KR100710887B1 - Method for manufacturing aerogel blanket - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물유리와 테트라에틸 오르소실리케이트를 적절한 배합비율로 혼합하는 단계를 포함하는 새로운 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트는 밀도가 낮고 기공율도 90% 이상으로 높았다. 또한, 비표면적이 크고 기공크기도 컸으며, 열전도율은 낮았다. 즉, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트는 단열특성이 우수하여 공업용 단열재와 우주복, 교통 및 차량, 전력생산용 단열재, 재킷이나 운동화류 등에 단열제품으로 적용이 가능하다.The present invention relates to a process for the preparation of a new airgel blanket comprising mixing water glass and tetraethyl orthosilicate in an appropriate blending ratio. The airgel blanket prepared by the method according to the present invention had a low density and a high porosity of 90% or more. In addition, the specific surface area was large, the pore size was large, and the thermal conductivity was low. That is, the aerogel blanket produced by the method according to the present invention is excellent in thermal insulation properties can be applied as an insulation product for industrial insulation and space suits, transportation and vehicles, power production insulation, jackets or sneakers.
에어로젤 블랑켓트, 물유리, 테트라에틸 오르소실리케이트, 섬유 Airgel Blanket, Water Glass, Tetraethyl Orthosilicate, Fiber
Description
도 1은 콜로이드계 실리카졸과 테트라에틸 오르소실리케이트계 실리카졸로부터 본 발명에 따른 에어로젤 블랑켓트를 제조하는 방법을 나타낸 개략도.1 is a schematic view showing a method for preparing an airgel blanket according to the present invention from a colloidal silica sol and tetraethyl orthosilicate silica sol.
도 2는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트(실시예 1 내지 3)와 비교예 1 및 2에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트의 밀도와 기공율을 비교하여 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing a comparison of the density and porosity of the airgel blanket prepared by the method according to the invention (Examples 1 to 3) and the airgel blanket prepared by the method according to Comparative Examples 1 and 2.
-□- : 밀도-□-: Density
-●- : 기공율-●-: Porosity
도 3은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트(실시예 1 내지 3)와 비교예 1 및 2에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트의 기공체적과 기공크기를 비교하여 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the pore volume and pore size of the aerogel blanket prepared by the method according to the invention (Examples 1 to 3) and the airgel blanket prepared by the method according to Comparative Examples 1 and 2.
-□- : 기공체적-□-: Pore volume
-●- : 기공크기-●-: Pore size
도 4는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트(실시예 1 내지 3)와 비교예 1 및 2에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트의 BET 비표면적을 비교하여 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing a comparison of the BET specific surface area of the airgel blanket prepared by the method according to Comparative Examples 1 and 2 and the airgel blanket prepared by the method according to the invention.
-□- : BET 비표면적-□-: BET specific surface area
-●- : 기공체적-●-: Pore volume
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트(실시예 1 내지 3)와 비교예 1 및 2에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트의 열전도율과 두께를 비교하여 나타낸 그래프.5 is a graph showing the thermal conductivity and thickness of the airgel blanket prepared by the method according to the invention (Examples 1 to 3) and the airgel blanket prepared by the method according to Comparative Examples 1 and 2.
-□- : 열전도율-□-: Thermal conductivity
-●- : 두께-●-: Thickness
도 6a는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트의 주사전자현미경 사진.Figure 6a is a scanning electron micrograph of the airgel blanket prepared by the method according to the present invention.
도 6b는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트의 일부분을 확대한 주사전자현미경 사진.Figure 6b is a magnified scanning electron micrograph of a portion of an airgel blanket prepared by the method of the present invention.
본 발명은 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물유리와 테트라에틸 오르소실리케이트를 적절한 배합비율로 혼합함으로써 단열특성이 우수한 제품을 보다 경제적으로 제조할 수 있는 새로운 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an airgel blanket, and more particularly, by mixing water glass and tetraethyl orthosilicate in an appropriate blending ratio, a new airgel blanket can be manufactured more economically with a product having excellent thermal insulation properties. It is about a method.
에어로젤(aerogel)은 90% 이상의 기공율과 1-50nm의 기공크기를 가지는 초다공성 실리카 소재로서 특히 단열성능이 기존의 재료보다 몇 배 우수하여, 차세대 단열소재로서 주목받고 있는 재료이다. 그러나, 제조공정이 복잡하고, 제조단가가 높기 때문에 이러한 우수한 소재 특성을 가지고 있음에도 불구하고 극히 제한된 용도에만 사용되고 있는 실정이다. 또한, 기계적인 강도가 매우 취약하여 깨어지기 쉬운 단점이 있다. 따라서, 최근에는 이러한 에어로젤 자체의 단점들을 보완하고 여러 가지 형태로 가공이 가능하게 하는 에어로젤 블랑켓트 복합화 기술이 개발되었다.Aerogel is an ultra-porous silica material having a porosity of 90% or more and a pore size of 1-50 nm. In particular, aerogel is a material that is attracting attention as a next-generation insulation material because its thermal insulation performance is several times better than existing materials. However, the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is high, but despite the excellent material properties are used only in extremely limited applications. In addition, there is a disadvantage that the mechanical strength is very fragile and fragile. Therefore, in recent years, an airgel blanket complexing technology has been developed to compensate for the disadvantages of the airgel itself and to be processed in various forms.
에어로젤 블랑켓트(aerogel blanket)는 에어로젤 소재를 복합화하여 매트리스나 쉬트 형태로 만든 것을 말한다. 에어로젤 블랑켓트는 유연성이 있기 때문에 굽히거나 접거나 또는 자를 수 있는 특징을 지니고 있어서 파이프의 단열이나 의류 등과 같은 곳에도 응용이 가능하고 여러 가지 산업적인 응용 또한 가능하다. 유연성은 에어로젤 블랑켓트가 섬유와 에어로젤로 구성되어 있는 복합체(composite)이기 때문에 가능한 것이다. 섬유는 에어로젤 블랑켓트의 유연성과 기계적인 강도를 강화하는 역할을 하고, 에어로젤은 다공성으로 인한 단열특성을 부여해준다. 섬유의 특징과 에어로젤의 특징을 복합화 하여 서로의 장점을 살리고 단점을 보완한 것이 에어로젤 블랑켓트의 핵심적인 복합화 기술이라 하겠다.An aerogel blanket is a composite of aerogel material made into a mattress or sheet. Aerogel blankets have the flexibility to bend, fold, or cut, making them suitable for applications such as insulation of pipes, clothing, and many other industrial applications. Flexibility is possible because the airgel blanket is a composite consisting of fibers and aerogels. Fibers enhance the flexibility and mechanical strength of aerogel blankets, while aerogels provide thermal insulation properties due to porosity. The core composite technology of the airgel blanket is to combine the characteristics of the fiber and the characteristics of the airgel to make use of each other's advantages and to make up for the shortcomings.
에어로젤 블랑켓트는 기존의 폴리머 단열재인 폴리스티로폴이나 폴리우레탄폼보다 내열성 및 단열성이 우수한 신소재로서, 향후 전개되는 에너지 절약 및 환경문제를 해결할 수 있는 첨단소재로 주목을 받고 있으며, 크게 실리카 에어로 젤(silica aerogel)과 플렉서블 에어로젤 복합체 블랑켓트(Flexible Aerogel Composite Blanket)의 종류가 있다. Aerogel blanket is a new material that has better heat resistance and insulation than polystyrene or polyurethane foam, which is a conventional polymer insulation material, and is attracting attention as an advanced material that can solve future energy savings and environmental problems. aerogel) and flexible aerogel composite blankets.
실리카 에어로젤은 초경량(공기의 3배정도 무게까지 제조 가능)이면서, 열전도율이 보통의 단열재보다 1/3이상 낮은 장점을 가지고 있다. 그러나, 매우 높은 기공율(95%)로 인하여 기계적인 강도가 매우 약하기 때문에 조그만 충격에도 쉽게 부서지는 단점이 있다. 또한, 알콕시드와 같은 고가의 원료를 사용하고 초임계 건조공정을 사용하여 제조되어야 하므로 제조단가가 비싸다(현재 플라스틱 폼의 약 10배)는 문제점이 있다. Silica aerogels are very lightweight (can be manufactured up to three times the weight of air) and have the advantage that thermal conductivity is more than 1/3 lower than that of ordinary insulation. However, due to very high porosity (95%), the mechanical strength is very weak, so there is a disadvantage that it is easily broken even in a small impact. In addition, there is a problem in that the manufacturing cost is expensive (about 10 times as large as plastic foam) because it needs to be manufactured by using an expensive raw material such as alkoxide and using a supercritical drying process.
이러한 실리카 에어로젤의 문제점을 해결한 방법이, 섬유와 에어로젤의 복합재료를 제조함으로써 유연성(flexibility)을 부여하고 기계적인 강도를 향상시키는 것이다. 플렉서블 에어로젤 복합체 블랑켓트의 제조는 종래의 폴리머 단열재를 대체할 수 있을 정도의 우수한 단열특성, 기계적인 강도, 유연성으로 인한 다양한 형태로의 가공의 용이성 등으로 향후 기존의 건축용 단열재 시장을 대체할 것으로 예상되며, 또한 우주선과 우주복, 운동복과 운동화와 같은 생활용품에 이르기까지 응용가능성이 매우 확대될 것으로 예상된다. The solution to the problem of the silica airgel is to provide flexibility and improve mechanical strength by manufacturing the composite material of the fiber and the airgel. The manufacture of flexible aerogel composite blankets is expected to replace the existing building insulation market in the future due to the excellent insulation properties, mechanical strength, and ease of processing in various forms due to the flexibility to replace the conventional polymer insulation. It is also expected to expand its applicability to life products such as spacecraft, space suits, sportswear and sneakers.
종래의 에어로젤 블랑켓트의 합성기술은 실리카와 같은 졸(sol)을 pH, 온도, 촉매 등의 변화를 통하여 먼저 겔화시킨 후, 초임계 건조(supercritical drying) 등의 처리를 통하여서 다공질의 에어로젤을 합성하는 것이 가장 일반적인 방법이었다. 초창기에는 물을 용매로 사용하였으나 물을 사용하였을 때는 건조공정 시 발생하는 모세관 응력에 의하여 쉽게 부서지는 단점이 있었다. 따라서, 현재는 알코 올 용매치환이나 CO2 용매치환을 통하여서 건조온도를 30℃의 낮은 온도에서 건조하는 공정으로 발전하였지만, 대형의 오토클레이브 장치를 사용하는 단점이 있으며 고압에 의한 가스누출 및 폭발 등과 같은 공정상의 위험이 있다. 에어로젤 블랑켓트는 유동성의 졸(sol)과 유연성을 가지고 있는 섬유를 복합화하는 것에 의하여 보다 안전하게 건조시킬 수 있으며, 더욱이 용매치환(solvent exchange)과 표면개질(surface modification)에 의하여 상압/저온공정을 통한 에어로젤 블랑켓트 제조가 가능해졌다. Conventional aerogel blanket synthesis technology to gel the sol (sol), such as silica first by changing the pH, temperature, catalyst, etc., and then synthesize a porous aerogel through a process such as supercritical drying (supercritical drying) It was the most common way. In the early days, water was used as a solvent, but when water was used, it was easily broken by capillary stress generated during the drying process. Therefore, the present invention has been developed into a process of drying the drying temperature at a low temperature of 30 ℃ through alcohol solvent replacement or CO 2 solvent replacement, but has a disadvantage of using a large autoclave device, such as gas leakage and explosion due to high pressure There is the same process risk. Aerogel blankets can be dried more safely by incorporating fluidized sol and flexible fibers, and can also be subjected to atmospheric pressure / low temperature processes by solvent exchange and surface modification. It was possible to manufacture aerogel blankets.
미국특허 제 5,789,075호에는 상기 언급된 바와 같은 방법으로 에어로젤 블랑켓트를 제조한 예가 개시되어 있으며, 졸 전구체로서 테트라에틸 오르소실리케이트 또는 물유리 만을 단독으로 사용하였다. 그러나, 물유리 만을 단독으로 사용하게 되면, 건조시 스프링백(spring-back) 효과가 일어나지 않아서 두께가 줄어들어 90% 이상의 기공율을 나타내지 못하여 열전도율이 높은 문제점이 있다. 또한, 테트라에틸 오르소실리케이트 만을 단독으로 사용하게 되면, 효과는 양호하나 고가의 테트라에틸 오르소실리케이트를 사용하게 되므로 완성된 에어로젤 블랑켓트 제품이 매우 고가이기 때문에 비경제적인 문제점이 있다. U. S. Patent No. 5,789, 075 discloses an example of preparing an airgel blanket by the method as described above, using only tetraethyl orthosilicate or water glass alone as the sol precursor. However, when only water glass is used alone, the spring-back effect does not occur during drying, so that the thickness is reduced, so that the porosity of 90% or more is not exhibited. In addition, when only tetraethyl orthosilicate is used alone, the effect is good, but expensive tetraethyl orthosilicate is used, so there is an uneconomical problem because the finished airgel blanket product is very expensive.
한편, 현재 에너지의 95% 이상을 수입에 의존해야만 하는 우리의 현실을 감안한다면 기존의 단열소재 보다 3배 이상의 단열특성을 가지면서도 매우 경제적인 새로운 에어로젤 블랑켓트 소재의 개발은, 에너지 절감 및 효율향상에 대한 기술력 의 한계를 극복하고 에너지의 위기를 슬기롭게 대처한다는 측면에서도 아주 중요한 연구가 될 것이다. On the other hand, considering our reality of relying on imports for more than 95% of the current energy, the development of a new aerogel blanket material that is more economical than existing insulation materials and is very economical, saves energy and improves efficiency. It will also be a very important study in overcoming the limitations of technology and dealing with the energy crisis wisely.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 새로운 종류의 고성능 에어로젤 블랑켓트를 경제적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a method of economically manufacturing a new kind of high performance airgel blanket.
본 발명자는 유연성을 가지면서도 기존의 단열소재 보다 3배 이상의 단열특성을 가지는 새로운 에어로젤 블랑켓트를 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 연구하던 중, 물유리와 테트라에틸 오르소실리케이트를 적정 배합비율로 혼합하는 단계를 포함하는 새로운 에어로젤 블랑켓트 제조 방법을 개발하였으며, 이와 같은 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트가 밀도가 낮고 기공율이 높으며 열전도율이 낮아 단열특성이 우수함을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have been researching to develop a method for economically manufacturing a new airgel blanket which has flexibility and more than three times more heat insulating properties than existing heat insulating materials, and is suitable for mixing water glass and tetraethyl orthosilicate. The new airgel blanket manufacturing method including the step of mixing was developed, and the airgel blanket prepared in this manner was completed by confirming that the low density, high porosity, and low thermal conductivity have excellent thermal insulation properties.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 물유리로부터 콜로이드계 실리카졸을 합성하는 단계; 상기 콜로이드계 실리카졸에 테트라에틸 오르소실리케이트계 실리카졸을 첨가하여 에어로젤 전구체를 제조하는 단계; 상기 에어로젤 전구체의 pH를 조절하는 단계; 상기 pH가 조절된 에어로젤 전구체에 섬유를 첨가하여 겔화된 조성물을 수득하는 단계; 상기 겔화된 조성물을 에이징시키는 단계; 상기 에이징된 조성물에 대해 표면개질 및 용매치환하는 단계; 및 상기 표면개질 및 용매치환된 조성물을 건조시킨 후 열처리하는 단계를 포함하는 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention comprises the steps of synthesizing a colloidal silica sol from water glass; Preparing an airgel precursor by adding tetraethyl orthosilicate silica sol to the colloidal silica sol; Adjusting the pH of the airgel precursor; Adding fibers to the pH-adjusted airgel precursor to obtain a gelled composition; Aging the gelled composition; Surface modification and solvent replacement of the aged composition; And it provides a method for producing an airgel blanket comprising the step of drying the surface-modified and solvent-substituted composition and heat treatment.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법은, 물유리로부터 콜로이드계 실리카졸을 합성한 후, 상기 콜로이드계 실리카졸에 테트라에틸 오르소실리케이트계 실리카졸을 첨가하여 에어로젤 전구체를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The method for preparing an airgel blanket according to the present invention comprises synthesizing a colloidal silica sol from water glass, and then adding tetraethyl orthosilicate silica sol to the colloidal silica sol to prepare an airgel precursor. It features.
상기 기술분야에서도 언급된 바와 같이, 통상적인 방법으로 에어로젤 블랑켓트를 제조할 경우, 상압건조 시 스프링백(spring-back) 효과가 일어나지 않아 두께가 줄어들어 90%이상의 기공율을 나타내지 못하기 때문에 열전도율이 높은 문제점이 있었다. 또한, 테트라에틸 오르소실리케이트계 실리카졸 만을 단독으로 사용하게 되면 경제적이지 못한 문제점이 있었다. 본 발명에서는 테트라에틸 오르소실리케이트(tetraethyl orthosilicate)를 상기 물유리에 적절한 배합비율로 혼합하여 사용함으로써 이러한 문제점을 해결하였다는 점에 큰 특징이 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 콜로이드계 실리카졸과 테트라에틸 오르소실리케이트계 실리카졸의 배합비율을 25~75:75~25(부피비)로 조절하였는데, 부피비가 상기 범위 밖일 경우, 즉 콜로이드계 실리카졸이 상기 배합비율 보다 높은 경우에는 스프링백 효과가 충분히 일어나지 못하여 완성된 에어로젤 블랑켓트의 두께가 감소하기 때문에 기공율이 작 고 열전도율이 높은 문제점이 있으며, 테트라에틸 오르소실리케이트계 실리카졸이 상기 배합비율 보다 높은 경우에는 콜로이드계 실리카졸 과의 반응성이 낮아지고 원료의 비용이 높아진다는 문제점이 발생한다. 따라서, 콜로이드계 실리카졸과 테트라에틸 오르소실리케이트계 실리카졸을 상기 배합비율로 배합할 때 경제적이면서도 가장 최적 성능의 에어로젤 블랑켓트를 제조할 수 있다는 이점이 있다. As mentioned in the technical field, when the airgel blanket is manufactured by a conventional method, the spring-back effect does not occur during atmospheric pressure drying, so that the thickness is reduced, and thus the porosity of 90% or more is high. There was a problem. In addition, when only tetraethyl orthosilicate silica sol alone is used, there is a problem that is not economical. In the present invention, the tetraethyl orthosilicate (tetraethyl orthosilicate) is characterized in that this problem is solved by mixing the water glass with an appropriate mixing ratio. That is, in the present invention, the compounding ratio of the colloidal silica sol and tetraethyl orthosilicate silica sol was adjusted to 25 to 75:75 to 25 (volume ratio), but when the volume ratio is outside the above range, that is, the colloidal silica sol is If the blending ratio is higher than the springback effect, the porosity is small and the thermal conductivity is high because the thickness of the finished airgel blanket is reduced, and the tetraethyl orthosilicate silica sol is higher than the blending ratio. In this case, the reactivity with colloidal silica sol becomes low A problem arises in that the cost of the raw material is high. Accordingly, when the colloidal silica sol and the tetraethyl orthosilicate silica sol are blended in the above blending ratio, there is an advantage that an airgel blanket of the most economical and optimal performance can be prepared.
상기 콜로이드계 실리카졸은 물유리로부터 이온교환수지 방법에 의해 Na 이온을 제거한 후, 에탄올을 첨가하여 사용되는 것이 바람직하다. 특히, 콜로이드계 실리카졸에 에탄올을 20~80부피%의 함량으로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기에서 물유리로부터 Na 이온을 제거한 콜로이드 실리카졸 만으로 에어로젤 블랑켓트를 제조할 경우, 블랑켓트의 두께가 현저히 줄어들고 기공체적도 작아서 열전도율이 거의 유리섬유와 같아 열전도율 개선효과가 미약하다는 문제점이 발생한다. 따라서, 에탄올을 상기 범위의 함량으로 첨가하여 제조된 콜로이드계 실리카졸을 사용하는 것이 가장 바람직하다.The colloidal silica sol is preferably used after removing Na ions from the water glass by the ion exchange resin method, followed by the addition of ethanol. In particular, it is preferable to add ethanol to the colloidal silica sol in an amount of 20 to 80% by volume. In the case of manufacturing an airgel blanket with only colloidal silica sol from which Na ions are removed from the water glass, the thickness of the blanket is significantly reduced and the pore volume is small, so that the thermal conductivity is almost the same as that of glass fiber. Therefore, it is most preferable to use a colloidal silica sol prepared by adding ethanol to the content in the above range.
본 발명에 따른 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법에서는, 상기와 같이 제조된 에어로젤 전구체의 pH를 조절하는 단계를 포함한다. In the method for producing an airgel blanket according to the present invention, it comprises the step of adjusting the pH of the airgel precursor prepared as described above.
pH는 암모니아수를 이용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며, 이는 pH가 5 미만이면 콜로이드계 실리카졸은 겔화가 느리지만, 테트라에틸 오르소실리케이드계 실리카졸은 매우 빠르게 겔화가 일어나고, pH가 6을 초과하면 겔화 시간이 너무 빨라서 섬유에 졸이 모두 침적되기 전에 굳어버리는 문제점이 발생하 기 때문이다.It is preferable to use ammonia water, but the pH is not limited thereto. If the pH is less than 5, colloidal silica sol is slow in gelation, but tetraethyl orthosilicate silica sol is very fast in gelation, and the pH is 6 If it exceeds, the gelation time is too fast and the problem of hardening before all the sol is deposited on the fiber occurs.
본 발명에 따른 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법에서는, 상기와 같이 pH가 조절된 에어로젤 전구체에 섬유를 첨가하여 겔화시키는 단계를 포함하며, 상기 섬유는 유리섬유, 카본섬유 및 폴리이미드계 폴리머섬유로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며, 당업계에서 통상적으로 사용될 수 있는 섬유가 사용될 수 있다.In the method for producing an airgel blanket according to the present invention, the method comprises the step of gelling by adding the fiber to the pH-adjusted airgel precursor as described above, the fiber is a group consisting of glass fibers, carbon fibers and polyimide polymer fibers It is preferably at least one selected from, but is not limited thereto, and fibers which can be used in the art can be used.
상기 겔화된 조성물은 이후 에이징(aging)시키는 단계를 거치게 된다. 에이징은 통상적으로는 물질을 적당한 온도에 장시간 방치함으로써 화학적 변화가 완전히 이루어지도록 하는 방법으로서, 본 발명에서는 에탄올내 50~60℃ 온도에서 에이징을 수행하게 되며, 겔 내부의 수분이 에탄올로 치환되고, 겔의 고체 네트워크가 강화되어서 겔의 강도가 강화되는 이점이 있기 때문에 상기 조건에서 에이징 시키는 것이 가장 바람직하다.The gelled composition is then subjected to aging. Aging is a method of completely chemical change by leaving the material at a suitable temperature for a long time, in the present invention, the aging is performed at 50 ~ 60 ℃ temperature in ethanol, the moisture in the gel is substituted with ethanol, Aging under these conditions is most preferred because of the advantage that the solid network of the gel is strengthened, thereby enhancing the strength of the gel.
본 발명에 따른 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법에서는, 상기 에이징된 조성물을 표면개질 및 용매치환하는 단계를 거치게 된다. 상기 표면개질 및 용매치환은 트리메틸클로로실란, 헥사메틸디실라잔, 메틸트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 디메틸클로로실란 및 트리메틸에톡시실란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 표면개질제와 이소프로필알코올, n-헥산, 헵탄, 톨루엔 및 자일렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 용매의 혼합용액에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 표면개질제와 용매의 혼합비율은 1:1~10(부피비)인 것이 바람직하다. 상기와 같이 표면개질 및 용매치환을 수행함으로써 겔 표면 및 내부의 기공 표면에 실란처리가 되어서 소수성을 나타내게 되고, 겔 내부를 채우고 있는 용매와 고체 표면의 표면장력을 낮추어 상압에서 열처리하여도 크랙 없이 에어로젤 블랑켓트를 제조하는 것이 가능하게 되며, 표면에 처리된 실란으로 인하여 소수성을 갖는 에어로젤 블랑켓트를 제조하는 것이 가능하게 된다.In the method for producing an airgel blanket according to the present invention, the step of undergoing surface modification and solvent replacement of the aged composition. The surface modification and solvent replacement is any one or more surface modifiers and iso is selected from the group consisting of trimethylchlorosilane, hexamethyldisilazane, methyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, dimethylchlorosilane and trimethylethoxysilane Propyl alcohol, n-hexane, heptane, toluene and xylene may be formed by a mixed solution of any one or more solvents selected from the group consisting of, the mixing ratio of the surface modifier and the solvent is 1: 1 to 10 (volume ratio) is It is preferable. By performing surface modification and solvent replacement as described above, silane treatment is performed on the surface of the gel and the pores of the gel to show hydrophobicity. It is possible to produce a blanket, and due to the silanes treated on the surface, it is possible to produce an aerogel blanket having hydrophobicity.
본 발명에 따른 에어로젤 블랑켓트의 제조 방법은, 또한 2 단계에 걸쳐 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The method for producing an airgel blanket according to the present invention is also characterized by comprising drying in two stages.
통상적으로는 에어로젤 블랑켓트의 제조시 1 단계의 건조만 이루어졌으나, 본 발명에서는 실온에서 12~24시간 건조시킨 후, 50~60℃에서 2~6시간 재 건조시킴으로써 겔 내부의 용매를 증발시켜주고 고체 네트워크를 강화시켜 주어서 겔의 강도가 증가시켰다는 점에 큰 특징이 있다.Typically, only one step of drying was performed in the preparation of the airgel blanket, but in the present invention, after drying 12 to 24 hours at room temperature, the solvent inside the gel is evaporated by re-drying at 50 to 60 ℃ for 2 to 6 hours. There is a great feature in that the strength of the gel is increased by strengthening the solid network.
상기 2 단계로 건조된 조성물은 이후 열처리하는 단계를 거치게 되며, 본 발명에서는 150~250℃에서 2~4 시간 동안 열처리를 하였다. 열처리시 온도가 150℃ 미만이면 용매가 완전히 증발하지 않아 에어로젤 블랑켓트를 형성하기 어려운 점이 있으며, 250℃를 초과하면 친수성이 되기 때문에 상기 범위의 온도에서 열처리하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 열처리 시간이 2시간 미만이면 에어로젤 블랑켓트의 기공율이 충분치 않게 되고, 4시간을 초과하면 에어로젤 블랑켓트가 수축하여 기공율이 줄어들기 때문에 상기 범위의 시간 동안 열처리하는 것이 가장 바람직하다. The composition dried in two steps is then subjected to a heat treatment step, in the present invention was subjected to a heat treatment for 2 to 4 hours at 150 ~ 250 ℃. If the temperature during the heat treatment is less than 150 ℃ does not completely evaporate the solvent is difficult to form an airgel blanket, it is most preferable to heat treatment at a temperature in the above range because it becomes hydrophilic when it exceeds 250 ℃. In addition, when the heat treatment time is less than 2 hours, the porosity of the airgel blanket is not enough, and if it exceeds 4 hours, the airgel blanket is contracted to reduce the porosity, so it is most preferable to heat-treat for the above range of time.
이과 같이, 본 발명의 방법에 따라 제조된 에어로젤 블랑켓트는 밀도가 0.1~0.15g/cm3, 기공율이 90~95% 및 열전도율이 18~20mW/mK로서 단열특성이 매우 우수한 물성을 갖고 있다.As such, the aerogel blanket prepared according to the method of the present invention has a very excellent thermal insulation properties of 0.1 ~ 0.15g / cm 3 , porosity of 90 ~ 95% and thermal conductivity of 18 ~ 20mW / mK.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.
[실시예 1 내지 3] [Examples 1-3]
물유리로부터 앰버라이트(amberlite) 이온교환수지를 이용하여 Na 이온을 제거한 후, 여기에 에탄올을 50부피%를 첨가하여 콜로이드계 실리카졸을 제조하였다. 상기 콜로이드계 실리카졸에 테트라에틸 오르소실리케이트(이후 'TEOS'라 함)계 실리카졸을 첨가하고 암모니아수(1M)를 첨가하여 pH를 5로 조절한 후, 유리 섬유(Cerakwool, KCC)를 침적(immersion)시키고 겔화시켰다. 이 후, 에탄올에서 60℃의 조건하에 에이징하였고, 표면개질제와 용매[트리메틸클로로실란(TMCS):이소프로필알코올(IPA)=1:10(부피비)]의 혼합용액에 담가 표면개질 및 용매치환을 시켰다. 이 후, 실온에서 24시간, 60℃에서 4시간 건조하였고, 1℃/분의 승온속도로 230℃의 온도에서 2시간 열처리하여 에어로젤 블랑켓트를 제조하였다. 본 발명에 따른 에어로졸 블랑켓트의 제조 방법을 도 1에 간략하게 나타내었다.Na ion was removed from the water glass using an amberlite ion exchange resin, and then 50 vol% of ethanol was added thereto to prepare a colloidal silica sol. After adding tetraethyl orthosilicate (hereinafter 'TEOS') silica sol to the colloidal silica sol and adding ammonia water (1M) to adjust pH to 5, glass fiber (Cerakwool, KCC) was deposited ( immersion) and gelled. After aging in ethanol at 60 ° C., surface modification and solvent replacement were performed by dipping in a mixed solution of a surface modifier and a solvent [trimethylchlorosilane (TMCS): isopropyl alcohol (IPA) = 1: 10 (volume ratio)]. I was. Thereafter, the mixture was dried for 24 hours at room temperature and 4 hours at 60 ° C., and then heat-treated at 230 ° C. for 2 hours at a temperature increase rate of 1 ° C./min to prepare an airgel blanket. A method for producing an aerosol blanket according to the present invention is briefly shown in FIG.
실시예 1 내지 3에서 사용된 콜로이드계 실리카졸과 TEOS계 실리카졸의 부피 비를 하기 표 1에 나타내었다. 실시예 1은 콜로이드계 실리카졸과 TEOS계 실리카졸의 부피비가 75:25인 것을 나타낸다. 또한, 실시예 2는 각각 50:50이고, 실시예 3은 25:75인 것을 나타낸다. 이 때 어떤 부피조성을 갖던지 실리카의 고체함량은 6%가 되도록 하였다. The volume ratio of the colloidal silica sol and the TEOS silica sol used in Examples 1 to 3 is shown in Table 1 below. Example 1 shows that the volume ratio of the colloidal silica sol and the TEOS silica sol is 75:25. In addition, Example 2 is 50:50, respectively, and Example 3 shows that it is 25:75. At this time, no matter what volume composition, the solids content of silica was 6%.
[비교예 1]Comparative Example 1
콜로이드계 실리카졸 만을 100부피% 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1 내지 3에서와 같은 방법을 이용하여 에어로졸 블랑켓트를 제조하였다.An aerosol blanket was prepared using the same method as in Examples 1 to 3 except that only 100% by volume of the colloidal silica sol was used.
[비교예 2]Comparative Example 2
TEOS계 실리카졸만을 100부피% 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1 내지 3에서와 같은 방법을 이용하여 에어로졸 블랑켓트를 제조하였다.An aerosol blanket was prepared using the same method as in Examples 1 to 3, except that only 100 vol% of TEOS-based silica sol was used.
[비교예 3]Comparative Example 3
열처리를 270℃에서 2시간 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법을 이용하여 에어로졸 블랑켓트를 제조하였다.An aerosol blanket was prepared using the same method as Example 1 except that the heat treatment was performed at 270 ° C. for 2 hours.
[시험예 1] 겉보기밀도 및 기공율 측정Test Example 1 Apparent Density and Porosity Measurement
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1, 2에서 제조한 각각의 에어로젤 블랑켓트에 대해 겉보기밀도와 기공율을 하기 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.The apparent density and porosity of each of the airgel blankets prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the following method, and the results are shown in FIG. 2.
겉보기밀도()의 경우 에어로젤 블랑켓트가 표면개질에 의하여 소수성(hydrophobicity)을 가지기 때문에 에탄올에 침적시켜서 아르키메데스의 원리에 의하여 측정하였다(수학식 1). Wair 는 샘플의 건조 시 무게이고, Wwet는 젖은 상태에서의 샘플의 무게이다. Wliq는 에탄올 속에서의 샘플의 무게이고, ρe는 에탄올의 밀도이다. Apparent density( ), The aerogel blanket is hydrophobic (hydrophobicity) by surface modification, so that it was deposited on ethanol and measured according to Archimedes' principle (Equation 1). W air is the weight of the sample when dry, and W wet is the weight of the sample in the wet state. W liq is the weight of the sample in ethanol and ρ e is the density of ethanol.
기공율(P)은 젖은 상태에서의 무게에서 건조상태에서의 무게를 뺀 것에 젖은 상태의 무게에서 에탄올 속에서의 무게를 뺀 것으로 나누어 준 것을 백분율로 나눈 값이다(수학식 2). Porosity (P) is obtained by subtracting the weight in wet from the weight in dry and the weight in wet from the weight in ethanol divided by percentage (Equation 2).
도 2에 나타낸 바와 같이, 콜로이드계 실리카졸로만으로 이루어진 비교예 1의 경우 밀도가 0.196으로 상대적으로 크고 기공율은 86.5%의 값을 나타내고 있다. 반면, TEOS계 실리카졸을 25% 함유한 실시예 1의 경우 밀도가 0.115로 크게 감소하고 기공율도 90%로 증가한 것을 알 수 있다. 실시예 2의 경우는 밀도는 다소 증가하여 0.14의 값을 나타내었고 기공율은 89.3%로 다소 낮아졌다. 실시예 3의 경우 밀도는 각각 0.13 정도로 낮아지고 기공율은 90.8%의 값을 나타내어 비교예 2와 유사한 효과를 보였다. As shown in FIG. 2, in the case of Comparative Example 1 consisting of only colloidal silica sol, the density was 0.196, and the porosity was 86.5%. On the other hand, in Example 1 containing 25% of the TEOS-based silica sol density was greatly reduced to 0.115 and porosity also increased to 90%. In the case of Example 2, the density was slightly increased, showing a value of 0.14, and the porosity was slightly lowered to 89.3%. In Example 3, the density was lowered to about 0.13, respectively, and the porosity was 90.8%, showing a similar effect to that of Comparative Example 2.
즉, 전체적으로 콜로이드계 실리카졸과 TEOS계 실리카졸을 25~75:75~25의 배합비율로 혼합하여 합성한 경우, 밀도가 낮고 기공율도 높음을 확인하였다.That is, it was confirmed that the total density of the colloidal silica sol and TEOS-based silica sol in a compounding ratio of 25 to 75:75 to 25, the density is low and the porosity is also high.
[시험예 2] 기공크기, 기공체적 및 비표면적 측정[Test Example 2] Pore size, pore volume and specific surface area measurement
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1, 2에서 제조한 각각의 에어로젤 블랑켓트에 대하여 기공크기, 기공체적 및 비표면적을 하기 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.The pore size, pore volume and specific surface area of each of the airgel blankets prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the following methods, and the results are shown in FIGS. 3 and 4.
비표면적(specific surface area)과 기공크기(pore size)는 질소기체의 흡착과 탈착에 의한 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법 및 BJH(Barrett Joyner and Halenda) 방법에 의하여 측정하였다(수학식 3 및 4). Specific surface area and pore size were measured by Brunauer-Emmett-Teller (BET) method and Barrett Joyner and Halenda (BJH) method by adsorption and desorption of nitrogen gas (
상기 수학식 3과 4에서 S는 비표면적이고, W는 질소의 상대압력 하에서의 무게이고 C는 BET상수, Wm은 모노레이어의 무게인데 BET 곡선에서 기울기와 절편의 합의 역수로 얻을 수 있는 값이고, M은 질소의 분자량, Acs는 질소의 분자 단면적으로 16.2Å이다. w는 시료의 무게이다. In
단위질량당 기공의 체적(V)은 겉보기밀도의 역수에 기공율을 곱해준 값으로 나타내었다. 겉보기 밀도의 역수는 단위 체적당 샘플의 겉보기 체적을 나타내는데, 여기에 기공이 차지하고 있는 기공율을 곱하면 단위질량당 기공의 부피가 계산 된다(수학식 5). The volume (V) of pores per unit mass is expressed as the inverse of the apparent density multiplied by the porosity. The inverse of the apparent density represents the apparent volume of the sample per unit volume, which is multiplied by the porosity occupied by the pores to calculate the volume of pores per unit mass (Equation 5).
도 3에 나타나 있는 바와 같이, 비교예 1의 경우 기공크기는 90Å, 실시예 1은 150Å, 실시예 2는 140Å, 실시예 3은 260Å을 나타내고 있다. 이런 결과를 볼 때, 물유리에서 출발한 콜로이드계 실리카졸의 경우 기공의 크기가 작고 TEOS를 첨가할수록 기공의 크기가 커지는 경향을 나타내고 있다. As shown in FIG. 3, in Comparative Example 1, the pore size was 90 ms, Example 1 was 150 ms, Example 2 was 140 ms, and Example 3 was 260 ms. These results show that the colloidal silica sol starting from water glass has a small pore size and the pore size increases as TEOS is added.
또한, 기공체적의 경우, 비교예 1의 경우 1.5g/cc, 실시예 1은 2.2g/cc, 실시예 3은 4.25g/cc 값을 나타내고 있다. In the case of the pore volume, 1.5g / cc for Comparative Example 1, 2.2g / cc for Example 1, and 4.25g / cc for Example 3, respectively.
또한, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 비교예 1의 경우 비표면적은 378m2/g의 값을 나타내었고, 실시예 1은 397m2/g, 실시예 2는 456m2/g, 실시예 3은 436m2/g 값을 나타내었다. In addition, as shown in FIG. 4, in the case of Comparative Example 1, the specific surface area showed a value of 378m 2 / g, Example 1 was 397m 2 / g, Example 2 was 456m 2 / g, and Example 3 436 m 2 / g was shown.
즉, 상기와 같은 결과에 따르면, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트의 기공크기, 기공체적과 비표면적이 크며, 이에 따라 기공율도 높음을 확인할 수 있었다.That is, according to the results as described above, the pore size, pore volume and specific surface area of the airgel blanket produced by the method according to the present invention was large, thereby confirming that the porosity is high.
[시험예 3] 열전도율 및 두께 측정Test Example 3 Measurement of Thermal Conductivity and Thickness
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1, 2에서 제조한 각각의 에어로젤 블랑켓트에 대해 열전도율과 두께를 하기 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 에어로젤 블랑켓트의 두께는 버니어캘리퍼스를 사용하여 8군데를 측정하여 평균값을 두께로 나타내었다. 열전도율은 핫베드(Hot bed method, KSL 9016) 방법을 이용하여 15cm×15cm의 면적의 에어로젤 블랑켓의 열전도율을 측정하였다.The thermal conductivity and thickness of each of the airgel blankets prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the following method, and the results are shown in FIG. 5. The thickness of the airgel blanket was measured by eight places using a vernier caliper to represent the average value as the thickness. Thermal conductivity was measured by using a hot bed method (KSL 9016), the thermal conductivity of the airgel blanket of the area of 15cm × 15cm.
도 5에 나타나 있는 바와 같이, 비교예 1의 경우 두께는 9mm이었고 열전도율은 23.3mW/mK로 가장 높은 수치를 나타내었다. 반면, 본 발명에 따라 TEOS계 실리카졸을 혼합할수록 두께는 증가하였다. 두께가 증가할수록 스프링백 효과에 의하여 기공의 체적이 증가하고, 즉 기공율이 증가하여, 고체를 통하여 전달되는 열전도가 낮아지는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 에어로젤 블랑켓트는 열전도율은 낮아지는 경향을 나타내어, 실시예 1의 열전도율은 20.2mW/mK, 실시예 2의 경우 19.2mW/mK, 그리고 실시예 3은 18.9mW/mK의 열전도율을 나타내었다. As shown in FIG. 5, in Comparative Example 1, the thickness was 9 mm and the thermal conductivity was 23.3 mW / mK, which was the highest value. On the other hand, as the TEOS-based silica sol was mixed according to the present invention, the thickness increased. As the thickness increases, the volume of the pores increases due to the springback effect, that is, the porosity increases, thereby lowering the thermal conductivity transmitted through the solid. In addition, the airgel blanket produced by the method according to the present invention shows a tendency to lower the thermal conductivity, the thermal conductivity of Example 1 is 20.2mW / mK, Example 2 19.2mW / mK, and Example 3 is 18.9mW Thermal conductivity of / mK is shown.
즉, 본 발명의 방법에 따라 제조된 에어로젤 블랑켓트는 열전도율이 낮아 단열특성이 우수함을 확인하였다.That is, it was confirmed that the airgel blanket prepared according to the method of the present invention has excellent thermal insulation property because of low thermal conductivity.
[시험예 4] 열처리 온도에 따른 에어로젤 블랑켓트의 특성[Test Example 4] Characteristics of the airgel blanket according to the heat treatment temperature
상기 실시예 1과 비교예 3에서 제조한 각 에어로젤 블랑켓트에 대해, 표면 적, 기공지름, 비표면적, 열전도도 및 친수성 정도를 측정하였다. 표면적, 기공 지름, 비표면적, 열전도율은 상기 언급된 방법에 따라 측정하였으며, 친수성 정도는 물방울의 접촉각을 측정하는 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. For each of the airgel blankets prepared in Example 1 and Comparative Example 3, the surface area, pore diameter, specific surface area, thermal conductivity and degree of hydrophilicity were measured. Surface area, pore diameter, specific surface area, and thermal conductivity were measured according to the above-mentioned method, and the degree of hydrophilicity was measured by measuring the contact angle of water droplets, and the results are shown in Table 2 below.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 230℃에서 열처리한 에어로젤 블랑켓트는 474m2/g의 표면적 값을 갖고, 기공크기는 113Å, 19.8의 BET 상수를 갖으며, 소수성을 나타내었다. 반면, 비교예 3에 따라 270℃에서 열처리한 실리카 에어로젤 블랑켓트는 400m2/g의 표면적, 82Å의 기공크기, 134 BET 상수를 갖고 친수성을 나타내었다. 또한, 실시예 1에 따른 에어로젤 블랑켓트는 19.8mW/mK의 열전도율을 나타내었고, 비교예 3에 따른 에어로젤 블랑켓트는 25.7mW/mK의 열전도율을 나타내었다. As shown in Table 2, the airgel blanket heat-treated at 230 ℃ according to the present invention has a surface area value of 474m 2 / g, the pore size has a BET constant of 113Å, 19.8, and showed hydrophobicity. In contrast, the silica airgel blanket heat-treated at 270 ° C. according to Comparative Example 3 exhibited hydrophilicity with a surface area of 400 m 2 / g, a pore size of 82 μs, and a 134 BET constant. In addition, the airgel blanket according to Example 1 exhibited a thermal conductivity of 19.8 mW / mK, and the airgel blanket according to Comparative Example 3 exhibited a thermal conductivity of 25.7 mW / mK.
즉, 본 발명에 따른 방법으로 열처리하여 제조된 에어로젤 블랑켓트가 열전도율 및 전체적인 특성이 우수함을 확인하였다.That is, it was confirmed that the airgel blanket prepared by the heat treatment by the method according to the present invention has excellent thermal conductivity and overall characteristics.
[시험예 5] 에어로젤 블랑켓트의 구조 확인Test Example 5 Confirmation of Structure of Aerogel Blanket
상기 실시예 1에서 제조한 본 발명에 따른 에어로젤 블랑켓트의 구조를 주사전자현미경(SEM)으로 측정하였으며, 그 결과를 도 6a와 도 6b에 나타내었다.The structure of the airgel blanket according to the present invention prepared in Example 1 was measured by scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in FIGS. 6A and 6B.
도 6a 및 도 6b에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 에어로젤 블랑켓트는 유리 섬유 메트릭스 내부에 에어로젤 실리카가 채워져 있는 것을 확인할 수 있었다. 에어로젤과 에어로젤 사이, 그리고 유리 섬유와 에어로젤 사이에 틈새들이 존재하는데 이러한 것들이 수십 미크론의 기공에 해당하는 것으로 생각되어진다. As shown in Figure 6a and 6b, the airgel blanket prepared according to the present invention was confirmed that the airgel silica is filled in the glass fiber matrix. There are gaps between aerogels and aerogels, and between fiberglass and aerogels, which are thought to correspond to pores of tens of microns.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 제조된 에어로젤 블랑켓트는 밀도가 0.1~0.15g/cm3, 기공율이 90~95% 및 열전도율이 18~20mW/mK로서 단열특성이 매우 우수한 물성을 갖고 있다. 또한, 비표면적이 크고 기공크기도 컸으며, 열전도율은 낮았다. 즉, 단열특성이 우수하여 공업용 단열재와 우주복, 교통 및 차량, 전력생산용 단열재, 재킷이나 운동화류 등에 단열제품으로 적용이 가능하다.As described above, the airgel blanket prepared according to the method of the present invention has a density of 0.1 to 0.15 g / cm 3 , porosity of 90 to 95%, and thermal conductivity of 18 to 20 mW / mK. Have In addition, the specific surface area was large, the pore size was large, and the thermal conductivity was low. In other words, it is excellent in thermal insulation properties, it can be applied as a thermal insulation products for industrial insulation and space suits, transportation and vehicles, electrical power production insulation, jackets or sports shoes.
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