KR100957018B1

KR100957018B1 - 광물 섬유의 미세도 지수 측정 장치 및 광물 섬유의 미세도 측정 방법

Info

Publication number: KR100957018B1
Application number: KR1020047018074A
Authority: KR
Inventors: 알렉 세그헤르; 길래 보이에르
Original assignee: 쌩-고벵 이조베르
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2010-05-14
Also published as: EP1506394B1; AU2003255059B2; FR2840071A1; BR0309274A; BR0309274B1; EP1506394A1; US7210334B2; KR20050010790A; AR039847A1; CN1656376A; ATE333644T1; NO20045358L; FR2840071B1; CN100565205C; US20050235736A1; AU2003255059A1; UA80709C2; CA2486460A1; DE60306920D1; NZ537162A

Abstract

본 발명은, 섬유의 섬도 값 (micronic value)을 제공하는데 적합한, 광물 섬유의 미세도 (fineness) 측정 장치(1)에 관한 것으로, 상기 장치(1)는, 상기 미세도 지수를 측정하는 장치(device)(8)를 포함하고, 상기 미세도 지수 측정 장치(8)는, 복수의 섬유로 이루어진 시험편을 수용하는데 적합한 측정 셀 (measurement cell)(2)에 연결된 제 1 오리피스 (orifice)(3)와, 상기 시험편의 어느 한 면의 차압 (differential pressure)을 측정하는 장치(5)에 연결된 제 2 오리피스(6)를 구비하며, 상기 차압 측정 장치(5)는 유체 흐름 (fluid flow) 발생 장치(10)에 연결되도록 되어 있다. 본 발명은, 상기 미세도 지수 측정 장치(8)가 상기 셀(2)을 통과하는 유체를 위한 적어도 하나의 부피 유량계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광물 섬유의 미세도 지수 측정 장치 및 광물 섬유의 미세도 측정 방법{APPARATUS FOR DETERMINING THE FINENESS INDEX OF MINERAL FIBRES, AND METHOD OF MEASURING THE FINENESS OF MINERAL FIBRES}

본 발명은 광물 섬유(mineral fibre)의 미세도(fineness)를 측정하는 장치에 관한 것으로, 이러한 섬유는 특히, 예를 들어 단열 및/또는 방음 제품을 만드는데 사용될 유리솜(glass wool)을 산업상으로 제조하기 위한 것이다. 본 발명은 또한 광물 섬유의 미세도를 측정하는 방법과, 초미세 섬유의 미세도를 측정하는데 이 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 그 목적은 이들의 "섬도(micronaire)"(F)의 값이 측정되도록 하는 것이다.

이 기술 분야에서는 미세도 지수 (fineness index)의 특징을 규정하기 위해 "섬도"를 측정하는 것이 알려져 있는데, 비표면적을 설명하는 이 지수는 결합제를 함유하지 않는 주어진 양의 섬유가 주어진 기체 (일반적으로, 공기 또는 질소)의 압력을 받을 경우 공기 역학적 압력 하강(aerodynamic pressure drop)을 측정함으로써 측정된다.

이러한 측정은 천연 섬유 (특히 면 섬유) 생산 유닛에서는 일반적이고, DIN 53941, ASTM 1994, D 4604-86, D 4605-86 또는 EN 29053 규격에 따라 표준화되어 있으며, 예를 들어 EP 0 373 058에 기술되어 있는 "섬도 장치"라고 불리는 장치를 사용한다.

또한, 시험편의 질량은 일반적으로 약 10g이고, 가장 일반적으로 사용되는 권고안에 따라, 섬유가 면 섬유일 경우 최대 50g이 사용될 수 있다는 점을 주목해야만 한다.

이러한 교시를 기초로, 섬도 장치가 개발되어 널리 사용되었으며, 이는 "섬도" 값으로 눈금이 매겨져 있는 광물 섬유의 미세도 지수를 측정하는 장치를 이용해서, 약 3 내지 9㎛의 평균 섬유 직경에 대한 신뢰할만한 측정을 이러한 평균 직경 범위 내에서 제공한다. 이러한 평균 직경은 200개의 섬유에서 현미경 (×1000)으로 측정된 막대그래프로부터 측정된다.

전체 열 교환 계수를 개선하고/하거나 동일한 열 용량에 대한 제품의 밀도를 줄이기 위해 끊임없이 연구해온 제조업자들은, 평균 직경이 계속해서 감소하고 2 내지 3㎛, 또는 이보다 훨씬 더 작은 범위에 있기 쉬운 섬유 (본 명세서의 나머지 부분에서는 초미세 섬유라 불림)를 계속해서 생산해야만 한다.

그러나, 이러한 초미세 섬유 제조 범위에서, 앞에서 기술된 "섬도" 측정은 불가능하다.

그러나, 초미세 섬유의 이러한 제조는, 기계가 제대로 작동하지 않을 경우 공정에 신속하게 개입할 수 있도록 하기 위해서, 실제 실시간으로 제조 공정을 모니터링할 측정 장치를 가질 필요가 있다.

합리화(rationalization)를 위해 채택된 가정은 종래의 섬도 장치의 원리를 유지하는 것인데, 이 장치는 직경이 3㎛보다 큰 광물 섬유의 경우 그 유효성이 증 명되었고, 그 이점은 해당 기술 분야의 전문가들에 의해 평가되었다 (쉬운 실행, 우수한 단순성, 신뢰성, 실행 속도, 경제성 등).

이러한 관찰을 기초로 하고, 초미세 섬유를 측정하는 상기 섬도 장치의 무능력을 인지함으로써, 본 발명의 목적은 초미세 섬유 (그 평균 직경은 3㎛ 미만)에 대한 섬도 값을 제공하도록 설계된 섬도 장치를 제공하는 것이다.

평균 직경이 실질적으로 3㎛보다 큰 광물 섬유의 섬도 값을 제공하도록 설계된, 섬유의 미세도 지수 측정 장치가 알려져 있는데, 이 장치는 미세도 지수를 측정하는 장치(device)를 포함하고, 미세도 지수를 측정하는 상기 장치는, 한편, 복수의 섬유로 이루어진 시험편을 고정하도록 설계된 측정 셀 (measurement cell)에 연결된 적어도 하나의 제 1 오리피스 (orifice)와, 다른 한편, 상기 시험편의 어느 한 면의 차압 (differential pressure)을 측정하는 장치에 연결된 제 2 오리피스를 구비하고, 차압을 측정하는 장치는 유체 흐름 (fluid flow)을 측정하는 장치에 연결되도록 되어 있다.

이를 위해, 본 발명에 따라, 해당 종류의 미세도 지수를 측정하는 장치는, 미세도 지수를 측정하는 장치가 상기 셀을 통과하는 기체의 부피 유량(volume flow rate)을 측정하는 적어도 하나의 유량계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 장치를 통해, 초미세 섬유에 대한 섬도 값은 그 검정(calibration)과 그 작동 조건 (셀에 첨가되는 섬유의 양, 차압의 값 등)을 수정하지 않고도, 미세도 지수를 측정하는 종래의 장치를 이용해서 신속하게 얻어진다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 다음 규정 중 한 가지 또는 두 가지 모두가 추가로 선택적으로 채택될 수 있다.

- 부피 유량계는 l/min 단위로 눈금이 새겨진 부피 유량계로 이루어진다.

- 오리피스 중 하나는 검정된 부재 (calibrated member)를 포함한다.

본 발명의 다른 양상에 따라, 본 발명은 또한 앞에서 나타낸 바와 같이 광물 섬유의 미세도를 측정하는 장치를 이용해서 섬유의 미세도를 측정하는 방법에 관한 것이고,

- 측정 셀은 섬유의 시험편으로 채워져 있고, 시험편 내에서 기체의 우선적인 흐름이 일어나지 않도록 시험편이 상기 측정 셀의 전체 부피를 차지하는 방식으로 시험편의 질량이 측정되고,

- 뚜껑을 이용해서 상기 셀이 밀폐된 후, 시험편의 상류 단부 (upstream end)와 하류 단부 (downstream end) 사이의 차압의 값이 조절되며,

- 상기 측정 장치는 유체의 흐름을 일으키는 장치에 연결되고,

- 부피 유량계를 이용해서 측정이 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 실행하는 바람직한 방법에서, 다음 규정 중 한 가지 또는 두 가지 모두는 선택적으로 추가 채택될 수 있다.

- 측정 셀의 전체 부피는 섬유 시험편으로 채워지고, 그 질량은 적어도 5g, 바람직하게는 5 내지 10g, 훨씬 더 바람직하게는 5g이고,

- 약 254 mmHg의 값인 차압이 가해진다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라, 본 발명은 또한 초미세 단열 섬유 (평균 직 경이 3㎛ 미만), 특히 유리솜 (특히, 내부 원심분리 공정을 통해 얻어진)에 미세도 지수를 측정하는데, 앞에서 기술된 측정 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특징과 이점은, 비 제한적인 예를 통해 제시된 그 실시예 중 한 가지의 다음 설명 중에 첨부된 도면을 참조해서 분명해질 것이다.

도 1은, 본 발명에 따른 "섬도" 장치의 개략도.

도 2는, l/min 단위로 표시된 섬도 값의 함수로 여러 섬유 밀도에 대한 열 전도도 계수의 값을 제시한 그래프.

여러 도면에서, 동일한 도면번호는 동일하거나 유사한 요소를 가리킨다.

도 1은 본 발명에 따른 섬도 장치를 나타낸다. 이 장치(1)는 바람직하게는 원통형인 측정 셀(2)을 포함한다. 이 셀(2)은 미세도를 측정하고자 하는 섬유의 시험편을 고정시키도록 설계되어 있다.

이 장치는 또한 미세도 지수를 측정하는 장치(8)를 포함한다.

미세도 지수를 측정하는 이 장치(8)는, 복수의 섬유로 형성된 시험편을 고정시키도록 설계된 측정 셀(2)에 제 1 파이프(4)를 통해 연결된 적어도 하나의 제 1 오리피스(3)를 갖는다.

미세도 지수를 측정하는 이와 동일한 장치(8)는 또한 제 2 파이프(7)를 통해 상기 시험편의 어느 한 면의 차압을 측정하는 장치(5)에 연결된 제 2 오리피스(6)를 또한 갖는다. 차압을 측정하는 이 장치(5)는, 예를 들어 값이 설정되어 254 mmHg로 일정하게 유지된 압력 조절기에 의해 형성된다.

종래의 "섬도" 장치 (즉, 평균 직경이 3 내지 9㎛ 범위 내에 있는 섬유에 대한 "섬도" 값을 제공하도록 설계된 장치)에서, 미세도 지수를 측정하는 장치(8)는 원형 단면의 투명한 원통형 관에 의해 형성되고, 이 안에서 움직일 수 있는 인디케이터 ["루디온(ludion) 유형의}가 움직일 수 있고, 이 관은 "섬도" 값이 표시되어 있다.

차압을 측정하는 장치(5)는 제 3 파이프(9)를 통해 기체의 연속적인 흐름을 일으키는 장치(10)에 연결되고, 기체는 일반적으로 공기 또는 질소일 수 있다. 어떠한 기체 흐름 공급원이 사용되더라도, 이 설비는 유량이 정확하게 조절되고, 측정 셀의 보다 낮은 부분에서 기체 흐름의 안정성이 모니터링되도록 해야만 한다.

유체 흐름 공급원은, 유체 흐름에 대한 저항의 측정값이 속도와 무관하도록 하기 위해, 속도가 충분히 낮은 유속으로 유체를 전달해야만 한다.

한 가지 예를 들어, 흐름 공급원 (flow source)은 0.5 ×10^-3 m/s까지 내려갈 수 있는 유체 흐름 속도를 얻을 수 있어야만 한다.

한 가지 변형예로, 도 1에 도시된 "섬도" 장치는 오리피스(6)에 검정된 노즐(calibrated nozzle)을 포함한다. 이러한 검정된 부재와 특히 노즐의 오리피스 직경은 표준 온도와 압력 조건 (T = 20℃, P = 101 325 Pa)에서 "섬도" 장치 검정시 측정된다.

미세도 지수 (또는 섬도 값) 측정의 원리는, 다공성이고, 균일하며, 등방성 인 매질 (isotropic medium)의 투과성 측정을 기초로 하고, 기체상 유체는 층류 (laminar flow) 조건에서 이러한 다공성 매질을 통해 흐른다 (이 경우 평균 직경을 측정하고자 하는 섬유의 시험편).

측정의 원리는 Darcy의 법칙에 의해 지배된다.

v = Q/S = (K/μ) ×(△P/e) (1)

v: 유체의 속도 (m/s)

Q: 유체의 유량 (m³/s)

S: 유체가 수직으로 흐르는 시험편의 흐름 영역 (m²)

△P: 시험편의 차압 (N/m²)

e: 시험편의 두께 (m)

μ: 유체의 동 점성도 (N/m.s)

K: 투과성 (m²)

Kozeny와 Carman에 의해 실행된 연구는 계수 K가 다음 방식으로 표현될 수 있음을 밝혔다.

K = (1/j) ×{ε³/ (1-ε)²} ×{1 / (S_v)²} (2)

K: 투과성

j: 구조 인자

ε: 매질의 다공성 = 1 - {m / (ρ×S ×e)}

S_v: 비 표면적

M: 시험편의 질량

ρ: 시험편의 밀도

방정식 (1)과 (2)를 결합하고, 다음의 인자 (밀도, 다공성, 구조 인자, 첨가된 시험편의 양)를 일정하게 유지함으로써, 유량(Q)은 다음 방정식에 따라 비표면적의 제곱에 반비례해서 변한다.

Q = 1 / (S_v)²

본 발명에 따라 "섬도" 장치를 작동시키는 방법은 다음과 같다.

종래 기술의 섬유의 미세도를 측정하는 장치 (즉, 평균 직경이 실질적으로 3 내지 9㎛ 범위 이내인 섬유에 대해 "섬도" 값을 제공하도록 설계된 장치)를 이용하고, 기준 섬유의 시험편을 이용한 기준 장치에 대해 상기 장치를 검정한 후, 도 2에 도시된 곡선을 얻기 위해서, 측정 셀(2)은 그 미세도를 측정하고자 하는 섬유 적어도 5g으로 채워진다 (이러한 섬유는 결합제를 함유하지 않은 순수한 섬유이다).

측정 셀에 첨가된 섬유의 양이 중요하다는 사실을 주목해야만 한다. 특히 이러한 섬유가 초미세 섬유일 경우, 5g 미만의 (예를 들어, 3g) 섬유로는, 이 섬유가 측정 셀의 전체 부피를 차지하지 않고, 측정에 유일하게 영향을 미치는 셀 내에서 우선적인 흐름 영역이 생성되는 것으로 주목되었다. 따라서, 측정의 결과는 재현성이 없는 것으로 관찰되었다 (50% 이상의 편차를 갖는 결과).

실제, 섬유의 여러 양에 대해 실험적으로 시험이 수행되었고, 측정의 만족할만한 재현성을 얻기 위한 최적의 양은 적어도 5g의 섬유를 취하는 것으로 측정되었다.

측정 셀(2)은 순수한 섬유 5g로 채워지고, 섬유의 질량은 정밀 장치를 이용해서 측정되며 (실제 5.00 ±0.01g 범위 내에 있는 섬유의 질량), 이 섬유의 질량은 섬유화 장치 바로 뒤의 스쿠프(scoop)를 이용해서, 결합제를 부착하기 전 취해졌다.

측정 셀(2)은 원통형 챔버로, 그 특징적인 치수는 다음과 같고 (내경: 25.4mm, 높이: 25.4mm), 셀의 개구는 뚜껑(13)으로 밀폐된다.

다음 단계는, 섬유 시험편의 상류 단부와 하류 단부 사이의 정적인 차압을 조절하는 것이다. 설계에 의하면, 이 압력의 차이는 254 mmHg로 설정되어 있다.

본 발명에 따른 미세도를 측정하는 장치는 기체 흐름을 일으키는 장치와 연결되어 있고, 부피 유량계의 인디케이터를 이용해서 측정이 이루어진다.

도 2에는, 세 가지 종류의 잘 정의된 제품의 범위에 해당하는 {이러한 각각의 종류는 그 열 전도도 계수(λ)의 값을 특징으로 함} 여러 가지 섬유 제조 작업에 대해서, 본 발명의 주제를 형성하는 장치를 통해 얻어진 여러 섬도 값에 대한 열 전도도의 변화가 작성되어 있다.

따라서,

- 10 내지 11 kg/m³의 밀도(M_v)를 갖는 가벼운 권선 제품 (light wound product)(IBR)용 섬유,

- 15 내지 16 kg/m³의 밀도를 갖는, 덴스 롤 제품 (dense rolled product)이나 경량 패널 또는 파티션용 섬유,

- 마지막으로, 22 내지 23 kg/m³의 밀도를 갖는 덴스 패널 (dense panel)용 섬유가 정의된다.

표시하기 위해, 시험편 섬유의 이렇게 얻어진 섬도 값과 평균 직경 사이에는 대응 관계가 있음을 주목할 수 있다. 일반적으로, 약 12 l/min의 섬도 값은 2.5 내지 3㎛의 평균 직경에 해당하고, 13.5 l/min의 값은 약 3 내지 3.5㎛의 평균 직경에 해당하며, 마지막으로 18 l/min은 약 4 내지 5㎛에 해당한다. 이러한 세 가지 제품 범위에 대해, 섬도 값 (종래의 장치를 통해 얻어진)은 2.5 내지 3㎛의 평균 직경에 대해서는 얻어질 수 없고, 3 내지 3.5㎛의 평균 직경에 대해 약 2.7이며, 마지막으로 약 4 내지 5㎛에 대해서는 3이다.

물론, 평균 직경의 특징을 규정하고자 하는 섬유의 범위에 따라, 원하는 모든 섬유 제조 작업에 대해 같은 측정 단위 (l/min)를 얻기 위해, 미세도 (부피 유량계의 범위)를 측정하는 장치를 적합하게 조절할 수 있다.

따라서, 훨씬 더 미세한 섬유 (평균 직경이 약 1㎛ 미만인)에 대해서도, 재현성 있고 신뢰할만한 값 (즉, 약 1 l/min)을 얻기 위해 본 발명의 주제를 형성하는 장치를 이용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 초미세 섬유 (그 평균 직경은 3㎛ 미만)에 대한 섬도 값을 제공하도록 설계된 섬도 장치를 제공하는 것이다.

Claims

섬유의 "섬도(micronaire)" 값을 제공하도록 설계된, 광물 섬유의 미세도 지수 (fineness index) 측정 장치(1)로서,

상기 장치(1)는,

상기 미세도 지수를 측정하는 장치(device)(8)를 포함하고,

상기 미세도 지수를 측정하는 상기 장치(8)는, 한편, 복수의 섬유로 이루어진 시험편을 고정하도록 설계된 측정 셀 (measurement cell)(2)에 연결된 하나 또는 복수의 제 1 오리피스 (orifice)(3)와, 다른 한편, 상기 시험편의 어느 한 면의 차압 (differential pressure)을 측정하는 장치(5)에 연결된 제 2 오리피스(6)를 구비하며, 상기 차압을 측정하는 상기 장치(5)는 유체 흐름 (fluid flow)을 일으키는 장치(10)에 연결되도록 되어 있는, 광물 섬유의 미세도 지수 측정 장치에 있어서,

상기 미세도 지수를 측정하는 장치(8)는 상기 셀(2)을 통과하는 부피 유량 (volume flow rate)을 측정하는 하나 또는 복수의 유량계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광물 섬유의 미세도 지수 측정 장치.
제 1항에 있어서, 부피 유량계는 l/min 단위로 눈금이 새겨져 있는 것을 특징으로 하는, 광물 섬유의 미세도 지수 측정 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 오리피스(6)는 교정된 부재 (calibrated member)(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광물 섬유의 미세도 지수 측정 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 미세도 지수를 측정하는 장치(8)는 평균 직경의 특징을 규정하고자 하는 섬유의 평균 직경의 범위에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는, 광물 섬유의 미세도 지수 측정 장치.
제 1항 또는 제 2항에 기재된 장치를 이용해서 광물 섬유의 미세도를 측정하는 방법으로서,

- 측정 셀(2)은 섬유의 시험편으로 채워지고, 상기 시험편 내에서 기체의 우선적인 흐름이 일어나지 않도록 상기 시험편이 상기 측정 셀(2)의 전체 부피를 차지하는 방식으로 상기 시험편의 질량이 측정되고,

- 뚜껑(13)을 이용해서 상기 셀이 밀폐된 후, 상기 시험편의 상류 단부 (upstream end)와 하류 단부 (downstream end) 사이의 차압의 값이 조절되며,

- 측정 장치는 유체의 흐름을 일으키는 장치(10)에 연결되고,

- 부피 유량계를 이용해서 상기 측정이 수행되는

것을 특징으로 하는, 광물 섬유의 미세도 측정 방법.
제 5항에 있어서, 상기 측정 셀(2)의 전체 부피는 섬유 시험편으로 채워지고, 그 질량은 적어도 5g인 것을 특징으로 하는, 광물 섬유의 미세도 측정 방법.
제 5항에 있어서, 값이 254 mmHg인 차압이 가해지는 것을 특징으로 하는, 광물 섬유의 미세도 측정 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 미세한 단열 섬유에 대한 미세도 지수를 측정하기 위해 사용되는, 광물 섬유의 미세도 지수 측정 장치.
제 5항에 있어서, 미세한 단열 섬유에 대한 미세도 지수를 측정하기 위해 사용되는, 광물 섬유의 미세도 측정 방법.