KR101124383B1 - 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법에 관한 것으로, 그 방법은 1) 섬유 소재를 고온 용융시키는 단계; 2) 용융된 섬유 소재를 노즐을 이용해 고압방사시켜 섬유를 생성하는 단계; 3) 방사된 섬유에 에어로겔 분말을 분사시켜 고착시키는 단계; 및 4) 에어로겔이 고착된 섬유를 롤 형태로 수득하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

실리카 에어로겔, 섬유제조공정, 분말, 블랑켓

Description

에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법{Manufacturing method fiber fixed aerogel}

본 발명은 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 섬유 제조공정상에 에어로겔을 분사시켜 섬유 냉각과 함께 섬유재와 에어로겔이 고착될 수 있게 함으로써 연속 공정에 의해 쉽고 빠르게 에어로겔이 포함된 섬유를 제조할 수 있게 하는 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

에어로겔(aerogel)은 그들의 구조, 즉, 낮은 밀도, 개방 셀 구조, 큰 표면적 및 서브 나노미터 스케일의 기공 사이즈에 기초한 한 종류의 물질을 설명한다.

일반적으로 임계 초과 및 임계 이하의 유체 추출 기술은 상기 물질의 부서지기 쉬운 셀로부터 유체를 추출하는데 사용된다. 많은 다른 에어로겔 합성물이 알려져 있고, 무기물 또는 유기물일 것이다. 일반적으로 무기물 에어로겔은 금속 알콕시드를 기초로 하고, 실리카, 카바이드 및 알루미나와 같은 물질들을 포함한다. 유기물 에어로겔은 우레탄 에어로겔, 레조르시놀 포름알데히드 에어로겔 및 폴리이미드 에어로겔을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 낮은 밀도의 에어로겔 재료(0.01g/cc 내지 0.3g/cc)는 100°F 및 대기압에서 10mW/mK 내지 15mW/mK 및 그 이하의 열전도율을 갖는 가장 단단한 발포체 보다 더 좋은, 최상의 견고한 열 절연체로서 널리 알려져 있다. 에어로겔은 주로 전도(낮은 밀도, 고체 나노구조를 통해 전달하는 열을 위한 굽은 통로), 대류(매우 작은 기공 크기가 대류를 최소화) 및 방사(IR 흡수 또는 확산된 도펀트가 에어로겔 메트릭스를 통해 손쉽게 분산)를 최소화하여 열 절연체로서 작용한다. 방식에 따라, 그들은 550℃ 및 그 이상의 극저온에서 잘 작용할 수 있다. 또한, 에어로겔 재료는 매우 유용하게 하는 많은 다른 흥미로운 음향, 광학, 기계 및 화학 특성을 표시한다. 낮은 밀도의 절연 재료는 중요 절연체가 매우 큰 압축력을 겪는 적용에서 많은 열 절연 문제를 해결하기 위해 발전해 왔다.

예를 들어, 중합체 재료는 일반적으로 매우 딱딱하고 압축 저항 물질인 신택틱 폼(syntactic foams)을 생성하기 위해 공동 유리 마이크로스피어(microspheres)와 혼합되어 왔다. 신택틱 물질은 수중 오일, 가스 파이프라인 및 지지 장비를 위한 절연체로서 잘 알려져 있다. 신택틱 물질은 유연한 에어로겔 합성물(섬유에 의해 강화된 에어로겔 메트릭스)에 비해 비교적 구부러지지 않고 열전도율이 높다. 에어로젤은 유연한 젤 전구체로부터 형성될 수 있다. 유연한 섬유 강화 에어로겔을 포함하는 다양한 유연층들은 하나 이상의 축을 따라 기계적으로 압축될 때 모재를 제공하고, 어떠한 축에서도 압축력에 강한 바디를 제공하기 위해 쉽게 결합되고 형성될 수 있다. 이 방법으로 압축된 에어로겔 바디는 신택틱 폼보다 더 좋은 열절연값을 나타낸다. 이 물질들을 빨리 제조하는 방법은 외부 절연체로 수중 오일 및 가스 파이프라인에서 이 물질의 대규모 사용이 용이할 것이다.

삭제

겔 시트 및/또는 졸-겔의 화학적 성질을 거쳐 형성된 섬유 강화 합성 겔 시트 제조를 위한 종래의 방법은 항상 배치 캐스팅(batch casting)을 포함하는 특허 및 과학 문헌에 기술된다. 배치 캐스팅은 여기서 겔화를 유도하기 위해 졸의 전체 용적에 걸쳐서 동시에 촉매 작용이 미치는 것으로 정의된다. 겔 형성 기술은 겔화가 일어나는 지점에서 희석된 금속 산화물 졸의 pH 및/또는 온도의 조절을 포함하는 예(알. 케이. 일러의 1954년 실리카 및 규산염의 콜로이드 화학의 제 6 장; 알. 케이. 일러의 1979년 실리카의 화학의 제 5 장, 씨. 제이. 브링커 및 쥐. 더블유. 셰러의 1990년 졸-겔 과학의 제 2 및 제 3 장)로 당업계의 당업자들에게 잘 알려져 있다.

그러나 이러한 에어로겔은 그 구조 조성이 복잡하고 고비용에 의한 초임계 건조공정을 이용하고 있어 원가 상승의 원인이되는 문제점이 있다.

특히 블랑켓 등과 같은 섬유재에 에어로겔을 포함시킬 경우 높은 생산단가와 복잡한 공정에 의해 실용화에 많은 제약이 발생하는 문제점이 있다.

또한 섬유재에 고착된 에어로겔이 이탈되어 그 기능이 약화되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 섬유 제조공정상에 에어로겔을 분사시켜 섬유 냉각과 함께 섬유재와 에어로겔이 고착될 수 있게 함으로써 연속 공정에 의해 쉽고 빠르게 에어로겔이 고착된 섬유를 제조할 수 있게 하는 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법을 제고함에 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법은, 1) 섬유 소재를 고온 용융시키는 단계; 2) 용융된 섬유 소재를 노즐을 이용해 고압방사시켜 섬유를 생성하는 단계; 3) 방사된 섬유에 에어로겔 분말을 분사시켜 고착시키는 단계; 및 4) 에어로겔이 고착된 섬유를 롤 형태로 수득하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

또한 상기 3)단계에서는 상기 에어로겔 분말을 1~100㎛ 사이의 실리카인 것이며, 상기 3)단계는 방사된 섬유를 챔버를 통과시키며 이루어지게 한다.

그리고 상기 3)단계에서는 에어로겔 분말을 에어와 혼합 분사되게 하며, 상기 3)단계에서는 상기 에어로겔 분말을 챔버를 통과하는 섬유의 전체 체적에 대해 1~90% 이내의 체적을 갖게 고착되게 한다.

본 발명에 따르면, 섬유 제조공정상에 에어로겔을 분사시켜 섬유 냉각과 함께 섬유재와 에어로겔이 고착될 수 있게 함으로써 연속 공정에 의해 쉽고 빠르게 에어로겔이 고착된 섬유의 제조할 수 있게 하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법은, 1) 섬유 소재를 고온 용융시키는 단계; 2) 용융된 섬유 소재를 노즐을 이용해 고압방사시켜 섬유를 생성하는 단계; 3) 방사된 섬유에 에어로겔 분말을 분사시켜 고착시키는 단계; 및 4) 에어로겔이 고착된 섬유를 롤 형태로 수득하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

또한 상기 3)단계에서는 상기 에어로겔 분말을 1~100㎛ 사이의 실리카인 것이며, 상기 3)단계는 방사된 섬유를 챔버를 통과시키며 이루어지게 한다.

그리고 상기 3)단계에서는 에어로겔 분말을 에어와 혼합 분사되게 하며, 상기 3)단계에서는 상기 에어로겔 분말을 챔버를 통과하는 섬유의 전체 체적에 대해 1~90% 이내의 체적을 갖게 고착되게 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 1) 섬유 소재를 고온 용융시키는 단계(S10)와 2) 용융된 섬유 소재를 노즐을 이용해 고압 방사시켜 섬유를 생성하는 단계(S20)와, 3) 방사된 섬유에 에어로겔 분말을 분사시켜 고착시키는 단계(S30) 및 4) 에어로겔 분말이 고착된 섬유를 롤 형태로 수득하는 단계(S40)로 이루어진다.

상기 1)단계(S10) 및 2)단계(S20)는 유기 또는 무기 소재로 형성된 소스를 원료(P)를 이용하여 도 2에 도시된 바와 같이 사출기(10)에 수용시켜 사출기 내부에서 고온 용융되게 한 후 내부에 설치된 스크류를 이용해 노즐(11) 이용해 섬유(P')를 방사하는 단계로서 통상 섬유를 방사할 때 사용되는 종래의 일반적 기술이다.

상기 3)단계(S30)는 방사된 섬유에 에어로겔 분말을 고착시키는 단계로서, 방사된 섬유를 사출기(10) 일측에 구비된 챔버(20) 측으로 이동시켜 상기 챔버(20)와 연결된 에어로겔 분말 및 에어 분사부(미도시) 측으로부터 챔버 내부로 에어로겔 분말과 에어가 혼합된 상태로 분사되게 하여 챔버 내부에 유입된 섬유 표면 및 섬유 내부로 에어로겔 분말(A)이 고착될 수 있게 하는 단계이다. 이때 상기 챔버에는 도면상에 기재하고 있지는 않지만 고온 상태의 섬유를 냉각시킬 수 있는 냉각수단이 구비되어 있어 에어로겔 분말이 섬유에 고착됨과 동시에 섬유를 냉각시킬 수 있게 하고 있다. 또한 상기 에어로겔 분말은 챔버 내에 유입된 섬유의 전체 체적에 대해 1~90% 사이의 체적을 차지할 수 있게 분사된다.

상기 4)단계(S40)는 상기 3)단계를 거치며 에어로겔 분말이 고착된 상태의 섬유를 챔버 외부로 이동시켜 롤러(30)에 롤링(B)시켜 보관하는 단계로서 상기 챔버와 롤러 사이에 가이드를 구비시켜 챔버에서 롤러로 이동시 섬유가 손상되는 것을 방지할 수 있게 하고 있다. 또한 상기 가이드 상에 별도의 냉각수단을 설치하여 챔버 외부로 이동된 에어로겔 분말이 고착된 상태의 섬유를 2차적으로 냉각시킬 수도 있다.

예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이 섬유 소재를 이용해 섬유를 제조하는 중간에 에어로겔 분말을 섬유에 고착시킬 수 있게 함으로써 에어로겔이 고착된 섬유의 제조공정을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 고온 상태의 섬유에 에어로겔 분말을 분사시켜 섬유 외부와 내부에 모두 실리카 에어로겔이 고착될 수 있어 에어로겔이 섬유에서 이탈되는 것을 최소화할 수 있게 된다.

본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법을 나타내는 블록도.

도 2는 도 1에 도시된 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법의 동작을 나타내는 예시도.

도 3은 본 발명의 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법의 공정 흐름을 나타내는 개략도.

Claims (5)

1) 섬유 소재를 고온 용융시키는 단계;

2) 용융된 섬유 소재를 노즐을 이용해 고압방사시켜 섬유를 생성하는 단계;

3) 방사된 섬유에 에어로겔 분말을 분사시켜 고착시키는 단계; 및

4) 에어로겔이 고착된 섬유를 롤 형태로 수득하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법.

제 1 항에 있어서,

상기 3)단계에서는 상기 에어로겔 분말을 1~100㎛ 사이의 실리카인 것을 특징으로 하는 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법.

제 2 항에 있어서,

상기 3)단계는 방사된 섬유를 챔버를 통과시키며 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법.

제 3 항에 있어서,

상기 3)단계에서는 에어로겔 분말을 에어와 혼합 분사되게 하는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법.

제 4 항에 있어서,

상기 3)단계에서는 상기 에어로겔 분말을 챔버를 통과하는 섬유의 전체 체적에 대해 1~90% 이내의 체적을 갖게 고착되게 하는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 고착된 섬유의 제조방법.

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