KR101732407B1

KR101732407B1 - 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물 및 그로부터 제조된 미네랄울 섬유

Info

Publication number: KR101732407B1
Application number: KR1020150097009A
Authority: KR
Inventors: 김진열; 이남수; 송민욱; 단정현
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2017-05-08
Also published as: KR20170007566A

Abstract

본 발명은 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물 및 그로부터 제조된 미네랄울 섬유에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 성분 함량을 조절하여 분진 발생률을 줄이고 섬유상의 따가움 현상을 감소시킬 뿐만 아니라 기존 미네랄울과 동일한 내열, 단열, 불연성능과 낮은 열전도율 등을 확보할 수 있는 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물 및 그로부터 제조된 미네랄울 섬유에 관한 것이다.

Description

저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물 및 그로부터 제조된 미네랄울 섬유 {Composition for preparing low dust mineral wool fiber and mineral wool fiber prepared therefrom}

본 발명은 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물 및 그로부터 제조된 미네랄울 섬유에 관한 것이다.

미네랄울은 통상적으로 높은 내열성과 내수성, 낮은 열전도율 등의 특성을 갖는다. 따라서 화재와 같은 고온의 상황에서 미네랄울은 단열재로서 열의 확산을 막아주는 역할을 하며, 내열성 및 낮은 열전도율로 인해 단열에 필요한 에너지를 절약할 수 있게 한다. 또한 외부 수분이 미네랄울 내부로 침투했을 경우 가장 중요한 물성인 단열성이 떨어질 수 있으므로, 외부의 수분을 얼마나 효과적으로 차단할 수 있는 지 여부도 중요한 물성 중의 하나이다.

그러나, 미네랄울의 섬유경은 4 내지 6 ㎛로 매우 작기 때문에 가공하거나 시공할 때 분진이 발생할 수 있고 작업자들에게 따가움을 유발하는 문제점이 있어 이를 개선하기 위해 많은 연구를 진행하고 있다.

한국 특허출원 제2013-0006042호에는 목모섬유와 시멘트가 무기계 바인더에 의해 결합된 목모보드의 일면에 미네랄울 및 글라스 페이퍼를 결합시켜 미네랄울의 분진 발생을 억제하는 기술이 개시된 바 있으나, 별도의 내장재를 결합하여 판넬을 제조하는 공정을 요구하기 때문에 추가적인 작업이 소요되고, 미네랄울을 단독으로 사용하는 경우 종래의 문제점이 여전히 존재한다.

따라서 종래의 유리한 특성을 유지하고 미네랄울 단독으로 사용하면서, 분진 및 따가움의 문제를 해결하여 미네랄울의 품질과 작업성 등을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구된다.

본 발명은 조성물의 성분 함량을 조절하여 분진 발생률을 줄이고 섬유상의 따가움 현상을 감소시킬 뿐만 아니라 기존 미네랄울과 동일한 내열, 단열, 불연성능과 낮은 열전도율 등을 확보할 수 있는 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물 및 그로부터 제조된 미네랄울 섬유를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명의 조성물은 조성물 총 중량에 대해 SiO₂ 40 내지 45 중량%, Al₂O₃ 12 내지 16 중량%, FeO 4.0 내지 9.5 중량%, Fe₂O₃ 0.1 내지 3.0 중량%, CaO 18 내지 23 중량%, MgO 7 내지 12 중량% 및 알칼리금속 산화물 1 내지 5 중량%를 포함한다.

본 발명의 미네랄울 섬유는 상기 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물로 제조된다.

본 발명의 단열재 제품은 상기 미네랄울 섬유를 포함한다.

본 발명에 따르면, 기존의 미네랄울과 동일한 수준의 내열성, 단열성, 불연성, 낮은 열전도율을 확보함과 동시에, 따가움 현상이 개선되고 분진율이 낮은 미네랄울을 제공하여 무기섬유 단열재로 적합하게 사용될 수 있으며, 기존의 미네랄울 섬유 제조 공정 및 섬유화 장치를 사용하여 본 발명의 미네랄울 섬유를 생산할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물은 조성물 총 중량에 대해 SiO₂ 40 내지 45 중량%, Al₂O₃ 12 내지 16 중량%, FeO 4.0 내지 9.5 중량%, Fe₂O₃ 0.1 내지 3.0 중량%, CaO 18 내지 23 중량%, MgO 7 내지 12 중량% 및 알칼리금속 산화물 1 내지 5 중량%를 포함한다.

본 발명의 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물은 상기와 같이 성분 함량을 특정함으로써 종래의 미네랄울 섬유가 갖는 내열성, 단열성, 불연성, 낮은 열전도율 등의 특성을 가짐과 동시에, 분진 발생률이 낮고 따가움 현상이 개선된 미네랄울 섬유를 제공할 수 있으며, 상기 미네랄울 섬유를 포함하는 다양한 단열재 제품을 제공할 수 있다.

본 발명의 조성물에 사용되는 SiO₂(이산화규소)는 미네랄울 섬유의 기본 구조를 형성하는 망목형성산화물로서, 조성물 총 중량에 대해 40 내지 45 중량%, 예컨대 42 내지 45 중량%가 포함될 수 있다. SiO₂의 함량이 너무 작은 경우 미네랄울 섬유의 내열성이 저하되어 선수축율이 증가하고 shot(미섬유화 물질)의 함량 및 분진율이 상승할 수 있으며, 반대로 함량이 너무 큰 경우 미섬유화 물질의 함량 및 분진율이 상승하는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 조성물에 사용되는 Al₂O₃은 미네랄울 섬유의 내열성 및 내수성을 향상시키는 기능을 하는 중간 산화물(Intermediate oxide)로서, 조성물 총 중량에 대해 12 내지 16 중량%, 예컨대 14 내지 16 중량%가 포함될 수 있다. Al₂O₃의 함량이 너무 작은 경우 선수축율이 증가할 수 있고, 반대로 함량이 너무 큰 경우 분진율이 증가할 수 있다.

본 발명의 조성물에 사용되는 산화철은 FeO와 Fe₂O₃로서 미네랄울 섬유의 내열성 및 선수축율에 영항을 주며, 조성물 총 중량에 대해 FeO 4.0 내지 9.5 중량%, 예컨대 4.5 내지 8.5 중량%와, Fe₂O₃ 0.1 내지 3.0 중량%, 예컨대 0.1 내지 2.5 중량%가 포함될 수 있다. 산화철의 함량이 너무 작은 경우 미네랄울 섬유의 선수축율이 증가할 수 있고, 반대로 함량이 너무 큰 경우 섬유 제조 설비에 과부하를 주게 되어 내구성을 떨어뜨리는 문제가 발생한다.

본 발명의 조성물에 사용되는 CaO 및 MgO는 미네랄울 섬유의 염용해성을 향상시키고, 유리 용융물의 점도를 감소시키며, 화학적 내구성을 향상시키는 수식산화물로서, 조성물 총 중량에 대해 CaO 18 내지 23 중량%, 예컨대 18.5 내지 23 중량% 및 MgO 7 내지 12 중량%, 예컨대 8 내지 10 중량%가 포함될 수 있다. CaO 및 MgO 각각의 함량이 너무 작은 경우 미네랄울 섬유의 분진율이 증가할 수 있고, 반대로 함량이 너무 큰 경우 결정화 온도와 섬유화 온도의 차이가 감소하여 섬유화시 결정 발생 가능성이 증가하며, 이는 곧 shot 함량 증가 등 섬유품질의 악화를 야기시킨다.

본 발명의 조성물에 사용되는 알칼리금속 산화물은 또 다른 수식 산화물로서 유리의 비가교 산소를 생성시켜 용융시 용융을 원활하게 이루어지도록 하고, 염용해성을 향상시키는 기능을 하며, 특별히 한정하지 않으나, 알칼리금속 산화물은 산화나트륨(Na₂O), 산화칼륨(K₂O) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 알칼리금속 산화물의 함량은 조성물 총 중량에 대해 1 내지 5 중량%, 예컨대 2.5 내지 3 중량%일 수 있는데, 함량이 너무 작은 경우 용융이 어려워져 용융에너지가 많이 소모될 뿐만 아니라 용융 점도가 높아져서 섬유 유연성이 떨어지고 미섬유화 입자의 발생 가능성이 높아지게 되고, 반대로 함량이 너무 큰 경우 내수성을 악화시키며, 고온안정성 또한 저하될 수 있다.

본 발명에 따른 미네랄울 섬유 제조용 조성물을 제조하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 상기한 성분들을 상기 함량범위로 사용하여 통상의 미네랄울 섬유용 조성물을 제조하는 방법에 의해 제조가능하다. 예컨대 전기 용융공법과 같은 방법으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 흑연전극봉(Graphite Electrode)를 사용하는 전기저항방식의 전기로를 사용하거나 송풍구(Tuyere)를 통해 Hot Air를 공급하고 로 내부 코크스(cokes)를 열원으로 사용하는 큐폴라 방식으로 제조될 수 있다.

본 발명의 미네랄울 섬유 제조용 조성물을 섬유화하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 종래의 섬유화 방법, 예컨대 블로잉법 또는 스피닝법을 적용할 수 있고, 또한 일반적으로 사용하는 외부 원심력 장비(스피너)를 적용할 수 있다. 이러한 섬유화 방법을 적용하는데 있어 섬유 제조용 조성물에 요구되는 점도범위는 20 내지 100 포아즈 (poise)일 수 있다. 용융물의 점도는 온도와 해당 조성의 함수로서, 동일 조성을 가지는 용융물의 점도는 온도에 의존하게 된다. 섬유화시 용융액의 온도가 높을 경우 점도가 낮아지고 반대로 섬유화 온도가 낮을 경우에는 점도가 높아지게 되어 섬유화에 영향을 준다. 만일, 섬유화 온도에서 섬유조성물의 점도가 너무 낮을 경우 생성된 섬유의 길이가 짧고 가늘 뿐만 아니라 미세한 미섬유화 입자(shot)가 많이 생성되어 섬유화 수율이 낮아지고, 또한 점도가 너무 높을 경우에도 섬유의 직경이 큰 섬유가 형성되고 굵은 미섬유화 입자(shot)가 증가하는 문제가 발생한다.

본 발명의 미네랄울 섬유는 상기와 같은 성분 함량을 가짐으로써 섬유 분진율, 선수축율 등을 개선시킴과 동시에, 기존의 미네랄울과 동일한 수준의 내열성, 단열성, 불연성, 낮은 열전도율을 확보할 수 있다.

특별히 한정하지 않으나, 본 발명의 미네랄울 섬유는 섬유 분진율이 1.0% 이하일 수 있고, 선수축율은 3.0% 이하, 예컨대 2.8% 이하, 예컨대 2.6% 이하일 수 있다. 또한, 미섬유화 물질(shot) 함량은 24%이하일 수 있다.

본 발명의 단열재 제품은 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 미네랄울 섬유를 포함한다. 단열재 제품의 구체적인 형태에는 특별한 제한이 없으며, 예컨대 판상, 보드, 블랭킷, 파이프 커버, 또는 그 외의 다른 형태가 모두 가능하며, 예컨대 선박용 단열재로 사용될 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 1 내지 4]

삼상 흑연 전극봉을 이용한 전기 통전 방식의 용융공법 (실시예 1 및 2) 또는 Tuyere를 통해 Hot Air를 공급하고 로 내부 cokes를 용융시켜 열원으로 사용하는 큐폴라 방식(실시예 3 및 4)으로 하기 표 1의 조성을 갖는 실시예 1 내지 4의 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물을 기존의 미네랄울 제조용 스피닝 공정(용융물을 원심회전하는 디스크 형태의 스피너 표면에 떨어뜨려 섬유를 인장시키고, 동시에 후면에서 고압의 에어를 분사하여 섬유를 세섬유화시키는 방식)으로 미네랄울 섬유를 제조하였다. 각 성분의 함량 분석은 고주파 유도 결합 플라스마(ICP, inductively coupled plasma) 방법으로 측정하였고, 각 물성은 하기의 방법으로 측정하여 표 1에 나타내었다.

Redox 값

500ml 비이커에 약 300ml 의 물을 넣고 끓인 뒤, CO₂를 축출한 후 냉각시켰다. 여기에 황산(1:1) 10ml와 붕산포화용액 10ml를 가하여 시험용 용액으로 사용하였다. 미네랄울 용융물을 응고시켜 입도 약50㎛ 이하로 잘게 분쇄한 분말 시료 0.2~0.5g을 밀폐 가능한 플라스틱 비이커에 취하여 위의 시험용 용액(10ml)으로 적시고, 황산(1:1)과 불산을 같은 양(10ml)으로 혼합한 용액을 가한 다음 교반시켰다. 분말 시료가 완전히 분해된 후, 포화붕산수를 과잉으로 가한 용액을 분석용 시료로 하였다. 이 분석용 시료에 Reinhard Zimmermann solution 10ml를 가하고, 1/50-N KMnO4 solution으로 적정하였다. 담홍색이 30초간 없어지지 않는 점을 종말점(end point)으로 하였다. Blank 시험도 병행 실시한 후, 다음의 식으로부터 Redox값을 계산하였다. 이 때, FeO와 Fe₂O₃의 총합인 전체 철분의 함량은 ICP 분석을 통하여 구한 값을 적용하였다.

가열 선수축율

제조된 미네랄울로 패드(pad)를 제작하여 Hot Furnace Method 방식으로 측정하였다. 일정 규격의 패드를 제조한 뒤, 50*50mm 크기로 절단하고, 절단된 패드의 가로와 세로길이를 버니어캘리퍼스를 이용하여 측정하였다. 그 다음 elevator furnace를 1,000℃로 설정하고, elevator furnace가 설정된 온도에 도달하면 패드를 elevator furnace에 넣고 1시간 유지시켰다. 1시간 뒤에 패드를 빼내어 가로와 세로를 측정한 뒤, 다음의 식으로부터 선수축율을 계산하였다.

열전도율

제조된 미네랄울 섬유를 판상으로 성형하여 샘플(300x300x20mm)을 제작하였다. 이 샘플에 대해, 평균 온도 20℃, 상판과 하판의 온도차이를 28℃로 하여 평판열류계(Heat Flow Meter) 방식으로 최종 수렴하는 열전도율을 측정하였다.

분진율

제조된 미네랄울 섬유를 판상(300x300x20mm)으로 성형하여 이를 4등분 한 후 무게(W1)를 측정한다. 샘플을 10 mesh 체에 올려 쉐이커에서 10분간 흔든 후의 무게(W2)를 측정하여 아래와 같이 분진율을 측정하였다.

분진율(%) = [(W1-W2)/W1] x100

[ 비교예 1 내지 6]

하기 표 2의 조성을 갖는 비교예 1 내지 4의 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 미네랄울 섬유를 제조하였다. 제조된 미네랄울 섬유의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조성물로 제조된 미네랄울 섬유는 분진율이 1.0% 이하, 선수축율이 3% 이하이고, 미섬유화 물질(shot) 함량이 24% 이하로서, 따가움 발생 문제 및 분진율이 현저하게 개선되었으며, 기존과 동등한 수준의 열 전도율을 확보할 수 있음을 확인하였다.

이에 반해 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, SiO₂의 함량이 너무 크거나 작은 비교예 1 및 2에서는 선수축율이 증가하거나, shot 함량의 증가 및 분진율 상승이 초래되었고, 산화철 함량이 작은 비교예 3에서는 선수축율이 크게 증가하였다. 또한, 비교예 4 내지 6에서 MgO 또는 Al₂O₃의 함량이 청구범위의 수치를 벗어나는 경우 분진율 또는 선수축율이 증가하였다.

따라서, 본 발명의 미네랄울 섬유는 기존의 미네랄울과 동일한 수준의 내열성, 단열성, 불연성, 낮은 열전도율을 확보함과 동시에, 따가움 현상 및 분진율이 개선되어 무기섬유 단열재로 적합하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims

조성물 총 중량에 대해 SiO₂ 40 내지 45 중량%, Al₂O₃ 12 내지 16 중량%, FeO 4.0 내지 9.5 중량%, Fe₂O₃ 0.1 내지 3.0 중량%, CaO 18 내지 23 중량%, MgO 7 내지 12 중량% 및 알칼리금속 산화물 1 내지 5 중량%를 포함하고, 섬유 분진율이 1.0% 이하인 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물.
제1항의 저분진 미네랄울 섬유 제조용 조성물로 제조된 미네랄울 섬유.
삭제
제2항에 있어서, 선수축율이 3.0% 이하인 미네랄울 섬유.
제2항에 있어서, 미섬유화 물질 함량이 24% 이하인 미네랄울 섬유.