KR101400354B1 - 발수성 유리장섬유 보온단열재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발수성 유리장섬유 보온단열재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 평균입경이 7~40㎚인 나노미립자의 소수성 흄드실리카를 노멀 헥산이나 사이클로 헥산, 디메틸 프롬 알데히드, 하이드 로플루오로 카본 및 하이드로 클로로 플루오로 카본 등과 같은 비극성 유기용매에 분산하여 얻은 발수용액을 유리장섬유매트에 함침시켜서 건조에 의해 소수성 흄드실리카가 고착되게 한 뒤 이를 이용하여 평판형이나 또는 라운드형 유리장섬유 보온단열재를 성형해 주도록 하거나 아니면 파이프형 보온단열재를 성형해 주도록 하며, 성형된 유리장섬유 보온단열재의 표면에는 요구되는 발수성에 따라 발수용액을 선택적으로 스프레이 분사하여 발수성을 더욱 높여줄 수도 있도록 한 것으로서, 나노미립자인 소수성 흄드실리카가 유리장섬유매트에 비해 표면에너지가 낮은 비극성 유기용매에 의해 유리장섬유매트에 전체적으로 고르고 신속하게 침투하여 저염소로서 높은 발수성을 지닐 수 있도록 하고 또 내열성 및 보온단열성을 향상시켜 줄 수 있도록 하며, 제품의 강도보강으로 취급 및 시공이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 것이다.

Description

발수성 유리장섬유 보온단열재 및 그 제조방법{WATER REPELLENT E-GLASS FIBER HEAT INSULATING MATERIALS AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 발수성 유리장섬유 보온단열재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 저염소로서 높은 발수성을 지니도록 하면서 내열성과 보온단열성 향상 및 제품의 강도까지도 보강해 줄 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 유리장섬유(E-Glass Fiber)로 이루어진 보온단열재는 유리장섬유가 갖는 특성상 고온에 유리하고 또 높은 공극율로 경량화가 가능하며, 니들펀칭이나 가압고정 등에 의한 고밀도화로 높은 단열성을 지니도록 할 수가 있어 석유화학플랜트나 발전소, 정유회사 및 조선 등 여러 분야에서 보온단열용으로 널리 이용되고 있다.

이러한 유리장섬유 보온단열재는 통상 유리장섬유를 니들펀칭하거나 또는 가압고정하여 고밀도화한 유리장섬유매트를 바인더로 접착형성하여 원하는 형태의 유리장섬유 보온단열재를 성형해 주도록 하고 있으며, 그 종류 또한 2장 이상의 유리장섬유매트를 평판형 지그에 공급하여 바인더의 접착에 의해 평판형으로 성형되게 한 평판형 보온단열재와 이 역시 2장 이상의 유리장섬유매트를 곡면형 지그에 공급하여 바인더의 접착에 의해 곡면형으로 성형되게 한 곡면형 보온단열재 및 바인더가 도포 또는 함침된 소정길이의 유리장섬유매트를 성형롤러에 나선형으로 권취하여 가압롤러의 가압하에서 회전되게 하여 원통형으로 성형되게 한 파이프형 보온단열재 등 다양한 종류를 예로 들 수가 있다.

그러나 유리장섬유매트로 성형제조되는 각종 유리장섬유 보온단열재들은 유리장섬유의 가장 큰 특성인 다공성 구조의 공기층으로 인하여 우수한 단열성을 지니게 되는 반면, 강우 또는 높은 습도 등으로 인하여 내부에 수분이 침투할 경우 침투한 수분에 의한 열전도도의 상승으로 보온단열성이 저하될 우려가 있고 또 내열성의 한계는 유리장섬유 고유의 용융점(약750℃)에 의해 주어지게 되므로 사용가능온도의 한계점이 낮아 이용가치가 떨어지게 되며, 힘이 가해질 시 쉽게 변형되므로 취급 및 시공이 어렵게 된다.

이러한 점들을 감안하여 근래에 들어서는 유리장섬유매트에 염소함량이 높은 유기계 발수제 수용액을 함침시켜서 발수성을 부여해 주도록 하고 또 유리장섬유매트에 무기계 입자가 혼합된 조액을 함침시켜서 내열성과 보온단열성을 향상시켜 주도록 함은 물론 제품의 강도를 보강해 주도록 하고 있다.

그러나 염소함량이 높은 유기계 발수제 수용액을 이용한 발수성 부여시에는 유리장섬유매트 내부에 침투한 수분에 의하여 염소가 용출되어 보온단열해 주고자 하는 장치물이나 또는 배관 등의 부식으로 수명단축을 가져오게 되고 또 이러한 발수성 부여를 위한 유기계 발수제는 발수기능만 만족할 수 있을 뿐 내열성 및 보온단열성 향상과 제품의 강도보강에는 전혀 기여를 할 수가 없게 된다.

또한 유기계 발수제 수용액의 경우 용매로서 물을 사용하게 되는데, 이때 물의 표면에너지는 72.8mN/m 임에 비하여 유리장섬유의 표면에너지는 30~46mN/m으로서, 이러한 경우 물의 표면에너지가 유리장섬유의 표면에너지보다 커 유리장섬유매트 내부에 유기계 발수 수용액의 침투가 어려워지게 됨은 물론 이로 인하여 유기계 발수제를 유리장섬유매트 내부에 고르게 분포시켜 줄 수가 없어 전체적인 고른 발수를 전혀 기대할 수가 없게 된다.

그리고 이러한 유기계 발수제 가운데 불소계 발수제의 경우 건조시 가온하여 180℃정도의 열을 가해 주어야만 발수성이 나타나게 되므로 유리장섬유 보온단열재의 특성상 내부 깊숙히까지 열을 고르게 전달해 주기 어려워 건조시 에너지손실이 매우 커 금전적 손실이 더해지게 된다

더 나아가 유리장섬유 보온단열재의 내열성과 보온단열성 향상 및 강도보강등을 위하여는 별도의 공정을 통하여 무기계 입자가 혼합된 조액이 유리장섬유 보온단열재에 함침되게 한 뒤 건조를 통하여 고착화시켜 주어야 하므로 현저한 생산성 저하를 가져오게 되고 또 발수성 부여를 위한 유기계 발수제와 내열성과 보온단열성 향상 및 강도보강 등을 위한 무기계 입자들이 상호 충돌하여 기능저하를 가져오게 되므로 발수기능은 물론 내열성과 보온단열성 향상 및 강도보강 기능을 모두 만족하는 유리장섬유 보온단열재는 얻을 수가 없게 되는 등의 많은 문제점들이 있는 것이다.

본 발명의 목적은 저염소로서 높은 발수성을 지니도록 하면서 내열성과 보온단열성 향상 및 제품의 강도보강을 가져오도록 할 수가 있는 발수성 유리장섬유 보온단열재 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적달성을 위한 본 발명 발수성 유리장섬유 보온단열재 및 그 제조방법은 마이크론 이하의 수나노미터 크기를 갖는 단열발현성 나노입자, 구체적으로는 소수성 흄드실리카를 비극성 유기용매에 분산시켜서 얻은 발수용액을 유리섬유매트에 함침시켜서 건조에 의해 소수성 흄드실리카가 유리장섬유매트에 고착되게 한 뒤 소수성 흄드실리카가 고착된 유리장섬유매트를 바인더로 접착 성형하여 원하는 형태의 유리장섬유 보온단열재를 성형해 주도록 하며, 유리장섬유 보온단열재의 성형제조후에는 그 표면에 발수용액을 스프레이 분사하여 제품 표면의 발수성을 보강해 줄 수 있도록 함을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 유리장섬유의 표면에너지보다 낮은 표면에너지를 갖는 노멀 헥산(Normal Hexane), 사이클로 헥산(Cyclo Hexane), 디메틸 포름 알데히드(Dimethyl Form Aldehyde), 하이드로 플루오로 카본(Hydro Fluoro Carbon) 및 하이드로 클로로 플루오로 카본(Hydro Chloro Fluoro Carbon) 등과 같은 비극성 유기용매에 수나노미터 크기의 소수성 흄드실리카를 균일하게 분산시킨 발수용액을 유리장섬유매트에 함침시켜 주도록 함으로서, 별도의 함침수단 없이 유리장섬유매트를 단순히 발수용액에 담궈주기만 하면 소수성 흄드실리카가 유리장섬유매트에 전체적으로 고르고 신속하게 침투하여 건조에 의한 소수성 흄드실리카의 고착화 시 저염소로서 소수성 흄드실리카에 의해 높은 발수성을 지니도록 하고 또 내열성과 보온단열성을 향상시켜 주도록 함은 물론 제품의 강도를 보강해 줄 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 수나노미터 크기의 단열발현성 나노입자인 소수성 흄드실리카를 노멀 헥산이나 사이클로 헥산, 디메틸 프롬 알데히드, 하이드로 플루오로 카본 및 하이드로 클로로 플루오로 카본 등과 같은 비극성 유기용매에 분산시켜서 된 저염소의 발수용액을 유리장섬유매트에 함침할 시 저 비점의 비극성 유기용매가 갖는 낮은 표면장력 및 고 휘발성에 의하여 수나노미터 크기의 소수성 흄드실리카가 단시간에 유리장섬유매트 내부에 침투하여 전체적으로 고르게 분포하게 됨은 물론 자연건조에도 저 비점의 비극성 유기용매가 쉽게 휘발되어 소수성 흄드실리카가 쉽게 고착되므로 이를 이용한 유리장섬유 보온단열재의 성형제조 시 보온단열해 주고자 하는 장치물이나 배관이 염소에 의한 부식우려가 없어 사용수명을 보장해 줄 수가 있고 또 전체적으로 고르게 분포한 소수성 흄드실리카는 높은 발수성을 부여하여 발수성을 만족할 수가 있게 됨은 물론 내열성과 보온단열성 향상으로 유리장섬유가 갖는 용융점에 비해 높은 온도하에서도 보온단열기능을 만족하도록 할 수가 있어 유리장섬유 보온단열재의 사용가능 온도를 높여줄 수가 있게 되며, 흄드실리카에 의한 제품의 강도보강으로 취급 및 시공이 용이하게 이루어질 수가 있게 되는 등의 효과가 있는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

다만 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기술이나 기능에 대한 설명시 관련된 공지기술이나 기능에 대한 구체적인 설명으로 인하여 본 발명의 요지가 불필요하게 흐려질 수 있다고 판단될 경우 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

본 발명 발수성 유리장섬유 보온단열재를 얻기 위한 제조단계는 발수성과 내열성 및 단열성을 지닌 소수성 흄드실리카를 비극성 유기용매에 분산시켜서 발수용액을 얻도록 하는 발수용액 제조단계와, 상기 발수용액을 유리장섬유매트에 함침하는 유리장섬유매트 함침단계와, 유리장섬유매트에 함침된 발수용액 중의 소수성 흄드실리카를 유리장섬유매트에 고착시켜 주기 위한 유리장섬유매트 건조단계와 건조된 유리장섬유매트를 이용하여 원하는 형태의 발수성 유리장섬유 보온단열재를 성형하는 유리장섬유 보온단열재 성형단계 및 성형된 유리장섬유 보온단열재의 표면에 발수용액을 스프레이 분사하는 유리장섬유 보온단열재에 대한 발수용액 분사단계로 이루어진다.

본 발명에 이용되는 유리장섬유매트는 유리장섬유를 주재로 하여 매트화된 것이면 모두 만족하므로 비니들매트 일 수도 있고 또 니들매트일 수도 있으나, 고밀도화가 가능한 니들매트를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명 발수용액 제조단계에서 이용되는 소수성 흄드실리카는 구형의 기본입자가 갖는 평균입경은 7~40㎚인 마이크론 이하의 나노미터 크기로서, 입자가 상호연결된 상태이고 또 비표면적은 50~380㎡/g이면 만족한다.

이러한 나노미터 크기의 소수성 흄드실리카는 강한 소수성을 지니고 있어 물 또는 극성용매에는 분산 자체가 불가능하고 또 분산을 위한 용매가 소수성 흄드실리카와 화학적 반응을 동반할 가능성이 있을 경우 사용이 불가능하며, 소수성 흄드실리카의 표면적이나 기공의 크기 및 분포를 변형시키는 용매 또한 사용이 불가능하다.

따라서 본 발명에서는 소수성 흄드실리카를 균일하게 분산시키고 또 고르고 신속하게 함침시켜 줄 수 있는 용매의 선택이 매우 중요하다.

또한 소수성 흄드실리카를 화학적 반응없이 쉽게 분산시켜 주기 위한 비극성 유기용매로서는 노멀 헥산(Normal Hexane), 사이클로 헥산(Cyclo Hexane), 디메틸 포름 알데히드(Dimethyl Form Aldehyde), 하이드로 플루오로 카본(Hydro Fluoro Carbon) 및 하이드로 클로로 플루오로 카본(Hydro Chloro Fluoro Carbon)등을 예로 들 수가 있다.

이러한 비극성 유기용매를 사용하는 이유는 유리장섬유매트의 표면에너지가 30~46mN/m이므로 이보다 낮은 표면에너지를 갖는 비극성 유기용매를 사용함으로서, 소수성 흄드실리카가 유리장섬유매트 내부에 전체적으로 고르고 신속하게 침투할 수 있도록 하기 위함이다.

또한 비극성 유기용매에 발수성과 내열성 및 단열성을 지닌 나노입자의 소수성 흄드실리카를 분산시키는 것은 균질분산을 도모하는 것 외에 비극성 유기용매의 증발후에도 소수성 흄드실리카의 구조파괴로 인한 발수특성과 내열특성 및 보온단열특성이 상실되지 않도록 하기 위함이다.

즉 극성 유기용매를 사용할 경우 건조처리가 제대로 이루어지지 못해 수분 또는 -OH기가 소수성 흄드실리카 표면에 남아있을 경우 건조 또는 열처리과정에서 수분의 증발 또는 -OH기들 사이의 반응으로 인하여 소수성 흄드실리카의 기공이 축소되거나 파괴될 수 있기 때문에 비극성 유기용매를 사용하여야만 만족한 결과를 얻을 수가 있게 된다.

그리고 발수용액은 수나노미터 크기의 소수성 흄드실리카 0.05~15중량%를 비극성 유기용매 85~99.95중량%에 분산시켜서 얻게 되는데, 이때 발수용액 중에 소수성 흄드실리카가 차지하는 비율이 0.05중량%이하일 경우 흄드실리카의 분포량 감소로 인하여 발수성 부여와 내열성과 단열성 향상 및 제품의 강도보강을 크게 기대할 수가 없게 되고 또 발수용액 중에 소수성 흄드실리카가 차지하는 비율이 15중량%이상일 경우에는 비극성 유기용매에 대한 균질분산이 어렵게 됨은 물론 유리장섬유매트에 대한 고른 침투가 어렵기 때문에 비극성 유기용매에 대한 소수성 흄드실리카의 중량비는 주어진 중량비를 유지하도록 하여야만 만족한 결과를 얻을 수가 있게 된다.

또한 유리장섬유매트에 발수용액을 함침하는 유리장섬유매트 함침단계는 수나노미터 크기의 소수성 흄드실리카를 분산시켜 주는 비극성 유기용매의 표면에너지가 유리장섬유가 갖는 표면에너지에 비해 낮아 발수용액은 유리장섬유매트 내부에 전체적으로 고르고 신속하게 침투할 수가 있게 되므로 별도의 함침수단 없이 단순히 유리장섬유매트를 발수용액에 담궈주기만 하면 충분한 함침이 이루어질 수가 있게 된다.

또한 발수용액이 함침된 유리장섬유매트를 건조하여 소수성 흄드실리카를 고착시켜 주기 위한 유리장섬유매트 건조단계는 원하는 함수율을 갖도록 건조해 줄 수 있는 것이면 모두 만족하므로 일반건조기를 이용한 건조가 이루어지도록 할 수도 있으나, 발수용액 중의 비극성 유기용매는 비점이 낮아 상온에서도 쉽게 휘발되므로 별도의 건조장치 없이도 건조가 이루어지도록 할 수가 있게 되며, 이로 인하여 에너지절약에도 기여할 수가 있어 제조비용절감 및 공정관리의 효율성을 기대할 수가 있다.

그러나 발수용액이 함침된 유리장섬유매트의 건조는 소수성 흄드실리카를 분산시켜 주기 위한 비극성 유기용매의 비점에 따라 각기 다른 조건에서 진행할 수도 있다.

즉, 하이드로 플루오로 카본(Hydro Fluoro Carbon) 및 하이드로 클로로 플루오로 카본(Hydro Chloro Fluoro Carbon)등을 비극성 유기용매로 사용한 경우 자연건조에 의해서도 단시간에 발수성을 회복할 수가 있게 되나, 노멀 헥산(Normal Hexane)과 사이클로 헥산(Cyclo Hexane) 및 디메틸 포름 알데히드(Dimethyl Form Aldehyde)등은 자연건조시 약24시간의 건조를 필요로 하므로 이들에 한해서는 50~70℃의 조건에서 건조가 이루어 지도록 하는 것이 바람직하다.

또한 건조된 유리장섬유매트를 이용하여 원하는 형태의 유리장섬유 보온단열재를 성형하는 유리장섬유 보온단열재 성형단계는 완성된 형태의 유리장섬유 보온단열재를 얻기 위한 것으로서, 이때 얻을 수 있는 유리장섬유 보온단열재로서는 다양한 종류를 예로들 수가 있다.

즉, 소수성 흄드실리카가 고착된 2장 이상의 유리장섬유매트를 평판형 지그 상에 공급하여 바인더에 의한 층간 접착으로 평면을 이루도록 성형한 뒤 건조하여 평판형 보온단열재를 얻도록 할 수도 있고 또 소수성 흄드실리카가 고착된 2장 이상의 유리장섬유매트를 곡면형 지그에 공급하여 바인더에 의한 층간 접착으로 곡면을 이루도록 성형한 뒤 건조하여 곡면형 보온단열재를 얻도록 할 수도 있으며, 바인더가 도포된 소정길이의 유리장섬유매트를 성형롤러에 나선형으로 권취하여 가압롤러의 가압하에서 회전되게 하여 파이프형으로 성형되게 한 뒤 건조하여 파이프형 보온단열재를 얻도록 할 수도 있게 되는데, 이러한 유리장섬유 보온단열재의 성형방법은 일반적으로 이용되고 있는 기술로서, 더 이상의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

그리고 성형된 유리장섬유 보온단열재의 표면에 발수용액을 스프레이 분사하는 유리장섬유 보온단열재에 대한 발수용액 분사단계는 외부에 노출되는 유리장섬유 보온단열재의 표면층에 적당량의 발수용액을 스프레이 분사하여 외부로부터 수분침투가 시작되는 표면층의 발수성을 더욱 높여주기 위한 것으로서, 앞선 유리장섬유매트 함침단계에서 이미 요구되는 발수성을 만족할 만큼의 소수성 흄드실리카가 함침되므로 유리장섬유 보온단열재에 대한 발수용액 분사단계는 유리장섬유 보온단열재의 종류별 요구되는 발수성에 따라 선택적으로 이루어지도록 하게 된다.

이때 이용되는 발수용액 역시 앞선 유리장섬유매트 함침단계에서 이용되는 발수용액과 동종의 것으로서, 발수용액의 분사량은 소량이고 또 발수용액 중의 비극성 유기용매가 갖는 높은 휘발성으로 인하여 별도의 건조공정 없이 단시간의 자연건조에 의해 발수용액 중의 소수성 흄드실리카를 유리장섬유 보온단열재의 표면에 고착시켜줄 수가 있게 된다.

이와같이 본 발명을 통하여 얻게 되는 유리장섬유 보온단열재는 발수성을 부여하고 또 내열성과 보온단열성 향상 및 제품의 강도보강을 위한 소수성 흄드실리카가 비극성 유기용매에 분산되므로 발수용액은 저염소로서 친환경적일 뿐만 아니라 보온단열해 주고자 하는 장치물이나 배관 등의 부식을 최소화하여 사용수명을 보장해 줄 수가 있게 된다.

또한 소수성 흄드실리카는 구형의 기본입자의 평균입경은 7~40㎚인 마이크론 이하의 나노미터 크기로서, 노멀 헥산(Normal Hexane), 사이클로 헥산(Cyclo Hexane), 디메틸 포름 알데히드(Dimethyl Form Aldehyde), 하이드로 플루오로 카본(Hydro Fluoro Carbon) 및 하이드로 클로로 플루오로 카본(Hydro Chloro Fluoro Carbon)등과 같은 비극성 유기용매에 분산되어 유리장섬유매트에 함침되게 함으로서, 별도의 함침수단 없이 단순히 유리장섬유매트를 발수용액에 담궈주는 것으로도 전체적으로 고르고 신속한 함침이 이루어질 수가 있어 함침작업이 신속하고 용이하게 이루어질 수가 있게 된다.

발수용액이 함침된 유리장섬유매트의 건조시에도 발수용액 중의 비극성 유기용매는 비점이 낮아 상온에서도 쉽게 휘발되므로 별도의 건조장치 없이도 건조가 이루어지도록 할 수가 있게 되며, 이로 인하여 에너지절약에도 기여할 수가 있어 제조비용절감 및 공정관리의 효율성을 기대할 수가 있다.

그리고 발수용액의 함침에 의해 소수성 흄드실리카가 고착된 유리장섬유매트를 이용한 유리장섬유 보온단열재의 성형후에는 그 표면에 선택적으로 발수용액을 스프레이 분사하여 발수성을 더욱 높여주도록 할 수가 있게 되므로 눈비나 각종 수분에 노출되는 정도에 따라 적절한 발수성을 부여해 줄 수가 있게 된다.

특히 발수용액의 함침에 의해 유리장섬유매트에 전체적으로 고르게 분포하는 소수성 흄드실리카는 높은 발수성을 지니게 되므로 발수성을 충분히 만족할 수가 있게 되고 또 내열성과 보온단열성을 향상시켜줄 수가 있어 유리장섬유 보온단열재의 사용온도를 높여줄 수가 있게 되며, 더 나아가 제품의 강도보강으로 취급 및 시공이 용이하게 이루어지도록 할 수가 있게 되는 것이다.

Claims (12)

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5. 평균직경이 7~40㎚크기의 나노미립자인 소수성 흄드실리카 0.05~15중량%를 비극성 유기용매 85~99.95중량%에 분산시켜서 발수용액을 얻도록 하는 발수용액 제조단계와;
   상기 발수용액 제조단계에서 얻은 발수용액을 유리장섬유매트에 함침하는 유리장섬유매트 함침단계와;
   상기 유리장섬유매트 함침단계에서 얻은 발수용액이 함침된 유리장섬유매트를 건조하여 발수용액 중의 소수성 흄드실리카가 유리장섬유에 고착되게 하는 유리장섬유매트 건조단계 및;
   상기 유리장섬유 건조단계에서 건조된 유리장섬유매트와 바인더를 이용하여 평판형이나 곡면형 및 파이프형 등 원하는 형상의 유리장섬유 보온단열재를 성형하는 유리장섬유 보온단열재 성형단계로 구성함을 특징으로 하는 유리장섬유 보온단열재의 제조방법.
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8. 제5항에 있어서, 상기 발수용액 제조단계에서 이용되는 비극성 유기용매로서는 노멀 헥산(Normal Hexane), 사이클로 헥산(Cyclo Hexane), 디메틸 포름 알데히드(Dimethyl Form Aldehyde), 하이드로 플루오로 카본(Hydro Fluoro Carbon) 및 하이드로 클로로 플루오로 카본(Hydro Chloro Fluoro Carbon) 중에 선택되는 하나 이상임을 특징으로 하는 발수성 유리장섬유 보온단열재의 제조방법.
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