KR101436371B1 - Method by using interface for preparing aerogel reinforced composite material - Google Patents
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Abstract
소수성 에어로겔을 친수성 수용액과 상분리된 계면을 형성시킨 후, 적절한 온도 및 속도로 교반하여 에어로겔 내부의 기공이 수지에 의해 함침 되는 것을 방지하고 에어로겔 이외의 재료 함량을 최소화 하여 높은 기공률 및 낮은 열전도도가 유지된 에어로겔 복합 재료 및 제조 방법을 제공한다. 이에 따라, 수지의 용융온도 이상으로 가열한 후 혼입할 입자를 주입시켜서 성형하는 기존의 용융 혼합(Melt compounding) 방법으로 에어로겔 복합 재료를 제조할 때 발생할 수 있는 에어로겔 복합 재료에 혼입된 에어로겔의 기공이 수지에 의해 함침되어 기공률이 저하되는 것을 방지하여 낮은 열전도도의 에어로겔 복합 재료를 얻을 수 있다.The hydrophobic airgel is formed at an interface with the hydrophilic aqueous solution and then stirred at an appropriate temperature and speed to prevent the pores in the airgel from being impregnated with the resin and to minimize the material content other than the airgel to maintain a high porosity and low thermal conductivity And a method of manufacturing the same. Accordingly, the pores of the aerogels mixed in the aerogel composite material, which may be generated when the aerogel composite material is produced by the conventional melt compounding method in which particles to be mixed are injected after heating at a temperature higher than the melting temperature of the resin, It is possible to prevent the porosity from being impaired by the impregnation with the resin to obtain the airgel composite material with low thermal conductivity.
Description
본 발명은 계면을 이용한 에어로겔 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 에어로겔 혼입 복합 재료(aerogel reinforced plastic)를 제조함에 있어 혼입된 에어로겔 내부의 기공률의 저하를 막아 복합재료가 기존의 에어로겔이 가진 단열성능을 최대한 유지할 수 있도록 한 에어로겔 혼입 복합재료의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 에어로겔 복합재료에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an aerogel using an interface, and more particularly, to a method of manufacturing an aerogel reinforced plastic by preventing deterioration of the porosity of an incorporated airgel, The present invention relates to a method of manufacturing an airgel composite material and an airgel composite material produced thereby.
에너지 절약은 지구온난화, 유가상승 및 이산화탄소 규제 등의 전 세계적인 환경 문제를 해결할 수 있고, 단열 소재는 효율적인 에너지 절약을 실현시키기 위한 중요한 요소이기 때문에 인류 역사상 가장 낮은 열전도도를 가진 에어로겔에 대한 관심이 고조되고 있다.Energy conservation can solve global environmental problems such as global warming, oil price increase and carbon dioxide regulation, and insulating material is an important factor for realizing efficient energy saving. Therefore, interest in aerogels having the lowest thermal conductivity in human history has increased. .
에어로겔은 높은 공기 기공률을 갖는 건조된 겔로써 Kistler에 의해 1930년대 초반에 발견되었다. 실리카 에어로겔이 저온 졸겔 화학 방법에 의해 최초로 합성되었고, 에어로겔은 지난 20년 동안 상용화 가능성 때문에 큰 관심을 받고 있다.Aerogels were found in the early 1930s by Kistler as dried gels with high air porosity. Silica aerogels were first synthesized by low temperature sol-gel chemistry, and aerogels have received great interest because of their potential for commercialization in the last 20 years.
1~100 nm의 나노 입자들이 열린 기공 구조로 구성된 에어로겔은 500-1200 m2/g의 높은 비표면적, 1.1~2.0의 낮은 유전율 및 0.013~0.14W/m·K 낮은 열전도도를 갖는다. 에어로겔은 우수한 단열 성능으로 인하여, 우주선 열 방호, 핵 반응기 및 증기 파이프 등의 단열 소재로 응용될 수 있다. 따라서, 에어로겔의 이러한 성능을 활용하여, 에어로겔을 이용한 단열성능을 가진 다양한 복합재료를 만드는 기술이 산업분야에서 요구되고 있다. Aerogels composed of open pores with nanoparticles of 1 to 100 nm have a high specific surface area of 500-1200 m 2 / g, a low dielectric constant of 1.1 to 2.0 and a thermal conductivity of 0.013 to 0.14 W / m · K. Because of its excellent heat insulation performance, aerogels can be applied to heat insulation materials such as space heat protection, nuclear reactors, and steam pipes. Accordingly, there is a demand in the industry for a technique for making various composite materials having an insulating performance using aerogels, utilizing such performance of aerogels.
한편, 복합재료를 제조하는 기술과 관련하여 보면, 일반적으로 입자 혼입 복합 재료는 원자재의 특성과 복합재의 사용 용도, 크기 및 형상에 따라 다양한 방법으로 제조될 수 있는데, 그 중 용융 혼합(Melt compounding) 방법은 다양한 형태의 입자 혼입 복합 재료를 성형하는 대표적인 방법이다. 용융 혼합(Melt compounding) 방법에서는, 수지를 용융온도 이상으로 가열하여 용융 시킨 후, 여기에 혼입할 입자를 주입시켜서 성형하는 과정을 거치게 된다. Meanwhile, in connection with the technology for producing a composite material, generally, a particle-containing composite material can be manufactured by various methods depending on the characteristics of the raw material and the intended use, size and shape of the composite material. Among them, The method is a typical method of molding various types of particle-incorporated composites. In the melt compounding method, the resin is heated and melted at a temperature higher than the melting temperature, and particles to be mixed with the resin are injected and molded.
그런데, 입자 혹은 과립 형태의 에어로겔은 높은 기공률로 인해 부서지기 쉬워 복합화하는 것이 용이하지 않다. 에어로겔 복합재료를 제조할 때 에어로겔 내부의 기공이 보존되어야만 에어로겔의 낮은 열전도도가 유지된다. 따라서, 에어로겔 복합 재료는 일반적인 용융 혼합 제조 방법과 다른 적절한 성형 방법이 필요하다.However, aerogels in the form of particles or granules are easily broken due to their high porosity, so that it is not easy to composite them. When the aerogel composite is manufactured, the pores inside the aerogels must be preserved to maintain the low thermal conductivity of the aerogels. Therefore, the aerogel composite material needs a proper molding method different from the general melt-mixing manufacturing method.
본 발명은 에어로겔과 다른 재료들을 혼합하여 복합재료를 제조하는 방법으로써, 기존의 입자 용융 혼합방법을 이용하지 않음으로써 에어로겔의 입자가 파괴되는 것을 막아, 에어로겔 복합재료가 제조된 후에도 사용되었던 에어로겔의 기공율이 저하되는 것을 막고, 에어로겔이 가진 단열성능을 유지시킬 수 있도록 하는 새로운 방법을 개발하는 것을 기술적 과제로 한다. The present invention relates to a method for producing a composite material by mixing an aerogel and other materials, which prevents particles of an aerogel from being destroyed by not using a conventional method for melting and mixing particles, And to maintain a heat insulating performance of the airgel.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 에어로겔 복합재료의 제조 시, 소수성인 에어로겔과 계면을 형성할 수 있는 친수성 물질을 사용함으로써 서로 상분리 상태에서 계면을 형성하도록 하고, 교반에 의해 최종 복합재료가 생성된 후에도, 에어로겔의 기공율이 저하되는 것을 막아, 단열성능을 유지시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-described technical problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an aerogel composite material by forming an interface in a state of phase separation from each other by using a hydrophilic material capable of forming an interface with an aerogel, The air porosity of the airgel can be prevented from being lowered even after the material is produced, so that the heat insulating performance can be maintained.
구체적으로 본 발명은 소수성 에어로겔과 다른 재료를 사용하여 에어로겔 복합재료를 제조하는 방법에 있어서, 상기 다른 재료로서 친수성 수용액을 사용하고, 상기 소수성 에어로겔과 친수성 수용액 사이의 계면을 형성시키는 단계를 포함하는, 에어로겔 복합재료 제조방법을 제공한다. More specifically, the present invention relates to a method for producing an aerogel composite material using a hydrophobic aerogel and other materials, comprising the steps of: using a hydrophilic aqueous solution as the another material to form an interface between the hydrophobic aerogel and a hydrophilic aqueous solution; A method for manufacturing an aerogel composite material is provided.
이 때, 계면 형성 후 교반하는 단계를 더욱 포함하고, 이로서 수용액 중의 물을 증발시키게 된다. At this time, the method further includes a step of stirring after the formation of the interface, whereby the water in the aqueous solution is evaporated.
상기 소수성 에어로겔로서 실리카 에어로겔 혹은 탄소 에어로겔을 사용할 수 있고, 친수성 수용액으로서는 예를 들면 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액을 사용할 수 있다. 사용된 에어로겔의 내부 기공률은 90vol% 이상이 바람직하고, 99vol% 이상인 것이 더욱 바람직하다. As the hydrophobic aerogels, silica airgel or carbon aerogels can be used. As the hydrophilic aqueous solution, for example, polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution can be used. The internal porosity of the aerogels used is preferably at least 90 vol%, more preferably at least 99 vol%.
상기 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액은 에어로겔과의 계면 형성 및 이후 교반단계에서의 특성을 고려하여 적절한 농도로 조절할 수 있다. 폴리비닐알콜의 농도는 특별히 제한되는 것은 아니나, 대략 0.1 wt% 내지 50 wt%의 범위로 조절가능한다. The aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) can be adjusted to an appropriate concentration in consideration of the characteristics of the interfacial formation with the airgel and the subsequent stirring step. The concentration of the polyvinyl alcohol is not particularly limited, but can be adjusted in the range of approximately 0.1 wt% to 50 wt%.
폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액에서 용매인 물의 증발에 따라 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수지가 에어로겔과의 계면으로 석출되는데, 에어로겔 복합 재료에 혼입된 에어로겔의 기공률 및 에어로겔 복합 재료 내부의 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수지의 함유량 등을 고려하여 교반 온도 및 속도를 적절히 조절한다. 교반 온도는 상온 내지 350℃에서 선택되는 것이 바람직하고, 교반 속도는 1 rpm 보다 크고 50000 rpm 보다 작은 것이 바람직하나, 특별히 제한되는 것은 아니다. Polyvinyl alcohol (PVA) resin is deposited at the interface with the airgel by the evaporation of water as a solvent in an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA). The porosity of the airgel mixed into the airgel composite and the porosity of the airgel composite The content of polyvinyl alcohol (PVA) resin and the like are taken into account and the stirring temperature and speed are appropriately controlled. The stirring temperature is preferably selected from room temperature to 350 DEG C, and the stirring speed is preferably greater than 1 rpm and less than 50000 rpm, but is not particularly limited.
에어로겔의 부피분율(에어로겔/폴리비닐알콜)은 적절히 조절할 수 있는데, 에어로겔이 가지는 성능을 어느 정도 발휘할 수 있도록 하기 위해서는, 에어로겔의 부피분율은 5 vol% 내지 99 vol% 내에서 선택되는 것이 바람직하고, 10 vol% 보다는 큰 것이 더욱 바람직하다. The volume fraction of the airgel (airgel / polyvinyl alcohol) can be appropriately adjusted. In order to exert some performance of the airgel, the volume fraction of the airgel is preferably selected within the range of 5 vol% to 99 vol% More preferably greater than 10 vol.%.
상기한 방법에 의해 제조된 에어로겔 복합재료는 복합재료화되기 이전의 에어로겔이 가지는 특징, 즉, 기공률이나 낮은 열전도도를 거의 유지하게 된다. 이에 본 발명이 제공하는 상기한 방법에 의해 제조된 에어로겔 복합재료는 대략 0.04 W/m·K이하, 더욱 바람직하게는 0.01 W/m·K 이하의 낮은 열전도도를 가질 수 있다. The aerogel composite material produced by the above method substantially retains the characteristics of the airgel before being formed into a composite material, that is, the porosity and the low thermal conductivity. Accordingly, the aerogel composite material produced by the above-described method provided by the present invention can have a low thermal conductivity of about 0.04 W / m · K or less, more preferably 0.01 W / m · K or less.
본 발명에 의하면, 에어로겔 복합 재료를 에어로겔과 수용액 사이에 형성된 계면을 이용하여 적절히 교반하는 방법으로 제조하면 수지의 용융온도 이상으로 가열하여 혼입할 입자를 주입시켜서 성형하는 용융 혼합(Melt compounding) 방법으로 제조할 때 발생할 수 있는 단점, 즉, 에어로겔 복합 재료에 혼입된 에어로겔의 기공이 수지에 의해 함침되어 기공률이 저하되어 에어로겔 복합 재료의 열전도도가 저하됨으로써, 단열재료로서의 응용이 제한되는 문제점을 개선할 수 있게 된다. According to the present invention, when the aerogel composite material is manufactured by a method of appropriately stirring using an interface formed between an airgel and an aqueous solution, a melt compounding method of injecting particles to be mixed by heating at a temperature higher than the melting temperature of the resin There is a disadvantage that may occur when the airgel composite material is impregnated with the airgel composite material, that is, the pores of the aerogel composite material are impregnated with the resin to lower the porosity and the thermal conductivity of the airgel composite material is lowered, .
즉, 본 발명에 의하면, 소수성 에어로겔과 친수성 수용액, 예를 들어, 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액의 계면을 형성시킨 후, 적절히 교반하여 에어로겔 복합 재료를 제조함으로써, 0.001-0.04 W/m·K 정도의 낮은 열전도도가 유지되는 에어로겔 복합 재료를 제조할 수 있다. That is, according to the present invention, by forming an interface between a hydrophobic aerogel and a hydrophilic aqueous solution, for example, an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA), the aerogel composite material is appropriately stirred to form an interface of 0.001-0.04 W / m · An airgel composite material with a low thermal conductivity of about K can be produced.
도 1은 본 발명의 구현예에 있어서, 에어로겔과 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액의 계면 형성을 나타내는 것으로서, 에어로겔과 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액이 명확하게 상분리 되어 있는 것을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 있어서, 제조된 에어로겔 복합 재료의 형상을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 구현예에 있어서, 제조된 에어로겔 복합 재료에 혼입된 에어로겔 내부의 기공이 존재함을 나타내는 사진이다. FIG. 1 shows the interface formation of an aqueous solution of an aerogel and a polyvinyl alcohol (PVA) in an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows that the aqueous solution of aerogels and polyvinyl alcohol (PVA) It is a photograph.
2 is a photograph showing the shape of the aerogel composite material produced in the embodiment of the present invention.
Figure 3 is a photograph showing the presence of pores in the aerogels incorporated into the manufactured aerogel composite material in an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예들을 통하여 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the present invention.
1. 본 발명의 에어로겔 복합재료에 대한 실시예1. Examples of the aerogel composite material of the present invention
a. 재료
a. material
에어로겔 복합 재료를 제조하기 위하여, 엠파워에서 구입한 실리카 에어로겔을 준비하였다. 또한, 대정화학 (PVA 500 제품) 에서 구입한 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA . 분자량 22000) 분말을 준비하였다.To prepare the airgel composite, a silica airgel purchased from Empower was prepared. A polyvinyl alcohol (PVA, molecular weight: 22,000) powder purchased from Daejung Chemical (PVA 500) was prepared.
사용된 에어로겔의 물성은 다음 표와 같다. The physical properties of the aerogels used are shown in the following table.
열전도도
(thermal conductivity)
Thermal conductivity
(thermal conductivity)
0.02 W/m·K
0.02 W / m · K
밀도(density)
Density
0.05 g/cm3
0.05 g / cm 3
열안정성
(thermal stability)
Thermal stability
(thermal stability)
-200~450℃
-200 to 450 ° C
기공율(porosity)
Porosity
90%
90%
b. 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액 제조
b. Preparation of aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA)
준비된 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 분말을 중탕을 이용하여 60℃의 증류수에 200rpm의 교반속도로 녹여 5 wt% 농도로 제조된 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액을 제조하였다.
Polyvinyl alcohol (PVA) powder prepared by dissolving prepared polyvinyl alcohol (PVA) powders in distilled water at 60 ℃ in distilled water at a stirring speed of 200 rpm was used to prepare 5 wt% aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA).
c. 에어로겔과 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 계면 형성
c. Interfacial formation of aerogels and polyvinyl alcohol (PVA)
상온, 상압 상태에서, 비이커에 준비된 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액 500ml 위에 같은 부피의 실리카 에어로겔 입자를 올려놓았다. 이 때, 친수성인 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액과 소수성인 실리카 에어로겔 간에 계면을 형성하며 상분리되었다. 상분리된 상태의 사진을 도 1에 보인다. Under the normal temperature and normal pressure conditions, 500 ml of an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) prepared in a beaker was loaded with the same volume of silica airgel particles. At this time, an interface was formed between a hydrophilic aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) and a hydrophobic silica airgel, and phase-separated. A picture of the phase-separated state is shown in Fig.
도 1은 본 발명의 구현예에 있어서, 에어로겔과 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액의 계면 형성을 나타내는 것으로서, 에어로겔과 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액이 명확하게 상분리 되어 있는 것을 보여준다.
FIG. 1 shows the interfacial formation of an aqueous solution of an aerogel and a polyvinyl alcohol (PVA) in an embodiment of the present invention, and shows that the aqueous solution of aerogels and polyvinyl alcohol (PVA) are clearly phase-separated .
d. 에어로겔 복합 재료 제조
d. Aerogel composite manufacturing
계면이 형성된 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수용액과 실리카 에어로겔을 핫 플레이트 위에서 60℃로 가열하면서 200 rpm의 속도로 교반하였다. 48시간 동안 교반 상태를 유지하여 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 수지에 실리카 에어로겔이 혼입된 에어로겔 복합 재료를 제조하였다. Polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution and silica airgel having an interface were stirred at a speed of 200 rpm while being heated at 60 ° C on a hot plate. The mixture was stirred for 48 hours to prepare an aerogel composite material containing silica airgel in polyvinyl alcohol (PVA) resin.
도 2는 제조된 에어로겔 복합 재료의 형상을 보인 사진이다. 적절한 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 농도가 유지되고, 적절한 교반 온도 및 속도가 적용됨으로써 바람직한 에어로겔 함유량 및 높은 에어로겔의 기공률이 유지되면서 제조된 에어로겔 복합 재료를 만들 수 있음을 보인다.
2 is a photograph showing the shape of the aerogel composite material produced. It can be seen that a suitable polyvinyl alcohol (PVA) concentration is maintained, and an appropriate stirring temperature and speed are applied, thereby making the produced airgel composite while maintaining a desired airgel content and a high air porosity of the airgel.
e. 기공 특성 분석
e. Analysis of pore characteristics
제조된 에어로겔 복합 재료의 미세 구조는 주사 전자 현미경(일본 JEOL사, scanning electron microscope, FE-SEM JSM-6390LV 모델)을 이용한 이미지를 통하여 확인하였다. 도 3에 나타낸 것과 같이 실시 제조된 에어로겔 복합 재료에 혼입된 에어로겔 내부의 기공이 잘 보존됨을 알 수 있다.
The microstructure of the prepared aerogel composite material was confirmed by scanning electron microscope (JEOL, scanning electron microscope, FE-SEM JSM-6390LV model). As shown in FIG. 3, it can be seen that pores in the aerogels mixed in the manufactured aerogel composite material are well preserved.
f. 열전도도 측정
f. Thermal conductivity measurement
제조된 에어로겔 복합 재료의 열전도도는 열전도도 분석기 (일본 KATO TECH사, Thermal analyzer, Thermo Labo II-KES-F7 모델)을 이용하여 측정하였다.
The thermal conductivity of the manufactured airgel composite material was measured using a thermal conductivity analyzer (Thermal analyzer, Thermo Labo II-KES-F7 model, KATO TECH Co., Ltd., Japan).
상기 측정은 다음 방식에 따라서 행해졌다. The measurement was made according to the following method.
* 9 cm2의 면적과 9.79g의 질량을 가진 열용량이 4.186 X 103 JK-1m-2 인 열 플레이트(고체 구리 플레이트)에서 열이 생성됨. 샘플의 윗면을 열 플레이트로 접촉함으로써, 저장된 칼로리가 저온인 샘플로 전달됨. 접촉 후 0.2 초가 지났을 때 측정 값이 열전달의 피크 값인 q max 임.Heat is generated in a thermal plate (solid copper plate) with an area of 9 cm 2 and a mass of 9.79 g with a heat capacity of 4.186 × 10 3 JK -1 m -2 . By contacting the top surface of the sample with a thermal plate, the stored calories are transferred to the cold sample. The measured value is the peak value of heat transfer q max after 0.2 seconds of contact.
* q max 는 열 플레이트 온도와 샘플의 온도의 온도편차에 비례하고, 또한, 접촉 압력에도 비례함. 플레이트가 90g이고 접촉 면적이 9 cm2 일 때, 10 gf/cm3 의 조건이 표준 테스트 조건으로 사용됨.
* q max is proportional to the temperature deviation between the thermal plate temperature and the sample temperature, and also to the contact pressure. When the plate is 90 g and the contact area is 9 cm 2 , a condition of 10 gf / cm 3 is used as a standard test condition.
* 이에 따라, 측정은 다음과 같이 진행되었다.* Thus, the measurement proceeded as follows.
i) 워터 박스의 온도를 상온으로 셋팅함.i) Set the water box temperature to room temperature.
ii) 5 X 5 cm 의 샘플을 워터 박스 위에 두고, 샘플의 위 면에 열 플레이트를 놓음.ii) Place a 5 x 5 cm sample on the water box and place the thermal plate on top of the sample.
iii) 일정한 값에 도달한 후, 열 플레이트의 열흐름손실(heat flow loss) W를 읽음. iii) After reaching a constant value, read the heat flow loss W of the thermal plate.
iv) 열전도도 K는 위의 식으로부터iv) The thermal conductivity K is calculated from the above equation
이 때, 접촉 압력은 6g/cm2으로 설정되고, 열 플레이트의 온도는 0.1℃ 보다 작은 에러범위에서 조절됨.
At this time, the contact pressure is set to 6 g / cm < 2 >, and the temperature of the thermal plate is adjusted in an error range smaller than 0.1 DEG C.
상기 방법에 의해 측정한 결과, 상기 실시예에서 제조된 에어로겔 복합 재료의 열전도도는 0.02 W/m·K로 나타났다.
As a result of measurement by the above method, the thermal conductivity of the aerogel composite material produced in the above example was 0.02 W / m · K.
g. 실시예의 결과 분석
g. Results analysis of the example
이는 복합재료화 하기 전의 에어로겔의 열전도도값과 동일한 것으로, 에어로겔의 뛰어난 열전도도가 복합재료화한 후에도 동일 수준으로 유지되었음이 확인되었다. It was confirmed that the thermal conductivity of the airgel was the same as the value of the thermal conductivity of the airgel before forming the composite material.
이는 일반적인 혼합물의 법칙(rule of mixture)를 따르지 않는 것으로 열전도도가 에어로겔에 비해 10배 이상 큰 PVA와 복합화 되었음에도 불구하고 낮은 열전도도를 유지하는 것은 에어로겔 내부의 기공이 잘 유지되었고, 또한 나노물질을 넣었을 때 발생하는 계면저항 (thermal interface resistance)에 의해 열전달의 주 매개체인 포논(phonon)의 전달이 늦어지기 때문입니다.
This is because it does not follow the rule of mixture and the thermal conductivity is mixed with PVA which is 10 times larger than that of aerogels. However, maintaining low thermal conductivity maintains the pores inside the airgel, This is because the transfer of the phonon, the main mediator of heat transfer, is delayed by the thermal interface resistance that occurs when it is put in.
또한, 위의 계면 형성 단계를 포함하여 복합재료화하는 경우, 에어로겔과 PVA의 사용비율, 반응 조건(압력, 온도, 교반 속도 등)을 조절하는 것에 의해 매우 손쉽게 에어로겔의 부피분율 및 최종 복합재료의 기공률이 조절될 수 있었으며, 이 때, 복합재료화한 후에도 사용된 에어로겔이 가지는 낮은 열전도도라는 효과를 최대한 유지시키는 것이 가능했다. 예를 들어, 교반 온도가 80℃ 및 교반 속도가 200 rpm 일 때, 에어로겔의 부피분율이 99 vol% 및 에어로겔 내부의 기공률이 99 vol% 인 것이 낮은 에어로겔 복합 재료의 열전도도를 유지하기 위해 바람직했다.
In addition, when composites including the above-mentioned interface forming step, by adjusting the ratio of the use of the airgel and the PVA and the reaction conditions (pressure, temperature, stirring speed, etc.), the volume fraction of the airgel and the The porosity can be controlled and it is possible to maintain the effect of the low thermal conductivity of the aerogels used as much as possible even after the composite material is formed. For example, when the stirring temperature is 80 ° C and the stirring speed is 200 rpm, the volume fraction of the airgel is 99 vol% and the porosity of the inside of the airgel is 99 vol%, which is preferable in order to maintain the thermal conductivity of the airgel composite .
2. 비교예2. Comparative Example
일반적으로 용융 컴파운딩에 비해 필러의 혼입율을 극대화 시킬 수 있는 수지인 에폭시를 이용한 에어로겔 복합재료 제조에 관한 연구들이 진행되어 왔고, 이에 따라 본 발명의 대조군으로 에어로겔/에폭시 (국도화학, YD 128, 경화제는 IPDA) 복합재료를 제조하여, 그 결과를 표 1에 정리하였다.
In general, studies on the production of aerogel composites using epoxy, which is a resin capable of maximizing the incorporation rate of filler as compared with melting compounding, have been carried out. As a control for the present invention, aerogels / epoxy (Kukdo Chemical, YD 128, IPDA) composite material, and the results are summarized in Table 1.
표 1에서 확인할 수 있는 것처럼 에어로겔/에폭시 복합재료의 열전도도는 0.112 W/m·K에서 0.123 W/m·K으로 사용된 에폭시 수지의 열전도도인 0.27 W/m·K보다 작았지만 에어로겔의 열전도도인 0.02 W/m·K보다는 훨씬 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 에어로겔 기공 내부에 에폭시 수지가 침입하여 복합재료 상태에서 기공률이 낮아지기 때문이다.
As can be seen in Table 1, the thermal conductivity of the aerogel / epoxy composites was less than 0.27 W / m · K, the thermal conductivity of the epoxy resin used at 0.112 W / m · K at 0.123 W / m · K, Which is much larger than 0.02 W / m · K. This is because the epoxy resin penetrates into the airgel pores and the porosity of the composite material is lowered.
또한, 에어로겔을 플라즈마 처리함으로서 에어로겔 기공을 작게 조절하여 에폭시 수지의 기공 내 침입을 방지할 수 있으나, 표 1에서 확인할 수 있는 것과 같이 플라즈마 처리된 에어로겔/에폭시 복합재료의 열전도도는 0.085 W/m·K에서 0.11 W/m·K값을 가졌다. 이러한 결과는 Ge 등의 연구에서도 언급된 바 있다. The thermal conductivity of the plasma-treated aerogel / epoxy composite material is 0.085 W / m < 2 >. As shown in Table 1, the thermal conductivity of the plasma- K of 0.11 W / mK. These results have been mentioned in the study of Ge et al.
Journal of Non-Crystalline Solids 355 2610-2615 (2009)
Journal of Non-Crystalline Solids 355 2610-2615 (2009)
Claims (9)
상기 교반하는 단계에서, 교반 온도 및 교반 속도를 변화시킴으로써, 에어로겔 복합재료 내 에어로겔의 부피분율 및 에어로겔 내부의 기공률을 조절하는 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재료 제조 방법.The method of claim 2,
Wherein the volume fraction of the aerogels in the aerogel composite material and the porosity of the inside of the aerogels are adjusted by changing the stirring temperature and the stirring speed in the stirring step.
An aerogel composite material produced by the method of claim 1.
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