JP6652637B2 - エアロゲルシートの製造方法および装置 - Google Patents

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Description

本出願は、2016年2月19日付けの韓国特許出願第10‐2016‐0019830号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、エアロゲルシートの製造方法および装置に関し、特に、断熱性および耐久性に優れるとともに、均一な厚さを有するエアロゲルシートの製造方法および装置に関する。
通常、エアロゲルは、現在まで知られた固体の中でも、90%以上、最大99%程度の高い気孔率を有する高多孔性物質であって、シリカ前駆体溶液をゾル−ゲル重合反応させてゲルを形成した後、超臨界条件若しくは常圧条件の下で乾燥することで得ることができる。すなわち、エアロゲルは、空気が満ちている気孔構造を有している。
かかるエアロゲルは、内部空間の90〜99%が空いている独特の気孔構造により、軽いながらも断熱性、吸音性などの物性を有し、中でも最も大きい利点は、従来のスタイロフォームなどの有機断熱材の熱伝導度である36mW/m.kよりも著しく低い30mW/m.k以下の熱伝導率を示す高断熱性を有するということである。
しかし、従来技術によるエアロゲルは、シートの厚さが均一ではなく、断熱性および耐久性に劣るという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、断熱性および耐久性に優れ、特に、均一な厚さを有するエアロゲルシートの製造方法および装置を提供することにある。
上記のような目的を達成するための本発明によるエアロゲルシートの製造方法は、(a)シリカゾルと表面改質剤を含むシリカ前駆体を準備するステップと、(b)ゲル化用触媒を準備するステップと、(c)ブランケット(blanket)の表面に、(a)ステップで製造したシリカ前駆体を噴射して前記シリカ前駆体を含浸させるステップと、(d)シリカ前駆体が含浸されたブランケットの表面に、前記(b)ステップで準備したゲル化用触媒を噴射してシリカ前駆体をゲル化させるステップと、を含むことができる。
前記(a)ステップにおいて、前記シリカゾルは、TEOS(tetraethly orthosilicate)とエタノールを混合して準備することができる。
前記TEOS(tetraethly orthosilicate)は、加水分解されたTEOSを含んでもよい。
前記(a)ステップにおいて、前記表面改質剤として、HMDS(Hexamethyldisilazane)を用いることができる。
前記(b)ステップにおいて、エタノールとアンモニア水(NH4OH)を混合してゲル化用触媒を準備することができる。
前記(c)ステップおよび前記(d)ステップは、前記ブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルト内で行うことができる。
前記コンベアベルトには、前記ブランケットの表面に噴射されたシリカ前駆体の厚さを調節する第1スクレーパと、前記ブランケットの表面に噴射されたゲル化用触媒の厚さを調節する第2スクレーパと、を含むスクレーパが含まれることができる。
前記(d)ステップにおいて、前記ブランケットの表面に前記ゲル化用触媒を0.035〜0.012L/minの速度で噴射し、8〜12分間放置することでシリカ前駆体をゲル化させることができる。
前記(d)ステップの後に、(e)シリカ前駆体がゲル化したブランケットをエージングするステップをさらに含むことができる。
前記(e)ステップにおいて、前記シリカ前駆体がゲル化したブランケットを70℃の高温で50分間エージングすることができる。
前記(e)ステップの後に、(f)エージングが完了されたブランケットを乾燥するステップをさらに含むことができる。
前記(f)ステップは、エージングされたブランケットを、28℃および70barの環境で二酸化炭素を10分間70L/minの速度で注入して乾燥する一次乾燥ステップと、1時間20分間50℃に昇温させて乾燥する二次乾燥ステップと、さらに50℃および150barの環境で二酸化炭素を20分間0.7L/minの速度で注入して乾燥する三次乾燥ステップと、20分間休止した後、二酸化炭素を20分間0.7L/minの速度で注入して乾燥する四次乾燥ステップと、を含むことができる。
前記(f)ステップにおいて、三次乾燥ステップでは、前記ブランケットを乾燥する間に、前記ブランケットから発生したエタノールを回収することができる。
前記(f)ステップは、四次乾燥ステップの後に、二酸化炭素を2時間排出する排出ステップをさらに含むことができる。
前記(e)および(f)ステップは、ブランケットを収容する反応容器内で行うことができる。
前記(f)ステップにおいて、ブランケットが前記反応容器に収容された状態で、超臨界乾燥を行うことができる。
一方、上記のような本発明によるエアロゲルシートの製造方法を行うための製造装置は、ブランケットがロール状に巻回された供給ローラと、前記供給ローラに巻回されたブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルトと、前記コンベアベルト上に位置した前記ブランケットの表面にシリカ前駆体を噴射して前記シリカ前駆体を含浸させるシリカ前駆体供給部材と、前記コンベアベルト上に位置した前記ブランケットの表面にゲル化用触媒を噴射してシリカ前駆体をゲル化させる触媒供給部材と、前記コンベアベルトによって他側まで搬送された前記ブランケットをロール状に巻回して回収する回収ローラと、前記回収ローラによって回収されたロール状のブランケットを収容し、収容したブランケットをエージングさせ、および高温で乾燥する反応容器と、を含み、前記シリカ前駆体はシリカゾルおよび表面改質剤を含むことができる。
本発明は、下記のような効果を奏する。
第一、本発明は、エアロゲルシートの製造方法を用いることで、断熱性および耐久性に優れ、特に、均一な厚さを有するエアロゲルシートを製造することができる。
第二に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、シリカゾルと表面改質剤を混合してシリカゾル前駆体を製造することで、作業の効率性を高めることができる。
第三に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、TEOS(tetraethly orthosilicate)とエタノールを混合することで、高品質のシリカゾルを得ることができる。
第四に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、加水分解されたTEOSを用いることで、高品質のシリカゾルを得ることができる。
第五に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、エタノールとアンモニア水(NH4OH)を混合することで、高品質のゲル化用触媒を得ることができる。
第六に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、ブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルトを用いることで、作業の連続性と工程の単純化を得ることができる。
第七に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、コンベアベルトにスクレーパを含むことで、シリカゾルまたはゲル化用触媒の厚さを均一に調節することができる。
第八に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、シリカゾルがゲル化したブランケットをエージングし、乾燥することで、高品質のエアロゲルシートを得ることができる。
本発明によるエアロゲルシートの製造方法を示したフローチャートである。 本発明によるエアロゲルシートの製造装置を示した図である。 本発明によるエアロゲルシートの製造装置に含まれた反応容器を示した図である。
以下、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は様々な他の形態に実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略しており、明細書全体にわたって類似の部分には類似の図面符号を付す。
本発明によるエアロゲルシートの製造方法は、図1に示されているように、(a)シリカ前駆体を準備するシリカ前駆体準備ステップと、(b)ゲル化用触媒を準備するゲル化用触媒準備ステップと、(c)ブランケット(blanket)の表面にシリカ前駆体を噴射して含浸させるシリカ前駆体噴射ステップと、(d)シリカ前駆体が含浸されたブランケットの表面にゲル化用触媒を噴射してシリカ前駆体をゲル化させる触媒噴射ステップと、(e)シリカ前駆体がゲル化したブランケットをエージングするブランケットエージングステップと、(f)エージングされたブランケットを乾燥するブランケット乾燥ステップと、を含む。
以下、本発明によるエアロゲルシートの製造方法をより詳細に説明する。
(a)シリカ前駆体準備ステップ
(a)シリカ前駆体準備ステップは、シリカ前駆体を得るためのステップであって、シリカゾルと表面改質剤を混合してシリカ前駆体20を製造する。
本発明の技術的特徴は、シリカゾルと表面改質剤を混合してシリカ前駆体20を製造し、製造されたシリカ前駆体20をブランケット10に含浸させることで、ブランケット10の表面にシリカゾルを含浸させると同時に、表面を改質することができるため、作業の効率性とエアロゲルシートの品質性を高めることができるということにある。
ここで、シリカゾルは、TEOS(tetraethly orthosilicate)とエタノールを混合して製造する。すなわち、反応槽(不図示)にTEOS1.2kgとエタノール2.7kgを含ませてシリカゾルを製造する。
一方、TEOSは水との反応性に優れた溶媒であって、加水分解されたものを用いる。これにより、反応性をさらに高めることができる。すなわち、加水分解されたTEOSとエタノールを混合することで、反応性に優れたシリカゾルを得ることができる。
また、表面改質剤としてはHMDS(Hexamethyldisilazane)を用いる。HMDS(Hexamethyldisilazane)は、ブランケットの表面を疎水性に変化させるために用いる。すなわち、(a)シリカ前駆体製造ステップでは、シリカゾル40kg/m3と表面改質剤83.5gの比率で混合してシリカ前駆体20を製造する。ここで、シリカゾルと表面改質剤の混合比率は一実施形態として説明したものにすぎず、必要に応じて混合比率は変わり得る。
(b)ゲル化用触媒準備ステップ
(b)ゲル化用触媒準備ステップは、ゲル化用触媒を得るためのステップであって、エタノールとアンモニア水(NH4OH)を混合してゲル化用触媒を製造する。すなわち、反応槽(不図示)でエタノール0.5kgとアンモニア水(NH4OH)30mlを混合してゲル化用触媒を製造する。
一方、図2は、本発明の(c)シリカ前駆体噴射ステップおよび(d)ゲル化用触媒噴射ステップを行うためのエアロゲルシート製造装置100を示した図である。
すなわち、エアロゲルシート製造装置100は、図2に示されているように、ブランケット10がロール状に巻回された供給ローラ110と、供給ローラ110に巻回されたブランケット10を一側から他側に搬送するコンベアベルト120と、コンベアベルト120に位置したブランケット10の表面に、(a)ステップで製造したシリカ前駆体20を噴射して含浸させるシリカ前駆体供給部材130と、コンベアベルト120に位置したブランケット10の表面に、(b)ステップで製造したゲル化用触媒30を噴射してシリカ前駆体20をゲル化させる触媒供給部材140と、コンベアベルト120によって他側まで搬送されたブランケット10をロール状に巻回して回収する回収ローラ150と、を含む。
このようなエアロゲルシート製造装置100は、供給ローラ110によって巻回されたブランケット10が供給されると、コンベアベルト120が、供給ローラ110によって供給されたブランケット10を一側から他側まで搬送させ、回収ローラ150がさらにブランケット10を巻回して回収する。この際、シリカ前駆体供給部材130は、コンベアベルト120によって搬送されるブランケット10の表面に、(a)ステップで製造されたシリカ前駆体20を噴射してシリカ前駆体を含浸させ、また、触媒供給部材140は、シリカ前駆体が含浸されたブランケット10の表面にゲル化用触媒30を噴射してシリカ前駆体をゲル化させることができる。
ここで、コンベアベルト120にはブランケット10に噴射されたシリカ前駆体20およびゲル化用触媒30の厚さを均一に調節するスクレーパ160が含まれる。すなわち、スクレーパ160は、ブランケット10の表面に噴射されたシリカ前駆体20の厚さを調節する第1スクレーパ161と、ブランケット10の表面に噴射されたゲル化用触媒30の厚さを調節する第2スクレーパ162と、を含む。
すなわち、第1スクレーパ161と第2スクレーパ162は同一の形態を有し、コンベアベルト120の上面に上下方向に高さ調節可能に設けられて、シリカ前駆体20およびゲル化用触媒30の厚さを均一に調節する。
以下、エアロゲルシート製造装置100を用いた(c)シリカ前駆体噴射ステップおよび(d)ゲル化用触媒噴射ステップを詳細に説明する。
(c)シリカ前駆体噴射ステップ
(c)シリカ前駆体噴射ステップでは、ブランケット(blanket)の表面に、(a)ステップで製造したシリカ前駆体20を噴射して含浸させる。すなわち、(a)ステップで製造したシリカ前駆体20をシリカ前駆体供給部材130に注入して貯蔵する。次に、ブランケット10がコンベアベルト120によってシリカ前駆体供給部材130の下部まで搬送されると、シリカ前駆体供給部材130を介してシリカ前駆体20を噴射してブランケット10の表面に含浸させる。
この際、ブランケット10に噴射されたシリカ前駆体20は、コンベアベルト120に設けられた第1スクレーパ161を通過しながら均一な厚さを有することになる。すなわち、第1スクレーパ161は、所定厚さ以上のシリカ前駆体20は通過しないように遮断することで、シリカ前駆体20の厚さを均一に調節することができる。
(d)ゲル化用触媒噴射ステップ
(d)ゲル化用触媒噴射ステップでは、(c)ステップによりシリカ前駆体が含浸されたブランケット10の表面にゲル化用触媒30を噴射することで、シリカ前駆体をゲル化させる。すなわち、(b)ステップで製造したゲル化用触媒30を触媒供給部材140に注入して貯蔵する。次に、シリカ前駆体20が含浸されたブランケット10がコンベアベルト120によって触媒供給部材140の下部まで搬送されると、触媒供給部材140を介してゲル化用触媒30をブランケット10の表面に噴射することで、シリカ前駆体をゲル化させることができる。
ここで、触媒供給部材140は、貯蔵されたゲル化用触媒30を設定された速度で噴射し、設定された時間放置することで、シリカゾルを安定してゲル化させる。すなわち、触媒供給部材140は、ブランケット10の表面にゲル化用触媒30を0.035〜0.012L/minの速度で噴射し、8〜12分間放置することで、シリカ前駆体を徐々にゲル化させる。
特に、触媒供給部材140は、ブランケット10に含浸されたシリカ前駆体20の密度に応じて、ゲル化用触媒30の噴射速度を異ならせてシリカ前駆体のゲル化を均一に調節することができる。
一方、シリカ前駆体がゲル化したブランケット10は回収ローラ150によってロール状に巻回されて回収され、回収されたブランケット10がエージングステップ、および乾燥ステップを経ることで、エアロゲルシートが完成される。この際、反応容器170を用いる。
図3は本発明による反応容器170を示した図である。
すなわち、反応容器170は、ロール状に回収されたブランケット10を密閉されるように収容する収容空間171を有し、一端に前記収容空間と連結される注入口172が形成され、他端に前記収容空間171と連結される排出口173が形成される。
以下、反応容器170を用いて、(e)ブランケットエージングステップ、および(f)ブランケット乾燥ステップを説明する。
(e)ブランケットエージングステップ
(e)ブランケットエージングステップでは、シリカ前駆体がゲル化したブランケットをエージングするためのステップであって、(d)ステップで回収されたブランケット10を反応容器170の収容空間171に収容した後、反応容器170の収容空間171を70℃に加熱した状態で50分間エージングすることで、ブランケット10の組織を均一化させる。
ここで、(e)ブランケットエージングステップでは、反応容器170でエージングする前に、常温(または25℃)で10分間放置してからエージングを行う。すなわち、シリカ前駆体の安定したゲル化を誘導してからエージングを行うことで、ブランケット10の組織をさらに均一化することができる。
(f)ブランケット乾燥ステップ
(f)ブランケット乾燥ステップでは、エージングされたブランケット10を乾燥してシリカゲルシートを完成する。この際、(f)ブランケット乾燥ステップでは、反応容器170にブランケット10が収容された状態で、超臨界乾燥を行う。すなわち、(f)ブランケット乾燥ステップは、表面改質されたブランケット10を、28℃および70barの環境で二酸化炭素を10分間70L/minの速度で注入して乾燥する一次乾燥ステップと、1時間20分間50℃に昇温させて乾燥する二次乾燥ステップと、さらに50℃および150barの環境で二酸化炭素を20分間0.7L/minの速度で注入して乾燥する三次乾燥ステップと、20分間休止した後、二酸化炭素を20分間0.7L/minの速度で注入して乾燥する四次乾燥ステップと、を含む。このような乾燥ステップを行うことで、ブランケット10の乾燥率を高めることができる。
一方、(f)ブランケット乾燥ステップの三次乾燥では、二酸化炭素とブランケット10の化学反応によって反応容器170内にエタノールが発生し、この反応容器170に発生したエタノールは、排出口173を介して排出させて回収する。
そして、(f)ブランケット乾燥ステップは、四次乾燥の後、二酸化炭素を2時間排出する排出ステップを含み、これにより、ブランケット10に緩やかな環境変化を誘導してブランケット10の組織を均一化する。
このような本発明によるエアロゲルシートの製造方法によりエアロゲルシートを製造することで、組織を均一化することができるため、断熱性および耐久性を高めることができる。
本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりは、後述の特許請求の範囲により明らかになり、特許請求の範囲の意味および範囲、そしてその均等概念から導出される様々な実施形態が可能である。

Claims (15)

  1. (a)シリカゾルと表面改質剤を含むシリカ前駆体を準備するステップと、
    (b)ゲル化用触媒を準備するステップと、
    (c)ブランケット(blanket)の表面に、(a)ステップで製造したシリカ前駆体を噴射して前記シリカ前駆体を含浸させるステップと、
    (d)シリカ前駆体が含浸されたブランケットの表面に、前記(b)ステップで準備したゲル化用触媒を噴射して前記シリカ前駆体をゲル化させるステップと、を含む、エアロゲルシートの製造方法であって、
    前記(c)ステップおよび前記(d)ステップは、前記ブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルト内で行い、
    前記コンベアベルトには、前記ブランケットの表面に噴射されたシリカ前駆体の厚さを調節する第1スクレーパと、前記ブランケットの表面に噴射されたゲル化用触媒の厚さを調節する第2スクレーパと、を含むスクレーパが含まれる
    エアロゲルシートの製造方法。
  2. 前記(a)ステップにおいて、前記シリカゾルは、TEOS(tetraethly orthosilicate)とエタノールを混合して準備する、請求項1に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  3. 前記TEOS(tetraethly orthosilicate)は、加水分解されたTEOSを含む、請求項2に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  4. 前記(a)ステップにおいて、前記表面改質剤として、HMDS(Hexamethyldisilazane)を用いる、請求項1〜3のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  5. 前記(b)ステップにおいて、エタノールとアンモニア水(NH4OH)を混合してゲル化用触媒を準備する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  6. 前記(d)ステップにおいて、前記ブランケットの表面に前記ゲル化用触媒を0.035〜0.012L/minの速度で噴射し、8〜12分間放置することで前記シリカ前駆体をゲル化させる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  7. 前記(d)ステップの後に、(e)前記シリカ前駆体がゲル化したブランケットをエージングするステップをさらに含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  8. 前記(e)ステップにおいて、前記シリカ前駆体がゲル化したブランケットを70℃の高温で50分間エージングする、請求項7に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  9. 前記(e)ステップの後に、(f)エージングが完了されたブランケットを乾燥するステップをさらに含む、請求項7または8に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  10. 前記(f)ステップは、
    エージングされたブランケットを、28℃および70barの環境で二酸化炭素を10分間70L/minの速度で注入して乾燥する一次乾燥ステップと、
    1時間20分間50℃に昇温させて乾燥する二次乾燥ステップと、
    さらに50℃および150barの環境で二酸化炭素を20分間0.7L/minの速度で注入して乾燥する三次乾燥ステップと、
    20分間休止した後、二酸化炭素を20分間0.7L/minの速度で注入して乾燥する四次乾燥ステップと、
    を含む、請求項9に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  11. 前記(f)ステップにおいて、三次乾燥ステップでは、前記ブランケットを乾燥する間に、前記ブランケットから発生したエタノールを回収する、請求項10に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  12. 前記(f)ステップは、四次乾燥ステップの後に、二酸化炭素を2時間排出する排出ステップをさらに含む、請求項10または11に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  13. 前記(e)および(f)ステップは、前記ブランケットを収容する反応容器内で行う、請求項10〜12のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  14. 前記(f)ステップにおいて、前記ブランケットが前記反応容器に収容された状態で、超臨界乾燥を行う、請求項13に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  15. ブランケットがロール状に巻回された供給ローラと、
    前記供給ローラに巻回されたブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルトと、
    前記コンベアベルト上に位置した前記ブランケットの表面にシリカ前駆体を噴射して前記シリカ前駆体を含浸させるシリカ前駆体供給部材と、
    前記コンベアベルト上に位置した前記ブランケットの表面にゲル化用触媒を噴射してシリカ前駆体をゲル化させる触媒供給部材と、
    前記コンベアベルトによって他側まで搬送された前記ブランケットをロール状に巻回して回収する回収ローラと、
    前記回収ローラによって回収されたロール状のブランケットを収容し、収容したブランケットをエージングさせ、および高温で乾燥する反応容器と、を含み、
    前記シリカ前駆体はシリカゾルおよび表面改質剤を含む、エアロゲルシートの製造装置。
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