비산회를 이용한 회섬유제조에 관한 연구

양 현 수, 이 규 철, 박 주 식*, 손 응 권*

충남대학교 대학원 공업화학과

* 한국에너지기술연구소

Studies on the Preparation of Fiber Using Fly Ash

Hyun S. Yang, Kyu C. Lee, Chu S. Park*, Eung K. Shon*

Dept. of Industrial Chemistry, Graduate School, Chungnam

National University, Taejon 305-764, Korea

*Korea Institute of Energy Reaserch, Taejeon 305-343, Korea

1. 서론

비산회(fly ash)란 석탄화력발전소에서 연소과정중에서 가연성분이 연소된 후 남는 잔류물중 연소가스에 동반되어 연소영역 밖으로 배출되는 비교적 입자가 작은 물질로 주성분이 규사와 알루미나이며 구형의 입자모양을 갖고있는 미세한 분말상태의 무기물질을 말한다. 현재 국내에서 발생된 비산회는 시멘트 혼화재로 일부 사용되고 있으며 대부분이 ash-pond에 매립되어진다. 선진국과 비교하여 비산회의 재활용이 미약할 뿐만 아니라 매립지가 포화상태여서 비산회의 처리문제가 시급한 과제로 대두되고 있다. 석탄회의 재활용은 시멘트 혼화재 및 점토대용, 유기질 비료, 경량골재, 건축재료, 유가금속회수 등과 같은 분야에 이루어지고 있다.  최근에 비산회로 부터 섬유를 제조하고 이를 경량골재의 강화재로 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

회섬유는 비산회의 용융방사법으로 제조되어지기 때문에 비산회의 용융성이 고려되어져야만 한다. 본 연구에서는 비산회의 용융성을 평가하기 위하여 용융온도를 측정하였으며 흐름성 평가를 위해서는 1300℃이상의 고온에서 측정가능한 점도장치를 제작하여 비산회의 점도를 측정하였다. 이러한 비산회의 용융성 결과를 활용하여 자체 제작된 용융방사장치를 이용 섬유화 실험을 하였다.

2. 실험

2.1. 비산회의 용융온도측정

본 연구를 위하여 구성분이 상이한 2종의 비산회를 선정하여 채취하였다. 비산회의 용융온도는 ASTM(D 1857) 측정법에 준하였다. 측정장비는 LECO AF-600을 사용하였다. 용융온도측정에는 비산회뿐만 아니라 융점강하제(flux)를 첨가하여 flux가 용융온도에 미치는 영향을 살펴보았다. flux로는 시약급 CaO와 MgO를 사용하였다.

2.2. 비산회의 점도 측정

점도측정장치는 1650℃까지 가열 가능한 고온 로(furnace)와 torquemeter 그리고 Pt/Rh 10% bob으로 구성되어있다. 점도를 측정하기 위하여 우선 비산회를 1500℃까지 가열하여 용융슬랙을 제조하였다. 용융된 슬랙이 균일한 온도를 갖도록 유지시킨 후 bob을 용융 슬랙에 장입 회전시키고 이때의 torque를 측정하는 방법을 사용하였다. 점도는 BROOKFIELD의 표준 점도용액을 사용 보정하였다. 점도측정은 1500℃부터 냉각시키며 25℃간격으로 측정가능한 온도까지 냉각시키며 수행하였다.

2.3. 섬유화 실험

섬유화장치는 고온 로, 방사 노즐, winder, 냉각장치등으로 구성되어 있다. 섬유화장치를 Fig. 1에 나타내었다. 회섬유는 먼저 비산회를 가열 용융시켜 glass mold에 용류하여 흑색 유리를 제조하고 이를 방사노즐에 넣어 방사온도를 변화시키며 제조하였다. 제조공정을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 1 Melt spinning equip.              Fig. 2 scheme of ash-fiber production

2.4. 섬유 인장 시험

제조된 섬유를 인장시험기(Shimadzu AGS-500B)를 이용하여 ASTM(D3379)방법에 따라 측정하였다. 제조된 회섬유를 40mm로 절단하여 인장길이가 2.54cm가 되도록 고정한 후에 2mm/min의 인장속도로 tensile strength, modulus of elasticity를 측정했다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 비산회의 용융온도

화학조성분석결과 Acid oxides(SiO2, Al2O3)가 B-비산회는 90%, H-비산회는 79%로 측정되었고 Base oxides(Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O)는 각각 10%와 21%로 측정되어 상이한 조성을 보여 주었다. CaO flux첨가시 B-비산회는 첨가비 40%에서 ASTM 유동온도(FT)가 1256℃로서 최대 융점강하(□T 302℃)효과를 얻을 수 있었고 H-비산회는 첨가비 30%에서 최저 유동온도 1271℃을 얻을 수 있었다. MgO flux첨가시에는 B-비산회는 첨가비 20%에서 유동온도 1349℃, H-비산회는 첨가비 10%일 때 1285℃의 최저 유동온도를 나타내었다. 단일 flux첨가에 의한 융점강하 실험 결과 융점강하효과는 CaO flux가 크나 MgO flux의 경우 상대적으로 적은 첨가비(10%-20%)에서 최대 융점강하효과를 얻을 수 있었다. 혼합 flux첨가에 의한 융점강하 실험에서, B-비산회와 H-비산회 모두 flux첨가비 30%(CaO/MgO: 25%/5%)에서 최대 융점강하효과를 얻을 수 있었다.

3.2. 비산회의 점도

H-비산회와 CaO flux 20%를 첨가한 시료를 대상으로 온도변화에 따른 점도를 측정한 결과 ASTM 연화온도(ST) 이상에서 점도를 측정할 수 있었고 그 값은 화학적조성으로 부터 산출되는 Watt & Fereday의 식에 의한 결과와 일치된 경향을 나타냈다. 점도측정 결과 용융시 완전 액상으로 원활한 유동을 보여주는 점도 80poise이하는 H-비산회의 경우는 1500℃이하에서 측정할 수 없었고 용융시료가 흐름성을 갖는 기준인 점도 250poise는 1450℃이상에서 형성되었다. H-비산회에 비교하여 CaO flux를 20% 첨가한 시료는 1500℃에서는 200poise, 1400℃에서는 470poise까지 점도를 낮출 수 있었다.

3.3. 비산회로부터 회섬유의 제조

방사온도 (℃)	방사속도 (cm/s)	Tensile Strength (Kgf/mm2)	Modulus of Elasticity (Kgf/mm2)
1350-1400℃	7	0.40	29.12
1350-1400℃	14	0.53	39.91
1350-1400℃	21	2.12	158.53

회섬유제조시 방사노즐에 담겨있는 용융슬랙은 충분한 유동성을 갖는 온도로유지되는 것이 좋으나 장섬유의 제조를 위해서는 노즐의 첨단부위는 비교적 고점도를 갖는 1350℃내외로 유지될 때 최적의 방사조건을 갖을 수 있었다. 동 조건의 방사온도에서 얻어진 회섬유의 직경은 20∼70□m의 범위에서 관찰할 수 있었으며 각각의 직경은 방사속도 7cm/s, 14cm/s, 21cm/s에 따라 평균 70□m, 60□m, 30□m로 측정되었다.  얻어진 섬유의 인장시험결과 방사속도의 증가에 따라서 섬유의 평균직경이 감소하였으며 인장강도도 증가하였다. 또한 인장강도의 증가시 탄성율이 증가하는 결과를 보여주었다.

Table 1. Properties of ash fiber manufactured from fly ash

참고문헌

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6. 이시훈, 박주식, 임영준, 김형택, 화학공학, 34, 8, (1996).

Fig. 3 The effect of CaO addition on the    Fig.4 The effect of MgO addition on the

fusion temperature.                        on the fusion temperature.

Fig. 5 The effect of CaO/MgO addition       Fig. 6 Viscosity curves of ashes

on the fusion temperature                    with temperature

Fig. 7 SEM photomicrograph of ash fiber