폐 소다석회 유리의 조성조절에 의한 발포유리블록의 제조 · 폐 소다석회 유리의 조성조절에 의한 발포유리블록의 제조 383 Appl. Chem. Eng.,

Original article

Appl. Chem. Eng., Vol. 24, No. 4, August 2013, 382-390

382

폐 소다석회 유리의 조성조절에 의한 발포유리블록의 제조

김정민⋅이철태†

단국대학교 공학부 화학공학전공

(2013년 2월 19일 접수, 2013년 4월 4일 심사, 2013년 4월 22일 채택)

Preparation of Foamed Glass Block from Recycled Soda-lime-silicate Glasses

by Chemical Composition Control

Jung-Min Kim and Chul-Tae Lee†

Department of Chemical Engineering, Dankook University, Gyeonggi-do 448-701, Korea

(Received February 19, 2013; Revised April 4, 2013; Accepted April 22, 2013)

소다석회 조성의 폐 병유리를 대상으로 효율적인 재활용방안을 찾기 위해서 발포화에 적절한 조성의 조절을 통해

직접 보온단열재 발포유리블럭을 제조할 수 있는 공정을 조사하였다. 폐 병유리의 직접 발포화를 위해 첨가되는 성분

및 조성은, 폐 유리분말 100중량부에 대하여 SiO2 10중량부, Na2SO4 0.5중량부, B2O3 3.0중량부, 그리고 발포제로서

카본 블랙류 탄소재 0.3중량부이다. 발포공정은 턴넬키른에서 진행하며, 발포소성 조건은 폐 유리분말의 입도는 -325

mesh, 발포소성온도는 830∼850 ℃, 발포시간은 30∼35 min이 바람직하다. 상기 조건하에 제조된 발포체는 밀도가 0.17

∼0.21 g/cm3, 열전도도 0.06 ± 0.005 kcal/h⋅m⋅℃, 수분 흡수율 1.1∼1.5%, 압축강도는 20∼30 kgf/mm

2의 물성을 나타

내었다.

Foaming process of waste soda lime glasses by just chemical composition control of vitreous feed materials was investigated

to find a novel and efficient recycling process. For the chemical composition control of feed materials, 10 wt. parts of SiO2,

0.5 wt. parts of Na2SO4, 3.0 wt. parts of B2O3, and 0.3 wt. parts of carbon black as the foaming agent were mixed with

100 wt. parts of soda-lime vitreous feed powder. Proper conditions for foaming process in tunnel kiln are the foaming temper-

ature of 830∼850 ℃, the foaming time of 30∼35 min, and the vitreous feed powder particle size of -325 mesh. Properties

of foamed glass blocks obtained under these foaming conditions showed the density of 0.17∼0.21 g/cm3, thermal conductivity

of 0.06 ± 0.005 kcal/h⋅m⋅℃, moisture absorption of 1.1∼1.5%, and compressive strength of 20∼30 kgf/mm2.

Keywords: foamed glass, recycling, waste soda-lime glass

1. 서 론1)

유리질 도시 폐기물은 유리의 분류상 공동유리에 속하는 병유리

(bottle glass)와 판유리에 속하는 후판유리(plate glass 또는 창유리)가

주류를 이루고 있으며 이들은 화학조성상으로 소다석회유리이다. 폐

판유리(plate glass)와 같은 한 가지 성상 또는 비교적 균일한 화학적

조성을 지닌 유리에 대해서는 그나마 유리섬유, glass bead 등으로 재

활용화가 이루어지나, 다양한 색깔의 폐 병유리의 경우, 국가마다 다소

차이가 있으나, 재사용하거나 또는 병유리 생산용 갈렛트로 재활용

하는 외엔 파쇄하여 위생 매립하거나, 매립지의 복토로 사용하려는

것이 고작이다. 이와 같이 폐 소다석회 유리류들은 유리 자체가 지니는

물리화학적 특성으로 재활용의 높은 가능성을 지니고 있는 물질임에도

† Corresponding Author: Dankook University

Department of Chemical Engineering

152, Jukjeon-ro, Suji-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do 448-701, Korea

Tel: +82-31-8005-3541 e-mail: [email protected]

pISSN: 1225-0112 @ 2013 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry.

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불구하고 회수되어 재사용되는 이외에는 다른 용도의 변환 등 실질적

인 재활용이 거의 이루어지지 못하고 있다[1-4]. 이러한 상황의 주된

이유는 첫째 소다석회유리 제품의 원료 물질 자체가 값싸고 손쉽게

구할 수 있으며, 둘째는 유리제품 자체가 다양하여 재활용을 위한 전

처리 비용이 높아 재활용품의 부가가치가 상대적으로 낮아지기 때문

이며 또한 유리 제품의 용도에 따른 구성 성분 및 유리의 특성이 다른

까닭에 이들 유리를 대량으로 손쉽게 처리할 수 있는 방안의 마련이

결코 쉽지 않기 때문이다.

이러한 상황을 극복할 수 있는 폐 소다석회 유리류의 재활용 방안은

유리가 지니는 있는 특성을 고부가가치를 창출하는 제품으로 전환하는

것이다. 유리류들이 지니고 있는 화학적 구성성분 및 이에 따른 물리적

특성으로 볼 때, 소다석회 유리질을 원료로 제안된 제품들 중 가장 효과

적인 제품은 보온단열재라고 할 수 있다. 소다석회유리를 이용한 보온

단열재는 가장 보편적인 것이 섬유상의 유리섬유와 괴상의 발포유리

블럭이다. 유리섬유는 제조공정상 원료자체가 특별한 조성을 지녀야

하는 제한점이 있음에도 그 부가가치가 낮다. 그러나 발포유리블럭은

높은 에너지와 정련된 발포소성공정을 요구하지만, 단열성능의 경년

열화가 매우 적고 일반벽돌의 9∼10배 단열효과를 갖는 고급의 경량

383폐 소다석회 유리의 조성조절에 의한 발포유리블록의 제조

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10

Green bottle glass

Brown bottle glass

Percent[%

]

Clear bottle glass

Particle Diameter[㎛]

Figure 1. Particle size distribution of various waste bottle glass sample

used in this study.

단열재인 까닭에 부가가치가 매우 높다[1]. 그러므로 폐 소다석회유리

를 발포유리제조용 원료로 이용할 수 있다면 이는 매우 효과적인 재

활용이 될 것이라는 점에 이의가 없다. 그러나 발포유리블럭제조는

발포소성을 위한 원료의 조성조절이 매우 까다롭기 때문에 쉽지 않다.

오늘날 상업적으로 운용되고 있는 발포유리블록 제조공장에는 발포

유리제조의 원료유리를 만드는 별도의 공정이 필요하다. 이 원료유리

제조에 다량의 에너지가 소요되고 그에 따른 시설투자 및 관리비용이

필요하기 때문에 발포유리 생산원가의 반 이상을 차지하고 있다. 그

러한 까닭에 다량의 에너지가 소요되는 발포유리제조를 위한 원료

유리 제조공정을 거치지 않고 폐 유리 등으로부터 직접 발포유리블록의

제조를 위한 공정이 제안된 바 있으며, 대표적으로 용융법[4], 가수분

해법[5,6], 조성조절법[7] 등이 있다. 용융법은 폐유리에 기존의 원료

유리의 조성과 비슷하도록 성분을 첨가한 다음 이를 용융시켜야 하므

로 기존 공정에 비하여 에너지 절감에 대한 효과가 크지 않으며, 가수

분해법은 유리의 가수분해반응을 위한 별도의 반응장치와 관련되는

추가적인 공정이 소요된다는 점은 피할 수가 없을 것이다. 이에 비해

조성조절법은 폐유리에 최적의 조성을 형성시켜서 별도의 원료유리

제조공정을 거침이 없이 직접 발포유리블록을 제조하는 것으로 현재

까지 가장 바람직한 발포유리블록의 제조공정으로 인식되고 있다. 저

자는 이러한 연구배경 하에 폐 소다석회유리를 직접발포유리블록의

원료로 사용가능성을 타진하기 위해 폐 소다석회의 물리화학적 특성

을 조사[8]한 바 있다.

따라서 본 연구에서는 재활용의 경제성이 낮은 폐 병유리 및 판유리

등 폐 소다석회유리를 대상으로 조성조절법의 원리에 따라 발포유리

제조에 필요한 다양한 성분의 첨가에 따른 발포특성을 조사하여 건축용

경량 단열재로 사용할 수 있는 발포유리블럭의 제조공정을 개발하고자

하였다.

2. 시료 및 실험

2.1. 시료

본 연구에 사용한 폐소다석회 유리는 소다석회 조성의 폐 유리병들

로서 색깔별로 녹색병, 갈색병, 무색투명병으로 구분 분리하여 사용

하였다[8]. 이들의 화학적 조성은 갈색 병유리는 “6Br”, 녹색 병유리는

“1G”, 그리고 무색투명 병유리는 “3C”의 것이다[8]. 조성조절을 위한

첨가제로 사용된 SiO2 및 Na2SO4, B2O3는 시판용 1급 시약을 사용하

였으며, 탄소계 발포제로는 국내 DY사의 카본 블랙(이하, ‘DY-carbon

black’로 표기)을 비롯한 몇 종류의 탄소재를 사용하였다.

2.2. 실험

2.2.1. 유리분말 시료의 준비

먼저 폐 소다석회유리 폐 병유리를 roll-mill로 1차 파쇄한 후 attrition

mill을 사용하여 400 rpm에서 1 h 동안 분쇄를 하였다. 이때 시료와

볼은 부피비로 1 : 8로 하였다. Figure 1은 이와 같은 분쇄공정을 거친

색상별 유리분말을 입도분석기(Malvern)를 이용하여 각각의 입도분포를

조사한 결과를 나타낸 것이다. Figure 1에 나타낸 바와 같이 색상별

유리들은 각각의 경도가 달라 100 µm 이상의 크기를 갖는 입자도

존재하는 등 분쇄된 유리분말의 입도가 각각 다르게 나타났다. 이에

따라 발포유리블럭 제조단계 실험에서 사용한 모든 색상별 유리분말

시료는 공히 325 mesh의 표준채를 통과한 유리분말을 대상으로 진행

하였다.

2.2.2. 발포공정

분쇄한 폐 소다석회유리분말에 탄소계 발포제와 조사대상의 첨가

제인 Na2SO4, B2O3, SiO2 등을 조건에 따라 첨가하고 ball-mill로 6 h

동안 혼합한 후에 이를 100 × 100 × 100 mm 크기의 거푸집에 장입한

후 턴넬키른에 도입한다. 턴넬 키른에 도입된 원료유리분말 혼합물을

담은 거푸집은 580∼600 ℃로 조정된 예열 단계를 거친 후 정해진 온

도의 발포소성단계에서 정해진 일정시간 발포화가 진행된 후, 이는

바로 550 ℃로 조정된 안정화단계를 거친 다음 40 ℃까지 서냉 열처리

과정을 거쳐 발포체가 제조된다.

2.2.3. 발포유리블록의 물성조사

제조된 발포유리블록에 대하여 밀도[9], 열전도도[10], 흡수율[11]

및 압축강도[12] 등의 물성이 조사되었으며 이 물성조사는 ASTM에

제시된 방법에 준하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 단일 성분첨가에 따른 발포거동

발포제 탄소재, Na2SO4, SiO2 및 B2O3 등의 각각 개별성분들이

폐 소다석회유리의 발포공정에 미치는 영향을 조사하였다. 각 개별성

분들의 영향을 조사하기 위하여 갈색 병유리를 대상으로 발포온도는

830 ℃, 발포시간은 30 min으로 적용하였다.

384 김정민⋅이철태

공업화학, 제 24 권 제 4 호, 2013

Figure 2. The effect of carbon amount added on the density of foamed

glass obtained from brown bottle glass.

Figure 3. The effect of Na2SO4 amount added on the density of

foamed glass obtained from brown bottle glass.

3.1.1. 발포제 탄소의 선정 및 첨가량의 영향

발포제 탄소의 물성 및 그 첨가량은 발포유리의 형성에 중요한 인자

이다. 본 연구에서 직접발포공정의 탄소발포제로서 DY-carbon black,

러시아산 carbon-black, KJ Black의 3종류의 카본 블랙류와 흑연계인

Lonza KS-6, 천연흑연을 가능성 있는 대상으로 하였다. 적절한 발포제

탄소의 선정은 여러 가지 조건에 좌우되나 발포제로서의 적용하기

위해서는 유리의 발포화가 가능한 온도인 유리의 연화점 이하에서는

분해되거나 산화분해되어서는 발포제로 사용할 수 없다. 그러므로 발

포조제로 사용가능한 탄소발포제는 일단 대상 원료유리의 연화점과

관계가 있다. 본 연구의 직접발포에 대상으로 하는 병유리는 병의 색

깔마다 약간씩의 차이가 있으나 이들 폐 소다석회유리들의 물성을 조

사한 전보[8]연구 결과에 따르면 대체로 이들의 연화점(Littleton’s

temp.)은 711∼758 ℃의 범위에 있다. 발포제 탄소는 발포 반응기구에

따라 그 산화반응이 유리의 연화점보다 아주 낮거나 또는 높을 경우

양호한 기포형성을 기대하기 어렵다. 이러한 기준으로 고려할 때 유리

자체만으로서 발포를 시도하는 경우 각 탄소류의 열분해 시험 결과[13],

최종 분해 완료온도가 이들 연화점보다 높은 Lonza KS-6, KJ-Black

보다는 DY-carbon black 또는 러시아산 카본블랙이 적절할 것으로

생각된다. 이러한 기준에 따라 본 직접발포에 적합한 탄소는 일단

DY-carbon black으로 선정하여 그 적합성을 조사하였다.

Figure 2는 갈색 병유리을 대상으로 탄소발포제외의 첨가제를 전혀

넣지 않고 단지 DY-carbon black만을 탄소발포제로서 폐유리분말 100

중량부에 대해 0.1중량부에서 1.0중량부까지 변화시키며, 발포소성

온도 830 ℃, 발포시간 30 min에서 발포한 후 얻어진 발포체의 밀도

변화를 나타낸 것이다. Figure 2에서 볼 수 있는 바와 같이 출발원료

유리에 다른 어떤 첨가제를 넣지 않고 단지 탄소발포제만을 0.1중량부

첨가하여도 발포체의 밀도는 0.9 g/cm3

이하로 낮아지는 것이 확인되

었다. 즉 유리의 밀도가 2.4∼2.6 g/cm3 정도인 점을 고려한다면 50%

이상 경량화가 이루어졌으며 선정된 DY-carbon black류의 탄소재가

소다석회유리의 발포화에 효과적으로 작용하는 것으로 판단된다.

그러나 탄소의 첨가량을 증가시켜도 발포화가 더 이상 진행이 되지

않는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 발포제탄소의 첨가만으로는

유리의 높은 용융점을 낮출 수 없기 때문에 발포화의 진행을 위한

유리의 연화가 진행되지 못하고, 또한 유리가 연화되지 않고서는

발포제로서의 작용이 한계점이 있음을 의미한다. 즉 이는 유리가

먼저 용융 연화되기 전에 발포화가 일어나기 어려우며, 탄소발포제만

으로서 결코 발포유리를 제조할 수 없음을 의미한다.

그러므로 대상으로 선정된 DY-carbon black의 발포제 탄소로써 적

합성 여부는 직접발포를 위한 나머지 첨가제 성분이 존재하는 조건에

서 다시 확인 가능하겠으나 적절한 양은 원료유리분말 100중량부에

대해 0.2∼0.3중량부가 바람직한 것으로 판단된다.

3.1.2. Na2SO4가 발포화에 미치는 영향

Figure 3은 갈색병 유리를 대상으로 발포제 탄소의 함량을 갈색 병

유리분말 100중량부에 대해 0.3중량부 되게 첨가하고, Na2SO4의 첨가

량을 유리분말 100중량부에 대해 0.1중량부에서 1.5중량부까지 변화

시키며, 발포소성온도 830℃, 발포시간 30 min에서 발포한 후 얻어진

발포체의 밀도 변화를 나타낸 것이다.

이 경우 탄소의 함량은 앞서 Figure 2의 결과에 따라 유리분말 100

중량부에 대해 0.3중량부 조건을 적용하였다. Figure 3에서 보는 바와

같이 출발원료유리에 Na2SO4의 함량만을 첨가하여 발포하였을 경우

에는 Na2SO4의 첨가량이 0.3중량부까지는 큰 영향은 없었으나 0.4중

량부 이상에서 발포화는 매우 효과적으로 진행되어 0.5중량부 조건에

서 가장 낮은 밀도를 나타내었다. Na2SO4가 일정량 이상 첨가되면서

발포화가 촉진되는 결과는 Na2SO4가 용융되면서 Na이온이 유리의 수

식제로 작용하여 연화기능을 함과 아울러 Na2SO4가 분해되면서 발

생되는 SO3가스가 발포화를 유리하게 촉진시키기 때문이다. 그러나

Na2SO4가 0.5중량부 이상 첨가되면 밀도변화는 없으나 발포체의 표면

이 불균일해지는 현상을 확인할 수 있었다. 이런 현상은 Na2SO4의 첨

가량이 일정조성보다 많아지면 유리가 연화된 상태에서 SO3 발생이

불균일하게 진행됨에 따라 야기되는 현상으로 보인다. Figure 4는 갈색

병유리를 대상으로 유리분말 100중량부에 대해 탄소발포제 0.3중량부



(a) No additon (b) 0.1 wt parts (c) 0.5 wt parts (d) 1.0 wt parts

Figure 4. The surface characteristics of foamed glass obtained under various conditions of Na2SO4 amount added.

Figure 5. The effect of SiO2 amount added on the density of foamed


Figure 6. The effect of B2O3 amount added on the density of foamed


가한 후 Na2SO4의 양을 달리하며 발포온도 830 ℃, 발포시간 30 min

으로 하였을 때 얻어진 발포유리의 표면사진을 나타내고 있다. Figure 4

에서 나타난 것처럼 Na2SO4 1.0중량부 첨가의 경우, 발포 기공의 크기

가 2 mm 이상으로 크게 형성되었고 발포벽의 두께가 0.1∼0.5중량부

보다 두껍게 형성되었다는 것을 알 수 있어 Figure 3의 Na2SO4 첨가

에 따른 밀도변화의 현상이 이해될 수 있다.

따라서 Figures 3과 4에서 보는 바와 같이 Na2SO4는 유리분말 100

중량부에 대해 0.5중량부 첨가하여 발포하는 것이 밀도가 낮으면서

발포기공이 균일한 발포유리를 제조할 수 있을 것으로 사료된다.

3.1.3. 활성 SiO2가 발포화에 미치는 영향

Figure 5는 갈색 병유리를 대상으로 발포제 탄소의 함량 유리 100

중량부에 대해 0.3중량부 되게 첨가하고, SiO2의 첨가량 유리 100중량부

에 대해 1중량부에서 15중량부까지 변화시키며, 발포소성온도 830

℃, 발포시간 30 min에서 발포한 후 얻어진 발포체의 밀도 변화를 나

타낸 것이다. Figure 5에 나타낸 바와 같이 SiO2 첨가량이 10중량부까

지 증가됨에 따라 밀도가 지속적으로 감소하여 그 이상의 조건에서는

큰 변화를 나타내지 않으며 15중량부에서는 오히려 약간 증가되는 현

상이 나타났다. SiO2의 첨가량이 증가됨에 따라 밀도가 감소하는 것은

SiO2가 유리구조 형성에 주요한 역할을 하는 성분이기 때문이다. 즉,

유리의 발포화가 이루어지기 위해서는 발포소성온도조건에서 유리의

연화상태가 유지되어야 하는데, SiO2를 첨가함으로써 유리입자 표면

이 발포에 적합하도록 연화되기 때문에 발포화가 용이하게 되기 때문

이다. 그러나 너무 많은 양의 SiO2를 넣으면 유리의 망목구조 형성을

저해하고 이는 유리의 융점상승을 가져오게 되어 발포화가 억제되어

진다. 따라서 SiO2는 발포화에 필요한 최적의 조성유지가 필요하며 주

어진 갈색병유리와 같은 소다석회 유리의 경우 SiO2의 첨가량은 소다

석회 원료유리 100중량부에 대해 10∼15중량부 범위에서 첨가하는

것이 바람직하다고 생각된다.

3.1.4. B2O3가 발포에 미치는 영향

발포조제 중의 또 하나의 첨가제로서 붕산의 사용은 발포공정에서

발포유리블럭의 열응력(thermomechanical strain)를 감소시킴과 아울러

서냉, 소둔시 열응력을 최소화시켜 최종생산품인 발포유리블럭의

기계적인 물성을 좋게 해주는 역할을 하는 성분이다. Figure 6은 갈색

병 유리를 대상으로 발포제 탄소의 함량 유리 100중량부에 대해 0.3

중량부 되게 첨가하고, B2O3의 첨가량을 유리 100중량부에 대해 0.5

중량부에서 3.0중량부까지 변화시키며, 발포소성온도 830 ℃, 발포시간

30 min에서 발포한 후 얻어진 발포체의 밀도 변화를 나타낸 것이다.

Figure 6에서 보는 바와 같이 B2O3의 첨가량이 1.0중량부인 경우는


공업화학, 제 24 권 제 4 호, 2013

Figure 7. The effect of foaming temperature on the density of foamed


Figure 8. The effect of foaming time on the density of foamed glass

obtained from brown bottle glass.

0.45 g/cm3의 밀도 값을 나타내고 있는 반면에 B2O3을 2.0중량부보다

3.0중량부에서 밀도가 다소 증가하는 것을 확인할 수 있었다. B2O3의

첨가량이 증가됨에 따라 밀도가 감소하는 현상은 SiO2의 경우처럼

B2O3 또한 유리질 형성 물질로서 어느 범위 내에서는 B2O3의 함량이

증가하면 유리의 연화점을 낮추는 역할을 하지만 과량 존재하는 경우

유리화에 방해요소가 되기 때문에 발포과정에 좋지 않은 영향을 초래

하게 된다. 따라서 Figure 6에서 보는 바와 같이 B2O3의 첨가량은 2.0

중량부 되게 첨가하는 경우에 균일한 형태의 발포기공을 얻을 수

있었고 그때 가장 낮은 밀도값이 얻어졌다. 그러나 발포유리의 열적

안정성을 위해서는 B2O3의 첨가량은 2∼3중량부로 적용하는 것이 무난

할 것으로 사료된다.

3.2. 발포소성 변수의 영향

발포제 탄소의 일정 조건하에서 각각 개별성분별로 발포에 미치는

영향을 조사하였다. 최상의 소다석회 발포유리블럭을 제조하기 위해

서는 각각 성분들이 복합적으로 첨가된 조성조건하에서 발포소성의

조건이 결정되어야 한다.

3.2.1. 유리분말 입도와 발포소성온도의 상관성

유리 분말은 그 입자의 크기에 따라 그 비표면적이 달라지므로 발

포제 탄소의 첨가량과 연관성이 있으며, 첨가되는 성분들과 혼화성,

유리의 용융성 등에 영향을 미치므로 특히 발포소성온도와 매우 밀접

한 관계가 있다.

Figure 7은 소다석회 유리분말의 입도가 발포소성에 미치는 영향을

조사하고자, 앞서 검토된 결과에 따라 갈색 병유리분말 100중량부를

기준으로 SiO2 10중량부, Na2SO4 0.5중량부, 그리고 B2O3 3.0중량부,

그리고 발포제 탄소는 0.3중량부의 조건으로 혼합 및 조성 조절된

원료유리 혼합물을 발포소성시간 30 min을 기준으로 유리의 입도

변화 및 발포소성 온도조건을 변화시키며 발포시켜 얻어진 발포체의

밀도를 조사한 것이다. Figure 7에서 볼 수 있는 바와 같이 유리의 입

도가 작을수록, 발포소성온도가 높을 수록 발포체의 밀도가 낮아진다.

그러나 주어진 조건하에서 발포소성의 온도보다 유리입도의 영향이

발포화에 미치는 영향이 더 큼을 알 수 있다. 즉, 유리분말의 입도가

44 µm 이하인 경우 발포소성의 온도가 높아질수록 발포체의 밀도가

점점 낮아져 상업적 생산제품의 규격인 0.2 g/cm3 미만의 조건에 이를

수 있으나, 유리분말의 입경이 145∼89 µm의 경우는 발포온도가 900

℃ 이상의 온도에서도 발포체의 밀도는 0.6 g/cm3으로 여전히 높으며,

더 높은 온도에서도 밀도는 낮아지지 않는다. 이러한 결과는 발포화

에 가장 중요한 조건은 발포가 되는 유리분말의 용융연화임을 의미한

다. 즉 유리의 입도가 작을수록 유리의 용융연화가 유리하나 유리분

말의 입도가 클수록 유리의 용융연화가 잘 이루어지지 않기 때문

이다. 따라서 발포화에 우선 조건이 연화가 잘 진행되도록 유리분말

의 입자는 가능한 작게 미분하여야 하며, 아울러 원료유리 분말의 입

도가 발포화에 미치는 결과는 원료유리 외에 발포조제인 탄소와 첨가

제의 입도도 원료유리와 동일한 수준으로 미분화되는 것이 발포화에

유리할 것으로 사료된다. 그러므로 양질의 발포유리블럭을 제조하기

위한 유리분말의 최적의 입도는 발포소성 온도에 따라 차이가 있으며

가능한 한 미분이 유리하겠으나, 분쇄에 소요되는 에너지의 경제성을

고려하여 표준체 325 mesh 이하의 크기가 되는 44 µm 이하로 조절하

는 것이 바람직하다고 사료된다.

3.2.2. 발포소성시간과 유리분말 입도의 상관성

양질의 소다석회 유리 발포체를 제조하기 위해서는 발포소성온도

조건보다 원료 유리분말의 입도가 더 큰 영향을 줌에 따라 Figure 8은

갈색 병유리를 대상으로 유리분말 입자의 크기를 145∼89, 89∼44,

44∼10, 10 µm 이하로 조절한 4종류에 대해 유리분말 100중량부를

기준으로 탄소발포제 DY-carbon black 0.3중량부, Na2SO4 0.5중량부,

B2O3 3.0중량부, SiO2 10중량부 조건으로 첨가 혼합하고 이 원료 유리

혼합 분말을 발포소성온도 830 ℃ 조건하에 소성시간을 변화시키며

얻어진 발포체의 밀도를 조사한 것이다. Figure 8의 결과는 입도가 작



Figure 9. The effect of foaming temperature on the density and the

compressive strength of foamed glass obtained from brown bottle

glass.

Figure 10. The effect of foaming time on the density and the compressive

strength of foamed glass obtained from brown bottle glass.

아질수록 발포공정의 초기 반응속도가 크며, 얻어진 발포유리블럭의

밀도 또한 선형적으로 감소하고 있음을 나타내고 있다. 그러나 발포

시간이 길어진다고 하여도 소정의 밀도조건을 갖는 발포체를 얻을 수

없었다. 이러한 결과는 소다석회유리의 발포화에 있어 유리분말 입자

의 크기가 얼마나 큰 영향을 미치는 가를 잘 보여준다. 즉 원료유리

입자의 크기가 일정크기로 조절되지 않고서는 양질의 발포체를 얻을

수 없음을 나타낸다. 또한 주어진 발포소성의 온도 830 ℃ 조건하에서

원료유리의 입도 10 µm 이하인 경우 양질의 발포유리조건인 2.0 g/cm3

에는 발포소성 시간이 40 min 정도 소요되나, 이 발포소성시간이 길

어지는 경우 발포된 상태가 안정화되지 못하고 발포상태가 붕괴될 수

있으므로 반드시 최적의 시간조건에서 발포소성이 종료되어야 한다.

또한 이 발포소성시간은 발포반응온도를 높이는 경우, 발포유리분말

의 입자가 작을수록 더 짧은 시간으로 조정이 가능하므로 최적의 발포

시간은 발포소성온도 및 유리원료의 입도 조건에 맞추어 엄격히 조절

되어야 한다.

3.3. 폐 병유리의 종류에 따른 발포공정

발포체 제조를 위한 원료 소다석회유리인 폐 병유리는 갈색 병유리,

백색 또는 투명 병유리, 녹색 병유리이다. 이들의 화학적 조성은 분석

오차라고 할 만큼 거의 유사하나 이들을 갈렛트로 만들어 새 유리병

의 생산에 원료로 투입하는 경우, 동일한 소다석회유리라고 하더라도,

생산 유리병과 갈레트의 색깔이 다르면 유리병 생산에 심각한 공정

장애를 유발한다. 이러한 유리병 색깔의 차이는 발포체 제조에도 영

향이 있을 수 있는 바, 유리병 색깔별로 발포체 제조공정을 적용하여

그 영향을 조사하였다.

3.3.1. 갈색 병유리의 발포

Figures 9 및 10은 유리분말 입도를 -325 mesh (44 µm 이하)로 조

정한 갈색 병유리 분말 100중량부를 기준으로 SiO2 10중량부, Na2SO4

0.5중량부, B2O3 3.0중량부, 발포제 탄소 0.3중량부의 조건으로 혼합

및 조성 조절된 원료유리 혼합물을 발포소성온도 및 발포시간의

변화에 따라 발포체를 제조하고 제조된 발포체의 밀도와 압축강도를

조사한 결과이다. Figure 9에서 보는 바와 같이 발포온도가 830∼850

℃로 상승하면서 0.176∼0.191 g/cm3의 밀도값을 나타내고 있으나 압

축강도는 발포온도가 830 ℃일 때 40 kgf/mm2이고, 발포온도가 85

0℃일 때는 30 kgf/mm2를 나타내고 있다. 밀도의 변화는 크지 않으나

압축강도의 변화가 큰 이유는 발포소성온도가 너무 높아 과발포화가

진행되기 때문이다. 이러한 현상은 발포시간이 지나치게 길어지는 경

우도 발생한다. Figure 10은 발포시간이 증가하면서 압축강도가 감소

하고 있음을 확인할 수 있다. 특히 발포시간이 30∼40 min 사이에는

밀도값의 변화가 아주 작은 반면에 압축강도의 변화는 급속하게 감소

하고 있다는 것을 알 수 있다.

Figure 11은 발포온도변화에 따른 발포유리의 표면사진을 나타낸

것이다. Figure 11에서 보는 바와 같이 발포온도가 830 ℃일 때 발포

기공의 크기가 균일하게 형성되었고 850 ℃ 이상에서는 발포기공의

분포가 불균일하면서 크게 형성되고 있음을 알 수 있다. 그러므로 발포

온도가 너무 높거나 발포시간이 길어지면 과발포화로 인해 발포유리의

기계적 물성을 저하시키는 원인으로 작용하게 된다.

따라서 Figures 9, 10 및 11에 나타낸 바와 같이 갈색 병유리를 대

상으로 발포온도는 830 ℃, 발포시간은 30 min에서 제조하는 것이 밀

도도 낮으면서 균일한 발포기공의 형태를 갖는 발포유리 블럭을 제

조할 수가 있다.

3.3.2. 녹색 병유리의 발포

Figures 12 및 13은 유리분말 입도를 -325 mesh (44 µm 이하)로

조정한 녹색 병유리 분말 100중량부를 기준으로 SiO2 10중량부,

Na2SO4 0.5중량부, B2O3 3.0중량부, 그리고 발포제 탄소 0.3중량부의

조건으로 혼합 및 조성 조절된 원료유리 혼합물을 발포소성온도 및

발포시간의 변화에 따라 발포체를 제조하고 제조된 발포체의 밀도와

압축강도를 조사한 결과이다. Figure 12에서 보는 바와 같이 발포온도


공업화학, 제 24 권 제 4 호, 2013


strength of foamed glass obtained from green bottle glass.

(a) 810 ℃ (b) 830 ℃ (c) 850 ℃ (d) 875℃

Figure 11. The surface characteristics of foamed glass obtained under various foaming temperature for foamed glass obtained from brown bottle

glass.


compressive strength of foamed glass obtained from green bottle glass.

830∼850 ℃에서는 0.17 g/cm3의 비슷한 밀도를 나타내고 있지만,

발포온도 830 ℃에서 약 27 kgf/mm2의 압축강도를 나타낸 반면 발포

온도 850 ℃ 범위에서는 약 18 kgf /mm2

내외의 낮은 압축강도를 나타

내고 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 Figure 13에서 보는 바와

같이 발포시간이 30∼40 min인 경우의 밀도값은 발포시간이 20 min인

경우보다 밀도가 다소 낮게 나타나고 있지만 그에 따른 압축강도는

커다란 차이를 나타내고 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 녹색

병유리의 경우도 일정 이상의 발포온도나 일정시간 이상 발포소성

시간이 진행되면 과발포로 인해 발포체의 물성이 저하됨을 의미한다.

따라서 Figures 12 및 13에서 볼 수 있는 바와 같이 출발원료를

녹색 병유리로 할 경우 경우에는 발포온도 830 ℃, 발포시간은 갈색

병 유리의 경우보다 짧은 20 min으로 하는 것이 더 양질의 발포유리를

얻을 수 있을 것으로 사료된다.

3.3.3. 무색투명 병유리의 발포

Figures 14 및 15는 유리분말 입도를 -325 mesh (44 µm 이하)로

조정한 무색 투명 병유리 분말 100중량부를 기준으로 SiO2 10중량부,

Na2SO4 0.5중량부, B2O3 3.0중량부, 그리고 발포제 탄소 0.3중량부의

조건으로 혼합 및 조성 조절된 원료유리 혼합물을 발포소성온도 및

발포시간의 변화에 따라 발포체를 제조하고 제조된 발포체의 밀도와

압축강도를 조사한 결과이다.

Figure 12에서는 발포온도가 830∼900 ℃로 상승함에 따라 밀도의

변화는 크게 나타나지 않고 0.18∼0.2 g/cm3

정도로 거의 일정하나

그에 따른 압축강도의 변화는 많은 차이를 나타내고 있다. 특히 발포

온도 875 ℃에서의 압축강도는 17 kgf/mm2를 나타내고 있는 반면에

발포온도 900 ℃에서는 10 kgf/mm2를 나타내고 있다. 이와 같은 현상

은 갈색 병유리 또는 녹색 병유리의 경우와 같이 일정 온도 이상으로

발포온도가 높거나 발포시간이 길어지면 과발포현상으로 인해 균일한

기공 분포를 형성하지 못하기 때문에 밀도도 낮아지지만 압축강도는

급격하게 감소하기 때문인 것으로 생각된다. 즉, Figure 15에서도 발포

시간이 증가하면서 밀도의 변화는 발포시간이 20∼40 min으로 증가

하여도 거의 비슷하지만 압축강도의 감소는 뚜렷하게 나타남을 확인

할 수 있다. 따라서 투명병을 출발원료로 하여 발포유리를 제조하고

자 할 경우에는 발포온도를 830∼850 ℃, 발포시간은 20∼30 min으로

하는 것이 바람직하다고 사료된다.

3.4. 제조된 발포유리블럭의 물성

갈색 병유리, 녹색 병유리 및 무색투명 병유리를 대상으로 앞서 조

사된 색깔 별 최적발포조건을 적용하여 얻어진 각각의 발포체에 대해

보온단열재로서 갖추어야 할 물성을 조사하였다.




compressive strength of foamed glass obtained from clear bottle glass.


strength of foamed glass obtained from clear bottle glass.

Table 1. Properties of Foamed Glass Block Obtained from Waste Bottle Glass by Foaming Process

Properties

Foamed

glass block

Moisture absorption (%) Thermal conductivity (kcal/h⋅m⋅℃) Density (g/cm3) Compression strength (kgf/mm

2)

Brown color bottle 1.1∼1.3 0.06 ± 0.005 0.19∼0.21 30∼40

Green color bottle 1.1∼1.5 0.06 ± 0.005 0.17∼0.19 17∼20

Clear bottle 1.1∼1.2 0.06 ± 0.005 0.17∼0.19 16∼25

P. foamed block 0.9∼1.1 0.06 ± 0.005 0.15∼0.17 18∼20

3.4.1. 흡수율

단열재에 있어서 수분은 열전도율을 높이는 원인으로 작용하기 때

문에 흡수율을 낮추는 것은 열전도도의 저하와 더불어 직접발포로 제

조되는 발포유리의 특성을 향상시키는 방법이 될 수 있다. Table 1은

직접발포에 의해서 제조된 갈색병과 녹색병, 투명병 발포유리블럭을

일정한 크기(2.5 × 2.5 × 2 cm)로 절단하여 그에 따른 흡수율을 비교

하여 나타낸 결과이다. Table 1에서 ‘P. foamed glass block’은 시판용

소다석회 발포유리블럭 제품이다. Table 1에 나타난 바와 같이 갈색병과

녹색병이 무색투명병에 비해서 상대적으로 흡수율이 높게 나타나고

있음을 알 수 있으나 1.1∼1.2로서 시판용 제품에 비해 10% 정도 높게

얻어졌다. 이는 사용제품과 비교하여 원료유리 입자의 크기가 시판용

제품에 비해 큰 데에 그 원인이 있으므로 조절 가능할 것으로 사료된다.

3.4.2. 열전도도

발포유리에 있어 열전도율은 밀도와 특히 밀접한 관계가 있으며,

발포유리의 기공이 단일 기포라는 구조적인 특성에 기인한다. 그러

므로 일반적으로 발포유리의 경우 밀도가 감소할수록 열전도율은

감소하는 경향을 나타낸다. 그러나 단순하게 열전도율을 낮추기 위해

무조건적인 밀도 저하는 발포유리의 기계적인 강도를 저하시킬 수

있으므로 바람직하지 못하다. 따라서 Table 1에 나타낸 열전도도는

색상이 다른 병유리로 제조된 발포유리블럭을 일정한 크기(7 × 7 ×

1.5 cm)로 만든 다음 KS L9016을 기준으로 제작된 열전도율 장치를

이용하여 조사한 것을 나타낸 결과이다. Table 1에 나타낸 바와 같이

갈색 병유리, 투명 병유리, 녹색 병유리의 열전도도는 0.06 ± 0.005

kcal/h⋅m⋅℃로서 비교치인 시판용 발포유리와 비슷한 열전도도를

나타내고 있다.

3.4.3. 압축강도

압축강도는 보온단열재로서 중요 물성은 아니나 이를 소재로 작업

시 매우 중요하다. 특히 연도용의 보온단열재로 사용하는 경우 연돌

가스와 마찰이 있으므로 압축강도가 낮은 경우 쉽게 마모되어 수명에

직접적 영향이 있다. 그리고 다른 물성과 마찬가지로 밀도와 직접적

인 상관성이 있으므로 밀도조절을 통해 보완될 수도 있다. Table 1에

나타낸 바와 같이 각각의 병유리로 제조된 발포체의 밀도가 0.17∼

0.21 g/cm3 범위의 밀도를 나타낼 때 압축강도는 20∼30 kgf/mm

2 범위

에서 나타나고 있어 시판용 소다석회유리 발포유리블럭보다 높은 기

계적 물성치를 나타내었다.

4. 결 론

소다석회유리인 폐 병유리를 대상으로 적절한 성분을 첨가 조성을

조절하고, 최적의 발포공정 조건하에 발포 소성함으로서 보온단열재


공업화학, 제 24 권 제 4 호, 2013

발포유리블럭을 제조할 수 있었으며, 이는 고부가가치를 창출할 수

있는 폐 유리병류 효과적인 재활용 방안의 하나로 제안될 수 있다.

1) 폐 병유리의 직접적 발포화를 위해 첨가되는 성분 및 조성은, 폐

유리분말 100중량부를 기준으로 SiO2 10중량부, Na2SO4 0.5중량부,

B2O3 3.0중량부, 그리고 발포제로서 카본 블랙류 탄소재 0.3중량부이다.

2) 발포소성의 조건은 폐 유리분말의 입도는 -325 mesh (평균직경

44 µm 이하), 발포소성온도는 830∼850 ℃이며 발포시간은 유리병의

색깔별 종류에 따라 차이가 있으나 30분 내외로 유지됨이 바람직하다.

3) 상기 조건하에 제조된 발포체는 병의 종류에 따라 약간식의 차

이는 있으나 발포체의 밀도가 0.17∼0.21 g/cm3, 열전도도 0.06 ±

0.005 kcal/h⋅m⋅℃, 흡수율 1.1∼1.5%, 압축강도는 20∼30 kgf/mm2

특성을 나타내므로 이는 건축용 경량 보온 단열재로 충분히 사용이

가능하다고 판단된다.

감 사

본 논문은 환경부 글로벌탑 환경기술개발사업 중 폐금속유용자원

재활용 기술 개발 사업의 지원에 의하여 연구되었으며 이에 감사드립

니다(과제번호 : 11-A02-MD).

참 고 문 헌

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