KR101279572B1 - 친환경 에너지절약형 복합 단열재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크릴 1~3 중량%에 벼겨 분말 10~2 중량%를 교반하면서 잘 혼합하여 균질한 혼합물을 만드는 단계, 상기 혼합물에 상변화 물질 헵타데칸 43~55 중량%를 함침 교반하는 단계, 상변화 물질 혼합 미립자를 교반한 혼합물을 24시간 동안 숙성하는 단계, 제올라이트 분말 3 중량%를 혼합 교반하는 단계, 석영, 질석, 토르마린, 희토류 및 일라이트 중에서 선택되는 1종 이상을 20~25 중량%를 함침 교반하는 단계, 세라믹 무기 바인더 3~5 중량%, 속경재 1~1.5 중량%, 항균제 1 중량%, 칼슘카보네이트 2~3 중량%, 셀룰로오스 0.3~0.4 중량%를 혼합하는 단계, 결과된 혼합물을 실온에서 24시간 동안 숙성하는 단계, 규산칼륨 및 규산나트륨 중 어느 한가지 또는 둘다를 3~4 중량% 혼합 교반하는 단계에 의해 복합 단열재 조성물을 제조하고, 이와 같이 제조한 조성물을 소성 압축 성형기에 의해 압축하고 500-550℃에서 소성가열하는 것을 특징으로 하는 복합 단열재의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 제조방법에 의해, 외부로부터 주입되는 열을 차단하고 내부의 열을 일정한 온도로 유지시켜 실내에 필요한 온도유지의 내구성을 갖는 에너지절약형 친환경 단열재가 제공된다.

Description

친환경 에너지절약형 복합 단열재의 제조방법{PROCESS FOR PRODUCING PRO-ENVIRONMENTAL ENERGY SAVING TYPE COMPOSITE INSULATING MATERIAL}

본 발명은 에너지 절약형 복합소재 축열 미립자로 구성된 상온 상변화 물질을 단열 재료로 하여 열공급 기능을 잠열 건축 외장 단열재로 하는 에너지를 효율적으로 제어하는 외부 벽재 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

상변화 물질(PCM: Phase Change Material)은 일정하게 유지되는 조절 온도에서 변화 없이 고체 및 액체 그 상전이 반대 방향으로 변하면서 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 물질이다. 일반적으로 건축물의 외부 벽면에는 방수 단열 마감재가 설치되며 이러한 물질을 첨가 사용한 외부에 위치한 벽면에 마감재의 경우 건물 내부의 방음, 흡음, 단열 및 외관의 미려함을 제공하는 기능을 한다. 종래의 건축 외장재의 외부로의 열손실이나 열의 유입을 적게 하기 위한 외부 벽면에 설치된 단열재에 연결하여 설치된다.

본 발명의 외장 단열재는 실내의 온도를 일정하게 유지하는데 효과적이며, 쾌적한 실내환경을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 절약에도 일조할 수 있다

일반적으로 건축물의 축조에서 중요한 것은 단열 기능이다. 주거 생활에 있어서 냉방과 난방은 쾌적한 환경에서의 생활과 심지어 건강 측면에서도 중요하므로 종래로부터 건물의 단열 기능은 중요시되어 왔다. 이를 위하여, 건물의 축조시 내장 단열재가 사용되고, 이에 연접하여 건물의 내, 외부에 마감재가 설치되고 있다.

종래의 건축용 내, 외장재로는 나무, 합판, 석고보드, 밤라이트, 마그네슘보드 등이 사용되어 왔으며, 이러한 내부 마감재가 외부로의 열 손실이나 열의 유입을 적게 하기 위해 벽면에 기설치된 단열재의 전면에 연접 설치된다. 이와 같이, 마감재와 함께 연접 설치되는 단열재는 소재 자체의 열전도율이 작은 것을 사용하는 것이 좋으나 대개는 그렇지 못하므로 열전도율을 작게 하고자 다공성을 가지도록 만들어 미세기공 속에 있는 공기의 단열성을 이용하여 단열효과를 얻는 것이 보통이다. 이러한 단열재로는 가격이 저렴할 뿐만 아니라 구입하기가 쉬워 널리 이용되는 발포 스티렌을 대표적인 예로 들 수 있다. 그러나, 발포 스티렌은 단순히 다수의 미세기공 속에 존재하는 공기의 단열성에만 의존하여 열전도율을 저하, 단열 효과를 발휘하므로 그 효과에 한계가 있어 더 높은 단열 효과를 기대하는 거주자의 일반적인 심리에 부응하지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 건축물의 단열 효과를 높여 에너지를 절약할 뿐만 아니라 거주자를 위한 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위하여 많은 기술이 개발되어 왔다. 그 중에서도 축열재를 이용한 에너지 절약 기술이 냉난방용으로 다양하게 이용되고 있으며, 상당 부분 에너지 절약에 기여하여 왔다. 축열재 이용 기술은 실내 난방을 위하여 사용된 에너지가 장시간 일정 온도로 유지될 수 있도록 함으로써 에너지 사용 효율을 높이는 것이다. 일반적인 단열재와 마감재를 사용한 건축물에서는 실외의 온도에 따라서 실내 온도의 편차가 심하게 되는 것이 실정이므로, 그다지 단열 효과가 높다고는 할 수 없다. 그러나, 단열재나 마감재의 소재로서 축열재를 이용하면 소재 자체의 축열 효과로 인해 실내 온도를 상온 환경으로 거의 일정하게 유지할 수 있어 냉난방 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.

지금까지 건축용 축열재 개발은 시멘트 대신으로 사용할 수 있고, 실내 공간의 습도조절 기능과 온돌 효과를 높일 수 있는 폐지, 황토 및 합성수지 등을 사용한 개발이 주류를 이루고 있다.

최근 에너지 문제는 산유국의 정책적 수급 조절 및 지속적인 가격인상으로 그 영향력이 전세계적으로 미치고 있으며, 우리나라처럼 전적으로 에너지원을 수입에 의존하고 있는 경우에는 에너지 절약형 단열 벽 마감재의 필요성은 절대적일 수밖에 없다. 우리나라 여름철 태양열 에너지는 1일 평균 5,900 Kcal/m ² 에 달하고, 한낮에는 철판지붕의 외부 표면온도를 80℃ 전후까지 상승시킨다. 이러한 외부 에너지에 기인하여 실내 적정 26℃ 온도 유지를 위한 에너지 부하가 심각하게 문제가 되고 있어, 이의 해결을 위해 일조할 수 있는 에너지 절약형 단열 벽 마감재의 개발이 요구되고 있다.

본 연구 개발 과제는 에너지 절약형 실내공기질 개선 친환경 단열 벽 마감재 개발을 위한 연구로서, 에너지 절약, 부유세균 및 악취제거 등의 다기능의 요소기술을 요한다. 요소기술을 성능 부하 없이 단열소재 의 복합화 및 하이브리드화 시키기 위해서는 제올라이트 등의 다공성의 담체에 항균제, PCM 물질 및 천연 추출물 등을 흡착 및 결합화 시킬 수 있는 기술이 필요하다. 또한, 융·복합한 소재를 성능 발현의 최적화를 위해 단열 벽 마감재 적용 기술을 개발하고자 하였다.

본 발명은 복합 축열 미립자를 잠열이 큰 상변화 물질을 내부 물질로 하고 상변화 물질의 외부 유출은 방지하는 에너지 절약형 축열 미립자의 친환경 에너지 절약형 건축자재의 제조를 목적으로 한다. 상기 축열 미립자는 파라핀계 상온 상변화 물질을 함유하는 잠열 미립자 슬러리로 이루어지고 헵타데칸 또는 옥타데칸을 주요 성분으로 한다. 상기 축열 미립자의 내부 혼합물질은 석영, 질석, 토르마린, 일라이트, 희토류광석물, 황토, 벼겨(식물성)를 슬러리 상태로 액상화 하여 축열 미립자를 혼합하고, 경량 불석 소재인 제올라이트 분말을 복합 교반하는 것으로 단열재 조성물을 제조한다.

본 발명의 조성물은 벽재에 단열 성능뿐만 아니라 각종 기능성을 동시에 부여할 수 있다. 벼겨 분말, 탈취흡착제, 항균제 성분은 벽재에 친환경 항균 기능을 제공한다.

상기와 같은 본 발명의 벽재는 외부 온도에 관계없이 실내의 온도를 일정하게 유지할 수 있어 에너지 절감 효과가 뛰어나고, 친환경 기능성으로 인하여 새집증후군의 차단 및 인체에 유익한 물질의 발산이 이루어지므로, 쾌적한 주거환경을 달성할 수 있다.

도 1은 열분석 측정 장비(DSC) 및 열분석 시험 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명 단열 벽 마감재의 온도 분포(에너지 효율) 측정 시험 사진을나타낸다.
도 3은 본 발명 단열 벽 마감재의 온도 분포(에너지 효율) 측정 시험 결과를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 상변화물질은 잠열재, 축열재, 축냉재, 열조절성 물질로 이해할 수 있다. 상변화물질은 상변화과정을 통하여 많은 양의 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출한다. 상변화물질은 어떤 물질이 고체에서 액체상태, 액체에서 고체상태, 액체에서 기체, 기체에서 액체상태 등, 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일종의 물리적 변화과정을 통하여 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 물질인데 상변화과정에서 모든 물질은 화학적 결합이나 형성 같은 화학적 반응이 아닌 분자의 물리적인 배열이 바뀌게 된다.

상변화물질은 크게 유기물질과 무기물질로 분류할 수 있으며 4천여종이 상변화물질로 분류되고 있지만 실질적으로 적용가능한 물질은 200여종이 된다. 유기물질의 예로는 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소계열의 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 등의 물질이 있으며, 무기물질의 예로는 6개의 물분자가 결합된 수화물형태의 염화칼슘 등이 있다.

상변화물질은 환경친화적 열에너지저장물질로서 고체에서 액체상태로 상이 변하면서 일정한 양의 에너지를 저장하게 된다. 반대로 액체에서 고체상태로 상변화가 이루어지는 경우에는 저장된 열을 방출하게 된다.

본 발명에서는 농촌에서 쌀을 도정한 후 나오는 물질인 벼겨에 보온성이 있다는 점에 착안하여 벼겨 분말을 사용한다. 벼겨는 미세분말로 분쇄하여 본 발명 조성물에 포함된다. 벼겨는 도정 과정에서 이미 건조가 완료된 상태이므로 따로 건조할 필요가 없으며, 단열성과 가공성이 뛰어나고 값싸게 구입할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 벼겨를 이용한 조성물은, 자원을 재활용한다는 측면에서 비용 효과적이고, 자연 소재의 물질을 사용하므로 친환경적이라는 이점을 가진다. 본 조성물에서, 벼겨 분말의 평균 입경은 약 1000 메쉬 정도로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 단열재 조성물에는 석영, 질석, 토르마린, 희토류, 일라이트 중에서 선택되는 1종 이상의 무기 광석물 분말이 사용된다. 평균 입경 800 메쉬로 분쇄한 것이 바람직하게 사용된다.

이러한 무기 광석물 분말은 음이온을 발생하고 공기를 청정화하는 기능을 한다.

또한, 본 발명에서 제올라이트 분말은 모데나이트에 나트륨 양이온을 치환시킨 활성 모데나이트를 평균 입경 1000 메쉬로 분말화한 것을 사용하며, 탈취흡착 효과를 위해 적당한 양으로 조성물의 총 중량을 기준으로 약 3 중량%를 사용한다.

제올라이트는 규소(Si)와 알루미늄(Al)으로 이루어진 다공성 결정체로서, 결정구조적으로 각 원자의 결합이 느슨하여 그 사이를 채우고 있는 수분을 고열로 방출시켜도 골격은 그대로 있으므로 다른 미립자 물질을 흡착할 수가 있다. 따라서, 본 발명의 조성물에서 제올라이트는 유해물질을 흡착, 탈취하는 기능을 한다.

제올라이트의 광물학적 특성으로는, ① 양이온 교환, ② 흡착 및 분자체 특성, ③ 촉매 특성, 및 ④ 탈취 및 재흡수 특성이 있다. 통상 CEC라고 알려져 있는 제올라이트의 양이온 교환 특성은 다른 양이온들의 용액으로 단순히 씻어주는 정도의 처리로도 제올라이트 공동 내의 양이온들이 쉽게 이온교환되는 성질을 말한다.

유해물질로 분류되는 대부분의 화학물질이 제올라이트에 흡착된다. 제올라이트에 흡착되는 분자를 다음 표 1에 나타낸다.

항균제는 일반적으로 나트륨 실리케이트, 메타실리케이트를 사용하며, 대장균 등의 일반 세균을 제거할 수 있는 항균 기능을 가진다. 이러한 항균제는 조성물의 총 중량을 기준으로 약 1 중량%를 사용한다. 항균제의 사용량이 약 1 중량%를 초과하면 비용면에서 효과적이지 않다.

무기 항균제: 나트륨 실리케이트, 메타실리케이트

<성질>

분자식: Na₂SiO₃

분자량: 122.06 g/mol(무수물) 212.14 g/mol(5수화물)

외형: 무색 고체

밀도: 2.4 g/cm

용융점: 1088℃(무수물) 72.2℃(5수화물)

용해성: 수용성

나트륨 실리케이트는 물유리, 액체 유리로 잘 알려져 있는 나트륨 메타실리케이트(Na₂SiO₃) 화합물에 대한 일반적인 이름이다. 그것은 수용액상과 고체상으로 이용될 수 있고, 시멘트, 능동적인 화재 보호, 내화물, 섬유 원단 및 목재 가공과 건축 내장재에 이용될 수 있다. 탄산나트륨(Na₂CO₃)과 이산화규소(SiO₂)가 용융 반응하여 나트륨 실리케이트와 이산화탄소가 생성된다.

Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂ (1)

무수 나트륨 실리케이트는 분리된 (SiO₃)^2-가 아닌 (SiO₄) 4면체로 공유된 코너로 구성된 사슬 모양의 음이온을 포함한다.

무수물과 더불어 분리된 4면체 음이온의 SiO₂(OH)₂ ^2-의 Na₂SiO₃·nH₂O(n = 5, 6, 8, 9)의 분자식을 가지는 많은 수화물이 존재한다. 상업적으로 이용 가능한 나트륨 실리케이트 5수화물(Na₂SiO₃·5H₂O)는 Na₂SiO₂(OH)₂·4H₂O 형태, 9수화물(Na₂SiO₃·9H₂O)은 Na₂SiO₂(OH)₂·8H₂O 형태를 띤다.

첨가제: 규산나트륨

액상 규산나트륨(규산소다)

규산나트륨(규산소다)은 수용성 규산염 중 가장 널리 사용되고 있는 무기 화합물이다. 일반적으로 Na₂O-nSiO₂-xH₂O의 분자식으로 표현되며, 물에 대한 용해성이 있기 때문에 물유리(water glass)라고도 한다. SiO₂/Na₂O의 몰비와 농도에 따라 다양한 성질을 나타내며 다양한 용도로 사용된다. 액상 규산나트륨의 몰비 계산은 다음과 같다.

규산나트륨의 몰비 = SiO₂/Na₂O의 중량비 x 1.032

일반적으로 규산나트륨은 액상, 고형, 결정체, 비정질 분말로서 상용되고 있다. 하기 그림은 Na₂O-SiO₂-H₂O에 대한 규산나트륨의 상태도이다.

<구조>

규산나트륨 용액에는 규산이온 모노머, 폴리규산 이온 및 콜로이드상의 규산이온 미셀이 다양한 형태로 함께 존재한다. 그 형태는 SiO₂/Na₂O 몰비와 농도에 따라 다른 것으로 알려져 있다. 하기 그림은 광산란법에 의해 측정된 액상 규산나트륨의 몰비와 분자량의 관계를 나타낸 것이다.

<용융점>

규산나트륨의 원료인 규사(SiO₂)의 융점은 1,710℃이고 탄산나트륨(Na₂CO₃)의 융점은 849℃이지만, 고형 규산나트륨의 융점은 확실하게 나타나지 않다. 대체로 550-670℃에서 녹기 시작하여 730-870℃에서 유동이 시작되고, 1,300℃ 이상 되면 완전히 융해된다.

<비중>

액상 규산나트륨의 비중은 일반적으로 보오메도(Be')로 나타낸다. 보오메도와 비중과의 관계는 다음과 같다.

Be' = 144.3(d-1)/d 또는 144.3/144.3-Be'

여기서 Be'는 보오메도이고 d는 비중을 나타낸다. 온도가 1℃ 상승하면 보오메도는 0.04 내려간다. 온도 변화에 따른 보오메도의 환산식은 다음과 같다.

Be'(to) = Be'(t1) - (20 - t1) × 0.04

여기서 Be'(t1)은 온도 t1에서의 보오메도이고, Be'(to)는 20℃에서의 보오메도를 나타낸다. 하기 그림은 액상 규산나트륨의 보오메도와 몰비의 관계를 나타낸 것이다.

<점도>

액상 규산나트륨의 점도는 SiO₂/Na₂O의 몰비에 따라 다르다. 동일한 몰비에서는 농도와 온도에 따라 변한다. 같은 몰비에서 농도가 상승하면 점도가 상승하고, 같은 몰비와 농도에서 온도가 상승하면 점도는 급격히 낮아진다. 역으로 온도가 20℃ 이하로 내려가면 점도는 급격히 상승한다.

<어는점>

한국산업표준 KSM 1415의 액상 규산나트륨 3종은 약 -2.5℃에서 결빙하지만, 몰비가 낮고 농도가 높은 1종의 경우는 -10℃에서도 얼지 않는다. 그 중간 몰비를 갖고 보오메도가 50 정도인 액상 규산소다는 마이너스 5-8℃에서 결빙된다. 몰비가 1.8 이하인 제품은 역으로 결빙이 아닌 결정이 생기기 쉬운 조건이 된다. 몰비가 0.5인 올소 규산나트륨(sodium orthosilicates)의 경우는 상온에서도 수화 결정이 생긴다.

<pH>

액상 규산나트륨의 pH는 알칼리 영역에 있고, 일반적으로 몰비와 농도에 따라 다르다.

<산과의 반응>

액상 규산나트륨에 산을 첨가하면 중화반응에 의해 pH가 낮아지고, 규산 이온 또는 폴리규산 이온끼리의 중합(실록산 결합)이 진행되어 점도가 상승한다. 더욱 진행하면 겔이 된다.

Na₂O·nSiO₂ + H₂SO₄ + (m-1)H₂O → nSiO₂·mH₂O + Na₂SO₄

점도의 상승 및 겔화 속도는 산의 종류, 산의 첨가량, 용액의 농도, 온도 등에 따라 다르다.

<금속 이온과의 반응>

액상 규산나트륨은 Ca, Mg, Al, Ba 등의 금속 이온과 반응하여 불용성의 규산염 금속수화물 및 규산염 금속수산화물, 규산 등을 동시에 생성하여 겔화된다.

Na₂O·nSiO₂ + Ca(OH)₂ + mH₂O → CaO·nSiO₂·mH₂O + 2NaOH

이와 같은 반응으로 생성되는 규산화합물은 금속 이온과 규산 이온의 존재량에 의존한다.

<유기 화합물과의 반응>

글리옥살이나 에틸렌글리콜디아세테이트 등의 다가 알코올과 초산에스테르는 모두 알칼리 존재 하에서 글리콜산이나 초산을 생성하고 중화작용에 의해 규산나트륨을 겔화시킨다. 메틸알코올, 에틸알코올, 아세톤 등의 유기용매를 가해도 겔화되지만, 이들은 단순히 탈수에 의한 것으로 물을 가하면 다시 용해된다.

<탈수에 의한 경화>

알코올에 의해서도 규산나트륨은 겔화된다. 이것은 결합수로서의 규산나트륨 중의 H₂O가 탈수되면서 SiO₂ 사면체의 중합이 일어나는 것이고, 그 결과 견고한 필름이 형성된다. 100%의 탈수는 1,000℃ 이상이 아니면 불가능하고, 과정을 보면 120-500℃에서 다공질화를 거쳐 600-1,000℃에서 유리화된다. 200℃에서 95% 정도 탈수가 되고, 그 이상의 탈수는 아주 서서히 진행된다. 탈수가 되더라도 물에 대한 용해성은 변하지 않는다.

액상 규산나트륨의 주요 용도

<접착제와 시멘트>

액상 규산나트륨은 지관, 합지 및 기타 여러 가지 재료의 접착제로 사용되고 있다. 액상 규산나트륨은 초기 작업성 및 접착성, 접착강도가 우수한 경제적인 접착제이다. 액상 규산나트륨의 장점은 피착재 표면을 쉽게 적시며, 침투성과 점도를 조정하면 훌륭한 접착과 강도를 얻을 수 있다는 점이다. 액상 규산나트륨은 적은 양의 물의 손실만으로도 그 상태가 액체에서 반고체 상태까지 변할 수 있기 때문에 접착제로서 특별한 가치가 있다. 이 성질 때문에 접착이 빨리 일어나, 초기 접착이 필요한 종이 제품용 고속자동접착기계 작업에 적합하다.

또한, 액상 규산나트륨의 몰비를 변화시켜 시멘트 혼합에 사용함으로써 다양한 종류의 시멘트를 만들 수 있다. 이러한 시멘트는 내산성 구조물, 내화물의 제작, 보온재용 바인더 등의 용도로 사용된다. 또한, 유리와 도자기에 금속을 붙일 때도 사용된다. 시멘트 혼합에 액상규산나트륨를 사용하면 시멘트에 내산성, 내열성, 내수성을 부여한다는 장점이 있다. 또, 액상 규산소다와 혼합된 시멘트는 작업이 쉽고 경제적이며 어떤 표면에도 잘 부착된다.

<펄프와 종이>

종이 및 제지 산업에서 액상 규산나트륨은 탈묵제(de-inking), 사이징제, 코팅제, 표백제로 사용되고 있다. 액상 규산소다는 과산화수소와 함께 섬유소 표백에 오래전부터 사용되어 왔다. 중금속 이온, 효소, 기타 처리상의 불순물을 적절히 안정화시켜주면, 과산화수소는 훌륭하고 경제적인 표백제가 되며, 처리액이 알칼리의 pH 영역에서 정확히 완충될 때 최적의 효과가 발휘된다. 이때, 규산나트륨은 효과적이고 경제적인 안정제이며 완충제로 사용된다.

<합성세제와 섬유>

많은 합성세제에 액상이나 건조된 과립형태로 규산나트륨이 사용된다. 적용 범위는 금속세정, 섬유산업, 세탁소, 종이의 탈묵으로부터 그릇, 낙농설비, 병, 바닥, 기관용 세정제까지 다양하다. 합성세제 사용은 매우 빠르게 증가해 왔다. 사용 초기에는 세제 단독으로 사용하다가, 그 후 인산염과 다른 빌더를 함께 사용함으로써 세제의 성능이 높아졌다. 그러나 이들 세제가 가정용으로 사용되었을 때는 심각한 부작용이 발견되었다. 즉, 세제 성분이 알루미늄, 아연, 기타 세탁기에 사용된 금속합금을 부식시키고, 또한 자기류의 에나멜과 유약을 손상시켰다. 규산나트륨의 사용은 이러한 문제를 해결하였다. 많은 새로운 합성세제가 계속 소개되고 있지만, 규산나트륨은 여전히 그 역할을 하고 있다.

<겔, 촉매>

실리카겔은 액상 규산나트륨을 산으로 처리하여 만들어진다. 그때 생성된 규산 침전물을 세척하여 수용성 염을 제거하고 건조시킨다. 실리카겔의 제조에는 일반적으로 몰비가 높은 규산염이 사용된다. 최종 제품은 유리질의 입자로서 내부에 수많은 기공을 갖고 있어 습기뿐만 아니라 기타 물질을 흡착할 수 있는 능력이 있다. 이 성질 때문에 실리카겔은 탈습제와 쥬스 및 맥주를 정제하는 용도로 사용되고 있다. 특별히 만들어진 실리카겔은 보온재를 만드는 데 사용되기도 한다.

실리카겔과 관계있는 것으로 무정질 실리카 분말이 있다. 무정질 실리카 분말은 고무 제품에 첨가되어 내마모성을 높인다. 그 외 용도로는 잉크, 플라스틱, 광택제의 증량제, 도료의 분산제, 살포용 분말, 살충제의 뭉침 방지용 첨가제 등으로 사용되고 있다.

액상 규산나트륨은 많은 수용성 염의 수용액과 반응해서 복잡한 겔상 침전물을 만든다. 예를 들면, 알루미늄염은 액상 규산나트륨과 반응해서 나트륨-알미늄 규산염 겔을 형성한다. 이것을 이용하여 경수연화(硬水軟化)에 적합한 물질을 만들 수 있다.

또한, 실리카겔에 다른 물질을 합성하여 촉매물질이 만들어지고 있다. 이들 중 가장 널리 사용되는 것은 실리카-알루미나형 촉매이다. 정밀하게 합성되어 건조된 실리카-알루미나 촉매는 고옥탄 가솔린 제조 등과 같은 석유화학산업에서 다양한 역할을 하고 있다. 기타 여러 가지 성분과 합성 또는 침전에 의해 만들어진 실리카겔이 유기화합물의 산화, 석유탄화수소의 열분해, 이산화황의 삼산화황으로의 산화 등에 사용되고 있다.

실리카겔 촉매와 유사한 것이 분자체(molecular sieve)이다. 이들은 규산나트륨과 나트륨-알루미늄염과 같은 여러 가지 염을 반응시켜 만든다. 분자체는 결정구조를 갖고 있고 내부 기공 크기를 조절할 수 있다. 분자체는 다른 크기를 가진 분자들의 혼합물을 분리 또는 거르는 역할을 할 수 있는 뛰어난 성질을 갖고 있다.

첨가제: 규산칼륨

액상 규산칼륨

규산칼륨(규산카리)은 수용성 규산염 중 규산나트륨과 함께 가장 널리 사용되고 있는 무기 화합물이다. SiO₂/K₂O의 몰비와 농도에 따라 물성이 변하는 화합물로 다양한 분야에서 사용되고 있다. 액상 규산칼륨의 몰비 계산은 다음과 같다.

규산칼륨의 몰비 = SiO₂/K₂O의 중량비 x 1.568

규산칼륨의 다양한 특성 때문에 용접봉(welding rod), 펄프 지료, 비누와 세제, 도료 등의 분야에서 사용된다. 규산칼륨은 주로 수용액 상태이다. 여러 적용분야에서 규산칼륨은 규산나트륨(규산소다)보다 더욱 좋은 성능을 나타낸다. 예를 들면, 용접봉의 플럭스 코팅에서 규산칼륨은 부드러운 호(arc)를 만들고 조용히 탄다. 높은 용해성과 다른 성분들과의 상용성 때문에 규산칼륨은 액상 탈취에 적합하다.

또한, 규산칼륨은 백화현상(effloresce)이 없어서 도료, 코팅제, 바인더에의 사용에도 이상적이다. 실리카 대 칼륨 옥사이드의 비율 또는 알칼리도, 고형분에 따라 규산칼륨의 점도는 변한다. 즉, 알칼리도와 고형분이 모두 감소할 경우 점도는 감소한다. 또, 점도는 용액 중 물 함량과 용액 온도에 따라 변한다. 용액 중의 물 함량의 비교적 작은 변화에도 점도는 큰 영향을 받는다.

규산칼륨은 습윤성과 세정성을 향상시킨다. 규산칼륨을 사용하면 저장안정성이 우수한 액상 탈취제를 만들 수 있다. 규산칼륨은 액상과 반고형 비누의 경우 거품이 잘 일게 하며 오물을 효과적으로 분산시키고 재오염을 방지한다. 규산칼륨은 규산나트륨보다 더 높은 용해성과 혼화성(miscibility)을 제공한다.

또한, 규산칼륨은 나트륨 이온이 없어야 하는 경우의 특별한 촉매 제조에서 사용될 수 있다. 규산칼륨의 높은 내화성으로 직물 벽지, 벽재, 종이 등에 사용된다. 실리카 가루와 점토와의 혼화에 사용될 수 있다.

본 발명의 단열재 조성물의 원료 및 첨가제는 다음과 같다(%는 전부 중량 기준이다).

복합 축열미립자 단열재 100% 중

외벽 원료 1> 상변화물질PCM 43~55 % 헵타데칸 (용융점22℃)

외벽 원료 2 > 아크릴 바인더 1~3% 외벽원료 2-1>벼겨 분말 10~12%

외벽 원료 3 > 세라믹 무기바인더(황토) 3~5 % (3000메쉬입자)

외벽 원료 4 > 속경재 1~1.5%

원료 5 > 항균제 소재 1 % 원료 6 > 석영, 질석, 토르마린, 희토류, 일라이트 중 1종 이상 20~25% 원료 7 >제올라이트 분말 또는 액상 3 %(경량)

원료 8 > 규산칼륨 및/또는 규산나트륨 3~4%

첨가제 1 > 혼합안정제 (칼슘카보네이트2~3 %)

첨가제 2> 섬유질충전제(셀롤로오스)0.3~0.4%

실시예 1> 복합축열미립자 원료의 제조공정 실시예 2> 외부단열재500-550℃ 소성가열 공정

본 발명의 단열재 제조공정은 다음과 같다.

제조 1> 상전이 PCM 원료의 제조공정

(1) 분산공정

본 발명에서 아크릴 중합체 수성 에멀젼은 분산제 및 바인더로서 사용된다. 벼겨 분말을 아크릴 중합체 수성 에멀젼에 분산시켜 균질한 혼합물을 만든다. 아크릴 중합체 수성 에멀젼은 조성물에 강도와 결합력을 제공한다.

여기에, 상변화 물질 헵타데칸을 함침 교반한다.

수성 바인더에 고형분 분산은 중량비로 60% 비율의 분산물로 제조하는 것이 바람직하다. 이를 위해 물을 첨가할 수도 있다. 상기 유기계 바인더는 색상을 넣을 경우에 유리하게 사용된다.

상변화 물질 혼합 미립자를 교반한 혼합물을 24시간 동안 숙성한다.

(2) 단열재 벽재의 혼합공정

1000 메쉬로 분쇄한 구성 광물 제올라이트 분말(또는 액상)을 혼합 교반한다.

800 메쉬로 분쇄한 석영, 질석, 토르마린, 희토류, 일라이트 중 1종 이상을 함침 교반한다.

3000 메쉬로 분쇄한 세라믹 무기 바인더, 속경재, 안정제, 항균제, 충전제 등을 혼합한다. 속경재는 칼슘 알루미네이트가 바람직하게 사용된다.

이상의 벽재 혼합물을 실온에서 24시간 동안 숙성한다.

마지막으로, 규산칼륨 및/또는 규산나트륨을 혼합 교반한다.

제조 2>

제조 1>에서 제조한 조성물을 소성 압축 성형기에 의해 6면 압축 프레스 성형에 의해 전압을 이용한 압력 상하.좌우. 성형틀에 단열재 혼합 조성물을 넣고 압축하고 상온 500-550℃ 소성 가열하고 단열재 벽재를 완성한다. 압축 성형된 단열재의 두께는 1.5mm인 것이 바람직한데, 그 보다 커질 경우 성능 대비 가격면에서 바람직하지 않다.

본 발명의 단열재 벽재는 일반 석고 보드, 스티로폴, 목재 등 판넬에 배접한 다음, 접착 건조 마무리하여 친환경 단열 건자재로서 생산될 수 있다.

실시예

실시예 1 : 복합축열미립자 원료의 제조공정

아크릴 중합체 수성 에멀젼 2kg에 1000 메쉬로 분쇄한 벼겨 분말 10kg을 교반하면서 잘 혼합하여 균질한 혼합물을 만든 다음, 상변화 물질 헵타데칸 50kg을 함침 교반하였다. 물을 첨가하여 고형분 비율을 60중량%로 조정하였다. 상변화 물질 혼합 미립자를 교반한 혼합물을 24시간 동안 숙성하였다.

1000 메쉬로 분쇄한 구성 광물 제올라이트 분말 3kg을 혼합 교반하고, 토르마린 5kg, 질석 및 일라이트 20kg을 함침 교반하였다.

세라믹 무기 바인더로서 3000 메쉬로 분쇄한 황토 3kg, 칼슘 알루미네이트 1kg, 칼슘카보네이트 2kg, 나트륨 실리케이트 1kg, 셀룰로오스 0.3kg 등을 혼합하였다.

이상의 벽재 혼합물을 실온에서 24시간 동안 숙성하였다.

마지막으로, 규산칼륨 및 규산나트륨 3kg을 혼합 교반하였다.

실시예 2 : 외부단열재 벽재 성형 공정

실시예 1에서 제조한 조성물을 소성 압축 성형기에 의해 6면 압축 프레스 성형에 의해 전압을 이용한 압력 상하좌우 성형틀에 단열재 혼합 조성물을 넣고 1.5mm 두께로 압축하고 500-550℃에서 소성가열하고 단열재 벽재를 완성하였다.

시험예 1: 단열 시험

단열재 벽재에 대하여 KS F 4715 : 2007 얇은 마무리용 단열 소재 벽재 시험 방법에 의한 물성시험을 진행하였다. 본 물성시험 규격은 주로 건축물의 내 외벽을 스프레이, 롤러, 흙손 등으로 시공하는 두께 1-3 mm 정도의 요철모양으로 마무리하는 얇은 마무리용 단열재에 대하여 규정하는 규격으로서 본 과제의 개발 제품이 본 규격의 단열벽재에 가장 잘 부합되는 것으로 판단하여 본 규격에 의한 물성시험을 진행하였다. 시험 결과는 아래의 표 5와 같으며, 모든 항목에서 KS F 4715 시험의 품질기준을 만족하였다.

시험예 2: 복합화 소재 및 개발제품의 친환경 성능 평가 (VOCs, HCHO 방출양)

단열재 복합화 소재 및 개발제품의 친환경 성능 평가를 위해 VOCs, HCHO 방출양 시험을 진행하였다. 시험방법은 실내공기질공정시험기준(환경부고시 제2010-24호)에 따라 진행하였다. 시험결과는 다음과 같다.

ND - 미검출, Tr - 극미량

시험예 3: 음이온시험

음이온 클러스터는 독일의 물리학자 필립 레나드에 의해 알려지기 시작하였다. 자연에서 물이 높은 곳에서 떨어지면서 수면, 또는 바위에 부딪치면 떨어지는 물분자는 순간적 분쇄현상이 일어나며 물방울이 분사하면서 그 주위의 공기는 전기층을 형성하는 성질을 가지고 있어 주위의 공기층이 음(-)의 미약 전류를 띤 음이온을 발생한다. 이와 같은 현상을 『레나드 에어의 효과』라고 명하였고, 음이온의 발견 및 연구결과를 인정하여 1907년 노벨 물리학상을 수상하였다. 공기 중의 음이온이란 기체 내에서 마이너스로 대전된 미립자(원자, 분자)를 말하며, 양이온은 기체 내에서 플러스로 대전된 미립자(원자, 분자)를 말한다. 이러한 이온들의 발생 원리는 방사성, 자외선, 물의 파괴, 고전압 등에 의해 기체 분자(또는 원자)가 전자를 방출하여 ,전자를 잃어 양이온을 생성하며, 방출된 전자는 다른 기체분자(또는 원자)와 충돌, 부착하여 음이온을 생성한다. 음이온은 대기 중에서 전자가 발생하면 순간적으로 핵이 생성되고, 주위의 기체분자(주로 물분자)를 끌어당겨 결합하여 음이온 클러스터라는 분자집단으로 존재하며, 음이온을 구성하는 데는 반드시 물분자가 존재하며, 주로 자연계에서 존재하는 음이온의 형태는 O₂ ^-(H₂O)_n, CO₃ ^-(H₂O)_n, CO₄ ^-(H₂O)_n, NO₃ ^-(H₂O)_n, NO₂ ^-(H₂O)_n, 등이 된다. 이온들의 생성과정의 모델을 그림 에 나타내었다. 또 공기 중의 이온은 입경에 따라 소이온(입경 0.003 ㎛ 이하, 이동도 약 0.5-1.0 ㎠/Vs 이하), 중이온(입경 0.003~0.03 ㎛, 이동도 약 0.001~0.2 ㎠/Vs 이하), 대이온(입경 0.03 ㎛ 이상, 이동도 약 0.008~0.0003 ㎠/Vs 이하)로 분류된다.

공기 이온의 클러스터화 (H ₂ O 반응)

이렇게 생성된 이온 클러스터는 일반적으로 다음의 특징이 있는 것으로 알려지고 있다.

○ 음이온은 먼지를 (-)로 대전하여 (+)이온과 충돌함으로써 미세 먼지를 집진시킨다.

○ NO₂, SO₂, NH₃와 같은 유해물질을 안개 또는 수증기와 함께 집진한다.

○ 실내의 온도가 상온이라도 양이온이 많이 존재 할 경우 권태감과 불쾌감을 유발한다.

○ 실내의 재실자가 흡연시는 음이온량이 급격히 줄어들면서 양이온이 증가하여 재실자가 답답함을 느낀다.

○ 공기 청정기를 이용하여 실내를 정화하였어도, 음이온의 공급은 재실자를 위 하여 중요하다.

○ 이온 클러스터의 전기적 성질에 의한 항균 효과가 있다.

(가) 시험 방법

음이온 방출량 시험은 KICM-FIR-1042 시험방법에 따라 시험하였다. 이 방법은 공기 중의 이온 밀도 측정 장치(사진 28. KST-900, KOBE DEMPA)를 이용하여, 온도 20 ℃ ± 5 ℃, 습도 40 % ± 10 %, 공기 중의 음이온 수 75/cc 조건으로 하여 단열소재 벽 마감재 시제품에 대한 음이온 발생량을 측정하였다.

(나) 시험 결과

단열 벽 마감재 소재 에 대해서 음이온 발생량을 측정한 결과, 복합 조성물에서 4,182 개/cc의 음이온 발생하였으며, 단열 소재 시제품에서 1,816 개/cc의 음이온이 발생하였다.

시험예 4: 단열소재의 에너지 열분석 시험

개발품인 단열 소재의 열 물성의 특징과 원료간의 화학적인 반응에 관한 기본적인 정보를 습득하기 위해 다음과 같이 단열 벽재 소재의 기초 열적 거동을 측정하였다. 단열 소재를 PA2101 applicator를 이용하여 균일하게 코팅한 후 23^oC, 상대습도 50%의 오븐에서 4일 이상 건조하여 더 이상의 무게변화가 없음을 확인한 후 열 물성 측정을 시행하였다. 단열 소재의 기본적인 열적 거동을 분석하기 위해 DSC(Differential Scanning Calorimetry)를 대기 분위기에서 사용하여 소재의 온도별 화학 반응 여부와 고온에 의한 열 물성 변화를 측정하였다. DSC 10 ^oC/min의 동일한 조건으로 실험을 시행하였다. DSC(Differential Scanning Calorimetry)는 시료와 불활성 기준물질에 동일한 온도프로그램을 가해서 시료로부터 발생되는 열 유속 차이를 측정한다. 하나의 가열로에서 시료와 기준물질이 이상적으로 동일한 pan에 각각 놓여 열손실과 pan의 영향이 효과적으로 보상된다. 열 유속은 전도된 전력에 상당하며 와트(W, Watt)나 밀리와트(mW) 단위로 측정된다. 열 유속이나 전도 전력을 시간으로 미분하면 에너지양으로 환산되며 mW·s나 mJ로 표시된다. 전도된 에너지는 시료의 엔탈피 변화에 해당하며, 시료가 에너지를 흡수하면 엔탈피 변화는 흡열 과정이며 에너지를 방출하면 이 과정을 발열 과정이라 한다. 시차 주사 열량계는 엔탈피 변화와 전이에 의해 발생되는 열적 거동에 대해 다양한 정보를 제공한다. 본 개발 과제에서는 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 측정장비를 이용하여 단열소재의 열분석 시험을 진행하고 시험결과는 도 1에 나타낸 바와 같다.

시험예 5: 에너지 효율시험(Mock-up 시험)

본 과제의 개발제품의 에너지 효율을 시험하기 위해 사진(도 2)에서 제작한 mock-up 챔버에서 미시공 챔버와 개발 단열벽재 시공 챔버에 대하여 데이터로거를 이용하여 온도분포를 측정하였다. 온도측정 포인트는 사진에서와 같이 5 포인트를 측정하였고, 챔버내에서 30분 동안 실온을 측정하고, 난방기를 1시간 동안 작동시켜 챔버 내의 온도를 상승시킨 다음 다시 난방기의 작동을 멈춘 상태에서 1시간 30분 동안의 온도 분포를 측정하였다. 난방기 작동시 미시공 챔버와 단열소재 벽재 마감재 시공챔버 내의 실내온도는 약 50 ℃ 까지 상승하였으며, 난방기 작동을 멈춘 상태에서 실내 온도의 하강온도 분포를 측정함으로써 벽 마감재 시공에 의한 에너지 효율 성능을 평가하였다. 또한 미시공 챔버에 벽재를 시공하여 동일한 시험을 수행함으로써 단열 벽재 시공 챔버와 비교시험을 수행하였다. 시험결과는 도 3에서 보이는 바와 같이, 챔버내 5개의 모든 지점에서 본 개발 단열 재를 시공한 챔버내의 하강온도 분포가 미시공 챔버와 일반단열 시공 챔버보다 약 2.5도 가량 천천히 떨어지는 것을 알수 있다. 이와 같은 결과로서 동일조건의 난방기를 가열할 때 단열 벽 마감재 시공 챔버내 에서의 난방효율이 더 좋음을 알 수 있다.

Claims (10)

1. 조성물 100중량% 중의 비율로, 아크릴 바인더 1~3 중량%에 벼겨 분말 10~12 중량%를 교반하면서 잘 혼합하여 균질한 혼합물을 만드는 단계,
   상기 혼합물에 상변화 물질 헵타데칸 43~55 중량%를 함침 교반하는 단계,
   상변화 물질 헵타데칸을 교반한 혼합물을 24시간 동안 숙성하는 단계,
   제올라이트 분말 3 중량%를 혼합 교반하는 단계,
   석영, 질석, 토르마린, 희토류 및 일라이트 중에서 선택되는 1종 이상을 20~25 중량%를 함침 교반하는 단계,
   세라믹 무기 바인더 3~5 중량%, 속경재 1~1.5 중량%, 항균제 1 중량%, 칼슘카보네이트 2~3 중량%, 셀룰로오스 0.3~0.4 중량%를 혼합하는 단계,
   결과된 혼합물을 실온에서 24시간 동안 숙성하는 단계,
   규산칼륨 및 규산나트륨 중 어느 한가지 또는 둘다를 3~4 중량% 혼합 교반하는 단계에 의해 복합 단열재 조성물을 제조하고,
   이와 같이 제조한 조성물을 소성 압축 성형기에 의해 압축하고 500-550℃에서 소성가열하는 것을 특징으로 하는 복합 단열재의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 벼겨 분말은 평균 입경이 1000 메쉬로 분쇄한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 단열재의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 석영, 질석, 토르마린, 희토류, 일라이트 중 1종 이상은 800 메쉬로 분쇄한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 단열재의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 제올라이트 분말은 모데나이트에 나트륨 양이온을 치환시킨 활성 모데나이트를 평균 입경 1000 메쉬로 분말화한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 단열재의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 세라믹 무기 바인더는 평균 입경이 3000 메쉬로 분쇄한 황토인 것을 특징으로 하는 복합 단열재의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 속경재는 칼슘 알루미네이트인 것을 특징으로 하는 복합 단열재의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 항균제는 나트륨 실리케이트인 것을 특징으로 하는 복합 단열재의 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서, 소성 압축 성형하여 제조된 단열재는 두께가 1.5mm 인 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상변화 물질 헵타데칸을 교반한 혼합물을 물을 첨가하여 고형분 함량 60 중량%의 분산물로 한 다음 숙성하는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법.
10. 제 1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 압축성형된 단열재를 일반 보드 또는 판재에 배접, 접착 건조하여 외벽 단열재 제품으로 하는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법.
    

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