KR101555463B1 - 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열 보드 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 물과 에어로겔 분말과 바인더 분말을 혼합하여 에어로겔 슬러리화하는 단계와 상기 에어로겔 슬러리와 충진재를 혼합하는 단계와 상기 혼합물을 금형에 투입하는 단계와 가압 성형하는 단계와 성형체를 탈형하는 단계와 상기 성형체를 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은 에어로겔이 가지는 소수성, 경량성을 최대한으로 발현할 수 있고, 금형에 따라 다양한 형태의 경량 보드가 가능한 효과가 있는 것이다.

Description

에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법 {Manufacture method for Hydrophobe light weight insulation Board including Aerogel}

본 발명은 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 소수성을 가지며 금형에 따라 다양한 형태의 경량(輕量) 보드를 제조하는 것이 가능한 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법에 관한 것이다.

산업기술이 최첨단하면서 에어로겔에 대한 관심도가 높아지고 있다. 에어로겔은 기공율이 90% 이상, 비표면적이 1,500㎡/g 정도이며, 나노 다공성 구조를 가진 투명 또는 반투명한 극저밀도의 첨단 소재이다.

따라서, 이러한 나노 다공성 구조를 갖는 에어로겔은 촉매 및 촉매 담체, 방음재 등의 분야에 응용이 가능하며, 특히, 실리카 에어로겔은 매우 낮은 열전도도 특성을 가지기 때문에 냉장고, 자동차, 항공기, 의류, 극저온 저장탱크, 산업용 파이프 라인, 보온병 등에 사용될 수 있는 매우 효율적인 초단열 재료이다.

그러나, 일반적으로 모노리스 형태로 제조되는 에어로겔은 높은 취성으로 인하여 작은 충격에도 쉽게 부서지는 등, 매우 취약한 강도를 보이며 다양한 두께 및 형태로의 가공이 어렵기 때문에 우수한 단열특성에도 불구하고 에어로겔 단독으로는 단열재로의 응용이 매우 어려운 실정이다.

따라서, 이를 해결하기 위하여 에어로겔과 다른 소재와의 복합체 형성을 통한 단열재 제조가 다양하게 시도되고 있다.

그 중에서 상기 에어로겔을 이용한 보드 제조방법 등에 관한 기술로서, 발포제를 사용하지 않고 단열성을 향상시키는 것이나, 사용한 재료를 회수하여 재사용할 수 있는 에어로겔 함유 단열보드 시스템이 결합된 특허출원이 활발해지고 있는 추세이다.

또한, 기존의 단열보드에 사용되는 단열재로는 석고보드, 퍼라이트 보드 및 발포 폴리스티렌이 널리 사용되었는데, 상기 석고보드의 경우, 고비중과 운반과 시공에 불편함을 주며, 경화된 이후에는 흡기성과 통기성이 좋지 못한 단점도 있다. 퍼라이트 보드의 경우, 습기가 발생하면 물을 흡수하여 단열성능이 저하되며 내구성이 떨어진다는 단점이 있었다. 발포 폴리스티렌의 경우 난연성을 갖추지 못하고 있어, 화재에 대하여 취약하며 화재발생 시, 유독가스가 발생한다는 문제점이 있었다.

이러한 특허로서, 등록 제10-1200445호에서는 부직포의 삽입으로 패널형태를 유지하여 진공포장한 에어로겔 진공 단열 패널 제조방법을 선보였으나, 금형에 따라 다양한 형태의 표현이 어렵고, 소수성을 가지지 못한다는 단점이 있었다.

대한민국특허 제 1200445호

따라서, 본 발명은 에어로겔이 지닌 초단열성, 소수성, 경량성을 최대한 발현하고 다양한 형태로의 보드의 제조가 가능하며, 이로 인하여 우수한 단열성, 방수성, 경량성 및 내화성을 가진 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드의 제조방법을 제공하고자 하는데 있는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 물과 에어로겔 분말과 바인더 분말을 혼합하여 에어로겔 슬러리화하는 제1단계; 상기 에어로겔 슬러리와 충진재를 혼합하는 제2단계;를 포함하며, 상기 에어로겔 슬러리와 충진재가 혼합된 혼합물은 70~73중량%의 물과 0.5 - 1중량%의 바인더 분말과 26-29중량%의 충진재를 혼합하되, 상기 충진재를 100중량%로 설정할 경우 상기 충진재 대비 1~10중량%의 소수성 에어로겔 분말이 첨가되며, 상기 2단계에서 혼합된 혼합물을 금형에 투입하는 제3단계; 상기 혼합물을 가압 성형하는 제4단계; 상기 4단계에서 성형된 성형체를 탈형하는 제5단계; 그리고 상기 성형체를 건조시키는 제6단계; 를 포함한다.

또한, 상기 바인더는 폴리비닐알콜, 우레탄계, 셀룰로오스계, 에폭시계 및 녹말계 물질 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 에어로겔 분말의 크기는 1 - 50㎛이하이며, 밀도는 0.05-0.1g/㎠의 균일한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 것이다.

그리고, 상기 혼합단계는 26-29%의 충진재에 슬러리를 혼합하여 혼합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 것이다.

그리고, 상기 충진재는 퍼라이트와 훔드 실리카를 사용하여 혼합물을 제조하되, 상기 훔드 실리카의 비율은 40%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 것이다.

그리고, 상기 퍼라이트는 입자의 크기가 2mm 이하이며, 밀도는 0.07g/㎠인 것을 특징으로 하는 것이다.

그리고, 상기 성형 단계는 상기 혼합물을 금형에 투입한 후, 1,000psi으로 가압하는 것을 특징으로 하는 것이다.

더 나아가, 상기 건조 단계는 100℃ ~ 120℃에서 4시간 동안 1차 건조를 한 후, 140℃ ~ 160℃에서 6시간 동안 2차 건조하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같이 서술한 대로, 본 발명에 의한 제조방법은 에어로겔이 가지는 소수성, 경량성을 최대한으로 발현할 수 있고, 금형에 따라 다양한 형태의 경량 보드가 제조 가능하며 운반 및 시공에 용이하며 방수성이 구현되어 우수한 단열성 및 내화성을 가지는 소수성 경량 단열 보드를 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법의 흐름도.
도 2는 에어로겔 슬러리화 단계가 진행중인 것을 나타낸 사진.
도 3은 혼합단계가 진행중인 것을 나타낸 사진.
도 4는 혼합단계에서 생산된 혼합물을 금형에 투입하는 것을 나타낸 사진.
도 5는 가압 성형하는 장면을 나타낸 사진.
도 6은 성형이 완료된 보드를 탈형하는 장면을 나타내는 사진.
도 7은 본 발명의 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드가 소수성을 가지는 것을 나타내는 사진.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 앞서서, 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법의 흐름도이고, 도 2는 에어로겔 슬러리화 단계가 진행중인 것을 나타낸 사진이고, 도 3은 혼합단계가 진행중인 것을 나타낸 사진이고, 도 4는 혼합단계에서 생산된 혼합물을 금형에 투입하는 것을 나타낸 사진이고, 도 5는 가압 성형하는 장면을 나타낸 사진이고, 도 6은 성형이 완료된 보드를 탈형하는 장면을 나타내는 사진이고, 도 7은 본 발명의 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드가 소수성을 가지는 것을 나타내는 사진이다.

본 발명에 의한 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법은 에어로겔 분말과 바인더 분말이 사용되는데, 본 발명에 사용되는 에어로겔과 바인더에 관한 상세한 설명을 하기로 한다.

* 에어로겔 부재

본 발명에서 사용되는 에어로겔은 골격이 망목구조를 이루며, 내부에 공기를 90% 이상을 함유한다. 상기 에어로겔은 기공율이 80% ~ 99%, 바람직하게는 85% ~ 9 7%인 것이 사용될 수 있으며, 밀도가 0.001 ~ 0.5g/㎤ 바람직하게는 0.005~0.35 g/㎤인 것을 사용될 수 있다. 또한, 내부 표면적이 200 ~ 2,000㎡/g, 바람직하게는 400 ~ 1,800㎡/g 인 것이 사용될 수 있으며, 평균 기공 직경은 1 ~ 100nm, 바람직하게는 10 ~ 70nm 인 것이 사용될 수 있다.

상기 에어로겔의 평균입경은 50nm ~ 100㎛이며, 바람직하게는 1㎛ ~ 50㎛, 더욱 바람직하게는 10㎛ ~ 45㎛이다. 상기 에어로겔의 크기가 50nm 미만일 경우, 에어로겔 고유의 특성을 나타내는 기공이 입자마다 제대로 형성되기 어려울 뿐만아니라, 분산이 어려울 수 있다. 반면에, 100㎛를 초과할 경우에 최종 제품의 기계적 물성을 저하시킬 수 있다.

상기 에어로겔의 기공 부피는 1 ~ 10 ㎤/g이며 바람직하게는, 1.5 ~ 7 ㎤/g, 더욱 바람직하게는 2 ~ 4 ㎤/g이다. 기공 부피가 1㎤/g 미만일 경우 공기가 차지하는 공간이 너무 적으면서, 동시에 골격으로의 열전도 경로가 우세해져서 단열효과가 저해될 수 있으며 10㎤/g를 초과할 경우, 기공이 너무 커서 공기의 대류에 의하여 단열효과가 저하될 수 있다.

본 발명에 사용된 상기 에어로겔은 평균입경이 0.05 ~ 100㎛이고, 기공크기가 1 ~ 100nm 이고, 기공 부피가 1 ~ 10 ㎤/g인 것이 사용될 수 있다.

* 바인더 부재

바인더(Binder)는 유기질 바인더와 무기질 바인더로 나뉘어지는데 딱풀이나 집에서 녹말가루 같은 것을 끓여서 만든 풀이 유기질 바인더(접착제)이다.

무기질 바인더는 시멘트나 황산칼슘이 주성분인 석고나 진흙이나 점토, 액체성분인 규산 나트륨, 규산 알류미나, 규산칼슘 등이 있다.

상기 바인더의 특징으로는 상기 서술한 무기화학물질에 물을 첨가하면 화학반응이 일어나면서 접착제(接着劑)의 성질을 띠게 되는 것이다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 더욱 구체적으로 나타날 것이며, 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 예시에 불과하며 본 발명을 한정하거나 제한을 하는 것은 아님을 밝혀두고자 한다.

실시예

도 1을 보면, 물과 에어로겔 분말과 바인더 분말을 혼합하여 에어로겔 슬러리화를 한다. (제1단계)

상기 제1단계에서는 70- 73중량%의 물과 0.5 - 1중량%의 바인더를 혼합한 후, 26-29중량%의 충진재를 첨가 혼합하여 슬러리 형태를 생성하게 된다. 이때, 충진재를 100중량%로 설정할 경우 충진재에는 1 ~ 10중량%의 소수성 에어로겔 분말이 첨가된다. (도 2 참조)

여기서, 상기 바인더는 폴리비닐알콜, 우레탄계, 셀룰로오스계, 에폭시계 및 녹말계 물질 중 어느 하나를 이용하는 것이다.

또한, 소수성 에어로겔 분말의 크기는 1 - 50㎛이하이며, 열전도도 5~30mW/mK, 밀도는 0.05-0.1g/㎠으로 비중이 낮기 때문에 소량을 혼합하여도 보드의 비중을 현저하게 낮추므로 단열 및 경량효과가 발현될 수 있는 것이다.

에어로겔의 함량에 의한 열전도도를 측정한 결과는 하기의 표 1과 같다.

항 목	에어로겔 함량 비율(wt%)	열전도도W/(m·K)
1	일반 퍼라이트 사용보드	0.06 ~ 0.08
2	2	0.0508
3	4	0.0513
4	6	0.0492
5	8	0.0477
6	10	0.0466

상기 표 1을 살펴보면, 에어로겔의 함량에 비례하여 열전도도가 점차 감소하므로 결국, 단열성능이 개선되고 있음을 알 수 있다.

도 3에 나타난 바와 같이, 에어로겔 슬러리와 충진재를 혼합한다.(제2단계)

상기 혼합단계(제2단계)는 전체 100중량% 중 26-29중량%의 충진재에 에어로겔 슬러리를 혼합하여 혼합물을 제조하는 것이다.

상기 혼합단계에서는 에어로겔 슬러리와 충진재의 혼합시간은 2분 이내로 이루어져야 함을 유의하여야 한다. 그 이유는 만일 2분 이상이 지속되면 혼합물의 밀도가 낮아져서 성형이 어려워지고 건조가 되어도 강도(强度)가 떨어질 수 있기 때문이다.

여기서, 상기 충진재는 퍼라이트와 훔드 실리카를 사용하여 혼합물을 제조하되, 상기 훔드 실리카의 비율은 40%를 초과하지 않는 것을 특징으로 한다.

그 이유는, 만일 그 이상이 되면 성형이 어렵기 때문이다. 여기서, 상기 퍼라이트는 입자의 크기가 2mm 이하이며, 밀도는 0.07g/㎠인 것이 바람직하다.

도 4를 보면, 상기 방법으로 제조된 상기 혼합물을 금형에 투입한다.(제3단계)

도 5와 도 6을 참조하면, 상기 혼합물을 가압 성형(제4단계)한 다음에 상기 제4단계에서 생성된 성형체를 탈형을 하는 것이다. (제5단계)

상기 성형 단계(제4단계)는 상기 혼합물을 금형에 투입한 후, 1,000psi으로 가압시키는 과정을 거친 후 탈형하는 것이다.

만일, 금형에 가하는 압력이 1,000psi 보다 낮으면 성형체의 밀도가 낮아지므로 경량성은 향상되지만 강도가 약해질 우려가 있으며, 그 반대로 1,000psi 보다 높으면 가압 중 수분이 유출되거나 탈형 및 건조를 하는 도중에 복원력에 의한 모양이 유지가 되기 어렵기 때문이다.

그 다음에, 상기 성형체를 건조시키는 것이다.(제6단계)

상기 건조 단계(제6단계)는 100℃ ~ 120℃에서 4시간 동안 1차 건조를 한 후, 140℃ ~ 160℃에서 6시간 동안 2차 건조하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 방법에 의하여 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드는 설치 금형에 따라 다양한 형태의 경량 보드가 제조될 수 있는 것이다.

따라서, 도 7은 본 발명으로 제조된 소수성 경량 단열보드가 소수성을 가지는 것을 나타낸 것인데, 물과 쉽게 결합되지 아니하므로 물과 섞이게 되지 않음을 볼 수 있는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 상기와 같은 단계를 통하여 수득된 경량 보드는 에어로겔이 가지고 있는 특징인 초단열성, 소수성, 경량성을 최대한으로 발현함으로서, 우수한 단열성, 방수성 및 내화성을 가지는 장점이 있는 것이다.

상기와 같이 설명한 대로, 본 발명은 양호한 실시예에 근거하여 설명하였지만, 이런 실시예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능한 것이다.

그러므로, 본 발명의 보호범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석하여야 할 것이다.

Claims (7)

1. 물과 에어로겔 분말과 바인더 분말을 혼합하여 에어로겔 슬러리화하는 제1단계; 상기 에어로겔 슬러리와 충진재를 혼합하는 제2단계;를 포함하며,
   상기 에어로겔 슬러리와 충진재가 혼합된 혼합물은 70~73중량%의 물과 0.5 - 1중량%의 바인더 분말과 26-29중량%의 충진재를 혼합하되, 상기 충진재를 100중량%로 설정할 경우 상기 충진재 대비 1~10중량%의 소수성 에어로겔 분말이 첨가되며,
   상기 2단계에서 혼합된 혼합물을 금형에 투입하는 제3단계;
   상기 혼합물을 가압 성형하는 제4단계;
   상기 4단계에서 성형된 성형체를 탈형하는 제5단계; 그리고
   상기 성형체를 건조시키는 제6단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 바인더는 폴리비닐알콜, 우레탄계, 셀룰로오스계, 에폭시계 및 녹말계 물질 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 에어로겔 분말의 크기는 1 - 50㎛이하이며, 밀도는 0.05-0.1g/㎠의 균일한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 충진재는 퍼라이트와 훔드 실리카를 사용하여 혼합물을 제조하되, 상기 훔드실리카의 비율은 40%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 퍼라이트는 입자의 크기가 2mm 이하이며, 밀도는 0.07g/㎠인 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 제4단계는 상기 혼합물을 금형에 투입한 후, 1,000psi으로 가압하는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 제6단계는 100℃ ~ 120℃에서 4시간 동안 1차 건조를 한 후, 140℃ ~ 160℃에서 6시간 동안 2차 건조하는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법.

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