KR101137686B1 - 친수화 에어로젤 복합 분말 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소수성 에어로젤(Aerogel)분말을 친수성인 기타 재료와 혼합하여 복합 분말 형태로 조성한 것으로써 그 결과물은 친수화된 복합 에멀젼상으로 이루어진다. 복합 분말의 희석 재료는 물 및 기존의 수용성 페인트, 콘크리트, 타일, 벽돌 등과 같은 콘크리트 2차 제품, 폴리카보네이트 등의 합성수지류, 자동차 타이어 등의 고무류, 합성피혁류 등에 첨가재료로 다양하게 적용되며 복합적으로 사용된다. 소수성 에어로젤 표면으로 인해 고형체 형성이 어려운 것을 친수성 수경성 재료를 통한 에어로젤 표면을 물리적으로 점착하며 친화력을 높여 친수성으로 변환하여 모든 재질과의 상용성을 좋게 하고 간편하게 에어로젤을 실용화되게 한 친수화 에어로젤 복합 분말 조성물에 관한 것으로 에어로젤의 저밀도 나노 기공 구조를 그대로 유지한다.

실리카?탄소?알루미나?티타니아?에어로젤, 시멘트

Description

친수화 에어로젤 복합 분말 조성물{HYDROPHILE PROPERTY AEROGEL POWDER COMPOSITION}

에어로젤은 초임계 건조 및 상압 건조 방식을 통하여 기본 제조되는 저 밀도 나노 기공 구조의 미세분말로 단열, 방음 및 우수한 전극 재료로의 활용도가 높은 신소재이나 그 자체적으로는 고유 기공을 유지하는 초경량성, 초소수성에 따른 기타 재료와의 혼화성이 매우 낮아 응용 제품화하는데 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 기존의 석고 보드와 같은 무기질계 단열재 및 우레탄폼과 같은 합성수지 단열재 등에 비해 우수한 단열 성능을 갖고 있으나 상술한 바와 같이 실용화에 있어서 시급한 현실이나 매우 느린 상태로 기술 개발이 진행 중에 있다.

제조 공정상 친수성 에어로젤의 표면을 소수 처리화하여 기공 구조를 보호하는 것으로써 섭씨 300～400도의 온도에서 표면 코팅이 와해됨이 없이 그 고유 기공 구조를 그대로 유지해야만 한다. 소수성 및 기공이 파괴되면 물을 흡수하여 수축 및 분해와 같은 구조적 변화가 초래되어 그 기능을 상실한다. 소수성이 없어져도 셀 자체는 1000도 이하에서 쉽게 파괴되지 않으나 수분 침투로 인한 그 기능에 문제가 발생된다. 내화 용도로의 적용도 가능하나 극히 제한적으로 적용될 수 있다. 이러한 기술적 문제를 극복하고 소수 처리된 에어로젤 제조 기술이 최근 들어 국내에서 상용화가 일부 이루어지고 있으나 그 기능을 유지하기 위한 소수성으로 인해 기타 재료와의 혼화력이 낮아 상품화하여 실용화하는데 많은 애로사항이 있다. 국책연구소 및 대기업 등에서 많은 연구가 진행 중에 있으나 이를 응용 제품화한 경우는 없고 유일하게 외국산 블랭킷 형태의 시트가 판매 중에 있다. 에어로젤의 자체 사용에는 강도가 약한 취성이 있고 또 소수성으로 인해 기타 재료와의 복합화가 되지 않아 판재의 형틀 내에 분말을 부어 충진하는 방법 등 극히 제한적으로 사용된다. 이러한 현실로 볼때 응용 제품화를 할 수 없으면 최첨단 신소재이나 그 자체의 1차 기초 소재는 극히 제한적으로 적용될 수밖에 없다. 최근 여러 형태의 에너지 절감형 제품들이 제조 판매되고 있으나 에어로젤의 우수 특성을 살리고 보다 나은 제품을 개발하여 실용화하는 것이 중요한 문제이고 많은 연구가 이루어져야 하는 상황이다.

본 출원인이 원적외선 방출과 이로 인해 주변 공기를 음이온화하는 일라이트 등을 활용한 수경성 분말 도료 개발의 기술을 배경으로 하고 상부 도장인 코팅제를 사용하지 않고 도료의 강도를 최대한 높이는 과정의 나노 실리카 및 마이크로 실리카를 적용 테스트한 개발 과정의 기술을 조합한 것으로 본 출원에 이르게 되었다. 나노 실리카와 에어로젤은 전혀 다른 형태이고 친수성인 나노 실리카의 초경량성 또한 기타 재료와의 혼화성이 쉽지가 않다. 원적외선 등의 방출 도료는 내구성을 높이기 위해 표면을 코팅하게 되면 통기성이 있는 코팅제라고 하더라도 그 기능을 유지할 수가 없다. 최근 들어 수 건의 에어로젤 관련 특허 출원 및 등록이 기초 배경 기술로 적용되고 보다 간편하게 실용화할 수 있도록 하기 위해 본 발명에 이르게 되었다. 에어로젤을 2차적으로 응용한 수 건의 공개된 특허가 있으나 본 출원과는 다른 구성이고 상품화가 된 경우가 더물어 비교 분석하기가 어려운 실정이다.

소수성인 에어로젤 분말을 우선 기타 재료와의 혼화력을 높이기 위하여 그 분말을 친수성으로 표면 개질하는 방법이 하나의 좋은 방법이나 소수성 표면을 친수화하기가 쉽지 않는 기술로 인식되고 있는 실정이다. 소수성 에어로젤은 기타 재료와 전혀 혼화가 되지 않는 상태이므로 이를 극복하고 혼화성을 높여 일체화된 고형체가 형성되도록 하는 것이 매우 중요하다. 또한 에어로젤의 내구성을 높이기 위한 기타 재료의 적절한 적용 비율이 중요한 과제이고 간편하게 할 수 있는 작업성 또한 주요 해결하여야 할 과제이다. 에어로젤 자체 분말을 친수성으로 전환하는 것도 하나의 방법이나 에어로젤의 표면이 친수성이라 하더라도 단독 사용은 현실적으로 어렵고 기타 재료와의 물리적 결합으로 지지력을 유지해야 그 기능을 발휘하므로 본 발명에서는 이를 모두 해결하여야 하는 과제를 안고 있다. 결론적으로 에어로젤을 기타 재료와 물리적으로 잘 혼화가 되도록 하여야 하며 기타 재료들은 화학적 결합으로 치밀한 메트릭스 형성으로 에어로젤을 밀착, 압축하여 에어로젤의 그 고유 기능을 그대로 유지하고 발휘하도록 하는 것이 중요 해결해야 할 과제이다.

소수성 표면의 에어로젤을 우선적으로 습윤화하여 마이크로 시멘트 등의 재료가 잘 점착되도록 하는 것이 중요하다. 습윤화가 되지 않는 상태의 에어로젤의 표면은 극이 같은 자석과 같이 타 재료를 밀어내어 결합체 형성을 방해한다. 이를 극복하기 위해 본 발명에서는 물의 투입에 따른 흡수성 폴리머로 겔화를 진행시켜 이를 해결하게 되었다. 에어로젤과 기타 재료가 혼재된 상태에서 점성을 높여 전체적으로 밀착되게 하고 에어로젤 외 기타재료의 수화 반응으로 화학적 결합이 이루어지고 에어로젤을 감싸고 수경화 진행되어 고형체가 형성된다. 에어로젤이 화학적 이온 결합이 아닌 물리적 점착으로 그 고유의 기능을 유지하게 한 것이 특징이고 에어로젤이 산포된 상태가 아닌 균일하게 분포되게 한 것 또한 중요 해결 수단이다. 흡수성 폴리머는 물 및 기타 수용성 페인트 등의 투입으로 서서히 녹아 점성이 큰 투명한 '겔' 형태가 된다. 칼슘 등 2가 이상의 금속 염에 의해 점도가 점점 감소하여 수용액 상태로 일부 진행하여 친수성이고 수경화성인 기타 재료가 수화 진행되기 적절한 상태로 유지하며 기타 재료와 에어로젤이 치밀한 밀착 결합으로 일체화된 수경화체가 형성된다. 그 고형체는 에어로젤을 함유한 상태로 마이크로 시멘트 등의 무기질계로 지지되고 기타 페인트, 콘크리트 등에 혼합 첨가되어 그 기능을 유지한다. 그러나 페인트 및 콘크리트 등의 부착력 및 강도에 영향을 미치지 않도록 적정량을 투입하고 적용한다. 친수화된 에멀젼상의 형태로 기타 모든 재질에 간단하게 혼합되어 단독 사용의 어려운 점을 해결하게 되었다. 에어로젤의 소수성으로 인한 반발력에 의한 튕겨나오는 현상을 방지하고 균질한 혼합 투입으로 이 모든 문제를 해결하게 되었다.

본 발명에 의한 친수화된 에어로젤 복합 분말은 다용도로 에어로젤이 적용되게 한 것이 특징으로 에어로젤의 고유 특성을 그대로 유지한 상태로 적용 투입된다. 기존의 수용성 페인트 및 콘크리트 타설시 병행 혼합 사용되고 자동차 타이어 등의 고무류 및 합성수지류 등에 복합화 혼합 사용된다. 일반 주거용 뿐만 아니라 장치산업, 장비산업, 전자, 전기, 정밀기기, 태양전지용 모듈의 백 시트 등의 구성 요소에 적용 가능하고 다양한 형태로 구성된다. 단열, 방음, 충격흡수 용도 등의 재료 제조시 첨가 재료로 투입 적용되어 에어로젤의 특성을 살린다.

본 발명에 의한 친수화 에어로젤 복합 분말 조성물은 중량비(wt％)로

실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤 중 1종 이상 선택하는 에어로젤 10～35％.

마이크로 시멘트 20～53％.

규조토 5～15％.

반수석고 20～50％.

산화마그네슘 5～20％.

메타카올린 2～15％.

CSA팽창재 3～10％.

폴리아크릴아마이드, 폴리아크릴산나트륨 중 1종 이상 선택하는 폴리아크릴산계 흡수성 폴리머 0.2～3.5％의 조성물과 조성비로 구성되는 친수화 에어로젤 복합 분말 조성물.

상술한 바와 같이 구성되며 에어로젤(aerogel)은 저밀도 나노 기공구조를 갖는 초경량성의 나노 기공 사이즈 분말로 그 고유 기공으로 인해 우수한 단열, 방음 용도 등의 우수한 재료로의 적용도가 높은 소재이나 그 기공을 유지하기 위한 제조 공정상의 소수성 표면 개질이 반드시 필요한 소재로 미세분말 및 과립형 등으로 제조된다. 실리카 에어로젤은 단열, 방음 용도로의 활용도가 높고 폴리머계인 탄소 에어로젤 또한 고비표면적을 갖고 있으며 실리카 에어로젤과 달리 강도가 조금 나은 편으로 우수한 전극 재료 및 담수화 공정 등에 활용도가 높은 소재로 본 발명에서 주요 기능 재료로 적용된다. 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤은 순수 실리카 에어로젤의 취성인 강도를 일부 보강한 타입으로 순수 실리카 에어로젤에 비해 높은 압축율과 압축강도 및 미세구조로 높은 열 안정성을 갖는다. 이 모두는 실리카 에어로젤의 취성을 극복하기 위한 것으로 금속 산화물을 활용한 다양한 형태로의 기술 개발이 진행 중에 있다. 이 모든 에어로젤은 제조상 초임계 건조나 상압 건조 방식 등으로 제조되며 소수성 표면 개질이 필요하다. 앞서 언급한 바와 같이 소수성 에어로젤은 단독 사용의 한계가 있어서 본 발명에서의 조성물과 조성비로 이를 친수화 표면으로 변환하여 실용화하기에 이르렀고 본 발명에서 주요 기능소재로 적용된다. 기타 재료와의 물리적 표면점착으로 나노 기공구조를 그대로 유지한다. 화학적 결합은 고유 특성을 상실한다.

마이크로 시멘트는 기존의 포틀랜트 시멘트에 비해 더 미세한 분말로 이루어지고 치밀화되어 본 발명에서 주바인더로 적용된다.

규조토는 다공질로 단열 부가 및 각 재료간 흡착 역할을 한다.

반수석고는 이수석고에 비해 점착적 결합 강도가 높고 수화시 일부 부피 팽창을 하나 물과의 반응시 경화 속도가 빠르게 진행되어 기타 재료와 에어로젤을 주변으로 끌어 당겨 점착하는 역할을 한다.

산화마그네슘은 수면 위로 존재하는 에어로젤 등을 흡착하며 기타 재료와 점착되게 하며 전체 고형체의 강도를 높인다. 대량 사용은 부피 팽창을 유발할 수 있으며 광택도를 낮추므로 적정량을 사용한다. 기본적으로 에어로젤이 함유된 상태의 고형체는 압축 밀착이 되어야 하며 체적 증가 및 셀룰로스 계통의 재료 사용, 우레탄폼과 같이 발포체 형성은 에어로젤이 산포되어 그 고유 기능을 기대하기 어렵다.

메타 카올린은 에어로젤이 혼재된 상태에서 시멘트 수화 반응에 의해 생성되는 수산화칼슘을 강도 발현에 우수한 규산칼슘 수하물로 전이 시켜 기타 재료의 간극을 채워 치밀화하여 부착력 증대와 강도를 높인다.

CSA팽창재는 에어로젤이 혼재한 상태의 수화 반응에 의해 생성되는 에트링 자이트는 매우 작은 결정으로 시멘트 페이스트의 미세한 공극에 침상형 콜로이드상을 형성하여 경화에 따른 건조 수축을 저감 시켜 균열을 방지한다.

폴리아크릴아마이드와 폴리아크릴산나트륨은 흡수성 폴리머로 본 발명에서 중요한 가교제 역할을 하며 물이 우선 투입되면 물을 흡수하여 점성이 점점 증대하여 서서히 '겔' 형태로 진행된다. 이는 에어로젤의 표면을 습윤화하고 기타 수경성 재료들을 에어로젤의 주변으로 감싸게 하는 역할을 하여 밀착 및 점착시킨다. 이후 시멘트 등의 칼슘과 마그네슘 등 2가 이상의 다가의 금속 양이온과의 반응으로 점도가 감소하고 침전이 일어난다. 에어로젤의 표면을 마이크로 시멘트 등의 기타 재료가 점착한 상태로 서서히 친수성 수경성 재료는 수화 반응하고 에어로젤의 반발력에 의한 튕겨나감 현상이 없는 에어로젤이 함유된 상태의 에멀젼화가 완성된다. 결론적으로 에어로젤의 소수성 표면이 친수화되어 기타 재료와의 혼화로 경화체가 이루어지고 일체화된 고형화가 진행된다.

본 출원에 의한 조성물은 분말상으로 조성되고 여기에 물 및 수경성 페인트, 콘크리트 등의 혼합으로 수경화 진행되고 에어로젤의 고유 기능이 유지된 성형체가 완성된다. 수량은 에어로젤의 투입량, 즉 부피에 따라 다르게 적용되고 기본적으로 전체 재료 1에 대하여 1.5～2.5이하로 적용된다.

Claims (1)

1. 본 발명에 의한 친수화 에어로젤 복합 분말 조성물은 중량비(wt％)로

   실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤 중 1종 이상 선택하는 에어로젤 10～35％.

   마이크로시멘트 20～53％.

   규조토 5～15％.

   반수석고 20～50％.

   산화마그네슘 5～20％.

   메타카올린 2～15％.

   CSA팽창재 3～10％.

   폴리아크릴아마이드, 폴리아크릴산나트륨 중 1종 이상 선택하는 폴리아크릴산계 흡수성 폴리머 0.2～3.5％의 조성물과 조성비로 구성되는 친수화 에어로젤 복합 분말 조성물.