KR101809643B1 - 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법 - Google Patents

단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기 바인더 및 무기 바인더를 특정 함량 포함함으로서 단열용 실리카섬유 매트를 2차원 또는 3차원 형태로 압착 성형이 가능한, 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법을 이용하면, 단열 실리카섬유 매트의 다양한 형태를 지닌 성형품을 대량생산 할 수 있고, 실리카섬유 매트를 재단할 필요 없이 2차원 또는 3차원 구조의 다양한 형태로 구현할 수 있기 때문에 조립성이 우수하며, 성형된 실리카섬유 단열재는 형태를 유지하려는 강성이 있어 취급하기가 용이할 뿐만 아니라, 매우 고온에서도 냄새 발생이 거의 없고, 저발연성이며, 본 발명의 조성물에 포함되는 용매가 물이기 때문에 친환경성이 뛰어나다.

Description

단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법{COMPOSITION FOR PRESS FORMING HEAT INSULATION SILICA FIBER MAT AND PRESS FORMING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기 바인더 및 무기 바인더를 특정 함량 포함함으로서 단열용 실리카섬유 매트를 2차원 또는 3차원 형태로 압착 성형이 가능한, 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 통상의 단열재로서 폴리에틸렌 및 폴리우레탄폼 단열재, 또는 퍼라이트, 또는 퍼라이트나 규산칼슘 단열재, 유리섬유 단열재 등 여러 가지 종류가 사용되고 있으나, 이들 중 폴리에틸렌이나 폴리우레탄폼 단열재는 융점이 낮아 고온용으로서는 부적합하고 또 단열성이 떨어져 에너지 낭비를 가져오게 되며, 배관이나 장치물에 비해 낮은 수명으로 잦은 교체를 요하게 되므로 설치비용 부담이 가중된다.
또한, 유리섬유 단열재는 폴리에틸렌이나 폴리우레탄폼보다 내열성이 훨씬 더 우수하기 때문에 그 사용량이 급증하였으나, 자동차 엔진 같은 매우 고온의 기재에 적용하기에는 내열도가 부족하다. 따라서 고온의 기재에 적용할 때에는 유리섬유 대신 실리카섬유를 사용하는 사례가 늘고 있다. 유리섬유는 산화규소(SiO2)를 50% 정도 함유하고 있지만, 실리카섬유는 산화규소를 95%이상 함유함으로서 유리섬유보다 내열성, 강도 등이 훨씬 우수하다.
한편, 자동차 엔진 같은 내부 부품에 단열재를 적용할 경우, 단열재가 차지하는 부피가 작아야 하므로 표면 형태 모양으로 단열재가 감싸야할 필요가 있다. 그러나 시중에 판매되고 있는 단열용 유리섬유나 실리카섬유는 매트 형태로 많이 판매되고 있기 때문에, 단열재로 사용하려면 내부 부품의 형태에 맞춰서 가위로 일일이 다 오려야 한다. 따라서 단열 매트를 장치의 형태 그대로 2차원적 또는 3차원적으로 성형시킴으로서 조립성을 개선시킬 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다. 한국등록특허 제10-1336964호는 유리섬유 단열 매트의 성형용 바인더를 공지하고 있으나, 유리섬유 매트의 형태를 성형하는 것이 아니라 접착력을 개선시켰을 뿐이다. 또한, 실리카섬유 매트를 여러 형태로 성형하는 방법에 대해서는 아직 발견된 바가 없다.
따라서, 실리카섬유 매트를 단열시키고자 하는 장치의 형태로 2차원적 또는 3차원적으로 성형시킬 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다.
한국등록특허 제10-1336964호
본 발명자는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 실리카섬유 매트를 원하는 형태로 성형시킬 수 있는 방법을 찾던 중, 유기 바인더 및 무기 바인더를 일정 함량 포함함으로서 실리카섬유 매트의 성형품을 제조하기에 적합한 압축 성형용 조성물을 개발하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 유기 바인더 2.5~4.5 중량%, 무기 바인더 5~15 중량% 및 잔량의 물을 포함하는, 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 단열 실리카섬유 매트를 압착 성형하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 압착 성형된 실리카섬유 단열재를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 유기 바인더 2.5~4.5 중량%, 무기 바인더 5~15 중량% 및 잔량의 물을 포함하는, 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물을 제공한다.
상기 유기 바인더는 폴리우레탄, 아크릴 에멀젼, 아크릴 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 무기 바인더는 폴리실록산 화합물, 산화규소, 규산염 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 무기 바인더는 폴리실록산 화합물 1~6 중량부, 산화 규소 1~10 중량부 및 규산염 1~5 중량부를 포함할 수 있다.
상기 폴리실록산 화합물은 폴리디메틸실록산, 폴리페닐메틸실록산, 폴리트리플루오로프로필메틸실록산, 폴리디메틸실록산-그라프트-폴리에틸렌 글리콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 규산염은 규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬, 규산알루미늄, 규산칼슘, 규산마그네슘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
본 발명은 실리카섬유 매트에 본 발명에 따른 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물을 함침시키는 단계, 및 상기 함침된 실리카섬유 매트를 프레스 금형 장치로 압착하여 성형시키는 단계를 포함하는, 단열 실리카섬유 매트를 압착 성형하는 방법을 제공한다.
상기 압착 시 금형 온도는 260 ~ 310 ℃일 수 있다.
상기 성형 방법은 성형된 실리카섬유 매트를 금형 공법으로 라운딩하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 압착 성형용 조성물을 이용하여 압착 성형된 실리카섬유 단열재를 제공한다.
상기 실리카섬유 단열재는 자동차 엔진 단열용일 수 있다.
본 발명에 따른 조성물 및 이를 이용한 압착 성형 방법을 이용하면, 단열 실리카섬유 매트의 다양한 형태를 지닌 성형품을 대량생산 할 수 있고, 실리카섬유 매트를 재단할 필요 없이 2차원 또는 3차원 구조의 다양한 형태로 구현할 수 있기 때문에 조립성이 우수하며, 성형된 실리카섬유 단열재는 형태를 유지하려는 강성이 있어 취급하기가 용이할 뿐만 아니라, 매우 고온에서도 냄새 발생이 거의 없고, 저발연성이며, 본 발명의 조성물에 포함되는 용매가 물이기 때문에 친환경성이 뛰어나다.
도 1은 성형 전의 실리카섬유 매트를 가위로 오려 재단한 후, 단열재로 제조한 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 조성물을 이용하여, 굴곡이 많은 매우 복잡한 형태로 압착 성형된 실리카섬유 단열재(흰색)를 나타낸다.
본 발명은 유기 바인더 2.5~4.5 중량%, 무기 바인더 5~15 중량% 및 잔량의 물을 포함하는, 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물을 제공한다.
상기 유기 바인더가 2.5 중량% 미만일 경우에는, 성형성이 나빠져서 성형 후 3차원의 형태를 잘 유지하지 못하고 굴곡이 심한 부분의 형태는 제대로 구현하지 못한다. 또한, 상기 유기 바인더가 4.5 중량%를 초과할 경우에는, 4.5중량%일 때보다 성형성이 크게 상승하지 않기 때문에 성형 효과 측면에서 비효율적이고, 유기 바인더에 포함되는 물질들의 융점이 낮기 때문에 매우 고온에서는 좋지 않은 냄새가 발생할 수 있다.
상기 유기 바인더는 이에 한정되지 않지만, 폴리우레탄, 아크릴 에멀젼, 아크릴 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다. 더 바람직하게는 폴리우레탄 및 아크릴수지의 혼합물을 포함할 수 있고, 폴리우레탄 및 아크릴수지의 혼합 중량비는 이에 한정되지 않지만 1:1~1:3일 수 있다.
상기 무기 바인더가 5 중량% 미만일 경우에는, 실리카섬유 매트의 난연성이 나빠지기 때문에 연소 시 연기 발생이 많아지고, 고온에 노출됐을 때 유기 바인더가 녹거나 휘발되면서 나쁜 냄새가 더욱 심해진다. 또한, 무기 바인더가 15 중량%를 초과할 경우에는 15중량%일 때와 비교해봤을 때 냄새 발생 및 발연성에 큰 차이가 없기 때문에 성능 면에서 비효율적이다.
상기 무기 바인더는 이에 한정되지 않지만, 폴리실록산 화합물, 산화규소, 규산염 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리실록산 화합물 1~6 중량부, 산화 규소 1~10 중량부 및 규산염 1~5 중량부를 포함할 수 있다. 또한, 추가로 Mg(OH)2, Al(OH)3, CaCO3, 베르미큘라이트(Vermiculite), 벤토나이트(Bentonite), 흑연(graphite) 등의 무기 난연재료를 포함할 수 있다.
상기 폴리실록산 화합물은 폴리디메틸실록산, 폴리페닐메틸실록산, 폴리트리플루오로프로필메틸실록산, 폴리디메틸실록산-그라프트-폴리에틸렌 글리콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
또한, 상기 규산염은 규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬, 규산알루미늄, 규산칼슘, 규산마그네슘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
본 발명은 상기 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물을 이용하여 단열 실리카섬유 매트를 압착 성형하는 방법을 제공한다.
상기 압착 성형하는 방법은 구체적으로, 실리카섬유 매트에 본 발명에 따른 압착 성형용 조성물을 함침시키는 단계, 및 상기 함침된 실리카섬유 매트를 프레스 금형 장치로 압착하여 성형시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 압착 성형하는 방법은, 상기 실리카섬유 매트에 본 발명에 따른 압착 성형용 조성물을 함침시키는 단계의 실시 후에, 상기 실리카섬유 매트를 탈수시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 압착 시 금형 온도는 260 ~ 310 ℃ 또는 270 ~ 300 ℃가 바람직할 수 있다.
260℃ 미만일 경우에는, 압착 성형 된 후에 실리카섬유 매트가 형태를 오랫동안 유지하지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 310℃를 초과할 경우에는 실리카섬유 매트의 경도가 너무 커져서 딱딱하게 변해버리기 때문에, 장치에 장착하는 것이 힘들어진다.
또한, 상기 압착 성형하는 방법은 성형된 실리카섬유 매트를 금형 공법으로 라운딩하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 라운딩 처리를 하면 성형된 실리카섬유 매트의 끝단이 벌어지지 않아 분진이 거의 발생하지 않는다.
본 발명은 본 발명에 따른 압착 성형용 조성물을 이용하여 압착 성형된 실리카섬유 단열재를 제공한다. 본 발명에 따른 압착 성형된 실리카섬유 단열재는 금형을 이용하여 압착 성형되기 때문에 2차원 또는 3차원의 다양한 형태로 대량생산이 가능하며, 다양한 형태의 구현이 가능하기 때문에 아무리 복잡한 구조의 장치라도 그에 맞는 형태로 제작될 수 있어 조립성이 우수하고, 매우 고온에서도 나쁜 냄새의 발생이 적을 뿐만 아니라 연소 시에 연기 발생량이 적으며, 내열성이 기존 단열재들보다 월등히 우수하다. 따라서, 조립성, 대량생산 가능성, 저발연성, 적은 냄새 발생, 높은 내열성을 모두 가지고 있어야 하는 자동차 엔진 단열용으로도 사용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
< 실시예 - 성형용 바인더의 제조 >
실리카 매트에 성형성을 주기 위한 바인더로서, 하기 표 1에 기재된 성분들을 혼합하여 실시예 및 비교예를 제조하였다. 하기 표 1에서, 유기 바인더는 폴리우레탄 약 1 중량부, 아크릴 수지 약 2 중량부를 포함하고, 무기 바인더는 폴리실록산 화합물(CAS No. 63148-53-8) 약 3 중량부, 산화규소 약 5 중량부, 및 규산염 약 2.5 중량부를 포함한다.
실시예 및 비교예의 조성(중량%)
　 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
유기 바인더 3.5 1.5 5.5 3.5 3.5
무기 바인더 9.5 9.5 9.5 18 3
물 잔량 잔량 잔량 잔량 잔량
< 제조예 - 실리카 매트의 압착 성형품 제조 >
실시예 1 및 비교예 1~3를 각각 실리카 매트(SW-SGNM:SAMWOO SILICA NEEDLE MAT)에 함침시키고 탈수시켰다. 그 후, 금형에 넣어 약 300℃까지 온도를 올린 후 프레스로 찍어서 성형품을 제조하였고, 상기 성형품의 끝단을 금형 공법으로 라운딩 하였다.
성형 전의 실리카 매트로 엔진 단열 커버 내부를 덮기 위해서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 커버의 형태에 맞추어 가위로 일일이 잘라서 맞춰야 했고, 가위로 자른 면에서 분진이 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 도 1처럼 비교적 단순한 형태로만 제조할 수 있고, 도 2처럼 굴곡이 많은 복잡한 형태로는 제조가 어려운 한계가 있었다.
반면, 상기 제조예에 따라 제조된 실리카 섬유매트 성형품은 도 2에 도시된 바와 같이, 굴곡이 많은 복잡한 형태로도 제조하기가 수월했고, 단열 커버 모양 그대로 성형되기 때문에 조립성이 우수했으며, 금형으로 라운딩 처리를 했기 때문에 분진이 거의 발생하지 않았다.
< 실험예 >
실험예 1 : 압착 성형용 조성물의 조성에 따른 성능 평가
상기 제조예에서 제조된 성형품들의 성형성, 및 연기와 냄새의 발생을 평가하였다. 성형성 평가 요소는 '굴곡진 부분도 잘 구현하는지'와 '성형된 후 형태가 계속 잘 유지되는지'를 종합적으로 고려하여 1~10점 사이의 점수로 평가하였고, 점수가 높을수록 성형성이 우수한 것이다.
또한, 냄새(악취) 발생 정도를 평가하기 위해, 상기 제조예에서 제조된 성형품을 자동차 엔진에 장착시킨 후, 자동차 엔진 온도가 700℃까지 도달했을 때, 냄새(악취)의 강도를 1~10점 사이의 점수로 평가하였고, 점수가 낮을수록 냄새가 나쁜 것을 의미한다.
연기 발생, 즉 발연성을 측정하기 위해, 상기 제조예에서 제조된 성형품을 연소시켰을 때 발생하는 연기의 양을 육안으로 관찰하였고, 그에 대한 평가를 1~10점 점수로 상대평가하였다.
성능 평가 결과(점수가 높을수록 좋고, 상대적인 평가임)
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
냄새 10 10 7 10 6
발연성 10 10 9 10 3
성형성 9 3 10 7 7
실험예 2 : 프레스 금형 온도에 따른 성능 평가
상기 제조예를 제조할 때, 금형 온도를 달리하여 다양한 제조예를 제조하였고, 온도 변화가 성형품의 형태 유지 및 탄력성에 어떠한 영향을 주는지를 1~5점으로 상대 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 기재하였다. 성형품이 어느 정도 탄력성이 있어야 제품에의 조립이 용이하기 때문에, 탄력성은 매우 중요한 특성이다.
금형 온도에 따른 성능 평가(점수가 높을수록 좋음)
금형 온도 250℃ 270℃ 300℃ 320℃
형태 유지 2 5 5 5
탄력성 5 5 4 2
상기 표 3의 결과를 통해, 성형품의 형태 유지 및 우수한 탄력성을 위해서는 압착 시 금형 온도가 260℃~310℃인 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 유기 바인더 2.5 ~ 3.5 중량%, 무기 바인더 5 ~ 9.5 중량% 및 잔량의 물을 포함하고,
    상기 유기 바인더는 폴리우레탄 1 중량부 및 아크릴 수지 2 중량부를 포함하며,
    상기 무기 바인더는 폴리실록산 화합물 1 ~ 3 중량부, 산화규소 1 ~ 5 중량부 및 규산염 1 ~ 2.5 중량부를 포함하는, 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리실록산 화합물은 폴리디메틸실록산, 폴리페닐메틸실록산, 폴리트리플루오로프로필메틸실록산, 폴리디메틸실록산-그라프트-폴리에틸렌 글리콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는, 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 규산염은 규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬, 규산알루미늄, 규산칼슘, 규산마그네슘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는, 단열 실리카섬유 매트의 압착 성형용 조성물.
  7. 실리카섬유 매트에 제1항의 조성물을 함침시키는 단계; 및
    상기 함침된 실리카섬유 매트를 프레스 금형 장치로 압착하여 성형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 단열 실리카섬유 매트를 압착 성형하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압착 시 금형 온도가 260 ~ 310 ℃인 것을 특징으로 하는, 단열 실리카섬유 매트를 압착 성형하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 방법은 성형된 실리카섬유 매트를 금형 공법으로 라운딩하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단열 실리카섬유 매트를 압착 성형하는 방법.
  10. 제1항의 조성물을 이용하여 압착 성형된 실리카섬유 단열재.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 실리카섬유 단열재는 자동차 엔진 단열용인 것을 특징으로 하는, 실리카섬유 단열재.
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