KR102077469B1 - 단열재 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 단열재의 제조 방법은, 폴리스티렌 수지와 탄소 나노 물질을 혼합한 혼합 조성물을 형성하는 단계; 상기 혼합 조성물에 보조 발포제인 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스를 용해하여 발포체를 형성하는, 제1 발포하는 단계; 및 상기 발포체를 증기에서 제2 발포하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 단열재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 구조를 개선한 단열재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
건축물 등의 단열 성능을 높이기 위하여 사용되는 다양한 단열재를 사용하고 있다. 이러한 단열재로 가장 널리 사용되는 것이 단일 수지를 발포하여 형성된 발포체로 구성된 단열재이다.
이와 같은 발포체로 구성된 단열재는 그 자체만으로 구현할 수 있는 단열 성능에 한계가 있어 충분한 단열 성능을 확보하기 어렵다. 따라서 충분한 단열 성능을 구현할 수 있는 단열재가 요구되고 있다.
본 발명은 우수한 단열 성능을 가지는 단열재 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 단열재의 제조 방법은, 폴리스티렌 수지와 탄소 나노 물질을 혼합한 혼합 조성물을 형성하는 단계; 상기 혼합 조성물에 보조 발포제인 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스를 용해하여 발포체를 형성하는, 제1 발포하는 단계; 및 상기 발포체를 증기에서 제2 발포하는 단계를 포함한다.
상기 제1 발포하는 단계는 오토 클레이브(autoclave) 내에 상기 혼합 조성물을 위치한 상태에서 상기 오토 클레이브에 상기 펜탄 가스 및 상기 이산화탄소 가스를 제공하여 수행된다.
상기 제1 발포하는 단계에서 상기 펜탄 가스 및 상기 이산화탄소 가스에 의한 상기 오토 클레이브 내의 압력이 1050 psi 내지 3000 psi이다.
상기 제1 발포하는 단계보다 상기 제2 발포하는 단계의 공정 시간이 짧다.
상기 제1 발포하는 단계가 2일 내지 3일 동안 수행되고, 상기 제2 발포하는 단계가 1분 내지 3분 동안 수행된다.
상기 단열재가 독립 셀을 포함하고, 상기 독립 셀이 제1 크기를 가지는 제1 셀과 상기 제1 셀보다 작은 제2 크기를 가지는 제2 셀을 포함하는 바이모달(bimodal) 구조를 가진다.
상기 제1 크기가 100um 내지 300um이고, 상기 제2 크기가 5um 내지 30um이다.
상기 단열재의 팽창비가 20 이상이고, 상기 단열재의 개방 셀 함량이 8% 이하이며, 상기 단열재의 열전도도가 25 mW/m·K 이하이다.
상기 탄소 나노 물질이 탄소 나노 튜브를 포함하고, 상기 탄소 나노 물질이 0.01 wt% 내지 0.5 wt%로 포함된다.
상기 탄소 나노 물질 0.1 wt% 내지 0.3 wt%로 포함된다.
본 발명의 실시예에 따른 단열재는, 독립 셀을 가지는 폴리스티렌 폼; 및 상기 폴리스티렌 폼의 상기 독립 셀의 벽면에 분산된 탄소 나노 물질을 포함하고, 상기 독립 셀이 제1 크기를 가지는 제1 셀과 상기 제1 셀보다 작은 제2 크기를 가지는 제2 셀을 포함하는 바이모달(bimodal) 구조를 가진다.
상기 제1 크기가 100um 내지 300um이고, 상기 제2 크기가 5um 내지 30um이다.
상기 폴리스티렌 폼의 개방 셀 함량이 8% 이하이며, 상기 단열재의 열전도도가 25 mW/m·K 이하이다.
상기 탄소 나노 물질이 탄소 나노 튜브를 포함하고, 상기 탄소 나노 물질이 0.01 wt% 내지 0.5 wt%로 포함된다.
상기 탄소 나노 물질이 0.1 wt% 내지 0.3 wt%로 포함된다.
본 실시예에 따른 단열재의 제조 방법에 의하면 우수한 단열 특성을 가지는 단열재를 간단한 공정에 의하여 제조할 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 단열재는 바이모달 구조, 낮은 개방 셀 함량 및 낮은 열전도도를 가져 우수한 단열 특성을 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단열재의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단열재의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단열재의 개략적인 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 단열재 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 이하에서는 단열재의 제조 방법을 설명한 다음 이에 의하여 제조된 단열재를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단열재의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 단열재의 제조 방법은, 혼합 조성물을 형성하는 단계(S10)와, 제1 발포하는 단계(또는 포화하는 단계).(S20)와, 제2 발포하는 단계(S30)을 포함한다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
혼합 조성물을 형성하는 단계(S10)에서는 폴리스티렌 수지와 탄소 나노 물질을 혼합한다. 폴리스티렌 수지는 발포에 의하여 독립 셀을 형성하여 우수한 단열 특성을 나타낼 수 있는 물질이다. 탄소 나노 물질은 나노 수준의 크기(1nm 이상, 1um 미만)의 크기를 가져 복사를 차단하는 역할을 할 수 있다. 그리고 탄소 나노 물질은 발포 시 핵생성 에너지를 감소시키고 비균질적 기포 핵생성을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소 나노 물질은 발포 후에 셀 벽에 위치하여 매트릭스의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
탄소 나노 물질로는 다양한 물질을 사용할 수 있으며, 일 예로, 탄소 나노 튜브를 사용하면 복사를 차단하는 역할 등을 효과적으로 수행할 수 있다.
이때, 탄소 나노 물질은 혼합 조성물 전체 100 wt%에 대하여 0.01 wt% 내지 0.5 wt%로 포함될 수 있다. 탄소 나노 물질이 0.01 wt% 미만이면 탄소 나노 물질에 의한 효과가 충분하지 않을 수 있다. 탄소 나노 물질이 0.5 wt%를 초과하면, 개방 셀의 함량이 높아질 수 있다. 이때, 탄소 나노 물질이 혼합 조성물 전체 100 wt%에 대하여 0.1 wt% 내지 0.3 wt%로 포함되면, 탄소 나노 물질의 효과를 최대화하면서 개방 셀의 함량을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
제1 발포하는 단계(S20)에서는 오토 클레이브(autoclave) 내에 혼합 조성물을 위치한 상태에서 오토 클레이브에 보조 발포제인 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스를 제공하여 혼합 조성물에 용해시킨다.
보조 발포제로 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스를 사용하면 팽창비를 증가시키면서 독립 셀의 크기를 감소시킬 수 있다. 좀더 구체적으로, 펜탄 가스는 폴리스티렌을 가소화하며 폴리스티렌 매트릭스 내에서 높은 용해도를 가진다. 다만, 펜탄 가스의 과포화도가 낮아 기포 형성을 제한할 수 있으므로 펜탄 가스와 함께 펜탄 가스보다 높은 과포화도를 가지는 이산화탄소 가스를 함께 사용하여 기포가 효과적으로 형성될 수 있도록 한다. 이에 의하여 형성된 발포체가 큰 팽창비를 가지며 높은 과포화되에 의하여 비균질 기포 핵생성을 일으키게 된다. 이에 의하여 기포 핵생성이 많이 일으키도록 할 수 있다. 이때, 탄소 나노 물질은 핵생성 에너지를 감소시켜서 기포 핵생성을 가속화할 수 있다.
펜탄 가스 및 이산화탄소 가스에 의한 오토 클레이브 내의 압력이 1050psi 내지 3000 psi일 수 있다. 상기 압력이 1050 psi 미만이면 발포 효과가 충분하지 않을 수 있고, 상기 압력이 3000 psi를 초과하면 발포 시 높은 압력에 의하여 셀이 손상되거나 파괴될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 발포하는 단계(S20)는 2일 내지 3일 동안 수행될 수 있다. 이러한 공정 시간 범위 내에서 큰 팽창비를 가지는 충분한 발포가 이루어질 수 있기 때문이다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 발포하는 단계(S30)에서는 제1 발포하는 단계(S20)에 의하여 형성된 발포체를 증기에서 발포한다. 이에 의하여 충분한 발포가 이루어지도록 하고 큰 팽창비를 가질 수 있도록 한다.
일 예로, 제2 발포하는 단계(S30)에서는 100도씨 내지 120도씨의 증기를 발포체에 제공하여 제2 발포할 수 있다. 이러한 온도 범위의 증기를 쉽게 형성할 수 있으며 이러한 온도 범위에서 발포 특성을 향상할 수 있기 때문이다.
제2 발포하는 단계(S30)의 공정 시간이 제1 발포하는 단계(S20)의 공정 시간보다 짧을 수 있다. 이는 제2 발포하는 단계(S30)를 길게 수행하면 제1 발포하는 단계(S20)에 의한 다양한 발포 특성이 통제하기 어려운 상태가 될 수 있기 때문이다. 일 예로, 제2 발포하는 단계(S30)가 1분 내지 3분 동안 수행될 수 있다. 이러한 범위 내에서 팽창비를 크게 하면서 발포 특성을 크게 변화시키지 않으면서 제2 발포될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단열재의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상술한 단열재의 제조 방법에 의하여 형성된 단열재(100)는, 독립 셀을 가지는 매트릭스로 구성되는 폴리스티렌 폼(10)과, 독립 셀의 벽면에 분산된 탄소 나노 물질(20)을 포함할 수 있다. 탄소 나노 물질(20)은 앞서 설명한 바와 같이, 전체 단열재(100) 100 wt%에 대하여 0.01 wt% 내지 0.5 wt%(일 예로, 0.1 wt% 내지 0.3 wt%)로 포함될 수 있다.
이때, 독립 셀의 크기가 300um 이하(예를 들어, 5um 내지 300um)일 수 있다. 이는 탄소 나노 물질(20)을 포함하는 혼합 조성물을 사용하며, 보조 발포제로 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스를 함께 사용하였기 때문이다. 좀더 구체적으로, 독립 셀이 제1 크기(일 예로, 제1 평균 크기)를 가지는 제1 셀(12)과 제1 셀(12)보다 작은 제2 크기(일 예로, 제2 평균 크기)를 가지는 제2 셀(14)을 포함하는 바이모달(bimodal) 구조를 가지게 된다. 즉, 상대적으로 큰 제1 셀(12)은 변형되기 쉽지만 상대적으로 작은 제2 셀(14)은 강한 모듈러스(modulus)를 가진다. 이와 같이 제2 셀(14)을 함께 구비하여 단열재(100)가 우수한 기계적 강도를 가질 수 있다. 일 예로, 제1 셀(12)의 제1 크기가 100um 내지 300um이고, 제2 셀(14)의 제2 크기가 5um 내지 30um일 수 있다. 이러한 제1 및 제2 크기는 쉽게 제조될 수 있으며 우수한 기계적 강도를 가지는 값으로 한정된 것이다.
그리고 제1 및 제2 발포 과정에 의한 팽창비(혼합 조성물에 대한 단열재(100)의 부피 비율)이 20 이상(일 예로, 20 내지 35)이고, 단열재(100)의 개방 셀 함량이 8% 이하(일 예로, 2% 내지 8%)이며, 단열재(100)의 열전도도가 25 mW/m·K 이하(일 예로, 15 mW/m·K 내지 25 mW/m·K)일 수 있다. 여기서, 개방셀 함량은 다양한 방법에 의하여 측정될 수 있는데, 공기비교식 피크노미터(air pycnometer) 등을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같은 높은 팽창비 및 낮은 개방 셀 함량은 탄소 나노 물질(20), 그리고 보조 발포제로 사용한 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스에 의하여 구현될 수 있다. 특히, 탄소 나노 물질(20)의 함량을 0.5 wt% 이하(좀더 구체적으로 0.3 wt% 이하)로 한정하여 탄소 나노 물질(20)이 많은 양 포함될 경우에 발생할 수 있는 팽창비 저하를 방지한다. 그리고 펜탄 가스는 폴리스티렌에 대하여 강한 가소화 효과를 가지므로 셀 벽이 파괴되기 전에 더 많이 팽창하도록 하여 높은 팽창비를 가지면서도 개방 셀 함량을 줄일 수 있다.
그리고 상술한 바와 같이 낮은 열전도도는 본 실시예의 단열재(100)의 다양한 특성의 결합에 의하여 구현된다. 셀 벽에 분산된 탄소 나노 물질(20)은 복사를 방지한다. 특히, 본 실시예와 같이 팽창비가 크면(일 예로, 20 이상이면), 복사가 열전도도에 큰 영향을 줄 수 있으므로 탄소 나노 물질(20)에 의하여 복사를 방지하는 것이다. 그리고 바이모달 구조는 비틀림을 강화하는데 이러한 비틀림에 의하여 고체상을 통한 전도를 감소시킬 수 있다. 또한, 상대적으로 큰 제1 셀(12)의 두꺼운 셀 벽이 복사를 효과적으로 차단할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 단열재(100)의 제조 방법에 의하면 우수한 단열 특성을 가지는 단열재(100)를 간단한 공정에 의하여 제조할 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 단열재(100)는 바이모달 구조, 낮은 개방 셀 함량 및 낮은 열전도도를 가져 우수한 단열 특성을 가진다.
이하, 본 발명의 제조예를 참조하여 본 발명은 좀더 상세하게 설명한다.
폴리스티렌 수지와 탄소 나노 튜브를 혼합하여 혼합 조성물을 형성하였다. 이때, 탄소 나노 튜브는 전체 100wt%에 대하여 0.25 wt%만큼 포함되었다. 그리고 혼합 조성물을 오토 클레이브에 넣은 후에 2000 psi의 압력으로 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스를 제공하면서 2일 동안 두어 제1 발포를 수행하였다. 제1 발포에 의하여 형성된 발포체를 100도씨의 증기에서 2분 동안 두어 제2 발포를 수행하여 단열재를 형성하였다.
이에 의하여 제조된 단열재의 사진을 도 3에 나타내었고, 제1 셀의 제1 크기(일 예로, 제1 평균 크기), 제2 셀의 제2 크기(일 예로, 제2 평균 크기), 단열재의 팽창비, 개방 셀 함량, 열전도도를 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 제1 크기 | 167 um |
| 제2 크기 | 14.8 um |
| 팽창비 | 27.7 |
| 개방셀 함량 | 6.6 % |
| 열전도도 | 24.7 mW/m·K |
도 3 및 표 1을 참조하면, 단열재가 전체적으로 300 um 이하의 셀을 가지며, 100um 내지 300um의 제1 크기를 가지는 제1 셀과 상대적으로 작은 5um 내지 30um의 제2 크기를 가지는 제2 셀을 구비하는 바이모달 구조를 가지는 것을 알 수 있다.
그리고 단열재의 팽창비가 20 이상이고, 개방 셀 함량이 8% 이하이며, 열전도도가 25 mW/m·K 이하로 매우 우수한 것을 알 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (15)
- 폴리스티렌 수지와 탄소 나노 물질을 혼합한 혼합 조성물을 형성하는 단계;
상기 혼합 조성물에 보조 발포제인 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스를 용해하여 발포체를 형성하는, 제1 발포하는 단계; 및
상기 발포체를 증기에서 제2 발포하는 단계를 포함하고,
상기 제2 발포하는 단계에서는 100도씨 내지 120도씨의 증기를 발포체에 제공하여 제2 발포하고,
상기 제1 발포하는 단계보다 상기 제2 발포하는 단계의 공정 시간이 짧은 단열재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 발포하는 단계는 오토 클레이브(autoclave) 내에 상기 혼합 조성물을 위치한 상태에서 상기 오토 클레이브에 상기 펜탄 가스 및 상기 이산화탄소 가스를 제공하여 수행되는 단열재의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제1 발포하는 단계에서 상기 펜탄 가스 및 상기 이산화탄소 가스에 의한 상기 오토 클레이브 내의 압력이 1050 psi 내지 3000 psi인 단열재의 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 발포하는 단계가 2일 내지 3일 동안 수행되고,
상기 제2 발포하는 단계가 1분 내지 3분 동안 수행되는 단열재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단열재가 독립 셀을 포함하고,
상기 독립 셀이 제1 크기를 가지는 제1 셀과 상기 제1 셀보다 작은 제2 크기를 가지는 제2 셀을 포함하는 바이모달(bimodal) 구조를 가지는 단열재의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 제1 크기가 100um 내지 300um이고,
상기 제2 크기가 5um 내지 30um인 단열재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단열재의 팽창비가 20 이상이고,
상기 단열재의 개방 셀 함량이 8% 이하이며,
상기 단열재의 열전도도가 25 mW/m·K 이하인 단열재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 물질이 탄소 나노 튜브를 포함하고,
상기 탄소 나노 물질이 0.01 wt% 내지 0.5 wt%로 포함되는 단열재의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 탄소 나노 물질 0.1 wt% 내지 0.3 wt%로 포함되는 단열재의 제조 방법. - 독립 셀을 가지는 폴리스티렌 폼; 및
상기 폴리스티렌 폼의 상기 독립 셀의 벽면에 분산된 탄소 나노 물질
을 포함하고,
상기 독립 셀이 제1 크기를 가지는 제1 셀과 상기 제1 셀보다 작은 제2 크기를 가지는 제2 셀을 포함하는 바이모달(bimodal) 구조를 가지며,
폴리스티렌 수지와 상기 탄소 나노 물질을 혼합한 혼합 조성물을 형성하고, 상기 혼합 조성물에 보조 발포제인 펜탄 가스 및 이산화탄소 가스를 용해하여 발포체를 형성하는, 제1 발포하는 단계; 및
상기 발포체를 증기에서 제2 발포하는 단계를 포함하고,
상기 제2 발포하는 단계에서는 100도씨 내지 120도씨의 증기를 발포체에 제공하여 제2 발포하고,
상기 제1 발포하는 단계보다 상기 제2 발포하는 단계의 공정 시간이 짧게 하여 형성된 단열재. - 제11항에 있어서,
상기 제1 크기가 100um 내지 300um이고,
상기 제2 크기가 5um 내지 30um인 단열재. - 제11항에 있어서,
상기 폴리스티렌 폼의 개방 셀 함량이 8% 이하이며,
상기 단열재의 열전도도가 25 mW/m·K 이하인 단열재. - 제11항에 있어서,
상기 탄소 나노 물질이 탄소 나노 튜브를 포함하고,
상기 탄소 나노 물질이 0.01 wt% 내지 0.5 wt%로 포함되는 단열재. - 제14항에 있어서,
상기 탄소 나노 물질이 0.1 wt% 내지 0.3 wt%로 포함되는 단열재.
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