KR100940618B1 - 단열성 블랭킷의 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단열성 블랭킷의 조성물에 관한것으로서 단열성 방음성 충격 완화성등의 우수한 특성을 갖고 있는 실리카 에어로젤(Aerogel)을 주 단열 성분으로 하고 여기에 내열 섬유와 강도 강화 섬유, 고 흡수성 폴리머(SAP), 경화성 물질 및 발포성 물질 등으로 구성되며 비중이 낮고 소수성인 실리카 에어로젤의 표면을 친수성이고 수경성인 기타 재료와 친화력을 높여 습윤화되게 하고 수경화시키며 생석회(CaO)의 발열 과정을 통한 발포 및 건조 과정을 거쳐 일체화된 블랭킷이 생성되는 단열성의 블랭킷(BLANKET) 조성물에 관한것이다. 환경친화적이고 에너지 절감에 기여한다.
단열성 블랭킷 섬유 실리카 에어로젤 흡수성 폴리머
Description
본 발명은 초단열성, 방음성, 충격 완화성등의 우수한 특성을 갖고 있는 실리카 에어로젤을 실생활에 적용하기 위하여 개발한것으로서 우수한 성능에 비해 강도 및 신축성이 약하고 소수성으로 처리된 실리카 에어로젤의 표면을 기타 친수성 재료와의 접촉으로 표면 경화시켜 일체화시킨 것이 특징이라 하겠다.
단열 블랭킷의 주요 조성물로는 초 단열성의 실리카 에어로젤 분말 및 실리콘 스폰지, 해포석 섬유 분말, 수용성 실리콘 에멀젼, 폴리아크릴산계 흡수성 폴리머 및 폴리아크릴산 나트륨염 흡수성 섬유, 벤토나이트, 카르복시 메칠 셀룰로스, 생석회, 탄산수소나트륨, 알루미나 실리카겔, 알루미나 시멘트, 콜로이드 실리카, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유등으로 구성된다. 습윤 및 발포 과정을 거쳐 경화체를 형성하여 완성되고 실리카 에어로젤의 특성을 그대로 유지시키고 단열 성능을 한층 높인 단열성의 블랭킷 조성물이다.
상기 상술한 조성물로 사용되는 실리카 에어로젤(Silica Aerogel)의 중량은 ㎤당 3mg에 불과하고 겉보기 밀도는 0.003∼0.35g/㎤로 유리처럼 이산화 실리콘과 규사로 이루어져 있으나 유리보다 1천배나 밀도가 낮다. 열 소리 전기 등에 강하며 무게도 같은 부피의 공기보다 3배밖에 무겁지 않고 전체 부피의 98%를 공기가 차지하며 기공이 많고 넓은 비 표면적을 갖고 있어 주 단열 재료로 적용이 된다. 실리콘 스폰지는 탄성 복원력이 우수하고 휨성 및 내열성 방진성이 좋아 실리카 에어로젤과의 표면 경화로 단열 성능이 추가 부여되고 블랭킷을 지지하는 등의 충전재 역할을 한다. 해포석(SEPIOLITE) 섬유 분말은 점성력의 증가로 요변성을 가지며 기타 재료가 잘 분리되지 않고 물리적으로 엉키게 하여 경화체가 잘 형성되게 하고 인장력을 향상시키는 기능으로 적용이 된다. 물에 녹고 넓은 범위의 고무 탄성 효과를 내며 실리카 에어로젤과 실리콘 스폰지등의 기타 재료와의 층간 사이를 결합 경화시키는 수용성 실리콘 에멀젼, 수분을 순간적으로 흡수하고 팽창하여 겔화가 되며 소수성인 실리카 에어로젤의 표면을 기타 수경성, 친수성 재료와 점착하게 하여 습윤화시키며 표면 경화되게 하는 폴리 아크릴산계 고 흡수성 폴리머 및 폴리 아크릴산나트륨염 흡수성 폴리머 섬유 그리고 수분을 흡수하고 부피 팽창을 하여 흡착 및 점착, 팽윤성이 형성되며 실리카 에어로젤 및 기타 재료를 수분을 머금고서 끌어 당겨 흡착 경화되게 하는 벤토나이트, 각 재료와의 미세 공극을 막고 콜로이드적 역할을 하는 카르복시 메칠 셀룰로스, 발열 과정 및 기포 생성으로 습윤화된 재료들을 건조 경화시키는 기능의 생석회, 가열되어 탄산가스의 발생으로 발포체의 폼 형태를 유지하게 하는 탄산수소 나트륨, 수분을 흡수하고 건조 경화되게 하는 기능과 충전재의 기능을 하는 알루미나 실리카 겔, 수화시 발열 반응으로 기타 수경성 재료들을 응집 경화시키는 기능의 알루미나 시멘트, 전기화학적 균형이 변해서 재료의 입자들을 서로 엉키게 하여 겔화시키며 응집 경화하는 기능의 콜로이드 실리카, 강도를 강화하고 굽힘성을 양호하게 하는 기능의 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유등으로 구성되는 단열성 블랭킷의 조성물에 관한 것이다.
실리카 에어로젤의 표면 흡착 경화용으로 본 발명의 조성물로 기재된 조성물과 비슷한 유형으로 표면 흡착 경화시키는 방법에 대한 문헌 및 자료는 많지 않는 것으로 판단됨. (고 흡수성 폴리머(SAP)로 습윤화하여 합성체를 만드는 기술 및 생석회를 통한 발열 과정에서의 폼 형태의 셀을 형성하는 기술에 대한 문헌 및 자료)
현재 에너지 절감 및 환경친화적인 여러 종류의 단열재가 개발 판매되고 있는 실정이다. 석고, 규산칼슘, 마그네슘성분의 판상의 내외장 무기질계 단열재 및 우레탄 폴리머, 열반사 단열재등이 있고 섬유상으로는 석면, 유리섬유, 알루미나 실리카계 벌크 섬유 등 단열을 필요로 하는 실내외 및 장치 산업등에 적용이 되고 있으나 단열성의 저하 및 인체 유해성등의 논란으로 단열성이 한층 우수한 새로운 제품의 개발이 시급한 상태이다. 단열성 방음성 충격 완충성등이 우수한 실리카 에어로젤은 물 및 유기 용제에 녹아서 그 기능을 유지하는 것이 아니므로 소수성 표면으로 개질된 실리카 에어로젤 표면을 기타 수경성 재료와 접촉시켜 표면 경화되게 하는 기술에 대한 연구 개발이 미미한 실정이다. 실리카 에어로젤 자체 소재의 우수한 특성에도 불구하고 신축성 및 강도가 약하고 제조 기간이 길어 상용화하는데 많은 어려움을 겪고있는 현실이다. 최근들어 대기업, 공공연구소, 대학교연구실등에서 새로운 제조 방법에 의한 에어로젤의 제조 기술과 물유리를 이용한 신속하고 저렴한 소재 개발에 대한 연구 및 연구 성과들이 있으나 아직까지는 실제 실리카 에어로젤을 함유한 제품이 국내에서 생산 판매는 되지 않고 있는 실정이다. 수년간 연구 개발을 하고 있으나 그 결과물은 현재까지 실제로 없는 상태이다. 국외에서 생산된 섬유질형의 에어로젤 함유 블랭킷이 판매되고 있다. 기존의 단열재는 실리카 에어로젤의 단열성(기존 단열재의 3∼10배 이상)에 비해 현저히 약하고 화재시 연소하여 유독가스를 발생하고 인체 유해성 논란으로 단열성 및 방음성등이 우수한 환경친화적인 새로운 제품의 연구 개발이 절실한 현실이다. 본 발명자도 이에 편성하여 수년 간의 연구 개발 과정을 거쳐 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명의 조성물 및 조성비로 단열 블랭킷을 제조하여 상술된 문제점들을 해결 한다. 중량비(wt%)로 실리콘 스폰지 및 해포석 섬유 분말중 하나 이상 선택한 내열 섬유15∼35wt%, 수용성 실리콘 에멀젼20∼30wt%, 실리카 에어로젤 분말8∼18wt%, 폴리 아크릴산계 흡수성 폴리머 분말 및 폴리 아크릴산 나트륨염 흡수성 폴리머 섬유중 하나 이상 선택한 흡수성 폴리머3∼8wt%, 벤토나이트5∼12wt%, 카르복시 메칠 셀룰로스3∼5wt%, 과립생석회1∼10wt%, 탄산수소나트륨3∼8wt%, 알루미나 실리카겔8∼15wt%, 알루미나 시멘트4∼8wt%, 콜로이드 실리카5∼15wt%, 탄소섬유 유리섬유 아라미드 섬유중 하나 이상 선택한 보강 섬유 2∼6wt%로 구성되고 여기에 총 재료 중량비 1에 대하여 물 0.7∼1.2을 혼합하고 믹서기의 교반을 통한 습윤화 및 발포후 성형 몰드 주입 및 연속적 컨베이어 시스템 투입 과정을 거쳐 완전 건조 완성되는 단열성 블랭킷의 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서는 소수성인 실리카 에어로젤의 표면을 친수성이고 수경성인 기타 재료와 합성하여 친화성이 떨어진것을 친화력을 높여 표면 습윤화되게 하고 경화체를 형성하는 기술이 중요한 해결 수단이라 하겠다. 실리카 에어로젤을 고 흡수성 폴리머인 폴리 아크릴산계 흡수성 폴리머 분말, 폴리 아크릴산 나트륨염 흡수성 폴리머 섬유 및 흡수 팽창성의 벤토나이트로 수분을 머금고서 팽창하여 습윤 겔화를 하며 생석회를 통한 발열 과정과 가열된 탄산수소나트륨으로 이산화탄소를 발생시켜 발포 폼을 형성하는 것이 특징이라 하겠다. 전체적으로 함수량은 높으나 액상으로 존재하는 것이 아니고 점성력이 있는 겔속에 수분을 머물고 있어서 비중이 낮은 실리카 에어로젤이 겔속에 혼재되어 서서히 습윤화가 되고 건조를 통한 표면 경화가 되어 전체적으로 일체화된 단열 블랭킷이 형성되는 것이 특징이라 하겠다.
본 발명에 의한 단열성 블랭킷의 조성물은 실리카 에어로젤의 단열성 방음성 충격 완화성등의 특성을 그대로 유지를 하고 기타 수경성 재료와 2차적으로 합성 경화하여 일체화 시킨 것으로 실내외 및 단열 및 방음을 필요로 하는 모든곳(항공기, 선박, LNG저장탱크, 장치 산업등)에 적용이 가능하고 기존의 유기 폴리머 단열재 및 무기 단열재, 섬유질형 단열재를 대체 할수 있으며 에너지 절감 및 환경 보존에도 기여 할수 있다.
본 발명에 의한 단열성 블랭킷의 조성물은 중량비(wt%)로 실리콘 스폰지 및 해포석 섬유 분말중 하나 이상 선택한 내열 섬유15∼35wt%, 수용성 실리콘 에멀젼20∼30wt%, 실리카 에어로젤 분말8∼18wt%, 폴리 아크릴산계 흡수성 폴리머 분말 및 폴리 아크릴산 나트륨염 흡수성 폴리머 섬유중 하나 이상 선택한 흡수성 폴리머3∼8wt%, 벤토나이트 5∼12wt%, 카르복시 메칠 셀롤로스3∼5wt%, 과립생석회1∼10wt%, 탄산수소나트륨3∼8wt%, 알루미나 실리카겔 8∼15wt%, 알루미나 시멘트 4∼8wt%, 콜로이드 실리카5∼15wt%, 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유중 하나 이상 선택한 보강 섬유2∼6wt%로 구성되고 여기에 총 재료 중량비 1에 대하여 물 0.7∼1.2을 혼합하고 믹서기를 통한 교반후 성형 몰드 주입 및 연속적 컨베이어 시스템 투입 과정을 거쳐 완전 건조 완성되는 단열성 블랭킷의 조성물에 관한 것이다.
상기 상술된 조성물중 실리콘 스폰지는 열분해성 발포체를 첨가하여 2차 가열 가류와 셀을 형성한 발포 실리콘 고무로 탄성과 복원력이 우수하고 휨성이 좋고 내열성 단열성 방진성등이 우수하다. 본 발명에서는 상기의 기능으로 주 충전 재료로 적용이 되고 가로비 및 세로비는 30mm이하의 판상형을 사용한다. 해포석(SEPIOLITE) 섬유 분말은 점토질형의 섬유 광물로 불규칙한 침상형의 구조를 갖고 있어 수분과 접촉시 점성이 증가되어 요변성을 가져 전체 블랭킷의 부피 팽창을 하는 역할을 하며 각 재료들을 층간내에 잘 혼재되게 하여 경화체를 형성시키며 실리콘 스폰지와 실리카 에어로젤등과 물리적으로 불규칙하게 연결되게 한다.
수용성 실리콘 에멀젼은 폴리 실록산을 주 원료로 한 축합형으로 소수성이고 비극성인 일반 수지와는 달리 물에 녹는 탄성 접착제로 온도 변화에 대한 점도 변화 및 질량 감소 수축율이 작다. -50℃∼200℃의 온도 범위에서 고무 탄성을 유지한다. 실리카 에어로젤과 기타 수경성 재료와 반응하고 본 발명에서 주 바인더로 작용을 한다. 또한 실리콘 스폰지와 기타 재료등을 점착되게 하고 결합 경화시킨다.
실리카 에어로젤(Aerogel)은 규소 산화물로 이루어지고 지구상에서 가장 가벼운 고체로 단열성 방음성 충격 완화성등이 매우 우수한 물질이다. 넓은 비표면적과 높은 기공율, 초경량으로 기존의 폴리머 단열재 및 무기 단열재에 비해 단열 성능이 매우 우수하다. 에너지 절감 및 환경친화적인 소재로 주목을 받고 있다.실리카 에어로젤은 소수성이고 비중이 낮아 수면 및 유기 용제에 부상을 하는 성질로 표면을 경화시키는 것이 어려운 현실이다. 본 발명에서는 함수량은 많으나 액상으로 혼재되지 않고 층간 사이에 수분을 체적의 100배 이상 머금고 있는 폴리 아크릴산계 흡수성 폴리머 및 폴리 아크릴산 나트륨염 흡수성 섬유를 적용하여 실리카 에어로젤을 기타 수경성의 재료와 표면 접촉시켜 습윤 경화되게 하고 생석회로 발열시켜 발포 폼을 생성하는 원리로 블랭킷을 형성한다.
폴리 아크릴산계 흡수성 폴리머 및 폴리 아크릴산 나트륨염 흡수성 섬유는 150℃까지 흡수성이 떨어지지 않으며 자중의 수백배 이상으로 수분을 순간적으로 흡수하여 머물고서 실리카 에어로젤과 기타 수경성의 모든 재료들을 끌어 당겨 표면으로 흡착시킨다. 본 발명에서 중요한 가교제의 역할을 하는 재료로 적용이 된다. 이로 인해 실리카 에어로젤과의 습윤화된 표면 경화가 일어나고 다 가의 칼슘등의 금속 양이온이 수용액중에 존재를 하면 수분을 일부 배출하는 성질을 갖고 있어 점성력을 증가시킨다. 이로 인해 실리카 에어로젤과 기타 친수성 수경성 물질과의 표면 접촉으로 경화체를 형성한다. 수화반응시 물이 필요한데 흡수성 폴리머가 머금고 있는 수분을 활용하여 수경화시킨다. 흡수성 폴리머가 없는 상태에서 물이 액상으로 그냥 존재할 경우 소수성인 에어로젤을 끌어당겨 표면 경화시킬수 없다.
벤토나이트는 교질 용액을 형성하는 함수의 알루미늄 규산염으로 점토질 광물(나트륨-몬모릴로 나이트)을 주 성분으로 하고 나노 단위의 미립자로 이온 교환성, 현탁성, 흡착성 팽윤성이 우수하여 물이 투입되면 물분자는 벤토나이트 표면에 존재하는 나트륨 이온에 의해 흡착되어 물 분자를 끌어 당겨 연결한다. 이로 인해 실리카 에어로젤과 기타 수경성 재료들이 표면으로 점착이 된다. 부피가 체적의 수십배 이상 부풀어 팽창되어 겔화가 된다.
또한 생석회(CaO)를 통한 100℃ 이상의 온도에서 순간 탈수되어 수경화성의 재료와 수화 반응하여 수경화 된다. 더 이상의 높은 온도에서는 유리상의 무수물이 생성되어 알루미나 시멘트와 반응하여 강도 강화에 기여한다. 흡수성 폴리머와 같이 상호간 수분을 흡수하므로 기타 수경성 재료 및 실리카 에어로젤도 동시에 겔 표면으로 끌어 당겨 습윤 경화되게 한다.
카르복시 메칠 셀룰로스(CMC)는 폴리머의 일종으로 긴 사슬 형태의 분자 구조를 가지며 피막하는 기능과 미세 공극을 막는 콜로이드적 역할을 한다. 또한 점성력의 증대로 기타 재료를 연결시키는 역할도 한다.
생석회(CaO)는 산소와 칼슘의 화합물로 물이 투입되면 발열하여 수산화 칼슘(소석회)이 된다. 발열하여 생성된 기포 및 열은 습윤화된 상태의 블랭킷을 서서히 건조시켜 폼 형태의 셀을 형성하고 혼화성을 높이며 습윤 상태의 표면을 건조시켜 경화체가 잘 형성되게 한다. 발열 과정에서 발생한 고온의 열은 겔의 습윤 상태에서 탈수 건조되게 하여 수경성 물질등이 단단해지고 치밀화 되도록 한다. 발열후 부산물인 소석회는 알루미나 시멘트와도 반응하여 강도 강화 기능과 충진재의 역할도 한다. 물에 격렬하게 반응하므로 서서히 투입하고 소량 및 과립형을 사용한다.
탄산수소나트륨(NaHCO3)은 단사정계의 결정인 약염기성의 백색 고체로 탄산나트륨과 달리 물에 대한 용해도가 매우 적다. 열에 약해서 생석회가 투입되면 60℃ 이상에서 이산화탄소를 발생하여 습윤화된 블랭킷을 발포형의 기포폼을 형성하는 역할을 한다. 또한 탄산가스 발생으로 재료를 잘 혼화되게 하는 역할도 한다. 열 분해된 무수물인 탄산나트륨은 남은 수분을 흡수하는 흡습 기능과 알루미나 시멘트와도 반응하여 충전재의 역할도 한다.
알루미나 실리카 겔은 알루미나 및 실리카의 화학적 성분에 의해 제조된 겔로 기공이 많고 비표면적이 넓으며 물과 접촉하여 수분을 흡수한다. 140℃의 온도에서 완전 건조되어 강한 결정체가 형성되고 그 자체가 단열 성능을 가지며 더불어 블랭킷의 지지력과 충전 기능으로 적용이 된다.
알루미나 시멘트는 강도 및 내구성이 매우 우수한 시멘트로 알루미나의 수화 반응은 발열 반응이므로 적은양으로 초미분 입자의 응집현상이 생성되고 기타 재료들과 혼재되어 경화가 이루어지며 수화 특성상 반응 온도에 영향을 크게 받으므로 생석회의 열원에 의하여 전체 블랭킷에 혼재된 섬유및 기타 수경 재료와 표면 경화가 형성된다. 블랭킷의 탄성이 요구되므로 급격한 강도 향상과는 다른 형태로 강도는 가지고 있으나 느슨한 구조의 경화체가 형성되도록 한다.
콜로이드 실리카는 음(-)전하를 띠고 구형의 구조를 갖는 무정질 실리카 미립자로 PH에 대해 안정된 특성이 있으나 농도가 높거나 입자 크기가 작을수록 PH변 화에 따른 효과가 크다. 전체 블랭킷에 혼재된 나트륨등의 금속염으로 인해 실리카 입자 표면 전하의 전기적 균형이 깨어져 응집 및 겔화가 촉진된다. 특히 알루미나 시멘트와 반응하여 겔화가 빠르게 진행된다. 이로 인해 실리카 에어로젤 및 전체 재료들을 끌어 당겨 응집 및 점착 경화하는 기능으로 적용이 된다.
탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유는 강도 및 탄성이 우수한 재료로 강도를 강화하는 기능으로 적용을 한다. 특히 아라미드 섬유는 폴리머 성분에 대한 접착력이 좋으며 내굴곡성이 우수해 특수 목적의 용도로 적용을 한다.
상기 상술한 단열 블랭킷의 조성물 1중량비에 대하여 물 0.7∼1.2를 혼합하고 10분이내로 믹서기를 통한 교반을 하고 성형 몰드 주입 및 컨베이어 시스템의 자동화 라인의 연속적 투입으로 블랭킷이 완성되는 단열성 블랭킷의 조성물에 관한것이다.
Claims (1)
- 중량비(wt%)로 실리콘 스폰지 및 해포석 섬유 분말중 하나 이상 선택한 내열 섬유15∼35wt%, 수용성 실리콘 에멀젼20∼30wt%, 실리카 에어로젤 분말8∼18wt%, 폴리 아크릴산계 흡수성 폴리머 분말 및 폴리 아크릴산 나트륨 염 흡수성 폴리머 섬유중 하나 이상 선택한 흡수성 폴리머3∼8wt%, 벤토나이트 5∼12wt%, 카르복시 메칠 셀룰로스3∼5wt%, 과립생석회1∼10wt%, 탄산수소나트륨3∼8wt%, 알루미나 실리카겔8∼15wt%, 알루미나 시멘트 4∼8wt%, 콜로이드 실리카 5∼15wt%, 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유중 하나 이상 선택한 보강섬유 2∼6wt%로 구성되고 여기에 총 재료 중량비 1에 대하여 물 0.7∼1.2을 혼합하고 10분이내의 믹서기를 통한 교반후 성형 몰드 주입 및 연속적 컨베이어 시스템 투입 과정을 거쳐 완전 건조 완성되는 단열성 블랭킷의 조성물.
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| KR20090097747A (ko) | 2009-09-16 |
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