[논문]슬래그 재활용 원료를 이용한 유리섬유 제조 및 특성

이지선; 김선욱; 라용호; 임태영; 이영진; 전대우; 김진호

doi:10.3740/mrsk.2018.28.12.763

슬래그 재활용 원료를 이용한 유리섬유 제조 및 특성
Properties and Fabrication of Glass Fiber using Recycled Slag Materials 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.28 no.12, 2018년, pp.763 - 768

이지선 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 김선욱 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 라용호 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 임태영 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 이영진 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 전대우 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 김진호 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, glass fibers are fabricated via a continuous spinning process using manganese slag, steel slag, and silica stone. To fabricate the glass fibers, raw materials are put into an alumina crucible, melted at $1550^{\circ}C$ for 2 hrs, and then annealed at $600^{\circ}C$ for 2 hrs. We obtain a black colored glass. We identify the non-crystalline nature of the glass using an XRD(x-ray diffractometer) graph. An adaptable temperature for spinning of the bulk marble glass is characterized using a high temperature viscometer. Spinning is carried out using direct melting spinning equipment as a function of the fiberizing temperature in the range of $1109^{\circ}C$ to $1166^{\circ}C$, while the winder speed is in the range of 100rpm to 250rpm. We investigate the various properties of glass fibers. The average diameters of the glass fibers are measured by optical microscope and FE-SEM. The average diameter of the glass fibers is $73{\mu}m$ at 100rpm, $65{\mu}m$ at 150rpm, $55{\mu}m$ at 200rpm, and $45{\mu}m$ at 250rpm. The mechanical properties of the fibers are confirmed using a UTM(Universal materials testing machine). The average tensile strength of the glass fibers is 21MPa at 100rpm, 31MPa at 150rpm, 34MPa at 200rpm, and 45MPa at 250rpm.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

방사온도에 따른 섬유의 기계적 특성평가는 ASTM D 3379-75법을 적용하였다. 20 mm의 홈이 파인 마분지에 한 개의 유리섬유시편을 중앙에 놓고 강력접착제로 고정시켜 시편을 제작하였다. 인장강도 측정은 만능시험기(INSTRON 5544, 2712-013, USA)을 사용하여 10N의 load cell과 0.
유리는 검은 색상을 띄고 있으며 육안으로 봤을 때 매끈한 표면이 관찰되어서 유리화가 잘 된 것으로 판단하였다. 결정질이 되면 유리섬유를 방사할 때 단락 되어 섬유 방사가 어려운 문제가 있기 때문에 XRD 분석을 통해 비정질임을 확인하였다. Fig.
방사 조건에 따른 섬유의 물리적 특성에 관해서는 공개된 바가 적다. 따라서, 본 실험에서는 재활용 원료인 망간 슬래그, 제강 슬래그, 그리고 규석을 선택하였고, 이를 유리섬유로 방사하여 섬유의 특성을 평가하였다. 방사속도 변화에 따른 섬유 직경 변화 와 인장강도 변화를 알아보기 위해 100rpm에서 250rpm까지 속도 변화를 두고 방사를 진행했고 섬유의 특성을 비교하였다.
망간 슬래그, 제강 슬래그 및 규석 원료를 이용해서 유리섬유를 제조해 그 특성에 대해 확인하였다. 섬유를 방사하기 전 유리 조성의 배치를 1,550 ℃에서 2시간 동안 용융하였고, 응력 제거를 위하여 600 ℃ ± 10 ℃에서 2시간 동안 서냉 하여 유리를 제조하였다.
방사 온도가 1,150 ℃으로 일정할 때, 방사속도가 섬유의 직경에 미치는 영향을 확인 하였다. Fig.
따라서, 본 실험에서는 재활용 원료인 망간 슬래그, 제강 슬래그, 그리고 규석을 선택하였고, 이를 유리섬유로 방사하여 섬유의 특성을 평가하였다. 방사속도 변화에 따른 섬유 직경 변화 와 인장강도 변화를 알아보기 위해 100rpm에서 250rpm까지 속도 변화를 두고 방사를 진행했고 섬유의 특성을 비교하였다.
본 실험에서는 유리섬유를 제조하기 위하여 유리원료를 1 차 용융한 후 급냉시켜 파유리(cullet)를 제조한 후 다시 파유리를 재용융하여 유리섬유를 제조하였다. 방사 조건에 따른 섬유의 물리적 특성에 관해서는 공개된 바가 적다.
표면에 바인더 처리된 섬유의 끝을 직경이 300 mm인 와인더 드럼에 부착시키고 100~250rpm의 속도로 감는다. 섬유 직경 사이즈는 광학현미경(OLYMPUS, JAPAN)을 사용해서 각각 40개씩 측정하였다. 그리고 평균값을 계산하였다.
고온점도 결과로부터 방사온도 1,100 ℃ 이상에서는 섬유 방사가 가능할 것으로 판단하였다. 섬유는 부싱 온도 1,109~1,166 ℃ 범위내의 온도인 1,150 ℃에서, 100~250rpm의 회전 속도로 사이즈가 300 mm인 드럼으로 인발 후 섬유를 제조하였고, 이를 방사 속도에 따른 섬유의 인장강도 변화 또한 확인하였다.
유리의 비정질상을 확인하기 위해서 X-선회절장치(X-ray, D/max-2500/PC, Rigaku corporation, JAPAN)를 사용하였고 X-ray 회절분석에는 가속전압 40 K, 가속전류 200 mA, 스캔속도 5o/min에서 Cu-Ka tube를 사용하여 2θ = 5^o~90^o 구간을 측정하였다. 열분석은 시차열 분석 장비(DTA, SHIMADZUDTG-60H, JAPAN)를 이용하여 수행하였다. 시료는 알루미나 팬에 시료 분말을 넣고 승온속도 5 ℃/min 질소 분위기에서 하였으며, 측정온도 범위는 25~1,400 ℃로 하였다.
유리의 비정질상을 확인하기 위해서 X-선회절장치(X-ray, D/max-2500/PC, Rigaku corporation, JAPAN)를 사용하였고 X-ray 회절분석에는 가속전압 40 K, 가속전류 200 mA, 스캔속도 5o/min에서 Cu-Ka tube를 사용하여 2θ = 5o~90o 구간을 측정하였다.
이로부터 유리는 비정질로서 결정상이 형성되지 않음을 판단하였다. 유리의 점도를 측정하여 열적특성을 확인하였다. 유리의 점도를 측정하면 섬유화 온도를 알 수 있으므로 유리섬유 방사 시 유리의 점도를 측정하는 것은 중요한 부분이다.
규석과 제강 슬래그 원료는 많은 양의 SiO₂와 Fe₂O₃함유하고 있다. 이는 용융 온도와 섬유화 온도를 높이는 단점이 있기 때문에 망간 슬래그 함량을 많이 사용한 배합을 선정해 망간 슬래그 70 %, 제강 슬래그 20 % 그리고 규석 10 % 비율로 원료를 혼합하였다. 유리 조성은 silica(SiO₂), alumina(Al₂O₃), calcium oxide(CaO), magnesium oxide(MgO), Ferric oxide(Fe₂O₃), Manganese dioxide(MnO₂)와 2 % 미만의 알칼리(Na₂O/K₂O)로 구성되어 있다.
20 mm의 홈이 파인 마분지에 한 개의 유리섬유시편을 중앙에 놓고 강력접착제로 고정시켜 시편을 제작하였다. 인장강도 측정은 만능시험기(INSTRON 5544, 2712-013, USA)을 사용하여 10N의 load cell과 0.5 mm/min 인상속도로 측정하였다.¹¹⁾ 데이터의 신뢰도를 높이기 위해 30개 이상 시편을 측정한 후 평균값을 계산하였다.

대상 데이터

2에서 볼 수 있듯이 10 노즐 섬유 방사 장비는 용융 및 방사가 동시에 진행되기 때문에 용융물의 비균질성이 섬유 제조에 문제가 될 수 있다.¹⁴⁾ 따라서 본 실험에서는 유리섬유를 방사하기 위하여 전기로에서 별도로 제조된 벌크 모유리를 분쇄한 파유리를 사용하였다. 고온점도 결과로부터 방사온도 1,100 ℃ 이상에서는 섬유 방사가 가능할 것으로 판단하였다.
본 연구에 사용된 광물원료들은 입도를 균일하게 제어하기 위하여 볼밀로 300 μm 이하로 분쇄하여 사용하였으며, 분쇄된 광물원료는 혼합 후 알루미나 도가니에 원료를 투입한 후 박스로 에서 1,550℃, 2시간 동안 용융하였다.

데이터처리

5 mm/min 인상속도로 측정하였다.¹¹⁾ 데이터의 신뢰도를 높이기 위해 30개 이상 시편을 측정한 후 평균값을 계산하였다.
섬유 직경 사이즈는 광학현미경(OLYMPUS, JAPAN)을 사용해서 각각 40개씩 측정하였다. 그리고 평균값을 계산하였다. 방사된 섬유는 표면 관찰을 위해서 field emission scanning electron microscope(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)를 사용하였다.

이론/모형

그리고 평균값을 계산하였다. 방사된 섬유는 표면 관찰을 위해서 field emission scanning electron microscope(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)를 사용하였다. 방사온도에 따른 섬유의 기계적 특성평가는 ASTM D 3379-75법을 적용하였다.
방사된 섬유는 표면 관찰을 위해서 field emission scanning electron microscope(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)를 사용하였다. 방사온도에 따른 섬유의 기계적 특성평가는 ASTM D 3379-75법을 적용하였다. 20 mm의 홈이 파인 마분지에 한 개의 유리섬유시편을 중앙에 놓고 강력접착제로 고정시켜 시편을 제작하였다.
측정된 실험결과는 VFT 식을 이용하여 Log η = 3(η in Poise)에 해당하는 섬유화 온도[Log 3 forming temperature(TF)]를 계산하였다.

성능/효과

섬유가 굵을수록 더욱더 많은 flow가 존재할 것이고 그로 인해 섬유 굵기와 인장강도 값과의 반비례 관계를 보여준다.¹⁵⁾ 결함의 유무는 인장 강도에 영향을 미침을 알 수 있으며, 섬유의 방사 속도가 빨라질수록 섬유 직경과 기계적 물성에 좋은 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
섬유직경은 방사 속도에 영향을 받는다. 같은 시간, 같은 온도와 같은 시간 동안 부싱 노즐에서 방출되는 유리 용융물의 양은 동일하지만, 방사 속도가 빠를수록 유리 용융물이 더 빠른 속도로 섬유화 되기 때문에 섬유 직경이 가늘어지는 것으로 확인되었다.
¹⁴⁾ 따라서 본 실험에서는 유리섬유를 방사하기 위하여 전기로에서 별도로 제조된 벌크 모유리를 분쇄한 파유리를 사용하였다. 고온점도 결과로부터 방사온도 1,100 ℃ 이상에서는 섬유 방사가 가능할 것으로 판단하였다. 섬유는 부싱 온도 1,109~1,166 ℃ 범위내의 온도인 1,150 ℃에서, 100~250rpm의 회전 속도로 사이즈가 300 mm인 드럼으로 인발 후 섬유를 제조하였고, 이를 방사 속도에 따른 섬유의 인장강도 변화 또한 확인하였다.
방사 속도가 100rpm 일 때 평균 직경이 73 μm, 150rpm 일 때 평균 직경이 65 μm, 200rpm 일 때 평균 직경이 55 μm, 그리고 250rpm 일 때 평균 직경이 45 μm 정도로 측정되었다. 섬유의 인장강도는 100rpm 일 때 평균 21MPa, 150rpm일 때 평균 31MPa, 200rpm 일 때 평균 34MPa, 그리고 250rpm 일 때 평균 45MPa의 값을 나타내었다. 섬유의 직경이 굵을수록 섬유의 강도값이 작아지는 이유는 섬유의 직경이 굵을수록 섬유 내에 존재하는 기포 등의 결함 때문인 것으로 확인되었다.
섬유 인장강도는 100rpm의 방사속도에서는 평균 21MPa, 150rpm에서는 평균 31MPa, 200rpm에서는 34MPa, 그리고 250rpm에서는 평균 45MPa의 값을 나타냈다. 섬유의 직경이 가늘수록 섬유의 인장강도 값이 증가하는 경향을 확인하였다. 이는 Griffith 이론에 의해 이해될 수 있다.
섬유의 인장강도는 100rpm 일 때 평균 21MPa, 150rpm일 때 평균 31MPa, 200rpm 일 때 평균 34MPa, 그리고 250rpm 일 때 평균 45MPa의 값을 나타내었다. 섬유의 직경이 굵을수록 섬유의 강도값이 작아지는 이유는 섬유의 직경이 굵을수록 섬유 내에 존재하는 기포 등의 결함 때문인 것으로 확인되었다. 본 실험에서 채택한 슬래그 조성의 유리는 양호한 용융 상태와 섬유화 제조 조건을 보여준 것으로 판단되어 충분히 실용화가 가능할 수 있을 것으로 판단되었다.
섬유를 방사하기 전 유리 조성의 배치를 1,550 ℃에서 2시간 동안 용융하였고, 응력 제거를 위하여 600 ℃ ± 10 ℃에서 2시간 동안 서냉 하여 유리를 제조하였다. 유리섬유를 방사할 때 결정화가 되면 섬유가 단락 되어 방사하기 어려운 문제가 있기 때문에 시차열 분석과 XRD 분석을 통해 완전 용융하여 600 ℃에서 서냉시켜도 결정 피크가 생기지 않기 때문에 섬유를 방사하여도 섬유는 비정질 상태임을 판단하였다. 유리섬유 방사를 위해 Log η = 3(η in Poise)에 해당하는 섬유화 온도를 확인하기 위해 유리의 점도를 측정했을 때 1,109~1,166 ℃ 확인되었다.

후속연구

섬유의 직경이 굵을수록 섬유의 강도값이 작아지는 이유는 섬유의 직경이 굵을수록 섬유 내에 존재하는 기포 등의 결함 때문인 것으로 확인되었다. 본 실험에서 채택한 슬래그 조성의 유리는 양호한 용융 상태와 섬유화 제조 조건을 보여준 것으로 판단되어 충분히 실용화가 가능할 수 있을 것으로 판단되었다.
이러한 슬래그를 단섬유와 같은 유리섬유로 만든다면 건축용 내·외부 단열재로서의 활용도가 증가될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유리섬유(glass fiber)를 형태에 따라 구분하면 어떻게 나뉘는가?	유리섬유(glass fiber)는 점도가 높은 특성을 이용하여 가는 실과 같은 형태를 가지는 섬유상으로 제조할 수 있는 특징을 가지고 있다.5,6) 형태에 따라 단섬유(glass wool)과 장섬유(continuous glass fiber)로 나뉜다.7) 장섬유는 부싱(bushing)에서 흘러나온 용융 유리를 고속으로 인장 후 급냉하여 제조하는 것이며, 단섬유는 보드 또는 블랑켓 형태의 단열재로 사용되는 유리솜(glass wool)을 의미한다.
	철강 슬래그의 종류는 무엇이 있는가?	제철 산업은 기술 발전과 설비 증설에 따라 자동차, 조선, 화학, 섬유 등의 생산량이 증가하지만, 그에 따른 다양한 부산물인 철강 슬래그 양이 발생하고 있다. 철강 슬래그는 선철을 정련할 때 생기는 고로 슬래그와 철에서 강을 정련하면서 발생하는 제강 슬래그로 나눌 수 있다.1) 슬래그에는 재활용이 가능한 자원이 다량 함유되어 있지만, 대부분은 도로용 골재, 시멘트 원료와 같은 경제성이 낮은 저부가가치 제품으로 재활용되고 나머지는 매립되는 실정이다.
	현재 슬래그 재활용 현황은 어떠한가?	철강 슬래그는 선철을 정련할 때 생기는 고로 슬래그와 철에서 강을 정련하면서 발생하는 제강 슬래그로 나눌 수 있다.1) 슬래그에는 재활용이 가능한 자원이 다량 함유되어 있지만, 대부분은 도로용 골재, 시멘트 원료와 같은 경제성이 낮은 저부가가치 제품으로 재활용되고 나머지는 매립되는 실정이다. 유럽, 일본 등 선진국에서는 활발하게 관련된 재활용 기술 개발이 이루어지고 있기 때문에 고부가가치 소재로서의 활용을 위한 기술 개발이 필요하다.

참고문헌 (3)

Iba, H., Chang, T., Kagawa, Y.. Optically transparent continuous glass fibre-reinforced epoxy matrix composite: fabrication, optical and mechanical properties. Composites science and technology, vol.62, no.15, 2043-2052.

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Lee, Michael V., Raga, Sonia R., Kato, Yuichi, Leyden, Matthew R., Ono, Luis K., Wang, Shenghao, Qi, Yabing. Transamidation of dimethylformamide during alkylammonium lead triiodide film formation for perovskite solar cells. Journal of materials research, vol.32, no.1, 45-55.

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Ray, Chandra S., Fang, Xiangyu, Day, Delbert E.. New Method for Determining the Nucleation and Crystal‐Growth Rates in Glasses. Journal of the American Ceramic Society, vol.83, no.4, 865-872.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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