유리섬유는 여러 형태의 유리 섬유를 결합하여 만든 제품들을 총칭하는 용어입니다. 유리 섬유는 형태에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 실이나 직물에 사용되는 연속 섬유와 단열 및 여과용 솜, 담요, 판재 등에 사용되는 불연속(짧은) 섬유가 있습니다. 유리섬유는 양모나 면처럼 실로 만들 수 있고, 직물로 짜서 커튼 등에 사용하기도 합니다. 유리섬유 직물은 성형 및 적층 플라스틱의 보강재로 흔히 사용됩니다. 불연속 섬유로 만들어진 두껍고 폭신한 소재인 유리섬유솜은 단열 및 흡음재로 사용됩니다. 선박 및 잠수함의 격벽과 선체, 자동차 엔진룸과 차체 패널, 난로 및 에어컨, 방음 벽 및 천장 패널, 건축용 칸막이 등에 널리 사용됩니다. 유리섬유는 특정 용도에 맞게 다양한 종류로 가공할 수 있는데, 예를 들어 전기 절연 테이프, 직물, 보강재에 사용되는 E형(전기용), 내산성이 뛰어난 C형(화학용), 단열재로 사용되는 T형 등이 있습니다.
유리 섬유의 상업적 사용은 비교적 최근의 일이지만, 르네상스 시대에는 장인들이 잔과 꽃병을 장식하기 위해 유리 가닥을 만들었습니다. 프랑스 물리학자 르네 앙투안 페르쇼 드 레오뮈르는 1713년에 가는 유리 가닥으로 장식한 직물을 제작했고, 영국 발명가들은 1822년에 이를 재현했습니다. 영국의 한 비단 직공은 1842년에 유리 직물을 만들었고, 또 다른 발명가인 에드워드 리비는 1893년 시카고 콜럼비아 박람회에서 유리로 짠 드레스를 전시했습니다.
유리섬유는 불규칙한 길이로 촘촘히 박힌 섬유 덩어리로, 20세기 초 유럽에서 처음 생산되었습니다. 당시에는 막대에서 섬유를 수평으로 뽑아 회전하는 드럼에 통과시키는 공정을 사용했습니다. 수십 년 후, 방사 공정이 개발되어 특허를 받았습니다. 유리섬유 절연재는 제1차 세계 대전 중 독일에서 생산되었습니다. 유리섬유의 산업 생산을 목표로 한 연구 개발은 1930년대 미국에서 오웬스-일리노이 유리 회사(Owens-Illinois Glass Company)와 코닝 유리 공장(Corning Glass Works)이라는 두 주요 기업의 주도하에 진전을 이루었습니다. 이 회사들은 용융된 유리를 매우 미세한 구멍을 통해 뽑아내는 방식으로 가늘고 유연하며 저렴한 유리섬유를 개발했습니다. 1938년, 이 두 회사가 합병하여 오웬스-코닝 파이버글라스(Owens-Corning Fiberglas Corp.)가 되었습니다. 현재는 단순히 오웬스-코닝으로 알려진 이 회사는 연 매출 30억 달러 규모의 기업으로 성장하여 유리섬유 시장을 선도하고 있습니다.
원자재
유리섬유 제품의 기본 원료는 다양한 천연 광물과 제조된 화학 물질입니다. 주요 성분은 규사, 석회석, 소다회입니다. 그 외에도 소성 알루미나, 붕사, 장석, 네펠린 섬장암, 마그네사이트, 카올린 점토 등이 첨가될 수 있습니다. 규사는 유리 형성제로 사용되며, 소다회와 석회석은 주로 용융 온도를 낮추는 역할을 합니다. 붕사는 내화학성을 향상시키는 등 다른 성분들은 특정 특성을 개선하는 데 사용됩니다. 파유리라고도 불리는 폐유리도 원료로 사용됩니다. 원료는 정확한 양으로 계량하고 유리로 녹이기 전에 철저히 혼합(배칭)해야 합니다.
제조
프로세스
녹는
원료 준비가 완료되면 용융로에 투입됩니다. 용융로는 전기, 화석 연료 또는 이 둘의 조합으로 가열될 수 있습니다. 유리의 원활하고 안정적인 흐름을 유지하기 위해서는 온도를 정밀하게 제어해야 합니다. 용융된 유리는 섬유 형태로 성형하기 위해 다른 종류의 유리보다 높은 온도(약 1371°C)로 유지해야 합니다. 유리가 완전히 녹으면 용융로 끝에 있는 통로(전로)를 통해 성형 장비로 이송됩니다.
섬유 형태로 형성됨
섬유의 종류에 따라 여러 가지 공정을 사용하여 섬유를 만듭니다. 섬유는 용광로에서 바로 녹인 유리로 만들 수도 있고, 녹은 유리를 먼저 약 1.6cm(0.62인치) 직경의 유리 구슬을 만드는 기계에 투입한 후 만들 수도 있습니다. 이 유리 구슬을 통해 육안으로 불순물을 검사할 수 있습니다. 직접 용융 방식과 유리 구슬 용융 방식 모두에서 유리 또는 유리 구슬은 전기 가열식 부싱(방사구라고도 함)을 통과합니다. 부싱은 백금이나 금속 합금으로 만들어지며 200개에서 3,000개에 이르는 매우 미세한 구멍이 있습니다. 녹은 유리는 이 구멍들을 통과하면서 미세한 필라멘트 형태로 나옵니다.
연속 필라멘트 공정
연속 필라멘트 공정을 통해 길고 연속적인 섬유를 생산할 수 있습니다. 유리가 부싱의 구멍을 통과한 후, 여러 가닥이 고속 와인더에 감깁니다. 와인더는 분당 약 3km(2마일)의 속도로 회전하는데, 이는 부싱에서 나오는 유리의 흐름 속도보다 훨씬 빠릅니다. 이 장력으로 인해 유리가 아직 녹은 상태에서 필라멘트가 당겨져 부싱 구멍 직경의 일부에 해당하는 직경의 가닥이 형성됩니다. 화학 결합제를 도포하면 후속 가공 과정에서 섬유가 끊어지는 것을 방지할 수 있습니다. 그런 다음 필라멘트를 튜브에 감습니다. 이제 이 필라멘트를 꼬고 엮어 실을 만들 수 있습니다.
스테이플 섬유 공정
또 다른 방법으로는 스테이플 섬유 공정이 있습니다. 용융된 유리가 부싱을 통과할 때, 공기 분사가 필라멘트를 빠르게 냉각시킵니다. 이 과정에서 발생하는 격렬한 공기 흐름은 필라멘트를 20~38cm 길이로 잘게 자릅니다. 잘린 필라멘트는 윤활유 분사를 통과하여 회전하는 드럼 위로 떨어지면서 얇은 웹을 형성합니다. 이 웹은 드럼에서 뽑혀 나와 느슨하게 엮인 섬유들의 연속적인 가닥으로 만들어집니다. 이 가닥은 양모나 면에 사용되는 것과 동일한 공정을 통해 실로 가공할 수 있습니다.
잘게 썬 섬유질
실을 만드는 대신, 연속된 긴 섬유 가닥을 짧게 자를 수도 있습니다. 이 섬유 가닥을 크릴이라고 하는 실패 세트에 감아 기계를 통과시키면서 짧게 자릅니다. 잘게 자른 섬유에 접착제를 첨가하여 매트를 만듭니다. 오븐에서 경화시킨 후, 매트를 말아 올립니다. 다양한 무게와 두께로 지붕재, 지붕 마감재 또는 장식용 매트 등의 제품을 만들 수 있습니다.
유리솜
회전식 또는 스피너 공정은 유리섬유를 만드는 데 사용됩니다. 이 공정에서 용광로에서 나온 용융 유리는 작은 구멍이 있는 원통형 용기로 흘러 들어갑니다. 용기가 빠르게 회전함에 따라 유리 섬유가 구멍을 통해 수평 방향으로 흘러나옵니다. 용융 유리 흐름은 공기, 고온 가스 또는 이 둘의 하향 분사에 의해 섬유로 변환됩니다. 섬유는 컨베이어 벨트로 떨어져 서로 얽히면서 솜털 같은 덩어리를 형성합니다. 이 덩어리는 단열재로 사용될 수 있으며, 또는 접착제를 분사하고 원하는 두께로 압축한 후 오븐에서 경화시킬 수도 있습니다. 열에 의해 접착제가 경화되고, 최종 제품은 단단하거나 반단단한 판형 또는 유연한 배트 형태가 될 수 있습니다.
보호 코팅
결합제 외에도 유리섬유 제품에는 다른 코팅이 필요합니다. 윤활제는 섬유 마모를 줄이는 데 사용되며 섬유에 직접 분사하거나 결합제에 첨가됩니다. 또한 냉각 단계에서 유리섬유 단열 매트 표면에 정전기 방지제를 분사하는 경우도 있습니다. 매트를 통과하는 냉각 공기는 정전기 방지제가 매트 전체 두께에 침투하도록 합니다. 정전기 방지제는 정전기 발생을 최소화하는 물질과 부식 억제제 및 안정제 역할을 하는 물질, 이렇게 두 가지 성분으로 구성됩니다. 사이징은 성형 공정에서 섬유에 적용되는 모든 코팅을 의미하며, 하나 이상의 구성 요소(윤활제, 결합제 또는 결합제)를 포함할 수 있습니다. 결합제는 플라스틱 보강재로 사용될 섬유 가닥에 적용되어 보강재와의 결합력을 강화합니다. 때로는 이러한 코팅을 제거하거나 다른 코팅을 추가하기 위한 후처리 공정이 필요합니다. 플라스틱 보강재의 경우, 사이징은 열이나 화학 물질로 제거하고 결합제를 도포할 수 있습니다. 장식용으로 사용하기 위해서는 직물의 풀기를 제거하고 직조를 고정하기 위해 열처리를 해야 합니다. 그런 다음 염색 또는 인쇄 전에 염료 바탕 코팅을 적용합니다.
모양을 만들다
유리섬유 제품은 다양한 형태로 제작되며 여러 공정을 거칩니다. 예를 들어, 유리섬유 파이프 단열재는 경화 전에 성형 장치에서 맨드릴이라고 하는 막대 모양의 틀에 직접 감깁니다. 길이가 91cm(3피트) 이하인 이 틀은 오븐에서 경화됩니다. 경화된 제품은 세로 방향으로 틀에서 분리한 후 지정된 치수로 절단합니다. 필요한 경우 표면을 마감 처리하고 제품을 포장하여 출하합니다.
품질 관리
유리섬유 단열재 생산 과정에서 품질 유지를 위해 여러 지점에서 시료를 채취합니다. 이러한 지점에는 전기 용융로에 투입되는 혼합 원료, 섬유화기에 공급되는 부싱에서 나오는 용융 유리, 섬유화기에서 나오는 유리 섬유, 그리고 생산 라인 끝에서 나오는 최종 경화 제품이 포함됩니다. 채취한 유리 및 섬유 시료는 정밀한 화학 분석기와 현미경을 사용하여 화학적 조성과 결함 여부를 분석합니다. 원료의 입자 크기 분포는 다양한 크기의 체를 통과시켜 측정합니다. 최종 제품은 규격에 따라 포장한 후 두께를 측정합니다. 두께 변화는 유리 품질이 기준에 미달함을 나타냅니다.
유리섬유 단열재 제조업체들은 제품의 방음 성능, 흡음 성능, 방음 차단 성능을 측정, 조정 및 최적화하기 위해 다양한 표준화된 시험 절차를 사용합니다. 음향 특성은 섬유 직경, 부피 밀도, 두께, 바인더 함량과 같은 생산 변수를 조정하여 제어할 수 있습니다. 열적 특성 제어에도 유사한 접근 방식이 사용됩니다.
미래
유리섬유 산업은 1990년대 후반과 그 이후에 걸쳐 몇 가지 중대한 도전에 직면해 있습니다. 외국 기업의 미국 자회사 설립과 미국 제조업체의 생산성 향상으로 인해 유리섬유 단열재 생산 업체 수가 증가했습니다. 이로 인해 현재 및 미래 시장이 감당할 수 없는 과잉 생산 능력이 발생했습니다.
과잉 공급 외에도 다른 단열재들이 경쟁에 뛰어들 것입니다. 암면은 최근 공정 및 제품 개선으로 널리 사용되고 있습니다. 발포 단열재는 주택 벽체 및 상업용 건물 지붕에 사용되는 유리섬유 단열재의 또 다른 대안입니다. 다락방 단열재로 사용되는 셀룰로오스도 경쟁 소재입니다.
주택 시장 침체로 단열재 수요가 감소하면서 소비자들은 가격 인하를 요구하고 있습니다. 이러한 수요 증가는 소매업체와 시공업체의 지속적인 합병 추세에도 기인합니다. 이에 대응하여 유리섬유 단열재 업계는 에너지와 환경이라는 두 가지 주요 분야에서 비용 절감을 지속해야 할 것입니다. 단일 에너지원에만 의존하지 않는 더욱 효율적인 난방 시스템을 사용해야 할 필요성도 대두될 것입니다.
매립지가 최대 용량에 도달함에 따라 유리섬유 제조업체는 비용 증가 없이 고형 폐기물 발생량을 거의 제로에 가깝게 줄여야 합니다. 이를 위해서는 폐기물(액체 및 기체 폐기물 포함)을 줄이기 위한 제조 공정 개선과 가능한 모든 곳에서 폐기물을 재활용하는 것이 필요합니다.
이러한 폐기물은 원료로 재사용하기 전에 재처리 및 재용융 과정을 거쳐야 할 수 있습니다. 이미 여러 제조업체들이 이러한 문제 해결에 나서고 있습니다.
게시 시간: 2021년 6월 11일