KR20060133483A - 암면 섬유의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 섬유 지름의 제어가 가능하고, 감아들임 공정에서 절단되지 않는 암면 장섬유를 제조하는 것이다. 또 현무암 원석에 대하여 그물코 형상 형성체, 유리 수식체를 형성·유지하여 암면 섬유의 결정화 및 고착을 억제하는 것 및 암면 섬유의 내열성을 종래의 750℃에서 850 ∼ 900℃까지 대폭으로 향상시키고, 또한 종래품과 비교하여 대폭적인 저비용화를 달성하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 현무암을 원료로 하여 그 현무암을 분쇄하는 공정과, 그 분쇄물을 세정하는 공정과, 그 세정물을 용융하는 공정과, 그 용융물을 섬유화하는 공정과, 그 섬유를 가지런히 뽑아 감아들이는 공정으로 이루어지고, 그 용융하는 공정에서의 용융물의 온도가 1400℃ 내지 1650℃ 이고, 또한 용융물의 점도를 η라 하면, logη가 2.15 ∼ 2.35 dPa·s, 더욱 바람직하게는 2.2 ∼ 2.3 dPa·s 인 것을 특징으로 하는 암면 장섬유의 제조방법.

Description

암면 섬유의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING BASALT FIBER}
도 1은 본 발명의 암면 장섬유 제조의 각 공정의 개략을 나타내는 도이다.
본 발명은 흡음특성과 내열성이 뛰어 난 암면(basalt) 섬유의 제조방법 및 제조된 암면 장섬유, 또한 암면 장섬유의 제조장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 자동차용 머플러 등에 적합하게 사용되는 흡음특성과 내열성이 뛰어남과 동시에 저렴한 내열성 암면 장섬유에 관한 것이다.
자동차용 머플러는, 배기음을 흡수하기 위한 부품으로, 그 흡음재로서 현재 유리섬유가 사용되고 있다. 그러나 최근의 자동차 엔진의 에너지 절약화 및 배기가스 규제에 따라 엔진 온도가 상승하고, 그 결과 배기가스 온도도 머플러부에서 800℃ 이상이 된다. 그 때문에 머플러에 사용되는 흡음재의 고내열성화(850 ∼ 900℃에 대응)가 급선무로 되어 있다.
내열성 유리섬유로서는, E 유리의 섬유를 산처리한 것이 알려져 있다. 이것은 조성이 SiO2 50 ∼ 63 중량%, Al2O3 12 ∼ 16 중량%, 암면 장섬유2O3 8 ∼13 중 량%, CaO + MgO 15 ∼ 20 중량%, Na2O + K2O 미량인 일반적인 E 유리섬유를, 예를 들면 농도 9 ∼ 12 중량%의 염산을 사용하여 40 ~ 70℃의 온도에서 약 30분∼수시간, 침지처리함으로써 표층부를 SiO2 함유율 80 중량% 이상의 실리카질 유리로 하여 내열성을 부여한 것이다.
이 산처리 E 유리섬유는, 방사 온도와 액상 온도의 차가 커서 방사가 용이하고, 또한 저렴한 등의 장점을 가지고 있으나, 배기가스 온도가 700℃ 이상인 머플러부에서의 흡음재용으로서는 내열성이 불충분하여 사용하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이 때문에 상기 흡음재용으로서 내열성이 높은 S 유리섬유의 사용을 생각할 수 있으나, 이 S 유리는 매우 고가이다.
따라서 하기 특허문헌 1에는 배기가스 온도가 800℃ 이상인 자동차 머플러부에서의 흡음재 등으로서 적합한 내열성 유리섬유로서, 섬유 전체로서 실질상 중량% 로 SiO2 56 ∼ 58. 5%, Al2O3 12 ∼ 17%, CaO 16 ∼ 27%, MgO 1 ∼ 9%, Na2O 0 ∼ 1%, K2O 0 ∼ 1%를 함유하고, B2O3 및 F2를 함유하지 않는 유리조성을 가지고, 또한 표층부가 SiO2 함유율 90중량% 이상의 실리카질 유리로 이루어지는 내열성 유리섬유 및 상기 조성을 가지는 유리섬유의 표면을 광물산으로 산처리한 상기 내열성 유리섬유가 개시되어 있다.
한편, 천연의 현무암 원석을 원료로 한 암면 장섬유는, 종래의 유리 장섬유와 비교하여 매우 저렴하다. 그러나 약 750℃ 내지 약 900℃의 고온에서 사용하면 유리성분으로부터 결정상이 생성되어 가요성의 소실, 결정층과 유리층 계면에서의 박리 등의 문제가 발생한다는 문제가 있었다.
즉, 하기 (1) ∼ (5)와 같은 문제점이 있었다.
(1) SiO2, Al2O3, CaO를 주성분으로 하는 시판의 유리섬유는 배기계의 고온(약800℃)가스에 노출되면 흡음특성·내구성에 문제가 발생한다.
(2) SiO2, Al2O3, MgO를 주성분으로 하는 시판의 유리섬유는 배기계의 고온(약 830℃)가스에 노출되면 흡음특성·내구성에 문제가 발생한다.
(3) 시판의 유리 장섬유는 고비용이다.
(4) 상기 (1)∼(3)을 해결하기 위하여 천연원료를 사용한 암면 섬유의 적용이 검토되고 있다. 대표예로서 Al2O3량은 대략 동일한 정도이나 SiO2량이 많은 원석[고온도용(A)]과, SiO2량이 적은 원석[중간 온도용(B)]의 2종의 암면 섬유가 조성도 안정되고 대량으로 입수 가능하다. 원석(A)을 원료로 한 암면 섬유는 섬유화는 가능하나, 750℃ 이상의 온도영역에서 내열성에 문제가 있고, 원석(B)을 사용한 경우는 섬유의 양산시의 에너지비가 상승한다.
(5) 이상에 의하여 고내열성·저비용·고내구성을 만족하는 흡음용 유리섬유나 자동차용 단열 부품 재료를 입수할 수 없다.
또한 하기 특허문헌 2에는 암면 섬유를 수지에 첨가하여 자동차용 내장재로 하는 발명이 개시되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2001-206733호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2001-315588호 공보
본 발명의 발명자들이 연구한 결과, 천연의 현무암 원석을 원료로 한 암면 장섬유를 사용하면, 상기한 문제점·과제가 발생하는 이유는, 하기 (1)∼(4) 에 있는 것이 밝혀졌다.
(1) 완전한 유리상으로부터 일부 결정화가 진행되고, 또한 Ca-Si-O 계의 저융점 결정상의 생성에 의하여 섬유끼리가 고착되기 때문에 외관상의 섬유 지름이 단섬유 지름의 수배가 되어 고화되기 때문에 가용성을 잃는다.
(2) 완전한 유리상으로부터 모두 결정상만이 되어 가요성을 잃는다.
(3) 시판 유리섬유는 유리의 그물코 형성체(Network Former)와 그물코 수식체(Network Modfier)가 되는 산화물 원료를 소정의 조성이 되도록 혼합하고 나서 고온에서 용융시키기 때문에, 원료 비대, 혼분공정을 요하는 원료의 용융온도가 높은 등의 이유로부터 제조비용이 비싸다.
(4) 암면 섬유는 천연원료를 사용하기 때문에 제조비용은 시중의 유리섬유와 비교하여 낮다. 그러나 원석[중간 온도용(B))은 SiO2가 적기 때문에 고온 용융물의 점성이 낮아, 20 ㎛ 이하의 섬유 지름을 가지는 장섬유의 제조가 가능하나, 750℃ 이상에서 유리상이 결정화되기 때문에 내열성이 뒤떨어진다. 한편 원석[고온도용(A)]은 약 850℃에서 결정화는 일부 진행되나, 유리상도 잔존하기 때문에 고내열 성이나, 고온의 점성이 높고, 양산시에 있어서 용융 온도를 높게 할 필요가 있어, 그 결과 에너지비의 증대가 된다.
따라서 현무암 원석에 대하여 그물코형상 형성체, 유리 수식체를 형성·유지하여 암면 섬유의 결정화 및 고착을 억제하는 것 및 암면 섬유의 내열성을 종래의 750℃에서 850 ∼ 900℃까지 대폭으로 향상시키고, 또한 종래품과 비교하여 대폭적인 저비용화를 달성하는 것이 필요하다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하도록 현무암 원료를 사용한 암면 장섬유의 제조방법을 확립하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 현무암 원석에 대하여 그 용융조건을 선정함으로써 내열성이 뛰어 난 암면 장섬유를 제조할 수 있는 것을 발견하고 본 발명에 도달하였다. 동시에 현무암 원석에 대하여, 그물코형상 형성체, 유리 수식체가 되는 산화물의 선정과 그 첨가량의 최적화에 의하여 결정화 및 고착을 억제할 수 있음과 동시에, 내열성을 대폭으로 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다.
즉, 제 1로 본 발명은 암면 장섬유의 제조방법의 발명으로, 현무암을 원료로 하여 그 현무암을 분쇄하는 공정과, 그 분쇄물을 세정하는 공정과, 그 세정물을 용융하는 공정과, 그 용융물을 섬유화하는 공정과, 그 섬유를 가지런하게 뽑아 감아들이는 공정으로 이루어지고, 그 용융하는 공정에서의 용융물의 온도가 1400 ∼ 1650℃이고, 또한 용융물의 점도를 η이라 하면 logη가 2.15 ∼ 2.35 dPa·s, 더 욱 바람직하게는 2.2 ∼ 2.3 dPa·s인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 용융조건에 의하여 섬유 지름의 제어와 가지런하게 뽑는 공정과 감아들임 공정에서 절단되지 않는 암면 장섬유의 제조가 가능해졌다.
상기한 바와 같이 용융하는 공정에서의 용융물의 온도는 1430 ∼ 1610℃이나, 바람직하게는 1530 ∼ 1550℃이다.
상기 현무암 원료로서는, (1) Al2O3량은 대략 같은 정도이나, SiO2량이 많은 원석[고온도용 현무암(A)], (2) Al2O3량은 대략 같은 정도이나 SiO2량이 적은 원석[중간 온도용 현무암(B)] 및 (3) 상기 고온도용 현무암 원석(A)과 상기 중간 온도용 현무암 원석(B)의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 2에 기재된 암면 장섬유의 제조방법.
본 발명에 있어서는 상기 현무암 원료에 Al2O3, SiO2, CaO, MgO에서 선택되는 산화물의 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 산화물의 최적 첨가량은 하기(1) ∼ (3)과 같다.
(1) 상기 산화물의 첨가가 1 성분이고, 그 첨가량이 상기 현무암 100 wt% 에 대하여 외부 첨가로 1.0 ∼ 40 wt%, 바람직하게는 10 ∼ 30 wt% 이다.
(2) 상기 산화물이 2 성분이고, 그 첨가량의 합계가, 상기 현무암 100 wt% 에 대하여 외부 첨가로 1.0 ∼ 70 wt%, 바람직하게는 10 ∼ 60 wt% 이다.
(3) 상기 산화물이 3 성분 이상이고, 그 첨가량의 합계가, 상기 현무암 100 wt% 에 대하여 외부 첨가로 1.0 ∼ 60 wt%, 바람직하게는 10 ∼ 50 wt% 이다.
본 발명에 있어서는 상기 용융물을 섬유화하는 공정에서, 소정의 온도에서 완전 용융시킨 용융물을 백금 부시 바닥부가 설치된 구멍으로부터 낙하하는 용융물을 섬유화하여 감아들이는 속도로 섬유 지름을 조정하는 것이 가능하다.
제 2로, 본 발명은 상기한 방법으로 제조된 암면 장섬유 자체이다.
제 3으로, 본 발명은 상기한 암면 섬유 재료로 이루어지는 내열성 흡음재료이다.
제 4로, 본 발명은 상기한 암면 섬유 재료를 내열성 흡음재료로서 구비한 머플러이다.
제 5로, 본 발명은 현무암을 원료로 하는 암면 장섬유의 제조장치의 발명으로서, 현무암을 분쇄하여 그 분쇄물을 세정한 원료를 투입하는 호퍼(hopper)와, 가열수단에 의하여 상기 세정물을 용융하는 노와, 상기 용융물을 섬유화하는 바닥부에 다수의 구멍을 설치한 백금 부시와, 상기 섬유를 가지런하게 뽑아 감아들이는 권취기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 암면 섬유의 원료인 현무암(basalt 원석)은, 화성암의 1종이며, 주된 구성 광물로서는, (1) 사장석 : Na(AlSi3O8) - Ca(Al2SiO8), (2) 휘석 : (Ca, Mg, Fe2+, Fe3+, Al, Ti)2 [(Si, Al)2O6], (3) 감람석 : (Fe, Mg)2SiO4이다. 우크라이나산의 것이 저렴하고 양질이다.
고온도용 현무암 원석[원석(고온도용)], 중간 온도용 현무암 원석[원석(중간 온도용)] 및 원석(고온도용) 85%/원석(중간 온도용) 15%로 이루어지는 유리의, ICP(고주파 플라즈마 발광 분석석장치 ; 시마즈제작소 ICPV-8100)분석에 의한 원소비(wt%) 및 산화물 환산의 조성비(wt%)의 예는 하기 표 1 및 표 2와 같다.
Figure 112006042873565-PAT00001
도 1에 본 발명의 암면 장섬유 제조의 각 공정의 개략을 나타낸다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 먼저 원료가 되는 현무암은 소정의 입도로 분쇄된다. 다음에 상기 분쇄물은 세정되어 용융로의 원료 투입 호퍼에 투입된다. 상기 용융로는 가스 및 /또는 전기로이고, 주위를 단열 노재로 둘러 쌈과 동시에, 원료를 표면으로부터 버너가열하여 용융시킨다. 그 용융물은 바닥부에 다수의 구멍을 가지는 백금 부시를 통과하여 섬유화된다. 상기 섬유화 현무암은 섬유 권취기에 의하여 가지런하게 뽑아져 감아 들여진다.
도 1에 본 발명에서 사용되는 암면 장섬유 제조장치의 개략도를 나타내었다. 본 장치의 용융로의 특징은, (1) 단독 노 인것, (2) 1 노에 대하여 1 부싱인 것, (3) 배치로(batch爐)적인 사고방식으로, 현무암 투입구 → 노 → 부싱 → 감아들임을 단독으로 행하는 것에 있다. 본 장치에 의하여
(1) 노의 개수(改修)를 하는 경우에 어느 일부의 생산을 정지한다는 대응이 가능하다. 예를 들면 복수의 노가 존재하면 정기적으로 노를 개수하고, 또한 생산을 계속하는 것이 가능하다.
(2) 적은 로트의 생산에도 대응이 가능하고, 또한 원료재질이 다른 것을 생산하는 것이 가능하다.
라는 장점이 있다.
현무암 원료를 전기로 또는 가스로에서 소정 온도에서 완전한 용융물로 하여, 이 용융물을 백금 부시 바닥부로부터 소정의 속도로 잡아 당겨 수 ㎛∼수십 ㎛ 레벨의 섬유 지름의 장섬유로 한다. 특히 흡음재료로서 사용할 때에는 15∼20 ㎛가 바람직하다. 암면 장섬유의 섬유 지름을 제어하기 위해서는 용융물의 조성, 용융물의 온도, 소정 온도에서의 용융물의 고온 점성, 백금 부시의 바닥부에 설치한 구멍의 크기, 구멍의 형상, 구멍의 배치 등의 여러가지 인자가 있고, 또한 중요한 인자는 섬유 화시의 인장력의 제어이다. 통상은 도 1의 개념도에 나타낸 섬유의 권취장치의 감아들임 속도로, 즉 회전 속도로 제어한다. 또 장섬유로 하기 위해서는 감아들임시에 섬유가 절단되지 않는 것이 불가결하고, 섬유의 절단을 방지하는 인자도 상기한 섬유지름을 결정하는 인자의 최적화가 중요하다. 이와 같이 본 발명에서는 수십 ㎛ 지름의 섬유를 절단하지 않고 장섬유로 하는 것이 포인트이다.
현무암계 원료를 사용한 암면 장섬유의 제조방법은 용융물의 온도, 점성이 키테크이다. 고온에서의 용융물의 점성을 정확하게 측정하여 원료조성에 따라 최적의 점성이 얻어지도록 제어하는 것이 불가결하다. 여기서 용융물의 고온 점성의 평가법으로서는 유리의 점성 측정(시료 인하법)을 사용한다. 시료 인하법의 원리는 유리 용융체 중에서 Pt 구체가 등속운동하면 점성은 스토크스(Stokes)의 법칙으로부터
η = GW/v
이 된다. 여기서 G = 장치 정수, W = 부하 하중, v = Pt 도가니의 인하 속도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타낸다.
[실시예]
도 1에 나타내는 장섬유의 제조장치를 사용하여 현무암계의 여러가지의 원료를 사용하여 장섬유를 제조하였다. 사용한 현무암은, (1) 현무암[고온도용(A)], (2)현무암[중간 온도용(B)], (3) 현무암[고온도용(A)]에 1 성분, 2 성분, 3 성분계 산화물을 첨가한 현무암 원료, (4) 현무암[고온도용(A)] 및 현무암[중간 온도용(B)]의 혼합 현무암을 원료, (5) 현무암[고온도용(A)] 및 현무암[중간 온도용(B)]의 혼합 현무암에 다른 산화물을 첨가한 원료이다. 이들 원료를 호퍼로부터 투입하여 가스로에서 소정 온도로 유지한 노내에서 용융시킨다. 현무암의 크기는 수 mm ∼ 수십 mm 또는 ㎛∼수 ㎛의 것으로 좋다. 원료의 투입속도와 백금 부시로부터 섬유로서 인출하는 양을 일정하게 하고, 용융물의 액면을 항상 일정하게 할 필요가 있다. 단열 노재는 여러가지 조성의 것으로 좋다. 단 용융물과의 반응이나 용융물에 의한 부식이 적은 재료를 사용하는 것이 필요하다. 혼합 원료를 사용하는 경우는 미리 혼합한 것, 또는 복수의 호퍼를 사용하여 소정 조성이 되도록 분할 투입하여도 상관없다. 얻어진 섬유의 외관, 형태를 관찰한 바, 갈색을 띤 투명한 장섬유이었다.
본 발명의 용융조건에 의하여 섬유 지름의 제어가 가능해진 것에 더하여 가지런하게 뽑는 공정과 감아들임 공정에서 절단되지 않는 암면 장섬유의 제조가 가능해졌다. 또 본 발명에 의하여 암면 섬유의 결정화 및 고착을 억제할 수 있음과 동시에, 내열성을 대폭으로 향상시킬 수 있었다. 그 결과, 머플러 등에 최적의 내열성흡음재료를 저렴하게 제공할 수 있다.
본 발명의 용융조건에 의하여 섬유 지름의 제어가 가능하고, 감아들임 공정에서 절단되지 않는 암면 장섬유를 제조하는 것이 가능해졌다.
또, 본 발명에서는 현무암 원석에 대하여, 그물코형상 형성체, 유리 수식체가 되는 산화물의 선정과 그 첨가량의 최적화 및 함유하는 원소량이 다른 2종의 현무암인 Al2O3량은 대략 같은 정도이나 SiO2량이 많은 원석[고온도용(A)]과, SiO2량이 적은 원석[중간 온도용(B)]의 2종의 현무암 원석쪽을 원료로 함으로써 암면 섬유의 결정화 및 고착을 억제할 수 있음과 동시에, 내열성을 대폭으로 향상시킬 수 있었다.

Claims (9)

  1. 현무암을 원료로 하여, 상기 현무암을 분쇄하는 공정과, 상기 분쇄물을 세정하는 공정과, 상기 세정물을 용융하는 공정과, 상기 용융물을 섬유화하는 공정과, 상기 섬유를 가지런하게 뽑아 감아들이는 공정으로 이루어지고, 상기 용융하는 공정에서의 용융물의 온도가 1400∼1650℃이고, 또한 용융물의 점도를 η이라 하면 logη가 2.15∼2.35 dPa·s 인 것을 특징으로 하는 암면 장섬유의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 용융하는 공정에서의 용융물의 온도가 1530∼1550℃인 것을 특징으로 하는 암면 장섬유의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 현무암 원료가, (1) Al2O3량은 같은 정도이나, SiO2량이 많은 원석[고온도용 현무암(A)], (2) Al2O3량은 같은 정도이나 SiO2량이 적은 원석[중간 온도용 현무암(B)] 및 (3) 상기 고온도용 현무암 원석(A)과 상기 중간 온도용 현무암 원석(B)의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 암면 장섬유의 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 현무암 원료에 Al2O3, SiO2, CaO, MgO로부터 선택되는 산화물의 1종 이상을 첨가한 것을 특징으로 하는 암면 장섬유의 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융물을 섬유화하는 공정에서, 소정의 온도에서 완전 용융시킨 용융물을 백금 부시 바닥부에 설치한 구멍으로부터 낙하하는 용융물을 섬유화하여 감아들이는 속도로 섬유 지름을 조정하는 것을 특징으로 하는 암면 장섬유의 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 암면 장섬유.
  7. 제 6항에 기재된 암면 장섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내열성 흡음재료.
  8. 제 6항에 기재된 암면 장섬유를 내열성 흡음재료로서 구비한 것을 특징으로 하는 머플러.
  9. 현무암을 원료로 하는 암면 장섬유의 제조장치에 있어서,
    상기 현무암을 분쇄하여 상기 분쇄물을 세정한 원료를 투입하는 호퍼와, 가 열수단에 의하여 상기 세정물을 용융하는 노와, 상기 용융물을 섬유화하는 바닥부에 다수의 구멍을 설치한 백금 부시와, 상기 섬유를 가지런하게 뽑아 감아들이는 권취기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 암면 장섬유의 제조장치.
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