KR101365657B1

KR101365657B1 - 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재, 이의 제조 방법 및 이의 성형기

Info

Publication number: KR101365657B1
Application number: KR20120086220A
Authority: KR
Inventors: 백범규; 남대우
Original assignee: 주식회사 경동원
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-02-24
Also published as: EP2883850A4; JP2015530340A; JP6018307B2; EP2883850A1; CN104520250B; WO2014025210A1; KR20140019980A; US20150209981A1; US9770848B2; CN104520250A

Abstract

본 발명은 바인더(binder)를 사용하지 않고 팽창 퍼라이트(perlite)를 이용한 저밀도 성형 구조체를 갖는 저밀도 무기질 파우더 단열재의 제조 방법 및 이의 성형기에 관한 것으로, 상세하게는 팽창 퍼라이트를 이용하여 형상이 불규칙한 유리파편 모양의 퍼라이트 입자를 고르게 분산시켜 합성 실리카 사이에서 구조적 골조(framework)를 형성하여 낮은 밀도에서도 성형강도를 향상시켜 저밀도 및 비표면적 증가에 의한(전도와 대류 차단) 열전도율 감소효과를 발생시키는 것이다. 단열재의 제조방법에 있어서는 낮은 비중과 비표면적이 큰 합재 원료의 사용으로 압축 시 발생되는 성형체 내의 압력과 공기를 제거하기 위해 타공 구조의 플레이트와 필터가 장착된 성형기를 이용해 압축 성형하거나 압축롤러를 통해 압축된 합재로 제조함으로써 경제적이면서도 물성이 우수한 팽창 퍼라이트를 이용한 성형 구조체를 갖는 저밀도 무기질 파우더 단열재의 제조 방법 및 이의 성형기에 관한 것이다.

Description

팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재, 이의 제조 방법 및 이의 성형기{Low Density Insulation of Inorganic Powder with Supporting Structure Using Expended Perlite, its Manufacturing Method and Making Machine}

본 발명은 바인더(binder)를 사용하지 않고 팽창 퍼라이트(perlite)를 이용하여 저밀도 성형구조체를 갖는 무기질 파우더 단열재의 제조 방법 및 이의 성형기에 관한 것으로, 상세하게는 고속믹서를 활용하여 팽창 퍼라이트를 형상이 불규칙한 유리파편 모양의 퍼라이트 입자로 만들고 이를 고르게 분산시켜 합성 실리카 사이에서 구조적 골조(framework)를 형성하여 낮은 밀도에서도 성형강도를 향상시키고, 열전도율 감소효과를 가져오는 단열재에 관한 것으로, 단열재의 제조방법에 있어서 압축 시 발생되는 성형체 내의 압력과 공기를 제거하기 위해 타공 구조의 플레이트와 필터가 장착된 성형기를 이용해 압축 성형하거나, 압축롤러를 통해 팽창 퍼라이트를 이용한 성형구조체를 갖는 압축된 합재로 제조함으로써 경제적이면서도 물성이 우수한 팽창 퍼라이트를 이용한 성형 구조체를 갖는 저밀도 무기질 파우더 단열재의 제조 방법 및 이의 성형기에 관한 것이다.

합성 실리카는 대부분 나노사이즈의 입자가 붙어서 마이크로사이즈의 입자로 제조된 것으로, 나노사이즈 입자에 의해 높은 비표면적을 형성한다. 이것을 압축 성형하여 내부에 많은 비표면적을 부여함으로써 열전도율이 낮아 단열성능이 좋은 단열재를 제조한다.

이렇게 제조된 단열재는 단독으로 사용하거나 유리섬유 등의 외피재로 강도를 보강하여 사용하기도 하고, 알루미늄 소재의 다층 필름의 외피재로 밀봉하여 진공단열재로 사용된다

합성 실리카 단열재의 핵심은 내부에 형성된 작은 기공에 의한 많은 비표면적으로 인해 낮은 열전도율을 갖게 되고, 그에 따라 단열성능이 좋은 것이다.

일반적으로 합성 실리카 입자를 이용하여 단열재를 제조 시, 성형성을 갖게 하기 위해 바인더를 사용하는데, 소량의 바인더를 사용하더라도 바인더에 의해 내부 비표면적이 작아진다. 특히 합성 실리카와 같이 내부 기공이 많은 입자는 액상 바인더의 흡수가 크기 때문에 균일하게 분포시키기 쉽지 않다.

이러한 현상과 바인더에 포함된 수분을 완전 건조하기 어렵기 때문에 열전도율이 올라가 단열성능이 떨어지는 문제점이 생긴다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 무기질 섬유계 매트를 외피재로 사용하는 제품들이 실용화되어 있으나, 합성 실리카 자체는 800~900 ℃ 이상에서 사용가능하나 무기질 섬유는 그 종류에 따라 사용 온도에 한계가 있으며, 재료비 상승과 추가적인 가공으로 인해 단열재 가격의 상승요인이 된다. 일반 글라스섬유는 사용 온도가 650 ℃ 정도인 한계가 있으며, 세라믹 섬유는 800~900 ℃ 이상에서 사용 가능하나 인체에 안전한 생분해성 재질을 사용해야 하므로 가격이 비싸다.

또한, 알루미늄 소재의 다층 필름의 외피재가 심을 감싸 내부를 진공 처리하여 열전도율을 0.005 W/mK 이하의 단열 물성을 지니는 진공 단열재 심재로도 사용된다.

한편, 진공 단열재의 핵심은 장기 내구성(사용기간)에 달려있는데, 이것은 내부 진공이 훼손되느냐 여부이다. 진공도 훼손은 외피재의 손상과 아웃가싱(Out gassing)에 의해 발생되며, 아웃가싱의 경우 내부 수분, 유기물 등에 의해 발생한다. 물론 게터제(getter)로 방지 가능하나, 완벽하다고 할 수 없다.

한국공개특허공보 제10-2011-0042019호 “단열재 및 그 제조방법”에서 바인더를 사용하지 않기 위해, 알칼리토금속류 수산화물 및 알칼리 금속 수산화물을 사용하고 고습양생하고 다시 건조하는 방식을 제시하고 있으나, 이는 공정이 복잡하고 고습양생시 단열재로 수분 흡수가 발생되어 다시 건조하더라도 내부 수분이 다 제거되기 어렵다.

한국공개특허공보 제10-2010-0083543호 “실리카 에어로젤에 부직포 상태의 섬유가 보강된 유연성이 우수한 단열재의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 단열재” 에서 화학섬유, 탄소섬유, 유리섬유 등으로 부직포 상태의 막을 제조하고 유기접착제를 부직포 막에 도포하고, 그 위에 실리카 에어로젤을 흡착시키고, 이렇게 제조된 단열재를 적층하여 W형상을 갖는 바늘을 이용하여 박음질하여 제조하는 방식을 제시하고 있다. 그러나 비용제형 유기접착제를 사용하므로 실리카 에어로젤에 유기접착제가 흡수되는 것은 일부 방지되나, 공정이 복잡하고, 제조비용이 높을 뿐 아니라, 제조 후 유기접착제와의 결합력이 약해 분진발생의 문제가 있다.

본 발명의 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법은 합성 실리카 단열재를 제조함에 있어 팽창 퍼라이트를 이용하여 합성 실리카 사이에서 구조적 골조(framework)를 형성시켜, 바인더를 사용하지 않고, 섬유에 의한 보강의 한계를 개선해, 내부 비표면적의 축소를 방지하고 밀도가 낮은 단열재를 제조하는데 목적이 있다.

본 발명은 바인더를 사용하지 않아, 내부 비표면적 축소를 방지하고 저밀도에서 성형성을 갖게 함으로써, 경제적이면서 좋은 물성을 갖도록 하는데 기여하고자 한다.

본 발명에 의한 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 성형 구조체를 갖는 무기질 파우더 단열재의 제조 방법은

합성 실리카와 팽창 퍼라이트를 포함하는 파우더를 분산 및 파쇄시켜서 미립의 합성 실리카가 유리 파편화된 팽창 퍼라이트 표면에 코팅 및 분산되면서 혼합되도록 하는 1단계; 및

혼합된 파우더를 압축과정에서 발생한 내부 압력을 상부플레이트와 하부플레이트에 형성된 다수의 타공을 통하여 외부로 배출할 수 있는 성형기로 압축 성형하여 심재를 제작하는 2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 제조된 단열재는 합성 실리카 50 ~ 98 중량%와 팽창 퍼라이트 2 ~ 50중량%를 포함하되, 미립의 합성 실리카가 유리 파편화된 팽창 퍼라이트 표면에 코팅 및 분산되면서 혼합된 상태에서 압축성형된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법은 합성 실리카와 팽창 퍼라이트를 혼합 시 1000rpm이상의 고속믹서를 통해 팽창 퍼라이트를 300㎛에서 1㎛ 입자 크기로 파편화하면서, 파편화된 팽창 퍼라이트에 합성 실리카 입자들을 코팅 및 분산시켜 팽창 퍼라이트 입자가 성형체의 구조적 골조(framework)를 형성하도록 한다.

본 발명에 의한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조용 성형기는

다수의 타공이 형성되어 있는 상부 타공플레이트, 상기 상부 타공플레이트의 상부에 위치하는 상부 필터 및 상기 상부 필터 상부에 위치하는 상부 가압판을 포함하는 상부 플레이트;

다수의 타공이 형성되어 있는 하부 타공플레이트, 상기 하부 타공플레이트의 하부에 위치하는 하부 필터 및 상기 하부 필터 하부에 위치하는 하부 가압판을 포함하는 하부플레이트; 및

상기 상부 플레이트와 하부 플레이트의 측벽을 형성하는 측면 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하여 단열재를 제조 시, 상기의 믹싱 후 형성된 구조체가 변하는 것을 방지하고 팽창 퍼라이트의 구조적 골조가 심하게 훼손되는 것을 방지하는 성형기를 사용하여 단열재를 압축성형한다. 나아가, 성형된 심재의 상부와 하부의 밀도편차 및 불균일한 내부 비표면적을 개선하기 위해 상부와 하부로부터 동시에 압축하는 방식도 사용 가능하다.

또한, 본 발명에 있어 팽창 퍼라이트를 이용하여 형상이 불규칙한 유리파편 모양의 퍼라이트 입자를 고르게 분산시켜 합성 실리카 사이에서 구조적 골조(framework)를 형성한 후에 압축롤러를 통해 압축된 합재를 만듦으로써, 일반 성형기를 이용하거나, 압축 입자를 이용한 단열재 제조하는 방식도 가능하다.

본 발명의 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법 및 성형기에 따르면, 낮은 밀도에서도 성형강도가 우수하고 밀도편차 발생이 방지되어 내부 비표면적이 균일해져 단열성능도 우수한 저밀도의 성형 구조체를 갖는 무기질 파우더 단열재를 경제적으로 제조할 수 있다.

도 1A는 본 발명에 의해 제조된 단열재의 절단면을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 1B는 도 1A에 대한 일부 확대 사진이다.
도 1C는 단순 혼합 성형시 절단면 중 실리카가 뭉친 부위를 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 1D는 단순 혼합 성형시 절단면 중 퍼라이트가 뭉친 부위를 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 2은 본 발명에 의한 압축 성형기의 단면도이다.
도 3는 본 발명에 의한 성형기로 압축 성형 시 발생되는 압력과 공기의 배출 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4은 종래의 성형기로 압축 성형 시 발생되는 압력과 공기의 배출 흐름을 나타내는 도면이다.
도 5는 압축롤러를 이용한 압축흐름을 나타내는 도면이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서의 팽창 퍼라이트를 이용한 성형 구조체를 갖는 저밀도 무기질 파우더 단열재는 합성 실리카 50 ~ 98 중량%, 팽창 퍼라이트 2 ~ 50 중량%를 포함한다. 세부적으로는 합성 실리카 50 ~ 98 중량%와 팽창 퍼라이트 2 ~ 50중량%를 포함하는 파우더를 1000rpm 이상의 고속 믹서로 분산과 분쇄를 동시에 시켜 미립의 합성 실리카 입자가 유리 파편화된 팽창 퍼라이트 입자 표면에 코팅 및 분산되면서 혼합되도록 하는 1단계; 혼합된 무기질 파우더를 성형시 내부 압력제거가 원활한 성형기로 압축 성형하여 심재를 제작하는 2단계;로 나뉜다.

또한, 상기 1단계 이후 혼합된 무기질 파우더를 압축롤러를 통해 압축된 합재로 제조한다.

본 발명의 효과를 보다 자세하게 설명하자면, 아래와 같다.

내부에 비표면적이 전혀 없는 성형체에 비해 내부에 비표면적을 가지고 있는 성형체가 열전도율이 낮다. 그 이유는 심재 내부에 형성된 비표면적이 대류의 영향을 차단함으로써 열전달이 방지되기 때문이다. 또한 전도는 물질 자체의 특성이기 때문에 일정한 값을 갖고 있다. 이러한 전도의 영향을 최소화 하기 위해서는 내부 비표면적을 형성하고 있는 구조의 면적 축소와 밀도를 낮추는 것이 최선이다.

기존의 합성 실리카를 이용한 단열재는 성형성을 확보하기 위해 바인더를 사용하거나, 보강섬유를 과량으로 사용한다. 또는 두가지를 이용하여 적절히 사용량을 결정하기도 한다. 그러나 바인더를 사용하게 되면 단열재 내부에 형성된 비표면적이 작아져 단열성능이 떨어지고, 바인더 사용량을 줄이기 위해 섬유양을 증가시키면 섬유의 뭉침현상, 분산성 저하, 성형 후 복원력 등도 증가되어 다시 성형체의 물성이 저하되므로 보강섬유 만으로 해결하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 바인더에 의한 내부 비표면적 저하 방지와 섬유의 한계를 극복하고, 더 낮은 밀도의 단열재를 제조하기 위함이다.

이하 1단계 합성실리카와 팽창 퍼라이트의 혼합에 대해 설명한다.

본 발명에서 팽창 퍼라이트는 진주암, 송지암, 흑요석, 경석 등의 천연 광물을 고온의 화염에서 표면을 유리질화 시키고 내부에 수분(결정수)이 증기화 하여 팽창되는 것을 통칭한다. 팽창된 퍼라이트 입자의 형태는 팽창 전 입자의 크기와 분포 및 건조에 따른 결정수의 양에 따라 특징적으로 이루어지며, 제조된 팽창 퍼라이트는 그 입자 내부의 무수한 셀로 구성되어 있어 넓은 비표면적을 가지고 있고, 비중이 낮아 단열 소재로서 적합한 조건을 갖추고 있다.

합성 실리카는 실리카 함량 순도 90% 이상의 단열물성이 우수한 무기물로 그 입자가 수 나노미터에서 수십 마이크로의 흄드 실리카나 다공성 실리카, 에어로겔, 화이트 카본 등을 통칭하며, 공정 중 처리방법에 따라 친수성과 소수성을 부여할 수 있다.

팽창 퍼라이트는 입자가 크고, 합성 실리카는 입자가 작고, 서로의 입자가 갖는 밀도의 차이가 있어 단순 혼합시 균일한 분포보다는 입자의 크기와 밀도에 의해 뭉침이나 층분리 현상을 보인다.

본 발명에 있어서는 서로 다른 입자끼리의 단순한 혼합이 아니다. 단순히 혼합하는 경우 앞서 표현한 것과 같이 뭉침이나 층분리등의 문제가 있기 때문이다. 본 발명에서는 고속 믹서상에서 팽창 퍼라이트를 적절한 크기로 파쇄하면서 합성 실리카 사이에 분산시켜, 합성 실리카 사이에서 구조적 골조 역할을 하는 구조가 된다. 좀더 자세히 설명하면, 합성 실리카는 대기 중 수분 흡습성이 높거나 입자간 정전기적 인력으로 인해 수십 마이크로 사이즈의 응집된 형태로 있지만, 외부의 강한 힘이나 압력에 의해 입자들이 순간적으로 분리가 가능하다. 1 ~ 300㎛로 파쇄된 퍼라이트 입자 표면에 합성 실리카 입자가 코팅 및 분산시키도록 하는 것은 고속 믹서의 높은 rpm과 힘에 의해서 순간적으로 합성 실리카를 본래의 사이즈로 분리, 이를 분산 시키고, 팽창 퍼라이트 입자 표면에 그 미세한 입자들이 부착되도록 코팅하여 합성 실리카와 퍼라이트의 입자 상분리를 해소시켜 1 ~ 300㎛ 크기로 유리 파편화된 팽창 퍼라이트와 합성 실리카의 구조체를 형성시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 단열재 절단면의 전자현미경 사진이다. 이 중 (A)는 합성 실리카와 팽창 퍼라이트를 본 발명에 의한 방법으로 단열재를 제조하여 단면을 잘라 측정한 전자현미경 사진이며, 이것의 일부분 확대하여 보았을 때 (B)와 같이 팽창 퍼라이트 조각이 구조적 골조를 형성하고 있음을 알 수 있다. 합성 실리카 입자가 퍼라이트 입자 표면에 고루 분산되어 상의 경계가 모호한 형태로 단열성능은 유지하면서도 우수한 성형강도를 갖는 단열재가 만들어진다. 일반적으로 단순 혼합하면 합성 실리카와 팽창 퍼라이트는 서로 응집된 상태로 상분리가 발생한다. 이를 단열재로 제조하여 단면을 확인해 보면 합성 실리카는 (C)와 같이, 팽창 퍼라이트는 파편화 되어 (D)와 같이 서로 응집되어 분포한다. 이 때, 합성 실리카 응집군은 결합 강도가 약해 쉽게 파손되고, 퍼라이트 응집군은 대류와 전도 현상이 발생하여 열전도율이 높아진다.

(A)의 사진 속에서 솜뭉치와 같은 형태의 것이 합성 실리카이고, 날카로운 형태의 입자들이 퍼라이트 입자이다. 1000 rpm 미만의 속도로 단순 혼합 시에는 합성 실리카와 퍼라이트는 응집된 형태로 분산이 안되어 (C)의 합성실리카와 (D)의 퍼라이트와 같이 상분리되어 따로 뭉쳐있으나, (A)는 본 발명의 혼합방법대로 진행하여 팽창 퍼라이트 표면에 합성 실리카 입자가 고루 분산된 형태로 합성실리카로만 구성된 (C)나 팽창 퍼라이트로만 구성된 (D)와는 분명히 다른 형태를 지니고 있음이 구분된다. (A)에서 일부분을 확대해 보면 (B)의 사진처럼 팽창 퍼라이트 조각이 구조적 골조를 구성하고 있음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 성형 구조체에서 유리 파편화 된 퍼라이트는 합성 실리카 입자군 사이에서 골조를 형성하므로 유동성이 있는 합성 실리카 입자들로만 구성되어진 성형체보다 성형강도가 우수하며, 보강 섬유에 의한 저밀도 성형체 제조의 한계를 극복하도록 하여 더 낮은 밀도의 성형체를 제조하도록 할 수 있다.

합성 실리카는 열전도율을 낮추기 위한 것으로 그 입자가 수 나노미터에서 수십 마이크로의 흄드 실리카나 다공성 실리카, 에어로겔, 화이트 카본 등을 사용하며, 그 함량이 전체 중량 대비 50 ~ 98 중량%이며, 50 중량% 이하일 경우에는 단열 성능이 매우 낮고, 98 중량% 이상일 경우에는 단열 물성이 우수할 수는 있으나 성형강도가 떨어질 수 있다.

팽창 퍼라이트는 퍼라이트 원광을 건조시킨 후 팽창시켜 제조된 것으로서, 퍼라이트 원광은 진주암, 흑요석, 송지암, 경석 중 선택된 1종 이상이다. 전체 중량 대비 팽창 퍼라이트의 함량이 2 중량% 이하이면, 성형강도가 낮고 50 중량% 이상이면 단열물성이 매우 낮아질 수 있다.

믹서는 종류와 형태, 그 구조에 대해 제한하지는 않으나 혼합 시 구형 및 다원형의 퍼라이트가 분쇄되어 파편화 된 형태의 입자가 되도록 하고, 합성 실리카는 입자간 분리되어 미립의 입자가 파편화 된 퍼라이트 입자 표면에 코팅되거나 분산 및 혼합되도록 고속의 rpm과 힘을 가지는 믹서의 것을 사용함이 바람직하다.

좀 더 효율적이고, 효과적으로 혼합할 수 있도록 믹서 안에 블레이드 날을 장착하거나 블레이드 날을 상, 하 혹은 좌, 우 축에 장착할 수 있으며, 중력에 반하여 블레이드 날 및 용기가 회전할 수 있도록 설계된 믹서의 것을 사용할 수도 있다. 블레이드 날은 일자 형태 혹은 십자 형태를 사용할 수 있으며, 원형 및 다중 장착된 날을 사용할 수 있다.

믹서의 운용 시간과 rpm은 증가할수록 효과적이나 일정 시점에서부터는 물성적으로 증가하지는 않는다. 생산성 증가를 위해 바람직하게는 운용 시간은 짧고, rpm을 증가시키는 방법이 효과적일 수 있다. 다만, 1000rpm 미만의 경우는 단순 분산만 이루어지며, 팽창 퍼라이트 입자가 파편화 되지 않거나 300㎛를 초과하는 입자들이 존재하여 그 효과가 낮다.

유리 파편화 된 퍼라이트 입자 크기는 1 ~ 300㎛ 일 때, 성형체 내에서 분산이 잘되고 구조적 지지역할을 할 수 있으며, 그 입자 크기가 1㎛ 미만이면 분산은 잘되나 성형강도가 떨어지고 300㎛를 초과하면 성형강도는 높아지나 분산성이 떨어지고 열전도율이 나빠질 수 있다. 유리 파편화 된 퍼라이트의 입자 크기는 믹서 운용 시간을 조절하거나 rpm 속도로 조절하여 조건 선정할 수 있으며, 입자 크기는 표준체를 사용하거나 입도 분석기를 사용하여 측정할 수 있다.

보강섬유에는 유리섬유, 미네랄울, 지르코늄 등을 포함하는 무기섬유와 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론 등의 유기섬유를 사용할 수 있다.

단열재는 사용조건 및 환경에 따라 소수(발수)의 성능이 요구된다. 단열재는 수분의 흡수나 흡습이 발생되면, 열전도율이 급격히 나빠져 단열성능이 떨어진다. 그 이유는 물의 열전도율이 대략 0.6W/mK로 높고, 내부 수분에 의해 대류현상 등이 증가하기 때문이다. (이하 소수(발수)를 소수로 표현)

합성 실리카 단열재의 소수 처리 방법은 합성 실리카 입자에 소수 처리를 하여 성형체로 제조하거나, 성형체를 제조할 때 입자와 소수 처리제를 혼합하여 성형함으로써 제조할 수 있다. 또한, 소수 처리된 합성 실리카와 친수성 합성 실리카(일반)를 혼용하여 압축함으로써, 소수 처리된 합성 실리카가 친수성 합성 실리카를 보호하여 소수 성능이 확보 가능하다.

소수 처리 방법은 상기 방법 모두 가능하나, 본 발명은 바인더 사용에 의한 강도 보강과 비표면적 축소 방지의 목적이기 때문에 소수 처리된 합성 실리카와 일반 합성 실리카를 단순 혼합하여 사용하는 것이 더 좋다. 왜냐하면, 본 발명에서 바인더를 사용하지 않는 목적은 합성 실리카의 비표면적을 최대한 살리기 위함인데, 소수 처리가 된 합성실리카만 사용하거나, 성형시 소수 처리제를 혼합하면 비표면적이 작아지기 때문인데, 특히 소수 처리제를 혼합하는 경우는 바인더를 혼합하는 것과 비슷한 현상을 보이기 때문이다.

이하 2단계에서 사용되는 성형기에 대해서 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 성형기의 개략도이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에서의 성형기는 상부 플레이트, 하부 플레이트 및 측벽 플레이트를 포함한다.

상부 플레이트(10)는 다수의 타공이 형성되어 있는 상부 타공플레이트(11), 그 상부에 위치하는 상부 필터(12) 및 상부 필터(12)의 상부에 위치하는 상부 가압판(13)을 포함하고, 이에 대응하는 하부 플레이트(20)는 하부 타공플레이트(21), 그 하부에 위치하는 하부 필터(22) 및 하부 필터(22)의 하부에 위치하는 하부 가압판(23)을 포함한다.

여기서 상부 필터(12)와 하부 필터(22)는 합성 실리카와 퍼라이트 입자가 빠져나가지 않을 정도의 기공을 갖는다.

도 4는 종래의 압축성형기의 작동 개략도이다. 종래의 압축 성형기는 타공이 없는 상부 플레이트와 하부 플레이트로 구성되어 압축 성형을 한다. 종래의 압축성형기로 압축 성형 시, 가압에 의해 파우더가 압축될 때 내부에 포함되어 있는 공기가 원활히 빠져나오지 못하고, 같이 가압되면서 내부 압력이 대기압보다 높아 구조적 지지체로 사용된 팽창 퍼라이트의 효과가 나빠진다. 또한 결국 공기가 상부 플레이트와 측벽 사이의 틈으로 빠져나가는데 이때 발생되는 공기의 흐름에 의해 입자의 크기나 비중의 차이로 인한 분산 편차가 발생될 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 성형기의 작동 개략도이다. 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 성형기는 압축 성형 시, 가압 전 대기압 P1과 파우더 내부의 공기압 P2는 동일한 압력에서 시작되며, 압축이 진행될수록 P1 보다 내부 공기압 P2가 커진다. 이 때, 성형기 내부와 외부는 완전 밀폐 상태가 아니기 때문에 내부 공기압 P2는 대기압 P1과 상평형을 이루기 위해 성형기 외부로 빠져나간다. 도 3에서 화살표는 공기의 흐름을 도시한 것이다.

즉, 일반적인 성형기는 가압되는 상부 플레이트와 측벽 사이에 틈이 있어 도 4에서의 (B)와 같이 공기가 빠져나가는데, 성형체 크기(플레이트의 면적)와 파우더의 압축 상태가 커질수록 쉽게 빠져나가지 못하여 내부 공기압 P2가 대기압 P1 보다 높고, 국부적으로 압력이 더 높은 곳이 발생하여 비표면적(내부 기공)이 불균일하게 형성되고, 구조적 지지체를 형성하는 팽창 퍼라이트의 효과가 떨어진다.

본 발명의 성형기는 상부 타공플레이트(11)와 하부 타공플레이트(21)에 다수의 타공이 형성되어 있기 때문에 도 3의 (B)와 같이 공기가 쉽게 빠져나가 내부 공기압 P2와 대기압 P1이 거의 일정하게 유지되어 비표면적이 균일하게 형성되어, 팽창 퍼라이트가 구조적 지지체를 형성하는 효과를 얻을 수 있다.

소수성을 부여하기 위해 소수 처리된 합성 실리카와 일반 합성 실리카를 사용할 때 더욱 효과적이다. 그 이유는 소수 처리된 합성 실리카는 일반 합성 실리카보다 표면장력이 낮아져 흐름성이 좋아지기 때문이다. 여기서 흐름성이란, 외부의 압력에 쉽게 반응하고 움직이는 것을 표현한다.

기존 성형방법인 도 4의 경우 내부 압력이 올라가다가 상부 플레이트와 측벽 사이의 틈으로 공기가 빠져나가면서 영향을 받아 분산 편차가 발생될 수 있으나, 본 발명의 성형기는 도 3과 같이 내부 공기가 상하부로 쉽게 빠져나가 내부 불균일 방지와 내부 공기 유동 현상이 억제되기 때문이다.

성형기 상부 플레이트(10)와 하부 플레이트(20)에 사용되는 필터(12, 22)는 효과적으로 내부 공기를 제거할 수 있는 유기계 섬유, 무기계 섬유, 유기계 발포폼, 무기계 발포폼 또는 메탈필터를 사용할 수 있다.

나아가 상부 플레이트(10)와 하부 플레이트(20)가 상하로 동시에 압축하는 방식의 성형기를 사용하면, 보다 효과를 높일 수 있다. 일반적인 압축 성형은 상부 플레이트(10)가 내려와 압축하는 형태인데, 이때 압축이 시작되는 파우더의 상부와 하부의 압축된 상태를 비교하면, 상부가 하부보다 압축된 상태가 높아 지는데, 성형된 단열재의 두께가 증가할수록 그 차이가 커진다. 이렇게 제조된 단열재의 상부와 하부의 밀도편차가 발생되면, 강도 및 열전도율이 불균일하게 된다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 성형된 단열재의 상부와 하부의 밀도편차 및 불균일한 내부 비표면적을 개선하기 위해 상부 플레이트(10)와 하부 플레이트(20)가 동시에 압축하는 방식도 사용 가능하다.

본 발명에 의해 제조된 단열재는 그 자체로 단열재로 사용가능하며, 추가적인 적용(application)도 가능하다.

먼저, 진공단열재의 심재로 사용이 가능한데, 알루미늄과 유기소재 필름이 다층구조인 외피재가 추가적으로 사용된다. 본 발명에서는 유기소재 필름 재질에 대해 제한이 없으나, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 나일론, EVOH(에틸렌비닐알콜코폴리머) 등을 사용할 수 있다. 외피재를 제조하는 방식은 증착이나 합지를 통해 제조 가능하다.

이때 외피재의 강도를 보강하기 위해서는 무기질 또는 유기질 소재의 섬유를 추가로 포함시킬 수 있다.

외피재 필름은 10 ~ 1000㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 유기소재필름에 알루미늄 필름을 증착시키거나 합지시키는 방법에 대해서는 특별한 제한은 없다. 한가지 예로서 유기소재 필름과 알루미늄 필름을 적층하고 50 ~ 300℃ 온도 조건 및 1 ~ 300kgf/cm2의 압력으로 가열 및 가압하여 증착 또는 합지한다.

외피재 필름 두께가 10㎛ 이하일 경우, 외부 충격이나 긁힘에 의해 손상이 발생하여 진공이 파괴될 위험이 높으며, 1000㎛ 이상일 경우 진공단열재 제조 후 접는 등의 작업이 어렵거나, 외피재를 통한 열절단 손실이 발생되는 문제가 있다.

상기 제조된 상부 외피재와 하부 외피재를 평행하게 위치시키고, 제 2단계에서 제조된 무기질 파우더 성형체를 상, 하부 외피재 사이에 안착시킨 다음에 상부 외피재와 하부 외피재의 삼면을 열융착 플레이트를 이용하여 50 ~ 300℃ 온도조건 및 1 ~ 30 kgf/cm2 압력으로 가열 및 가압하면 성형체가 열융착된 주머니와 같은 형태 내에 삽입된 형태로 제조된다.

이후 상부, 하부 외피제의 개방된 일면의 상, 하부를 진공챔버에 넣고, 공기를 제거하여 진공을 형성한다. 진공도가 일정 이상으로 상승하면, 개방된 일면을 마저 열융착시켜 진공단열재가 완성된다.

진공도는 목적하고자 하는 열전도율에 따라 다른데, 진공도를 높게 잡을수록 대류의 영향이 제거되기 때문에 열전도율이 좋아진다. 본 발명에서는 1torr 이상의 진공압력을 상정한다.

외피재를 사용하는 방법은 삼면이 미리 융착된 봉투형태에 성형체를 삽입하는 방법과 상부, 하부 외피재가 연속적으로 공급되고, 그 사이에 성형체가 공급된 후에 상부 외피재와 하부 외피재의 삼면을 융착하는 방법도 있다.

다른 적용 방법은 초저온 단열재용으로 사용 가능하다. 그 중에서도 LNG 선박의 단열재로 사용할 수 있다. LNG 선박의 단열재로 사용하는 형태는 크게 GTT사의 Mark Ⅲ 타입과 No 96 타입이 있다.

Mark Ⅲ 타입은 플라이우드 판을 상부와 하부면에 두고 그 사이에 우레탄을 사용하고 있고, No 96 타입은 플라이우드로 직육면체 박스를 구성하고 내부에 팽창 퍼라이트나 락울, 글라스울 등을 채워 넣어 사용한다. 플라이 우드 박스 내부에는 추가로 몇 개의 칸막이를 구성하여 상판과 하판의 충격을 방지하도록 구성된다.

본 발명의 단열재는 상기와 같은 LNG 선박의 단열재로 사용 시 성형체 단독으로 사용하거나, 훼손을 방지하기 위해 마감재를 함께 사용할 수 있다.

마감재는 진공단열재용 알루미늄 필름이 증착 또는 합지된 마감재, 무기질 섬유로 구성된 마감재, 유기재료로 구성된 마감재 등 다양하게 사용 가능하다.

진공단열재 제조시 내피재를 추가로 사용 가능하다. 진공 작업시 심재에서 발생되는 분진에 의해 진공 설비가 훼손될 수 있는데, 이것을 방지하기 위해 심재를 미리 부직포, 직포등 형태로 필터 역할을 할 수 있는 소재로 감싸기 위해 사용한다. 내피재는 무기질 섬유, 유기질 섬유, 셀룰로오즈 섬유 등으로 부직포나 직포 형태로 제조된 시트나(Sheet), 페이퍼(paper) 형태를 사용한다.

또 다른 적용방법으로는 고온 및 저온 유체가 흐르는 배관이나 가열로 등의 백업재로 이용되는 단열재가 있다. 단열재 단독으로 사용도 가능하나 현장 시공성 향상을 위해 상기와 같은 마감재를 이용하여, 미리 배관 등의 두께나 형태에 맞춰 가공하여 적용하거나, 현장에서 형태에 맞게 감싸 사용할 수 있다.

본 발명의 2단계의 방법에 있어, 팽창 퍼라이트를 이용하여 형상이 불규칙한 유리파편 모양의 퍼라이트 입자를 고르게 분산시켜 합성 실리카 사이에서 구조적 골조(framework)가 형성한 압축된 합재를 적용하는 것도 가능하다. 즉 1단계 합성실리카와 팽창 퍼라이트를 고속 분산시켜 형성된 팽창 퍼라이트 구조적 골조는 고정된 상태가 아니기 때문에 외부의 압력이나 작용에 의해 팽창 퍼라이트 골조와 합성 실리카로 구성된 구조체의 훼손이 발생되는데, 이를 방지하기 위해 압축된 합재로 만드는 것이다.(이하 압축된 합재로 표기)

압축된 합재를 만들 때 중요한 점은 압축면을 최소화 하여 압축에 의한 공기 흐름 발생을 억제 하는 것이다.

따라서, 도 5와 같이 압축롤러를 사용함으로써 해소 가능하고, 압축된 작은 입자형태로 제조할 수 있다. 롤러에 의해 맞닿는 면적이 적기 때문에 일반 압축성형기와 달리 가해지는 압력에 의한 공기유동이 억제되어, 구조체 훼손이 발생되지 않는다.

이렇게 제조된 압축된 합재는 두가지 효과가 있다.

첫째는, 본 발명에서 제안하는 2단계 압축성형기를 사용하지 않고 일반 압축성형기를 사용할 수 있는 것이다. 그 이유는 구조적 골조를 갖는 압축된 합재로 제조함으로써 압축성형시 압축비가 작아지며, 압축시 발생되는 공기의 유동도 작아져 내부 압력이 낮아진다. 또한 입자가 이미 구조체를 형성하고 있어 강도가 높아, 구조체 및 골조 훼손이 거의 발생되지 않기 때문이다.

둘째는, 2단계 압축성형기 과정을 생략하고 단열재를 제조할 수 있게 된다. 다만 그 단독으로 사용은 어렵고, 마감재를 사용해야 한다. 구조적 골조를 갖는 압축된 합재를 마감재에 넣고, 밀봉하게 되면 단열재를 원하는 형태와 강도를 갖게 제조 가능한 것이다. 특히 압축된 합재를 제조할 때, 압축롤러를 반복적으로 하거나, 압축비율을 높이면 압축된 합재의 밀도를 조정 가능하다.

본 발명의 압축된 합재는 진공단열재 심재로 사용할 때 좀더 편리한 적용을 할 수 있다. 앞서 제안된 진공단열재 심재는 단단한 성형체로 제조하기 때문에, 진공단열재로 제작한 후나, 제작시 대부분 보드 타입으로 제작된다. 그러나 심재를 압축된 합재의 형태로 사용하면, 진공전이나 후에 원하는 형태로 만들 수 있기 때문에 좀더 다양한 제품에 적용할 수 있다.

이하 실시예를 통해 자세하게 설명한다.

본 발명에서 단열재 특성을 확인하기 위해 굴곡강도와 열전도율을 측정하여 물성값을 비교하였다.

굴곡강도는 KS F 4714에 의거하여 측정하였으며, 단열재의 시험편 3개를 취하여 측정 후 평균값을 구하여 나타내었다.

열전도율은 ASTM C 518 평판 열류계법에 의거하였으며, 시험편은 가로X세로X높이 300X300X10mm 크기의 진공 단열재로 제조하여 측정하였다.

<실시예 1> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

흄드 실리카 101.4g과 팽창 퍼라이트 50.9g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부플레이트와 하부플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 170kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<실시예 2> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

흄드 실리카 96.4g과 팽창 퍼라이트 45.9g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 10g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부플레이트와 하부플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 170kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<실시예 3> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

실시예 2와 같이 혼합이 완료된 파우더를 제조한다. 이때 파우더는 42kg/m3의 밀도(bulk density)를 갖고 있으며, 이 파우더를 압축롤러를 통과시켜 155kg/m3의 밀도(bulk density)인 구조적 골조를 갖는 압축된 합재로 제조한다. 제조된 압축된 합재를 타공을 갖는 상부플레이트와 하부플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 170kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<실시예 4> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

실시예 2와 같이 혼합이 완료된 파우더를 제조한다. 이때 파우더는 42kg/m3의 밀도(bulk density)를 갖고 있으며, 이 파우더를 압축롤러를 통과시켜 155kg/m3의 밀도(bulk density)인 구조적 골조를 갖는 압축된 합재로 제조한다. 제조된 압축된 합재를 타공이 없는 상부플레이트와 하부플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 170kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<실시예 5> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

흄드 실리카 76.5g과 팽창 퍼라이트 36.5g, 보강 섬유로 유리 섬유 8.5g를 이용하여 실시예 1과 동일하게 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 135kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<실시예 6> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

흄드 실리카 56.7g과 팽창 퍼라이트 27g, 보강 섬유로 유리 섬유 6.3g을 이용하여 실시예 1과 동일하게 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 100kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<실시예 7 ~ 9> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

흄드 실리카 382.8g과 팽창 퍼라이트 182.2g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 42.5g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부 플레이트와 하부 플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 상부와 하부를 동시에 압축하여 가로X세로X높이 300X300X50mm (부피 4.5L), 밀도 135kg/m3의 단열재를 제조하였다. 24시간 70℃, 24시간 140℃ 열풍 건조 후 단열재를 성형기 상판플레이트의 압축방향 기준으로 위에서부터 상판(실시예 7), 중판(실시예 8), 하판(실시예 9) 두께 10mm씩 잘라 단열재 세 장으로 만들었다.

<실시예 10 ~ 12> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

흄드 실리카 382.8g과 팽창 퍼라이트 182.2g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 42.5g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어 있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부플레이트와 하부 플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X50mm (부피 4.5L)의 밀도 135kg/m3의 단열재를 제조하였다. 24시간 70℃, 24시간 140℃ 열풍 건조 후 단열재를 성형기 상판 압축방향 기준으로 위에서부터 상판(실시예 10), 중판(실시예 11), 하판(실시예 12) 두께 10mm씩 잘라 성형체 세 장으로 만들었다.

<비교예 1> 바인더 적용한 무기질 파우더를 이용한 단열재 제조

흄드 실리카 96.4g과 팽창 퍼라이트 45.9g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 10g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 바인더로 액상의 PVAC를 10g 투입하고 믹서는 300rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 171kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<비교예 2> 저속 믹싱에 의한 단열재 제조

흄드 실리카 96.4g과 팽창 퍼라이트 45.9g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 10g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 900rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부 플레이트와 하부 플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 170kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<비교예 3> 일반 압축 성형기를 이용한 단열재 제조

흄드 실리카 96.4g과 팽창 퍼라이트 45.9g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 10g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 170kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<실험예 1> 밀도별 성형방법에 따른 물성 비교

성형체 밀도 및 성형 방법 따른 단열재 물성 비교

구분	성형밀도 (Kg/m3)	파우더 혼합속도 (rpm)	특징	굴곡강도 (gf/cm2)	열전도율 (mW/mK at 20℃)
실시예 1	170	2000	타공 플레이트 필터 장착	181	0.0207
실시예 2	170	2000	타공 플레이트 필터 장착	200	0.0209
실시예 3	170	2000	타공 플레이트 필터 장착	201	0.0210
실시예 4	170	2000	일반 플레이트	198	0.0209
실시예 5	135	2000	타공 플레이트 필터 장착	191	0.0205
실시예 6	100	2000	타공 플레이트 필터 장착	174	0.0203
비교예 1	171	300	일반 플레이트 바인더 PVAC사용	178	0.0225
비교예 2	170	900	타공 플레이트 필터 장착	측정불가	측정불가
비교예 3	170	2000	일반 플레이트	측정불가	측정불가

실시예 1 ~ 6는 본 발명에서 제시하고자 하는 무기질 파우더 단열재 제조 방법에 따라 단열재를 제조하였다. 실시예 1은 섬유가 없는 반면에도 비교예보다 약간 높은 강도를 보이며, 섬유가 균일하게 들어있는 실시예 2, 5, 6은 밀도가 낮을 수록 굴곡강도는 점점 낮아지나 단열 성능은 점차 개선된다. 실시예 3과 4는 구조적 골조를 갖는 압축된 합재를 사용하여 제조된 것으로 실시예 2와 비교해 볼 때 특별한 차이는 보이지 않았다. 특히 실시예 4를 보면 일반적인 압축성형기를 사용해도 구조체 훼손이 없이 제조가 가능한 것을 알 수 있다.

비교예 1을 보면, 동일 조건인 실시예 1에 비해 굴곡강도가 낮고 내부 비표면적 저하로 단열성능도 나빠졌다. 물론 바인더 사용량을 증량하면 본 발명보다 높은 강도를 부여할 수 있으나, 그럴수록 내부 비표면적이 작아져 단열성능이 떨어지기 때문에 대부분 소량의 강도 보강용으로만 사용된다.

또한 비교예 2, 3는 본 발명에 있어, 고속믹서와 성형방법에 대한 상관 관계를 알 수 있다. 단순히 고속믹서로 구조체를 형성시키더라도, 내부 압력제거가 이루어지지 않으며, 그 효과가 없음을 알 수 있다.

<실험예 2> 파우더의 상부 압축 방식과, 상부/하부 동시 압축 방식 비교

종래 상부 압축 성형 방식과 상부/하부 동시 압축 성형 방식에 따른 물성 비교 결과

구분	파우더 혼합속도 (rpm)	압축 성형기 형태	압축 방법	세부 구분	측정밀도 (Kg/m3)	굴곡강도 (gf/cm2)
실시예 7 ~ 9	2000	타공 플레이트 필터 장착	상부,하부 동시 압축	실시예 7 (상부)	136	190
				실시예 8 (중부)	134	188
				실시예 9 (하부)	135	188
실시예 10 ~ 12	2000	타공 플레이트 필터 장착	상부 압축	실시예 10 (상부)	139	192
				실시예 11 (중부)	129	181
				실시예 12 (하부)	136	188

본 발명에서는 부가적으로 상부 플레이트와 하부 플레이트가 상하로 동시에 압축하는 방식의 성형기의 사용을 제시하고 있다. 상기 표 2에서도 알 수 있듯이 낮은 밀도에서 균일한 밀도와 우수한 굴곡강도를 지니는 단열재를 제조하기 위해서는 상부 플레이트와 하부 플레이트가 동시 압축하는 방식의 성형체 제조 방법이 더 바람직함을 알 수 있다.

본 발명에서 제시한 적용(application) 방법에 대한 실시예를 추가적으로 설명한다.

<실시예 13> 본 발명의 무기질 파우더 단열재를 이용한 진공단열재 제조

흄드 실리카 96.4g과 팽창 퍼라이트 45.9g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 10g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부플레이트와 하부플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 성형하여 밀도 170kg/m3의 심재를 제조하였다. 24시간 70℃, 24시간 140℃ 열풍 건조 후 제조된 심재(강도 측정용)와 심재를 LDPE와 나일론과 알루미늄 필름으로 증착된 90㎛의 두께로 구성되는 400X320mm 크기의 외피재 사이에 투입하고, 진공상태에서 밀봉하여 400mm 부분을 접어 진공 단열재를 제조하였다

<실시예 14> 본 발명의 무기질 파우더 단열재를 이용한 진공단열재 제조

실시예 13와 같이 혼합이 완료된 파우더를 제조한다. 이때 파우더는 42kg/m3의 밀도(bulk density)를 갖고 있으며, 이 파우더를 압축롤러를 통과시켜 155kg/m3의 밀도(bulk density)인 구조적 골조를 갖는 압축된 합재로 제조한다. 압축 입자를 300X300X11mm 폴리프로필렌 부직포 봉투에 넣고 LDPE와 나일론과 알루미늄 필름으로 증착된 90㎛의 두께로 구성되는 400X320mm 크기의 외피재 사이에 투입하고, 진공상태에서 밀봉하여 400mm 부분을 접어 진공 단열재를 제조하였다.

<실시예 15> 본 발명의 무기질 파우더 단열재를 이용한 LNG 수송용 단열재 제조

흄드 실리카 289.2g과 팽창 퍼라이트 137.7g을 혼합하여 블레이드가 장착되어 있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 30g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부플레이트와 하부플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X30mm (부피 2.7L)의 크기로 밀도 170kg/m3의 심재를 제조하였다. 24시간 70℃, 24시간 140℃ 열풍 건조 후 제조된 심재(강도 측정용)와 심재를 LDPE와 나일론과 알루미늄 필름으로 증착된 90㎛의 두께로 구성되는 400X370mm 크기의 마감재 사이에 투입하고, 일반 포장진공상태에서 밀봉하여 400mm 부분을 접어 단열재를 제조하였다

<실시예 16> 본 발명의 무기질 파우더 단열재를 이용한 LNG 수송용 단열재 제조

흄드 실리카 289.2g과 팽창 퍼라이트 137.7g을 혼합하여 블레이드가 장착되어있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 30g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부플레이트와 하부플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X30mm (부피 2.7L)의 크기로 밀도 170kg/m3의 심재를 제조하였다. 24시간 70℃, 24시간 140℃ 열풍 건조 후 제조된 심재(강도 측정용)와 심재를 LDPE와 나일론과 알루미늄 필름으로 증착된 90㎛의 두께로 구성되는 420X420mm 크기의 마감재로 포장하여 제조하였다.

<실시예 17> 본 발명의 무기질 파우더를 이용한 LNG 수송용 단열재 제조

실시예 15와 동일하게 제조 완료한 후 추가로 두께 10mm의 E-glass를 마감재로 사용하여 제조하였다..

<실시예 18> 본 발명의 무기질 파우더 단열재를 이용한 소수성 단열재 제조

흄드 실리카 77.12g 및 소수성 흄드 실리카 19.28g과 팽창 퍼라이트 45.9g을 혼합하여 블레이드가 장착되어있는 믹서에 투입하였다. 보강 섬유로 유리 섬유 10g을 소형 믹서에서 미리 해면 후, 파우더가 들어있는 믹서에 첨가하였다. 믹서는 2000rpm의 속도로 60초간 운용하였으며, 혼합이 완료된 파우더를 타공을 갖는 상부플레이트와 하부플레이트로 구성된 압축 성형기를 사용하여 가로X세로X높이 300X300X10mm (부피 0.9L)의 크기로 밀도 170kg/m3의 단열재를 제조하였다.

<비교예 4> LNC선박 NO 96방법에 의한 단열재 제조

우레탄 보드 가로X세로X높이 300X300X30mm의 내부를 254X254X30mm의 사이즈로 파내고, 하부를 알루미늄 필름으로 받치고, 팽창 퍼라이트 107g을 254X254X30mm 공간에 넣고 40Hz에 진폭 0.5mm로 50초간 진동을 가해 충전하고, 상부를 알루미늄 필름으로 받쳐 열전도율 측정이 가능한 샘플 단열재를 제조하였다. (NO96은 팽창 퍼라이트 입자를 충전하는 방식으로, 열전도율 측정 시편을 상기와 같이 제조함)

<실험예 3> 본 발명의 무기질 파우더 단열재 적용 방식별 물성 비교

열전도율은 ASTM C 177 보호 열판법에 의해 측정하였다. 특히 LNG 선박용 단열재는 초저온에서의 열전도율까지 비교하였다. 소수성능은 KS F 4714 발수도 측정방법으로 확인하였다. 각 항목별로 관련 있는 수치만 측정하여 삽입하였다.

구분	열전도율(W/mK)				발수도
구분	20℃	-40℃	-80℃	-159℃	발수도
실시예 13	0.00421				-
실시예 14	0.00420
실시예 15	0.00601	0.00473	0.00394	0.00276	-
실시예 16	0.0206	0.01854	0.01682	0.01170	-
실시예 18	0.022				99.4%
비교예 4	0.0408	0.0335	0.0289	0.0180	-

실시예 13은 본 발명의 단열재를 심재로 사용하여 진공단열재로 추가 제조하였을 때 0.00421W/mK 성능이 확보 됨을 알 수 있다. 실시예 14는 실시예 13과 달리 구조적 골조를 갖는 압축된 합재를 사용한 것으로 실시예 13과 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 실시예 15와 실시예 16은 LNG 선박용 단열성을 확인한 것으로 기존의 비교예 4에 비해 그 성능이 훨씬 우수함을 나타낸다. 실시예 18는 소수와 친수 합성 실리카를 혼합함으로써 내부 비표면적이 작아져 열전도율이 약간 올라갔으나, 발수도 결과가 우수함을 알 수 있다.

실시예 17을 이용하여 NO96 형태의 플라이우두(plywood) 단열박스와 같은 형태로 장착해 보았다. 플라이우드는 샘플 크기에 맞게 내부 공간이 305*305mm, 깊이 45mm의 박스로 제작하였다. 실시예 17에서 제작한(300*300*30mm의 단열재에 E-glass 10mm로 추가 외피를 하여 310*310*50mm의 크기) 단열재의 측면인 E-glass가 5mm씩 압축되는 형태로 박스에 넣었다. 열려있는 상부도 플라이우드로 덮는데, 이때도 E-glass가 5mm 정도 눌리면서 고정하였다. 플라이우드 박스에 넣어진 단열재는 상하/좌우 모두 E-glass가 압축되면서 내부에서 흔들림이 없고, 알루미늄 증착 필름의 손상도 방지될 수 있다.

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.

10: 상부플레이트
11: 상부타공플레이트
12: 상부필터
13: 상부가압판
20: 하부플레이트
21: 하부타공플레이트
22: 하부필터
23: 하부가압판

Claims

팽창 퍼라이트를 파편화 하고, 해당 팽창 퍼라이트 파편에 미립의 합성실리카를 고속믹서로 분산시켜 무기질 파우더를 만드는 1단계; 및
상기 무기질 파우더 내부의 공기가 균일하게 배출될 수 있도록 바인더를 사용하지 않고 상기 무기질 파우더를 압축 성형하여 단열재를 제조하는 2단계;를 포함하여 구성되는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 무기질 파우더는 전체 중량대비 합성 실리카 50 ~98 중량%와 팽창 퍼라이트 2 ~ 50 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 1단계가 믹서에서 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 고속믹서의 속도는 1000rpm 이상인 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 방법은, 상기 단열재를 외피재로 감싸는 단계; 및
일정한 진공도까지 진공을 형성한 후 외피재의 나머지 일 측면을 열융착하는 단계;를 더 포함하여 구성되는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단열재가 마감재를 더 포함하여 구성되는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 외피재는 알루미늄과 유기소재 필름이 한겹 이상으로 증착 또는 합지되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 마감재는 알루미늄과 유기소재 필름이 증착된 마감재, 알루미늄과 유기소재 필름이 합지된 마감재, 무기질 섬유로 구성된 마감재, 유기재료로 구성된 마감재 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열재가 유체 수송용 단열재 또는 유체 플랜트(plant)용 배관 단열재 또는 가열로의 백업재로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 성형은, 다수의 타공이 형성되어 있는 상부타공플레이트, 상부타공플레이트의 상부에 위치하는 상부필터 및 상부필터의 상부에 위치하는 상부가압판을 포함하는 상부플레이트;
다수의 타공이 형성되어 있는 하부타공플레이트, 하부타공플레이트의 하부에 위치하는 하부필터 및 하부필터의 하부에 위치하는 하부가압판을 포함하는 하부플레이트; 및
저밀도 무기질 파우더를 압축할 때 상부플레이트 및 하부플레이트의 측면과 연접하도록 위치하는 측면플레이트들을 포함하여 구성되는 성형기를 이용하여서 되는 것을 특징으로 하는 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 상부필터 및 하부필터는 유기계 섬유, 무기계 섬유, 유기계 발포폼 또는 무기계 발포폼 중 선택된 어느 하나 이상으로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 상부플레이트와 하부플레이트가 동시에 상부와 하부에서 압축하는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 방법은, 팽창 퍼라이트를 파편화 하고 팽창 퍼라이트 파편에 미립의 합성실리카를 고속믹서로 분산시켜 무기질 파우더를 만드는 1단계; 및
바인더를 사용하지 않고 상기 무기질 파우더를 압축롤러로 압축하여 압축 합재로 된 단열재를 제조하는 2단계;를 포함하여 구성되는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 무기질 파우더는 전체 중량대비 합성 실리카 50 ~98 중량%와 팽창 퍼라이트 2 ~ 50 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 1단계가 믹서에서 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 고속믹서의 속도는 1000rpm 이상인 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 방법은, 상기 단열재를 외피재로 감싸는 단계; 및
일정한 진공도까지 진공을 형성한 후 외피재의 나머지 일 측면을 열융착하는 단계;를 더 포함하여 구성되는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 단열재는 마감재를 더 포함하여 구성되는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 외피재는 알루미늄과 유기소재 필름이 한겹 이상으로 증착 또는 합지되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제18항에 있어서,
상기 마감재는 알루미늄과 유기소재 필름이 증착된 마감재, 알루미늄과 유기소재 필름이 합지된 마감재, 무기질 섬유로 구성된 마감재, 유기재료로 구성된 마감재 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.
제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열재가 유체 수송용 단열재 또는 유체 플랜트(plant)용 배관 단열재 또는 가열로의 백업재로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 팽창 퍼라이트를 이용한 저밀도 무기질 파우더 단열재 제조 방법.