[논문]슬래그 원료를 사용해서 제조된 유리섬유의 점탄성 특성

이지선; 김선욱; 라용호; 이영진; 임태영; 황종희; 전대우; 김진호

doi:10.4313/jkem.2019.32.6.477

슬래그 원료를 사용해서 제조된 유리섬유의 점탄성 특성
Visco-Elastic Properties of Glass Fiber Manufactured by Slag Material 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.6, 2019년, pp.477 - 482

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This study investigated the influence of the viscoelastic property of slag when producing glass fiber, MFS631 with 60% of manganese slag, 30% of steel slag, and 10% of silica stone. To fabricate the MFS631 glass bulk, slag materials were placed in an alumina crucible, melted at $1,550^{\circ}C$ for 2 h, and then annealed at $600^{\circ}C$ for 2 h. It was found that glass is non-crystalline through X-ray diffraction analysis. MFS631 fiber was produced at speed in the range of 100~300 rpm at $1,150^{\circ}C$. The loss modulus (G") and storage modulus (G') of the produced glass fiber were evaluated at high temperatures. G' and G" of MFS631 were greater than $893^{\circ}C$, and the modulus value was 136,860 pa. This is similar to the results of a general E-glass fiber graph. Therefore, it was concluded that its spinnability is similar to that of E-glass fiber; therefore, it can be commercialized.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Experimental procedure for preparing samples.
표 Table 1. Chemical composition of manganese slag, steel slag, and silica stone (wt%) [12].
표 Table 2. Chemical composition of melted glass samples (wt%).
그림 Fig. 2. 10 nozzle direct melting spinning equipment.
그림 Fig. 3. Measurement condition of furnace rheometer system.
그림 Fig. 4. Photographs of (a) bulk glass and (b) MFS631 glass fiber.
그림 Fig. 5. DTA curve of MFS631 glass sample.
그림 Fig. 6. XRD pattern of MFS631 glass sample.
그림 Fig. 7. Viscosity temperature of MFS631 glass sample.
그림 Fig. 8. Visco-elastic curves of (a) E-glass, (b) MFS631, and (c) MFS721.
그림 Fig. 9. Tensile strength of MFS631 glass sample.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 물성 측정을 위해 유리 고온 점도 측정 장비를 이용해서 원료의 점탄성 거동을 관찰하였다. 액체와 같이 흐르는 성질(loss modulus, G″)과 고체와 같은 탄성체 성질(storage modulus, G′)값을 고온 온도 영역대에서 평가하였고 [16], 이 특성이 고온 물성(섬유화 조건)의 상관관계를 연구하였다.
슬래그 원료를 이용해서 유리 섬유를 제조하였고 점탄성 특성이 섬유 제조할 때에 미치는 영향에 관해 확인하였다.

제안 방법

시차열 분석과 XRD 분석을 통해 모유리의 서냉 온도와 전형적인 비정질 피크를 확인하였고, 섬유를 방사하여도 섬유는 비정질 상태라고 판단하였다. 고온 점도 측정 장비를 이용해서 점탄성 측정을 통해 용융물의 액체와 같이 흐르는 성질(loss modulus, G″)과 고체와 같은 탄성체 성질(storage modulus, G′)값을 고온 온도 영역대에서 평가하였다. MFS631 조성이 그래프 경향성이나 그 값들이 E-glass 조성과 유사함을 보였으며, E-glass 수준의 방사 능력을 가질 것으로 판단하였다.
모유리의 점도를 측정하여 열적 특성을 확인하였다. 유리점도 측정은 섬유화 온도를 유추할 수 있으므로 유리 섬유를 방사하기 위해서 점도를 측정하는 것은 매우 중요한 부분이다.
섬유를 제조하기 위해 망간 슬래그 60%, 제강 슬래그 30%, 규사 10% 혼합된 조성(MFS631)의 배치를 1,550℃에서 2시간 동안 용융하였다. 그리고 응력을 제거하기 위해 600±10℃에서 2시간 동안 서냉 후 모 유리를 제조하였다.
유리 용융 상태일 때, G″>G′이며, 고체 상태일 때는 G′>G″이다. 이러한 특성을 바탕으로 점탄성 특성이 섬유화에 미치는 영향을 확인하기 위해 본 연구에서 사용된 유리 소재의 액체 또는 고체 거동 정도를 G′ 및 G″ 측정을 통해 분석하였다 [22].
이는 용융과 섬유화 온도를 높이는 단점이 있다. 이에 망간 슬래그 함량을 높인 배합을 선정해 망간 슬래그 60%, 제강 슬래그 30%, 규사 10% 비율로 혼합하였고 MFS631라 호칭하였다. 선행 연구를 통해 섬유화에 관해 연구된 조성은MFS721 호칭하였다 [17].

대상 데이터

본 실험에서 사용된 방사 장비는 모유리의 용융과 섬유 방사가 동시에 진행되기 때문에 유리 용융물의 비균질성이 섬유를 제조할 때 문제가 될 수 있다. 따라서 유리섬유를 방사하기 위해 전기로에서 별도로 제조한 벌크 모유리를 5 mm 이하로 분쇄한 파유리를 사용하였다 [21]. 고온 점도 결과로부터 섬유 방사 온도 1,100℃ 이상에서 섬유 방사가 가능할 것으로 판단하였다.
본 연구에서 사용된 망간 슬래그, 제강 슬래그, 규석의 화학 분석치는 표 1에 나타내었다. 유리 조성 함량은 표 2에 나타내었다.
그림 1은 마블 유리 샘플 제조공정이다. 본 연구에서 사용된 슬래그 원료들은 볼밀을 사용해 입도를 300µm 이하로 분쇄해 사용하였다. 슬래그 원료는 혼합후 알루미나 도가니에 넣고 박스로에서 1,550℃에서 2시간 용융하였다.
섬유 제조를 하기 위해 그림 2에서 보여준 것처럼 10개의 노즐을 보유한 10 노즐 섬유 방사 장비를 이용해서필라멘트(filament)를 제조하였다. 유리 점도 측정과 점탄성 측정은 점도 측정기(furnace rheometer system,FRS 1600, USA)를 사용하였다.
유리 조성은 silica (SiO₂), alumina (Al₂O₃), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), manganese dioxide(MnO2), ferric oxide (Fe₂O₃), 2% 미만 알칼리(K₂O/Na₂O)로 구성되어 있다.

데이터처리

시차열분석 장비(DTA, SHIMADZU DTG-60H,JAPAN)를 사용해서 열분석을 측정하였다. 알루미나 팬에 분말을 넣고 질소 분위기에서 승온속도 5℃/min에서 하였으며, 측정 온도 범위는 25~1,400℃로 하였다.

성능/효과

본 실험에서 채택한 슬래그 조성의 유리섬유는 양호한 섬유화 제조 조건을 보여준 것으로 판단되었고, 점탄성 결과가 섬유 방사에 필요함 또한 확인하였다. 그러나 점탄성 측정 결과는 MFS631 조성이 E-glass 조성과 유사하게 나타났지만, 강도 값이 낮은 원인에 관해서는 추후 연구가 필요하다 판단되었다.
섬유가 와인딩할 때 걸리는 하중을 MFS631이 보다 잘 견딜 수 있는 조건에서 섬유가 제조되었고, 섬유의 강도 값에도 영향을 미쳤을 것으로 판단하였다.
시차열 분석과 XRD 분석을 통해 모유리의 서냉 온도와 전형적인 비정질 피크를 확인하였고, 섬유를 방사하여도 섬유는 비정질 상태라고 판단하였다. 고온 점도 측정 장비를 이용해서 점탄성 측정을 통해 용융물의 액체와 같이 흐르는 성질(loss modulus, G″)과 고체와 같은 탄성체 성질(storage modulus, G′)값을 고온 온도 영역대에서 평가하였다.
그러나 점탄성 측정 결과는 MFS631 조성이 E-glass 조성과 유사하게 나타났지만, 강도 값이 낮은 원인에 관해서는 추후 연구가 필요하다 판단되었다. 이를 통해 슬래그 조성 유리섬유는 충분히 실용화가 가능할 것으로 판단되었다.
점탄성 측정 결과 MFS631 조성이 그래프 경향성이나 교차온도, modulus 값들이 E-glass 조성과 유사함을 보였다. 반면 (c) 조성은 교차 온도 및 modulus 값이 상대적으로 작은 것을 확인하였다.

후속연구

본 실험에서 채택한 슬래그 조성의 유리섬유는 양호한 섬유화 제조 조건을 보여준 것으로 판단되었고, 점탄성 결과가 섬유 방사에 필요함 또한 확인하였다. 그러나 점탄성 측정 결과는 MFS631 조성이 E-glass 조성과 유사하게 나타났지만, 강도 값이 낮은 원인에 관해서는 추후 연구가 필요하다 판단되었다. 이를 통해 슬래그 조성 유리섬유는 충분히 실용화가 가능할 것으로 판단되었다.
건축재료, 공업재료 등 다양하게 적용될 수 있게 고부가가치 소재로의 활용을 위한 기술 개발이 필요하다. 슬래그 원료를 유리 섬유(장섬유, 단섬유)로 만든다면 건축용 단열재와 같은 분야에서 활용도를 높일 수 있을 것이다 [1].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점탄성 물성을 측정하는 방법에는 어떠한 것들이 있는가?	점탄성 물성을 측정하는 방식에는 여러 가지가 존재하며 크게 4가지 정도로 분류된다 [9]. 동적 물성 실험, 3점 굽힘 응력실험, 인장 및 압축실험이다. 이 중, 동적 물성 실험은 온도에 따라 유리의 점도 값을 측정할 수 있는 실험 방법이다.
	유리 섬유란 무엇인가?	유리 섬유는 높은 점도의 유리 특성을 이용해 조성 별로 섬유화 온도에서 용융 유리를 백금(백금/로듐) 소재 부싱(bushing)을 통해 인발 후 사이징(sizing) 처리한 후 필라멘트 상태의 유리를 방사 장비(winder)를 사용해 고속으로 와인딩(winding)한 것으로 가는 실 같은 형상을 가지는 유리를 말한다 [2-5].
	모유리의 광학적 특성 평가가 반드시 확인되어야 하는 이유는 무엇인가?	3. Measurement condition of furnace rheometer system 전기로에서 용융하여 제조된 슬래그 모유리를 재용융하여 섬유 방사할 때, 모유리 내에 기포가 존재하면 연속섬유방사가 어려우므로 모유리의 광학적 특성 평가는 반드시 확인되어야 하는 중요한 인자이다. 그림 4는 용융 후 모유리와 방사된 유리 섬유다.

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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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