내열용기의 원료성분 조성비와 입도에 따른 열충격 저항성에 미치는 영향

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

유승준·이세일·박한진·안일수·김광길*·변윤섭**

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

서남대학교 환경화학공학부, *서남대학교 디자인학부,

**호원대학교 식품환경화공학부

Effect of Thermal Shock Resistivity by Raw Material Component Ratios

and Particle Sizes of Heat-Resistant Containers

Seung-Joon Yoo, Se-Il Lee, Han-Jin Park, Il-Soo Ahn,

Kwang-Gil Kim*, Yoon-Seop Byoun**

Faculty of Env. and Chem. Eng., Seonam University

*Faculty of Design, Seonam University

**Div. of Food, Env. and Chem. Eng., Howon University

서 론

본 실험에서는 경남 산청산 점질과 사질을 내열용기를 위한 주원료로 이용하여 첨가제로 활석을 사용하여 내열 소지를 제조하였으며 원료의 성분 조성과 입도 분포에 따른 열충격 강도에 미치는 영향을 고찰하였다.

실 험

점질과 사질 그리고 활석을 내열용기용 원료로 선택하였으며 원료의 입도 범위를 먼저 50mesh(210∼297□)이하, 70mesh(150∼210□)이하, 100mesh(150□ 이하)이하의 3단계로 구분하여 실험하였다. 경도가 큰 사질 성분을 볼 밀에 의해 입도별로 미분쇄하고 배합비에 따라 점질과 활석을 배합시켜 내열토를 조제하였다. 이렇게 얻은 내열토는 반죽한 후, 소지내 공기를 제거하기 위하여 3, 4회 반복하여 진공 토련기(de-airing pugmill)에 의해 원료내 공기를 완전히 제거하여 탈기시켰다. 이 탈기된 내열토를 이용하여 삼각형 모양으로 시편을 제작하기 위하여 삼각형 모양의 석고 틀을 제작하였으며 원료 소지를 석고 틀에 밀어 넣은 후, 가압 프레스에 의해 80□f로 압축 성형하여 삼각 시편을 얻었다. 가압 성형된 삼각형 소지에 대하여 25℃에서 24시간 건조시킨 후, 소성온도 1230℃에서 10분간 최종온도에서 유지하여 균열과 강도를 유지시킨 내열 삼각소지를 제조하였다.

또한 본 실험에서는 원료 성분 조성에 따른 내열특성 변화를 고찰하기 위하여 3성분계의 점질, 사질, 활석의 성분비를 Table 1과 같이 변화시켜 배합비에 따른 삼각시편을 제조하였으며 그에 따른 내열특성을 한국산업규격 KS L 1003에 의거하여 분석하였다.

본 론

본 연구에서는 내열용기에서 발생되는 균열을 방지하기 위하여 원료물질의 무게조성비와 입도 분포의 영향을 고찰하고 공정변수의 조절을 통하여 열충격 저항성이 향상된 내열용기를 제조하고자 하였다. 원료로서 산업공정에서 실제로 이용되는 저품위의 천연 원료를 그대로 이용하여 연구결과가 실제 산업공정에서 적용 가능하도록 하였다. 천연 원료는 순도가 낮고 다성분계 복합 물질인 원료이므로 비중선별에 의해 순도가 개선된 점질(NLC, Natural low grade clay), 사질(NLS, Natural low grade silica sand), 활석(Talc)의 원료물질을 얻었고, 정제된 원료성분에 대하여 조제, 성형, 건조, 소성공정을 거쳐 삼각시편을 제조하였으며 이 삼각시편을 한국산업규격 KS L1003에 의해 열충격 저항성 분석하여 다음의 결과를 얻었다.

1) 성분조성 및 입도의 영향

Fig. 1 (a)∼(c)은 이 시편에 대한 한국산업규격. KS L 1003에 의한 열충격 저항성의 분석결과를 나타내고 있다. 이 분석결과에서 보면 검은 색으로 표시된 부분은 전혀 균열이나 비틀림 등이 발생되지 않은 성분비 영역이고, 짙은 회색으로 표시된 부분은 미세한 균열이나 깨어짐, 그리고 약간의 비틀림이 발생된 성분비 영역이다. 또한 연한 회색으로 표시된 부분은 다량의 균열이나 깨어짐이 발생한 영역이고 흰색으로 나타난 부분은 소지가 융해되어 회수가 불가능한 수준으로 삼각시편이 열충격을 받은 성분 조성비 영역이다.

(a)	(b)	(c)

Fig. 1. Diagram of thermal shock resistivity on NLS with various size ranges;

(a)50mesh(297□) under (b)70mesh(210□) under (c)100mesh(150□) under.

Fig. 1(a)∼(c)에서 보는 바와 같이 Fig. 1(a)는 입도가 50mesh(297□)이하 범위의 조건이고, Fig. 1(b)는 70mesh(210□) 이하, Fig. 1(c)는 100mesh(150□) 이하의 입도 범위 조건에서 제조된 삼각시편에 대한 열충격 저항성 분석 결과이다. 이 결과에서 보면 입도가 큰 범위일수록 균열 발생이 감소함을 알 수 있다. 이는 평균 입도가 큰 내열소지의 경우, 기공이 열 충격 저항을 흡수할 만한 충진층으로 작용하여 열팽창을 흡수하였기 때문으로 판단된다. 입도 범위는 작을수록 내열용기로서의 기능성을 만족시킬 수 있고, 이때 최적의 성분비를 규명하여 열충격 저항성이 가장 높은 최적 범위를 찾는 것이 본 연구의 목표이므로 우선 Fig. 1 (a)∼(c)의 결과에서 입도 범위가 가장 작은 Fig. 1 (c)를 선정하지 않을 수 없다. 또한 Fig. 1 (c)의 범위 내에서 최적 성분비 범위를 찾기 위해서는 Fig. 1 (a)와 Fig. 1 (b)의 조건과도 부합되는 성분비 범위를 고려하여야만 할 것이다. 그러므로 본 실험에서 내열용기 생산시에 적합한 성분 조성비를 구체적으로 제시하면, 점질: 사질: 활석의 조성비가 Ⅷ(0.33: 0.50: 0.17), Ⅸ(0.33: 0.42: 0.25), Ⅹ(0.42: 0.33: 0.25)가 적합한 것으로 나타났다. 특히 3성분계에서 각 성분의 역할을 고려한다면 위 조건 가운데 Ⅹ의 배합비가 내열특성 향상에 가장 좋은 조건으로 판단된다. 앞에서 기술한 바와 같이 점질 성분은 미세하여 모세관력의 상승과 표면장력의 증가를 가져와 균열 발생의 직접적인 원인으로 작용하나 다양한 모양으로 성형하기 위해서는 반드시 필요한 주원료이고, 사질 성분은 소지의 고강도 및 열충격 강도를 향상시키나 치밀화에 필요한 소성온도의 증가를 가져와 약 1300℃ 이상 높은 소성온도에서만 소지의 최대 강도를 발휘하게 되며, 큰 기공의 큰 기공의 형성으로 음식물의 흡·배출이 나타난다. 또한 활성성분은 소성시 상대적으로 낮은 온도 범위에서 소지를 유리질화시켜 소성처리 비용을 감소시키나 활석이 다량 첨가시 소지가 용해되어 성형체의 형상을 보존하기 어렵게 된다. 이처럼 각 성분의  서로 다른 성질로 인하여 최적의 배합비를 모색하여야만 한다.

이러한 사실을 종합하여 내열소지에 적합한 최적 배합비는 Ⅷ, Ⅸ, Ⅹ의 조업범위 가운데 Ⅹ가 최적조건임을 알 수 있다.

2) 소성온도의 영향

최적의 성분 배합비로 배합된 소지에 대하여 소성온도를 1150℃와 1230℃에서 두 가지로 변화시켜 소성한 후, 내열용기 파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과, 1150℃ 소성 처리된 내열용기의 경우, 기공이 Fig. 2(a)에서 보는 바와 같이 기공들이 3차원 통로로 연결되어 있으며 기공의 크기나 기공부피 또한 크게 나타나는 기공이 발달된 미세구조를 가지고 있음을 알 수 있었다. 반면에 1230℃에서 소성 처리된 경우, Fig. 2(b)에서 보는 바와 같이 기공이 거의 메워져 있으며 기공크기나 기공부피가 1150℃에 비해 매우 작은 것으로 나타났다.

(a)	(b)

Fig. 2. SEM Photographs of heat-resisting containers according to

calcination temperature; (a) 1150℃ (b) 1230℃.

이러한 현상은 소성온도 역시 내열용기의 균열발생에 중요한 인자로 작용하고 있음을 알 수 있으며 열충격 저항성의 향상과 내열소지로서의 기능성이 서로 상충되고 있어서 소지내 활석 양의 증가를 내열 분석 결과에 적합한 범위 내에서 증가시켜 저온 소성으로 소지내 기공을 적절히 메울 수 있는 조건이 필요하리라 판단된다.

결 론

본 연구에서는 내열용기의 원료 배합비와 입도 분포에 따른 열충격 강도를 측정하였다. 원료는 산청산 점질, 사질, 활석을 사용하고 강도를 이 세 성분에 대한 삼각좌표로 나타내어 다음의 결론을 얻었다. 원료 입도의 영향 고찰 결과, 평균 입도 범위가 큰  조건에서 배합된 내열소지가 열충격 저항성이 증가하였지만 입도가 큰 경우, 음식물의 흡?배출 현상이 나타나 용기로서의 기능성을 다하지 못하였다. 따라서 입도 범위는 본 실험조건 가운데 가장 작은 100mesh 이하의 입자 범위를 유지한 가운데 최적의 성분 조성비 조건을 규명하여 최적조건을 밝혀내었다. 이때 밝혀진 최적의 성분조성비는 점질: 사질: 활석의 배합비가 0.42:0.33:0.25의 조건에서 내열특성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 아울러 소성온도로는 1230℃에서 내열특성 강화에 적합한 조건임을 밝혔다. 추가로 내열토의 원료는 산지에서의 채취과정과 제조회사에서 원료를 반입할 때마다 성분조성이 불균일한 특성을 갖기 때문에 원료 반입 시마다 표본 샘플링하여 침강법에 의한 수비법에 의해 점질내 사질의 함량, 사질내에 점질의 함량을 측정하면 주요성분에 대한 배합비를 체계적으로 접근할 수 있으리라 기대된다.

참고문헌

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

1. Noriyuki SUGIYAMA, Ryusuke HARADA and Hideki ISHIDA:"Densification Process and Mechanical Strength of Feldspathic Porcelain Body", J. Ceram. Soc. Jpn, 104, 4, 312(1996)

2. Carty, W.M. and Senapaty, U.: "Porcelain-Raw Materials, Processing, Phase Evolution and mechanical Behavior", J. Am. Ceram. Soc., 81, 1, 3(1998)