KR101910237B1 - 단열재 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단열재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 단열재는 무기계를 주원료로 사용하여 불연성이고, 내열성이 높으나 유독가스의 발생이 없으며, 유기계 보온 단열재와 같이 경량이며, 높은 단열성, 연질의 특성으로 작업성이 용이하며, 분진 및 무기섬유질의 발생을 미연에 방지하며, 단열재의 강도가 향상되고, 기능성을 부여가 용이한 장점이 있다.

Description

단열재 및 이의 제조방법{A insulating material and the manufacturing method for the same }

본 발명은 단열재에 관한 것으로, 특히 퍼라이트, 와이어 매쉬(wire mesh), 액상 세라믹을 사용하여 제조됨으로써 기존 단열재의 문제점 및 퍼라이트 단열재의 문제점을 동시에 해결할 수 있는 단열재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

보온 단열재는 크게 유기계와 무기계로 분류된다. 유기계 단열재의 경우 단열성능이 우수하고 시공성이 좋기 때문에 널리 사용되고 있으나 화재발생시 단열소재 자체가 연소하여 화재가 확대되는 등 내화성능 면에서 크게 취약하고, 특히 연소 시 발생되는 유독가스는 인체에 치명적으로 작용한다.

반면 무기계 단열재의 경우 유기단열재에 비해 내화특성은 우수하나 상대적으로 중량이 무겁고 단열재 고유 기능인 단열성능이 떨어지며 경질인 관계로 작업성이 상대적으로 나쁘며, 수분을 흡수하여 뭉침 현상이 발생하고, 자중에 의해 처지는 현상이 발생하고, 분진 및 무기섬유질의 인체 위해성 논란에서도 자유롭지 않다.

이와 같이 유기 및 무기계 보온 단열재는 각각 다른 장단점을 가지고 있어 국가마다 보온 단열재 시장의 상황도 차이가 있다. 외국의 경우는 안전의 이유를 첫째로 무기계 단열재가 대부분 사용되고 있으나, 우리 국내의 경우는 아직도 보온 단열 특성과 작업성 및 경제성의 이유로 화재시 유기 단열재의 경우 유독 가스를 배출하여 그로 인한 인명피해가 막심함에도 불구하고 유기질 단열재가 70%의 시장 점유율을 기록하고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 무기계를 주원료로 사용하여 불연성이고, 내열성이 높으나 유독가스의 발생이 없으며, 유기계 보온 단열재와 같이 경량이며, 높은 단열성, 연질의 특성으로 작업성이 용이한 유기계 보온단열재의 특성을 가질 수 있는 새로운 개념의 보온 단열재 또는 단열패널의 개발이 절실히 요구되고 있다.

더구나 최근 에너지 효율의 극대화, 이산화탄소 감축 친환경 그린소재에 대한 관심이 높아지고 있음에 따라, 건물분야에서 친환경, 에너지효율을 극대화시킬 수 있는, 유기계 보온단열재 및 무기계 보온단열재의 장점만을 갖춘 신개념의 단열소재 개발이 매우 절실하다.

종래 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 대한민국특허 제10-0870154호와 같이 팽창 퍼라이트를 이용한 구조물이 개발되기도 하였다. 그러나 상기 기술은 무기결합제로 유약 또는 유리 프릿을 사용하기 때문에 제조된 단열재의 분진 및 무기섬유질의 발생 문제가 여전히 문제점으로 발생하며, 제조된 단열재의 강도가 만족스럽지 못하며, 단열재에 기능성을 부여하는 것에도 한계가 있었다.

이에 종래 무기계 단열재의 장점을 유지하면서도 분진 및 무기섬유질의 발생을 미연에 방지하며, 단열재의 강도를 향상시키고, 단열재에 기능성을 부여하는데 적합한 단열재의 제조방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 단열재에 대한 요청이 여전히 절실하게 요청되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 무기계를 주원료로 사용하여 불연성이고, 내열성이 높으나 유독가스의 발생이 없으며, 유기계 보온 단열재와 같이 경량이며, 높은 단열성, 연질의 특성으로 작업성이 용이하며, 분진 및 무기섬유질의 발생을 미연에 방지하며, 단열재의 강도가 향상되고, 기능성을 부여하기가 용이한 단열재 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

단열재의 제조방법에 있어서,

(a) 퍼라이트를 준비하는 단계;

(b) 상기 준비된 퍼라이트에 바이오세라믹 코팅제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;

(c) 상기 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및

(d) 상기 성형물을 열처리하는 단계

를 포함하는 단열재의 제조방법을 제공한다.

바람직하기로 (c) 상기 혼합물을 성형하는 단계는 와이어 매쉬가 성형물의 내부에 포함되어 외부로 노출되지 않도록 한다.

또한 본 발명은 상기 단열재의 제조방법에 의하여 제조된 단열재를 제공한다.

바람직하기로 상기 단열재는 내부에 와이어 매쉬(wire mesh)가 포함된 것이다.

본 발명에 따라 제조된 단열재는 무기계를 주원료로 사용하여 불연성이고, 내열성이 높으나 유독가스의 발생이 없으며, 유기계 보온 단열재와 같이 경량이며, 높은 단열성, 연질의 특성으로 작업성이 용이하며, 분진 및 무기섬유질의 발생을 미연에 방지하며, 단열재의 강도가 향상되고, 기능성을 부여가 용이한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단열재의 모식도를 나타낸 것이며,
도 2는 본 발명의 단열재에 사용된 와이어 매쉬(wire mesh)의 일예를 나타낸 것이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단열재의 일부를 확대한 모식도이며,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단열재의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도면 부호의 설명
100: 단열재
110: 와이어 매쉬
120: 와이어 매쉬를 제외한 단열재의 구성
121: 퍼라이트의 열처리물
122: 바이오세라믹 코팅제의 열처리물

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단열재의 모식도를 나타낸 것이며,

도 2는 본 발명의 단열재에 사용된 와이어 매쉬(wire mesh)의 일예를 나타낸 것이며,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단열재의 일부를 확대한 모식도이며,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단열재의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 단열재의 제조방법은 도 4에 기재된 것과 같이 단열재의 제조방법에 있어서,

(a) 퍼라이트를 준비하는 단계;

(b) 상기 준비된 퍼라이트에 바이오세라믹 코팅제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;

(c) 상기 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및

(d) 상기 성형물을 열처리하는 단계

를 포함한다.

이하 각 단계를 상세히 설명한다.

(a) 퍼라이트를 준비하는 단계

본 발명의 단열재는 퍼라이트를 사용한다. 상기 퍼라이트는 단열재의 제조에 사용되는 공지의 퍼라이트를 사용할 수 있으며, 일예로 대한민국특허 제10-0870154호에 기재된 팽창 퍼라이트를 사용할 수 있다. 상기 퍼라이트는 흑요석, 진주암 및 송지암 또는 이에 등가하는 광물을 정석 가공한 후에, 대략 870℃ 이상의 고온에서 급격히 가열하면 내부의 결정수가 기화되면서 다수의 기공이 형성된 팽창 퍼라이트가 형성되는 것을 이용하여 준비될 수 있다.

본 발명에 사용되는 상기 퍼라이트는 많은 기공을 함유하기 때문에 경량성을 갖는다. 또한, 퍼라이트는 화학적으로 중성이며 무기질 재료로만 구성된 천연 광물질로, 화재시 유해 가스의 발생 위험이 낮은 불연성을 갖는다. 또한, 많은 기공에 의해 퍼라이트 분체 사이가 점접촉으로 연결되어 퍼라이트 자체의 고체 전도는 매우 적으며, 퍼라이트 입자간의 공극에 미립자가 충진되기 때문에 대류가 방지되고, 복사에 의한 단열성이 좋은 특성이 있다.

(b) 상기 준비된 퍼라이트에 바이오세라믹 코팅제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계

종래 무기계 단열제의 제조에서는 대한민국특허 제10-0870154호에서와 같이 유기물질과 무기물질을 혼합(2액형)하여 사용하는 경우가 대부분이다. 실제 무기물질의 결합에 작용하는 것은 열처리과정에서 유기물질이 모두 연소되므로 무기물질이기 때문에 최종 제조된 단열재의 도막은 크랙(crack)이 빈번하게 발생하며, 이에 따라 단열재에서 분진이 다량 발생하게 된다.

이에 반하여 본 발명은 상기 바이오세라믹 코팅제를 결합제로 사용한다. 상기 바이오세라믹 코팅제는 1액형이며, 상온에서 액상인 성질을 가지며, 이에 따라 기능성 물질을 상기 코팅제에 혼합하여 사용시 제조되는 단열제에 기능성을 부여하기가 유리하며, 소성으로 세라믹 특성을 나타낸다.

구체적인 예로 상기 바이오세라믹 코팅제는 액체 세라믹이며, 공지된 액체 세라믹이 사용될 수 있다. 일예로 상기 액체 세라믹은 실리카 계열의 액체 세라믹이며, 장석이나 희토류, 규사 등 천연광물을 40나노미터 이하의 초미립자로 분쇄시킨 후 탈 이온수로 가수분해, 중합 반응시켜 얻어진 무기폴리머를 순수 물에 가용한 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 액체 세라믹은 산소와 반응, 치밀한 고순도의 실리카막을 형성할 수 있으며, 고온소성(450℃범위)에서 탈수소반응에 의한 열 경화 후 아몰펄스(비정질) 규소 세라믹으로 전환할 수 있는 특징을 가진다. 상기 액체 세라믹은 무색, 무취의 투명한 액체이며, pH 4∼12, 입자크기가 40nm 이하, 점도 1.2±0.05 등의 물성을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 상기 액체 세라믹은 테트라알콕시실란이 물에 가수분해된 것일 수도 있다. 이때, 상기 테트라알콕시실란의 구체적인 예로서는 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라-n-프로옥시실란, 테트라-i-프로옥시실란, 테트라-n- 부톡시실란, 테트라-sec-부톡시실란, 테트라-t-부톡시실란, 및 이들의 2종 이상의 혼합물 일 수 있다. 상기 테트라알콕시실란이 물에 가수분해된 것은 테트라알콕시실란이 가수분해에 의해 부분적으로 알콜을 유리하고 대응하는 가수분해물(테트라시라놀)을 생성시키는 것과 함께 수매체중에서 시라놀의 생성에 의한 히드로옥시 치환기의 중축합이 행하여져 시라놀의 부분 중축합물이 생성되고 더욱 더 중축합하여 축합물인 시리카성분이 생성되기도 한다. 따라서, 본 발명에 있어서는 액체 세라믹은 상기 가수분해물, 부분중축합물을 포함하는 것일 수도 있다.

본 발명에서 상기 퍼라이트와 바이오세라믹 코팅제의 혼합비율은 퍼라이트 70-98 중량부: 바이오세라믹 코팅제 2 내지 30 중량부의 비율로 혼합되는 것이 좋다. 상기 퍼라이트가 70 중량부 보다 적게 함유되면 단열재의 경량 또는 단열 특성이 저하될 수 있으며, 퍼라이트가 98 중량부 보다 많이 함유되면 결합제의 양이 줄어들게 됨으로 강도가 저하될 수 있으며, 특히 단열재 표면에서 분진이 다량 발생하게 되는 문제점이 있을 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 퍼라이트와 바이오세라믹 코팅제의 혼합시 기능성 첨가제를 더욱 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 단열재에 색상을 부여하는 안료일 수 있으며, 원적외선 방사, 항균, 전자파흡수, 절연, 탈취, 자외선 차폐, 방열 등의 기능을 수행할 수 있는 첨가제가 포함될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 첨가제는 바람직하게는 무기물이며, 본 발명에서는 다공성의 퍼라이트와 1액형의 액체 세라믹을 결합제로 사용함으로 인하여 상기 첨가제가 더욱 균일하게 단열재에 분포시켜 우수한 기능성을 나타낼 수 있다. 상기 첨가제는 용도에 맞게 함량을 조절할 수 있으며, 바람직하게는 상기 퍼라이트와 바이오세라믹 코팅제의 합계 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부의 범위에서 사용하는 것이 좋다.

(c) 상기 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계

본 발명에서 성형은 통상적인 단열재의 성형에 사용되는 성형방법이 적용될 수 있으며, 구체적인 일예로 성형몰드에 상기 (b)단계에서 제조한 혼합물을 투입하고, 성형몰드를 점진적으로 승온하여 단열재의 원하는 형태로 성형할 수 있다. 상기 승온은 본 발명의 바이오세라믹 코팅제가 고체(실리카)로 전환될 수 있는 온도까지 승온이 이루어질 수 있으며, 일예로 50 내지 300℃까지 승온할 수 있다. 성형을 위한 몰드는 당업자에 따라 블록형, 판넬형, 보드형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한 성형몰드는 가압수단을 더욱 구비할 수 있으며, 가압된 성형물은 처음 몰드에 충진된 혼합물에 비하여 대략 1/2 내지 1/3 배의 크기로 압축될 수 있다. 그러나 본 발명에서 성형물의 압축 정도를 이에 한정하는 것은 아니다.

바람직하기로 본 발명의 단열재의 제조에서는 와이어 매쉬가 성형물의 내부에 포함되어 외부로 노출되지 않도록 하면서 와이어 매쉬(wire mesh)가 구비된 성형물를 제조하는 것이 좋다. 상기 와이어 매쉬는 도 2와 같은 평면시트 형태의 와이어 매쉬뿐만 아니라 별개의 평면시트가 세로로 연결된 도 1과 같은 형태의 것일 수 있으며, 박스형태의 육면체 형태일 수도 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 단열재가 와이어 매쉬를 포함할 경우 상기 바이오세라믹 코팅제가 와이어 매쉬와 퍼라이트에 대하여 동시에 결합력이 우수하여, 와이어 매쉬와 퍼라이트가 분리가 발생하지 않도록 함으로써 강도 및 형태안정성 측면에서도 매우 우수한 특성을 가진다. 상기 성형몰드 내에 와이어 매쉬를 구비시키는 방법은 일예로 열처리에 의하여 연소되는 섬유 등으로 와이어 매쉬를 성형몰드 내측면에 연결하는 방법일 수 있으며, 또한 성형몰드 내에 (b)단계의 혼합물을 먼저 일정량 투입 후 혼합물 위에 와이어 매쉬를 위치시킨 후 나머지 (b)단계의 혼합물을 성형몰드 내에 투입함으로써 와이어 매쉬가 단열재의 외부로 노출되지 않도록 할 수 있다. 본 발명의 단열재가 와이어 매쉬를 포함할 경우 상기 와이어 매쉬는 1 내지 30 부피%의 범위 내로 포함될 수 있도록 하는 것이 좋다. 이 경우 단열재의 강도, 형태안정성 및 경량성을 동시에 만족시킬 수 있다.

(d) 상기 성형물을 열처리하는 단계

본 발명의 열처리 단계는 상기 성형된 단열재를 열처리하는 단계이며, 성형몰드 내에서 이루어질 수도 있으며, 성형된 단열재를 외부로 반출하여 별도의 열처리기 기에서 열처리를 할 수도 있다. 일예로 상기 열처리는 500 내지 900℃의 범위에서 이루어질 수 있으며, 상기 열처리를 통하여 단열재에 포함된 유기성분은 모두 연소되어 사라지게 되며, 단열재의 강도가 생성된다. 만일 상기 열처리의 온도가 너무 낮은 경우에는 단열재의 강도가 낮아지게 되며, 열처리의 온도가 너무 높은 경우에는 단열재의 형상이 변형될 수 있다. 본 발명의 단열재는 1액형의 액상 세라믹을 결합제로 사용함으로 인하여 열처리 온도를 기존의 퍼라이트 열처리인 750℃보다 현저히 낮은 500 내지 730℃로 낮추어도 본원발명 단열재의 장점을 그대로 유지할 수 있는 특징이 있다.

이후 열처리된 단열재는 냉각되어 최종 단열재가 완성된다.

본 발명에 따른 단열재는 상기 퍼라이트와 바이오세라믹 코팅제가 혼합된 혼합물의 열처리 결과물이며, 바람직하게는 내부에 와이이 매쉬가 구비된 단열재이다. 상기 단열재는 상기 기술한 단열재의 제조방법의 의하여 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 단열재는 무기계를 주원료로 사용하여 불연성이고, 내열성이 높으며, 유독가스의 발생이 없으며, 유기계 보온 단열재와 같이 경량이며, 높은 단열성, 연질의 특성으로 작업성이 용이하다.

특히 본 발명에 따른 단열재는 다공성의 퍼라이트와 1액형의 실리카계통으로 중금속 무용출이고, 규소성분으로 인체에 무해한 액상 결합제를 사용함으로 인하여 단열재의 어느 부분에서나 우수한 단열 및 불연특성을 나타낼 수 있으며, 기능성 물질이 고르게 분포되어 균일한 기능성을 나타낼 수 있으며, 단열재의 분진 발명이 거의 발생하지 않으며, 내부에 와이이 매쉬가 구비된 경우에도 와이어 매쉬와 퍼라이트가 분리가 이루어지지 않아 더욱 우수한 강도를 나타낼 수 있다. 또한 본 발명의 단열재는 내열성 600-1700℃ 온도 범위에서 자유롭게 사용가능하며, 세라믹으로 탁월한 내성 보유하며, 내용제성으로 피해가 없으며, 무기성으로 인체한 유해물질(가스)이 검출되지 않으며, 내산 및 내알칼리성이 우수하다.

본 발명에 따른 단열재는 공지의 단열재가 사용될 수 있는 곳에 사용할 수 있으며, 일예로 건축물 또는 구조물의 단열재로 사용가능하다. 특히 본 발명에 따른 단열재는 기존의 단열재의 사용용도에 더하여 우수한 물성 및 분진 발생이 차단된 특성으로 인하여 건축물 내부에 불연자재로 적용할 수도 있으며, 내부에 기공이 많으면서도 형태안정성이 뛰어나 방음자재로도 사용할 수 있으며, 상기 용도들을 동시에 만족시킬 수 있는 용도로도 유용하게 적용할 수 있다.

상기에서 본 발명의 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이며, 본 발명의 청구범위에 포함된다고 할 것이다.

Claims (9)

1. 단열재의 제조방법에 있어서,
   (a) 팽창 퍼라이트를 준비하는 단계;
   (b) 상기 준비된 퍼라이트에 바이오세라믹 코팅제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
   (c) 상기 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및
   (d) 상기 성형물을 열처리하는 단계
   를 포함하며,
   상기 바이오세라믹 코팅제는 1액형의 테트라알콕시실란이 물에 가수분해된 것이며,
   (b)의 퍼라이트와 바이오세라믹 코팅제의 혼합비율은 퍼라이트 70-98 중량부: 바이오세라믹 코팅제 2 내지 30 중량부의 비율로 혼합되며,
   상기 (c) 상기 혼합물을 성형하는 단계는 성형물의 내부에 와이어 매쉬(wire mesh)가 포함되어 외부로 노출되지 않도록 하며,
   상기 (d)의 열처리 온도는 500 내지 730℃인 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 (b)의 혼합물에 기능성 첨가제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재의 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 퍼라이트 70-98 중량부: 바이오세라믹 코팅제 2 내지 30 중량부가 혼합되어 열처리된 것으로,
   제1항 기재의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 단열재.
8. 삭제
9. 삭제

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