KR100910240B1

KR100910240B1 - 내열성이 우수한 유리섬유 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR100910240B1
Application number: KR1020080016907A
Authority: KR
Inventors: 김현배
Original assignee: 주식회사 알인텍
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2009-07-31

Abstract

본 발명은 내열성이 우수한 유리섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 고형분 1∼30중량%을 함유하는 알루미나졸 15∼35중량%, 고형분 1∼10중량%를 함유하는 황산알루미나 수용액 20∼50중량%, 고형분 10∼60중량%를 함유하는 수용성 초산비닐수지 10∼30중량% 및 나머지가 물로 구성된 내열성분이 코팅된 내열성이 우수한 유리섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 유리섬유는 순간 최고온도 약 1000℃에서도 용융되지 않고 외형이 변하지 않는 높은 내열성을 가지므로 내열성이 요구되는 섬유, 소방용품, 용접 장비 및 도구, 또는 단열재 등의 소재로 사용이 가능하다. 이와 같이, 본 발명은 저가의 유리섬유를 고기능성으로 품질을 향상시켜 고가의 유리섬유로 제조함으로써 경제성이 뛰어난 효과가 있다.

유리섬유, 알루미나, 황산, 초산비닐수지, 내열성

Description

내열성이 우수한 유리섬유 및 이의 제조방법{Glass fiber having heat-resistant and method for preparing the same}

본 발명은 내열성이 우수한 유리섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 인체의 유해성을 없애고, 적은 비용으로 고기능성 제품을 순간 최고온도 약 1000℃에서도 사용할 수 있는 내열성이 우수한 유리섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유리섬유는 10∼20㎛ 굵기의 미세한 유리 모노 필라멘트를 약 100∼4000 가닥 정도로 집속함으로써 직경 1∼2㎜ 내외의 사 형태로 만들 수 있고, 다시 수 가닥 또는 수십 가닥으로 묶어 집속함으로써 보다 굵은 직경의 유리섬유 집속체(로빙: roving)를 만들어 사용할 수 있다. 이러한 유리섬유는 인장강도, 탄성, 유연성 및 보온 단열성이 뛰어나 다양한 산업분야에서 응용되고 있다.

유리 섬유로 된 직조물은 일반적으로 500∼600℃ 내에서 사용하며 약 700℃에서 용융되어 그 기능을 상실하게 되며, 제품에서 비산되는 분진으로 인하여 피부 에 심한 소양증과 호흡기로 통한 인체 유해성이 심각한 실정이다. 따라서, 특허문헌 1과 같이 유리섬유의 조성을 변화시켜 유리섬유 자체의 내열성을 높이려는 시도가 있다. 그러나, 이러한 방법은 내열성을 높이는 데 한계가 있다.

한편, 유리섬유 직조물의 제조과정을 살펴보면, 섬유의 방사성과 유연성을 돕기 위하여 액상의 커플링제(실란)을 코팅(특허문헌 2(명칭: 유리섬유 사의 수지 코팅 방법) 참조)하는데, 방사되는 섬유가 서로 붙지않고 섬유의 유연성을 유지하는데 좋으나, 섬유에서 발생하는 분진을 방지하지 못하고 너무 매끄러워 직조물이 잘 풀어지는 단점이 있어 절단 가공하기가 어려운 점이 있으며 발생되는 분진은 피부에 붙으면 살 속으로 파고들어가게 되므로 이로 인하여 피부의 심한 소양증과 호흡기를 통한 유해성이 심각한 실정이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 유리섬유의 직조물 양면에 실리콘이나 테프론으로 코팅한 제품(특허문헌 3 참조)이 있는데, 상기 제품은 300℃넘으면 타게 되고 매연과 유해 가스가 발생하여 저온에서만 사용이 가능하나 가격이 너무 고가여서 손쉽게 사용할 수 없는 실정이다. 따라서, 용접시 보호막과 같은 높은 내열성이 요구되는 산업분야에 적합한 유리섬유가 요구된다.

특허문헌 1: 한국 등록특허 제0517767호

특허문헌 2: 한국 등록특허 제0424954호

특허문헌 3: 한국 등록특허 제0490864호

이에 본 발명에서는 알루미나졸, 황산알루미나 및 수용성 유기바인더의 혼합물을 유리섬유에 코팅시 상술한 문제점을 해결할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 인체의 유해성을 없애고, 순간 최고온도 약 1000℃에서도 사용할 수 있는 내열성이 우수한 유리섬유를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 유리섬유를 경제적이고, 고기능성 제품으로 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내열성이 우수한 유리섬유는 고형분 1∼30중량%을 함유하는 알루미나졸 15∼35중량%, 고형분 1∼10중량%를 함유하는 황산알루미나 수용액 20∼50중량%, 고형분 10∼60중량%를 함유하는 수용성 초산비닐수지 10∼30중량% 및 나머지가 물로 구성된 내열성분이 코팅된 것을 특징으로 한다.

상기 유리섬유에 있어서, 상기 내열성분은 색상을 내기 위하여 흑색과 백색(지당)을 중량비로 1:1로 혼합시킨 안료 0.01∼0.1중량%를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유리섬유에 있어서, 상기 알루미나의 입자크기는 20∼50 나노 입자인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 상기 내열성이 우수한 유리섬유의 제조방법은 고형분 1∼30중량%을 함유하는 알루미나졸 15∼35중량%, 고형분 1∼10중량%를 함유하는 황산알루미나 수용액 20∼50중량%, 고형분 10∼60중량%를 함유하는 수용성 초산비닐수지 10∼30중량% 및 나머지가 물로 구성된 내열성분에 유리섬유 직조물을 침지시켜 코팅시킨 다음, 연속 건조하면서 롤벤딩(압련)하여 유리섬유의 표면 고루기와 유연성을 부여하는 것을 특징으로 한다.

상기 방법에 있어서, 상기 건조는 120∼170℃의 온도에서 연속 건조하면서 90∼98%의 건조 상태에서 롤벤딩(압련)을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 방법에 있어서, 상기 유리섬유의 코팅두께는 코팅, 건조 및 압련을 2회 이상 수행하여 더욱 두꺼워 지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서는 20∼50나노(Nano)입자의 알루미나(Al₂O₃)와 수용성 유기바인더, 바람직하게는, 초산비닐수지를 혼합한 내열성분을 유리섬유에 코팅, 건조하므로 순간 최고 사용온도 약 1000℃에서도 용융되지 않고 외형이 변하지 않는 유리섬유를 제공할 수 있다. 상기 알루미나의 입자크기는 마이크로 섬유표면에 고루게 코팅이 용이하기 위하여 20∼50 나노가 바람직하다.

본 발명에 있어서, 유리섬유에 코팅되는 내열성분은 알루미나졸 100중량%에 대하여 고형분 1∼30중량%을 함유하는 알루미나졸 15∼35중량%, 황산알루미나 100중량%에 대하여 고형분 1∼10중량%를 함유하는 황산알루미나 수용액 20∼50중량%, 수용성 초산비닐수지 100중량%에 대하여 고형분 10∼60중량%를 함유하는 수용성 초산비닐수지 10∼30중량% 및 나머지는 물로 구성된다.

본 발명에 있어서, 알루미나졸과 황산알루미나를 혼합하는 이유는 유리섬유가 알카리에는 침식되나 산에는 강하기 때문이다. 알루미나졸 만으로도 고형분을 30중량%까지 올려 코팅할 수 있으나 알루미나졸 만으로 두껍게 코팅 건조했을 경우 내열도는 좋으나 접착력이 약하여 갈라질 수 있고 물에 쉽게 풀어질 수 있기 때문이며, 황산알루미나 만으로도 코팅이 가능하나 고형분을 10중량%이상 올릴 수 없고 접착강도가 너무 강해서 유연성이 좋지 않으므로 알루미나졸과 황산알루미나을 혼합 사용하면 알루미나 고형분을 30중량%까지 올려도 같은 산성이기 때문에 분산이 잘되고 건조 강도와 유연성의 조정이 가능하다.

아울러, 상기 알루미나 졸의 사용량은 15∼35중량%가 바람직한데, 15중량% 미만이면 알루미나 함유량이 약하고 코팅두께가 얇아지며, 35중량%를 초과하면 제조원가가 과다 소요되는 경향이 있고, 황산알루미나 수용액의 사용량이 20중량% 미만이면 접착강도가 약화될 수 있고, 50중량%를 초과하면 건조된 제품이 강도가 더 강해지는 문제가 있다.

또한, 수용성 유기바인더로 초산비닐수지를 사용하는 것은 알루미나졸이나 황산알루미나에 상용성이 있고 고형분이 높아 접착력과 방수막을 잘 형성하며 안료중 회색을 택한 것은 일반 제품과 구별되게 하기 위해서다. 상기 수용성 초산비닐수지의 사용량이 10중량% 미만이면 유리섬유 분진이 발생될 수 있고, 접착강도가 약해질 수 있으며, 30중량%를 초과하면 직열을 받았을 때 불꽃이 일며 탈수 있는 문제가 있다. 또한, 상기 수용성 초산비닐수지의 고형분 함량이 10중량% 미만이면 제품운반비가 가증될 수 있으며, 60중량%를 초과하면 합성과정이 어려운 경향이 있다.

선택적으로, 상기 내열성분에 색상을 부여하기 위하여 흑색과 백색(지당)을 중량비로 1:1로 혼합시킨 안료를 색상과 경제성을 고려하여 0.01∼0.1중량%로 첨가할 수 있다.

한편, 직조된 유리섬유 직조물이나 테이프 등은 직조 밀도에 따라 내열성분의 침투가 영향을 받기 때문에 상기 내열성분이 충분히 침투되도록 주의하고 용도에 따라 유리제품의 내열도와 유연성 건조 강도와 방수성에 맞추어 내열성분의 코팅량 및 코팅 두께를 조절할 수 있다.

상기 내열성분을 유리섬유에 코팅시키는 방법을 살펴보면, 유리 섬유 직조물을 코팅하기 위하여 1∼30중량%을 함유하는 약산성의 알루미나졸 15∼35중량%와 고형분 1∼10중량%를 함유하는 황산알루미나 수용액 20∼50중량%, 고형분 10∼60중량%를 함유하는 수용성 초산비닐수지 10∼30중량% 및 나머지는 물을 혼합하고, 선택적으로, 색상을 내기 위하여 안료 중 흑색과 백색(지당)을 1 : 1의 중량비로 0.01∼0.1중량%를 첨가하여 교반하면 연회색의 겔(Gel)상태가 된다.

이렇게 혼합된 내열성분을 스테인레스 용기에 넣고 유리섬유 직조물을 연속으로 내열성분에 충분히 침투시키고 맞물린 롤러를 거치면서 내열성분의 두께 조절하여 근적외선 발열체로 건조하는 텐넬 건조기를 통과하면서 완전 건조 전에, 바람직하게는 90∼98% 정도 건조시켜 코팅된 표면을 고루기 위하여 압련 롤을 거치면서 권취한다. 본 발명에 있어서, 상기 건조는 생산량과 경제성의 이유로 120∼170℃에서 수행되며, 건조상태는 촉감 또는 기계적 측정장치 등을 이용하여 측정이 가능하며, 건조기의 한 번 설정된 온도 및 시간 조건에서 연속적인 건조가 가능하다.

본 발명에 있어서, 상기 유리섬유의 코팅두께는 코팅, 건조 및 압련의 공정을 2회 이상 반복하여 더욱 두껍게 할 수 있다. 이 경우, 권취는 불가능하므로 원하는 치수만큼 코팅하고, 절단한 다음, 다시 코팅과정을 반복한다.

이렇게 제조된 본 발명에 따른 유리섬유와 기존에 시판되는 유리섬유의 물성 및 경제성을 하기 표 1에 기재하였다. 하기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 기존 제품과의 차이점을 확연히 알 수 있다.

구 분	일반제품	수입(실리콘 또는 테프론코팅)	본 발명
최고사용온도	500∼600℃	약 300℃	약 1,000℃
분진	다량발생	없음	없음
유해성	소양증, 호흡기, 질환	없음	없음
가격 1t(두께)×1㎡	2,500원	15,000∼20,000원	6,000∼7,000원

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시 예 1

저온(약 300℃)용 유리섬유

하기 표 2에 기재한 바와 같이, 고형분 10중량%의 알루미나졸 20중량%, 고형분 7중량%의 황산알루미나 수용액 22중량%, 고형분 53중량%의 수용성 초산비닐수지(대양화학 PvAc계 #960) 18중량%, 흑색과 백색(지당)을 1:1의 중량비로 혼합한 안료 0.02중량%, 및 나머지는 물을 넣고 충분히 교반한 후, 스테인레스 용기에 1m 깊이까지 채우고 스크류 교반기로 밑에서 위로 상기 내열성분이 계속 회전하도록 하여 골고루 분산시킨 후, 유리섬유 포직두께 약 1t, 폭 1m, 및 길이 30m의 한 롤을 계속 침투시켜 한 쌍이 맞물린 롤러를 거치면서 내열성분의 두께를 약 1㎜로 하여 근적외선 텐넬 건조기(폭 1.2m × 길이 22m)에서 약 150℃에서 건조도가 약 90∼98%로 건조되면 한 쌍의 압련 롤러를 거쳐 유리섬유의 표면 고루기를 하여 권취한다.

본 실시 예에서 알루미나와 황산알루미나의 양에 비하여 초산비닐수지의 고형분 비율이 약 2.7배로 한 것은 유리섬유가 용융되지 않고 초산비닐수지와 막을 형성하여 방수성을 올리기 위함이다.

본 제품은 연한 회색으로 유연성 및 방수성이 좋고 인체 유해성이 없으며 절단가공성이 용이하며 300℃ 이상의 열에 표면이 변하나 용융되지 않고 외형은 그대로 유지된다. 현재수입 시판가격이 두께 1t×1㎡에 약 15,000∼20,000원 하는 제품을 절반 가격 이하로 공급이 가능하다.

실시 예 2

용접보호막용 유리섬유

조선소에서 용접작업할 때 보호막으로 사용되는 제품으로 유리섬유 포직을 그대로 사용하고 있는데 불똥이 붙으면 바로 녹아버리고 포직이 바람에 흔들거리거나 움직일 때 마다 유리 가루 분진이 발생하여 피부에 붙으면 살 속에 파고 들어가서 심한 소양증과 호흡기를 통하여 인체유해성이 심각한 실정이다. 본 실시 예는 이에 적합한 유리섬유를 제공한다.

하기 표 2에 기재한 바와 같이, 고형분 10중량%의 알루미나졸 20중량%, 고형분 7중량%의 황산알루미나 수용액 40중량%, 고형분 53중량%의 수용성 초산비닐수지(대양화학 PvAc계 #960) 10중량%, 흑색과 백색(지당)을 1:1의 중량비로 혼합한 안료 0.02중량%, 및 나머지는 물을 넣고 충분히 교반한 후, 스테인레스 용기에 1m 깊이까지 채우고 스크류 교반기로 밑에서 위로 상기 내열성분이 계속 회전하도록 하여 골고루 분산시킨 후, 유리섬유 포직두께 약 1t, 폭 1m, 및 길이 30m의 한 롤을 계속 침투시켜 한 쌍이 맞물린 롤러를 거치면서 내열성분의 두께를 약 100㎛로 하여 근적외선 텐넬 건조기(폭 1.2m × 길이 22m)에서 약 150℃에서 건조도가 약 90∼98%로 건조되면 한 쌍의 압련 롤러를 거쳐 유리섬유의 표면 고루기를 하여 권취한다.

본 실시 예에서 알루미나와 황산알루미나의 고형분 비율에 대하여 초산비닐수지 고형분의 양이 비슷한 것은 제품의 분진방지와 내열성을 올리기 위해서다.

본 제품은 강도가 있고 순간 온도 1000℃에서도 용융되지 않고 외형 그대로 유지하며 분진이 전혀 없고 방수성이 있으며, 절단하여도 풀어지지 않아 몇 번이고 재사용이 가능한 제품으로 경제성이 대단히 뛰어난다.

실시 예 3

초고온(약 900℃)용 유리섬유

800℃ 고온에 계속 사용할 수 있으며, 900℃에서는 고화된 상태이나 용융되지 않으며 정지된 상태에서 계속 사용가능한 제품으로 코팅두께를 약 2㎜정도로 두껍게 하기 위하여 알루미나 고형분을 최대치로 올려야한다.

하기 표 2에 기재한 바와 같이, 고형분 25중량%의 알루미나졸 30중량%, 고형분 7중량%의 황산알루미나 수용액 42중량%, 고형분 53중량%의 수용성 초산비닐수지(대양화학 PvAc계 #960) 6중량%, 흑색과 백색(지당)을 1:1의 중량비로 혼합한 안료 0.02중량%, 및 나머지는 물을 넣고 충분히 교반한 후, 스테인레스 용기에 1m 깊이까지 채우고 스크류 교반기로 밑에서 위로 상기 내열성분이 계속 회전하도록 하여 골고루 분산시킨 후, 유리섬유 포직두께 약 1t, 폭 1m, 및 길이 30m의 한 롤을 계속 침투시켜 한 쌍이 맞물린 롤러를 거치면서 내열성분의 두께를 약 2㎜가 되도록 근적외선 텐넬 건조기(폭 1.2m × 길이 22m)에서 약 150℃에서 건조도가 약 90∼98%로 건조되면 한 쌍의 압련 롤러를 거쳐 유리섬유의 표면 고루기를 한 다음, 절단하고, 이를 다시 2차 코팅 및 건조를 하였다.

본 실시 예에서 알루미나졸의 고형분 25중량%하고, 황산알루미나의 양을 올려 초산비닐수지 고형분에 대하여 약 2.7배 정도 많게 한 것은 알루미나 고형분이 직조 사이에 충진시켜 내열도를 올리기 위함이다.

성분	실시 예 1	실시 예 2	실시 예 3
알루미나졸	20중량% (고형분 10중량%)	20중량% (고형분 10중량%)	30중량% (고형분 25중량%)
황산알루미나 수용액	22중량% (고형분 7중량%)	40중량% (고형분 7중량%)	42중량% (고형분 7중량%)
유기바인더(PvAc #960)	18중량% (고형분 53중량%)	10중량% (고형분 53중량%)	6중량% (고형분 53중량%)
안료	0.02중량%	0.02중량%	0.02중량%
물(희석제)	잔량	잔량	잔량

Claims

고형분 1∼30중량%을 함유하는 알루미나졸 15∼35중량%, 고형분 1∼10중량%를 함유하는 황산알루미나 수용액 20∼50중량%, 고형분 10∼60중량%를 함유하는 수용성 초산비닐수지 10∼30중량% 및 나머지가 물로 구성된 내열성분이 코팅된 것을 특징으로 하는 내열성이 우수한 유리섬유.
청구항 1에 있어서,

상기 내열성분은 색상을 내기 위하여 흑색과 백색(지당)을 중량비로 1:1로 혼합시킨 안료 0.01∼0.1중량%를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 내열성이 우수한 유리섬유.
청구항 1에 있어서,

상기 알루미나의 입자크기는 20∼50 나노 입자인 것을 특징으로 하는 내열성이 우수한 유리섬유.
청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 내열성분에 유리섬유 직조물을 침지시켜 코팅시킨 다음, 연속 건조하면서 롤벤딩(압련)하여 유리섬유의 표면 고루기와 유연성을 부여하는 것을 특징으로 하는 내열성이 우수한 유리섬유의 제조방법.
청구항 4에 있어서,

상기 건조는 120∼170℃의 온도에서 연속 건조하면서 90∼98%의 건조 상태에서 롤벤딩(압련)을 수행하는 것을 특징으로 하는 내열성이 우수한 유리섬유의 제조방법.
청구항 4에 있어서,

상기 유리섬유의 코팅두께는 코팅, 건조 및 압련을 2회 이상 수행하여 더욱 두꺼워 지는 것을 특징으로 하는 내열성이 우수한 유리섬유의 제조방법.