KR101237013B1 - 에어로젤 단열재 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에어로젤 단열재 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 에어로젤 단열재는 에어로젤 입자가 포함된 단열층, 점착 코팅층 및 라미네이션 필름으로 이루어지며, 점착 코팅층은 유리전이온도가 낮은 열가소성 탄성체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 제조방법은 준비단계(S10), 코팅단계(S20), 건조단계(S30), 절단단계(S40) 및 라미네이션 단계(S50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면 에어로젤 입자의 이탈을 감소시키고 에어로젤의 우수한 단열 효과 및 가벼운 무게와 같은 장점을 최대한으로 유지시키는 의복용으로 사용될 수 있는 에어로젤 단열재를 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 에어로젤 입자의 이탈을 감소시키고 에어로젤의 우수한 단열 효과 및 가벼운 무게와 같은 장점을 최대한으로 유지시키는 의복용으로 사용될 수 있는 에어로젤 단열재를 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 에어로젤 단열재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 에어로젤 입자가 포함된 단열층, 단열층 양면에 유기 또는 무기용매, 열가소성 탄성체 및 첨가제로 이루어진 점착 코팅층과 라미네이션 필름을 포함하여 이루어진 에어로젤 단열재에 관한 것이다. 점착 코팅층의 열가소성 탄성체는 유리전이온도가 낮은 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 또는 폴리우레탄으로 이루어질 수 있으며, 이를 통해 점착력을 강화하여 내구성이 우수하고 에어로젤 입자의 이탈이 적은 단열 소재 단열구조를 구현할 수 있다.
에어로젤(aerogel)은 공기를 뜻하는 에어(air)와 고체화된 액체를 의미하는 젤(gel)의 합성어이며, 머리카락의 1만분의 1굵기인 규소산화물(SiO2)실이 성글게 얽혀 이루어지며, 실과 실 사이에는 공기 분자들이 들어 있는데 전체 부피의 98%를 공기가 차지한다. 밀도가 공기밀도(0.001g/m3)의 3배인 약 0.003g/m3으로, 지구상에 존재하는 고체 중에서 가장 가볍다.
에어로젤의 구멍은 공기 입자의 평균 이동 거리보다 짧아 공기가 잘 통하지 않아 열전도를 효과적으로 막을 수 있다. 에어로젤을 손바닥 위에 올려 놓고 1,000℃ 이상의 불꽃을 갖다 대어도 온도가 잘 전달되지 않을 정도로 열전도율이 매우 낮다. 또한 에어로젤은 높은 강도를 가지고 있어 손바닥 크기의 에어로젤 4개 위에 자동차를 올려 놓아도 부숴지지 않는 장점이 있어, 단열 소재로 적합하다. 따라서, 에어로젤은 의류, 산업용 단열재 등 그 응용분야는 다양하다.
에어로젤을 이러한 응용 제품에 적용은 에어로젤의 입자의 이탈을 방지하기 위해서 캡슐에 넣어져야 가능하다. 예를 들면, 의류와 같은 단열 소재로부터 이탈된 에어로젤 입자는 거칠어 사람의 피부 조직을 쉽게 자극할 수 있는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 에어로젤을 제품으로 적용하기 위하여 몇몇의 방법이 사용되어 왔으나, 종래의 기술은 에어로젤 입자의 이탈, 기계적인 세탁·건조에 대한 저항력 결여 또는 열 단열 효과가 감소되는 문제점이 있다.
에어로젤을 이용한 제품을 사용하는 동안 에어로젤의 입자의 이탈이 쉽게 발생하지 않게 함으로써 에어로젤의 낮은 열전도율 및 가벼운 무게의 특성을 유지할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 에어로젤 입자가 포함된 단열층, 점착 코팅층 및 라미네이션 필름을 포함하여 에어로젤 단열재를 형성하고 점착 코팅층은 유리전이온도가 낮은 열가소성 탄성체를 사용함으로써 에어로젤 입자를 포함한 단열층 내에 젖음성을 크게 하여 점착력을 높여 내구성이 우수하고 에어로젤 입자의 이탈을 방지하는 에어로젤 단열재를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 열가소성 탄성체로 이루어진 점착 코팅제를 에어로젤 입자가 포함된 단열층에 도포하고 라미네이션하여 에어로젤 소재를 의복류, 신발류, 야외 장비, 보호 작업복 또는 산업용 단열재의 단열 시트로 사용하기 위한 최적의 단계를 설정함으로써 에어로젤 소재 단열 구조의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 에어로젤 단열재는 에어로젤 입자가 포함된 단열층, 상기 단열층 양 면에 위치한 점착 코팅층 및 상기 점착 코팅층을 둘러싼 라미네이션 필름으로 이루어지고, 상기 점착 코팅층은 용매, 열가소성 탄성체 및 첨가제를 포함하고 있으며, 상기 열가소성 탄성체는 유리전이온도가 60 내지 150℃인 것을 특징으로 한다. 상기 점착 코팅층은 상기 용매 100중량부에 대하여, 상기 열가소성 탄성체는 50 내지 650중량부이고 상기 첨가제는 3 내지 30중량부인 것을 포함한다. 상기 점착 코팅층은 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 또는 폴리우레탄이 바람직하다. 상기 라미네이션 필름은 열가소성 탄성체를 포함하여 이루어진다.
에어로젤 단열재는 점착 코팅제를 준비하는 준비단계, 에어로젤 입자를 포함한 단열층 양면에 상기 점착 코팅제를 도포하는 코팅단계 및 상기 코팅된 단열층에 라미네이션 가공에 의하여 필름을 부착하는 라미네이션 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 준비단계의 상기 점착 코팅제는 용매, 열가소성 탄성체 및 첨가제를 포함하며, 상기 점착 코팅제는 상기 용매 100중량부에 대하여, 상기 열가소성 탄성체는 50 내지 650중량부이고 상기 첨가제는 3 내지 30중량부이고, 상기 열가소성 탄성체는 유리전이온도가 60 내지 150℃인 것을 특징으로 한다. 상기 준비단계에서 상기 열가소성 탄성체는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 또는 폴리우레탄인 것이 바람직하며, 점착 코팅제의 점도는 300 내지 4,500cps인 것을 특징으로 한다. 라미네이션 단계에서 라미네이션 공정시 온도는 60 내지 180℃인 것이 바람직하고, 라미네이션 공정시 속도는 0.5 내지 20 m/min이고 공정시 압력은 0.1 내지 0.8MPa인 것을 특징으로 한다. 코팅단계에서 상기 점착 코팅제의 도포 두께는 5 내지 200㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 에어로젤 입자가 포함된 단열층과 라미네이션 필름 사이에 유리전이온도가 낮은 열가소성 탄성체를 포함하는 점착 코팅층을 도포함으로써 점착 표면 간의 젖음성을 증가시켜 넓은 초기 점착 면적을 확보함으로써 점착성을 향상시킨다. 이로 인하여 에어로젤 입자를 효과적으로 감소시킬 수 있고 샌드위치 모양의 단열 구조의 내구성을 더욱 강화하여 에어로젤 소재를 사용한 의복류, 신발류, 야외 장비, 보호 작업복 또는 산업용 단열재에 적용하기에 최적화된 단열 구조를 제공할 수 있다.
에어로젤 입자가 포함된 단열층을 처리함에 있어서, 유리전이온도가 낮은 열가소성 탄성체를 코팅 점착제로 사용하고, 워터 젯 커터와 같은 절단 단계를 통해 에어로젤의 특성을 최대한 손상시키지 않고 유지할 수 있는 제조방법을 제공한다.
도 1은 종래의 에어로젤 소재 단열 구조의 단면도
도 2는 본 발명의 에어로젤 소재 단열 구조의 단면도
도 3은 종래의 에어로젤 소재 단열 구조의 세탁 테스트 결과에 대한 사진
도 4는 본 발명의 에어로젤 소재 단열 구조의 세탁 테스트 결과에 대한 사진
도 5는 본 발명에 따른 에어로젤 소재 단열 구조의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도
도 2는 본 발명의 에어로젤 소재 단열 구조의 단면도
도 3은 종래의 에어로젤 소재 단열 구조의 세탁 테스트 결과에 대한 사진
도 4는 본 발명의 에어로젤 소재 단열 구조의 세탁 테스트 결과에 대한 사진
도 5는 본 발명에 따른 에어로젤 소재 단열 구조의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도
이하, 에어로젤 단열재 및 이의 제조방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
종래에는 도 1에서 보여지는 바와 같이, 에어로젤 단열재가, 에어로젤 입자가 포함된 단열시트(100)에 별도의 코팅 처리없이 라미네이션 필름(300)이 라미네이션 처리되어 점착력이 약하여 에어로젤 입자가 새어나오거나, 기계적 충격 등으로 인하여 에어로젤 배팅 매트릭스가 흐트러져 단열 효과가 현저히 감소되는 문제점이 있어왔다.
종래와 달리, 본 발명은 에어로젤 단열재에 관한 것으로, 에어로젤 입자가 포함된 단열층(10), 점착 코팅층(20), 라미네이션 필름(30)으로 이루어진다.
에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)은 섬유 매트릭스에 에어로젤 입자가 포함되어 있으며, 두께가 1 내지 10mm인 것이 바람직하다. 이 단열층(10)은 일반적으로 12 내지 17mw/mK의 매우 낮은 열전도율을 가진다.
에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)이 마련되기 위해서는, 에어로젤 배팅 매트릭스(aerogel batting matrix)를 그물 모양인 회전식 날을 이용하여 제품을 최적화된 용도를 위한 희망하는 길이로 분할하며, 분할시에 에어로젤 배팅 매트릭스 성질, 제품 자체가 가지고 있는 마찰 저항의 정도를 고려한 특별한 질감으로 만든 공급 롤러가 구비된 기계를 이용한다. 에어로젤 배팅 매트릭스의 분할 공정은 통풍이 잘되는 공간에서 에어로젤 입자의 접촉을 차단해주는 보호용 수트를 착용하고 수행되어야 한다.
상기와 같이 준비된 에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)의 양면에 점착 코팅층(20)이 위치하는 것을 특징으로 한다.
점착 코팅층(20)은 용매, 열가소성 탄성체 및 첨가제를 포함하여 이루어진다. 열가소성 탄성체는 에어로젤 소재 단열층(10)과 라미네이션 필름(30)을 점착시키는 역할을 하는 동시에, 에어로젤 입자의 이탈 방지를 위한 가장 중요한 요소이다.
본 발명에서 에어로젤 소재의 단열소재에 사용되기 위해서는 점착제의 다양한 인자 중에서 점착제의 점착물성 향상시키위하여 다음과 같은 인자가 중요함을 알아냈다. 첫째로, 점착력(adhesion)으로 점착제-피착제 계면 간의 결합력을 말한다. 적용온도가 동일한 경우에 점착면적, 점착압력, 점착시간은 적용조건에 의해 결정되며, 일반적으로 점착면적이 넓고 점착압력이 크며, 또 점착시간이 길수록 큰 점착력을 나타낸다. 두번째는 유지력으로, 유지력(holding power, cohesion)은 점착제 자체의 내부응집력, 즉 강도를 의미하며 일종의 크립(creep)특성이다. 일반적으로 고분자는 분자량이 클수록 큰 유지력을 보이며, 유리전이온도가 높을수록 높은 유지력을 보여준다. 마지막으로, 초기택(tack)은 초기 점착성 또는 순간 부착성을 의미하며 이러한 초기 점착력은 적용조건이 동일한 경우, 점착제의 젖음성(wettability)에 영향을 받는다. 점착제는 젖음성이 유리할수록 상대적으로 넓은 초기점착면적을 가지게 되어 높은 점착성을 띤다. 점착제의 젖음성에 영향을 미치는 인자는 관능기 성질, 유리전이온도 및 분자량 등이 있다. 즉 피착제와의 친화력이 큰 관능기를 가질수록, 유리전이온도가 낮을수록, 분자량이 낮을수록 높은 젖음성을 보여준다.
열가소성 탄성체는 유리전이온도(Tg, glass transition temperature)가 낮은 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 유리전이온도가 60 내지 150℃인 것이 효과적이고, 더욱 바람직하게는 60 내지 100℃인 것이 효과적이다. 유리전이온도란 비정질 고체가 유리와 같은 무른 상태에서 점성이 있는 상태로 변화하는 온도 영역의 중심을 의미하며, 유리전이온도가 낮을수록 유연성이 증가하여 초기 점착력이 증가한다. 낮은 유리전이온도를 가진 열가소성 탄성체는 에어로젤 입자의 높은 표면 젖음성으로 열가소성 탄성체가 단열층에 깊게 침투하여 에어로젤 입자가 에어로젤 배팅 매트릭스에 더 강하게 결합할 수 있게 하여, 에어로젤 입자가 이탈하여 새어나오는 것을 감소시킬 수 있다. 또한 젖음성이 커져 라미네이션 필름(30)과도 강하게 결합하여 최종 제조되는 단열 소재 패널의 구조가 내구성이 뛰어나고 우수한 안정성을 가진다. 유리전이온도가 60℃ 미만인 경우에는 점착제 자체의 내부응집력이 떨어져 유지력이 약한 문제점이 발생할 수 있으며, 유리전이온도가 150℃를 넘는 경우에는 낮은 젖음성으로 인하여 에어로젤이 포함된 단열층(10)과 라미네이션 필름(30) 간의 초기 점착력이 떨어져 에어로젤 입자가 새어나올 수 있다.
열가소성 탄성체는 기존의 고무가 가진 탄성과 열가소성수지가 가진 가공성을 동시에 가지는 소재로, 점착제로 그 종류에는 제한이 없으나 에틸렌비닐아세테이트 공중합체(etylene-vinylacetate copolymer, EVA) 또는 폴리우레탄이 바람직하다. 에틸렌비닐아세테이트는 내스트레스 크랙킹성이 우수하여 라미네이션 공정을 거치기에 적당하고, 특히 저온에서의 내충격성이 강하여 단열 소재의 점착 코팅제로 사용되기에 매우 적합하다. 폴리우레탄은 인장강도, 내마모성, 열적 성질이 우수하고 내약품성이 양호하며 가소제의 사용없이도 소프트니스(softness) 변화가 가능하다는 특성이 있어, 단열 소재의 점착 코팅제로 적당하다. 또한 에틸렌비닐아세테이트 공중합체와 폴리우레탄는 연질상의 유리전이온도가 낮아 실온에서 고무상으로 존재하며, 분자량이 수백에서 수천에 이르므로 사슬이 마구잡이로 엉켜있어 높은 연신을 가능하게 하는바, 에어로젤의 입자가 섬유 매트릭스에 이탈되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있는 역할을 하는데 효과적이다.
열가소성 탄성체는 용매 100중량부에 대하여, 50 내지 650중량부인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 120 내지 500중량부이고, 더 바람직하게는 150 내지 450중량부인 것이 효과적이다. 코팅 점착층(20)에 포함되는 열가소성 탄성체의 함량은 젖음성에 영향을 미치는 것으로, 점착제의 높은 젖음성과 결합력을 갖게 하기위해서 함량을 조절하는 것이 중요하다. 열가소성 탄성체가 50중량부 미만인 경우에는 충분한 점착기능을 하지 못하여 에어로젤이 포함된 단열층(10)과 라미네이션 필름(30)간의 박리강도가 감소하는 문제점이 있으며, 650중량부를 넘는 경우에는 점착 코팅제 내의 열가소성 탄성체의 함량이 높아 점착제를 얇게 도포하기 어려워 에어로젤이 포함된 단열층(10)과 라미네이션 필름(30) 간의 간격이 넓어서 효율적으로 에어로젤 입자의 이탈을 막을 수가 없다.
코팅층은 첨가제가 포함되어 이루어지는데, 첨가제는 점착부여제 또는 가교제인 것이 바람직하다. 점착부여제는 점착성을 유지·향상하는 것으로, 로진(rosin) 유도체, 테르펜 레진(terpene resin), C-5, C-9, 페놀릭 레진(phenolic resin)이 효과적이며 점착 코팅층이 에멀젼 형태이므로, 점착부여제도 에멀젼(emulsion) 형태를 사용하는 것이 코팅층을 제조하는데 효율적이다. 가교제는 내수성을 향상시키고, 점착물성을 강화하며, 초기택과 유지력의 균형을 잡는 역할을 한다. 가교제는 폴리아미드 에피클로로하이드린(polyamide epichlorohydrin)이 효과적이다.
첨가제는 용매 100중량부에 대하여, 3 내지 30중량부인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 5 내지 15중량부이 효과적이다. 첨가제가 3중량부보다 적은 경우에는 초기택과 유지력간의 균형이 무너져 초기택의 정도가 감소되거나 유지력이 크게 감소되어 점착력이 약화되어 기계적·물리적인 충격에 쉽게 에어로젤 입자가 이탈될 염려가 있다. 첨가제가 30중량부를 초과하는 경우에는 오히려 점착력을 약화시켜 에어로젤이 포함된 단열층(10)과 라미네이션 필름(30)이 박리되는 문제점이 있다.
라미네이션 필름(30)은 점착 코팅층(20)을 둘러싼 형태로 존재하며, 후술할 라미네이션 공정을 거치게 된다. 라미네이션 필름(30)으로 에어로젤이 포함된 단열층(10) 및 점착 코팅층(30)을 인캡슐레이션함으로써 겉옷, 속옷, 모자, 장갑과 같은 의류; 신발류; 취침용 패드, 텐트, 단열 용기와 같은 야외장비; 보호 작업복; 산업용 단열재 등 다양한 단열 소재로서의 최종 패널 구조를 창출하게 되며, 라미네이션 필름(30)은 강한 밀봉(sealing)을 통해서 에어로젤 입자를 더욱 고정시키는 역할을 한다.
라미네이션 필름(30)은 유연성이 우수한 열가소성 탄성체를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 상기 코팅 점착층(20)의 성분과 유사한 성분으로 구성되어 있을 경우, 코팅 점착제가 라미네이션 필름에 더욱 견고하게 부착될 수 있는 요인이 되기 때문이다.
다음으로, 본 발명의 에어로젤 단열재의 제조방법은 준비단계(S10), 코팅단계(S20) 및 라미네이션단계(S30)을 포함하여 이루어진다.
준비단계(S10)에서는 점착 코팅제를 준비하는 단계로, 에어로젤을 포함한 단열층(10) 양면에 도포하는 물질을 준비한다.
점착 코팅제는 용매, 열가소성 탄성체 및 첨가제를 포함하여 이루어지며, 점착 코팅제는 용매 100중량부에 대하여, 열가소성 탄성체는 50 내지 650중량부이고 첨가제는 3 내지 30중량부이다. 열가소성 탄성체는 유리전이온도가 60 내지 150℃인 것이 효과적이며, 사용되는 열가소성 탄성체의 종류에는 제한이 없으나 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 또는 폴리우레탄인 것이 바람직하다.
점착 코팅제를 제조함에 있어서 사용되는 용매는 유기용매 또는 무기용매 모두 무관하나, 무기용매를 사용하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 물 기반의 용매를 사용하는 것이 효과적이고, 더욱 바람직하게는 용매로 물을 사용하는 것이 가장 효과적이다. 유기용매를 사용하여 제조된 코팅 점착제는 에어로젤에 직·간접적인 손상을 주게 되므로 단열기능을 감소시키게 되는 문제점이 있을 수 있으며, 환경적인 이유에서 무기용매, 특히 물이 선호된다.
점착 코팅제의 점도는 300 내지 4,500cps인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1,000 내지 3,500cps인 것이 효과적이다. 점착 코팅제의 점도는 유체 내부 저항으로 정의되며 점도가 300cps미만 인경우에는 젖음성의 정도가 감소하여 결합력이 약화되고 초기택의 정도가 작아질 수 있으며, 점도가 4,500cp를 초과하는 경우에는 점도가 너무 높아 코팅 점착제를 얇게 도포하기 어려워 에어로젤 입자를 포함한 단열층과 라미네이션 필름 간의 간격이 넓어지면서 에어로젤 입자가 이탈될 확률이 높아진다.
이어서, 코팅단계(S20)은 전 단계에서 준비된 점착 코팅제를 에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)의 양면에 도포하는 단계이다.
점착 코팅제의 도포 두께는 5 내지 200㎛인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 10 내지 100㎛이 효과적이다. 도포 두께가 5㎛ 미만 경우에는 점착 코팅제의 사용량이 적어 단열층(10)과 라미네이션 필름(30)을 충분히 점착시켜줄 수 없을 수 있으며, 도포 두께가 200㎛를 넘는 경우에는 점착력은 상승될 수 있으나 단열층(10)과 라미네이션 필름(30) 간의 넓어진 간격으로 에어로젤 입자가 새어나올 수 있는 문제점이 발생한다.
다양한 코팅 방법이 사용될 수 있으나, 롤러 타입의 코팅 방식이 바람직하며, 롤러 타입 코팅 방식으로 디렉트 롤 코터(Direct roll coater), 리버스 롤 코터(Reverse roll coater), 카렌더 코터(Calender coater), 키스 롤 코터(Kiss roll coater), 닙 코터(Nip coater), 플렉서 코터(Flexor coater) 등이 가능하다. 더욱 바람직하게는 더블 롤 코터(double roll coater) 방식이 효과적이다. 이에 의하면 도료와 점착제를 두 개의 롤 사이를 통과시켜 5 내지 200㎛의 두께로 점착 코팅제를 도포하게 된다.
점착 코팅제가 도포된 후에, 건조단계(S30)와 절단단계(S40)를 거치는 것이 바람직하다.
건조단계(S30)는 에어로젤 입자를 포함한 단열층(10)이 점착 코팅제에 의해 도포된 후에, 연속하여 상당한 양의 공기와 열 흐름을 적용한 건조 컨베이어(drying conveyor)를 이용하여 건조시키는 단계이다. 건조단계(S30)를 거침으로써, 용매가 포함된 점착 코팅제가 에어로젤이 포함된 단열층(10)에 더 단단하게 결합되어 고정된다. 용매로 바람직하게 물이 사용되는 것이 효과적이다.
절단단계(S40)는 필요에 따라 세부적인 모양 또는 크기로 절단하는 단계이다. 절단단계(S40)에서 다이 절단(Die-cutting), 워터젯 절단(water jet cutting)방법이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 워터젯 절단법이 효과적이다. 에어로젤이 포함된 단열층(10)은 일반적으로 수분 흡수로부터 보호하기 위해서 소수성 물질로 코팅되어 있어 워터젯 절단 방법을 사용하더라도 단열층(10)에 영향을 주지 않는다. 또한 워터젯 절단 방법은 컴퓨터에 의한 수치제어(Computerized Numerical Control, CNC)가 가능하다는 장점이 있다.
워터젯 절단시에는 절단 후에 이어서 건조과정이 요구된다. 상대 습도가 약 25%로 떨어질 때까지의 시간동안 오븐 내에서 탈습시키고, 라미네이션 공정이 시작되기 전까지 오븐 내에 보관한다. 오븐 내에서의 건조과정은 단열층 내에서 수분의 이동에 의해 야기될 수 있는 추가적인 열 이동을 방지하여 최적의 단열 기능을 수행하게 하기 위한 단계이다.
마지막으로, 라미네이션 단계(S50)은 에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)과 점착 코팅층(20)에 라미네이션 가공에 의하여 라미네이션 필름(30)을 부착하여, 단열층(10)과 점착 코팅층(20)이 인캡슐레이션시키는 과정이다. 최종적으로 겉옷, 속옷, 모자, 장갑과 같은 의류; 신발류; 취침용 패드, 텐트, 단열 용기와 같은 야외장비; 보호 작업복; 산업용 단열재 등의 단열 소재로 사용하기 위한 처리를 하며 더불어 더욱 강한 밀봉(sealing)을 통해서 에어로젤 입자의 이탈을 완전히 차단하게 한다.
라미네이션 단계(S50)에서 사용되는 라미네이션 장치의 종류에는 제한이 없다. 라미네이션 장치는 에어로젤이 포함된 단열층(10)과 점착 코팅층(20)의 효율적인 배치가 가능한 조절가능한 예열 테이블을 포함하며 결합을 강화하기 위해서 표면 활성을 위한 예열이 이루어진다. 라미네이션 장치는 실리콘 고무(silicone rubber)로 코팅된 두 개의 컨트롤 히티드 롤러(control heated roller)가 구비되어 있으며, 이는 구분되는 라미네이션 물질 층 사이의 결합력을 효과적으로 압력을 가한다. 실리콘 고무는 높은 등급의 RTV(Room Temperature Vulcanized) 실리콘 고무가 사용되며, RTV 실리콘 고무는 높은 열 상승과 우수한 표면 적합을 허용하고 높은 로딩 압력을 견디는 능력을 가지게 한다. 라미네이션 공정은 공기와 습기를 제거하여 최종 형성되는 패널 구조의 내구성과 단열 효율을 향상시킨다.
에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)에 유리전이온도가 낮은 열가소성 탄성체를 포함하는 점착 코팅층(20)을 도포하고, 그 이후에 라미네이션 공정에서 높은 라미네이션 온도로 인하여 최종 제조되는 단열 구조는 우수한 침투력와 구조적으로 온전함을 가지게 된다. 에어로젤 입자가 포함된 단열층(10), 점착 코팅층(20) 및 라미네이션 필름(30)이 샌드위치 구조로 형성됨으로써 우수한 강도를 가지게 된다.
라미네이션 단계의 공정시 온도는 60 내지 150℃인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 90 내지 140℃인 것이 효과적이다. 온도가 60℃ 미만인 경우에는 낮은 온도로 인하여 완전한 라미네이션이 이루어지지 않아 에어로젤 입자가 라미네이션 필름 밖으로 새어나올 염려가 있으며, 온도가 150℃가 넘는 경우에는 에어로젤이 지닌 물성을 잃게 만드는 문제점이 발생할 수 있다.
라미네이션 단계의 공정시 속도는 0.5 내지 20 m/min인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1 내지 10 m/min인 것이 효과적이다. 속도가 0.5 m/min 미만일 경우에는 라미네이션의 속도가 느려 동일한 부분에 오랜 시간동안 높은 온도에 노출되게 되어 에어로젤입자의 손상이 발생할 수도 있으며, 속도가 20 m/min을 넘는 경우에는 라미네이션 필름이 쉽게 떨어질 수 있다. 라미네이션 단계의 공정시 압력은 0.1 내지 0.8MPa가 바람직하며, 더 바람직하게는 0.15 내지 0.5MPa가 효과적이다. 라미네이션의 압력 또한 라미네이션 속도와 같은 이유에서 범위가 정하여진다. 따라서, 라미네이션 공정시 속도가 0.5 내지 20 m/min이고, 압력은 0.1 내지 0.8MPa인 경우에 에어로젤 입자 이탈 방지효과를 극대로 하고 에어로젤 입자의 손상을 최소로 할 수 있다.
또한 라미네이션 장치는 컨트롤 히티드 롤러와 더불어 쿨링 블로워(cooling blower)를 구비하고 있는 것이 바람직한데, 이는 효율적인 점착 강도를 보존하고 라미네이션 강도를 유지하는데 도움을 주기 위함이다.
이하, 본 발명에 의해 제조된 에어로젤 단열재가 열가소성 탄성체를 점착 코팅제로 사용하였을 때 에어로젤이 포함된 단열층(10)과 라미네이션 필름(30)에 대한 점착 정도를 수치적으로 알아보고자, 박리테스트를 하였다. 박리테스트는 코팅이 전혀 되지 않고 라미네이션 공정만을 통한 시료(비교예 1), 초기 개발단계의 일반 코팅제로 도포하고 라미네이션 공정을 한 시료(비교예 2) 및 본 발명에 의한 코팅제를 도포하고 라미네이션한 시료(실시예)를 각각 테스트하였다. 본 테스트는 METHOD-STRIP TYPE A 장치에 의하였으며, 시료의 길이는 30mm였다.
| 1차 | 2차 | 3차 | 4차 | 5차 | 평균 | |
| 비교예 1 | 5.3 | 4.8 | 22.0 | 11.2 | 13.3 | 11.3 |
| 비교예 2 | 229.8 | 19.0 | 407.6 | 21.7 | 251.6 | 185.9 |
| 실시예 | 484.9 | 482.9 | 244.5 | 412.5 | 354.7 | 395.9 |
(박리력 측정 단위: N/m)
상기 [표 1]을 살펴보면, 코팅제의 도포 처리가 없는 비교예 1은 박리력의 평균값이 11.3N/m으로 가장 작아, 코팅되지 않은 경우 에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)과 라미네이션 필름(30)이 쉽게 분리되므로 에어로젤 입자가 이탈되는데 용이하다. 그에 비하여, 본 발명의 유리전이온도가 낮은 열가소성 탄성체를 포함하는 점착 코팅제를 도포한 실시예의 경우 평균 박리력이 395.9N/m으로 비교예 1에 비해서는 무려 35배 이상 증가였으며, 초기 개발 단계의 점착 코팅제를 도포하여 제조한 비교예 2에 비해서도 2배 이상 증가한 것을 볼 수 있다. 실시예와 같은 에어로젤 소재 단열 구조를 갖는 패널은 점착력이 커 에어로젤 입자가 쉽게 새어나지 않을 뿐만 아니라, 단열 구조의 내구성이 커 물리적 또는 기계적 충격에 강한 바, 기능성 의복 소재로 적합하다.
이하에서, 점착 코팅층이 단열 구조에 미치는 구조적인 영향을 살펴보고자 코팅하지않고 라미네이션 처리한 시료와 본 발명에 의한 단열 구조의 시료를 5회에 걸쳐 세탁테스트를 수행하였다.
도 3은 점착 코팅제의 도포없이 라미네이션 공정만을 거친 시료를 세탁 테스트한 것으로, 세탁 후에 단열 구조 패널이 전체적으로 불균일하며 단면도를 보았을 때 에어로젤 배팅 매트릭스가 한 쪽 면으로 몰려 있고, 라미네이션 필름(30)의 부착면이 넓은 범위에서 떨어져 에어로젤 입자의 이탈이 심하였음을 알 수 있다. 이와 반대로 도 4는 점착 코팅제를 도포한 후 라미네이션 공정을 거친 시료로, 전체적으로 보았을 때 에어로젤 배팅 매트릭스가 균일하게 유지되어 있어 전체적으로 두께의 변화가 크게 없어 단열 효과에는 큰 영향이 없을 것으로 보인다. 또한 단면도에서 라미네이션 필름(30)이 벌어진 틈이 적어 에어로젤 입자의 이탈도 적다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 점착 코팅제를 사용함으로써 에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)과 라미네이션 필름(30) 간의 점착력이 강하여 단열층 내의 매트릭스의 균일함이 유지되고, 또한 최종 단열 구조 패널의 내구성 및 구조적 안정성이 강화되었기 때문이다. 이로써 결과적으로 에어로젤 입자의 이탈을 감소시킬 수 있고 의복 소재로 사용되기에 적합한 기계적 물성을 구비하게 된다.
따라서 단열 기능과 가벼운 무게의 특징을 가지고 있는 신소재인 에어로젤을 응용하기 위해, 에어로젤 입자가 포함된 단열층(10)의 양 면에 점착 코팅제를 도포하여 점착 코팅층(20)을 형성하고 라미네이션시킴으로써 단열 구조를 만들어 의복용으로서의 내구성 및 구조적 온전함을 구현해낼 수 있는 것이다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실험예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 에어로젤 입자가 포함된 단열층
200 : 라미네이션 필름
10 : 에어로젤 입자가 포함된 단열층
20 : 라미네이션 필름
30 : 점착 코팅층
200 : 라미네이션 필름
10 : 에어로젤 입자가 포함된 단열층
20 : 라미네이션 필름
30 : 점착 코팅층
Claims (10)
- 에어로젤 입자가 포함된 단열층;
상기 단열층 양 면에 위치한 점착 코팅층; 및
상기 점착 코팅층을 둘러싼 라미네이션 필름;으로 이루어지고,
상기 점착 코팅층은 물, 열가소성 탄성체, 점착부여제 및 가교제를 포함하며, 상기 열가소성 탄성체는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 또는 폴리우레탄이고, 상기 점착부여제는 로진 유도체, 테르펜 레진, C-5, C-9 또는 페놀릭 레진 중 적어도 하나이고, 상기 가교제는 폴리아미드 에피클로로하이드린인 것을 특징으로 하는 에어로젤 단열재. - 제 1항에 있어서,
상기 점착 코팅층은 상기 물 100중량부에 대하여, 상기 열가소성 탄성체는 50 내지 650중량부이고 상기 점착부여제 및 상기 가교제는 3 내지 30중량부인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 단열재. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 라미네이션 필름은 열가소성 탄성체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로젤 단열재. - 점착 코팅제를 준비하는 준비단계;
에어로젤 입자를 포함한 단열층 양면에 상기 점착 코팅제를 도포하는 코팅단계; 및
상기 코팅된 단열층에 라미네이션 가공에 의하여 필름을 부착하는 라미네이션 단계;를 포함하여 이루어지고,
상기 준비단계의 상기 점착 코팅제는 물, 열가소성 탄성체, 점착부여제 및 가교제를 포함하며, 상기 점착 코팅제는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 또는 폴리우레탄이고, 상기 점착부여제는 로진 유도체, 테르펜 레진, C-5, C-9 또는 페놀릭 레진 중 적어도 하나이고, 상기 가교제는 폴리아미드 에피클로로하이드린이며,
상기 점착 코팅제는 상기 물 100중량부에 대하여, 상기 열가소성 탄성체 50 내지 650중량부, 상기 점착부여제 및 상기 가교제 3 내지 30중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로젤 단열재의 제조방법. - 삭제
- 제 5항에 있어서,
상기 준비단계에서 상기 점착 코팅제의 점도는 300 내지 4,500cps인 것을 특징으로 하는 에어로젤 단열재의 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 라미네이션 단계에서 상기 라미네이션 공정시 온도는 60 내지 180℃인 것을 특징으로 하는 에어로젤 단열재의 제조방법. - 제 5항 또는 제 8항에 있어서,
상기 라미네이션 단계에서 상기 라미네이션 공정시 속도는 0.5 내지 20 m/min이고, 상기 라미네이션 공정시 압력은 0.1 내지 0.8MPa인 것을 특징으로 하는 에어로젤 단열재의 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 코팅단계에서 상기 점착 코팅제의 도포 두께는 5 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 에어로젤 단열재의 제조방법.
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