KR20180094546A - 광물성 섬유 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 화력 발전소에서 배출되는 석탄재 및 양식장에서 배출되는 패각 등을 적극적으로 자원으로 재활용하여 인체에 무해한 광물성 섬유를 제조하는 것을 특징으로 하는 발명이다.

Description

광물성 섬유 및 이의 제조 방법 {Mineral fiber and manufacturing method thereof}

본 발명은 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 화력 발전소에서 사용된 이후에 야적지에 방치되는 석탄회를 이용하여 경제적이며 인체에 무해하고 친환경적이며, 단열성, 불연성 및 내열성이 우수한 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

인구 증가와 산업화로 인한 폐기물 발생량은 매년 증가하고 있는 추세이며, 이들 폐기물의 적정한 처리는 사회적으로 큰 문제로 대두되고 있다.

특히, 석탄 화력 발전소로부터 발생되는 석탄회는 그 양이 날로 증가하여 석탄회 매립처분장의 수용 능력이 한계에 도달하고 있는 실정이며, 이러한 석탄회 중에서 유효하게 활용되고 있는 것은 전체의 40% 정도에 불과하고, 나머지는 매립 처분되고 있는 것이 현재의 상태이다.

또한, 우리나라의 남해안에서 양식되고 있는 굴, 꼬막, 바지락 등은 수산업 분야의 소득 창출에 크게 기여하고 있으나, 패각이 폐기물로서 대량 발생되고 있어 그 주변의 환경 오염을 심각하게 가중시키고 있는 실정이다.

따라서, 이러한 폐기물을 새로운 자원으로서 재활용 할 수 있는 새로운 기술의 도급이 필요한 시점이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 화력 발전소에서 발생되는 석탄회를 자원으로 적극적으로 재활용할 수 있는 광물성 섬유 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 패각을 새로운 대체 자원으로 활용함으로써 패각으로 인한 주변 환경 오염 문제 등을 해결할 수 있는 광물성 섬유 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 경제적이 우수하고 친환경적이며 인체에 무해한 광물성 섬유 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계; 상기 혼합물이 용해되는 단계; 상기 용용된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 사출제가 연화되어 연화물이 제조되는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 사출제가 연화되어 연화물이 제조되는 단계는 사출제 100 중량부에 연화제 0.1 내지 5 중량부를 투입하여 교반하여 공정 가스(gas)를 공급함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 연화제는 비 이온(ion) 활성 계면제인 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 석탄회는 브릭(brick) 형태로 성형된 것을 125 내지 1,000 세제곱 센티미터(

)의 부피 크기로 잘게 부수어 제공되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 혼합물이 용융되는 단계는 전기로 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 전기로는 섭씨 1,200도 내지 섭씨 1,300도로 조절되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 석탄회는 보텀 애쉬(bottom ash), 신더 애쉬(cinder ash), 플라이 애쉬(fly ash) 중에서 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 용용된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계는 회전하는 롤러(roller)에 공정가스를 공급함에 따라 발생하는 에어 퍼징(air pursing)을 이용하여 원심력에 의해 상기 용융된 혼합물을 팰릿(pallet) 형태로 사출되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 석탄회 및 패각을 포함하는 혼합물이 제조되는 단계는 상기 석탄회가 74 내지 76 중량%, 상기 패각이 24 내지 26 중량%로 투입되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 석탄회에는 이산화규소(SiO2) 40 내지 80 중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 15 내지 35 중량%, 산화철(III)(Fe2O3) 2 내지 25 중량%, 산화칼슘(CaO) 0.5 내지 18 중량%, 산화마그네슘(MgO) 0.5 내지 8 중량%, 산화칼륨(K2O) 0.2 내지 6 중량%, 오산화인(P2O5) 0.1 내지 1.5 중량%, 산화나트륨(Na2O) 0.2 내지 0.5 중량%이 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 패각에는 섭씨 1200도 내지 섭씨 1300도의 온도에서 회(ash)화 된 상태에서 이산화규소 1 내지 2 중량%, 산화알루미늄 0.5 내지 1 중량%, 산화철(III) 0.1 내지 0.2 중량%, 산화칼슘 50 내지 52 중량%, 산화마그네슘 0.3 내지 1 중량%, 산화칼륨 0.01 내지 0.02 중량%, 오산화인 0.01 내지 0.2 중량%, 산화나트륨 2 내지 3 중량%이 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 광물성 섬유에는 이산화규소 29 내지 62 중량%, 산화알루미늄 11 내지 27 중량%, 산화철(III) 1 내지 20 중량%, 산화칼슘 12 내지 28 중량%, 산화마그네슘 0.4 내지 7 중량%, 산화칼륨 0.1 내지 0.5 중량%, 오산화인 0.01 내지 2 중량%, 산화나트륨 0.6 내지 1.2 중량%이 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유를 제공한다.

또한, 본 발명은 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계; 상기 혼합물이 용해되는 단계; 상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계; 상기 사출제가 연화되어 연화물이 제조되는 단계;가 포함되며, 상기 사출제가 연화되어 연화물이 제조되는 단계는 사출제 100 중량부에 연화제 0.1 내지 5 중량부를 투입하여 교반하여 공정 가스(gas)를 공급함으로써 이루어지고, 상기 연화제는 디메틸폴리실록산(dimethylpolysiloxane) 및 메틸-하이드로젠폴리실록산(methyl-hydrogenpolysiloxane) 중 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계; 상기 혼합물이 용해되는 단계; 상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되고, 상기 혼합물이 용해되는 단계는 전기로 내에서 수행되며, 상기 전기로는 아크로(acro) 방식, 유도로 방식 및 저항로 방식 중 어느 하나의 방식으로 작동되는 전기로인 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계; 상기 혼합물이 용해되는 단계; 상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되며, 상기 혼합물이 용해되는 단계는 용해로 내에서 1일 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계; 상기 혼합물이 용해되는 단계; 상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되며, 상기 패각은 굴, 꼬막 및 바지락의 패각 중 어느 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계; 상기 혼합물이 용해되는 단계; 상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되며, 상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계는 회전하는 롤러(roller)에 공정가스를 공급함에 따라 발생하는 에어 퍼징(air pursing)을 이용하여 원심력에 의해 상기 용해된 혼합물을 팰릿(pallet) 형태로 사출되며, 상기 팰릿(pallet)은 직경 0.1 내지 5 마이크로밀리미터, 길이 0.1 내지 30 밀리미터인 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 화력발전소에서 발생되는 석탄회를 활용할 수 있는 수단을 제공함으로써, 화력발전소의 석탄회 매립지 부족 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 화력 발전소에서 발생되는 석탄회를 자원으로 재활용함으로써, 기존에 석탄회가 매립됨으로써 지하수나 지표수 등을 오염시키는 환경오염을 발생시키는 문제들을 해결할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 플라이 애쉬(fly ash)뿐만 아니라 바텀 애쉬(bottom ash), 신더 애쉬(cinder ash)까지 재활용할 수 있는 방법을 제공함으로써, 화력 발전소의 석탄회 매립지 부족 문제를 더욱 적극적으로 해결할 수 있는 효과가 있다.

넷째, 광물성 섬유를 제조하는 과정에서 패각을 활용함으로써, 남해안 등지에서 문제가 되고 있는 패각 처리 문제도 동시에 해결할 수 있는 효과가 있다.

다섯째, 광물성 섬유를 제조하는 과정에서 고로 대신 전기로를 사용함으로써, 발생되는 이산화탄소의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 고로에 비하여 전기로는 비용과 공간이 적게 소모되어 경제적으로 뛰어난 장점도 획득할 수 있다.

여섯째, 석탄회와 패각을 적정 중량%비로 혼합함으로써, 석탄회의 용융점을 최대로 강하할 수 있는 효과가 있다. 즉, 석탄회와 패각을 6 : 4의 중량%비로 혼합하여 용융시킴으로써 최대 융점 강하 효과를 획득할 수 있다.

일곱째, 석탄회와 패각의 혼합물을 섭씨 1,200도 내지 1,300도 에서 용융시킬 수 있으므로, 광물성 섬유의 사출을 원활하게 진행할 수 있는 효과가 있다.

여덟째, 패각의 산화칼슘은 석회석에 비하여 매우 뛰어난 백색도를 제공하기 때문에 뛰어난 백색도의 광물성 섬유를 제공할 수 있다.

아홉째, 패각에 부착된 유기물이나 코팅사는 용해로 내의 높은 온도에 의하여 자연스럽게 제거되므로, 이러한 물질을 제거하는 수고를 덜 수 있는 효과가 있다. 즉, 패각의 재활용시 드는 노력과 수고를 줄일 수 있다.

열번째, 석탄회를 브릭으로 먼저 성형한 뒤에 이를 125 내지 1,000 세제곱 센티미터의 부피의 크기로 파쇄하여 용해로로 투입함으로써, 석탄회와 패각의 용융이 전체적으로 골고루 진행되도록 하여 좀 더 품질이 양호한 광물성 섬유를 획득할 수 있는 장점이 있다.

열한번째, 버려지는 자원의 재활용 측면 뿐 아니라, 경제적으로도 우수하고 친환경적이며 인체에 무해한 광물성 섬유를 획득할 수 있는 효과가 있다.

도면 1도는 석탄회 매립지에 쌓인 석탄회의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 2도는 조개 양식장에서 조개를 채취하고 남은 껍질이 쌓여 있는 모습을 보여주는 도면이다.
도면 3도는 대한민국 발전소 유형에 따른 석탄 사용량 및 석탄회 발생량의 현황을 보여주는 도면이다.
도면 4도는 대한민국 내 석탄 화력 발전소에서 발생하는 석탄회 발생량이 추이 현황을 보여주는 도면이다.
도면 5도는 석탄 화력 발전소에서 전기가 생산되는 과정과 이 과정에서 발생한 석탄회가 모이는 부분을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도면 6도는 대한민국 내 석탄 화력 발전소에서 발생 된 석탄회 중에서 플라이 애쉬에 포함되어 있는 성분의 조성비를 보여주는 도면이다.
도면 7도는 대한민국 내 석탄 화력 발전소에서 발생된 석탄회 중 바텀 애시에 포함되어 있는 성분의 조성비를 보여주는 도면이다.
도면 8도는 바텀 애쉬, 플라이 애쉬 및 신더 애쉬를 포함하여 대부분의 석탄회에서 찾을 수 있는 조성비를 최종적으로 정리하여 보여주는 도면이다.
도면 9도는 회(ash)화 된 상태의 패각을 구성하는 주요 성분을 보여주는 도면이다.
도면 10도는 석탄회와 산화칼슘의 혼합 비율에 따라 변화되는 녹는점을 그래프로 정리하여 보여주는 도면이다.
도면 11도는 이산화규소 - 산화알루미늄 - 산화칼슘의 삼성분계 상평형도를 보여주는 도면이다.
도면 12도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 구성하는 조성 물질의 조성비를 표로 보여주는 도면이다.
도면 13도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.
도면 14도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 제조하는 공정 장치를 간략하게 개념적으로 표시하여 보여주는 도면이다.
도면 15도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 제조하는 공정 장치에서 사용되는 전기로의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 16도는 브릭 형태로 성형된 석탄회의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 17도는 브릭 형태로 성형된 석탄회가 파쇄된 상태의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 18도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 사용되는 사출 장치의 일 예를 보여주는 도면이다.
도면 19도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 사용되는 사출 장치의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도면 20도는 제1 크기 범위에 해당하는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 21도는 제2 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 22도는 제3 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 23도는 제4 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 24도는 제5 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도면 1도는 석탄회 매립지에 쌓인 석탄회의 모습을 보여주는 도면이다.

대한민국의 전력 사용량은 매년 10% 이상 증가하고 있으며, 이러한 전력 에너지(energy)의 수요를 충족시키기 위하여 지속적으로 대용량 발전소가 건설되고 있는 추세이다. 그러나, 원자력 발전소는 입지 확보에 따른 주민과의 마찰이 문제되고, 천연화력발전은 연료비의 부담이 가중되기 때문에 현재 대한민국의 대부분의 발전은 해외에서 수입된 유연탄을 사용연료로 한 석탄 화력 발전소가 발전량의 상당 부분을 담당하고 있으며, 복합화력까지 포함하여 화력 발전소에서 생산하는 전력량이 전체 생산 전력량의 60%를 넘는 실정이다.

그리고, 이러한 석탄 화력 발전소의 증가에 따라 소각로에서 석탄을 연소시킨 후 발생하는 폐기물인 석탄회(재, Ash)(10)의 발생량도 함께 증가하고 있는 추세를 보이고 있다.

따라서, 이러한 석탄회(10)에 대하여 많은 재활용 연구가 진행되고 있으나, 아직도 많은 양의 석탄회(10)가 도면에 보여지는 바와 같이 매립지에 쌓여서 방치되고 있는 실정이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법은 이러한 석탄회(10)를 석면을 대체하는 인조 광물 섬유를 제조하는데 재활용하여 석탄회(10) 매립에 따른 환경 오염을 방지할 뿐 아니라 인체에 무해하면서도 친환경적인 광물성 섬유를 제공하고자 한다.

도면 2도는 조개 양식장에서 조개를 채취하고 남은 껍질이 쌓여 있는 모습을 보여주는 도면이다.

수화 양식의 성행으로 다량의 패각(20)이 발생하고 있는 실정이다. 특히, 대한민국의 경우, 굴 양식업에서 발생하는 많은 패각(20)이 해안에 야적되어 연안 어장의 오염, 공유수면 관리상의 지장, 자연경관의 훼손 및 보건 위생상의 문제 등의 다양한 환경문제를 초래하고 있다.

특히, 굴 패각의 경우, 그 발생량은 전국적으로 약 32만 톤(ton)에 달하여 생굴 발생량의 약 9배에 이르는 것으로 예상되고 있다. 이중 약 10% 정도(종패붙이용으로 9.0%, 비료 및 공업 원료로 1.0%)만이 재활용되고 있으며, 대부분은 공유수면 매립되거나 해안에 야적되고 있는 실정이며, 그 처리 비용만 약 22억 원(2004년 , 남해안 기준)의 비용이 소요된 것으로 보고되고 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법은 이러한 패각(20)까지 자원으로서 재활용함으로써 환경 오염을 방지할 뿐 아니라, 인체에 무해한 인조 광물 섬유를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도면 3도는 대한민국 발전소 유형에 따른 석탄 사용량 및 석탄회 발생량의 현황을 보여주는 도면이다.

해당 도면은 2000년대의 무연탄 발전소 및 유연탄 발전소의 석탄 사용량과 석탄회 발생량을 보여주는 도면으로서, 무연탄 발전소의 경우는 260만 톤의 석탄이 사용되고 101만 톤의 석탄회(10)가 발생하여 약 38.8%의 석탄회 발생률이 보여주는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 유연탄 발전소의 경우는 3,754만 톤의 석탄이 사용되어 390만 톤의 석탄회(10)가 발생하여 약 10.4%의 석탄회(10) 발생률을 보여주는 것을 확인할 수 있다. 즉, 석탄 원료의 사용 후에 상당량의 석탄회(10)가 발생되는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 석탄회(10)의 처리 문제는 많은 화력 발전소에서 심각하게 고민하고 있는 문제 중의 하나이다.

도면 4도는 대한민국 내 석탄 화력 발전소에서 발생하는 석탄회 발생량이 추이 현황을 보여주는 도면이다.

대한민국의 전력 수요의 구조는 산업용 전력에 대한 수요가 전체의 60% 이상을 차지하는 큰 비중을 차지하고 있다. 그리고, 지난 수십 년간 기계, 전자, 자동차, 철강, 석유화학 등 주력 산업이 크게 성장하면서 이러한 산업용 전력 수요에 대한 수요는 더욱 크게 증가하게 되었다. 이러한 전력 수요를 충족시키기 위해 경제성이 높은 에너지원이 필요하게 되었으며 대한민국 정부에서도 그동안 원자력과 석탄 화력 위주의 전력 공급 정책 기조를 유지해오고 있다. 그러나, 최근 원전에 대한 사회적 수용성 악화로 인하여, 발전 부분의 상당량을 석탄 화력 발전소가 담당하고 있는 실정이다.

이러한 상황은 도면을 통하여서도 확인할 수 있다. 1998년에는 366만 톤 발생하였던 석탄회(10)가 2013년에는 821만 톤이 발생하여 더욱더 많은 석탄이 화력 발전소의 에너지원으로 활용되고 있는 것을 활용되고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 석탄회(10)를 자원으로 적극적으로 재활용할 수 있는 새로운 차원의 방법이 필요한 시점이다.

이와 유사하게 남해안을 중심으로 형성된 패류를 양식하는 수산업에서는 굴 양식과 생산을 주로 하고 있으며, 연평균 3만 2천 톤 가량의 굴 생산이 이루어지고 있으나 굴 양식과 생산과정에서 발생되는 굴 패각에 대한 처리는 매우 미진한 실정이며 그 발생량도 연간 30만 톤에 이른다. 그리고, 통계에 의하면 발생되는 굴 패각 중 실제로 비료와 토지 중성화 등으로 재활용되는 경우는 10% 정도 가량에 불과하며, 나머지 패각은 부패 등이 발생하여 주변 환경을 오염시키고 있는 실정이다. 따라서, 이러한 패각을 적극적으로 재활용할 수 있는 기술도 시급한 실정이다.

도면 5도는 석탄 화력 발전소에서 전기가 생산되는 과정과 이 과정에서 발생한 석탄회가 모이는 부분을 개략적으로 보여주는 도면이다.

석탄 화력 발전소에서 사용되는 석탄은 미분기로 분쇄되어 뜨거운 공기 기류와 함께 고속으로 보일러(30, boiler)로 주입되는데, 이렇게 주입된 석탄은 섭씨 1,300 내지 1,700도 온도 범위에서 부유 상태로 순간적으로 연소하게 된다. 보일러(30) 내에서 석탄이 연소 되면서 물은 끓어서 증기가 발생하게 되고, 이렇게 발생된 증기는 증기 관(31)을 타고 이동하여 증기 터빈(50)을 돌리고, 증기 터빈(50)의 회전에 따라 발전기(60)에서 전기가 생산되게 된다. 그리고, 연소된 가스는 배기 관(32)을 통하여 절탄기(70), 공기 예열기(80) 그리고 전기 집진기(90)를 거쳐서 연통(91)을 통하여 외부로 배출되게 된다.

이러한 석탄의 연소 과정 중에서 발생하고 남은 물질로서 석탄회(10)는 입자의 크기와 모이는 장소에 따라 바텀 애쉬, 신더 애쉬, 플라이 애쉬로 구분이 되는데, 저회라고도 불리는 바텀 애쉬는 보일러(30)의 벽에 부착되어 있다가 자중에 의하여 떨어져서 보일러(30) 하부의 호퍼(40, hopper)나 절탄기(70)에서 포집된다. 바텀 애쉬의 입경은 1.0 내지 2.5 밀리미터(mm) 정도이며 총 석탄회 발생량 중 15% 정도를 차지하며, 분쇄기로 분쇄 후 대부분 회처리장에 매립된다. 재활용이 낮은 이유로 배드(bad) 애쉬라고도 호칭된다. 그리고, 회신이라고도 지칭되는 신더 애쉬는 배기 가스 통로 내에 위치하는 공기 예열기(80)의 하부에서 모이는 석탄회(10)로 입경은 0.3 내지 1 밀리미터 정도이며 전체 발생량은 총 발생되는 석탄회(10)의 5% 미만이다. 마지막으로, 비회라고도 호칭되는 플라이 애쉬는 전기 집진기(90)에 의하여 집진되어 하부에 모이는 석탄회를 말하며 입경이 0.3 내지 1 밀리미터 정도로 전체 석탄회의 약 85% 정도가 플라이 애쉬이다.

이러한 다양한 석탄회(10) 중 플라이 애쉬는 시멘트(cement), 콘크리트(concrete)용 혼화재료로 재활용되어 비교적 그 활용 빈도가 높으나, 바텀 애쉬는 재활용이 어려워 도로의 노반재 정도로만 활용되고 있는 실정이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법은 석탄의 연소 후 발생되는 석탄회(10)의 종류에 상관없이 모든 종류의 석탄회(10)를 활용하여 인체에 무해한 광물성 섬유를 제조하므로, 석탄회(10)의 재활용률을 적극적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도면 6도는 대한민국 내 석탄 화력 발전소에서 발생 된 석탄회 중에서 플라이 애쉬에 포함되어 있는 성분의 조성비를 보여주는 도면이다.

석탄회(10)를 구성하는 조성물질의 성분비는 사용되는 석탄의 종류나 등급, 보일러(30)의 상태 등에 따라 다양하게 달라질 수 있다. 그러나, 다양한 샘플(sample)과 자료를 검토한 결과, 석탄 화력 발전소에서 발생 된 플라이 애쉬에 포함되는 조성 성분들은 도면에 나타난 범위에 포함되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 플라이 애쉬에는 이산화규소(

)가 46.7 내지 69.3 중량%, 산화알루미늄(

)이 18.7 내지 34.8 중량%, 산화철(III)(

)이 3.6 내지 9.5 중량%, 산화칼슘(

)이 0.5 내지 18 중량%, 산화마그네슘(

)이 0.5 내지 2.2 중량%, 산화나트륨(

)이 0.1 내지 0.8 중량%, 산화칼륨(

)이 0.4 내지 5.1 중량%로 포함되어 있음을 확인할 수 있었다.

도면 7도는 대한민국 내 석탄 화력 발전소에서 발생된 석탄회 중 바텀 애쉬에 포함되어 있는 성분의 조성비를 보여주는 도면이다.

바텀 애쉬의 경우도 사용되는 석탄의 종류나 등급 등에 따라 그 조성 성분의 비율이 달라질 수 있으나, 다양한 샘플과 논문 등의 자료를 종합적으로 검토한 결과 사용되는 석탄이 무연탄이든 유연탄이든 간에 이산화규소는 46.7 내지 61.0 중량%, 산화알루미늄은 18.7 내지 25.4 중량%, 산화철(III)은 5.9 내지 6.6 중량%, 산화칼슘은 1.5 내지 17.8 중량%, 산화마그네슘은 1.0 내지 3.7 중량%, 산화나트륨은 0.9 내지 1.3 중량%, 산화칼륨은 0.2 내지 0.4 중량%로 포함되어 있음을 확인할 수 있다.

도면 8도는 바텀 애쉬, 플라이 애쉬 및 신더 애쉬를 포함하여 대부분의 석탄회에서 찾을 수 있는 조성비를 최종적으로 정리하여 보여주는 도면이다.

앞서 살펴본 바와 같이, 각각의 석탄회(10)는 사용되는 석탄의 종류, 석탄의 등급, 보일러(30) 온도 등의 다양한 요소에 따라 그 조성비가 달라진다. 그러나, 본 발명의 발명자가 각 화력 발전소에서 채취한 샘플 및 다양한 논문 및 실험 자료에 기재된 석탄회(10)를 구성하는 조성 성분의 성분비를 종합적으로 정리한 결과 그 어떠한 석탄회(10)라 할지라도 다음의 범위 내에는 포함되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 사용되는 석탄이 무연탄이든 유연탄이든, 발생되는 회의 종류가 플라이 애쉬 또는 바텀 애쉬이든, 석탄 화력 발전소에서 발생된 석탄회(10)에는 이산화규소가 40 내지 80 중량%, 산화알루미늄이 15 내지 35 중량%, 산화철(III)이 2 내지 25 중량%, 산화칼슘이 0.5 내지 18 중량%, 산화마그네슘이 0.5 내지 8 중량%, 산화칼륨이 0.2 내지 6 중량%, 오산화인(

)이 0.1 내지 1.5 중량%, 산화나트륨이 0.2 내지 0.5 중량%로 포함되어 있음을 확인할 수 있었다.

도면 9도는 회(ash)화 된 상태의 패각을 구성하는 주요 성분을 보여주는 도면이다.

패각(20)의 주성분은 탄산칼슘(

)이나, 섭씨 1,200도에서 회화한 경우에는 패각(20)에 붙어있는 대부분의 유기물이 소각되어 약 43 내지 44 중량% 정도의 손실이 일어난다. 그리고, 패각의 남은 조성물로서 이산화규소는 1 내지 2 중량%, 산화알루미늄은 0.5 내지 1 중량%, 산화철(III)은 0.1 내지 2 중량%, 산화칼슘ㅇ,s 50 내지 52 중량%, 산화마그네슘은 0.3 내지 1 중량%, 산화칼륨은 0.01 내지 0.02 중량%, 오산화인은 0.01 내지 0.2 중량%, 산화나트륨은 2 내지 3 중량%로 포함되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법은 이러한 석탄회(10)와 패각(20)을 적정 중량비로 혼합하고 용융 사출함으로써, 목적하는 성질을 갖는 광물성 섬유를 제조할 수 있음을 확인하였으며, 이하 이러한 제조 방법에 집중하여 살펴보도록 한다.

도면 10도는 석탄회와 산화칼슘의 혼합 비율에 따라 변화되는 녹는점을 그래프로 정리하여 보여주는 도면이다.

도면은 석탄회(10)에 대하여 산화칼슘을 30 내지 40 중량%로 첨가시 석탄회(10)의 용융온도가 섭씨 1120도 내지 섭씨 1147도로서 최대 융점강하(섭씨 400도 이상)효과를 나타내는 것을 보여준다. 이러한 현상은 산화칼슘이 첨가된 석탄회(10)를 섭씨 1,200도 정도의 열로 처리한 경우 산화칼슘이 석영(quartz) 및 산화알루미늄과 반응하여 회장석(anorthite,

)의 조성으로 변화되며, 산화칼슘은 Si-O-Si 결합에서 Si와 O의 결합을 끊고 Si의 위치에 대체되어 존재하기 때문에 나타난다.

도면 11도는 이산화규소 - 산화알루미늄 - 산화칼슘의 삼성분계 상평형도를 보여주는 도면이다.

앞서 도면 10도의 그래프를 통하여 살펴본 바를 삼성분계 상평형도를 통하여 정리하면, 산화칼슘 첨가시 온도상승에 따른 무기 화합물의 결정변화는 다음과 같게 된다.

(식1)

앞서 살펴본 바와 같이, 석탄회(10)의 주요 성분은 이산화규소, 산화알루미늄, 산화철(III) 등으로서, 이산화규소의 경우 용융온도가 섭씨 1,700도 정도이며, 산화알루미늄은 섭씨 2,000도, 산화철은 섭씨 1,500도 정도로 나타난다. 따라서, 국내에서 생산된 석탄회(10)는 용융온도가 섭씨 1,700도 이상으로 높아 광물성 섬유를 추출하기에 어려움이 있는데, 통상적으로 그동안의 석탄회(10)를 재활용하는 방법들은 산화칼슘을 포함한 석회석 또는 돌로마이트(dolomite)를 첨가하여 석탄회(10)의 녹는점을 낮추었다.

이러한 종래 방식에 비하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 석탄회(10)에 패각(20)을 적절한 비율로 투입함으로써 석탄회(10)의 용융온도를 낮추고자 하며, 다양한 연구와 실험 끝에 석탄회(10) 60 중량%에 패각(20) 40 중량%를 혼합하였을 때 앞서 살펴본 융점강하 효과에 상응하는 효과를 달성할 수 있었다. 즉, 섭씨 1,200도 정도로 석탄회(10)의 용융온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 섭씨 1,200도 정도로 석탄회(10)의 용융온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

이는 석탄회(10)와 패각(20)에 공통으로 포함된 산화철(III), 산화칼슘, 산화마그네슘 등이 융점 강하제로서의 역할을 수행하기 때문으로써, 석탄회(10)와 패각(20)이 용융된 혼합물에 이산화규소, 산화알루미늄 등의 산성 성분이 많으면 융점이 높아지고, 산화철(III), 산화칼슘, 산화마그네슘 등의 염기성 성분이 많으면 융점이 낮아지는데, 석탄회(10)와 패각(20)을 각각 60 중량%, 40 중량%로 혼합함으로써 최대 융점강하 효과를 얻을 수 있었다.

정리하면, 석탄회(10) 60 중량%에 패각(20)이 40 중량%로 혼합된 혼합물이 용해되는 과정 중에 패각(20)에 포함된 탄산칼슘이 다음의 반응식과 같이 산화칼슘으로 변화하게 되고, 이러한 산화칼슘과 산화마그네슘 등이 융점 강하제로서 역할을 수행하여 석탄회(10)가 섭씨 1,200도 정도에서 용융되도록 하는 것이다.

(식2)

패각(20)을 섭씨 1,200도 정도에서 2시간 정도 소성함으로써 위와 같은 단일상의 산화칼슘을 얻을 수 있었으며, 보다 바람직하게는 하루 동안 소성하면 더 순도가 높은 산화칼슘을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

이렇게 패각(20)을 소성하여 얻은 산화칼슘은 석회석에 포함된 산화칼슘에 비해 함량이 높을 뿐만 아니라, 백색도가 매우 높기 때문에 생성된 광물성 섬유에 뛰어난 백색도를 제공할 수 있는 효과를 달성할 수 있다.

도면 12도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 구성하는 조성 물질의 조성비를 표로 보여주는 도면이다.

60 중량%의 석탄회(10)에 40 중량%의 패각을 혼합하여 만든 혼합물을 전기로에서 섭씨 1,200도의 온도로 용융시킨 혼합물에는 이산화규소가 29 내지 62 중량%, 산화알루미늄이 11 내지 27 중량%, 산화철(III)이 1 내지 20 중량%, 산화칼슘 12 내지 28 중량%, 산화칼슘이 0.1 내지 0.5 중량%, 산화마그네슘이 0.4 내지 7 중량%, 산화칼륨이 0.1 내지 0.5 중량%, 오산화인이 0.01 내지 2 중량%, 산화나트륨이 0.6 내지 1.2 중량% 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 혼합물의 산성율은 다음의 식을 통하여 나타낼 수 있다.

(식 3)

위 식을 통하여 계산된 산성율이 1 부근이면 융점이 낮고, 5 이상이면 융점은 섭씨 1,350도 이상으로 높아지는 것으로 알려져 있는데, 위 식을 통하여 계산된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 조성하는데 사용되는 혼합물은 산성율은 0.4 내지 1.6 범위에 존재하여 섭씨 1,200도 부분에서 융점을 갖는 것을 확인할 수 있다.

또한, 각 산화물들에 대한 용융특성을 고려하여

중량비와 염기/산(Base/Acid)를 곱한 화학 파라미터(parameter)를 변수로 하여 용융온도를 계산하는 다음의 방식에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 조성하는데 사용되는 혼합물의 용융온도는 섭씨 1,233도 내지 섭씨 1,292도 범위에 포함되는 것을 확인할 수 있다.

(식 4)

(식 5)

(식 6)

(식 7)

따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 의하면, 패각(20)을 광물성 섬유를 제조하는데 필요한 새로운 자원으로서 재활용할 뿐 아니라, 적절한 중량비율을 통하여 최적의 융점 강하제로서의 기능도 수행토록 할 수 있는 효과도 달성할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유에 포함된 각각의 조성물질의 역할과 해당 중량비로 포함되었을 때의 효과를 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.

먼저, 이산화규소는 광물성 섬유의 기본적인 구조를 형성하는 역할을 수행하는 물질이다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유는 이러한 이산화규소를 29 내지 62 중량%로 함유함으로써, 이산화규소를 너무 적게 함유하여 광물성 섬유의 물리적 강도가 저하되는 것을 방지하는 동시에 너무 많이 포함함으로써 점도가 증가하여 섬유경 및 미섬유화 입자(shot)량의 증가되는 것을 방지하였다.

산화알루미늄은 광물성 섬유의 용융물의 점도를 결정하는 물질로서 섬유의 결정화와 내수성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 일반적으로 7 중량% 미만으로 포함시에는 내수성이 저하되고 28 중량% 초과하여 포함시에는 광물성 섬유의 용해도를 감소시켜 인체에 유해한 영향을 미치며 제조 비용이 증가되어 경제적으로도 바람지하지 않는 것으로 알려져있다.

석탄회(10) 60 중량%에 패각 40 중량%를 혼합하여 형성되는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유는 산화알루미늄을 11 내지 27 중량%로 함유하여 이러한 요구사항의 범위를 충족하였다.

이러한 산성 조성 성분과 더불어 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물 서 산화철(III), 산화칼슘, 산화마그네슘 등의 염기성 성분을 통하여 보다 부드러우면서도 인체에 무해한 광물성 섬유를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 산화철(III)은 광물성 섬유의 섬유화도를 향상시키고 내열성 및 내구성을 향상시키는 역할을 수행하는 것으로 알려져 있는데, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유는 1 내지 20 중량%의 비율로 산화철(III)을 함유함으로써 광물성 섬유의 물리적 강도 저하를 방지하는 동시에 지나치게 많은 산화철(III) 함량에 따라 발생할 수 있는 섬유경 및 미섬유 입자량이 증가를 방지하는 효과를 달성하였으며, 또한, 오산화인을 포함함으로써 생리학적 매질 중에서 광물성 섬유의 분해도를 향상시키는 효과를 달성하였다.

도면 13도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.

먼저, 본 발명이 제조하고자 하는 광물성 섬유에 대해서 우선적으로 살펴보면 다음과 같다.

광물성 섬유는 크게 천연 광물성 섬유 및 인조 광물성 섬유로 나누어진다. 천연 광물성 섬유인 석면(asbestos)은 유상(asbesti-form)의 규산염을 총괄하는 길고 가느다란 섬유조직으로 이루어져 있으며, 일반적으로 백색면(chrysotile), 청색면(crocidolite) 및 갈석면(amotile) 등이 있다. 이러한 석면은 주로 슬래이트(slate), 가스켓(gasket), 시멘트, 브레이크라이닝(brake lining) 등 건축자재, 단열재, 내화재, 마찰재 및 흡음재 등의 용도로 널리 사용된다.

그러나, 석면은 1㎛ 이하의 가늘고 긴 섬유 다발로 종 방향으로 찢어져 호흡기를 통해 폐로 들어가서 용해되지 않고 장시간 축적되어 폐암 등을 유발하는 것이 알려져 있다. 이와 관련하여 세계보건기구(WHO) 산하 국제 암 연구기관(IARC)의 연구서에서는 석면을 인체에 대한 발암물질(Group I)로 규정하고 있으며, 미국산업안전 보건청(OSHA)은 석면이 인체 발암을 유발하는 것이 확실한 1급 발암물질로 분류하여 세계적으로 석면의 생산, 수입 및 판매가 금지되고 있는 실정이다.

인조 광물성 섬유(Man-mad mineral fibers. MMMF)는 규산염계 광석 등의 광물질을 고열로 용융하여 섬유화한 것으로서 기존 광물성 섬유는 섭씨 1,500도 내지 1,700의 고열에서 용융된다. 이러한 인조광물성 섬유는 글래스울(glass wool) 및 미네랄울(mineral wool) 등으로 분류되기도 하며, 일반적으로 단열성, 불연성 및 내열성이 우수하여 전술한 석면을 대체하여 건축자재, 보온재, 단열재, 흡음재, 내화재, 내열재 및 방음재 등과 같이 여러 가지 용도로 사용될 수 있다.

특히, 인조 광물성 섬유의 장점은 비결정질 구조를 가지고 있으며, 잔가지가 없고 곧은 원주형 섬유의 형태를 가지며, 충격이 가해지면 횡방향으로 부러지는 특성을 가지고 있어 호흡기 등을 통해 흡입되더라도 체내에 축적되지 않고 체액에 녹아 배출되어 인체에 무해한 특성이 있다.

본 발명에서는 석탄 화력 발전소에서 발생하는 석탄회(10)와 양식장에서 발생하는 패각(20)을 자원으로서 이용하여, 이러한 석면을 대체할 수 있는 새로운 광물성 섬유를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명의 설명에서 "광물성 섬유"라는 용어는 특별한 설명이 없으면 "인조 광물성 섬유"를 지칭하는 것으로 이해된다.

이하, 도면에 비추어 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법을 각 단계 별로 상세히 설명토록 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법은 석탄회(10)와 패각(20)이 6 : 4의 중량%비로 혼합되어 용융되는 과정을 거칠 수 있다.(S13-1)

혼합물이 용융되면, 다음으로 스피너 등의 사출 장치를 이용하여 사출제가 제조되는 과정이 수행될 수 있으며(S13-2), 사출 장치에 의하여 이렇게 사출된 사출제는 연화되어 연화물로 제조되는 과정이 수행될 수 있다.(S13-3) 사출제가 연화되는 단계는 사출제 100 중량부에 연화제 0.1 내지 5 중량부를 투입하고 교반한 뒤, 공정 가스(gas)를 공급함으로써 실시될 수 있으며, 사용되는 연화제는 비이온 계면 활성제가 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로는 디메틸폴리실록산(dimethylpolysiloxane), 메틸-하이드로젠폴리실록산(methyl-hydrogenpolysiloxane) 등이 사용될 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 상기 조건에서 사출제가 용이하게 해리되어 섬유 형태의 연화물이 용이하게 제조될 수 있다.

연화물이 제조되는 단계 이후 연화물이 탈수되는 과정이 수행될 수 있다.(S13-4) 이 단계는 제조된 연화물에서 수분을 분리하는 단계로서, 진공 펌프를 이용하여 수분이 분리될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법은 상기한 바와 같은 방법을 통하여 경제성이 우수하고 친환경적이며 인체에 무해한 광물성 섬유를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도면 14도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 제조하는 공정 장치를 간략하게 개념적으로 표시하여 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 제조하는 공정 장치에서 'A1' 부분은 원료 투입 파트(part)로서, 원료 투입 파트는 석탄회(10)와 패각(20)의 양을 개량하여 혼합물을 만들어 용해로(100)에 투입할 수 있다. 보다 구체적으로는 원료 투입 파트는 석탄회(10) 60 중량%에, 패각(20) 40 중량%를 투입하여 혼합물을 만들어 용해로(100)에 투하할 수 있다. 다음으로, 'A2' 부분은 용해 및 사출 파트로서, 투입된 석탄회(10)와 패각(20)을 용해로(100) 내에서 녹인 이후에 사출 장치(200)를 통하여 섬유상으로 방출하는 부분으로서, 회전되는 롤러(roller)에 공정가스를 공급함에 따라 발생하는 에어 퍼징(air purging)을 이용하여 혼합물을 사출하는 방식으로 이루어질 수 있다. 그리고, 'A3' 부분은 다수의 연화조(300)으로 구성되는 연화 파트로서, 연화제에 공정가스를 공급하여 사출된 광물성 섬유를 부드럽게 만들어주는 동시에 광물성 섬유를 제조하면서 생기는 잔류물을 제거하는 부분이다. 'A4' 부분은 섬유 사이클론 파트로서 연화 파트를 지나면서 부드럽게 연화된 광물성 섬유를 일정시간 동안 숙성하여 최종적으로 연화시키는 부분이고, 'A5' 부분은 진공탈수 및 포장 파트로서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유에 포함되어 있는 수분을 진공탈수기(400)를 이용하여 제거하고, 수분이 제거되어 건조된 광물성 섬유를 일정량을 기준으로 포장 포대에 로드(load)하는 역할을 수행하는 부분이다.

이러한 연속적인 공정을 통하여 본 발명은 생산되는 광물성 섬유의 양을 극대화할 수 있는 효과를 달성할 수 있다.

도면 15도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 제조하는 공정 장치에서 사용되는 전기로의 모습을 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법은 석탄회(10)와 패각(20)을 용융하는 용해로로서 전기로를 선택하여 사용할 수 있으며, 구체적으로는 아크로(acro) 방식 전기로, 유도로 방식 전기로 또는 저항로 방식 전기로 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법은 용해로로 기존의 고로를 사용하는 대신에 전기로를 사용함으로써 로(furnace) 내의 온도를 더욱 정교하게 조절할 수 있다. 또한, 이산화탄소를 많이 배출하여 환경 문제를 야기하는 고로 대신에 전기로를 사용함으로써 친환경적으로 광물성 섬유를 제조할 수 있으며, 무엇보다 고로에 비하여 광물성 섬유의 생산 용량을 획기적으로 늘릴 수 있는 효과를 달성할 수 있다. 그리고, 전기로는 고로보다 적은 투자비와 공간이 필요하다는 장점도 있다.

도면 15도는 이러한 전기로 중의 하나로서 유도로 방식의 전기로의 모습을 개략적으로 보여준다. 유도로 방식의 전기로는 크게 도가니(110)와 도가니(110) 주위를 감싸며 교류를 인가받는 코일(120, coil) 부분으로 이루어진다. 그리고, 이러한 도가니(110) 내부로 석탄회(10) 60 중량%와 패각(20) 40 중량%가 투입될 수 있다. 보다 구체적으로, 석탄회(10)는 브릭(brick) 모양으로 형성된 석탄회(10)가 125 내지 1,000 세제곱 센티미터의 부피 크기로 파쇄된 상태로 투입될 수 있으며, 이러한 방식으로 석탄회(10)를 투입하는 이유는 이하 도면을 통하여 자세히 살펴보도록 한다.

석탄회(10)의 이러한 투입 방식에 비하여, 패각(20)은 양식장 등지에서 수거된 패각을 가공하지 않고 그 자체로 투입할 수 있다. 그 이유는 패각(20)은 그 자체로 내부에 공기가 투입될만한 여유 공간이 많기 때문이며, 또한 섭씨 1,200도 이상의 고온에서 용융되기 때문에 패각(20)에 붙은 유기물들을 일부러 제거하는 작업을 수행할 필요가 없기 때문이다. 따라서, 기존의 패각(20)을 재활용하고자 하는 방법은 패각(20)에 포함된 이물질을 제거하고, 양식시 사용하였던 코팅사를 제거하기 위하여 상당한 노력을 기울였으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조방법에서는 코팅사까지 포함하여 패각(20)을 그대로 용해로 내로 투입할 수 있으므로, 패각(20)의 재활용시 드는 수고와 노력을 줄일 수 있다.

도면 16도는 브릭 형태로 성형된 석탄회의 모습을 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법은 용해로(100)에 석탄회(10)를 분말 그 자체로 투입하는 것이 아니라, 먼저 석탄회(10)를 도면과 같이 브릭(11)으로 만든 후 이를 125 내지 1,000 세제곱 센티미터의 부피 크기로 파쇄하여 투입한다. 그 이유는 바텀 애쉬의 경우에는 비교적 입경이 크나, 플라이 애쉬의 경우는 입경이 작아 모래와 같아서 공기와 접촉할 면적이 작아 용해로 내에서 용융이 쉽게 진행되지 않고 부분적으로만 용융이 일어나는 문제가 있기 때문이다. 따라서, 석탄회(10)가 골고루 공기와 전 면적에서 접촉하도록 하여 국부 용융이 아닌 전체적으로 용융이 골고루 진행되게 할 필요성이 있는데, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조방법은 바텀 애쉬, 신더 애쉬, 플라이 애쉬로 구성된 석탄회(10)를 먼저 브릭(11)으로 성형한 뒤 125 내지 1,000 세제곱 센티미터의 부피 크기로 파쇄하여 전기로에 투입하므로 로 내에서의 석탄회(10)의 용융이 전체적으로 골고루 진행되도록 할 수 있는 효과가 있다.

도면 17도는 브릭 형태로 성형된 석탄회가 파쇄된 상태의 모습을 보여주는 도면이다.

도면 16도를 통하여 살펴본 브릭(11)을 파쇄 장치로 파쇄하여 125 내지 1,000 세제곱 센티미터의 부피 크기의 굵은 자갈 상의 석탄회(12)로 만들 수 있으며, 이러한 자갈 상의 석탄회(12)의 60 중량%에, 패각(20)을 40 중량% 혼합하여 용해로에 투입할 수 있다.

도면 18도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 사용되는 사출 장치의 일 예를 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유의 제조 방법에서 용용된 혼합물을 사출하는 방식은 고속으로 회전하는 스피너, 비활성 가스를 이용한 블로우(blow) 또는 롤러(roller)를 이용한 사출 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.

도면 18도는 그 중에서 단일 롤러를 이용한 광물성 섬유의 사출 방식을 보여주는 도면으로서, 사출 장치(200)의 노즐(210)을 통하여 배출된 용융 또는 용해된 혼합물(M)은 타원형 롤러(220)에 부딪쳐서 팰릿(pallets) 형태의 섬유로 사출되게 된다.

도면 19도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 사용되는 사출 장치의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유 및 이의 제조 방법에 사용 가능한 또 다른 예의 사출 장치(200)는 복수의 원형 롤러(230)를 구비한 사출 장치(200)가 사용될 수 있다. 이러한 예의 사출 장치(200)는 약 4,000 알피엠(rpm)의 속도로 회전하는 복수의 원형 롤러(230) 사이로 용융 또는 용해된 혼합물(M)을 투하하고, 원형 롤러(230)의 회전에 따라 용융 또는 용해된 혼합물(M)이 부분적으로 끊기면서 팰릿 형태의 섬유로 사출되게 된다.

그리고, 위의 도면 18도와 도면 19도의 각각의 사출 장치(200)는 단독으로 사용될 수 있지만 둘이 어느 하나의 보조용으로서 동시에 사용될 수도 있으며, 두 개의 사출 장치를 사용하는 경우 더 곱고 가는 광물성 섬유를 획득할 수 있는 효과를 달성할 수 있다.

이하, 도면 20도 내지 도면 24도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유를 전자 현미경을 이용하여 촬영한 모습을 보여주는 도면이다.

먼저, 도면 20도는 제1 크기 범위에 해당하는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.

제1 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유는 직경이 0.1 내지 5 마이크로미터(㎛)이며, 평균 길이는 1 내지 2 밀리미터일 수 있으며, 보다 바람직하게는 직경은 0.5 내지 4 마이크로미터, 평균 길이는 1.15 내지 1.32 밀리미터일 수 있다. 또한, 밀도는 2 내지 5

일 수 있으며, 바람직하게는 2.5 내지 3.0

일 수 있다.

제1 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유는 특수종이, 라이너 페이퍼(liner paper), 포장용지 및 백판지(white duplex board) 용도로 사용되기 적합한 것일 수 있다.

도면 21도는 제2 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.

제2 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유는 직경은 5 마이크로미터 이하, 평균 길이는 2 밀리미터 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 직경은 0.1 내지 5 마이크로미터이며, 평균 길이는 0.5 내지 1.2 밀리미터일 수 있다. 그리고, 광물성 섬유의 밀도는 2 내지 5

일 수 있으며, 바람직하게는 2.5 내지 3.0

일 수 있다.

제2 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유는 단열성, 내열성 및 불연성이 우수하여 석면 및 유리섬유대체재 용도로 사용하기 적합한 것일 수 있다.

도면 22도는 제3 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.

제3 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유는 직경은 5 마이크로미터 이하, 평균 길이는 1 밀리미터 이하일 수 있다. 바람직하게는 직경은 0.1 내지 5 마이크로미터, 평균 길이는 0.1 내지 1.0 밀리미터일 수 있다. 또한, 광물성 섬유의 밀도는 2 내지 5

일 수 있으며, 바람직하게는 2.5 내지 3.0

일 수 있다.

이 범위 내에서 해당 광물성 섬유는 우수한 단열성, 내마찰성 및 기계적 강도를 가지게 되고, 구체적으로 자동차, 트럭(truck), 비행기, 기차 및 자전거 등에 사용되는 브레이크 패드(pad), 브레이크 드럼(drum), 브레이크 라이닝 및 클러치(clutch) 등의 마찰재로 사용될 수 있다.

도면 23도는 제4 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.

제4 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유는 직경은 5 마이크로미터 이하, 평균 길이는 1 밀리미터 이하일 수 있으며, 바람직하게는 직경은 0.1 내지 4 마이크로미터, 평균 길이는 0.1 내지 1.0 밀리미터일 수 있다. 그리고, 밀도는 2.0 내지 5.0

일 수 있으며, 바람직하게는 2.5 내지 3.0

일 수 있다.

이러한 제4 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유는 흡음성, 단열성, 내마찰성 및 기계적 강도가 우수하여, 고온단열재, 고속철도용 블록(block) 및 기계마찰 가스켓 용도로 사용될 수 있다.

도면 24도는 제5 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유의 모습을 보여주는 도면이다.

제5 크기 범위에 해당되는 광물성 섬유는 직경은 5 마이크로미터 이하, 평균 길이는 1 밀리미터 이하일 수 있으며, 바람직하게는 직겨은 0.1 내지 3 마이크로미터, 평균 길이는 0.1 내지 1.0 밀리미터일 수 있다. 따한 광물성 섬유의 밀도는 2.0 내지 5.0

일 수 있으며, 바람직하게는 2.5 내지 3.0

일 수 있다.

상기 범위의 광물성 섬유는 흡음성, 단열성, 내마찰성 및 기계적 강도가 우수하여, 고온단열재, 고속철도용 블록 및 기계마찰 가스켓 용도로 사용하기 적합할 수 있다.

실시예

플라이 애쉬 및 바텀 애쉬를 포함하는 석탄회(10) 60 중량%에, 패각(20)을 40 중량%로 혼합한 혼합물을 섭씨 1,200도 내지 1,300도에서 용융하였다. 상기 용융된 혼합물을 사출기에 투입하고 회전하는 롤러에 공정가스를 주입하고, 에어퍼징을 이용하여 펠렛 형태의 사출체를 제조한 다음, 상기 사출체 100 중량부에 연화제 5 중량부를 투입하여 교반하고 공정가스를 공급하여 해리하여 섬유 형태의 연화물을 제조하였다. 상기 연화물을 진공펌프를 이용하여 수분을 제거하여 각각 하기 표1에 기재된 성분 및 조성비가 되도록 제조하였다.

(표 1)

시험예 1: 섬유직경 측정

섬유경은 광학현미경을 이용하여 측정하였으며, 측정 방법은 아래와 같다. 우선 슬라이드 글라스에 미량의 섬유를 올려놓고 슬라이드 분산액을 한 방울 떨어뜨려 혼합시켰다. 커버글라스를 덮은 후 약 6시간 정도 상온에서 건조시켜 프레파라트(표본)를 실시예에 대하여 각각 5개씩의 프레파라트를 제작하고, 각 프레파라트별로 100개의 섬유를 무작위로 선택하여 섬유경을 측정하였다. 실시예에 대하여 각각 최종적으로 측정된 섬유경을 평균한 섬유직경을 계산하여 하기 표2에 나타내었다.

시험예 2: 미섬유화입자 (shot) 함량측정

광물성 섬유의 제섬 과정에서 미처 섬유화되지 못하고 섬유 사이에 존재하게 되는 입자 형태의 것을 숏(shot)이라고 한다. 상기 실시예5에 포함된 Shot 함량을 측정하기 위해 하기와 같은 방법을 사용하였다. 우선 50 메시의 체(Sieve)의 무게를 측정한 후, 광물성 섬유 50g을 체에 담아 무게를 측정하였다. 그리고 상기 광물성 섬유의 내부에 있는 shot이 떨어져 나가지 않게끔 유의하며 상기 광물성 섬유를 잘게 찢어 믹서기에 넣고 물을 약 90% 정도 수준이 되도록 투입하였다. 믹서기로 30초 동안 교반한 후, 35 mesh 체를 통해 걸러내는데, 이때 지속적으로 물을 통과시켜 섬유가 완전히 체를 통과하고 shot만 남을 수 있도록 하였다. 최종적으로 남은 shot을 상기 체와 함께 120℃ 건조기에서 3 시간 동안 건조시켜 무게를 측정하였다. Shot contents는 하기 식를 이용하여 계산하여 하기 표2에 나타내었다.

Shot Contents(%) =

/

W0×100

(상기 식에서, W0는 shot 포함된 광물성 섬유의 총 무게(g),

은 광물성 섬유를 제외한 shot의 무게(g)를 나타낸다.)

시험예 3: 장기사용온도 측정

상기 제조된 실시예의 광물성 섬유에 대하여 UL 746B의 RTI(Relative Temperature Index)에 의거하여 장기사용온도를 측정하여 하기 표2에 나타내었다.

(표 2)

상기 시험의 결과를 검토할 때, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광물성 섬유는 섬유의 직경 및 shot 포함량이 적절한 범위에 있어 섬유화가 용이하게 진행된 것을 확인할 수 있었으며, 장기사용온도도 높아 만족할만한 내열성을 구비한 것으로 판단할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 석탄회
11 : 브릭
12 : 굵은 자갈 상의 석탄회
20 : 패각
30 : 보일러
31 : 증기 관
32 : 배기 관
40 : 호퍼
50 : 증기 터빈
60 : 발전기
70 : 절탄기
80 : 공기 예열기
90 : 전기 집진기
91 : 연통
100 : 용해로
110 : 도가니
120 : 코일
200 : 사출 장치
210 : 노즐
220 : 타원형 롤러
230 : 원형 롤러
300 : 연화조
400 : 진공탈수기

Claims (5)

1. 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계;
   상기 혼합물이 용해되는 단계;
   상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;
   상기 사출제가 연화되어 연화물이 제조되는 단계;가 포함되며,
   상기 사출제가 연화되어 연화물이 제조되는 단계는
   사출제 100 중량부에 연화제 0.1 내지 5 중량부를 투입하여 교반하여 공정 가스(gas)를 공급함으로써 이루어지고,
   상기 연화제는 디메틸폴리실록산(dimethylpolysiloxane) 및 메틸-하이드로젠폴리실록산(methyl-hydrogenpolysiloxane) 중 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법.
   
2. 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계;
   상기 혼합물이 용해되는 단계;
   상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되고,
   상기 혼합물이 용해되는 단계는
   전기로 내에서 수행되며,
   상기 전기로는 아크로(acro) 방식, 유도로 방식 및 저항로 방식 중 어느 하나의 방식으로 작동되는 전기로인 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법.
   
3. 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계;
   상기 혼합물이 용해되는 단계;
   상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되며,
   상기 혼합물이 용해되는 단계는
   용해로 내에서 1일 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법.
   
4. 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계;
   상기 혼합물이 용해되는 단계;
   상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되며,
   상기 패각은 굴, 꼬막 및 바지락의 패각 중 어느 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법.
   
5. 석탄회 및 패각이 포함되는 혼합물이 제조되는 단계;
   상기 혼합물이 용해되는 단계;
   상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계;가 포함되며,
   상기 용해된 혼합물이 사출되어 사출제가 제조되는 단계는
   회전하는 롤러(roller)에 공정가스를 공급함에 따라 발생하는 에어 퍼징(air pursing)을 이용하여 원심력에 의해 상기 용해된 혼합물을 팰릿(pallet) 형태로 사출되며,
   상기 팰릿(pallet)은 직경 0.1 내지 5 마이크로미터, 길이 0.1 내지 30 밀리미터인 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 제조 방법.
   

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