KR101130184B1 - 진공단열재 내부심재의 연속 제조공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리카 소재 등의 분체를 이용한 진공단열재 제조시, 진공단열재 심재를 연속으로 제조할 수 있는 연속 제조 공정에 관한 것으로, 실리카 분체 및 분말을 이용한 진공단열재 심재를 성형시 벨트 프레스 및 재단기를 이용하여 연속적으로 심재를 제조하는 것으로 기존의 몰드 등의 금형을 이용한 심재 성형방식보다 높은 생산성 향상 및 원가절감 등의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 보다 높은 강도를 가지며, 저렴한 진공단열재의 내부심재를 얻을 수 있다. 유기섬유를 적용함으로써 기존 무기섬유 대비 2~2.5배의 굴곡강도 상승효과를 얻었으며, 동일 강도의 진공단열재 내부심재를 만드는데 10%의 원료 절약 효과를 얻을 수 있었다.

진공단열재, 연속 제조공정, 합성 실리카, 섬유

Description

진공단열재 내부심재의 연속 제조공정{Continuous Manufacturing Process for the Core of Vacuum Heat Insulator}

본 발명은 기존보다 기계적 강도가 높고, 저렴한 진공단열재의 내부심재를 연속적으로 제조하는 공정에 관한 것으로, 합성실리카와 복사열 차단 첨가제를 포함하는 분말 혼합물과 유기섬유를 포함하는 섬유 혼합물을 재료로 하는 진공단열재의 내부심재를 연속적으로 제조하는 공정에 관한 기술이다.

일반적인 단열재가 30mW/mK의 단열성능을 나타내는 반면 진공단열재는 3~10mW/mK의 고성능을 나타내는 단열재이다. 진공단열재의 높은 단열성에도 불구하고 현재까지는 높은 재료비와 까다로운 제조기술로 인해 널리 사용되지 못하고 있었다. 최근 제조기술에 있어서의 많은 진보로 독일, 영국, 일본, 미국, 캐나다, 한국, 중국 등의 나라에서 상업화를 위해 노력하고 있으나, 여전히 높은 재료비와 제조공정비가 큰 부담으로 작용하고 있다.

진공단열재는 통상 무기물로 이루어진 단열 성형체와 이를 감싸는 가스차단 필름으로 구성되며, 단열 성형체의 내부가 진공으로 만들어지는 것을 가장 큰 특징으로 한다. 진공단열패널의 내부를 채우는 단열 성형체를 내부심재(Core)라 부른다. 내부심재는 유리섬유 압축물로 만들어지는 경우와 실리카 분말을 포함하는 분말 압축물로 만들어지는 두 가지 경우가 있으며, 본 특허에서 다루는 분야는 분말 압축물로 만들어지는 내부심재이다. 국제출원 WO 03/089729 A1를 보면 진공단열재 기술분야에서 일반적으로 사용되는 구조와 원료에 관한 기술을 알 수 있다. 진공단열재의 내부심재는 외부압력에 대한 구조 지지체이며, 단열성을 부여하는 원천이다. 내부심재는 실리카 분말과 기타 분말을 혼합하고 압축만으로 만들 수 있다. 하지만 그럴 경우 내부심재는 낮은 굴곡강도와 압축강도를 가지게 되어서 제조과정 에 있어서 이송과 진공형성 중에 파손되거나 수축하여 변형되기 쉽다. 특히 높은 굴곡강도는 내부심재를 통한 진공단열패널 제작공정의 안정성을 높이고, 변형을 억제하여 고품질의 제품제작을 가능하게 해준다. 낮은 굴곡강도와 압축강도의 보완을 위하여 사용되는 것이 보강 섬유이다. 보강 섬유는 소량 사용으로 기계적 강도, 특히 굴곡강도, 증진 효과가 커야하며, 실리카 분말과 쉽게 섞여야 하고, 열전도도가 낮고 가격이 싸야 한다. 이 중 기계적 강도 증진 효과와 저렴한 가격이 가장 중요하다.

지금까지 사용되어온 보강 섬유는 무기섬유인 유리섬유와 세라믹섬유 및 유기섬유가 있다. 무기섬유는 내부심재의 주 재료인 실리카와 유사 성분으로 만들어짐에 따라 혼합이 잘 되기는 하나, 두 섬유는 혼합시 기계적 강도의 보강 효과가 조금 있으나 크지 않으며, 비중이 유리섬유 2.5, 세라믹섬유 3.0으로 높고, 열전도 도가 낮지 않은 편이다. 또한 높은 비중과 보강 효과로 인해 사용량이 많아지면서 가격이 저렴하지 않았다. 통상 성형체 중 5~10wt%가 혼합되어왔으며 이는 재료비 상승의 한 요인으로 작용하였다. 그럼에도 불구하고 내부심재의 주 재료인 실리카와 유사 성분으로 만들어짐에 따라 압축시 섬유와 분말간의 약한 결합을 형성한다 하여 최적의 보강재로 여겨져 왔다. 미국특허 6,103,036의 실시예를 보면 기존에 만들어지던 실리카 분말로 만들어지는 진공단열재의 조성과 비율을 보여주고 있다.

또한 실리카와 유기섬유를 혼합하고 가열하여 제조공정에서의 단열재 심재의 유동성을 제어하고, 사용후 폐기된 진공단열재의 외피가 개방된 경우 오염의 요인을 저감하는 시도가 있었으나 단열재 심재의 강도가 미약하다는 문제점을 가지고 있었다. 또한 진공단열재를 이용한 심재의 제조방법으로 종래 몰드 등의 금형을 이용하여 심재를 제조함으로써 제조공정에 시간 및 비용이 많이 소요됨으로써 일관되고 연속적인 제조방법에 의한 진공단열재의 제조공정에 대한 필요성이 대두되었다.

이에 본 발명에서는 기존에 사용되어온 무기섬유를 보다 가볍고 성형체의 강도 향상 효과가 탁월하며, 혼합이 쉽고, 저렴한 섬유를 개발하여 진공단열재의 재료비 감소와 제조단가를 낮추기 위하여 진공단열재 제조 공정을 연속적으로 실시함으로써 진공단열효과와 강도가 우수한 진공단열재의 심재를 연속적으로 제조하는 공정을 개발하여 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 기존보다 기계적 강도가 높고, 저렴한 진공단열재의 내부심재 및 이의 연속 제조방법을 제공한다. 이를 통하여 보다 저렴하고 수익성이 높은 진공단열패널을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 무기섬유의 개선을 위하여 유기섬유를 도입하였다. 기존 진공단열패널의 내부심재로 사용되던 보강섬유는 무기섬유 중 유리섬유, 세라믹섬유가 사용되었으며, 무기섬유는 합성실리카와 같은 실리카, 알루미나 분말이 주를 이루고 있어서 합성실리카와 혼합이 잘 되고 압축 시 약한 결합력을 발휘하여 보강효과가 높은 것으로 알려졌었다. 반면 유기섬유는 압축시에 결합력이 없어서 쉽게 분리되고 보강효과가 낮은 것으로 생각되었다. 또한 유기섬유는 진공 중에서 가스를 발생시켜 진공단열재의 내부 압력을 올리는 문제가 있는 것으로 생각되었다.

본 발명의 발명자들은 무기섬유의 높은 비중의 개선을 위하여 낮은 비중을 갖는 유기섬유를 착안하였으며, 유기섬유와 합성실리카의 쉬운 이탈을 방지하기 위하여 유기섬유와 합성실리카의 마찰력을 최대로 하기 위해 섬유길이를 혼합 가능한 범위에서 늘려갔다. 그 결과 휘어진 유기섬유의 굴곡부에서 합성실리카와의 마찰력이 효율적으로 작용하여 무기섬유의 약한 결합효과 보다 우수한 내부심재의 기계적 강도가 향상되는 효과를 찾아 내었다. 유기섬유는 진공단열재의 내부심재에서 합성실리카와 결합효과는 거의 없으나 섬유간의 마찰력과 섬유의 굴곡부에서 발생하는 합성실리카와의 마찰력이 기존 무기섬유보다 더 큰 강도 보강 효과를 발휘한다.

본 발명의 내용은 사용된 유기섬유가 무기섬유보다 비중은 낮지만 직경이 커서 단순히 더 많은 섬유 수를 넣어줌으로써 구현되지 않으며, 합성실리카와 유기섬유의 안정적인 결합상태를 유지하기 위한 방법을 찾았기에 구현 가능하였다. PP섬유는 유리섬유의 1/3의 비중을 가지고 있지만 직경은 4배여서 동량에서 혼합한 수량은 더 적으며, 인장강도는 1/3에 불과하다. 하지만 잘 조절된 길이와 혼합방법에서 합성실리카의 굴곡강도 보강효과는 2배 이상을 나타냈다. 이는 PP섬유의 탁월한 내부심재 섬유보강 효과를 보여준다. 구체적인 방법은 실시예에서 기재한다.

각종 섬유의 물성 비교

구분	인장강도	비중
유리섬유	1700Mpa	2.68
PP섬유	500Mpa	0.91
PVA섬유	890Mpa	1.26
Nylon섬유	896Mpa	1.16

또한 종전의 배치식으로 제조되는 진공단열재의 문제점을 해소하기 위한 본 발명에 있어서 진공단열재의 연속제조 공정은 (1)원료준비공정, (2)원료혼합공정, (3)연속식 심재 압축 및 성형공정, (4) 건조공정, (5) 랩핑포장공정, (6)진공처리 및 마무리공정으로 구성되며 진공단열재 심재를 성형시 벨트 프레스 및 재단기를 이용하여 연속적으로 성형하는 것이다.

본 발명을 통하여 보다 높은 강도를 가지며, 저렴한 진공단열패널의 내부심재를 얻을 수 있다. 유기섬유를 적용함으로써 기존 무기섬유 대비 2~2.5배의 굴곡강도 상승효과를 얻었으며, 동일 강도의 진공단열패널 내부심재를 만드는데 10%의 원료 절약 효과를 얻을 수 있었다. 또한 실리카 분체 및 분말을 이용한 진공단열재 심재를 성형시 벨트 프레스 및 재단기를 이용하여 연속적으로 심재를 제조하는 것으로 기존의 몰드 등의 금형을 이용한 심재성형방식보다 높은 생산성 향상 및 원가점감 등의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 진공단열재 심재의 제조방법은 (1) 원료준비공정; (2) 원료혼합공정; (3) 연속식 심재 압축 및 성형공정; (4) 건조공정; (5) 랩핑포장공정; 및 (6)진공처리 및 마무리공정으로 구성된다.

상기 (1)단계의 원료준비공정은 본 발명에 따른 진공단열재의 성분인 합성실 리카, 유기섬유를 준비하는 공정이다. 합성 실리카는 평균 1차 입자크기는 5 ~ 50nm를 사용함이 바람직하다. 1차 입자 크기가 5nm이하가 되면 부피가 커져서 취급이 어려우며, 50nm를 넘어가면 압축시 충분한 단열효과를 얻을 수 없다. 또한 합성실리카의 BET 비표면적은 40~400m²/g을 사용하는 것이 바람직하다. 비표면적이 40m²/g이하가 되면 단열성이 떨어지고 400m²/g을 넘으면 너무 미세하여 내부심재 제조가 어려워진다.

합성실리카에는 기상반응으로 만들어지는 흄드실리카, 액상반응으로 만들어지는 침전실리카, 콜로이드 실리카, 에어로겔, 실리카졸 등의 사용이 가능하다. 이 중 제조 단가가 싸고 비표면적이 큰 흄드실리카의 사용이 바람직하다. 진공단열패널의 내부심재 제조는 순수 합성실리카 분말만으로도 제조 가능하며, 합성실리카 외에도 알루미나, 산화티탄, 탄화규소, 흑연 등의 분말이 단열성을 높이기 위해 혼합 가능하다. 바람직한 내부심재용 분말 혼합물 중 합성실리카 함량이 60%이상을 차지하는 것이 좋다.

유기섬유는 6 ~ 40mm로 절단하는 것이 바람직하다. 다양한 길이의 혼합보다는 일정 길이의 섬유를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 섬유가 6mm보다 짧으면 섬유 보강 효과가 현저히 떨어지며, 40mm 보다 길면 부분 뭉침이 발생하여 분말과의 균질한 혼합이 어렵다. 유기섬유의 직경은 1~100μm가 바람직하며, 보다 바람직하게는 5~40μm의 직경을 선택한다. 유기섬유는 다발로 생산되므로 1μm 미만은 분산에 많은 시간이 걸리며, 100μm 초과는 잘 휘지 않고 섬유수가 적어서 섬유보강 효 과가 아주 낮다. 사용되는 유기섬유의 종류에는 PE, PP, Nylon, PVA, PAN 등의 진비중 1.4 이하의 유기섬유가 사용 가능하다. 내부심재의 섬유보강을 위하여는 유기섬유만의 사용이 바람직하나 유기섬유와 고비중의 탄소섬유, 유리섬유 등의 혼합도 가능하다. 이 경우에도 주된 보강 기능은 유기섬유가 담당하게 된다.

합성실리카 포함 분말 혼합물 100중량부에 대하여 유기섬유의 혼합물의 함량은 0.5 ~ 10중량부로 함이 바람직하다. 유기섬유 함량이 너무 높아지면 진공단열패널의 경시변화를 가속하여 단열성능을 떨어뜨린다.

합성실리카 포함 분말 혼합물과 유기섬유 포함 섬유 혼합물의 배합은 분말 혼합물과 섬유 혼합물를 믹서에서 일정 배합비로 균질 배합하는 것이 좋다. 다른 방법으로 합성실리카 포함 분말 혼합물과 유기섬유 포함 섬유 혼합물을 각각의 층으로 적층하여 만드는 것도 가능하나 동일 유기섬유 사용량 대비 기계적 강도 향상 효과가 균질 배합보다 좋지는 않다.

합성실리카 포함 분말 혼합물과 유기섬유 포함 섬유 혼합물로 진공단열재의 내부심재를 만드는 제조공정은 여러 단계를 거쳐 이루어진다. 여기서 각 단계의 배치 순서에 따라 다양한 제조공정이 가능하다. 그러나 그 결과물은 유사한 물성을 가진다.

합성실리카 포함 분말 혼합물의 건조는 수분을 증발시키는 목적으로 상압에서 100~150℃ 건조가 바람직하다. 유기섬유 포함 섬유 혼합물의 건조는 섬유의 내열 온도에 따라 건조방식이 다르다. Nylon 섬유는 내열온도가 160℃를 넘으니 100~140℃의 상압 건조가 바람직하나, 낮은 내열온도를 갖는 PP 섬유 건조는 이보 다 낮은 70~80℃에서 저압 건조시키는 것이 좋다. 유기섬유는 섬유의 연화온도 보다 10~20℃ 낮은 온도에서 건조시키는 것이 좋다.

상기 (2)단계의 원료혼합공정은 합성실리카와 첨가제 및 유기섬유를 혼합하는 공정으로 배합은 리본믹서, 니다-기, Nauta-믹서, 블래이드 믹서 등의 분말 혼합기의 사용이 가능하다.

상기 (3)단계의 연속식 심재 압축 및 성형공정은 연속적으로 작동하는 벨트상의 프레스로 투입구는 간격이 높게 구성되어 있고, 투입구에 혼합된 원료가 투입된 후 다수의 롤러와 벨트사이의 간격이 점차적으로 좁아지면서 가압되어 최종 배출구에서 원하는 두께 및 밀도로 진공단열재 내부심재의 연속적 생산이 가능하다. 내부심재의 밀도는 기계적 강도와 완제품의 단열성에 크게 영향을 주는 중요한 인자로 밀도 12 ~ 35g/cm³에서 압축하는 것이 바람직하다. 성형된 내부심재는 요구되는 크기에 맞게 재단기로 재단되어 이송된다.

상기 (4)단계의 건조공정은 성형된 내부심재를 포장전 표면에 부착된 수분을 제거하기 위해서 실시하는 공정이다. 온도는 100 ~ 200℃ 에서 연속적으로 실시한다.

상기 (5)단계의 랩핑포장공정은 성형된 내부심재를 수축필름인 PE필름 또는 LDPE 필름으로 6면 랩핑(wrapping)하는 공정이다. 수축필름의 경우에는 진공공정에서 원활한 진공을 위하여 수축필름에 통기성을 갖출 수 있도록 필름에 타공을 실시한다.

이송 벨트는 재료의 준비 및 벨트프레스를 통과하는 벨트 이송장치와 이송속도를 달리하는 벨트를 사용함으로써 절단되어 공급되는 단열재 심재가 포장되는 속도와의 조절이 가능하게 된다.

상기 (6)단계의 진공처리 및 마무리 공정은 랩핑포장공정에서 랩핑된 심재가 가스차단필름으로 재 포장되어 진공챔버 내에서 진공상태로 조절한 후 밀봉함으로써 진공단열재를 완료하는 단계이다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

도 1은 진공단열재 심재의 연속 제조 공정도를 나타낸 것이다.

도 2는 진공단열재 내부심재의 연속 제조 공정을 나타낸 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 벨트

20: 원료 공급장치

30: 원료 혼합장치

40: 압축롤러

50: 벨트 프레스

60: 재단기

70: 단열재 심재

Claims (7)

1. 실리카분체를 이용한 진공단열재 제조공정에 있어서, (1)5~50nm의 평균 입자크기를 갖는 합성실리카를 포함하는 분말 혼합물과 6~ 40mm로 절단된 유기섬유를 포함하는 섬유 혼합물을 포함하는 원료준비공정; (2)실리카분말 혼합물 100중량부에 대하여 복사열 차단 첨가제 0~30 중량부, 유기섬유의 함량을 0.5~10중량부로 균질 혼합 으로 제조하는 원료혼합공정; (3) 연속적으로 작동하는 벨트상의 프레스로 투입구는 간격이 높게 구성되어 있고, 투입구에 혼합된 원료가 투입된 후 다수의 롤러와 벨트사이의 간격이 점차적으로 좁아지면서 가압되어 최종 배출구에서 원하는 두께 및 밀도로 진공단열재 내부심재를 성형하는 연속식 심재 압축 및 성형공정; (4) 성형된 내부심재를 포장전 표면에 부착된 수분을 제거하기 위해서 실시하는 공정으로 온도는 100 ~ 200℃ 에서 연속적으로 실시하는 건조공정; (5) 성형된 내부심재를 수축필름인 PE필름 또는 LDPE 필름으로 6면 랩핑(wrapping)하는 공정으로 수축필름의 경우에는 진공공정에서 원활한 진공을 위하여 수축필름에 통기성을 갖출 수 있도록 필름에 타공을 실시하는 랩핑포장공정; (6)랩핑포장공정에서 랩핑된 심재가 가스차단필름으로 재포장되어 진공챔버 내에서 진공상태로 조절한 후 밀봉함으로써 진공단열재를 제조하는 진공처리 및 마무리 공정으로 구성되는 진공단열재 제조공정.
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