KR101928538B1 - 에어로겔 복합체 - Google Patents

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KR101928538B1
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안병욱
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    • D06M11/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
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Abstract

실시예는 무기섬유 및 유기섬유 중 적어도 하나를 포함하는 섬유재; 및 상기 섬유재 내에 배치된 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체로서, 상기 에어로겔 복합체의 절단면에서, 1500㎟의 면적당 직경이 10㎛ 내지 5㎜인 기공의 개수가 10개 이하인 에어로겔 복합체를 제공할 수 있다.

Description

에어로겔 복합체{AEROGEL COMPOSITE}
실시예는 향상된 단열 성능을 갖고, 용이하게 제조될 수 있는 에어로겔 복합체에 관한 것이다.
에어로겔(aerogel)은 인류가 개발한 가장 가벼운 고체이면서 기공도가 약 95%가 넘는 초단열성의 소재이다. 에어로겔은 미래의 단열재 및 방음재로 주목 받아 온 신소재로서, 최근에는 다양한 산업분야에서 널리 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 에어로겔은 저밀도, 개방형 셀 구조, 넓은 표면적 및 나노미터 수준의 기공 사이즈를 갖는다. 일례로서 에어로겔은 밀도가 0.01~0.3 g/cc에 달하는 견고성과, 약 37℃(100℉) 및 대기압 하의 열전도율이 10~15 mW/mK 이하인 우수한 단열성을 나타낸다.
무기물 에어로겔의 소재로는 금속 알콕사이드, 실리카, 탄화규소, 알루미나 등이 알려져 있다. 또한 유기물 에어로겔의 소재로는 우레탄, 레조르시놀-포름알데히드, 폴리이미드 등이 알려져 있다. 이 중 실리카 에어로겔은 고비표면적, 고기공률, 저비중, 저유전율, 우수한 열절연성 등을 가진 나노구조 재료로서, 실리카 에어로겔의 생산과 특성화에 관한 많은 연구가 수행되었다. 예를 들어, 실리카 에어로겔의 기계적 강도나 단열 성능을 향상시키기 위해 에어로겔 복합체를 제조하는 시도가 있었다(한국 공개특허공보 제2011-0082379호 참조).
또한, 에어로겔을 제조하는 공정성을 향상시키기 위하여 벨트 컨베이어 함침을 이용한 시도가 있었다(한국 등록특허공보 제1133025호 및 도 1 참조). 그러나 이와 같은 종래의 벨트 컨베이어 함침 방식에서는 전구체의 흐름 손실을 방지하기 위하여 적절한 점도가 요구되는데, 높은 점도의 전구체 함침은 에어로겔 내의 기포를 유발하여 성능이 저하되는 원인이 될 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 기포를 줄이고 균일한 함침 작업을 위해서 충분한 이송 시간을 주어야 하나, 그에 따라 컨베이어 벨트의 길이가 길어지고 롤러로 누르는 공정을 거치면서 발생되는 버(burr)를 추가로 제거해야 하는 등 생산성이 저해되는 문제가 있다. 또한, 벨트 컨베이어 함침 방식에서는 이송 중에 반응이 일어나면서 롤로 감을 수 있는 수준으로 겔화되어야 하나, 고품질이 요구되는 나노기공 형성에 필요한 겔화 시간을 충분히 부여할 수 없는 한계점을 갖고 있다.
또한 종래의 방식에 따르면, 전구체의 점도를 낮추고 함침 작업을 거쳐도 부분적으로 전구체가 부족하거나 균일하지 못하여 숙성조에서 추가로 전구체를 주입하여 부족한 겔을 보충하는 공정을 거쳐야 했으며, 이에 따라 완성된 에어로겔이 일부 탈리하여 가루 상태로 비산함으로써 시공 상에 난제로 지적되고 성능 품질의 저하를 초래하였다.
한국 공개특허공보 제2011-0082379호 한국 등록특허공보 제1133025호
실시예는 향상된 단열 성능을 갖고, 용이하게 제조될 수 있는 에어로겔 복합체를 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 에어로겔 복합체는 무기섬유 및 유기섬유 중 적어도 하나를 포함하는 섬유재; 및 상기 섬유재 내에 배치된 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체로서, 상기 에어로겔 복합체의 절단면에서, 1500㎟의 면적당 직경이 10㎛ 내지 5㎜인 기공의 개수가 10개 이하이다.
실시예에 따른 에어로겔 복합체는 수 ㎛ 이상의 기포를 거의 포함하지 않으므로 매우 낮은 열전도율 및 향상된 단열 성능을 가질 수 있으며, 용이하게 대량 생산이 가능하다.
도 1은 롤 매트에 전구체를 함침하는 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 실시예에 따른 에어로겔 복합체의 일 단면 사진이다.
도 3은 비교예에 따른 에어로겔 복합체의 일 단면 사진이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다. 실시예는 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
일 실시예에 따른 에어로겔 복합체는,
무기섬유 및 유기섬유 중 적어도 하나를 포함하는 섬유재; 및 상기 섬유재 내에 배치된 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체로서,
상기 에어로겔 복합체의 절단면에서, 1500㎟의 면적당 직경이 10㎛ 내지 5㎜인 기공의 개수가 10개 이하이다.
상기 섬유재는 매트 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유재는 직포 매트 또는 부직포 매트일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 섬유재는 무기섬유 및 유기섬유 중 어느 하나만을 포함하거나 이들을 모두 포함할 수 있다.
상기 무기섬유는 유리 섬유(glass fibers), 글라스 울(glass wool), 암면(rock wool), 세라믹 울(ceramic wool), 및 보론 섬유(boron fibers)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기섬유는 나일론, 아라미드 섬유, 카본 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리우레탄 섬유, 아크릴 섬유, 폴리염화비닐아세테이트 섬유, 레이온 섬유(rayon fibers), 재생 섬유(regenerated fibers), 및 폐 섬유(waste fibers)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 그 외 특수 섬유 또는 생활에 쓰이는 면(cotton) 또는 아마(linen) 등의 일반 섬유도 가능하다.
상기 무기섬유 및 유기섬유의 직경은 각각 약 0.01 내지 100 ㎛, 더 자세하게는 0.1 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 상기 무기섬유 및 유기섬유의 길이는 각각 약 1 내지 100 mm, 더 자세하게는 0.5 내지 50 mm일 수 있다.
상기 에어로겔은 규산소다, 규산칼륨 또는 규산리튬의 졸로부터 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 에어로겔은 상기 규산소다, 규산칼륨 또는 규산리튬의 졸이 진공 하에서 상기 섬유재에 함침되고 겔화된 후, 용매 치환과 겔 내부 표면의 유기화를 거쳐 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적인 제조방법은 후술한 에어로겔 복합체의 제조방법에 기재된 내용을 참조한다.
후술할 에어로겔 복합체의 제조방법에 따르면, 상기 섬유재에 전구체가 치밀하게 함침되므로, 상기 섬유재에 에어로겔을 치밀하게 채울 수 있다. 따라서 상기 실시예에 따른 에어로겔 복합체는 수 ㎛ 이상의 직경을 갖는 기공를 거의 가지지 않는다.
예를 들어, 상기 에어로겔 복합체의 절단면에서, 1500㎟의 면적당 직경이 10㎛ 내지 5㎜인 기공의 개수가 10개 이하이다. 구체적으로, 상기 에어로겔 복합체의 절단면에서, 1500㎟의 면적당 직경이 10㎛ 내지 5㎜인 기공의 개수가 5개 이하, 3개 이하, 2개 이하 또는 1개 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 에어로젤 복합체의 밀도는 0.03 내지 0.3 g/cm3이다. 구체적으로, 상기 에어로젤 복합체의 밀도는 0.05 내지 0.2 g/cm3, 더욱 구체적으로는 0.1 내지 0.15 g/cm3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 에어로젤 복합체의 기공률은 50 내지 99%이다. 구체적으로, 상기 에어로젤 복합체의 기공률은 80 내지 99%, 더욱 구체적으로는 90 내지 99%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 에어로젤 복합체의 내부 표면적은 100 내지 2,000 cm2/g이다. 구체적으로, 상기 에어로젤 복합체의 내부 표면적은 200 내지 1,500 cm2/g, 더욱 구체적으로는 300 내지 1,000 cm2/g일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 에어로겔 복합체는 매우 낮은 열전도율을 갖는다. 구체적인 예로서, 상기 에어로겔 복합체는 1 W/mK 이하, 0.1 W/mK 이하, 0.05W/mK 이하, 0.001 내지 0.03 W/mK, 0.01 내지 0.02 W/mK, 또는 0.012 내지 0.015 W/mK의 열전도율을 가질 수 있다.
상기 에어로겔 복합체는 후술할 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
일 실시예에 따른 에어로겔 복합체의 제조방법은,
무기섬유 및 유기섬유 중 적어도 하나를 포함하는 섬유재를 제공하는 단계;
상기 섬유재를 습윤화하는 단계;
상기 습윤화된 섬유재를 용기 내에 장입하는 단계;
상기 용기 내의 압력을 감소시킨 후, 상기 용기 내에 전구체를 주입하여, 상기 전구체를 상기 섬유재에 함침시키는 단계;
상기 전구체를 겔화하여 겔-섬유 복합체를 제조하는 단계;
상기 겔-섬유 복합체 내의 겔에 포함된 용매를 치환하고, 상기 겔 내부 표면을 유기화하는 단계; 및
상기 겔-섬유 복합체를 건조시키는 단계;를 포함한다.
이하 각 단계별로 보다 구체적으로 기술한다.
상기 실시예의 제조방법에 따르면, 먼저 섬유재가 제공된다.
상기 섬유재의 형태 및 재료에 대한 설명은 상기 에어로겔 복합체에서 기술된 설명을 참조한다.
다음으로 상기 섬유재를 습윤화한다.
상기 섬유재에 전구체가 주입될 때 상기 무기섬유 또는 유기섬유의 표면장력에 의해서 기포가 발생될 수 있는데, 섬유 표면을 미리 습윤화시킴으로써 표면장력에 의한 기포 발생을 억제할 수 있다.
상기 습윤화는 산, 수용성 용매 및 계면활성제 중 어느 하나 이상을 습윤제로서 사용하여 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 습윤화는, (i) pH 1 내지 5 범위의 황산, 질산, 염산, 초산, 및 불산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 산; (ii) C1-C4 알콜, 아세톤, 에틸렌글리콜, 글리콜에테르류, 디메틸포름아미드(DMF), 및 테트라하이드로퓨란(THF)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 수용성 용매; 및 (iii) 지방산 나트륨, 알킬벤젠설폰산나트륨, 선형알킬벤젠설폰산염(LAS), 폴리아크릴아마이드, 폴리옥시에틸렌알킬아민, 디알킬디메틸암모늄염, 알킬벤질메틸암모늄염, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 지방산 솔비탄에스테르, 지방산 디에탄올아민, 알킬모노글리세릴에테르, 알킬설포베타인, 및 알킬카르복시베타인로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 계면활성제 중에서, 어느 하나 이상을 습윤제로서 사용하여 수행될 수 있다.
상기 습윤제를 이용하여 섬유재를 습윤화하는 경우, 50 내지 200℃의 습윤제를 처리할 수 있다.
구체적으로, 상기 습윤화는 산을 습윤제로 사용하여 수행될 수 있다.
산을 이용한 습윤화 방법은 섬유의 종류에 따라 세부적인 차이가 있을 수 있다.
구체적인 예로서, 유리 섬유의 경우 한 올에 수십 내지 수백 개의 미세가닥이 합사되고 접착되어 있는데, 이로 인해 섬유 강도는 증진되나 미세가닥들의 뭉침으로 인해 고체 열전달이 유발될 수 있으므로, 산으로 접착제를 제거하여 합사된 올을 풀어낼 수 있다.
그 결과, 유리 섬유의 미세가닥 사이로 전구체가 함침될 수 있도록 하여 나노 기공화를 달성함으로써 단열 효과를 극대화할 수 있으며, 또한 유리 섬유 표면을 활성화하여 습윤 상태로 만들어 전구체의 함침 시에 기포 없이 수화 겔을 형성할 수 있다.
상기 산은 pH 1 내지 5의 범위, 또는 pH 2 내지 3의 범위일 수 있다. 예를 들어 상기 산은 황산, 질산, 염산, 초산, 불산 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 산의 농도는 0.1 내지 10 wt%, 또는 0.2 내지 3 wt%일 수 있다.
다른 예로서, 상기 습윤화는 수용성 용매를 습윤제로 사용하여 수행될 수 있다. 상기 수용성 용매는 C1-C4 알콜, 아세톤, 에틸렌글리콜, 글리콜에테르류, 디메틸포름아미드(DMF), 테트라하이드로퓨란(THF) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 물과 혼화성이 좋은 용매라면 특별히 제한되지 않는다.
또 다른 예로서, 상기 습윤화는 계면활성제를 습윤제로 이용하여 수행될 수 있으며, 이로 인해 기포 생성이 억제될 수 있다.
상기 계면활성제는 음이온계로서 지방산 나트륨, 알킬벤젠설폰산나트륨, 선형알킬벤젠설폰산염(LAS), 폴리아크릴아마이드 등; 양이온계로서 폴리옥시에틸렌알킬아민, 디알킬디메틸암모늄염, 알킬벤질메틸암모늄염 등; 비이온계로서 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 지방산 솔비탄에스테르, 지방산 디에탄올아민, 알킬모노글리세릴에테르 등; 양성이온계로서 알킬설포베타인, 알킬카르복시베타인 등일 수 있다.
상기 계면활성제의 농도는 0.1 내지 10 wt%, 0.1 내지 5 wt%, 0.2 내지 3 wt%, 또는 0.5 내지 2 wt%의 범위일 수 있다.
이어서, 상기 습윤화된 섬유재를 용기 내에 장입한다.
실시예에 따르면, 상기 습윤화된 섬유재가 용기 내에 장입되기 이전에 상기 습윤화된 섬유재 사이에 세퍼레이터를 삽입하고, 겔-섬유 복합체가 제조된 이후에 상기 세퍼레이터를 제거할 수 있다.
이를 위하여, 먼저 습윤화가 완료된 섬유재는 세퍼레이터와 함께 롤 형태로 권취되거나 또는 평면 형태로 적층될 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터는 상기 습윤화된 섬유재와 함께 롤 형태로 권취될 수 있다. 또는, 상기 세퍼레이터는 상기 습윤화된 섬유재와 교대로 적층될 수 있다.
상기 세퍼레이터는 스테인레스 스틸, 고무막, 마그네슘 시트, 알루미늄 시트, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르, 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 나일론, 및 이들의 혼합 소재로 이루어진 군에서 선택되는 소재를, 유체가 침투 및 투과할 수 있도록 처리된 것일 수 있다.
또한, 상기 세퍼레이터의 두께는 0.1 내지 10 mm, 구체적으로는 0.1 내지 1 mm 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 사용되는 세퍼레이터의 소재에 따라 적절한 두께가 선택될 수 있다.
상기 용기의 크기는 0.1 내지 10 m3일 수 있다. 구체적으로, 상기 용기의 크기는 0.5 내지 5 m3, 더욱 구체적으로 1 내지 2 m3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 용기는 1 내지 10 개의 용기가 일렬로 배열될 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유재가 매트 형태인 경우, 세퍼레이터와 함께 여러 겹으로 감긴 롤 매트 또는 평면 형태로 적층된 평 매트로 준비될 수 있다.
습윤제의 분사에 의해 습윤화하여 롤 매트가 준비되는 경우의 공정은, 매트가 롤러에 의해 이송되고 습윤제가 분사장치에 의해 매트 상에 분사되면서 잔여분은 수납조에 담겨지며, 세퍼레이터와 함께 권취되어 롤 매트로 준비될 수 있다.
이와는 다르게, 습윤제의 함침에 의해 습윤화하여 롤 매트가 준비되는 경우의 공정은, 매트가 함침롤러에 의해 이송되어 습윤제에 함침된 후, 인발롤러에 의해 잔여분을 제거하면서 압축하고, 세퍼레이터와 함께 권취되어 롤 매트로 준비될 수 있다.
또한, 습윤제의 분사에 의해 습윤화하여 평 매트가 준비되는 경우의 공정은, 매트가 롤러에 의해 이송되고 습윤제가 분사장치에 의해 매트 상에 분사되면서 잔여분은 수납조에 담겨지며, 세퍼레이터와 함께 적층되어 평 매트로 준비될 수 있다.
상기와 같은 방식에 의하면, 섬유재가 세퍼레이터와 함께 권취 또는 적층되는 단계에서, 종래의 컨베이어 방식과는 달리 졸의 함침이 충분히 이루어질 수 있고 시간에 제한을 받지 않는다.
또한, 습윤제의 분사와 잔여분의 제거가 동시에 순간적으로 이루어지며 단시간에 많은 양을 습윤화할 수 있다.
상술한 바와 같이 권취 또는 적층된 섬유재를 하나 이상의 용기에 장입시킨다. 이후 상기 용기 내의 압력을 감소시킨 후, 상기 용기 내에 전구체를 주입하여, 상기 전구체를 상기 섬유재에 함침시킨다.
도 1은 롤 매트에 전구체를 함침하는 공정을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하여 예를 들면, 가로/세로형의 롤 매트 또는 평 매트를 용기(3)에 장입시키고, 배기라인(4) 및 진공펌프(5)에 의해 상기 용기(3) 내부를 감압시키며, 이후 전구체(1)를 공급라인(2)을 통해 용기에 주입함으로써, 상기 전구체(1)를 섬유재(가로/세로형의 롤 매트 또는 평 매트)에 함침시킨다.
상기 전구체는 pH 3 내지 7의 규산소다(sodium silicate), 규산칼륨(potassium silicate) 또는 규산리튬(lithium silicate)의 졸이나, 또는 산 촉매로 가수분해 된 테트라에톡시실란(TEOS)일 수 있다. 상기 전구체는 pH 4 내지 6에서 충분히 겔화되고 숙성되어 내부에 고품질의 나노기공이 형성될 수 있다.
또한, 상기 전구체는 1 내지 100 cP 수준, 구체적으로 5 내지 30 cP의 낮은 점도를 갖는 것이 외부 손실이나 기포가 없는 치밀한 겔화에 보다 유리하다.
특히, 상기 전구체로 규산소다, 규산칼륨 또는 규산리튬의 졸과 같이 증기압이 상대적으로 낮은 물을 용매(분산매)로 포함하는 전구체를 사용하는 것이, 용기 내의 압력을 효과적으로 낮출 수 있어서 바람직하다. 예를 들어, 상기 용매는 물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전구체를 상기 섬유재에 함침시키는 단계에서, 상기 용기 내의 압력을 0.001 내지 100 Torr의 범위, 약 0.001 내지 10 Torr의 범위, 또는 약 0.001 내지 1 Torr의 범위로 감소시킬 수 있다.
이후, 상기 용기 내에 전구체가 주입되며, 이때 상기 용기는 상기 범위로 감압된 상태이므로, 상기 전구체가 압력 차이에 의해서 자연스럽게 주입될 수 있다. 상기 전구체는 상기 용기의 하부로부터 주입될 수 있고, 또한 섬유재에 기포가 발생되지 않도록 적절한 속도로 주입될 수 있다.
이 때, 상기 전구체가 용기에 주입되는 속도는 1 내지 2,000 kg/h일 수 있다. 구체적으로, 상기 전구체가 용기에 주입되는 속도는 5 내지 1,000 kg/h, 더욱 구체적으로 100 내지 500 kg/h 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전구체가 용기에 주입되는 속도가 상기 범위 이내일 경우, 섬유재에 발생하는 기포를 최소화할 수 있고, 열전도율이 낮은 복합체를 제조하는데 유리하다.
상술한 바에 따라, 용기 내의 압력을 감압시키고, 압력 차를 이용하여 전구체가 용기 내부로 주입되면, 용기 내의 압력이 다시 상승될 수 있으므로, 상기 전구체가 주입된 이후에도 상기 용기 내의 압력을 계속해서 감압시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 용기 내의 압력을 0.001 내지 100 Torr의 범위, 약 0.001 내지 10 Torr의 범위, 또는 약 0.001 내지 1 Torr의 범위로 감소시킬 수 있다.
이로써, 상기 섬유재 내의 기포를 효과적으로 탈포시킬 수 있다.
이어서, 상기 전구체를 겔화하여 겔-섬유 복합체를 제조한다.
구체적으로, 상기 전구체는 상기 용기 내에서 겔화 및 숙성되고, 이 때 용기 내의 압력도 이전과 같이 유지될 수 있다.
상기 전구체는 전구체에 포함된 산촉매에 의해 겔화된다.
이어서, 겔화된 전구체는 5 내지 80℃의 온도에서 2 내지 48 시간 동안 숙성될 수 있다. 구체적으로, 20 내지 60℃의 온도에서 4 내지 24 시간 동안 숙성 되어, 겔-섬유 복합체가 제조될 수 있다.
이렇게 제조된 겔-섬유 복합체를 상기 용기에서 취출하고, 상기 세퍼레이터를 제거한다.
이후, 상기 겔-섬유 복합체 내의 겔에 포함된 용매를 치환하고, 상기 겔 내부 표면을 유기화하고, 세척한다.
예를 들어, 상기 전구체로서 규산소다 졸을 이용한 경우, 상기 겔-섬유 복합체를 5 내지 80℃의 물로 수회 세척하여 염을 제거한 후 유기용매에 의한 치환 및 표면 유기화를 거쳐 세척하는 것이 바람직하며, 상기 전구체로서 알콕사이드를 이용한 경우, 바로 유기용매에 의한 치환 및 표면 유기화를 거쳐 세척할 수 있다.
상기 겔-섬유 복합체 내의 겔에 포함된 용매를 치환하는 과정에 있어서, 상기 용매는 유기용매일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 유기용매는 C1-C8 알콜류; 아세톤과 같은 케톤류; 또는 톨루엔, 자일렌 등과 같은 방향족 용매일 수 있다.
또한, 상기 겔 내부 표면을 유기화하기 위한 처리제로서, 트리메틸클로로실란(TMCS), 헥사메틸디실라잔(HMDS), 디메틸클로로실란(DMCS), 메틸트리클로로실란(MTCS) 등의 실란계 화합물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 트리메틸클로로실란(TMCS) 또는 헥사메틸디실라잔(HMDS)을 사용할 수 있다.
그러나, 상기 실란계 화합물을 사용하는 경우, 발수 유지기간이 길지 않아 시간의 경과에 따라 분해되어 발수력이 감소될 우려가 있고, 그에 따라 수분이 침투하여 열전도율 성능이 나빠질 수 있다.
따라서, 발수 유지기간이 상대적으로 긴 알콕시실란을 표면 유기화에 함께 도입하는 것이 바람직하다.
상기 알콕시실란은 R-Si-(OR')3의 구조식을 가질 수 있으며, 여기서 상기 R은 C1-C8 알킬, 페닐, 에폭시, 아미노, 벤질, 아미노클로로프로필, 다이설피도, 이소시아네이트, 에폭시멜라민, 머캅토, 메타크릴레이트, 테트라설피도, 우레이도, 비닐, 비닐벤질아미노 등일 수 있고, R'는 메톡시, 에톡시, 아세톡시 등일 수 있다. 이와 같은 알콕시실란의 R 그룹은 다른 부가제와의 접착성을 부여할 수 있으며, 예를 들어, 매트 마감재로 사용될 수 있는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 나일론, 에틸렌비닐아세테이트 등의 플라스틱 소재의 시트와의 접착성을 부여할 수 있다. 상기 알콕시실란의 구체적인 예로서 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 메틸트리메톡시실란(MTMS), 에틸트리메톡시실란(ETMS) 등을 들 수 있다.
상기 실란계 화합물과 알콕시실란의 혼합 중량비는 1:0.01 내지 1:0.3, 구체적으로는 1:0.1 내지 1:0.3일 수 있다. 상기 혼합 중량비는 알콕시기의 유기기의 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다.
상기 겔 내부 표면 유기화를 위한 처리제로서, 상기 실란계 화합물 및 알콕시실란의 혼합물을 사용하는 것이 건조 시의 기공 유지와 사용 기간 증대 면에서 보다 유리할 수 있다.
또한, 상기 표면 유기화를 위한 처리제는 불투명화제를 더 포함할 수 있다. 상기 불투명화제의 예로써, Al2O3, Fe2O3, TiO2, 카본, 그라파이트, SiC, 붕소 화합물 등을 들 수 있다.
상기 불투명화제의 입경은 0.01 내지 100 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 10 ㎛일 수 있다.
상기 불투명화제의 함량은 상기 표면 유기화 처리제 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 3 내지 10 중량부일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 겔 내부 표면 유기화를 위한 처리제로서, 상기 불투명화제를 더 포함하면, 고온에서 적외선 파장 흡수능이 우수하여 단열성능면에서 보다 유리할 수 있다.
상기 겔 내부 표면 유기화가 완료된 겔-섬유 복합체는 세척 단계를 더 거칠 수 있고, 상기 세척 단계는 유기용매를 사용하여 수행될 수 있다.
상기 세척 단계에서 사용되는 유기용매는 n-부탄올 등의 알콜류; 또는 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 용매;일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 상기 겔-섬유 복합체를 건조시킨다.
상기 겔-섬유 복합체를 건조 시키는 조건은 상압 건조 또는 초임계 건조일 수 있다.
상기 상압 건조는 5 내지 350℃ 에서 60 분 내지 600 분; 또는 20 내지 250℃ 에서 60 분 내지 240 분의 조건에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 초임계 건조는 특별히 한정되지는 않으나 약 100 내지 200 기압의 조건에서 수행될 수 있다.
상술한 실시예에 따른 제조방법에 의해 에어로겔 복합체가 제조될 수 있다.
또한, 상술한 실시예에 따른 제조방법에 의해 에어로겔 매트를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 에어로겔 매트는, 매트를 습윤화하는 단계; 습윤화된 매트를 세퍼레이터와 함께 여러 겹의 롤 형태로 권취하거나 적층하여 다수의 롤 매트 또는 평 매트를 준비하는 단계; 다수의 롤 매트 또는 평 매트를 용기 내에 장입하는 단계; 상기 용기 내의 압력을 감소시킨 후 상기 용기 내에 전구체를 주입하여 상기 전구체를 상기 롤 매트 또는 평 매트애 함침시키는 단계; 상기 전구체를 겔화 및 숙성시키는 단계; 및 상기 용기에서 다수의 롤 매트 또는 평 매트를 취출하고 세퍼레이터를 제거하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
이로써, 균일한 나노 기공이 형성된 고품질 에어로겔 매트의 생산성을 획기적으로 향상시켜 대량으로 생산할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
E-glass 매트를 습윤제로서 60℃의 0.5wt% 황산용액으로 처리하여 습윤화한 후, 세퍼레이터로서 0.5mm 두께의 폴리프로필렌 시트와 함께 권취하여 롤 매트를 준비하였다. 원형 롤 형태의 매트를 다수의 용기에 각각 장입하고, 용기 내의 압력을 0.01 Torr로 감압하였다. 전구체로서 pH 5로 조정된 규산소다, 규산칼륨 또는 규산리튬의 졸을 용기 하부로부터 압력차에 의해서 서서히 주입하였다. 용기의 하부 밸브를 잠그고 용기 내의 압력을 0.01 Torr로 계속해서 감압하여 30분간 잔류 기포를 제거하고 숙성하여, 경화된 수화 겔을 갖는 롤 매트를 제조하였다. 롤 매트를 용기에서 취출하고 세퍼레이터를 제거한 뒤 60℃ 온수로 수회 세척하여 염을 제거하였다. 이후 롤 매트를 증류탑이 연결된 반응기에 넣고, 이소프로필알콜, 톨루엔, 자일렌 등의 유기 혼합용매를 투입하여 용매 치환하였다. 또한 롤 매트를 트리메틸클로로실란과 메틸트리메톡시실란이 1: 0.1의 중량비로 혼합된 혼합물로 표면 유기화한 뒤, 톨루엔으로 세척하였다. 세척된 매트를 80℃에서 60분 건조한 후 230℃에서 2시간 건조하여 최종 에어로겔 매트를 얻었다. 수득된 에어로겔 매트의 열 전도율은 0.015 W/mK 이었다.
실시예 2
습윤제로서 0.5wt% 선형알킬벤젠설폰산염(LAS)을 이용하여 습윤화한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 에어로겔 매트를 제조하였다. 수득된 에어로겔 매트의 열 전도율은 0.012 W/mK 이었다.
실시예 3
세라믹 울 매트를 롤러로 이송하면서 에탄올을 분사하여 습윤화하고 잔류분의 용매를 흡착 제거하였다. 습윤화된 매트를 세퍼레이터로서 스텐레스 스틸 시트와 함께 다겹으로 권취하여 롤 매트를 준비하였다. 습윤화된 롤 매트를 다수의 주입 숙성 용기에 각각 장입하고, 용기 내부 압력을 0.01 Torr로 감압하였다. 전구체로서 pH 5로 조정된 규산소다 졸을 용기 하부로부터 압력차에 의해서 서서히 주입하였다. 용기의 하부 밸브를 잠그고 용기 내의 압력을 0.01 Torr로 계속해서 감압하여 30분간 잔류 기포를 제거하였다. 이후 롤 매트를 60℃에서 4시간 경화하여 수화겔을 갖는 롤 매트를 제조하였다. 롤 매트를 용기에서 취출하고 세퍼레이터를 제거한 뒤, 60℃ 온수로 수회 초음파 세척하여 염을 제거하였다. 이후 롤 매트를 증류탑이 연결된 반응기에 넣고, 아세톤, 이소프로필알콜, 부탄올, 자일렌 등의 유기 혼합 용매를 투입하여 용매 치환하였다. 또한 롤 매트를 헥사메틸디실라잔과 메틸트리메톡시실란이 1 : 0.1의 중량비로 혼합된 혼합물로 표면 유기화한 뒤, 이소프로필알콜로 세척하였다. 세척된 매트를 80℃에서 60 분 건조한 후, 230℃에서 2시간 건조하여 최종 에어로겔 매트를 얻었다. 수득된 에어로겔 매트의 열전도율은 0.014 W/mK이었다.
평가예
실시예 1에서 제조된 에어로겔 매트를 절단하여, 육안으로 단면을 관찰하였다. 그 결과, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 1500㎟의 면적당 직경이 약 200 ㎛ 내지 약 5 mm의 직경을 갖는 기공이 관찰되지 않았다. 또한, 상기 단면을 광학 현미경으로 관찰한 결과, 상기 1500㎟의 면적당 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 직경을 갖는 기공 또한 관찰되지 않았다.
또한 비교예로서, 상용품인 아스펜(Aspen) 사의 제품을 절단하여, 육안으로 단면을 관찰하였다. 그 결과, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 1500㎟의 면적에서 약 200㎛ 내지 약 5㎜의 직경을 갖는 기공의 개수가 10개 이상 관찰되었다. 비교예의 경우 열전도율은 20 내지 23 W/mK이었다.
1 : 전구체
2 : 공급라인
3 : 용기
4 : 배기라인
5 : 진공펌프

Claims (7)

  1. 무기섬유 및 유기섬유 중 적어도 하나를 포함하는 섬유재; 및
    상기 섬유재 내에 배치된 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체로서,
    상기 에어로겔 복합체의 절단면에서, 1500㎟의 면적당 직경이 10㎛ 내지 5㎜인 기공의 개수가 10개 이하이고,
    상기 에어로겔은, 상기 섬유재가 장입된 용기 내의 압력을 0.001 내지 100 Torr로 감압한 후, 규산소다, 규산칼륨 또는 규산리튬의 졸을 상기 용기 내부로 주입하여 상기 섬유재에 함침시키고 겔화한 후, 용매 치환과 겔 내부 표면의 유기화를 거쳐 제조되는,
    에어로겔 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무기섬유가 유리 섬유, 글라스 울, 암면, 세라믹 울, 및 보론 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상이고,
    상기 유기섬유가 나일론, 아라미드 섬유, 카본 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리우레탄 섬유, 아크릴 섬유, 폴리염화비닐아세테이트 섬유, 재생 섬유, 및 폐 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인, 에어로겔 복합체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기공의 개수가 5개 이하인 에어로겔 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기공의 개수가 3개 이하인 에어로겔 복합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기공의 개수가 2개 이하인 에어로겔 복합체.
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