KR101241054B1 - 에어로젤을 이용한 단열용 복합 시트의 제조방법 - Google Patents

에어로젤을 이용한 단열용 복합 시트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어로젤을 이용한 단열용 복합 시트의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아세톤, 알코올 등 혼합용매에 일정한 농도로 분산시켜 에어로젤 분산용액을 만들어 패딩공정으로 부직포를 함침시킨 후 건조시킨 다음 건조한 에어로젤 부직포의 양면을 고내열성 PTFE 멤브레인 등 다공성 투습방수 시트로 라미네이팅함으로써 분진의 발생을 없애고 단열성을 더욱 강화할 수 있어 방화복 등 의류에 적용 가능한 단열용 복합 시트를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

에어로젤을 이용한 단열용 복합 시트의 제조방법{A preparation method for composite sheet for insulation using aerogel}
본 발명은 에어로젤을 이용한 단열용 복합 시트의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아세톤, 알코올 등 혼합용매에 일정한 농도로 분산시켜 에어로젤 분산용액을 만들어 패딩공정으로 부직포를 함침시킨 후 건조시킨 다음 건조한 에어로젤 부직포의 양면을 고내열성 PTFE 멤브레인 등 다공성 투습방수 시트로 라미네이팅함으로써 분진의 발생을 없애고 단열성을 더욱 강화할 수 있어 방화복 등 의류에 적용 가능한 단열용 복합 시트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
에어로젤(aerogel)은 기본적으로 규소산화물(SiO2)로 이루어진 대표적인 초다공성 나노 구조의 소재로서 졸-겔 반응을 통해 제조된 습윤젤을 기-액 계면에 존재하지 않는 초임계 조건에서 수축없이 건조하여 젤의 기공구조를 그대로 유지할 수 있도록 한 물질이다. 따라서, 초경량이며 기공도가 95-99%, 밀도가 0.003 g/㎤로 공기밀도의 약 3배 밖에 되지 않는다. 또한 에어로젤은 최근 친환경 소재로서 현재 과학기술 발전으로 기대되는 10가지 소재 중의 하나로 선정될 만큼 그 활용 가능성이 기대되고 있는 물질이다.
에어로젤의 우수한 물설으로는 다음 4가지를 들 수 있다. 첫째, 기공도가 높으며 그 기공은 상온에서 열이 기상으로 잘 전달되지 않게 한다. 둘째, 밀도가 낮아 고체상으로 전도가 잘 되지 않아 현재까지 개발된 소재 중에서 열전도율이 가장 낮은 물질 중 하나로 알려져 있다. 셋째, 실리카 에어로젤은 열에 강하여 800 ℃ 이상까지의 고온에서도 안정하므로 방염소재로도 주목된다. 넷째, 에어로젤은 초경량 소재로 신발, 의류 등에도 이용가치가 높다. 에어로젤은 상기와 같은 특성을 가지고 있어 다양한 분야에 적용될 것으로 전망되는데, 특히 단열성이 높아 이를 이용하여 의류나 신발에 적용하면 기존의 단열소재보다 성능이 우수할 것으로 기대된다(Kyung-Wha Oh et al., Journal of the Korean Society of Clothing and Textiles, 2009, 33(5), 701-710).
현재 에어로젤의 시트형태가 제조되고 있으며, 특히 내열성 부직포에 에어로젤을 분산시켜 폴리프로필렌 등의 필름으로 라미네이팅함으로써 에어로젤 부직포를 제조하고 있다. 그러나, 상기 종래의 에어로젤 부직포는 폴리프로필렌 필름의 내열성이 낮아 일반적인 의류나 신발의 단열소재로는 활용이 가능하더라도 극도의 고온환경에서의 작업자들을 위한 방화복 소재로는 사용이 불가능하다는 단점이 있다.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 에어로젤을 아세톤, 알코올 등 혼합용매에 일정한 농도로 분산시켜 에어로젤 분산용액을 만들어 패딩공정으로 부직포를 함침시킨 후 건조시킨 다음 건조한 에어로젤 부직포의 양면을 고내열성 PTFE 멤브레인 등 다공성 투습방수 시트로 라미네이팅하여 분진의 발생을 없애 방화복 등 의류에 적용 가능한 단열용 복합 시트를 제공함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 에어로젤 부직포의 양면을 고내열성 다공성 투습방수 시트로 라미네이팅하여 의류에 적용 가능한 단열용 복합 시트를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조되어 극도의 고온환경에서도 단열 효과가 뛰어난 단열용 복합 시트를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 단열용 복합 시트의 제조방법을 제공한다.
1) 에어로젤을 용매 중에 분산시켜 에어로젤 분산액을 제조하는 단계;
2) 부직포에 상기 에어로젤 분산액을 함침시키는 단계;
3) 상기 함침된 부직포를 건조시켜 에어로젤 부직포를 얻는 단계; 및
4) 상기 에어로젤 부직포의 양면에 고내열성 다공성 투습방수 시트를 라미네이팅시키는 단계.
상기 단계 1은, 에어로젤을 용매 중에 분산시켜 에어로젤 분산액을 제조하는 단계로서, 에어로젤을 일정한 비율로 용매 중에 분산시켜 부직포의 함침을 위한 에어로젤 분산액을 제조하는 단계이다.
상기 에어로젤은 실리카 에어로젤 또는 탄소 에어로젤일 수 있다.
또한, 상기 용매로는 종래 에어로젤 분산액 제조시 사용하는 물 대신, 아세톤, 알코올 또는 이들의 조합과 같은 유기용매를 사용한다. 본 발명에서는 상기와 같이 용매로서 유기용매를 사용함으로써 물에 비해 분산이 용이하여 균일한 분산액을 제조할 수 있고 이로 인하여 에어로젤의 함침이 보다 용이하게 이루어질 수 있다는 장점을 갖는다.
본 발명에서 사용할 수 있는 알코올로는 메탄올, 에탄올 등의 예를 들 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하기로는, 용매로서 아세톤과 에탄올의 혼합용매를 사용할 수 있다. 상기 아세톤과 에탄올의 배합비율은 1:10 내지 10:1(w/w)일 수 있으며, 바람직하기로는 1:2 내지 2:1(w/w), 가장 바람직하기로는 1:1(w/w)일 수 있다.
바람직하기로, 상기 에어로젤은 1 내지 10 중량%의 양으로 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하기로는 3 내지 7 중량%, 가장 바람직하기로는 5 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
상기 단계 2는, 부직포에 상기 에어로젤 분산액을 함침시키는 단계로서, 부직포 내부에 에어로젤 분산액을 침투시키는 단계이다.
상기 함침은 패딩 공정을 이용하여 수행할 수 있다. 패딩 공정은 직물을 대량생산, 원가절감, 균일한 약제처리를 위하여 가공약제를 섬유 집합체 즉, 부직포에 함침시키는 공정이다. 본 발명에서는 이러한 패딩 공정을 이용함으로써 함침을 보다 효율적으로 수행할 수 있다. 이때 패딩기의 상하 롤러의 압력을 조절하여 부직포에 함침되는 에어로젤 함침량을 제어할 수 있고 또한 부직포의 함침 과정을 가속화 및 연속화 할 수 있다.
본 발명에서, 상기 함침 단계는 10 내지 25 ℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 만일 상기 하한보다 낮은 온도에서 수행하면 에어로젤 분산이 쉽게 안되는 단점이 있으며, 상기 상한보다 높은 온도에서 수행하면 용매가 쉽게 휘발하여 분산액이 응고되는 단점이 있다.
본 발명에서, 상기 에어로젤 분산액의 함침량은 10 내지 25 중량%인 것이 바람직하다. 만일 상기 하한보다 적게 함침되면 단열 효과가 떨어지는 단점이 있으며, 상기 상한보다 많이 함침되면 부직포의 유연성이 떨어지는 단점이 있다.
상기 단계 3은, 상기 함침된 부직포를 건조시켜 에어로젤 부직포를 얻는 단계로서, 부직포 내에 함침된 에어로젤 분산액의 용매를 제거하는 단계이다.
본 발명에서, 상기 건조 단계는 40 내지 60℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 만일 상기 하한보다 낮은 온도에서 건조하면 건조 시간이 길어지는 단점이 있으며, 상기 상한보다 높은 온도에서 건조하면 에너지가 많이 소모되는 단점이 있다.
상기 건조 방법으로는 자연 건조, 적외선 건조 등을 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 4는, 상기 에어로젤 부직포의 양면에 고내열성 다공성 투습방수 시트를 라미네이팅시키는 단계로서, 분진의 발생을 방지하고 고내열성을 더욱 부여하기 위하여 제조한 에어로젤 부직포의 양면을 고내열성 다공성 투습방수 시트로 라미네이팅하는 단계이다.
상기 고내열성 다공성 투습방수 시트로는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 등 다공성 내열성 투습방수 재료를 사용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 라미네이팅 단계는 260 내지 310 ℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 만일 상기 하한보다 낮은 온도에서 라미네이팅하면 속건성(hot melt) 접착제가 쉽게 용융되기 어려운 단점이 있으며, 상기 상한보다 높은 온도에서 라미네이팅하면 PTFE 멤브레인의 열분해가 일어날 수 있다.
이하, 본 발명의 단열용 복합 시트의 제조방법을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 패딩공정을 이용하여 부직포에 에어로젤 분산액을 함침시키는 단계를 간략히 도시한 도이다.
도 1에 도시되어 있듯이, 부직포(1)는 압력롤러(2)의 압력 조절에 의하여 에어로젤 분산액(3) 내로 침지되고 상기 에어로젤 분산액(3) 중에 침지되어 에어로젤 분산액이 함침된 부직포(1)는 다시 압력롤러(2)에 의하여 다음 건조 공정으로 이송된다. 이러한 패딩공정으로 에어로젤 분산액의 함침 공정을 가속화 및 연속화할 수 있으며 압력롤러(2)의 압력 조절에 의하여 에어로젤 분산액(3)의 부직포(1) 내 함유량을 제어할 수 있다.
도 2는 에어로젤 부직포의 양면 라미네이팅을 간략히 도시한 도이다.
도 2에 도시되어 있듯이, 에어로젤 부직포(1')는 양면이 고내열성 다공성 투습방수 시트(4, 4')로 라미네이팅된다. 이러한 라미네이팅 공정을 통해 본 발명의 단열용 복합 시트는 전체적인 단열 성능이 더욱 향상되게 된다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 단열용 복합 시트를 제공한다.
본 발명의 단열용 복합 시트는 방화복, 방열복 등 의류의 단열층으로 사용 가능하다. 본 발명의 에어로젤을 사용한 단열용 복합 시트는 에어로젤의 우수한 단열성능은 물론 고내열성 다공성 투습방수 시트로 인해 전체적인 단열 성능을 더욱 향상시켜 고온, 고열의 극한 조건에서 인체를 보호하기 위한 방화복, 방열복 등의 의류에 사용될 수 있다. 또한, 단열소재 등 보호의류, 우주항공 분야에 사용 가능하다.
본 발명은 에어로젤을 아세톤, 알코올 등 혼합용매에 일정한 농도로 분산시켜 에어로젤 분산용액을 만들어 패딩공정으로 부직포를 함침시킨 후 건조시킨 다음 건조한 에어로젤 부직포의 양면을 고내열성 PTFE 멤브레인 등 다공성 투습방수 시트로 라미네이팅함으로써 분진의 발생을 없애고 단열성을 더욱 강화할 수 있어 방화복 등 의류에 적용 가능한 단열용 복합 시트를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 패딩공정을 이용하여 부직포에 에어로젤 분산액을 함침시키는 단계를 간략히 도시한 도이다.
도 2는 에어로젤 부직포의 양면 라미네이팅을 간략히 도시한 도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1: 본 발명의 단열용 복합 시트의 제조
실리카 에어로젤을 아세톤과 에탄올의 혼합용매(1:1, w/w)에 5 중량%의 양으로 분산시켜 에어로젤 분산액을 제조하였다.
도 1에 나타낸 패딩 공정을 이용하여 부직포에 상기 에어로젤 분산액을 20 중량%의 양으로 함침시킨 후 50 ℃에서 건조시켜 에어로젤 부직포를 제조하였다.
상기 에어로젤 부직포의 양면에 PTFE를 290 ℃에서 라미네이팅하여 본 발명의 단열용 복합 시트를 제조하였다.
비교예 1: 종래 단열용 복합 시트의 제조
PTFE 대신에 폴리프로필렌(PP)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 단열용 복합 시트를 제조하였다.
실험예 1: 본 발명의 단열용 복합 시트와 종래 단열용 복합 시트의 내열성 비교
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 단열용 복합 시트의 내열성을 비교 조사하였다.
그 결과, 실시예 1의 단열용 복합 시트는 320 ℃ 정도까지 안정하게 형태를 유지하는 반면, 비교예 1의 단열용 복합 시트는 160 ℃에서 시트 표면의 용융이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 본 발명의 단열용 복합 시트가 한국방화복인증기준 KFI의 내열시험기준을 통과하는지 확인하기 위하여, 상기 두 시료 즉, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 단열용 복합 시트를 260℃ 열풍순화식 항온기에 5분간 넣어 둔 다음, 용융 및 열변형이 나타나는지 확인하였다.
그 결과, 실시예 1의 단열용 복합 시트에서는 용융이나 열변형이 나타나지 않은 반면, 폴리프로필렌 필름을 사용한 비교예 1의 단열용 복합 시트에서는 용융 및 열변형이 일어남을 확인하였다.

Claims (12)

  1. 에어로젤을 아세톤, 알코올 또는 이들의 조합인 용매 중에 분산시켜 에어로젤 분산액을 제조하는 단계;
    부직포에 상기 에어로젤 분산액을 함침시키는 단계;
    상기 함침된 부직포를 건조시켜 에어로젤 부직포를 얻는 단계; 및
    상기 에어로젤 부직포의 양면에 고내열성 다공성 투습방수 시트를 라미네이팅시키는 단계를 포함하는 단열용 복합 시트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤은 실리카 에어로젤 또는 탄소 에어로젤인, 단열용 복합 시트의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤은 1 내지 10 중량%의 양으로 포함되는, 단열용 복합 시트의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 함침은 패딩 공정을 이용하여 수행하는, 단열용 복합 시트의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 함침은 10 내지 25 ℃에서 수행하는, 단열용 복합 시트의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤 분산액의 함침량은 10 내지 25 중량%인, 단열용 복합 시트의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 건조 단계는 40 내지 60 ℃에서 수행하는, 단열용 복합 시트의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 고내열성 다공성 투습방수 시트는 폴리테트라플루오로에틸렌인, 단열용 복합 시트의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 라미네이팅 단계는 260 내지 310 ℃에서 수행하는, 단열용 복합 시트의 제조방법.
  11. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 단열용 복합 시트.
  12. 제11항에 있어서, 상기 단열용 복합 시트는 방화복 또는 방한복에 사용되는 것인, 단열용 복합 시트.
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