22.fm

Transcription

1 Jurnal f the Krean Ceramic Sciety Vl. 45, N. 3, pp. 185~189, 속 보 Characteristic Changes f the Hydrated Sdium Silicate Depending n Heat Treatment Temperature Yang Py Kng*, **, H Yen Ch*, and Dng S Suhr* *Department f Materials Science and Engineering, Chungnam Natinal University, Daejen , Krea **Krea Institute f Cnstructin Materials, Seul , Krea (Received February 29, 2008; Accepted March 7, 2008) 수화된 규산소다의 열처리 온도에 따른 물성변화 공양표*, ** 조호연* 서동수* *충남대학교 재료공학과 **한국건자재시험연구원 (2008년 2월 29일 접수; 2008년 3월 7일 승인) ABSTRACT In rder t fabricate prus ceramics, hydrated sdium silicate was synthesized by hydrthermal reactin using anhydrus sdium silicate. The micrstructural and the structural characteristics f the expanded ceramics were bserved depending n heat treatment temperature (550, 600, 650, 700 C) and then the effect f these characteristics n the cmpressive strength and the temperature gradient was investigated. As the heat treatment temperature was increased, the cmpressive strength was decreased frm KN/cm 2 (550 C) t KN/cm 2 (700 C). The temperature gradient was increased with increasing the experimental temperature regardless f the heat treatment temperature. The temperature gradient f the expanded ceramics which was heat treated at 650 C was 300 C. The bulk specific gravity, prsity, pre size, pre characteristics and wall thickness were varied depending n heat treatment temperature, and the cmpressive strength and the temperature gradient were gverned by the cmplex effects f these factrs. Key wrds : Hydrated sdium silicate, Prus ceramics, Clsed pre, Cmpressive strength, Temperature gradient 1. 서 론 최근 BRICs(브라질, 러시아, 인도, 중국) 국가들의 급속 한 경제성장에 따른 에너지 및 자원의 사용이 폭발적으 로 증가하고, 부존자원이 고갈되어감에 따라 이들에 대한 절약 및 효율성 제고에 세계적인 관심이 고조되고 있다. 특히 우리나라와 같이 에너지 및 자원을 수입에 의존하 고 있는 나라에서는 에너지 절약 및 효율 향상이 매우 필 요한 실정이므로 각종 산업용 재료의 개발과 더불어 단 열성능 등 다양한 특성을 지닌 다공질 재료의 개발에 대 한 관심이 증가되고 있다. 1) 다공질 재료는 그 재료가 갖 는 고유한 특성 즉, 낮은 열전도율, 낮은 부피비중 및 특 유한 구조 등으로 인하여 단열재, 경량 구조재, 촉매용 담 체, 필터 등의 제품들이 환경 에너지 산업, 정밀기계 산 업, 자동차 산업, 의료 산업 등에서 광범위하게 사용되고 있으며, 첨단산업의 발전과 더불어 더욱 많은 활용이 기 대되고 있다. 2,3) Crrespnding authr : Yang Py Kng ball@kicm.re.kr Tel : Fax : 다공질 재료는 기공의 형성 메카니즘에 따라 다양한 제 조방법이 있다. 예를 들면 용액을 겔화 하여 초임계 진공 상태로 액상을 증발시켜 미세기공을 형성하는 졸-겔법, 세 라믹 원료에 탄소, Na 2 SO 4 등의 발포제를 첨가하여 소성 과정에서 기공을 형성하는 소성 발포방법, 제조과정 중 세라믹 원료에 유기물 등을 첨가 그 성분을 연소, 증발 및 용출 등의 방법으로 제거하여 기공을 형성하는 특정 성분 제거 방법, 연질 폴리머 스폰지의 골격표면에 세라 믹 슬러리를 균일하게 피복시키고 소성하여 세라믹스 소 결체를 얻는 폴리머 스폰지법, 세라믹 원료의 성형시 분 체 입자의 접촉으로 성형체 중에 공극이 생겨 소결 후 제 품 내부에 잔류토록 하여 기공을 형성 시키는 방법, 그리 고 펄라이트, 질석, 무수규산소다와 같이 자체 내에 결정 수 및 수화물 등을 내포하고 있는 재료의 열처리 시 발 생하는 수증기 및 분해가스에 의해 기공을 생성시키는 방 법 등이 있다. 4-9) 본 연구실에서 수행된 연구10)에서는 무수규산소다를 이 용하여 열수반응으로 수화규산소다를 제조하고, 팽창 열 처리 온도에 따른 수화규산소다의 팽창 특성에 대하여 고 찰하였으며, 본 연구에서는 팽창 열처리 온도에 따른 팽 185

2 공양표 조호연 서동수 186 창체의 구조적 특성이 압축강도 및 단열효과에 미치는 영 향을 조사하였다. 2. 실험 방법 팽창체 제조방법 본 연구실에서 수행한 연구 방법 에 의하여 25 wt%의 수분함량을 갖는 수화규산소다를 열수반응으로 합성하고, 이를 1차 팽창 열처리 및 2차 팽창 열처리하여 시편을 제 조하였다. 2차 팽창 열처리는 기공의 형상, 크기 및 분포 가 팽창체의 특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 550 C, 600 C, 650 C, 700 C에서 30분 동안 수행하였다. 분석방법 2차 팽창 열처리 온도에 따른 팽창체 단면의 미세구조 는 주사전자현미경(SEM, S2350, HITACHI)으로 관찰하였 으며, 팽창체의 기공 크기 및 기공과 기공 사이의 골격 두께는 전자현미경 사진을 이용하여 1개 시편에 대하여 50개체를 선정하여 측정한 후 평균값을 구하였다. 팽창체 의 압축강도 시험은 만능재료 시험기(UTM, MTS 810, 10 tn)를 이용하였으며, 변형속도는 0.05 mm/sec로 하였다. 팽창체의 단열효과는 높이 10 mm의 원통형 시편 하부 면을 실험온도로 가열하고 상부면의 온도가 평형을 이룰 때의 온도를 측정하여 온도 구배(Temperature Gradient; T) 로 구하였다. 실험온도가 2차 팽창 열처리 온도보다 높을 경우에는 팽창체의 미세구조가 변화되므로 실험온도 범 위는 100 C에서부터 2차 팽창 열처리 온도까지 수행하였다 ) Median Pre Size, Median Pre Size within Wall and Wall Thickness depending n Heat Treatment Temperature Median pre Wall thickness Temperature Median within (µm) ( C) pre size (µm) size wall (µm) Table 결과 및 고찰 미세구조 Fig. 1은 2차 팽창 열처리 온도에 따른 미세구조이다. 550 C에서 열처리된 시편의 경우에는 1차 팽창 열처리 후, 분쇄하여 200 mesh( 74 µm)로 분급한 입자들이 2차 팽 창 열처리 과정 중에 연화되고 점성유동에 의한 소결이 진행되었음을 알 수 있다. 또한 전체적인 미세구조는 매 우 불규칙하나 입자 사이에 존재하는 불규칙 형상의 기 공과 입자 내부에 존재하는 구형의 기공으로 구성되어 있 다. 입자 사이의 불규칙한 형상의 기공은 압축성형 과정 중에 시편에 형성되었던 기공이 550 C 열처리 후에도 잔 존한 것으로서 개기공으로 판단된다. 한편 입자 내부에 존재하는 기공은 Si-OH계 수화물의 분해에 의하여 생성 된 기공 으로서 폐기공으로 판단된다. 600 C에서 열처리된 시편의 미세구조는 열처리 온도가 높아짐에 따라 점성유동에 의한 소결이 더욱 진행되어 550 C에 비하여 균일한 미세구조를 나타내고 있으며, 구 형의 형상을 갖는 59.4 µm 크기의 기공과 11.6 µm 크기의 10) 한국세라믹학회지 Fig. 1. Crss-sectinal micrstructure depending n heat treatment temperature. 기공으로 구성되어 있다 µm 크기의 기공은 입자사 이에 존재하는 불규칙 형상의 기공이 열처리 온도가 높 아짐에 따라 규산소다가 연화되어 표면장력에 의한 구형 화와 기공성장에 의하여 폐기공을 형성한 것으로 판단된 다. 한편 11.6 µm 크기의 기공은 입자 내부에서 Si-OH계 수화물의 분해에 의해 생성되는 기공들이 성장하여 폐기 공을 형성하고 있다. 650 C와 700 C에서는 열처리 온도가 증가함에 따라 규 산소다가 더욱 연화되고 기공의 성장이 진행되어 구형의 기공 크기는 증가하는 반면 기공과 기공 사이에 존재하 는 골격 두께는 점점 얇아지고 있다. 600 C 이상의 온도 에서 열처리 된 모든 시편에 존재하는 기공은 구형의 형 상을 갖는 폐기공으로 생각된다. 열처리 온도에 따른 평균 기공 크기, 골격 내부에 존재 하는 기공의 평균 기공 크기 및 골격 두께는 Table 1과 같다.

3 수화된 규산소다의 열처리 온도에 따른 물성변화 187 Fig. 2. Lad-strain curve depending n heat treatment temperature 압축강도 Fig. 2에 압축시험을 통하여 얻어진 하중-변형 곡선을 나타내었으며, 2차 팽창 열처리 온도에 따른 최대 압축강 도, 부피비중 및 기공율은 Table 2와 같다. 전체적인 하중-변형 곡선의 형태는 다공질체의 특성을 잘 나타내고 있으며, 2차 열처리 온도가 상승할수록 최대 압 축강도는 낮아져 KN/cm 2 (550 C)에서 KN/cm 2 (700 C)로 감소하였다. 550 C에서 열처리된 시편은 Table 2에 보이는 바와 같 이 부피비중 0.59, 기공율 75%를 갖는 다공체이나 점성 유동에 의한 소결이 일어나 입자끼리 강하게 결합되고 다 른 종류의 시편에 비하여 기공크기가 적어 큰 강도 값을 나타내는 것으로 생각된다. 한편 600 C 이상의 열처리 온 Table 2. Cmpressive Strength, Bulk Specific Gravity and Prsity depending n Heat Treatment Temperature Temperature ( C) Cmpressive strength (KN/cm 2 ) Bulk specific gravity Prsity (%) 도에서는 열처리 온도가 높아질수록 기공의 성장과 분해 가스에 의한 팽창이 일어나 Table 2에 보이는 바와 같이 부피비중은 낮아지고 기공율은 증가함으로써 강도값은 감 소하였다. 일반적으로 다공체의 압축강도는 기공율에 따라 변화 하며 Ryskewitsch는 기공율에 따른 강도 변화를 다음과 같이 제안하였다 ) σ = σ 0 exp( np) 여기서 σ 0 는 고유 강도, p는 기공율이며 n은 4~7의 값 을 갖는 상수이다. 상기 식에 의하면 기공율이 증가할수 록 강도는 지수 함수적으로 감소함을 알 수 있다. 그러나 상기 식으로는 본 연구의 시편과 같이 기공 크기, 기공의 구조(개기공, 폐기공), 골격 두께가 강도에 미치는 영향을 알 수 없으므로 이에 대한 체계적인 연구가 필요할 것으 로 생각된다 단열 효과 Fig. 3은 단열효과(Temperature Gradient ; T)를 측정한 결과로서 2차 팽창 열처리 온도에 관계없이 실험온도가 높아질수록 단열효과는 높아지며, 300 C의 실험온도까지 제45권 제3호(2008)

4 188 공양표 조호연 서동수 Fig. 3. Temperature gradient with experimental temperature. 는 단열효과가 실험온도에 비례하여 직선적으로 변화하 였으나, 300 C 이상에서는 단열효과가 완만히 감소하였다. 개기공을 갖는 다공체의 열전도도는 다음과 같은 식으 로 얻어진다. 15,17,20) K ttal =K s +K r +K g +K c 여기에서, K ttal은 다공체의 열전도도, K s는 고체골격을 통한 열전도도, K r은 복사에 의한 열전도도, K g는 기체분 자들의 충돌에 의한 열전도도 그리고 K c는 대류에 의한 열전도도이다. 550 C에서 열처리된 시편은 100 C ~ 300 C의 온도 범위 에서는 600 C 및 650 C에서 열처리된 시편에 비하여 큰 단열효과를 나타내었으나, 300 C 이상의 온도 범위에서는 600 C 열처리 시편보다는 단열효과가 크고, 650 C 열처 리 시편보다는 단열효과가 작게 나타났다. 이러한 원인은 550 C 열처리 시편에 존재하는 불규칙한 형상의 기공은 개기공이므로 개기공을 갖는 시편의 열전달기구와 600 C 이상에서 열처리된 시편에 형성된 폐기공을 갖는 시편의 열전달 기구가 상이함으로써 나타나는 현상으로 생각된 다 ) 550 C에서 열처리된 시편과 같이 개기공을 갖는 다공체의 열전달은 K s +K r +K g +K c에 의하여 지배되나 기 공크기가 작을 경우에는 K r 및 K g에 의한 영향이 적으며, 일반적으로 대류에 의한 열전도도 K c는 1기압하에서 개 기공의 크기가 1 mm 이하일 경우에는 다공체의 전체 열 전도도에 큰 영향을 미치지 않는다고 알려져 있다. 따 20,21) 라서 550 C에서 열처리된 시편이 100 ~ 300 C의 온도 구 간에서 양호한 단열효과를 나타내는 이유는 Table 1에 보 이는 바와 같이 입자 사이에 존재하는 불규칙 형상의 개 기공(23.8 µm) 및 골격 내부에 존재하는 기공(7.1 µm)의 크기가 작아 단열효과가 크게 나타난 것으로 생각된다. 또한 Fig. 1에 보이는 바와 같이 550 C에서 열처리된 시 편은 점성유동에 의한 소결이 이루어져 입자끼리 neck을 형성함으로써 불균일한 골격구조를 나타내어 K s에 의한 열전달이 낮아지기 때문인 것으로 판단된다. 600 C, 650 C, 700 C에서 열처리된 시편에 존재하는 기 공은 모두 구형의 형상을 갖는 폐기공으로서 열처리 온 도가 상승할수록 평균 기공크기와 골격내부에 존재하는 기공크기가 증가하였으며, 골격 두께는 얇아졌다. 폐기공 을 갖는 다공체의 K ttal =K s +K r에 의하여 지배되고 K g 및 K c는 무시된다. 또한 기공율이 클수록 열전도도는 저하되 고 같은 기공율에서는 다량의 작은 기공으로 구성되어 있 을 때가 소량의 큰 기공으로 분포되어 있을 때보다 단열 효과가 좋아진다고 보고되고 있다. 22) 600 C에서 열처리된 시편은 기공의 크기가 작음에도 불구하고 전 실험온도 범 위에서 가장 낮은 단열효과를 나타내었다. 이는 Fig. 1의 미세구조에서 알 수 있듯이 다공체의 골격이 연속적으로 형성되고 골격 두께(13.5 µm)가 두꺼워 골격을 통한 열전 달(K s )이 원활하기 때문인 것으로 생각된다. 650 C와 700 C 에서 열처리된 시편의 기공율은 Table 2에 보이는 바와 같 이 각각 85%와 86%로 매우 유사한 값을 갖는다. 그러나 평균기공의 크기는 열처리 온도가 상승함에 따라 µm 에서 µm로 성장하였다. 전술한 바와 같이 유사한 기공율을 갖을 경우에는 기공크기가 작을수록 단열효과 가 좋아져22) 650 C에서 열처리된 시편이 700 C에서 열처 리된 시편보다 양호한 단열효과를 나타내어 실험온도 650 C에서 300 C의 단열효과를 나타내었다. 한편 650 C 에서 700 C로 열처리 온도가 높아짐에 따라 골격 두께는 8.5 µm에서 2.5 µm로 감소하여 골격을 통한 열전달(K s )은 열처리 온도가 상승함에 따라 낮아질 것으로 예상되나, 기공율이 매우 높은 다공체에서는 골격을 통한 열전달보 다 기공을 통한 열전달이 전체 열전도도(K ttal )에 큰 영향 을 미치는 것으로 생각된다. 4. 결 론 수화규산소다를 원료로 사용하여 팽창 열처리 온도에 따른 팽창체의 미세구조 및 구조적 특성을 관찰하고, 이 러한 특성이 압축강도 및 단열효과에 미치는 영향을 고 찰하여 검토한 결론은 다음과 같다 C에서 2차 팽창 열처리된 시편에서 입자 사이의 불규칙한 형상의 기공은 압축 성형시 형성되었던 개기공 이 열처리 후에도 잔존한 것이며, 입자 내부의 기공은 Si- OH계 수화물의 분해에 의하여 생성된 폐기공으로 판단 된다. 600 C 이상에서 열처리된 시편은 열처리 온도가 높 아질수록 규산소다가 연화되어 표면장력에 의한 구형화 와 기공 성장에 의해 폐기공을 형성한 것으로 생각되며, 기공 사이에 존재하는 골격 두께는 열처리 온도가 증가 할수록 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 2. 2차 팽창 열처리 온도가 상승할수록 최대 압축강도는 낮아져 KN/cm 2 (550 C)에서 KN/cm 2 (700 C)로 한국세라믹학회지

5 수화된 규산소다의 열처리 온도에 따른 물성변화 189 감소하였다. 550 C에서 열처리된 시편은 부피비중 0.59, 기공율 75%를 가지며, 입자끼리 강하게 결합되고 기공크 기가 작아서 큰 강도 값을 나타냈으며, 600 C 이상의 열 처리 온도에서는 열처리 온도가 높아질수록 기공의 성장 과 분해가스에 의한 팽창이 일어나 부피비중은 낮아지고 기공율은 증가하여 강도값이 감소한 것으로 나타났다. 3. 2차 팽창 열처리 온도에 관계없이 실험온도가 높아 질수록 단열효과는 높아지며, 300 C의 실험온도까지는 실 험온도에 비례하여 직선적으로 변화하였으나, 300 C 이상 에서는 단열효과가 완만히 감소하였다. 650 C에서 열처리 된 팽창체의 단열효과가 가장 우수하여 실험온도 650 C 에서 300 C의 단열효과를 나타내었다. 4. 열처리 온도에 따라 비중, 기공율, 기공 크기, 기공 특성 및 골격 두께가 변하였고, 이들의 복합적인 영향에 의하여 압축강도 및 단열효과가 지배되는 것으로 판단되었다. Acknwledgment 본 연구는 충남대학교 2단계 BK21의 연구지원에 의한 것이며, 이에 감사드립니다. REFERENCES 1. Y. S. Chi and H. K. Kim, Research f Incmbustible Lw Vacuum Insulating Material Using Silica Gel, Ministry f Cmmerce, Industry and Energy, 3-13 (2005). 2. J. Y. Yn, I. H. Sng, D. S. Park, and H. D. Kim, Technlgy Trend f Prus Material, Eng. & Mat., 15 [3] (2003). 3. J. Y. Yun, H. D. Kim, and C. H. Park, Fabricatin f duble-layered Prus Materials(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc., 39 [10] (2002). 4. G. Y. Jang, S. R. Kim, K. H. Lee, and J. H. Jung, Manufacturing Methd f Prus Ceramics(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc. Bull., 10 [2] (1995). 5. Y. P. Kng, S. H. Se, J. H. Kim, and D. S. Suhr, Characteristics f Prus Ceramics Depending n Water Cntent f the Water Glass and Heat Treatment Temperature(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc., 42 [10] (2005). 6. Fujiu, Prcessing and Prperties f Cellular Silica Synthesized by Faming Sl-Gels, J. Am. Ceram. Sc., 73 [1] (1990). 7. J. S. Wyansky and C. E. Sctt, Prcessing f Prus Ceramics, J. Am. Ceram. Sc. Bull., 71 [11] (1992). 8. S. M. Han, D.Y. Shin, and S. K. Kang, Preparatin fr Prus Ceramics Using Lw Grade Clay(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc., 35 [6] (1998). 9. J. K. Park and J. D. Lee, Preparatin f Prus Inrganic Materials by Faming Slurry(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc., 35 [12] (1998). 10. Y. P. Kng, H. Y. Ch, and D. S. Suhr, Expansin Characteristics f the Hydrated Sdium Silicate(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc., 45 [1] 54-9 (2008). 11. H. N. Chi and S. H. Han, Effects f Fabricatin Variables and Micrstructures n the Cmpressive Strength f Open Cell(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc., 36 [9] (1999). 12. E. Ryskewitsch, Cmpressin Strength f Prus Sintered Alumina and Zircnia, J. Am. Ceram. Sc., 36 [2] 65-8 (1953). 13. T. Matusinvic, J. Sipusic, and N. Vrbs, Prsity-Strength Relatin in Calcium Luminate Cement Pastes, Cement and Cncrete Research, (2003). 14. E. M. Prshedrmirskaya, Y. P. Kukta, and V. M. Sleptsv, Strength Characteristics f Prus Materials f Refractry Cmpunds, Pwder Metallurgy and Metal Ceramics, 5 [3] (1966). 15. W. J. Kim, D. K. Kim, and J. H. Kim, Thermal Cnductivity f AlN Ceramics(in Krean), Sci. & Tech. f Ceram. Mat., 9 [6] (1994). 16. S. H. Hyun, C. H. Lee, D. J. Kim, and D. J. Seng, Mechanical Strength and Thermal Cnductivity f Pure/ Opacified Silica Aergels(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc., 34 [9] (1997). 17. J. Grss, J. Fricke, R. W. Pekala, and L. W. Hrubesh, Elastic nnlinearity f aergels, Phys. Rev. B, 45 [22] (1992). 18. A. L. Leb, Thermal Cnductivity 8-A Thery f Thermal Cnductivity f Prus Materials, Part2, J. Am. Ceram. sc., 37 [2] 96-9 (1954). 19. E. Schlegel and R. Bldt, Dependence f Specific Thermal Cnductivity f the Siltn-therm Cellular Cncrete n its Apparent Density and Pre Size, Silikaty, 31 [5] (1987). 20. O. J. Lee, K. H. Lee, T. J. Yim, S. Y. Kim, and K. P. Y, Thermal Cnductivity f Plyiscyanurate Aergel fr Vacuum Panel Insulatr, Theries and Applicatins f Chemical Engineering, 6 [2] (2000). 21. L. W. Hrubesh, and R. W. Pekala, Thermal Prperties f Organic and Inrganic Aergels, J. Mater. Res., 9 [3] (1994). 22. P. K. Chang and J. B. Im, Micrstructural Effect Influencing the Thermal Cnductivity f high-temperature Insulatin Firebricks(in Krean), J. Kr. Ceram. Sc., 27 [6] (1990). 제45권 제3호(2008)