 g/cm3 이다. 반면에 스테아르산 농도 증가에 따른 과립분말의 안식각은 감 소하는 경향을 보이고 있으며, 5 wt% 농도에서 안식각 은 18.90o으로 측정되었다. 반면에 스테아르산 농도가 더 증가하면 안식각은 다시 증가하는 거동을 보이고 있다. 탭밀도는 스테아르산 농도 증가에 따라 1.84 g/cm3 (5 wt%)까지 증가하다 이후에 다시 감소하여 10 wt%에서 1.48 g/cm3으로 측정되었다. 이러한 원인은 과립분말 표 면에 과도포된 소수성 입자들간의 마찰력 증가로 인하 여 안식각은 증가하고, 탭밀도는 감소하는 것으로 판단 할 수 있다. 이와 같은 스테아르산 농도에 따른 과립분 말의 안식각과 탭밀도의 변화 거동은 Fig. 4(b)의 압축 도 결과에서도 유사한 것을 알 수 있으며, 압축도는 5 wt% 농도 조건에서 가장 낮은 10.09 %를 보이고 있다. 또한 스테아르산으로 표면코팅된 과립분말의 유동성 지 수(flowability index)는 결과에서 알 수 있는 바와 같이 5 wt% 농도 조건에서 94.12이며, 코팅처리되지 않은 과 립분말(84.21)과 비교하여 유동성 지수가 11.8 % 증가하 는 것을 알 수 있다. 분체의 유동성은 입자 상호간의 힘 과 적층 구조에 의하여 결정되며, 측정된 유동성 지수 는 안식각, 압축도, 균일성, 응집도 수치의 가중치로 계 산되었다.17) 이상의 결과에서 스테아르산을 이용한 과립 분말의 소수화 표면처리는 유동성 향상에 영향을 미치 고 있는 것을 확인하였다. Choi 등은 소수성을 갖는 흄 드 실리카(fumed silica)로 세라믹 분말을 코팅할 경우 물 과의 접촉 특성이 표면 코팅 용액의 성질과 동일하게 발 현될 수 있으며, 이러한 거동은 분체 표면의 hydroxyl group 분포에 기인한다고 보고하였다.10) 따라서, 위의 결 과에서 스테아르산 용액을 이용한 도자타일 과립분말의 유동성 증가는 과립분말 표면 코팅을 통한 소수화 처리 에 기인하는 것으로 확인되었다.

    Fig. 4는 부조패턴이 디자인된 이형몰드에 스테아르산 으로 표면처리한 과립분말을 장입하여 제작한 세라믹타 일 성형체의 표면 측정결과이다. 결과에서 표면처리되지 않은 과립분말(Fig. 4(a)의 경우 성형체 표면에 크랙(crack) 이 발생하는 것을 알 수 있으며, 이러한 크랙은 격자 무 늬로부터 시작되어 전파되는 경향을 확인할 수 있다. 이 와 같은 결과는 가압 성형 과정에서 격자 패턴의 모서 리 영역에 불균일한 응력이 발생하기 때문으로 판단할 수 있다. 반면에 스테아르산으로 표면이 수소화처리된 성 형체[Fig. 4(b)~(e)]의 표면에서는 크랙이 관찰되지 않았 으며, 이러한 결과로부터 스테아르산 코팅으로 소수화 처 리된 과립분말은 이형몰드 내에 더욱 균일하게 충진됨 으로서 일축가압 성형압력을 분산시키며 이에 따른 저 항성이 향상된 것을 알 수 있다.

    Fig. 5는 스테아르산으로 소수화 처리한 과립분말을 이 용하여 제작한 세라믹타일 성형체를 소결한 이후에 파 단면에 대한 미세구조를 관찰한 FE-SEM 결과를 보여주 고 있다. 소결체 실험에서는 스테아르산으로 표면처리되 지 않은 과립분말은 성형체 제작 과정에서 크랙이 발생 하여 제외되었다. 시험편 소성은 roller hearth kiln에서 진행하였으며, 전체 송차시간은 50 min, 최대온도는 1,220 °C로 진행하였다. 결과에서 알 수 있는 바와 같이 스테 아르산 농도에 따른 과립분말의 소결체에서 치밀한 미 세구조가 전체적으로 형성되었으며, 내부 기공의 크기나 분포가 변화되고 있는 것을 확인할 수 있다.

    스테아르산 농도 5 wt% 시편에서는 수 μm 크기의 작 은 내부기공이 전체적으로 분포되어 있는 반면에 2 wt, 8 wt%, 10 wt% 시편에서는 내부기공의 크기가 증가하며 매우 불균일하게 분포되어 있는 것이 관찰되고 있다. 이 러한 결과는 과립분말의 금형몰드 충진 시 유동성 변화 에 따라 내부 공극의 존재에 영향을 미치고, 이러한 내 부 공극이 소성 과정에서 내부기공의 형태에 영향을 받 은 것으로 판단할 수 있다.18) 일반적으로 세라믹타일은 소성과정에서 장석 등과 같은 알칼리 함유 원료에 의하 여 액상이 형성되며, 이와 같은 액상은 모세관력에 의 하여 기공을 채우면서 치밀화가 진행된다. 이러한 치밀 한 미세구조는 세라믹타일의 기계적 강도에 큰 영향을 미치게 되는데, 따라서 내부에 발생하는 미세기공도 세 라믹타일의 강도에 영향을 미치게 된다.

    Fig. 6은 과립분말의 스테아르산 농도 변화에 따른 세 라믹타일 소결체의 흡수율와 굽힙강도에 대한 측정결과 를 보여주고 있다. 스테아르산 표면코팅 농도가 증가함 에 따라 세라믹타일 소결체의 흡수율은 점차 감소하여 5 wt% 농도에서 0.91 %로 가장 작은 흡수율을 보여주고 있다. 또한 결과에서 세라믹타일의 굽힙강도는 흡수율과 반비례 거동을 보여주고 있으며, 5 wt% 농도 조건에서 292 N/cm으로 가장 높은 강도를 나타내고 있다.KS L 1001 도자기질타일규정에서 바닥타일로 사용하는 제품 의 굽힘강도는 80 N/cm 이상이어야 하며, 이를 통하여 표면에 입체 패턴이 디자인된 부조세라믹타일 시편에서 매우 높은 기계적 강도를 갖는 것을 알 수 있다. 또한 흡수율이 1 % 이하로서 외장타일에 적용이 가능한 자기 질 타일의 범주에 포함되는 것도 확인하였다. 또한 Table 3은 KS L 1001 도자타일 규정에 따라 스테아르산 농 도 변화에 따른 세라믹타일 소결체의 평가 결과를 보여 주고 있다. 세라믹타일의 내구성은 오토클레이브 실험으 로 진행되는 내균열성(crack resistance)과 동결 융해 실험 으로 진행되는 내동해성(frost resistance), 그리고 실리콘카 바이드(SiC) 분말로 진행하는 내마모성(abrasion resistance) 으로 평가한다. 결과에서 스테아르산 농도 5 wt%로 소 수화 처리된 과립분말의 세라믹타일의 내균열성과 내동 해성 평가로부터 소지의 균열이나 갈라짐은 관찰되지 않 았으며, 내마모성에서 0.05 g 이하의 값으로 제품 기준 을 만족하는 것으로 확인되었다. 따라서 세라믹타일 과 립분말에 대한 스테아르산을 통한 표면 소수화 처리는 유동 특성을 향상시켜 이형몰드 내에서 과립분말의 균 일한 분포를 유도하고, 이는 소결과정에서 상대적으로 치 밀한 미세구조를 형성시킴으로서 높은 상대밀도와 우수 한 기계적 물성을 가져온 것으로 판단할 수 있다.

    4.결 론

    본 연구에서는 카올린, 규석, 장석을 출발원료로 분무 건조 공정을 통하여 세라믹타일 과립분말의 제조하고, 스 테아르산을 통한 과립분말 표면의 소수화 처리가 과립 분말의 유동성 변화 및 최종 소결체의 기계적 물성에 미 치는 영향에 대하여 확인하였다. 분무건조 공정으로 제 조된 세라믹타일 과립분말은 75 ~ 355 μm 입도가 전체 94 %를 차지하는 구형의 형태임을 확인하였다. 세라믹타 일 과립분말의 표면 코팅제는 포화지방산의 일종인 스 테아르산을 사용하였으며, 표면코팅은 유동층 코팅 공정 을 적용하여 진행하였다. 스테아르산 표면코팅을 통하여 소수화 처리된 세라믹타일 과립분말의 유동성은 안식각, 탭밀도, 압축도 및 유동성 지수를 측정하여 평가하였다. 과 립분말의 안식각, 탭밀도 및 압축도는 스테아르산으로 표 면처리되지 않은 경우 각각 27.31o와 1.39 g/cm3, 15.01% 이며, 5 wt%의 농도에서는 18.9o와 1.84 g/cm3, 10.09 % 으로 변화하였다. 유동성 지수는 소수화 처리하지 않은 과립분말과 5 wt% 스테아르산 농도로 소수화 처리한 과 립분말에서 각각 84.21과 94.12로 측정되었으며, 이러한 결과로 스테아르산 소수화 처리는 과립분말의 유동성을 향상시키는 것을 확인하였다. 과립분말을 부조 패턴이 디 자인된 성형몰드에 장입하여 세라믹타일 성형체를 제작 하였으며, 스테아르산으로 소수화 처리되지 않은 과립분 말을 사용한 경우 격자 패턴에서 크랙이 시작되어 전파 된 결과를 확인하였으며, 소수화 처리된 과립분말의 경 우에는 크랙이 전혀 관찰되지 않았다. 또한 roller hearth kiln으로 1,220 °C에서 신속소성하여 제작한 세라믹타일 소 결체는 치밀한 미세구조가 관찰되었으며, 스테아르산 농 도에 따라 내부기공의 크기나 분포가 변하는 것이 확인 되었다. 스테아르산 농도 5 wt% 조건 세라믹타일 소결 체에서 가장 우수한 기계적 물성을 확인하였으며, 흡수율 은 0.91 %, 굽힘강도는 292 N/cm이었으며,KS L 1001 도자기질타일규정에 따른 내마모성과 내동해성 및 동 결융해시험(내균열성) 평가에서도 우수한 결과를 확인하 였다. 이러한 결과로부터 세라믹타일 과립분말에 스테아 르산을 통한 표면 소수화 처리는 과립분말의 유동성을 향상시켜 이형몰드 내에서 과립분말의 균일한 분포를 유 도하고, 이는 소결과정에서 상대적으로 치밀한 미세구조 를 형성시킴으로서 낮은 흡수율과 우수한 기계적 물성 을 가져온 것으로 확인되었다.

    Acknowledgement

    This work was supported by the Technology Innovation Program (20001067, Development of emotional design motif tiles capturing the beauty of traditional Korean housing(Honok) by applying CMF technology for the global market) funded by the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE, KOREA).

    Figure

    MRSK-30-10-550_F1.gif

    (a) Drawing and (b) photograph of press mold used in this study.

    MRSK-30-10-550_F2.gif

    (a) XRD pattern (●: Quartz, ○: Albite, ⊙: Halloysite) and (b) FE-SEM image of ceramic tile granule powders.

    MRSK-30-10-550_F3.gif

    (a) Angle of repose and tap density, (b) compressibility and flowability index of ceramic tile granule powders according to concentration of stearic acid.

    MRSK-30-10-550_F4.gif

    Photograph images of green body prepared by surface treated granule powders as function of stearic acid concentration : (a) 0 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, (d) 8 wt%, (e) 10 wt%.

    MRSK-30-10-550_F5.gif

    FE-SEM images of sintered body microstructure prepared by surface treated granule powders as function of stearic acid concentration : (a) 2 wt%, (b) 5 wt%, (c) 8 wt%, (d) 10 wt%.

    MRSK-30-10-550_F6.gif

    Water absorption and flexural strength of sintered body prepared by surface treated granule powders as function of stearic acid concentration.

    Table

    Chemical composition of ceramic tile granule powders.

    *I.L.: ignition loss

    Particle size distribution of ceramic tile granule powders.

    Mechanical properties of sintered body prepared by surface treated granule powders (5 wt% stearic acid).

    Reference

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