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유리섬유
유리섬유(琉璃纖維, Glass fiber)는 유리를 섬유처럼 가늘게 뽑은 물질이다.
단열성이 뛰어나고 녹슬지 않는데다 가공이 쉬워 건물 단열재 등 석면의 대용품으로 쓰인다. 석면 문서를 보면 알겠지만 석면이 치명적으로 위험한 물질이라는 사실이 뒤늦게 알려지면서, 최근에는 석면 대신 유리 섬유를 많이 이용하는 추세다. 물론 유리섬유도 분말을 흡입하면 일시적으로 기침과 같은 증세가 나타날 수는 있고, 잘못 만지면 따갑거나 상처가 생길 수 있긴 하지만 폐에 침투하여 악성중피종 같은 무서운 질병을 일으키는 석면과는 비교할 수 조차 없을 만큼 안전한 물질이라는 것이 현재까지의 평가다. 참고로 탄소나노튜브는 석면과 동일하게 암을 일으킨다.
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개요[편집]
유리섬유는 주로 규산염으로 이루어진 무기물 계열의 섬유상 물질이다.
유리 섬유의 강도는 매우 높지만 신도는 매우 작고, 내굴곡성과 내마찰성이 적고, 깨지기 쉽다. 또한 불연이며, 불화수소를 제외한 산과 유기 용매에 상당히 안정하다. 비중이 커서 무거우므로 의복용으로는 부적당하나, 내일광성, 방화성이 요구되는 커튼과 전기 담요, 실내의 천장과 벽지, 방음 및 보온재와 석유 난로의 심지로 사용되며 공업용 여과포 등으로 다양하게 사용된다. 또한 섬유보강플라스틱(FRP, Fiber Resisted Polymer)등에 보강제로 사용된다.
역사[편집]
1893년 에드워드 드러먼드 리비(Edward Drummond Libbey)는 세계 컬럼비아 엑스포에서 실크 섬유 직경과 질감을 가진 유리 섬유를 결합한 드레스를 전시했다. 오늘날 유리섬유는 1932년 오웬스 코닝(Owens－Corning Fiber Glun)의 게임스 슬레이터(Games Slayter)에 의해 빌딩의 열절연재로 사용될 재료로 발명되었으며 파이버글라스(Fieberglass)라는 상표명으로 판매되고 있다.
제조 및 특성[편집]
유리섬유의 재료로는 실리카(silica), 석회석(limestone), 붕사(boron) 등이 주를 이루며, 원료 조성에 따라 A(고알카리용), C(화학용), E(전기부품용), S(고강도용) glass fiber로 구분된다.
상업용으로 이용되는 유리섬유는 실리카가 50~60%를 차지하며, 그 밖에 Ca, B, Na, Al, Fe 등의 산화물이 혼합된 형태로 구성된다. 유리섬유에서 순수한 실리카(SiO₂)는 용융점이 높기 때문에 용해점을 낮추는 성분을 혼합한다.
유리섬유를 만들기 위해 위와 같은 원료를 혼합한 후 전기로에서 직접 1500℃ 이상 고온으로 용융시킨다. 고온으로 용융된 원료를 직경 0.793 to 3.175 mm (0.0312 to 0.125 in.) 인 백금노즐을 통해 필라멘트 상으로 뽑아낸다. 섬유의 직경은 뽑아내는 속도가 빠를수록 작아지며 보통은 직경 3-20㎛ 굵기의 유리섬유 필라멘트가 만들어진다. 인출된 필라멘트는 서로 마찰을 일으켜 유리섬유 표면이 손상될 수 있기 때문에 마찰에 의한 강도저하를 최소화 하기위하여 인출된 필라멘트는 Binder로 표면처리 (sizing) 하면서 고속 와인더로 cake 혹은 로빙모양으로 감는다. binder는 주로 starchoil emulsion인데, binder 처리를 통해 섬유를 보호해주고 처리를 쉽게 해준다. 유리섬유 생산 후에 binder는 제거된다. 백금노즐로부터 방사된 필라멘트를 50~2000가닥씩 Binder로 집속한 것을 스트랜드(strand)라고 한다. 이것에 꼬임을 가하여 권취한 것을 얀(yarn)이라고 하며, 꼬임(twisting) 을 가하지 않고 권취한 것을 로빙(roving) 이라고 한다. Glass Fabric 은 단사, 합연사, 특수 yarn을 사용하여 제직한 것으로, 사용된 yarn의 종류와 직조형태에 따라 다양한 형태의 제품이 생산된다. Glass fabric 과는 달리 조각난 strand를 Binder로 결합시켜 여러 층으로 성형한 Mat는 유리섬유의 길이가 50 mm 정도로 짧은 Chopped strand mat 와 자르지 않고 만든 Continuous strand mat가 있다. 또한 Milled fiber는 유리장섬유를 미세하게 분쇄하여 제조한 것으로 수지에 충진시켜 성형제품을 생산하는데 쓰인다. 보통의 유리섬유는 매우 미세한 수많은 유리 섬유로 구성된 물질이다.
성질[편집]
고온에 잘 견디고 불에 타지 않는다. 흡수성은 없고 흡습성은 적다. 화학적 내구성이 있으므로 부식하지 않는다. 강도, 특히 인장강도가 강하고, 신장률이 적으며, 전기 절연성이 크다. 내마모성이 적고, 쉽게 부서지며, 부러지는 성질이 있다. 비중은 나일론의 2.2배이고 무명의 1.7배이다. 매트로 만든 유리섬유는 단열·방음성이 좋다.
종류[편집]
유리 섬유 강화 플라스틱[편집]
FRP(Fiber Reinforced Plastic)의 일종이다. 영어로는 Fiberglass, 혹은 GFRP(Glass FRP)라 부른다. 철근 콘크리트가 그물 모양의 철근 위에 콘크리트를 부어 서로 약한 부분을 보완함으로써 그 강도를 높이는 것과 비슷한 원리다. FRP의 경우에는 유리섬유에 플라스틱 재질의 일종인 페놀수지 등을 액체 상태로 만들어 바른 다음 여러겹을 겹쳐 포개거나, 혹은 유리섬유 주변에 그냥 액체 상태의 플라스틱을 부은 다음 굳힌다.
이렇게 만든 유리섬유강화 플라스틱은 일반 플라스틱 수준으로 가벼우면서도 대단히 튼튼하기 때문에 낚시대, 우산이나 텐트용 폴대, R/C 장난감 같은 생활용품은 물론 산업용 기계나 차량, 항공기, 미사일, 풍력 발전기에도 쓰인다. 특히 유리섬유는 일종의 직물이다 보니 '결' 방향이 있는데, 여러겹의 유리섬유를 겹칠때 이 결 방향을 어느 각도로 붙이냐에 따라 유리섬유의 특성이 대단히 달라진다.
유리섬유강화플라스틱을 비롯한 FRP들, 즉 전반적인 섬유강화플라스틱류에는 제작 방식이 유리섬유강화플라스틱과 비슷한게 많은데, 예를 들어 탄소섬유를 이용하는 CFRP(Carbon FRP)도 있다. 기계적인 특성상 GFRP는 CFRP보다 무겁고 강도와 강성면에서 뒤떨어지지만, 그만큼 가격이 저렴하기 때문에 각자가 모두 일장일단이 있는 편이다.
흔히 하이바라 부르는 안전모나 오토바이 헬멧 역시 이 유리강화섬유플라스틱으로 많이 만든다.'하이바'는 Glass Fiber(글라스 파이버), 즉 유리섬유를 뜻하는 영 단어에서 나온 명칭. 국내 업체로는 한국화이바가 유명하다.
아카데미과학에서 에어소프트건을 만들 때 이 물질을 대량 사용한다. 다른 회사들도 메인스프링 가이드 같이 힘받는 부분에 이 물질을 활용한다. 저질 아연합금보다 내구성면에서 더 낫다.
단열재[편집]
녹은 가느다란 유리관을 솜사탕 기계와 똑같은 원리의 기계에 넣어서 "유리솜사탕"을 만든 뒤 수지 등의 접착제를 코팅하여 솜 형태로 뭉친 건축용 단열재를 일컫는다. 영어로는 글라스 울(Glass wool)이다. 회사마다 유리섬유의 색상이 다른데, 불연성능을 구분한 것은 아니고 색상의 차이는 인슐레이션을 만드는 회사가 사용한 코팅제의 색상 차이일뿐 이다. 분홍색은 오웬스코닝이라는 회사가 유명하며 노란색 제품으로는 이소바라는 회사가 유명하다. 압도적으로 많이 쓰이는 분야는 공조(덕트)다. 폴리에틸렌폼(토이론) 보온재나 고무발포 보온재보다 압도적으로 저렴하기 때문이다.
단열재뿐만 아니라 스피커를 만들 때도 흡음재로 많이 쓰인다.
용도[편집]
유리섬유는 석면(asbestos)이 암을 유발한다는 것이 발견된 후 인기가 높아졌다. 그러나 이 유리섬유 역시 석면과 유사한 독성을 일으킬 수 있다는 연구 결과도 많이 나온 상황이다.
일반 유리섬유의 용도는 열절연, 전기 절연, 방음 소재, 고강도/내열/내식성 직물 등에 사용된다. 주로 텐트 폴, 장대높이뛰기 막대, 화살, 활과 석궁, 낙싯대, 하키스틱 등과 같은 스포츠 소재로 많이 사용된다. 반투명 지붕 패널, 자동차 차체, 서프보드, 보트 선체 등 다양한 재료를 보강하는 데도 사용된다. 유리섬유로 보강된 섬유강화플라스틱(FRP)은 각종 무기, 선박 등을 만드는 데 널리 사용되는 소재로서, 높은 강도가지고 있다. Felt의 형태로 제작된 소재는 흡음성, 단열성이 높은 소재로 건축 및 산업현장에서 다양하게 사용되며, 불연성으로 화재시 연기. 유독성 물질을 방출하지 않는다. 유리섬유 제조시 재활용 유리를 활용하기도 한다.
최근에는 가늘게 만든 유리섬유가 광통신에 중요하게 사용되고 있다. 빛을 전송하는 관(管)으로서는 보통 고굴절률(高屈折率)의 유리를 코어로 하여 그 둘레에 저굴절률의 유리를 씌운 것(클래딩)을 쓰는데, 이것은 입사한 빛을 손실 없이 다른 쪽 끝으로 전송하기 위한 것이다. 이와 같이 외부 물질의 굴절률이 낮은 경우 내부 전반사가 가능한 조건이 된다. 약 42도 이하의 각도로 유리벽에 입사되면 거울처럼 반사된다. 이렇게 빛은 광섬유의 내부 벽에서 반복적으로 반사되면서 광섬유 케이블을 따라 이동한다.
재활용[편집]
유리섬유 단열재 제조사들은 재활용한 유리를 사용할 수 있다. 재활용 유리섬유는 최대 40%의 재활용 유리를 포함한다.
제품종류[편집]
- 춉스트랜드 매트 ; Chopped Strand Mat는 욕조, 정화조, 물탱크, 선박, 레저용 구조물, 운송용 물품 등의 제조에 사용되는 제품으로서유리섬유에 유기물이 부착되어 1차 반제품으로 감긴 후 건조 공정을 거쳐 3~5cm길이로 절단되어 임의 방향으로 분산 후 olyester Mat Powder를 접착제로 사용하여 압착된 부직포 형태로제조된다.
- 로빙크로스 : 로빙크로스는 로빙을 직조하여 만든 두꺼운 직물로서 균일한 두께와 높은 강도가 요구되는 대형 FRP성형품의 보강재로서 사용된다. 특히 당사는 로빙크로스용으로 개발된 로빙을 사용하기 때문에 함침성과 작업성이 매우 우수하다.
- 멀티로빙 : 멀티로빙은 수 많은 필라멘트 가닥을 집속한 스트랜드를 소정의 번수가 되도록 균일하게 권취하여 ROLL 형태로 만든 것이다. 멀티로빙은 FRP의 강화재로서 가장 응용범위가 넓은 제품이다. 1ROLL당 무게가 약18Kg으로 연속 적층법 및 스프레이업 등의 성형법에 의해 자동차 부품,산업용 공업부품,욕조,평파판등 넓은 분야에서 사용된다.
- 싱글로빙 : 싱글로빙은 꼬임이 없고 끝이 한가닥인 필라멘트의 다발로 형성되어 있다. 싱글로빙은 종래의 FRP에 비해 높은 기계적 강도를 얻을 수 있는 필라멘트 와인딩, 인발성형법 등에 의해 파이프,텐트폴,각종 탱크등을 제조하는 데 사용된다.
- 춉스트랜드 : 춉스트랜드는 스트랜드를 일정 길이로 절단한 것으로 엔지니어링 플라스틱을 비롯한 열가소성 수지의 보강재,열경화성 수지의 경우 BMC 등의 용도에 사용된다.
- Glass Cloth(얀크로스) : YARN을 가지고 직조한 것으로 직조한 방법이 평직,횡직,주자직등이 있고 F.R.P할 때 보강용으로 사용하며 Glass Choth를 사용하면 뛰어난 강도를 올릴 수 있다. (용도는 계기판,낚싯대,테이프,커텐,카트날,장대높이뛰기봉,건축용보강제,헬멧)
- 콘티뉴스MAT : 인잭션이나 RTM,인발에 사용하며 아직까지 국내생산이 안되며 국내 사용하는 것은 미국의 OCF, 유럽의 생고망,일본의 ASAHI등이 수입된다. 용도는 자동차부품,욕조,의자,세면기,기계카바 등이 있다.
- 코아MAT : MAT와 중간재질로 사용하며 수리가 적게들며 가벼우면서 MAT와 같은 강도를 요하는 제품에 사용하며 중량을 경량화 할 때 사용한다. 종류에는 1MM,2MM,3MM,4MM,5MM 가 있다.
- SCMAT : 알카리 MAT로서 내식용,일반 FRP제품마무리 몰드용 및 라이닝용으로 사용하며(1㎡당 30g 7.5Kg 250M) 외국산이다.
유리섬유와 석면의 차이[편집]
물질 유리섬유 석면 인조무기비정질 천연무기질 결정체 화학조성(W%) SiO₂ 53~56 33~42 Al₂O₃ 13~16 0~2 CaO 18~23 0~5 MgO 0~5 38~46 산화철 0~0.4 0~8 R₂O 0~1 - R₂O₃ 0~1 - 결정수 - 12~18 섬유의 형태 직경(㎛ ) 9~23 섬유직경이 정규분포를 이룬다. 0.02~0.06 섬유직경이 정규분포를 이루지 않는다. 길이 3mm 이상 1㎛ 이하~10㎝ 이상 형태 횡방향으로는 잘라지나 종방향으로는 쪼개지지는 않는다 직경의 변 화가 없음 섬유집합체는 종방향으로 얇게 쪼개지는 형상을 이룬다. 직경이 작아짐 내산성 약함 약함 내식성 내알카리성 약함 우수함 체내용해성 잘 용해됨 용해되지 않음
참고자료[편집]
- 〈유리섬유〉, 《두산백과》
- 〈유리섬유〉, 《물리학백과》
- 〈유리섬유〉, 《나무위키》
- 〈유리섬유〉, 《위키백과》
- 코알군, 〈유리섬유(Glass Fiber)〉, 《네이버 블로그》, 2020-04-05
- 하드, 〈GLASS FIBER (유리섬유) 정의 & 종류〉, 《네이버 블로그》, 2017-08-03
같이 보기[편집]
