천연 현무암(화산암) 섬유의 소개
Chemical Fibers International
최근 수년간 새로운 화학섬유가 연이어 시장에 발표되고 있음. 그 중 하나인 “섬유화”된 현무암은 혁신적인 섬유로서 기존 특수 유리섬유와 탄소섬유가 차지하고 있는 高기능성 섬유분야를 중심으로 상업화가 진행되고 있음.
동 섬유의 최초 상업생산은 러시아 및 우크라이나에서 이루어졌으나, 최근 특성에 맞춘 경쟁력 있는 가격을 확보하면서 서유럽의 업체 및 연구소에서 관심이 확대되고 있음.
1. 현무암(화산암)섬유의 정의
현무암은 화산암의 일종이며, 마그마가 방출활동에 의해 지구내부에서 표면으로 흘러나와 고체化되어 형성된 것임. 특히, 동 암석은 해령 및 대륙 등지에서 발견되는 가장 큰 형태의 화산암중 하나로 볼 수 있음.
현무암의 고체化시 냉각속도에 따른 결정의 성장은 심성암(화성암)과 비교해 매우 적음.또한, 미네랄의 함유량 및 화학적 조성은 원래 암석이 존재하던 지리적 위치에 따라 상이함.
일반적으로 현무암은 이산화규소(SiO2)가 전체의 45~52%를 차지하고 있으며, 산화알루미늄(Al2O3) 12~16%, 산화철 6~18%, 알칼리토금속 10~20%, 알칼리 2~8% 등으로 구성되어 있음. 결정부분은 주로 조장석 혹은 사장암과 같은 사장석 및 휘석으로 이루어져 있음.
2. 현무암 섬유의 방사공정
현무암의 방사공정은 1923년 Paul Dhe에 의해 특허출원 되었음. ‘60년대초 舊소련정부의 지원하에 다양한 연구가 개시되었으며, 군사용으로서 현무암의 생산노하우를 비공개로 유지하려고 함.
그러나 ‘91년이후 현무암 생산업체가 사유화되고 이에 대한 기술도 완전공개化 되었음. 그럼에도 불구하고 와중에도 러시아와 우크라이나 등지에서만 생산이가능하였음.
현재까지 알려진 바에 따르면, 현무암과 유리의 섬유화공정은 매우 유사함. 원료를 용융시킨 후 공급관(토관)을 통해 방사구로 이동시킴. 공급관(bushing)은 백금/로듐의 합금으로 제조되며, 말단에는 노즐이 위치해 있어 용융체를 유체 역학적 압력을 통해 밀어내게 됨.
동 용융체는 연신이 이루어지며, 고체화 온도내에서 냉각됨. 생성된 필라멘트는 사이징 공정을 거쳐 와인더에 의해 권취, 마무리됨. 현무암 섬유는 일반적인 유리섬유와 달리 밝은 색의 다양한 산화물로 구성된 천연암석임. 화학적 조성은 주요 공정요소에 따라 달라질 수 있으며, 용융체의 점도, 공정상의 온도 등에 크게 의존함.동 섬유의 물리적 특성과 안정성은 화학적 조성에 의해 영향을 받고 있음. 일반적으로 점도는 용융체내 산화물의 조성에 따라 달라지며, 이산화규소와 산화알루미늄은 용융점도를 높일 수 있으나, 기타 성분은 낮추는 역할을 함. 현무암 및 유리는 생산공정과 응용분야가 유사하나, 현무암은 유리와 비교하여 생산기술 및 품질면에서 차세대 섬유소재의 하나라고 볼 수 있음. 현무암의 고유특징중 하나로는 산화물이 많이 포함되어 있어 어두운 색을 띠며, 용융공정에서 적외선 방출을 감소시킬 수 있음. 동 산화물은 현무암 용융체의 균일한 열분포를 제한하는 역할을 함. 720~1,050℃의 용융체내에서 鐵산화물은 결정화를 이끌게 되며, 이는 필라멘트의 기계적 특성을 낮추는 것으로 알려짐.
현무암의 용융점은 약 1,450℃에 달하나 화학적 조성에 따라 차이가 있으며, E-glass 섬유에 비해 300℃이상 높음. 또한, 방사온도는 용융점도의 거동과 관계되어 있으나 그 범위가 좁은 편이며, 노즐에서 높은 수준의 열균절성을 요구하고 있음.
E-glass의 점도/온도거동에 따르면, 최대 5,000℃개의 노즐이 있는 공급관 (bushing)을 활용할 수 있으나, 현무암은 그 특성상 200~400개(일부의 경우 1,000개)의 노즐만을 활용할 수 있는 것이 단점임.
섬유생산用 현무암은 안정된 조성을 가져야 하며, 고체결정 잔유물이 없이 용융체를 형성할 수 있어야 함. 반면, 유리는 이와는 상이하지만 高순도로서 爐내에서 완벽한 혼합성분을 갖춘 원료이므로 섬유화가 유리함.
3. 현무암 섬유의 용도 및 경쟁상대
제품의 품질면에서 현무암섬유는 E-glass의 대체소재로서 활용할 수 있음. 특히, 풍력발전用 블레이드, 파이프, 유류/가스/화학물질用 압력용기, 자동차 부품, 시멘트 보강재, 아스팔트 첨가제, 기타 구조/여과/방염/전기/루핑用 직물 등에 활용이 가능함.
유리의 장점으로는 인공적으로 조성을 바꿀 수 있으므로 단일 산화물이 작용하여 나타나는 최종제품의 특성을 최적화할 수 있음. 위의 표에서 보이는 바와 같이 다양한 특수 유리섬유는 개별 용도에 맞추어 개발, 사용되고 있음. 일례로 S-glass내의 이산화규소 및 산화알루미늄은 비율이 높아질수록 열적 안정성 및 영률(Young's modulus)을 강화시킬 수 있으며, AR-glass의 산화지르코늄(ZrO2)은 알칼리 용액에서의 용해성을 낮춤으로서 시멘트에 대한 내성을 강화시키는 역할을 함.
4. 현무암 섬유와 E-glass간의 특성비교
현무암 섬유의 특성은 일반화하기 어려우며, 이를 구체화/객관화하지 못해 아직까지 밝혀지지 않은 부분이 많음. 현무암은 천연암석으로서 암석의 조성은 원석에 좌우되고 있으며, 단일 암석에서도 화학적 조성이 큰 차이를 나타냄. 일례로 인장강도, 영률이 높은 것은 산화알루미늄 및 이산화규소의 함량이 높기 때문이며, 우수한 내열성 및 열전도도는 산화철 성분이 높은 데 기인함. 단, 일반적으로 금속산화물의 함유량이 많을수록 내산성이 좋지 못하며, 이산화규소의 함유량이 많을수록 내알칼리성이 좋지 못함. 천연적으로 생성되기 때문에 화학적 조성이 일정한 특수 유리섬유와 특성을 비교하기 어려우나, E-glass대비 대부분의 특성이 우수함.
한편, E-glass는 기계/열/화학적 특성은 우수하지 못하나, 현재 전체 보강用 유리섬유시장의 95% 이상을 점하고 있으며, 지난 70여년간 지속적인 개발을 통해 공정을 최적화함으로서 저가생산이 가능해짐.
반면, 현무암 섬유는 원료가 저렴하며 풍부한 장점이 있으나 관련분야에 대한 투자가 적어 확산범위가 적으며, 아직까지 기초/학술적인 연구만이 이루어진 상태임.
그러나 최근 수년간 유럽의 주요국은 현무암 및 천연암석 섬유의 생산을 시작하였음. 지난 10여년간 세계적으로 8개 업체가 현무암 섬유생산에 성공하고있음.
그 중 3개 업체는 서유럽으로서 오스트리아 Asamer Basaltic Fibers GmbH, 독일 Deutsche Basalt Faser GmbH, 벨기에 Isomatex S.A이며, 동유럽도 3개 업체로서 우크라이나 Kamenny Vek 및 Technobasalt-Invest, 러시아 Vulkan 등이 있음. 나머지 2개 업체는 아시아 업체로서 중국의 Pasia Fiber & Composite Co.,
Ltd, Zhejiang GBF Co., Ltd. 등이 있음.
5. 결론
현무암 섬유가 高기능성 섬유시장에서 확산되기에 위해서는 기술적 및 경제적 문제로 한계가 있음.
현무암 섬유의 생산설비가 적기 때문에 현재까지 일부 특수분야의 수요에 대응하는 데 그치고 있음. 동 섬유의 생산공정을 보면, 적정 수준의 품질로 제품을 생산하기 위해서는 코스트가 높은 것도 단점으로 지적되고 있음. 그러나 학계와 산업계에서는 원료에 대한 잠재력을 파악하는 데 집중하고 있으며, 방사거동 및 최종제품으로서의 가능성도 꾸준히 연구하고 있음. 오스트리아, 벨기에, 체코, 헝가리, 독일, 이태리, 스페인, 우크라이나, 러시아 등 여러 연구소 및 업체의 R&D 부서에서는 현무암 및 천연 암석섬유의 개발 및 생산에 노력하고 있음. 이에 따라 현무암 섬유는 이전과 같이 러시아 및 우크라이나에만 집중되지 않고 여러 국가에서 연구, 개발되고 있으며, 이로 인해 향후 전망이 매우 밝을 것으로 기대됨.
출처 : 한국화섬협회
http://www.kcfa.or.kr/bbs/view.php?id=fabric_data&page=1&sn1=&divpage=1&sn=off&ss=on&sc=on&select_arrange=headnum&desc=asc&no=67
