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유리 섬유

Glass fiber
유리 섬유로 보강된 일반적인 복합 재료는 섬유 유리를 참조하십시오.정보 전송에 사용하는 유리 파이버에 대해서는, 「광섬유」를 참조해 주세요.
유리 섬유 다발

유리섬유(또는 유리섬유)는 수많은 극세사 유리섬유로 이루어진 재료입니다.

역사를 통틀어 유리 제조업자들은 유리 섬유를 실험해 왔지만, 유리 섬유의 대량 생산은 더 미세한 기계 공구의 발명에 의해서만 가능했습니다.1893년 에드워드 드러몬드 리비는 실크 섬유의 직경과 질감을 가진 유리 섬유를 사용한 드레스를 세계 콜럼비아 박람회에 전시했다.유리 섬유는 또한 펠레의 머리카락처럼 자연적으로 발생할 수 있다.

오늘날 "섬유 유리"라고 불리는 제품 중 하나인 유리 양털은 1932년부터 1933년 사이에 Owens-Ilinois의 Games Slayer에 의해 열 건축 [1]단열재로 사용되는 재료로 발명되었습니다.그것은 Fiberglas라는 상표명으로 판매되고 있으며, 이것은 일반화된 상표로 되었다.유리섬유는 단열재로 사용할 때 많은 작은 공기전지를 가두는 접착제로 특수 제조되어 공기충전 저밀도 "유리울" 제품군을 특징으로 한다.

유리섬유는 고분자나 탄소섬유와 같은 다른 섬유와 대략 비슷한 기계적 특성을 가지고 있습니다.탄소 섬유만큼 단단하지는 않지만 복합 재료에 사용하면 훨씬 저렴하고 훨씬 덜 부서집니다.유리 섬유 강화 복합 재료는 내환경성이 우수하고 충격 하중에 대한 손상 내구성이 우수하며 비강도와 강성이 [2]높기 때문에 해양 산업 및 파이프 산업에 사용됩니다.

섬유 형성

유리섬유는 섬유가공에 적합한 직경이 작은 다수의 섬유에 실리카계 또는 다른 배합유리를 압출하여 형성된다.유리를 가열하여 미세한 섬유로 만드는 기술은 수천 년 동안 알려져 왔으며 이집트와 [3]베니스에서 행해졌다.최근 섬유 용도에 이러한 섬유를 사용하기 전에는 모든 유리 섬유가 스테이플(즉, 짧은 길이의 섬유로 이루어진 클러스터)로 제조되었습니다.

현대의 유리 양털 생산 방법은 Owens-Illinois Glass Company(오하이오주 톨레도)에서 일하는 Games Slayer가 발명한 것입니다.그는 1933년에 처음으로 유리 양모를 만드는 새로운 공정에 대한 특허를 출원했다.유리섬유의 첫 상업적인 생산은 1936년이었다.1938년 Owens-Illino Glass Company와 Corning Glass Works는 Owens-Corning Fiberglas Corporation을 설립했습니다.두 회사가 유리섬유를 생산하고 홍보하기 위해 협력했을 때, 그들은 연속 필라멘트 유리섬유를 [4]도입했습니다.Owens-Corning은 [5]오늘날에도 여전히 주요 유리 섬유 생산업체입니다.

유리섬유에 사용되는 가장 일반적인 유리섬유는 유리강화 플라스틱에 주로 사용되는 1% 미만의 알루미노 붕규산염 유리이다.기타 사용되는 유리는 A-유리(산화붕소가 거의 없거나 전혀 없는 알칼리 석회유리), E-CR-유리(전기/화학 저항성, 알칼리 산화물 1% 미만, 내산성이 높은 알칼리 석회 규산염), C-유리(산화붕소 함량이 높은 알칼리 석회유리, 유리 및 단열재용 유리)이다.유전율이 낮다고 해서 명명된 ss, R-유리(철근으로서 기계적 요건이 높은 MgO 및 CaO가 없는 알루미노 규산염 유리), S-유리(CaO가 없는 알루미노 규산염 유리, 인장 [6]강도가 높은 MgO 함량이 높은 알루미노 규산염 유리)이다.

순수한 실리카(이산화실리콘)는 진정한 녹는점이 없는 유리에 용융 석영으로 냉각되면 유리섬유로서 사용할 수 있지만 매우 높은 온도에서 작업해야 한다는 단점이 있습니다.필요한 작업 온도를 낮추기 위해 다른 재료는 "플루싱제"(즉, 녹는점을 낮추는 성분)로 도입됩니다.일반 A 유리("알칼리 석회"를 뜻하는 A") 또는 소다 라임 유리, 이른바 칼렛 유리라고 불리는, 분쇄되어 재용해가 가능한 유리는 섬유 유리에 사용된 최초의 유리 유형이었다.E-유리("E")는 알칼리가 없으며 연속 필라멘트 형성에 사용된 최초의 유리제였습니다.현재는 세계 유리 섬유 생산의 대부분을 차지하고 있으며, 또한 전 세계적으로 붕소 광물의 단일 최대 소비국이다.염화물 이온 공격을 받기 쉬우며 해양 용도로는 적합하지 않습니다.S-유리('강도'를 뜻하는 S)는 높은 인장 강도(계수)가 중요할 때 사용되며, 따라서 건물과 항공기 건설용 복합 재료에서 중요하다.유럽에서는 같은 물질을 R-유리(R)라고 한다.C-유리('화학적 저항'을 뜻하는 C)와 T-유리('T'는 북미 변형 C-유리의 '열 절연체'를 뜻함)는 화학적 공격에 대한 내성이 있으며, 둘 다 종종 날아간 섬유 [7]유리의 절연 그레이드에 있습니다.

일반적인 파이버카테고리와 관련된 특성[8]
파이버 카테고리 특성.
A, 알칼리 소다석회유리/고알칼리
C, 화학 물질 높은 내화학성
D, 유전체 저유전율
E, 전기 낮은 전기 전도율
M, 계수 고장력 계수
S, 강도 고장력
특수 목적
ECR 장기 내산성 및 단기 내알칼리성
R과 Te 고온에서의 고장력 및 특성

화학

섬유용 유리섬유의 기본은 실리카, SiO입니다2.순수한 형태에서는 폴리머(SiO2)n로 존재합니다.실제 녹는점은 없지만 최대 1200°C까지 부드러워지며, 여기에서 분해되기 시작합니다.1713°C에서는 대부분의 분자가 자유롭게 이동할 수 있습니다.이 온도에서 유리를 압출하여 빠르게 냉각하면 질서 있는 [9]구조를 형성할 수 없습니다.폴리머에서는 실리콘 원자를 중심으로 4개의 산소 원자를 중심으로 4개의 사면체로 구성된 SiO기를 형성합니다4.그리고 이 원자들은 산소 원자를 공유함으로써 모서리에 결합된 네트워크를 형성합니다.

유리질 및 결정질 상태의 실리카(유리 및 석영)는 분자 기준으로 유사한 에너지 수준을 가지며, 또한 유리질 형태가 매우 안정적이라는 것을 암시합니다.결정화를 유도하기 위해서는 1200 °C 이상의 온도로 장시간 [4]가열해야 한다.

순수한 실리카는 완벽하게 생존 가능한 유리 및 유리 섬유이지만, 매우 높은 온도에서 작업해야 합니다. 이는 특정 화학적 특성이 필요하지 않는 한 단점이 됩니다.작업 온도를 낮추기 위해 불순물을 다른 재료의 형태로 유리에 주입하는 것이 일반적입니다.이러한 재료는 또한 다양한 용도에 도움이 될 수 있는 다양한 다른 특성을 유리에 부여합니다.섬유에 사용된 첫 번째 유리는 소다 라임 유리 또는 A-유리("A")였습니다.그것은 알칼리에 대한 내성이 별로 없다.새로운 무알칼리(<2%) 타입의 E-글라스는 알루미노 붕규산 [10]유리입니다.C-유리는 화학 물질, 주로 E-유리를 [10]파괴하는 산의 공격에 저항하기 위해 개발되었습니다.T-glass는 C-glass의 북미 변형입니다.AR 유리는 내알칼리성 유리입니다.대부분의 유리 섬유는 물 속에서의 용해도가 제한적이지만 pH에 매우 의존합니다.염화물 이온은 또한 E-유리 표면을 공격하여 녹입니다.

E-유리는 실제로 녹지 않지만 대신 연화점은 "0.55–0.77 mm 직경 섬유 235 mm가 수직으로 매달리고 분당 5 °C의 속도로 가열될 때 자체 무게에서 1 mm/min으로 늘어나는 온도"이다.[11]변형률은 유리의14.5 점도가 10포이즈일 때 도달합니다.어닐링 포인트는 내부 응력이 15분 만에 허용 가능한 상업적 한계까지 감소하는 온도이며,[11] 점도는 10포이즈로13 표시됩니다.

특성.

온도

유리 섬유 직물은 중량 대비 표면적 비율이 높기 때문에 유용한 단열재입니다.그러나 표면적이 증가하면 화학적인 공격을 받기 쉬워집니다.유리섬유 블록은 내부에 공기를 가두어 열전도율이 0.05W/(m·K)[12]로 단열성이 우수합니다.

선택한 속성

파이버 타입 인장 강도
(MPa)[13]		 압축 강도
(MPa)		 영률, E

(GPA)[14]

 밀도
(cm/g3)		 열팽창
(µm/m·°C)		 연화 T
(°C)		 가격.
($/kg)
전자 유리 3445 1080 76.0 2.58 5 846 ~2
C유리[14] 3300 -- 69.0 2.49 7.2 -- --
S-2 유리 4890 1600 85.5 2.46 2.9 1056 ~20

기계적 특성

유리의 강도는 보통 "처음" 또는 순수 섬유(제조된 지 얼마 안 된 섬유)에 대해 테스트 및 보고됩니다.가는 섬유가 연성이 높기 때문에 가장 신선하고 얇은 섬유가 가장 강합니다.표면이 긁힐수록 끈기가 [10]떨어진다.유리는 비정질 구조를 가지고 있기 때문에 섬유에 [9]따라 그리고 섬유 전체에 걸쳐 특성이 동일하다.습도는 인장 강도의 중요한 요소입니다.습기는 쉽게 흡착되어 미세한 균열과 표면 결함을 악화시키고 끈기를 떨어뜨립니다.

탄소 섬유와 달리 유리는 [9]깨지기 전에 더 많은 연신 현상을 겪을 수 있습니다.얇은 필라멘트는 [15]끊어지기 전에 더 구부러질 수 있습니다.용융 유리의 점도는 제조 성공을 위해 매우 중요합니다.섬유의 직경을 줄이기 위해 뜨거운 유리를 끌어당기는 공정은 상대적으로 점도가 낮아야 한다.너무 높으면 인화 중에 파이버가 끊어집니다.그러나 너무 낮으면 유리가 섬유로 빨려나가는 대신 물방울이 형성됩니다.

제조 공정

녹는

유리섬유 제조에는 크게 두 가지 유형이 있으며 유리섬유 제품에는 크게 두 가지 유형이 있습니다.첫째, 섬유는 직접 용해 공정 또는 대리석 재융해 공정 중 하나로 만들어진다.둘 다 고체 상태의 원재료부터 시작합니다.재료들을 함께 섞어서 용광로에서 녹입니다.그 후 대리석 공정에서는 용융재를 전단하여 대리석으로 압연하여 냉각하고 포장한다.대리석은 섬유 제조 시설로 보내져 캔에 삽입되어 재용융됩니다.용융된 유리는 부싱에 압출되어 섬유로 형성됩니다.직접 용해 프로세스에서 용해로 내의 용융 유리는 [11]부싱으로 직접 이동하여 형성됩니다.

형성

부싱 플레이트는 섬유를 만드는 기계에서 가장 중요한 부분입니다.파이버를 형성하기 위한 노즐이 들어 있는 소형 금속로입니다.거의 항상 내구성을 위해 로듐을 합금한 백금 합금으로 제작됩니다.백금이 사용되는 이유는 유리 녹는 물에 젖는 천연 친화력이 있기 때문입니다.부싱이 처음 사용되었을 때 100% 백금이었으며, 유리창이 부싱을 쉽게 적셔 노즐을 빠져나온 후 플레이트 아래로 흘러내려 하부에 축적되었습니다.또한 비용과 마모 경향으로 인해 백금은 로듐 합금으로 제작되었습니다.직접 용해 공정에서 부싱은 용융된 유리의 컬렉터 역할을 한다.유리를 섬유 형성에 적합한 온도로 유지하기 위해 약간 가열됩니다.대리석 용해 공정에서 부싱은 더 많은 [16]재료를 녹이기 때문에 용광로와 같은 역할을 합니다.

부싱은 섬유 유리 생산의 주요 비용이다.노즐 설계도 중요합니다.노즐의 수는 200~4000의 범위에서 200의 배수입니다.연속 필라멘트 제조에서 노즐의 중요한 부분은 출구 영역의 벽 두께입니다.여기에 카운터보어를 삽입하면 습기가 감소하는 것으로 나타났습니다.오늘날 노즐은 출구에서 최소 두께를 갖도록 설계되었습니다.노즐을 통해 유리가 흐르면서 물방울이 형성되고, 물방울은 끝에서 매달립니다.떨어지면서 메니스커스에 의해 부착된 실이 노즐에 남아 섬유 형성 시 점도가 올바른 범위 내에 있으면 됩니다.노즐의 고리형 링이 작고 출구 벽이 얇을수록 낙하 형성 및 낙하 속도가 빨라지며 [17]노즐의 수직 부분을 적시는 경향이 낮아집니다.유리의 표면 장력은 메니스커스의 형성에 영향을 미치는 것이다.E-glass의 경우 약 400mN/[10]m이어야 합니다.

노즐 설계에서는 감쇠(인출) 속도가 중요합니다.이 속도를 늦추면 광섬유가 거칠어질 수 있지만 노즐이 [4]설계되지 않은 속도로 달리는 것은 경제적이지 않습니다.

연속 필라멘트 공정

연속 필라멘트 공정에서는 섬유를 뽑은 후 사이즈를 부여한다.이 사이즈는 보빈에 감길 때 섬유를 보호하는 데 도움이 됩니다.적용되는 특정 크기는 최종 사용과 관련이 있습니다.어떤 사이즈는 가공에 도움이 되는 반면,[11] 어떤 사이즈는 합성물에 사용되는 경우 특정 수지에 대한 친화력을 갖게 하는 경우가 있습니다.크기는 보통 무게에 따라 0.5~2.0%로 추가됩니다.그런 다음 약 1km/[9]min의 속도로 감습니다.

스테이플 파이버 공정

스테이플 파이버 생산에는 여러 가지 방법이 있습니다.유리는 성형 기계에서 나온 후 열이나 증기로 폭파되거나 폭파될 수 있습니다.보통 이 섬유들은 일종의 매트로 만들어진다.가장 일반적으로 사용되는 공정은 회전 공정입니다.여기서 유리는 회전 스피너에 들어가 원심력에 의해 수평으로 튀어나온다.에어제트가 수직으로 밀어내리고 바인더가 도포됩니다.그런 다음 매트를 진공 청소기로 청소하고 바인더를 [18]오븐에서 경화시킵니다.

안전.

석면이 암을 유발한다는 발견과 그에 따른 대부분의 제품에서의 제거 이후 유리섬유의 인기가 증가했다.그러나 유리섬유의 성분(석면과 유리섬유는 모두 규산염섬유)이 [19][20][21][22]석면과 유사한 독성을 일으킬 수 있다는 연구결과가 나와 안전성에도 의문이 제기되고 있다.

1970년대 쥐를 대상으로 한 연구에서 직경 3μm 이하, 길이 20μm 이상의 섬유질 유리는 '발암물질'로 밝혀졌다.[19]마찬가지로, 국제 암 연구 기구는 1990년에 그것이 "발암 물질로 예상될 수 있다"는 것을 발견했다.한편 미국정부산업위생사회의는 증거가 불충분하며 유리섬유는 A4그룹에 속한다고 밝히고 있다: "인간의 발암물질로 분류할 수 없다."

북미절연제조자협회(NAIMA)는 유리섬유가 자연적으로 발생하는 [23]것이 아니라 인공이기 때문에 석면과 근본적으로 다르다고 주장한다.그들은 유리섬유가 "폐에서 분해된다"고 주장하지만, 석면은 체내에 평생 남아 있다.비록 유리 섬유와 석면이 모두 실리카 필라멘트로 만들어졌지만, NAIMA는 석면이 결정 구조 때문에 더 위험하고 더 작고 더 위험한 조각으로 쪼개진다고 미국 보건 복지부를 인용했다.

합성 유리 섬유[섬유 유리]는 석면과 두 가지 면에서 다르며, 낮은 독성에 대한 부분적인 설명을 제공할 수 있다.대부분의 합성 유리섬유는 석면처럼 결정성이 없기 때문에 세로로 쪼개져 얇은 섬유를 형성하지 않는다.그들은 또한 용해와 [24]횡파괴를 겪을 수 있기 때문에 일반적으로 석면 섬유보다 생물학적 조직에서 생물 저항성이 현저히 낮다.

1998년 쥐를 사용한 연구에 따르면 1년 후 합성섬유의 생체 저항도는 0.04-13%였지만 아모사이트 석면은 27%였다.더 오래 지속되는 섬유는 발암성이 [25]더 높은 것으로 밝혀졌다.

유리 강화 플라스틱(섬유 유리)

주요 기사:유리섬유

유리강화플라스틱(GRP)은 유리섬유로 강화한 플라스틱으로 이루어진 복합재료 또는 섬유강화플라스틱입니다.흑연 강화 플라스틱과 마찬가지로 복합 재료는 일반적으로 섬유 유리라고 불립니다.유리는 CSM(Shopped Strand Mat) 또는 직물 [6][26]형태일 수 있습니다.

다른 많은 복합 재료(예: 철근 콘크리트)와 마찬가지로 두 재료는 서로 작용하여 서로의 결함을 극복합니다.플라스틱 수지는 압축 부하에 강하고 인장 강도가 상대적으로 약한 반면 유리 섬유는 장력이 매우 강하지만 압축에 저항하지 않는 경향이 있습니다.GRP는 두 재료를 조합함으로써 압축력과 인장력 모두에 [27]잘 저항하는 재료가 됩니다.두 가지 재료를 균일하게 사용하거나 인장 [6][26]하중을 받는 구조물 부분에 유리를 배치할 수 있습니다.

사용하다

일반 유리 섬유에는 단열재, 전기 단열재, 방음재, 고강도 직물 또는 내열 및 내식성 직물용 매트 및 직물이 사용됩니다.그것은 또한 텐트 기둥, 장대높이뛰기 기둥, 화살, 활과 석궁, 반투명 지붕 패널, 자동차 차체, 하키 스틱, 서핑보드, 선체, 종이 벌집과 같은 다양한 재료들을 보강하는 데 사용된다.깁스에서 의료용으로 사용되었습니다.유리섬유는 FRP 탱크 및 [6][26]선박 제조에 광범위하게 사용된다.

아스팔트 [28]포장을 보강하기 위해 개방 직조 유리 섬유 그리드를 사용합니다.부직포 유리섬유/폴리머 블렌드 매트는 아스팔트 에멀젼을 포화시킨 후 아스팔트로 코팅하여 방수, 균열 방지막을 형성합니다.강철 철근 대신 유리섬유 강화 폴리머 철근을 사용하는 것은 강철 부식 회피를 [29]원하는 부위에 유리 섬유 강화 폴리머 철근이 사용됨

잠재적인 용도

유리 섬유 사용은 최근 짧은 인산염 유리 섬유의 전계 배향으로 골아세포의 증식과 개선된 표면 화학을 통해 골형성 품질을 개선할 수 있는 관절[30] 치환을 보조하는 생물의학 응용 분야에서 사용되고 있습니다.나트륨 기반의 유리 섬유가 리튬 이온 배터리의 리튬을 보조하거나 대체하기 때문에 전자 응용[31] 분야에서 다른 잠재적 용도가 있습니다.

유리섬유 제조에서의 재활용 역할

유리 섬유 단열재 제조업체는 재활용 유리를 사용할 수 있습니다.재생 유리 섬유에는 최대 40%의 재생 [32][33]유리가 포함되어 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

주 및 참고 자료

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외부 링크

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