KR101684508B1 - 단열성 다층 복합체 - Google Patents

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KR101684508B1
KR101684508B1 KR1020150108331A KR20150108331A KR101684508B1 KR 101684508 B1 KR101684508 B1 KR 101684508B1 KR 1020150108331 A KR1020150108331 A KR 1020150108331A KR 20150108331 A KR20150108331 A KR 20150108331A KR 101684508 B1 KR101684508 B1 KR 101684508B1
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여인웅
이태원
홍웅표
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최광훈
김보경
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현대자동차 주식회사
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Abstract

본 발명은 제1 바인더 수지 80중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1중량% 내지 20중량%;를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 제1열팽창 흡수층; 및 제2 바인더 수지 50중량% 내지 95중량% 및 에어로겔 5 중량% 내지 50중량%;를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 제2열팽창 흡수층;을 포함하고, 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 서로간의 에어로겔 함량이 상이한, 단열성 다층 복합체에 관한 것이다.

Description

단열성 다층 복합체{MULTI-LAYER COMPOSITES HAVING THERMAL INSULATION PROPETTY}
본 발명은 단열성 다층 복합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 단열성 다층 복합체에 관한 것이다.
내연기관은 연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드(깃) 등에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관을 말한다. 실린더 내에서 연료와 공기와의 혼합기체에 점화하여 폭발시켜서 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관을 가리킬 때가 많으나, 가스터빈·제트기관·로켓 등도 내연기관이다.
내연기관을 사용하는 연료에 의해 가스기관, 가솔린기관, 석유기관, 디젤기관 등으로 분류된다. 석유·가스·가솔린 기관은 점화플러그(점화전)에 의해 전기불꽃으로 점화되고, 디젤기관은 연료를 고온 및 고압의 공기 속에 분사하여 자연발화시킨다. 피스톤의 행정·동작에 따라 4행정, 2행정 사이클 방식이 있다.
통상적으로 자동차의 내연 기관은 15% 내지 35% 내외의 열효율을 갖는 것으로 알려져 있는데, 이러한 내연 기관의 최대 효율에서도 내연 기관의 벽을 통하여 외부로 방출되는 열에너지와 배기 가스 등으로 인하여 전체 열에너지 중 약60% 이상이 소모되어 버린다.
이와 같이 내연 기관의 벽을 통하여 외부로 방출되는 열에너지의 양을 줄이면 내연 기관의 효율을 높일 수 있기 때문에, 내연 기관의 외부에 단열 재료를 설치하거나 내연 기관의 재질이나 구조의 일부를 변경하거나 내연 기관의 냉각 시스템을 개발하는 방법들이 사용되었다.
특히, 내연 기관 내에서 발생하는 열이 내연 기간의 벽을 타고 외부로 방출되는 것을 최소화하면 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는데, 반복적인 고온 및 고압의 조건 가해지는 내연 기관 내부에서 장시간 유지될 수 있는 단열 재료나 단열 구조 등에 관한 연구는 미미한 실정이다.
본 발명은 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 단열성 다층 복합체을 제공하기 위한 것이다.
본 명세서에서는, 제1 바인더 수지 80중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1중량% 내지 20중량%;를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 제1열팽창 흡수층; 및 제2 바인더 수지 50중량% 내지 95중량% 및 에어로겔 5 중량% 내지 50중량%;를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 제2열팽창 흡수층;을 포함하고, 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 서로간의 에어로겔 함량이 상이한, 단열성 다층 복합체가 제공된다.
상기 상이한 단열성 다층 복합체는 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품의 코팅용으로 형성될 수 있으며, 구체적으로 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 외부에 형성될 수 있다.
상기 단열성 다층 복합체가 구체적인 실시예에 따르면, 상기 제1열팽창 흡수층이 상기 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 내연 기관의 부품의 외부에 접하는 형태로 사용될 수 있다.
상기 제1 바인더 수지 및 제2바인더 수지 각각은 불소계 수지, 실라잔계 수지, 폴리이미드, 폴리아마이드 및 폴리아마이드이미드 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 에어로겔은 규소 산화물, 탄소, 폴리이미드 및 금속 카바이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
상기 에어로겔은 100㎤/g 내지 1,000 ㎤/g의 비표면적을 가질 수 있다.
상기 단열성 다층 복합체는 무기 바인더 수지 50 중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1 중량% 내지 50중량%를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 무기 단열층;을 더 포함할 수 있다.
상기 무기 바인더는 실리케이트, 실리카, 지르코늄, 알루미나, 폴리실리잔 및 탄화 규소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1열팽창 흡수층 상에 상기 무기 단열층 또는 상기 제2열팽창 흡수층이 형성될 수 있다.
상기 단열성 다층 복합체는 상기 무기 단열층 및 상기 제2열팽창 흡수층 각각 1이상 포함할 수 있다.
상기 무기 단열층은 계면활성제 또는 무기필러를 포함한 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 적어도 1이상의 인산 작용기 또는 인산 에스테르 작용기와 적어도 1이상의 반응성 작용기를 포함하는 중량평균분자량 200 내지 5,000의 양친성 화합물을 포함할 수 있다.
상기 단열성 다층 복합체는 무기 바인더 수지 50 중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1 중량% 내지 15중량%를 포함하고 0.5 ㎛ 내지 40 ㎛의 두께를 갖는 탑 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 단열성 다층 복합체는 1.150 J/g* K 이하의 열용량을 가질 수 있다.
상기 제1열팽창 흡수층이 금속에 대하여 9.5 N이상의 박리 강도를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 낮은 열전도도 및 낮은 밀도를 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 단열성 다층 복합체가 제공될 수 있다.
도1은 실시예3에서 얻어진 단열성 다층 복합체의 단면 사진 및 각 층의 성분을 나타낸 것이다.
도2는 실시예3에서 얻어진 단열성 다층 복합체의 단면 사진 및 이의 확대 사진을 나타낸 것이다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 단열성 다층 복합체에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 제1 바인더 수지 80중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1중량% 내지 20중량%;를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 제1열팽창 흡수층; 및 제2 바인더 수지 50중량% 내지 95중량% 및 에어로겔 5 중량% 내지 50중량%;를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 제2열팽창 흡수층;을 포함하고, 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 서로간의 에어로겔 함량이 상이한, 단열성 다층 복합체가 제공될 수 있다.
소정의 바인더 수지와 에어로겔을 혼합한 코팅 재료를 통하여 내연 기관의 내부면이나 내연 기관의 부품의 외부를 코팅하는 경우 일정 수준 이상의 단열성을 확보할 수 있으나, 단열성을 높이기 위해서 에어로겔의 함량을 높이는 경우 상기 코팅 재료와 피코팅면 간의 접착력이 크게 저하되는 한계가 있었으며, 상기 코팅 재료만으로는 충분한 성능 확보를 위한 두께 형성이 용이하지 않았다.
이에 본 발명자들은 상이한 에어로겔 함량을 갖는 2종의 재료를 사용하여 상술한 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층을 포함하는 단열성 다층 복합체을 제조하였으며, 이러한 단열성 다층 복합체가 단일 재료를 통하여 제조된 코팅층에 비하여 보다 낮은 용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.
구체적으로, 상기 단열성 다층 복합체는 1.150 J/g* K 이하의 열용량을 가질 수 있다. 이러한 단열성 다층 복합체가 갖는 열용량은 단일 재료를 통하여 형성된 코팅층이 갖는 열용량과 비교하였을 때 크게 낮아진 수치이며, 이는 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층을 함께 포함함에 따른 상승 효과인 것으로 보인다.
상기 단열성 다층 복합체는 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품의 외부에 형성, 결합 또는 접착될 수 있는데, 구체적으로 상기 제1열팽창 흡수층이 상기 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품의 외부에 접할 수 있다.
특히, 상기 제1열팽창 흡수층은 제1 바인더 수지 80중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1중량% 내지 20중량%;를 포함하며 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는데, 이러한 조성 및 두께를 갖음에 따라서 금속에 대하여 상대적으로 높은 접착력 또는 결합력을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1열팽창 흡수층이 금속에 대하여 9.5 N이상의 박리 강도를 가질 수 있다.
상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층는 서로 상이한 함량으로 에어로겔을 포함할 수 있다.
최근 단열재, 충격완충재 또는 방음재 등의 분야에서 에어로겔(aerogel 또는 에어겔(air-gel))을 사용하는 방법들이 소개되고 있다. 이러한 에어로겔은 머리카락의 1만 분의 1 굵기 정도의 미세사가 얽혀 이루어지는 구조를 가지며 90%이상의 기공율을 갖는 것을 특징으로 하며 주된 재질은 규소 산화물, 탄소 또는 유기 고분자이다. 특히, 에어로겔은 상술한 구조적인 특징으로 인하여 높은 투광성 및 극저의 열전도도를 갖는 극저밀도 재료이다.
상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 각각에서는 에어로겔의 물성 및 구조 자체를 동등 수준으로 유지할 수 있기 때문에, 보다 낮은 열전도도 및 낮은 밀도를 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.
상기 에어로겔로는 이전에 알려진 통상적인 에어로겔을 사용할 수 있으며, 구체적으로 규소 산화물, 탄소, 폴리이미드, 금속 카바이드 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함하는 성분의 에어로겔을 사용할 수 있다.
상기 에어로겔은 100㎤/g 내지 1,000 ㎤/g, 또는 300㎤/g 내지 900 ㎤/g 의 비표면적을 가질 수 있다.
상기 제1 바인더 수지 및 제2바인더 수지 각각은 불소계 수지, 실라잔계 수지, 폴리이미드, 폴리아마이드 및 폴리아마이드이미드 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 폴리아미드이미드 수지의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 상기 폴리아미드이미드 수지는 3,000 내지 300,000, 또는 4,000 내지 100,000의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 상기 폴리아미드이미드 수지의 중량 평균 분자량을 측정하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, GPC법에 의해 측정한 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량을 사용할 수 있다.
상기 폴리아미드이미드 수지의 중량평균분자량이 너무 작으면, 상기 제조되는 코팅층, 코팅 필름 또는 코팅막의 기계적 물성이나 내열성 및 단열성이 충분히 확보되기 어려울 수 있다. 또한, 상기 단열성 다층 복합체의 균일성 또는 균질성이 저하될 수 있으며, 상기 단열 코팅 조성물 내에서 에어로겔의 분산성이 떨어질 수 있다.
상기 불소계 수지의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 구체적으로 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머 수지(ETFE), 테트라플루오로에틸렌- 클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(TFE/CTFE), 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 수지(ECTFE) 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
한편, 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 각각은 소정의 용매에 분산된 제1 바인더 수지 또는 제2바인더 수지와 다른 종류의 용매에 분산된 에어로겔을 혼합하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 각각은 고비점 유기 용매 또는 수계 용매에 분산된 제1 바인더 수지 또는 제2바인더 수지와 및 저비점 유기 용매에 분산된 에어로겔을 혼합하여 형성될 수 있다.
상기 고비점 유기 용매 및 상기 저비점 유기 용매 간의 비점 차이가 10℃이상, 또는 20℃이상, 또는 10 내지 200℃일 수 있다.
상기 고비점 유기 용매로는 110℃이상의 비점을 갖는 유기 용매를 사용할 수 있다. 이러한 고비점 용매의 구체적인 예로는 아니솔, 톨루엔, 크실렌, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤 및 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 초산부틸, 시클로헥사논, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트(BCA), 벤젠, 헥산, DMSO, (N,N'-디메틸포름아미드 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.
상기 저비점 유기 용매로는 110℃미만의 비점을 갖는 유기 용매를 사용할 수 있다. 이러한 저비점 유기 용매의 구체적인 예로는 메틸알코올, 에틸알코올, 프로필알코올, n-부틸알코올, iso-부틸알코올, tert-부틸알코올, 아세톤, 메틸렌클로라이드, 에틸렌 아세테이트, 이소프로필알코올 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.
상기 수계 용매의 구체적인 예로는 물, 메탄올, 에탄올, 에틸아세테이트 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.
상기 혼합의 방법이 크게 제한되는 것은 아니며 통상적으로 알려진 물리적 혼합 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 2종류의 용매 분산상을 혼합하고 여기에 지르코니아 비드를 첨가하고 상온의 온도 및 상압력 조건에서 100 내지 500rpm의 속도로 볼 밀링하여 코팅 조성물(코팅 용액)을 제조하는 방법을 들 수 있다.
한편, 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 각각에 포함되는 에어로겔의 함량이 너무 작으면, 상기 단열성 다층 복합체의 열전도도 및 밀도를 낮추기 어려울 수 있으며, 충분한 단열성을 확보하기 어려울 수 있고, 상기 단열성 다층 복합체 의 내열성이 감소할 수 있다.
또한, 상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 각각에 포함되는 에어로겔의 함량이 너무 크면, 상기 단열성 다층 복합체의 기계적 물성을 충분히 확보하기 어려울 수 있으며, 상기 단열성 다층 복합체에 균열이 생기는 현상이 발생하거나 상기 상기 단열성 다층 복합체의 도막 형태가 견고하게 유지되기 어려울 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 제1열팽창 흡수층은 금속에 대하여 상대적으로 높은 접착력 또는 결합력을 확보하기 위하여 20중량% 이하, 또는 15 중량% 이하의 에어로겔을 포함할 수 있다.
한편, 상기 단열성 다층 복합체는 무기 바인더 수지 50 중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1 중량% 내지 50중량%를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 무기 단열층을 더 포함할 수 있다. 상기 단열성 다층 복합체가 상기 무기 단열층을 더 포함함에 따라서 보다 향상된 단열성 및 낮은 열용량을 구현할 수 있다.
상기 무기 바인더는 실리케이트, 실리카, 지르코늄, 알루미나, 폴리실리잔 및 탄화 규소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 무기 단열층은 상기 제1열팽창 흡수층 상에 형성될 수 있으며, 또한 상기 제1열팽창 흡수층 상에 형성된 상기 제2열팽창 흡수층 상에 형성될 수 있다.
상기 단열성 다층 복합체는 무기 단열층 및 상기 제2열팽창 흡수층 각각 1이상 포함할 수 있다.
예를 들어, 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품의 외부 상에 상기 제1열팽창 흡수층이 형성되고, 이러한 제1열팽창 흡수층 상에 상기 무기 단열층이 1층 이상 형성될 수 있으며 상기 제2열팽창 흡수층이 1층 이상 형성될 수 있고, 또한 이러한 제1열팽창 흡수층 상에 상기 무기 단열층 및 상기 제2열팽창 흡수층이 교대로 또는 연속하여 1층 이상이 형성될 수 있다.
상기 무기 단열층 및 상기 제2열팽창 흡수층 간의 결합력과 복합 효과 등을 고려하여, 상기 단열성 다층 복합체에서 상기 무기 단열층 및 상기 제2열팽창 흡수층은 교대로 1층씩 형성되면 복수의 층을 형성할 수 있다.
상기 무기 단열층은 계면활성제 또는 무기 필러를 포함한 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 적어도 1이상의 인산 작용기 또는 인산 에스테르 작용기와 적어도 1이상의 반응성 작용기를 포함하는 중량평균분자량 200 내지 5,000의 양친성 화합물을 포함할 수 있다.
상기 양친성 화합물에 포함되는 인산 작용기는 상기 무기 단열층이 상기 단열성 다층 복합체의 다른 층과 보다 높은 접착력 또는 박리 강도를 갖게 한다. 상기 양친성 화합물에 포함되는 반응성 작용기로 인하여 상기 무기 단열층이 보다 높은 가교 밀도 등을 가져서 높은 기계적 강도 및 내열성을 확보할 수 있다.
상기 반응성 작용기는 열이나 빛에 가해지는 경우 중합 반응 또는 가교 반응이 일으키는 작용기를 의미하며, 상기 반응성 작용기의 구체적인 예로는 라디칼 반응을 할 수 있는 에틸렌(이중결합), 축합중합이 가능한 아민기, 수산화기, 카르복실기, 비닐기, (메타)아크릴레이트기, 에폭시기 및 아마이드기을 들 수 있다.
상기 작용기는 바인더로 사용될 수 있는 수지와 우선 공중합 또는 축합중합 하여 결합력을 높여 추후 에어로겔 분말과 혼합 시, 분말이 균일하게 혼합 될 뿐만 아니라 열처리 건조 시, 에어로겔 분말과 계면활성제의 상분리를 막아준다.
상기 양친성 화합물은 적어도 1이상의 인산 작용기 또는 인산 에스테르 작용기와 적어도 1이상의 반응성 작용기와 함께 전체 화합물의 분자량을 영향을 미치는 길이 조절부를 포함할 수 있다. 이러한 길이 조절부의 구체적인 예가 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 지방족, 지환족 또는 방향족의 탄화수소일 수 있으며, 또는 에스테르류 화합물, 에테르류 화합물, 우레탄류 화합물, 아민류 화합물, (메타)아크릴레이트류 화합물 및 카보네이트류 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물로부터 유래한 2가 작용기일 수 있다.
구체적으로, 상기 양친성 화합물은 한쪽 말단에 카르복실기 또는 수산화기를 포함한 반응성 작용기가 치환되고, 다른 한쪽 말단에는 인산 작용기 또는 인산 에스테르 작용기가 치환되고, 상기 반응성 작용기 및 상기 인산 작용기 또는 인산 에스테르 작용기 사이에 탄소수 2 내지 30의 알킬렌기가 위치하는 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 무기필러의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 알루미나, 지르코니아 필러 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 단열성 다층 복합체는 무기 바인더 수지 50 중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1 중량% 내지 15중량%를 포함하고 0.5 ㎛ 내지 40 ㎛의 두께를 갖는 탑 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 탑 코팅층은 상기 단열성 다층 복합체에서 상기 제1열팽창 흡수층과 가장 먼 위치에 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 단열성 다층 복합체가 형성된 내연 기관 또는 내연 기관의 부품에서 최외각부에 위치하게 된다.
상기 탑 코팅층은 상기 무기 단열층에 비하여 상대적으로 적은 함량의 에어로겔을 포함할 수 있으며, 또는 상기 단열성 다층 복합체의 다른 층들에 비하여 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있다. 이러한 탑 코팅층의 조성 및 두께로 인하여 상기 단열성 다층 복합체의 최외각부에서는 시간에 따른 온도 변화가 그리 크지 않을 수 있으며, 이에 따라 내연 기관의 효율을 보다 높일 수 있다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[제조예: 단열 코팅 조성물의 제조]
제조예1: 단열 코팅 조성물의 제조(고형분 중 에어로겔 함량 15wt%)
다공성 실리카에어로겔(비표면적 약 500㎤/g) 1.5g 를 에틸 알코올에 분산하고 폴리아마이드이미드 수지(Solvay사 제품, 중량평균분자량 약 11,000) 8.5g을 자일렌에 분산한 이후에, 상기 2종의 분산액을 반응기에 주입하고 지르코니아 비드를 첨가(440g)하고 상온 및 상압력 조건에서 150 내지 300rpm의 속도로 볼 밀링하여 단열 코팅 조성물(코팅 용액)을 제조하였다.
제조예2: 단열 코팅 조성물의 제조(고형분 중 에어로겔 함량 30 wt%)
다공성 실리카에어로겔(비표면적 약 500㎤/g) 3g 및 폴리아마이드이미드 수지(Solvay사 제품, 중량평균분자량 약 11,000) 7g을 사용한 점을 제외하고 제조예1과 동일한 방법으로 단열 코팅 조성물(코팅 용액)을 제조하였다.
[비교예1: 단열 코팅층의 형성]
상기 제조예1에서 얻어진 단열 코팅 조성물을 스프레이 코팅 방식으로 자동차 엔진용 피스톤에 도포하고 약250 ℃에서 약 60분간 완전 건조를 진행하여 상기 피스톤 상에 145 ㎛ 두께의 단열 코팅층을 형성하였다.
[실시예1: 단열성 다층 복합체의 제조]
하기 표1에 기재된 단열 코팅 조성물을 스프레이 코팅 방식으로 자동차 엔진용 피스톤에 도포하였다. 이때, 표1의 각 층의 도포 후 약150 ℃에서 약 10분간 1차 반건조를 진행하였으며, 최외각층의 도포 완료 이후에는 약 250 ℃에서 약 60분간 완전 건조를 진행하여 상기 피스톤 상에 단열성 다층 복합체를 형성하였다.
구분
(구조)		 코팅 조성물 두께 (㎛) 열용량 (J/g·K)
비교예1
(단층)		 제조예1 145 1.185
실시예1
(다층)
-전체두께: 167 ㎛		 제조예1 27 0.982
제조예2 57
제조예2 53
제조예1 30
상기 표1에서 나타난 바와 같이, 실시예1의 단열 코팅 조성물은 상대적으로 비교예1의 단열 코팅 조성물에 비해 낮은 열용량을 갖는다는 점이 확인되었다.
[실험예]
1. 실험예1: 열전도도 측정
상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 피스톤 상의 코팅층에 대하여, ASTM E1461 에 의거하여 상온 및 상압 조건에서 레이저플레쉬법을 이용하여 열확산 측정 방법으로 열전도도를 측정하였다.
2. 실험예2: 열용량 측정
상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 피스톤 상의 코팅층에 대하여, ASTM E1269 에 의거하여 상온 조건에서 DSC 장치를 이용하여 사파이어를 레퍼런스로 하여 비열을 측정하여 열용량을 확인하였다.
코팅층
두께(㎛)		 코팅층의
열전도도[W/m]		 코팅층의
열용량 [KJ/㎥ K]
실시예1 167 0.297 0.982
비교예1 145 0.538 1.185
상기 표2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 에서 얻어진 단열 코팅층은 120 내지 200㎛의 두께에서 1 KJ/㎥ K 이하의 열용량 및 0.3 W/m이하의 열전도도를 갖는다는 점이 확인되었다. 반면, 상기 비교예1에서 얻어진 단열 코팅층은 열전도도 및 열용량이 모두 실시예에 비해 높게 측정되었다.
이에 따라, 상기 실시예 1 에서 얻어진 단열 코팅층은 내연 기관에 적용되어 외부로 방출되는 열에너지를 저감하여 내연 기관의 효율 및 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 제1 바인더 수지 80중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1중량% 내지 20중량%;를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 제1열팽창 흡수층; 및
    제2 바인더 수지 50중량% 내지 95중량% 및 에어로겔 5 중량% 내지 50중량%;를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 제2열팽창 흡수층;을 포함하고,
    상기 제1열팽창 흡수층 및 제2열팽창 흡수층 서로간의 에어로겔 함량이 상이한, 단열성 다층 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품의 외부에 형성되는, 단열성 다층 복합체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1열팽창 흡수층이 상기 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품의 외부에 접하는, 단열성 다층 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바인더 수지 및 제2바인더 수지 각각은 불소계 수지, 실라잔계 수지, 폴리이미드, 폴리아마이드 및 폴리아마이드이미드 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 단열성 다층 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔은 규소 산화물, 탄소, 폴리이미드 및 금속 카바이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는, 단열성 다층 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔은 100㎤/g 내지 1,000 ㎤/g의 비표면적을 갖는, 단열성 다층 복합체.
  7. 제1항에 있어서,
    무기 바인더 수지 50 중량% 내지 99중량% 및 에어로겔 1 중량% 내지 50중량%를 포함하고 1㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 무기 단열층;을 더 포함하는, 단열성 다층 복합체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무기 바인더는 실리케이트, 실리카, 지르코늄, 알루미나, 폴리실리잔 및 탄화 규소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 단열성 다층 복합체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1열팽창 흡수층 상에 상기 무기 단열층 또는 상기 제2열팽창 흡수층이 형성되는, 단열성 다층 복합체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무기 단열층 및 상기 제2열팽창 흡수층 각각 1이상 포함하는, 단열성 다층 복합체.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 무기 단열층은 계면활성제 또는 무기 필러를 포함한 첨가제를 더 포함하는, 단열성 다층 복합체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 계면활성제는 적어도 1이상의 인산 작용기 또는 인산 에스테르 작용기와 적어도 1이상의 반응성 작용기를 포함하는 중량평균분자량 200 내지 5,000의 양친성 화합물을 포함하는, 단열성 다층 복합체.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    1.150 J/g* K 이하의 열용량을 갖는 단열성 다층 복합체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1열팽창 흡수층이 금속에 대하여 9.5 N이상의 박리 강도를 갖는 단열성 다층 복합체.

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JP2001082682A (ja) * 1999-09-10 2001-03-30 Matsushita Refrig Co Ltd 断熱材及び断熱構造体
KR20150073934A (ko) * 2015-06-22 2015-07-01 지오스 에어로겔 리미티드 에어로겔이 함유된 소수성 경량 단열보드 제조방법
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