KR101242812B1 - 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 제품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재에 관한 것으로, 열경화성 수지를 이용하여 팽창 퍼라이트를 접착시켜 성형하고 열처리함으로써 낮은 밀도에 의한 시공성 향상은 물론 우수한 열전도율로 단열재의 두께를 얇게 하여 자재 및 에너지 비용을 절감하고 설비 설치 공간 면적을 줄일 수 있는 단열재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 제품에 관한 것이다.

Description

열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 제품{HEAT INSULATION USING EXPANDED PERLITE BY THERMOSETTING RESIN, ITS MANUFACTURING METHOD AND PRODUCTS USING IT}
본 발명은 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재에 관한 것으로, 열경화성 수지를 이용하여 팽창 퍼라이트를 접착시켜 성형하고 열처리함으로써 낮은 밀도에 의한 시공성 향상은 물론 우수한 열전도율로 단열재의 두께를 얇게 하여 자재 및 에너지 비용을 절감하고 설비 설치 공간 면적을 줄일 수 있는 단열재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 제품에 관한 것이다.
석유화학, 발전소, 제철소 등 플랜트 산업에 있어서, 그 생산 공정 및 라인은 복잡한 구조로 이루어져 있다. 특히, 고온이나 저온의 유체를 저장하거나, 이송하는 라인을 많이 사용하고 있다.
산업용 단열재는 이러한 고온이나 저온부의 플랜트 산업에 있어서 에너지의 손실을 방지할 뿐만 아니라 제품의 품질과 밀접한 관계를 갖고 있어 매우 중요한 역할을 하고 있다.
특히, 에너지를 대부분 수입에 의존해 사용하고 있는 국가들은 고유가로 인한 에너지 절감과 기후변화 협약에 의한 탄소 배출 규제 등의 영향으로 산업 전반에 걸쳐 민감하게 대처하고 있다. 이러한 추세에 의해 산업 플랜트에 사용되고 있는 단열재도 여러 분야의 소재의 개발과 성능 향상을 위한 연구와 노력이 지속되었다.
산업용 단열재에 주로 사용되는 것에는 무기질의 섬유계, 분말계, 발포계 단열재가 있다. 섬유계 단열재는, 규사, 석회석, 장석, 소다회 등 유리계 광물질을 재료로 하는 유리면과 고로슬래그 및 현무암을 재료로 하는 암면, 알루미나계 섬유, 지르코니아 섬유, 탄소섬유 등의 무기질 섬유를 이용하여 제조된다.
한국등록특허공보 제10-0522568호 “유리섬유를 이용한 발수성 단열 파이프 및 그 제조방법”, 한국등록특허공보 제10-0760003호 “장치물 보온용 라운드형 유리섬유 단열재 및 그 제조방법” 등 다수 자료에서 공지된 바와 같이, 무기질 섬유군 중 유리 장섬유를 이용하여 매트화하여, 이 매트를 여러 겹으로 다시 니들 펀칭하고, 바인더를 함침, 접착시켜 제조한다.
이러한 방법으로 제조한 제품은 섬유 형태의 특성상 운반이 편하고 기존의 무기질 섬유계 단열재에 비해 열전도율이 낮은 이점은 있으나, 제품의 밀도 편차가 많아 열적 특성이 균일하지 않는 단점이 있다.
특히 수분에 매우 취약해서 표면을 발수처리 하여도 섬유의 특성상 절단면 등으로 수분이 쉽게 침투하여 여러 겹의 매트가 벌어지는 현상과 이로 인해 열전도율이 급격히 높아지고 제품의 내구성이 떨어지는 문제가 발생한다.
또한, 시공 시 발생되는 유리섬유의 분진은 인체에 유해하여 작업현장에서 이를 기피하는 현상도 발생한다.
분말계 단열재는 칼슘실리케이트, 규조토, 염기성 탄산 마그네슘등을 사용한다.
특히 그 중에서 많이 사용되는 칼슘실리케이트 단열재는, 규조토와 소석회를 과량의 물로 수열 반응 시킨 후 슬러리 상태로 습식 성형하여, 오토클레이브에서 고압 가열하여 경화시킨 제품이다.
경화 시 결정 구조에 따라 토버모라이트(Tobermorite)와 조노트라이트(Xonotlite) 형상으로 강도가 우수하고, 결정 형상에 따라 열전도율이 낮아지는 이점이 있으나, 경화에 따른 제조공정이 복잡하여 생산성이 낮고, 특히 토버모라이트의 경우는 발수 성능을 형성시킬 수가 없는 문제점이 있다.
발포계 단열재는 팽창 질석이나, 팽창 퍼라이트를 사용하는 단열재로, 산업용으로 팽창 퍼라이트 단열재가 주로 사용된다.
팽창 퍼라이트 단열재는 제조 공정이 간단하고, 생산성도 높으며 재료비가 싼 이점에 의해 산업용 단열재 전반에 걸쳐 사용되고 왔다.
그러나 팽창 퍼라이트 단열재에 사용하는 무기질 바인더인 규산염계 바인더는 비정질 형태로 열전도율 높고 접착강도가 낮은 단점을 지니고 있으며, 액상의 형태이므로 팽창 퍼라이트와 혼합 시 셀 내부로 바인더가 흡수되기 때문에 바인더 사용량이 늘어나게 되고, 이에 따라 열전도율이 보다 높아지게 된다.
뿐만 아니라, 액상의 규산염계 바인더를 사용함에 따라 팽창 퍼라이트 표면이 바인더에 의해 과량의 수분을 함유한 상태가 되고, 수분에 의한 입자 흐름성 감소로 따라 입자와 입자 사이의 공극 충전이 용이하지 못하게 되고 부위별 밀도 편차가 발생하게 되어 상기 상태에서 압축을 통한 단열재의 성형과정에서 셀의 과다한 파쇄와 공극률이 증가하게 되어 열전도율의 증가와 균열 등이 문제점이 초래된다.
또한 액상바인더는 자체의 부피를 가지고 있지 않으므로, 입자와 입자간의 공극을 메울 수 없고, 바인더를 증량하더라도 상기 공극은 여전히 존재하므로, 본 공극을 최소화하기 위하여 압축비를 증가시킬 수 밖에 없다. 이에 따라 입자의 파쇄와 성형체의 밀도는 보다 증가하고 추가적인 열전도율의 증가를 초래한다.
이와 더불어, 액상의 규산염계 바인더는 500℃ 이상의 고온에서는 수축이 일어나게 되고, 이에 따라 성형체의 변형과 균열이 발생할 위험이 있다.
뿐만 아니라, 액상 바인더는 70% 이상이 수분으로 이루어져 있기 때문에, 건조 공정을 충분히 실시한다 하더라도 완전건조가 어려워 잔존 수분에 의해 열전도율은 보다 증가하게 된다.
이러한 팽창 퍼라이트와 액상 규산염계 바인더의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위해 다각도로 연구 개발되고 있으나, 제조공법에 치중하여 압축 성형에 따른 열전도율 저하를 극복 하는데 한계가 있으며, 강도 보강을 위해서 건조공정에서 액상 바인더를 소성 또는 경화시키는 방법 등이 제시되었으나, 제조공정이 복잡해지고 제조비용이 상승하는 문제점 등이 있다.
또한, 팽창 퍼라이트와 기타 재료의 혼용을 통한 문제 해결 방법들이 제시되어 있는데,
한국등록특허공보 제10-0695910호 “고강도 질석보드” 등 다수 자료에서 공지된 바와 같이 발포계 단열재인 팽창 질석을 주제로 하고 팽창 퍼라이트 등을 보강제 혼합하고 유기 경화형 바인더로 접착시켜 고강도의 단열재를 제조하는 기술들이 제시되었다.
그러나 유기 경화형 바인더는 고온에서 사용할 수 없고, 밀도가 높고 열전도율이 나쁜 팽창 질석을 사용함으로써, 전체적인 열전도율 상승을 초래하고, 단열재의 밀도가 상승하며, 충분한 압축이 수반되지 못하면 강도가 감소하는 등의 문제점이 있다.
이에 본 발명은 팽창 퍼라이트 보온재를 성형함에 있어 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 분말상의 열경화성 바인더를 사용하여 접착하고, 고온의 열처리 공정을 추가적으로 수행하여 팽창 퍼라이트 성형체를 탄소화 함으로써, 입자간의 공극을 분말상의 바인더로 메울 수 있어, 과압축을 하지 않더라도 입자와 입자간 결합력을 충분히 보장할 수 있으므로, 압축에 따른 밀도 상승과 입자 파쇄를 방지하여 열전도율을 향상시킬 수 있고, 열처리 공정을 수행함에 따라 유기물의 문제점인 열분해를 차단할 수 있어 고온에서의 열안정성을 확보할 수 있는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재를 제공함에 그 목적이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 분말상의 열경화성 수지를 사용함으로서 액상의 규산염계 바인더에 비해 대단히 높은 접착력을 가지고 있고, 팽창퍼라이트에 의한 흡수가 없기 때문에 낮은 압축비로도 높은 접착력을 확보할 수 있어 보다 낮은 밀도로 성형이 가능하여 시공성 향상과 추가적인 열전도율 향상을 이룰 수 있는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재를 제공함에 그 목적이 있다.
이와 더불어 본 발명은 액상 규산염계 바인더가 가지고 있는 문제점인 입자 흐름성을 해결하여 공극률과 밀도 편차를 감소시켜 압축 시 셀(cell)의 파괴를 최소화하고, 분말상 수지의 수분 함유량이 극히 낮은 이점에 기인하여 잔존수분에 의한 열전도율 증가를 해결할 수 있는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 원광을 건조시킨 후 팽창시켜 제조된 팽창 퍼라이트 10~84 중량%, 유기계 경화형 분말 바인더 15~85 중량% 및 보강섬유 0.25 ~ 5 중량% 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 상기 유기계 경화형 분말 바인더 100중량부에 대하여 5~200중량부의 보강제를 추가로 포함하고 있다.
본 발명에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법은 원광을 건조 후 팽창시켜 팽창 퍼라이트를 제조하는 제 1단계; 상기 제 1단계에서 제조한 팽창 퍼라이트 10~84 중량%, 유기계 경화형 분말 바인더 15~85 중량% 및 보강섬유 0.25 ~ 5 중량% 를 혼합하여 혼합재를 제조하는 제 2단계; 상기 제 2단계에서 제조한 혼합재를 압축 또는 압출하여 성형체를 만들고 상기 성형체를 일차 경화시키는 제 3단계; 및 상기 제 3단계에서 일차 경화된 성형체를 후경화시키는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재를 이용한 제품은 상기된 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재로서, 상기 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 보온재 또는 진공단열재의 심재로 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 해결 수단에 의해, 본 발명의 단열재는 팽창 퍼라이트를 이용하여 최대한 체밀 충전시켜 입자간의 공극을 최소화함으로써 낮은 밀도에 의한 시공성 향상과 단열재의 두께를 얇게 하여 자재 및 에너지 비용을 절감하고 설비 설치 공간 면적을 줄일 수 있는 단열재로서 고온, 저온 조건에서 사용 및 다양한 형태로의 응용을 할 수 있다.
도 1은 열린 셀 팽창 퍼라이트를 나타낸 도면,
(A) : 800㎛ 초과 (30배율)　　　　 (B) : 800~500㎛ (32배율)
(C) : 500~400㎛ (32배율)　　　　　 (D) : 400~250㎛ (48배율)
(E) : 250~160㎛ (84배율)　　　　　 (F) : 160~63㎛ (100배율)
(G) : 63㎛ (100배율)
도 2는 닫힌 셀 팽창 퍼라이트를 나타낸 도면.
(A) : 400㎛ 초과 (32배율)　　　　 (B) : 400~250㎛ (48배율)
(C) : 250~160㎛ (84배율)　　　　　 (D) : 160~63㎛ (100배율)
(E) : 63㎛ (100배율)
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 팽창 퍼라이트 10~84 중량%, 유기계 경화형 분말 바인더 15~85 중량 % 및 보강섬유 0.25~5 중량%를 포함한다.
팽창 퍼라이트는 퍼라이트 원광을 건조시킨 후 팽창시켜 제조된 것으로서, 퍼라이트 원광은 진주암, 흑요석, 송지암, 경석 중 선택된 1종 이상이다. 여기서 팽창 퍼라이트가 10중량% 미만이면 열전도율이 급격히 증가하는 문제가 있고, 84중량% 초과하면 기계적 물성이 감소하는 문제가 있다. 팽창 퍼라이트의 입자의 형태에 대해서는 특별한 제한은 없지만, 바람직하게는 닫힌 셀 팽창 퍼라이트의 유효성분은 전체 팽창 퍼라이트 중량을 기준으로 50 중량% 이상 포함한다.
유기계 경화형 분말 바인더는 전체 중량% 대비 15~85 중량%, 바람직하게는 20~50 중량%를 혼합할 수 있으며, 15 중량% 이하일 경우 접착 강도의 확보가 어렵고, 85 중량% 이상일 경우 높은 접착 강도는 확보할 수 있으나, 과다한 유기물의 혼용에 따른 재료비 및 열전도율의 상승 등의 문제가 발생한다.
유기계 경화형 분말 바인더는 페놀 노볼락 수지를 사용할 수 있으나, 특징적으로 한정하는 것은 아니며, 분말로 변형된 멜라민 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지를 사용할 수도 있고, 열경화를 통해 고분자로 생성되어 기계적 물성을 확보할 수 있는 수지를 모두 포함할 수 있다.
보강섬유는 팽창 퍼라이트 단열재의 성형성, 휨강도, 시공성 등을 보강하기 위해서는 길이가 5 ~ 30mm 인 보강섬유를 사용한다. 보강섬유는 무기질계 섬유나 유기질계 섬유를 각각 사용하거나 혼용하여 사용한다.
또한, 강도나 열전도율 추가적으로 낮추기 위한 보강제를 사용할 수 있다.
강도를 보강하기 위해 50㎛ 미만의 흄드실리카나, 에어로겔 등을 사용할 수 있는데, 이는 열전도율이 우수한 나노미터 크기의 초미립 셀(cell)로 형성되어 있어, 팽창 퍼라이트와 혼합 시 입자간 틈을 메워 성형 압축률을 줄이더라도 치밀한 성형상태를 갖게 되어 강도가 향상되고, 낮은 열전도율을 확보할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 보강제를 추가로 포함할 수 있다. 보강제는 상기 유기계 경화형 분말 바인더 100중량부에 대하여 5~200중량부, 바람직하게는 10~70 중량부를 추가로 혼합할 수 있으며, 보강제가 5중량부 이하일 경우 열분해의 감소와 강도의 보강을 나타내기 어렵고, 200중량부 이상일 경우 보강제로써의 역할은 충분히 수행할 수 있으나, 열전도율이 급격히 증가하는 문제가 발생한다.
또한 본 발명에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 발수제를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명에서의 발수제는 분말상의 발수제를 사용한다.
다음으로 본 발명에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법은 원광을 건조 후 팽창시켜 팽창 퍼라이트를 제조하는 제 1단계; 상기 제 1단계에서 제조한 팽창 퍼라이트 10~84 중량%, 유기계 경화형 분말 바인더 15~85 중량% 및 보강섬유 0.25 ~ 5 중량%를 혼합하여 혼합재를 제조하는 제 2단계; 상기 제 2단계에서 제조한 혼합재를 가열하여 성형체를 만들고 상기 성형체를 일차 경화시키는 제 3단계; 및 상기 제 3단계에서 일차 경화된 성형체를 후경화 또는 후경화 및 열처리하는 제4단계를 포함한다.
이하 본 발명의 제조방법에 대하여 자세히 설명한다.
팽창 퍼라이트를 제조하는 1단계를 보다 자세히 설명하면, 통상적으로 진주암, 송지암, 흑요석, 경석 등의 천연 광물의 내부에 결정수라 불리는 수분을 이용하여, 소성공정에서 고온의 화염을 맞으면 표면은 유리질화 되고 내부의 수분이 증기화 하여 팽창된다.
여기서 팽창은 직접화염법 또는 간접화염법을 사용하되, 일정한 입도분포범위에 맞춰 한번에 팽창시켜 제조하는 방법 또는 입자 크기별로 따로 팽창시킨 후 이를 혼합하여 제조하는 방법을 이용하여 실시된다.
상기 팽창된 퍼라이트 입자의 형태는 팽창 전 입자의 크기와 분포 및 건조 정도에 따른 내부 결정수의 정도에 따라 특징적으로 이루어지며, 이때 셀의 형태는 내부의 수분이 과 팽창되면서 입자 표면이 터져 도 1과 같이 침상구조의 열린 셀 형태로 제조되거나, 도 2와 같이 입자 표면이 닫힌 형태의 중공형 셀을 제조할 수 있다.
상기 열린 셀 퍼라이트와 닫힌 셀 퍼라이트는 형상에 따라 특징적인 차이점을 갖는데, 열린 셀 퍼라이트의 경우, 입자의 내부가 열려 있고, 그 입자 내부 또한 무수한 셀로 구성되어 있어 넓은 비표면적을 가지고 기체 및 액체상의 물질에 대한 높은 흡착성을 가지는 반면 닫힌 셀 퍼라이트는 열린 셀에 비해 높은 비표면적을 가지지는 않으나, 표면이 터지지 않고, 외벽이 견고한 중공체의 형태에 따라 입자의 파괴 강도가 우수하고, 입자간 흐름성이 우수함에 따라 체밀충전이 원활하여, 닫힌 셀 퍼라이트로 형성된 성형체의 경우 열린 셀 퍼라이트 성형체 대비 다소 우수한 기계적 물성과 열전도율을 가진다.
또한, 닫힌 셀 퍼라이트 입자 강도가 우수하여 좀더 낮은 밀도로 팽창시키더라도 입자 파괴강도가 유지되나, 열린 셀 퍼라이트는 낮은 밀도로 팽창시키면 입자의 과팽창이 발생하고 입자의 파쇄가 증가하므로 40 Kg/㎥ 이하로 제조하여 사용하기 어렵다.
하지만, 상기의 열린 셀 퍼라이트가 닫힌 셀 퍼라이트 대비 단점을 지니고 있음을 의미하는 것은 아니며, 제조하고자 하는 성형체의 요구 물성과 사용 목적에 따라 선택적으로 사용될 수 있고, 닫힌 셀과 열린 셀 퍼라이트를 혼합하여 사용하는 것 또한 가능하다.
닫힌 셀 팽창 퍼라이트에 있어서 열린 셀의 함유비율에 대해서는 특별한 제한은 없지만, 그 열전도율에 대한 기능과 효과를 볼 때, 닫힌 셀의 유효성분이 전체 팽창 퍼라이트 중량 대비 50 중량% 이상 되는 것이 바람직하다.
또한, 닫힌 셀 퍼라이트의 입도 구성이 팽창 퍼라이트 중량 기준으로 400㎛ 초과 입자 15±10 중량%, 400~250㎛입자 40±15 중량%, 250~160㎛입자 20±10 중량%, 160㎛ 미만 입자 30±15 중량% 입도분포가 충전율이 좋았고, 제조된 성형체의 열전도율 및 강도 등이 가장 우수하였다.
3단계와 4단계는 그 효과를 극대화 하기 위하여 여러 조건을 부여할 수 있다.
먼저 3단계는 성형 및 일차 경화를 실시하는 단계로, 기존의 팽창 퍼라이트 단열재의 제조 공법인 단속식 압축 성형시 경화시키는 방법이나, 연속식 압출 성형하는 방법도 가능하다.
제 4단계는 생산성 극대화를 위하여 3단계에서 일차 경화만 실시하고 4단계에서 후경화를 실시할 수 있다.
또한, 제 4단계에서 단열재의 고온영역에서의 열안정성을 극대화하기 위하여 후경화시 탄소화, 활성화, 탄화규소화 공정 등의 열처리 공정를 부여할 수 있다.
단열재를 성형 및 일차 경화하는 3단계를 보다 상세히 설명하면, 기존의 액상 바인더를 이용한 단열재의 제조는, 압축 성형에 의한 성형만이 가능하였으나, 분말 경화형 바인더를 사용함으로써, 일반적인 압축 성형도 가능할 뿐만 아니라, 연속식 압출 성형도 가능하다는 이점을 가진다.
이는, 혼합재 제조 시, 기존의 액상 무기질 바인더를 사용하는 팽창 퍼라이트 혼합재의 경우 입자의 흐름성(여기서 표현하는 흐름성이란 입자와 입자의 마찰력 및 안식각의 영향이 낮아, 위치 이동이 쉽게 이루어짐을 말한다)이 낮아 사용상 제약이 따르는 반면, 분말 경화형 바인더는 흐름성이 우수하여 다양한 공정으로 사용 가능하다는 것이다.
액상 바인더는 혼합 시 팽창 퍼라이트 계면과 접착되는데, 이때 바인더의 접착력과 수분에 의해 팽창퍼라이트 입자의 점성을 가짐과 동시에 표면장력이 증가되고, 점성과 표면장력의 증가는 입자간 응집력을 생성시킨다.
상기 응집력의 발생에 따라 흐름성이 감소하여 체밀이 용이하지 않고, 체밀이 용이하지 않은 상태에서 압출 성형하게 되면, 압출 실린더 내부에서 입자의 이송이 원활하지 않으며, 이에 따라 요구하는 형상을 구현하기 어려워지고, 접착 강도가 나빠지는 등의 문제점이 발생한다.
따라서 액상 바인더와 팽창 퍼라이트의 혼합재의 성형은 요구하는 형상에 따른 성형 몰드에 혼합재를 투입하고 압축 성형을 실시 할 수밖에 없으며, 상기 압축 성형 시에도 체밀이 용이하지 않은 상태에서 압축되므로, 입자 파쇄율 증가, 부위별 밀도 편차 발생 및 공극율 증가에 따라 성형체의 강도 및 경도의 감소와 열전도율의 증가가 발생한다.
뿐만 아니라, 액상 바인더는 부피를 가지고 있지 않고, 다만 팽창 퍼라이트 표면에 코팅된 상태로 유지되므로, 압축성형 시 입자와 입자간의 빈 공극을 메울 수 없어, 접착력을 충분히 발휘하기 위해서는 입자와 입자간 계면이 최대한 접촉될 수 있도록 하여야만 하는데, 이를 위해서는 높은 압축비를 가할 수 밖에 없어 입자의 파쇄가 심해지고, 압축비 상승에 따른 성형체의 밀도 증가로 열전도율은 급격히 증가한다.
상기의 압축 성형 시 체밀충전을 보완하기 위하여, 혼합재에 진동을 발생시켜 체밀율을 높이기도 하나, 입지간 응집력이 높아, 진동에 따른 체밀은 일정 범위 이상은 이루어지지 않으며, 충분한 체밀을 위해서는 장시간의 진동 공정이 요구되므로, 생산성이 나빠지게 된다.
반면에, 열경화성 유기계 분말 바인더는 상온에서 분말상으로 존재하며, 일정 온도 이상으로 상승되면 분말상에서 액상으로 변하여 점성을 지니게 되고, 그 이상의 특정온도에서 경화하여 접착력을 발휘하게 된다.
따라서, 팽창 퍼라이트와 분말 바인더를 상온에서 혼합하면, 바인더는 수분과 점성이 존재하지 않으므로 퍼라이트는 흐름성이 확보되어, 연속식 압출 실린더 내에서 원활한 혼합재의 이송과 체밀을 유지한 상태로 압출할 수 있으므로, 충분한 접착 강도를 확보할 수 있다.
다만, 체밀충전의 효율을 더 높이기 위해 제2단계에서의 혼합재에 진동이나 충격을 주어 체밀충전방법을 더 거친 후에 제3단계를 진행하는 것도 가능하다.
또한, 분말 바인더는 온도에 따른 용융과 경화 반응이 이루어지므로, 압출 실린더의 부위별 온도 구배를 실시하여 요구되는 형태와 생산속도를 결정할 수 있다는 이점을 가지고 있다.
더불어, 기존과 동일한 압축 성형도 가능하며 기존의 단열재 대비 우수한 물성을 구현할 수 있다. 분말 바인더 사용에 따른 흐름성의 증가와 원활한 체밀은 압축시 균일한 가압을 가할 수 있어, 입자 파쇄율이 감소하고, 부위별 밀도 편차 억제 및 공극율을 최소화하여 성형체의 강도 및 경도의 극대화와 우수한 열전도율을 확보할 수 있으며, 체밀율의 극대화를 위해 진동을 가할 경우에도, 단시간의 진동 조건에서도 체밀이 보다 원활하게 이루어져 생산성의 저하를 억제하면서도 우수한 물성을 확보할 수 있다.
뿐만 아니라, 분말 바인더는 자체의 부피를 지니고 있어, 팽창 퍼라이트 입자간 공극에 분말 바인더가 위치함으로써 공극을 메우게 되고, 낮은 압축비에서도 충분한 접착력을 발휘할 수 있고, 수분 함유율이 극히 낮은 분말 바인더의 특성으로 잔존 수분에 의한 열전도율 상승을 해결할 수 있다.
또한, 본 3단계의 경화 온도는 80 내지 300 ℃ 범위에서 수행할 수 있으며, 80℃ 이하일 경우 충분한 경화반응이 이루어지기 어렵거나 장시간의 경화 공정이 필요하며, 300℃ 이상일 경우 급격한 경화반응이 이루어짐에 따라 접착 강도가 감소하는 등의 문제가 발생한다.
제 4단계는 생산성 극대화를 위하여 3단계에서 일차 경화만 실시하고 4단계에서 후경화를 실시할 수 있다.
또한, 제 4단계에서 단열재의 고온영역에서의 열안정성을 극대화하기 위하여 열처리를 추가로 실시할 수 있다.
후경화 또는 후경화 및 열처리를 실시하는 4단계에 대하여 보다 상세히 설명하면, 분말 바인더를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조는 생산성의 극대화를 위하여 다양한 형태로 제조 공정을 변화시킬 수 있다.
우선, 혼합재를 성형 및 경화하는 3단계에서 생산성의 극대화를 위해 압축 또는 연속식 압출 성형 시에 80~300℃의 고온으로 단시간 압축 또는 압출함으로써, 성형체의 표면을 일차 경화하여 형상을 지지하고, 4단계로 80~300℃의 고온으로 후경화를 수행하여 일차 경화된 성형체를 완전 경화시킬 수 있다.
이에 따라, 성형시 충분한 경화를 위하여, 금형이나 압출 실린더 내부에서 장시간 가열 공정이 생략됨에 따른 생산성의 감소를 해결하면서도 우수한 물성을 확보할 수 있다.
이는, 본 발명에서 사용되는 열경화성 분말 바인더에 의한 특성으로, 온도 상승에 따른 바인더의 용융과 경화가 단시간에 용이하게 이루어지고, 용융과 경화가 발생하는 특정 온도 범위를 가지고 있어, 제조 공정을 구성할 때 원하는 형태 및 구간으로 용이하게 구성할 수 있으므로, 다양한 형태의 제조 조건으로 조절할 수 있는 것이다.
또한, 제 4단계에서 후경화 공정과 더불어 열처리 공정을 추가하여 경화형 분말 바인더를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 고온에서의 열안정성의 극대화와 기계적 물성의 향상 및 열전도율 감소를 확보할 수 있으며, 혼합재 제조 시 무기보강제를 추가할 경우 보다 높은 내열성과 기계적 물성을 확보할 수 있다. 열처리에는 대기하에서의 탄소화, 무산소하에서의 탄소화, 활성화 및 탄화규소화공정을 들 수 있다. 이때, 후경화만 진행할 때는 80℃에서 300℃에서 실시하나, 열처리를 실시할 경우는 80℃에서 1100℃의 온도 범위로 상승시키면서 실시한다. 낮은 온도부터 높은 온도로 실시하는 이유는, 높은 온도에 바로 영향을 받을 경우 열변형이 발생될수 있고, 사용하는 유기 분말형 바인더의 특성에 따라, 그 온도 분포가 달라지기 때문이다.
후경화 조건은 가경화된 성형체를 다시 정상적인 경화가 진행되도록 하기 위해 경화조건인 80℃부터 실시 가능하며, 또한 최대 경화구간인 300℃까지 진행한다. 이때 열처리 조건까지 진행시에 1100℃까지 가열한다. 1100℃를 초과할 경우는 과다한 열처리에 변형과 강도 저하가 발생될수 있다. 따라서 후경화만 진행할 경우는 80℃에서 300℃까지, 후경화와 열처리를 같이 실시할 경우는 80℃에서 1100℃까지 상승 가능하다. 다만, 열처리 온도는 최대 1100℃까지 가능한 것이지, 실제 원하는 물성에 따라 1100℃이하의 온도로 조정하여 사용한다. 또한 온도의 상승 속도는 공정에 무리가 가지 않는 범위내에서 실시한다.
유기계 바인더, 특히 열경화성 바인더는 무기계 바인더에 비해 우수한 접착력을 확보할 수 있어, 사용량을 감소하더라도 낮은 밀도와 우수한 기계적 물성 및 열전도율을 확보할 수 있는 장점을 가진 반면, 온도 상승에 따라 유기물의 분해가 발생되어 제조된 성형체의 기계적 물성이 감소하고 균열과 수축이 발생하는 단점을 지니고 있다.
본 발명에서 언급한 분말형 유기계 바인더의 대표적인 예로 노볼락 페놀 수지를 들 수 있는데, 완전 경화된 노볼락 페놀 경화물은 다른 유기계 바인더에 비해 높은 열안정성을 확보할 수 있으나, 이 또한 350℃ 이상의 고온에서는 열안정성을 확보하기 어렵다.
특히, 산업용 고온 단열재의 경우, 200℃ 이상의 온도 조건에서 사용하는 경우가 많아, 열경화성 바인더로 제조된 단열재의 경우, 장기적인 열안정성의 감소로 단열재의 물성이 급격히 나빠지거나, 균열이 발생할 위험을 지니고 있다.
상기의 고온 열안정성의 문제점은 분말형 열경화성 수지를 고온으로 열처리하여 수지의 가교구조가 강한 탄소-탄소 구조로의 치환되어 높은 열안정성을 확보하게 되는 즉, 탄소화를 형성함으로써 해결할 수 있다.
본 탄소화 공정은 산소의 존재 하에서 실시하는 대기조건에서의 탄소화 공정과, 산소 유입을 차단하여 실시하는 무산소 조건에서의 탄소화 공정으로 나눌 수 있다.
산소조건에서 탄소화를 진행하는 경우는 산소의 제거를 위한 추가적인 설비 없이도 탄소화를 진행할 수 있다는 장점을 가지나, 탄화 가능 온도가 80~400℃ 범위 이내로, 400℃를 초과할 경우, 사슬구조의 팽창과 발열 등에 따라 성형체의 균열 등이 발생할 수 있다는 단점이 있는 반면, 무산소 조건에서의 탄소화는 산소를 제거하기는 위한 추가적인 설비가 있어야 하나, 탄화 가능 온도가 80~1100℃ 범위로, 고온에서 단시간에 탄소화를 수행할 수 있다는 장점을 지닌다.
그러나 대기 조건에서 고온의 탄소화 시, 적정한 압력을 확보하기 어려운 경우, 탄소-탄소 결합구조의 생성과정에서 유기물의 열분해가 이루어지고 이에 따라 기계적 강도의 감소가 발생할 위험이 있는데, 팽창 퍼라이트로 제조된 단열재는 고압을 가하게 되면, 단열효율을 나타내는 셀(cell)의 파괴가 발생하므로, 충분한 압력을 가해줄 수 없는 문제점이 있다.
이러한 대지 조건에서 탄소화 시의 문제점을 해결하기 위해 고온에서 용융 가능한 무기계 보강제를 혼용할 수 있다.
붕산과 같은 무기물은 상온에서 분말상으로 존재하며, 온도의 상승에 따라 용융되어 액상의 형태를 지니며, 보다 높은 온도에서 고화되어 격막을 형성한다.
따라서, 팽창 퍼라이트와 분말형 유기계 바인더 그리고 용융 가능한 무기계 보강제를 혼합하여 성형함으로써, 일차적으로 유기계 바인더에 의한 접착력을 확보하고, 대기조건에서 고온의 열처리를 통해 유기계 바인더의 탄소-탄소 결합을 진행함과 동시에 무기계 보강제가 용융 과정을 거쳐 고화됨으로써, 무기계 보강제가 탄소-탄소 결합 구조를 이루는 유기계 경화물 표면에 격막을 형성하게 된다.
이에 따라 내부는 탄소-탄소 결합 구조를 지닌 유기 경화물, 외부는 열안정성이 높은 무기계 격막을 가진 복합구조를 형성하게 되어, 탄소-탄소 결합형태로의 구조 변화 시 발생할 수 있는 열분해를 방지함으로써 고온 열안정성이 증가되고, 탄소-탄소 결합 및 무기물의 용융 결합의 이중 결합을 통해 접착강도를 보강하여 전체적인 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 무기 보강제는 전체 중량% 대비 5~35 중량%, 바람직하게는 10~30 중량%를 혼합할 수 있으며, 5 중량% 이하일 경우 열분해의 감소와 강도의 보강을 나타내기 어렵고, 35 중량% 이상일 경우 보강제로써의 역할은 충분히 수행할 수 있으나, 열전도율이 급격히 증가하는 문제가 발생한다.
본 발명에서 무기 보강제는 붕산을 사용할 수 있으나, 특징적으로 한정하는 것은 아니며, 인 또는 붕소화합물을 사용할 수 있으며, 인산 암모늄, 인산 알루미늄, 인산 아연, 붕사, 붕소의 산 화합물인 붕산 등 고온에 따른 격막을 형성할 수 있는 인 또는 붕소 화합물을 모두 포함할 수 있다. 무기 보강제는 각각 사용하거나 혼용하여 사용할 수 있다.
더불어, 무산소 조건에서 탄소화를 수행함으로써, 열경화성 수지의 가교구조의 산화를 최대한 방지하고, 성형체의 급격한 온도 증가에 따른 기계적 물성의 감소를 억제함과 동시에 입자 기공의 폐쇄 현상을 막아 비표면적이 크게 증가된 탄소체를 형성할 수 있다.
일반적으로 유기 경화물의 가교구조는 열처리를 통해 탄소-탄소 구조의 형성으로 강한 결합력을 확보하지만, 산소 유입에 따라 가교구조를 형성하는 탄소체 즉, 메틸(CH2)기의 일부는 회화(灰化)가 발생하여 열분해가 이루어져 탄화수율(전체 유기 경화물 중량 대비 탄소화 정도를 나타내는 수율을 의미함)은 일정 수준 이상 확보되지 않고, 탄소화에 의해 생성되는 미세 셀(cell) 또한 열분해를 통해 붕괴됨으로써, 비표면적의 극대화를 이루기 어렵다.
이에 무산소 조건에서 열처리 공정을 수햄함으로써, 탄소-탄소 구조의 형성과정에서 산화에 따른 열분해를 억제하여 탄화수율이 증가하여 결합력의 극대화를 이룰 수 있고, 탄소화에 의해 생성된 미세 셀(cell)의 붕괴를 억제하여 성형체 내부 비표면적의 극대화를 이룰 수 있다.
또한, 고온의 열처리를 통한 탄소화 과정에서 탄소체의 표면을 침식시킴으로써, 미세 다공성 구조를 증가시켜 비표면적을 극도로 증가시키는 활성화 공정을 수행할 수 있다. 상기 공정은 600 내지 1100℃ 범위의 열처리 공정에서 스팀의 유입이나, 불활성 기체인 이산화탄소를 탄소화 과정 후에 유입시켜 이루어진다.
이와 더불어, 불활성 기체의 조건과 1000 내지 1100℃의 고온 조건으로 탄소화되는 성형체에 규소 또는 규소를 함유하는 가스와 반응시킴으로써 탄화규소성형체를 형성할 수 있으며, 상기와 같이 형성된 탄화규소 구조는 보다 높은 기계적 물성과 열안정성 및 낮은 열전도율을 확보할 수 있다.
상기에서 설명한 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 바인더에 의해 제조되는 단열재의 발수성 향상 및 흡수율 감소, 흐름성 등을 향상시키기 위하여 팽창 퍼라이트 입자 표면을 실란 모노머 계통을 코팅할 수 있다.
실란계 모노머는 말단에 퍼라이트와 화학적 결합을 유도하는 알콕시를 갖고 꼬리는 발수 특성을 나타내는 알킬기가 있어서, 퍼라이트 표면 전체에서 나뭇가지나 털복숭이처럼 외부로 뻗어 나와 하나의 층을 형성하여, 표면의 마찰 저항을 낮추게 됨으로써 흐름성이 향상되어 압축성형 공정에 투입 시 체밀충전이 보다 잘 되고, 발수특성을 영구적으로 갖는 효과를 얻는다.
본 발명에서 발수성능을 나타내는 목적인 표면 코팅에 의한 발수제로 유기 실란 뿐 아니라 강도를 보강할 수 있는 티타네이트계, 지르코네이트계를 사용할 수 있는데, 보다 상세하게는 이소옥틸트리메톡시실란 (i-octyltrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxysilane), 옥틸트리에톡시실란(Octyltriethoxysilane), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane), 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란 (3-glycidyloxytriethoxysilane), 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(3-methacryloxypropyltrimethoxysilane), 비닐트리에톡시실란(vinyltriethoxysilane), 비닐트리메톡시실란 (vinyltrimethoxysilane), 비닐트리(2-메톡시-에톡시)실란 [vinyltri(2-methoxy-ethoxy)silane 등을 포함하는 유기실란계 커플링제와 네오펜틸(디알릴)옥시, 트리네오데카노닐티타네이트[neopentyl(diallyl)oxy, trineodecanotitanate], 네오페닐(디알릴)옥시,트릴(도데실)벤젠-술포닐티타네이트[neopentyl(diallyl)oxy, tri(dodecyl)benzene-sulfonyl titanate],tri(dioctyl)phosphate titanate], 네오페닐(디알릴)옥시,트리(디옥틸)피로-포스페이토티나에니트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)pyro-phsophato titanate], 네오펜틸디알릴옥시,트리(N-에틸렌디아미노)에틸티타네이트[neopentyl((diallyl)oxy, tri(N-ethylenediamino)ethyl titanate], 네오펜틸디알릴옥시,트리(m-아미노)페닐티타네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(m-amino)pentyl titanate] 등을 포함하는 티타네이트계 커플링제와 네오펜틸(디알릴)옥시,트리네오데카노닐지르코네이트[neopentyl(diallyl)oxy,trineodecano zirconate], 네오페닐(디알릴)옥시,트릴(도데실)벤젠-술포닐지르코네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(dodecyl)benzene-sulfonyl zirconate], 네오페닐(디알릴)옥시,트리(디옥틸)포스페이토지로코네이트 [neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)phosphate ziroconate], 네오페닐(디알릴)옥시,트리(디옥틸)피로-포스페이토지로코네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)pyro-phosphato ziroconate], 네오펜틸디알릴옥시, 트리(디옥틸)피로-포스페이토지로코네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)pyro-phosphato zirconate], 네오펜틸디알릴옥시,트리(N-에틸렌디아미노)에틸지로코네이트 [neopentyl(diallyl)oxy,tri(N-ethylenediamino)ethyl zirconate], 네오펜틸디알릴옥시,트리(m-아미노)페닐지르코네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(m-amino)phenyl zirconate] 등을 포함하는 지로코네이트계 커플링제등을 포함한다.
상기 커플링제는 액상의 형태를 지니며, 이 액상을 팽창 퍼라이트 표면에 분무한 후 가열 또는 건조함으로써 화학적 반응을 통하여 팽창 퍼라이트 표면과 결합되어 코팅막을 형성함을 특징으로 한다.
본 발명에서 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 혼합하여 단열재를 제조함에 있어, 성형체의 발수성의 향상 및 흡수율의 감소를 위하여 성형 전에 분말형의 실리콘계 발수제를 혼합하여 성형할 수 있다.
분말형 발수제는 상온에서 분말상으로 존재하여, 압축전에 팽창 퍼라이트 입자간 체밀충전을 원활히 수행할 수 있으며, 승온에 따른 유기 경화형 바인더의 용융 시 분말형 발수제도 동시에 용융되어 유기 바인더의 흐름성과 접착성을 향상시키고, 제조된 성형체의 발수성 보강하고 흡수율을 감소시킨다.
또한, 팽창 퍼라이트 단열재의 성형 후 단열재 표면에 액상의 발수제를 도포하거나 성형체를 발수제 용액에 침지시켜 추가적인 발수성과 흡수율 감소를 확보할 수 있다. 액상 발수제는 상온 건조를 통해 발수성을 확보하는 형태나, 추가적인 건조를 통해 보다 높은 발수성을 확보하는 형태의 발수제를 각각 사용하거나 혼용하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 팽창 퍼라이트 단열재의 성형성, 휨강도, 시공성 등을 보강하기 위해서는 길이가 5 ~ 30mm 인 보강섬유를 포함한다. 보강섬유는 무기질계 섬유나 유기질계 섬유를 각각 사용하거나 혼용하여 사용한다.
또한, 강도나 열전도율 추가적으로 낮추기 위한 다른 종류의 보강제를 사용할 수 있다.
강도를 보강하기 위해 50㎛ 미만의 흄드실리카나, 에어로겔 및 화이트카본 등을 사용할 수 있는데, 이는 열전도율이 우수한 나노미터 크기의 초미립 셀(cell)로 형성되어 있어, 팽창 퍼라이트와 혼합 시 입자간 틈을 메워 성형 압축률을 줄이더라도 치밀한 성형상태를 갖게 되어 강도가 향상되고, 낮은 열전도율을 확보할 수 있다.
또한, 추가적으로 열전도율을 낮추기 위해 복사열 차단제를 사용할 수 있다.
이는 팽창 퍼라이트의 경우 고온으로 갈수록 복사의 영향이 커지고, 그 복사에 대한 영향을 차단하는데 한계가 있어, 추가적으로 복사를 차단하는 물질을 첨가함으로써, 열전도율을 더욱 낮출 수 있다.
특히 이는 고온 영역에서 더 큰 효과를 본다.
본 발명에서 유기 바인더에 의한 경화구조를 가진 팽창 퍼라이트 단열재를 탄소화 또는 활성화 함으로써 제조되는 성형체는 퍼라이트의 셀(cell)과 탄소화된 미세 셀(cell)을 동시에 지닌 다중 복합 셀(cell)구조의 결합체를 이룸으로써, 낮은 열전도율과 높은 비표면적을 요구하는 다양한 용도로 적용될 수 있으며, 특히 보온재나 진공 단열재의 심재로 사용될 수 있다.
진공 단열재(Vacuum Insulation Panel)는 밀폐형으로 제작된 패널에 미세기공 절연물질(Microporous insulation material)을 내부 심재로 하고, 내부를 진공 처리하여 전도와 대류에 의한 열전달을 제거함으로써, 극히 낮은 열전도율(0.005 W/mK)을 가지는 단열재를 말한다.
이와 같은 진공 단열재는 극도로 낮은 열전도율에 기인하여, 건축물 단열재, 냉장고, 특소포장 용기 등에 적용되어 에너지 절감 및 녹색성장 제품으로 각광받고 있으며, 에너지의 소모를 최소화 함을 목적으로 하는 패시브 하우스(Passive house)설계에도 필수적인 단열재로 유럽 및 미국 등의 선진국에서는 이미 적용되어 상용화 되고 있다.
진공 단열재의 성능, 즉 낮은 열전도율을 결정하는 것은 내부 심재(Core material)가 관건이며, 현재 무기질 섬유상 물질이 대표적인 진공 단열재의 심재로 사용되고 있는데, 이는 무기질 섬유의 다중 배향 및 다층 접착에 따라 생성된 매트의 형태로 높은 비표면적을 가지고 있으며, 충격에 의한 파괴 위험이 낮아 우수한 열전도율의 확보와 사용상 안정성 확보가 용이하기 때문이다.
그러나 무기질 섬유상 물질의 진공 단열재는 부피가 변하기 쉽게 때문에, 시간 경과에 따라 부피가 변하면 진공이 깨져 진공도의 감소가 일어날 가능성이 높고, 이에 따라 열전도율은 급격히 증가한다.
이와 더불어, 일반 팽창 퍼라이트를 사용 시, 충전된 팽창 퍼라이트의 침하가 발생하고, 부피 변화에 의해 진공도가 낮아져 열전도율이 급격하게 나빠지는 문제점을 해소하기 위해, 분쇄한 팽창 퍼라이트를 내부에 충전하고 밀폐시킨 후 진공 상태를 형성하여 진공 단열재를 제조하는 기술도 공개되어 있으나, 이는 미세한 입자로 인해 진공 공정의 작업효율이 떨어지고, 흄드 실리카 등에 비해 상대적으로 열전도율이 저하된다.
반면, 본 발명에 의해 제조한 탄소화된 팽창 퍼라이트 단열재를 진공 단열재의 내부 심재로 사용할 경우, 팽창 퍼라이트의 셀(cell)과 탄소화와 활성화에 의해 생성된 열린 형태의 초미세 셀(cell)의 다중복합구조를 가져 높은 비표면적과 독립된 셀을 가진 기계적 강도가 높은 성형체를 확보할 수 있어, 추가적인 부피 변화를 막아 진공도의 감소를 억제하고, 높은 비표면적과 독립된 셀의 복합구조에 따라 낮은 진공도에서도 우수한 열전도율을 가질 수 있다.
상기 언급한 내용을 근거로 보다 더 자세히 설명하기 위해, 아래와 같은 실시예와 실험예를 통해 상세히 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
<실시예 1> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 1 제조
퍼라이트 정석을 사용하여, 밀도 30Kg/㎥이고, 팽창 퍼라이트 전체 중량을 기준으로 400㎛ 초과 입자- 15중량%, 400~250㎛ 입자- 40중량%, 250~160㎛ 입자- 20중량%, 160㎛미만 입자- 25중량%로 입도 분포 되고, 닫힌 셀의 비율이 전체 중량 대비 70 중량%를 갖는 팽창 퍼라이트를 제조하였다.
상기와 같이 제조된 닫힌 셀 팽창 퍼라이트 1000g에 노볼락 페놀 분말을 팽창 퍼라이트 중량 대비 100중량%, 무기질 섬유를 팽창 퍼라이트 중량대비 1.5 중량%, 실리콘계 분말 발수제를 팽창 퍼라이트 중량 대비 0.5 중량%를 넣고 혼합하여 혼합재를 제조하였다.
상기 제조된 혼합재의 밀도는 65Kg/㎥이고, 혼합재 527g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 가로X세로X높이 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다. (여기서 압축비는 인위적으로 조정한 것이 아니라, 상기 혼합량을 200℃ 가열된 성형몰드에 투입했을 때 벌크상태 부피를 기준으로 성형체 4.5L 부피로 제조시 발생하는 압축비로, 이하 실시예 및 비교예도 동일함)
이때, 압축된 성형체를 200℃에서 1분간 가열하여 1차 경화한 후 탈형하여, 탈형된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에서 1시간 후경화를 진행시켜 밀도 115 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 1을 제조하였다.
<실시예 2> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 2 제조
상기 실시예 1에서 제조한 혼합재 527g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다.
압축된 성형체를 200℃에서 1시간 동안 가열하여 안전경화를 진행시켜 밀도 115 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 2를 제조하였다.
<실시예 3> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 3 제조
상기 실시예 1에서의 각 성분의 비율로 혼합재를 제조하되, 연속식 공정을 진행할 수 있도록 충분한 양을 혼합하고, 압출 실린더 내부의 온도를 각 3단계로 하여 초기 구간은 상온~40℃, 중간 구간 80~120℃, 후기 구간은 120~150℃으로 유지되며, 최종 토출부의 금형 온도가 150~200℃로 유지되도록 하였다.
토출부 금형의 형태는 가로 300mm, 높이 50mm로 하는 단축 압출 성형기를 준비하였다. 본 압출 성형기에 상기 혼합재를 호퍼를 통하여 0.2L/sec의 투입속도로 투입하여 토출부에서 토출되는 성형체의 길이는 초당 7.5~8mm가 되도록 스크류의 회전속도를 설정하였다. 이에 토출되는 성형체를 길이 300mm 단위로 절단하였다.
상기 절단된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에서 1시간 후경화를 진행시켜 밀도 115 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 3을 제조하였다. 이때, 제조된 성형체는 압축성형에서 1.8배로 압축한 경우와 유사한 밀도를 나타내었다.
<실시예 4> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 4 제조
퍼라이트 정석을 사용하며, 밀도 40Kg/㎥이고, 팽창 퍼라이트 전체중량을 기준으로 800㎛초과입자 15중량%, 800㎛에서 500㎛입자 40중량%, 500㎛에서 250㎛입자 20중량%, 250㎛에서 160㎛입자 10중량%, 160㎛미만 입자는 15중량%로 입도분포 되고, 열린 셀의 비율이 전체 중량 대비 70 중량%를 갖는 열린 셀 팽창 퍼라이트를 제조하였다.
상기와 같이 제조된 열린 셀 팽창 퍼라이트 1000g에 노볼락 페놀 분말을 팽창 퍼라이트 중량 대비 100중량%, 무기질 섬유를 상기 팽창 퍼라이트 중량대비 1.5중량%, 실리콘계 분말 발수제를 팽창 퍼라이트 중량 대비 0.5중량%를 넣고 혼합하여 혼합재를 제조하였다.
상기 제조된 혼합재의 밀도는 72Kg/㎥이고, 혼합재 583g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 가로X세로X높이 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다.
압축된 성형체를 200℃에서 1분간 가열하여 1차 경화한 후 탈형하여, 탈형된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에서 1시간 후경화를 진행시켜 밀도 125 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 4를 제조하였다.
<실시예 5> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 5 제조
닫힌 셀 팽창퍼라이트 50 중량%와 열린 셀 팽창 퍼라이트 50 중량%를 갖는 팽창 퍼라이트를 제조하였으며, 혼합 퍼라이트의 밀도는 35Kg/㎥ 이었다.
상기의 혼합된 팽창 퍼라이트 1000g에 노볼락 페놀 분말을 팽창 퍼라이트 중량 대비 100중량%, 무기질 섬유를 상기 팽창 퍼라이트 중량 대비 1.5 중량%, 실리콘계 분말 발수제를 팽창 퍼라이트 중량 대비 0.5 중량%를 넣고 혼합하여 혼합재를 제조하였다.
제조된 혼합재의 밀도는 70Kg/㎥이고, 혼합재 567g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 가로X세로X높이 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다.
압축된 성형체를 200℃에서 1분간 가열하여 1차 경화한 후 탈형하여, 탈형된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에서 1시간 후경화를 진행시켜 밀도 120 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 5를 제조하였다.
<실시예 6> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 6 제조
상기 실시예 1에서 제조된 밀도가 30Kg/㎥인 닫힌 셀 형태의 팽창 퍼라이트에 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxysilane)을 팽창 퍼라이트 중량대비 0.5 중량%를 코팅하여 제조하였다.
상기 코팅된 닫힌 셀 팽창 퍼라이트 1000g에 노볼락 페놀 분말을 팽창 퍼라이트 중량 대비 100중량%, 무기질 섬유를 팽창 퍼라이트 중량대비 1.5중량%, 실리콘계 분말 발수제를 팽창 퍼라이트 중량 대비 0.5중량%를 넣고 혼합하여 혼합재를 제조하였다.
상기 제조된 혼합재의 밀도는 65Kg/㎥이고, 혼합재 527g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다.
압축된 성형체를 200℃에서 1분간 가열하여 경화한 후 탈형하여, 탈형된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에서 1시간 후경화를 진행시켜 밀도 115 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 6을 제조하였다.
<실시예 7> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 7 제조
상기 실시예 1에서와 같이 밀도가 30Kg/㎥인 닫힌 셀 형태의 팽창 퍼라이트를 제조하였다.
제조된 닫힌 셀 팽창 퍼라이트 1000g에 노볼락 페놀 분말을 팽창 퍼라이트 중량 대비 90중량%, 보강제로 흄드 실리카를 팽창 퍼라이트 중량대비 10 중량%, 무기질 섬유를 팽창 퍼라이트 중량대비 1.5중량%, 실리콘계 분말 발수제를 팽창 퍼라이트 중량 대비 0.5중량%를 넣고 혼합하여 혼합재를 제조하였다.
제조된 혼합재의 밀도는 66Kg/㎥이고, 혼합재 535g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다.
압축된 성형체를 200℃에서 1분간 가열하여 1차 경화한 후 탈형하여, 탈형된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에서 1시간 후경화를 진행시켜 밀도 115 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 7을 제조하였다.
<실시예 8> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 8 제조
상기 실시예 1에서와 같이 밀도가 30Kg/㎥인 닫힌 셀 형태의 팽창 퍼라이트를 제조하였다.
제조된 닫힌 셀 팽창 퍼라이트 1000g에 노볼락 페놀 분말을 팽창 퍼라이트 중량 대비 95 중량%, 강도보강제로 에어로겔을 팽창 퍼라이트 중량대비 5 중량%, 무기질 섬유를 팽창 퍼라이트 중량대비 1.5 중량%, 실리콘계 분말 발수제를 팽창 퍼라이트 중량 대비 0.5 중량%를 넣고 혼합하여 혼합재를 제조하였다.
상기 제조된 혼합재의 밀도는 65Kg/㎥이고, 혼합재 526g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다.
압축된 성형체를 200℃에서 1분간 가열하여 1차 경화한 후 탈형하여, 탈형된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에서 1시간 후경화를 진행시켜 밀도 115 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 8을 제조하였다.
<실시예 9> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 9 제조
상기 실시예 1에서와 같이 밀도가 30Kg/㎥인 닫힌 셀 형태의 팽창 퍼라이트를 제조하였다.
제조된 닫힌 셀 팽창 퍼라이트 1000g에 노볼락 페놀 분말을 팽창 퍼라이트 중량 대비 100중량%, 무기보강제로 붕산을 팽창 퍼라이트 중량대비 30 중량%, 무기질 섬유를 팽창 퍼라이트 중량대비 1.5중량%, 실리콘계 분말 발수제를 팽창 퍼라이트 중량 대비 0.5중량%를 넣고 혼합하여 혼합재를 제조하였다.
상기 제조된 혼합재의 밀도는 70Kg/㎥이고, 혼합재 567g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다.
압축된 성형체를 200℃에서 1분간 가열하여 1차 경화한 후 탈형하고, 탈형된 성형체를 열풍 건조기에 투입하여 초기온도 200℃부터 350℃까지 1시간에 걸쳐 승온하여 후경화 및 열처리를 실시하고, 1시간 동안 자연냉각을 실시한 후 열풍기에서 배출하였다. 이때 성형체의 표면온도는 상온에서 50℃ 온도범위였다. 이를 통해 밀도 125 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 9를 제조하였다.
<실시예 10> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 10 제조
상기 실시예 9와 동일하게 각 성분비로 혼합하되, 분말 발수제는 혼합하지 않은 혼합재로 실시예 9와 동일한 공정으로 성형체를 제조하였다. 고형분 1%로 희석된 실리콘계 발수제 용액을 제조하고, 상기 제조된 성형체에 제조된 발수제 용액을 성형체 단면적 0.01㎡ 당 5g을 도포하였다.
상기 발수제 용액이 도포된 성형체를 통풍이 원활한 장소에서 1일간 상온 건조를 실시하여 밀도 125 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 10을 제조하였다.
<실시예 11> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 11 제조
상기 실시예 10과 동일하게 각 성분비로 혼합하되, 닫힌 셀 팽창퍼라이트 대신 열린 셀 팽창퍼라이트를 이용하여 혼합하고, 실시예 9와 동일한 공정으로 성형체를 제조하였다. 고형분 1%로 희석된 실리콘계 발수제 용액을 제조하고, 상기 제조된 성형체에 제조된 발수제 용액을 성형체 단면적 0.01㎡ 당 5g을 도포하였다.
상기 발수제 용액이 도포된 성형체를 통풍이 원활한 장소에서 1일간 상온 건조를 실시하여 밀도 130 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 11을 제조하였다.
<실시예 12> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 12 제조
상기 실시예 1에서 제조한 혼합재 527g을 초기 부피의 약 1.8배 압축하여 300X300X50mm (부피 4.5L) 크기로 성형하였다.
압축된 성형체를 200℃에서 1분간 가열하여 1차 경화한 후 탈형하여, 탈형된 성형체를 산소 유입이 차단된 챔버에 투입하고 질소 퍼지하여 챔버내 용존산소를 0.5%이하로 유지시킨 상태에서 200℃부터 500℃까지 2시간에 걸쳐 승온하고, 1시간 동안 500℃를 유지한 후, 2시간에 걸쳐 자연 냉각하여 후경화 및 탄소화를 실시하였다. 이때 성형체의 표면온도는 상온~50℃ 온도범위였으며, 이를 통해 밀도 115 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 12를 제조하였다.
<실시예 13> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 13 제조
상기 실시예 12와 동일하게 각 성분비로 혼합하되, 분말 발수제는 혼합하지 않은 혼합재로 실시예 12와 동일한 공정으로 성형체를 제조하였다. 고형분 1%로 희석된 실리콘계 발수제 용액을 제조하고, 성형체에 제조된 발수제 용액을 성형체 단면적 0.01㎡ 당 5g을 도포하였다.
상기 발수제 용액이 도포된 탄소화 처리된 성형체를 통풍이 원활한 장소에서 1일간 상온 건조를 실시하여 밀도 115 ± 5 Kg/㎥를 갖는 팽창 퍼라이트 단열재 13을 제조하였다.
<실시예 14> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 14 제조
상기 실시예 13과 동일하게 각 성분비로 혼합하되, 닫힌 셀 팽창 퍼라이트 대신 실시예 4에서 제조된 열린 셀 팽창 퍼라이트로 혼합재를 제조하고 실시예 12와 동일한 공정으로 성형체를 제조하였다. 고형분 1%로 희석된 실리콘계 발수제 용액을 제조하고, 성형체에 제조된 발수제 용액을 성형체 단면적 0.01㎡ 당 5g을 도포하였다.
상기 발수제 용액이 도포된 탄소화 처리된 성형체를 통풍이 원활한 장소에서 1일간 상온 건조를 실시하여 밀도 125 ± 5 Kg/㎥를 갖는 표면 발수 보강 처리된 팽창 퍼라이트 단열재 14를 제조하였다.
<실시예 15> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 15 제조
상기 실시예 12와 동일하게 제조한 성형체를 불활성 기체 하에서 1000℃까지 승온시키고, 규소를 함유한 가스를 투입하여 탄화규소화된 팽창 퍼라이트 단열재 15를 제조하였다.
<실시예 16> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 유기 경화형 분말 바인더를 이용한 단열재 16 제조
상기 실시예 12와 동일하게 제조한 성형체를 수증기 분위기에서, 600℃ 1시간 동안 포화 수증기로 활성화 처리하고, 제조된 성형체를 가로X세로 420X420mm의 삼면이 밀폐된 내부는 복합재질의 진공 패킹재에 투입하고 3 torr의 진공압력을 형성한 후 밀봉하여 진공 단열재 16을 제조하였다.
<비교예 1> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 무기계 액상 바인더인 규산소다를 이용한 단열재 1 제조
퍼라이트 정석을 사용하여, 밀도 30Kg/㎥이고, 팽창 퍼라이트 전체 중량을 기준으로 400㎛ 초과 입자- 15중량%, 400~250㎛ 입자- 40중량%, 250~160㎛ 입자- 20중량%, 160㎛미만 입자- 30중량%로 입도 분포 되고, 닫힌 셀의 비율이 전체 중량대비 70 중량%를 갖는 팽창 퍼라이트를 제조하였다.
33 Be' 규산소다 1000g에 실리콘계 액상 발수제를 규산소다 중량대비 0.5중량%를 넣고 혼합하여 액상 무기질 바인더를 제조하였다.
상기 제조된 혼합물 433g과 상기 제조된 액상 무기질 바인더 413g을 혼합한 후 초기 부피의 약 3.2배를 압축하여 300X300X50mm 크기의 성형체를 제조하였다.
제조된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에 4시간 건조시켜 밀도 130 ± 5 Kg/㎥를 갖는 열린 셀의 팽창 퍼라이트와 규산소다를 이용한 단열재 1을 제조하였다.
<비교예 2> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 무기계 액상 바인더인 규산소다를 이용한 단열재 2 제조
퍼라이트 정석을 사용하며, 밀도 40Kg/㎥이고, 팽창 퍼라이트 전체중량을 기준으로 800㎛초과입자 15중량%, 800㎛에서 500㎛입자 40중량%, 500㎛에서 250㎛입자 20중량%, 250㎛에서 160㎛입자 10중량%, 160㎛미만 입자는 15중량%로 입도분포 되고, 열린 셀의 비율이 전체 중량대비 70 중량%를 갖는 열린 셀 팽창 퍼라이트를 제조하였다.
33 Be' 규산소다 1000g에 실리콘계 액상 발수제를 규산소다 중량대비 0.5중량%를 넣고 혼합하여 액상 무기질 바인더를 제조하였다.
상기 제조된 혼합물 576g과 상기 제조된 액상 무기질 바인더 413g을 혼합한 후 초기 부피의 약 3.2배를 압축하여 300X300X50mm 크기의 성형체를 제조하였다.
제조된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에 4시간 건조시켜 밀도 150 ± 5 Kg/㎥를 갖는 열린 셀의 팽창 퍼라이트와 규산소다를 이용한 단열재 2를 제조하였다.
<비교예 3> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 무기계 액상 바인더인 규산소다를 이용한 단열재 3 제조
상기 비교예2에서 제조된 밀도가 30Kg/㎥인 닫힌 셀 팽창 퍼라이트에 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxysilane)을 팽창 퍼라이트 중량대비 0.5중량%를 코팅하여 제조하였다.
상기 코팅된 닫힌 셀 팽창 퍼라이트 1000g 무기질 섬유를 팽창 퍼라이트 중량대비 1.5중량%를 넣고 혼합하여 혼합재를 제조하였다.
33 Be'규산소다 1000g 단독을 액상 무기질 바인더로 준비하였다.
상기 혼합재 433g과 상기 액상 무기질 바인더 413g을 혼합하여 초기 부피의 약 3.1배를 압축하여 300X300X50mm 크기의 성형체를 제조하였다.
제조된 성형체를 200℃ 열풍 건조기에 4시간 건조시켜 밀도 130 ± 5 Kg/㎥를 갖는 열린 셀의 팽창 퍼라이트와 규산소다를 이용한 단열재 3을 제조하였다.
<실험예 1> 팽창 퍼라이트 단열재의 특성 분석
상기 실시예와 비교예를 KS F 4714에 의거하여, 열전도율, 휨강도, 선수축율, 발수도를 측정 분석하여 아래의 표 1에 나타내었다.
구분 성형압축비 선수축율 열전도율(W/mK) 휨강도
(N/㎠)		 발수도
20℃ 70℃ 200℃
실시예 1 1.8 2% 이상 - 0.0454 0.0585 44.3 98%
이상
실시예 2 1.8 - 0.0447 0.0578 45.4
실시예 3 1.8 - 0.0463 0.0591 43.3
실시예 4 1.8 - 0.0495 0.0624 40.5
실시예 5 1.8 - 0.0469 0.0574 42.1
실시예 6 1.8 - 0.0448 0.0568 43.8
실시예 7 1.8 - 0.0401 0.0537 47.4
실시예 8 1.8 - 0.0378 0.0515 46.2
실시예 9 1.8 1% 이내 - 0.0431 0.0552 45.1
실시예 10 1.8 - 0.0437 0.0560 46.3
실시예 11 1.8 - 0.0461 0.0584 43.4
실시예 12 1.8 0.5% 이내 - 0.0441 0.0522 42.1
실시예 13 1.8 - 0.0416 0.0534 46.3
실시예 14 1.8 - 0.0447 0.0548 43.6
실시예 15 1.8 - 0.0450 0.0551 54.3
실시예 16 1.8 0.003 - - 42.1
비교예 1 3.2 2% 이내 - 0.052 0.073 26.4
비교예 2 3.2 0.055 0.077 23.1
비교예 3 3.1 - 0.051 0.070 26.1
또한, 팽창 퍼라이트 종류와 열처리, 활성화 공정에 따른 효과를 추가로 비교하기 위해 비표면적 측정기를 이용하여 측정하였으며 아래의 표 2에 나타내었다.
구분 비표면적 (㎡/g)
실시예 1 0.5 ~ 2
실시예 4 5 ~ 10
실시예 10 70 ~ 120
실시예 11 100 ~ 150
실시예 13 300 ~ 700
실시예 14 550 ~ 850
실시예 16 1200 ~ 1700
상기 표 1에 나타나 있듯이, 팽창 퍼라이트와 분말형 유기 바인더를 사용하여 제조된 본 발명의 실시예 1~16은 기존의 바인더인 액상 규산소다를 사용한 비교예 1~3에 비하여 밀도가 낮은데도 불구하고 휨강도가 40~80% 이상 높게 측정되었다.
열전도율에 있어서도 70℃ 온도구간에서 15% 이상 낮은 열전도율을 나타내었으며, 더욱이 실제 산업용 단열재 주 사용범위인 200℃ 구간에서는 20% 이상 낮은 열전도율을 나타내었다.
이는 단열재의 밀도가 낮아 온도가 상승하더라도 기존의 단열재에 비해 열전달이 억제되어 고온구간에서 열전도율이 낮아지게 되고, 이와 더불어 기존의 바인더인 무기계 규산소다는 비정질성으로 온도 상승에 따른 열전달이 높은 반면, 유기계 경화 바인더의 경우 열전달이 낮고 잔류 수분이 거의 없어 추가적인 열전도율 감소를 이룰 수 있음을 나타낸다.
또한 과도한 압축을 하지 않았기 때문에 입자의 깨짐이 방지되어 단열의 손실이 줄어들었다.
압축 및 성형하는 3단계에서 일차 경화만을 실시하고 4단계에서 후경화를 진행하는 실시예 1과 3단계에서 완전 경화를 실시하는 실시예 2 및 압출 성형한 실시예 3은 유사한 선수축율 과 휨강도 및 열전도율을 나타내었다.
이는 경화형 분말 바인더를 사용한 팽창 퍼라이트 단열재의 경우, 제조하고자 하는 형태와 용도 및 생산성에 따라 제조 공법을 달리하여도 우수한 물성을 확보할 수 있음을 나타낸다.
제조된 성형체의 열처리를 수행한 실시예 9내지 14은 열처리를 수행하지 않은 실시예 1 내지 8 보다 낮은 선수축율과 낮은 열전도율 그리고 전체적으로 높은 휨강도를 나타내었다.
이는 유기 바인더의 가교구조를 열처리를 통하여 탄소-탄소 결합을 이루어 열적 안정성이 증가하여 선수축률이 낮아졌고, 기계적 물성이 증가하였으며 탄소화에 따른 미세 셀의 생성으로 열전도율이 감소한 것이다.
열처리에 의해 제조된 성형체에 액상 발수제 도포를 수행한 실시예 10~11 및 13~14는 발수제를 성형 전에 혼용한 실시예 9 및 12와 유사한 발수도를 나타내었으며, 발수제가 단열재 표면에서 건조 접착됨에 따라 휨강도 또한 다소 증가하였다.
표 2에서 볼 수 있듯이, 열처리를 실시한 실시예 10와 실시예 13은 실시예 1 대비 높은 비표면적을 나타내었으며, 열린 셀 퍼라이트로 제조된 성형체를 열처리한 실시예 11과 실시예 14는 닫힌 셀 퍼라이트로 제조된 경우 보다 높은 비표면적을 나타내었다.
이는 유기 경화물의 탄소화를 수행하지 않는 실시예 1의 경우 유기 경화물은 대부분이 밀폐된 구조를 이루고 있음을 나타내며, 열처리를 수행한 실시예 10와 탄소화를 진행한 실시예 13의 경우 유기 경화물의 탄소화 과정에서 무수히 많은 미세 기공의 생성과 생성된 기공이 붕괴되지 않은 상태로 보존되었음을 나타내는 것이고, 열린 셀 퍼라이트로 제조된 실시예 11과 14는 입자 자체의 기공이 무수히 많고, 비표면적이 넓어 보다 큰 효과를 나타낸 것이다.
더불어 실시예 16과 같이 탄소화된 성형체에 수증기를 통한 활성화를 추가적으로 수행함으로써, 탄소체의 표면을 침식시켜 미세 기공을 극도로 생성시킬 수 있었다.
이는 진공단열재 코어 물질(core material)의 효과를 나타내는 척도인 비표면적을 탄소화 및 활성화를 통하여 제조된 단열재가 그 조건을 만족할 수 있음을 의미하며, 측정된 열전도율과 같이 20℃ 조건에서 0.003 W/mK의 우수한 열전도율을 나타내었고, 이는 높은 비표면적을 확보하고 있음과 더불어, 내부에 퍼라이트의 셀 구조를 동시에 가지는 기계적 강도가 우수한 복합구조를 형성함으로써, 진공 단열재의 역할을 수행할 수 있음을 의미한다.
상기 실시예 및 실험예, 특히 구조적 형태 등이 설명되었으나, 이는 이들의 범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 원칙을 벗어나지 않는 범위에서 변형 가능함을 알 수 있다.

Claims (31)

  1. 진주암, 흑요석, 송지암, 경석 중 선택된 1종 이상인 퍼라이트 원광을 건조시킨 후 팽창시켜 닫힌 셀 형상으로 팽창된 팽창 퍼라이트가 전체 팽창 퍼라이트 중량을 기준으로 50 중량% 이상 포함된 팽창 퍼라이트 10~84 중량%, 노볼락 페놀 수지 또는 분말 형태로 변형된 멜라민 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지 중 선택된 1종 이상인 유기계 경화형 분말 바인더 15~85 중량% 및 보강섬유 0.25 ~ 5 중량% 을 포함하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 상기 유기계 경화형 분말 바인더 100중량부에 대하여 5~200중량부의 보강제를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 보강섬유는 무기질계 또는 유기질계 섬유 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 보강제는 무기질계 보강제를 사용하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 무기질계 보강제는 인산암모늄, 인산알루미늄, 인산아연, 붕산, 붕소, 붕사 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 무기질계 보강제는 흄드 실리카, 에어로겔 또는 화이트 카본 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 분말상의 발수제를 추가로 포함하고 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 팽창 퍼라이트 표면에 유리 실란계 커플링제, 티타네이트계 커플링제, 지르코네이트계 커플링제 중 선택된 1종의 코팅막이 더 구성됨을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재.
  12. 진주암, 흑요석, 송지암, 경석 중 선택된 1종 이상인 퍼라이트 원광을 건조 후 팽창시켜 팽창 퍼라이트를 제조하는 제 1단계;
    상기 제 1단계에서 제조한 팽창 퍼라이트 10~84 중량%, 노볼락 페놀 수지 또는 분말 형태로 변형된 멜라민 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지 중 선택된 1종 이상인 유기계 경화형 분말 바인더 15~85 중량% 및 보강섬유 0.25 ~ 5 중량% 를 혼합하여 혼합재를 제조하는 제 2단계;
    상기 제 2단계에서 제조한 혼합재를 압축 또는 압출하여 성형체를 만들고 상기 성형체를 일차 경화시키는 제 3단계; 및
    상기 제 3단계에서 일차 경화된 성형체를 후경화시키는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1단계는 팽창 퍼라이트 전체 중량 기준으로 입도가 400㎛ 초과하는 팽창 퍼라이트 15±10 중량%, 입도가 400~250㎛인 팽창 퍼라이트 40±15 중량%, 입도가 250~160㎛인 팽창 퍼라이트 20±10 중량%, 입도가 160㎛ 미만인 팽창 퍼라이트 입자 30±15 중량%의 입도 분포범위에 맞춰 한번에 팽창시켜 제조하는 방법 또는 상기 팽창 퍼라이트의 입도별로 따로 팽창시킨 후 이를 혼합하여 제조하는 방법 중 선택된 1종으로 제조하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1단계의 팽창 퍼라이트 제조시, 직접화염법 또는 간접화염법 중 선택된 1종 이상으로 팽창되는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 제 3단계의 성형체 제조시, 압축성형 또는 연속식 압출 성형 중 선택된 1종 이상으로 제조하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 제 3단계의 성형체 제조시, 제 2단계의 혼합재를 진동이나 충격을 주어 체밀충전 방법을 더 거친 후, 상기 제3단계를 진행하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2단계의 혼합물 제조시, 유기 경화형 분말 바인더는 노볼락 페놀 수지 또는 분말 형태로 변형된 멜라민 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2단계의 혼합물 제조시, 보강섬유로 무기질계 섬유 또는 유기질계 섬유 중 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2단계의 혼합물 제조 시, 열 용융되어 고화되는 특징을 가진 보강제를 상기 유기계 경화형 분말 바인더 100중량부에 대하여 5~200중량부의 비율로 추가로 포함시키는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 보강제로는 인산암모늄, 인산알루미늄, 인산아연, 붕산, 붕소, 붕사 중 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  21. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2단계의 혼합물 제조시, 분말상의 발수제를 더 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  22. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2단계의 혼합물 제조 시, 보강제로 흄드 실리카나, 에어로겔 또는 화이트 카본 중 선택된 1종 이상을 더 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  23. 제 12항에 있어서,
    상기 제 3단계의 경화 시, 80 내지 300℃ 범위의 온도로 일차 경화를 수행하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  24. 제 12항에 있어서,
    상기 제 4단계의 후경화 시, 80 내지 300℃ 범위의 온도로 후경화를 수행하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  25. 제 12항에 있어서,
    상기 제 4단계의 후경화 시, 추가적인 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 열처리는 무산소 조건에서 80 내지 1100℃ 범위의 온도로 탄소화를 수행하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  27. 제 25항에 있어서,
    상기 열처리는 대기존재 하에서 80 내지 400℃ 범위의 온도로 탄소화를 수행하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 탄소화 수행 후에, 스팀 또는 이산화탄소를 유입시키는 활성화공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  29. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 탄소화 수행 후에, 규소 또는 규소를 포함한 가스를 유입시키는 탄화규소화공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  30. 제 12항에 있어서,
    상기 제 4단계의 후경화 후, 제조된 성형체의 표면을 발수제로 도포하고 건조하여 단열재를 제조하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재의 제조방법.
  31. 제1항, 제2항, 제6항 내지 제11항 중의 어느 하나의 항에 의한 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재로서, 상기 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재는 보온재 또는 진공단열재의 심재로 사용되는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지를 이용한 팽창 퍼라이트 단열재를 이용한 제품.
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