KR102115257B1 - 프로파일 부재의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 프로파일(profile) 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어(insulating core)를 포함하는 복합 부재(composite element)로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지는 것인 복합 부재, 이러한 유형의 복합 부재의 제조 방법, 및 윈도우, 도어, 냉장고, 냉동 박스(chest freezer) 또는 파사드 구조물(facade construction)용 부재의 제조를 위한 이러한 유형의 복합 부재의 용도에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 프로파일(profile) 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어(insulating core)를 포함하는 복합 부재(composite element)로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지는 것인 복합 부재, 이러한 유형의 복합 부재의 제조 방법, 및 윈도우, 도어, 냉장고, 냉동 박스(chest freezer) 또는 파사드 구조물(facade construction)용 부재의 제조를 위한 이러한 유형의 복합 부재의 용도에 관한 것이다.
선행 기술은 대부분 중공 챔버 또는 폼 충전(foam-filled) 중공 챔버의 통합(integration)을 포함하는, 복합 프로파일의 열전달성을 최적화하는 다양한 접근법들을 제공한다. 그러므로, 이러한 유형의 절연 부재의 제조 기술은, 폼을 사용하는 경우 중공 챔버 내에 폼을 삽입하기 위하여 어려운 방법이 이용되어야 하거나 절연 부재 중 전체 이용 가능한 공간의 일부만이 폼 충전 방법에 활용될 수 있는 문제가 있기 때문에 종종 복잡해진다. 프로파일의 절연성에 대하여 점점 더 엄격한 요건이 가해지기 때문에, 개별 챔버는 점점 더 소형화되고 벽은 점점 더 얇아져서, 결국 툴링(tooling) 및 또한, 압출 기술에 관하여 더 어려워지고 비용이 늘어나게 된다. 절연 재료 및 복합 부재의 가공은 단열에 관한 요건을 충족시키기 위하여 점점 더 엄격한 요건을 거쳐야 하는데, 특히, 주택 건축에 있어서 단열에 관한 요건도 점점 더 엄격해지고 있다.
DE 28 44 006 A1은 예를 들면, 플라스틱으로 제작된 재킷에 의하여 모든 측면 상에 둘러싸인 발포 플라스틱으로 제작된 코어를 갖는 플라스틱 프로파일을 압출하는 방법으로서, 단일 조작으로 재킷용 자재를 압출기 다이(extruder die)에 도입하고, 동시에 코어 재료를 성형 재킷의 공동(cavity)에 도입하여, 코어 재료를 발포하는 동안에 재킷의 공동으로 도입된 가스가 압출기 다이에 의하여 소멸되는 것인 방법을 개시한다.
WO 99/16996 A1은 윈도우 또는 도어용 프레임 프로파일의 제조 방법으로서, 외측 프로파일이 우선 열가소성 재료로부터 제조된 후에 폴리우레탄을 기초로 발포성 혼합물이 프로파일 내에 도입되며, 혼합물 발포 완료 시에, 안정된 결합이 외부 프로파일과 폼 사이에 생성되는 것인 방법을 개시한다. 또한, 상기 문헌은 외부 프로파일이 우선 성형되고, 이후 사전 제작된, 기성 발포된(ready-foamed) 코어가 외부 프로파일에 삽입되는 방법을 개시한다.
DE 199 61 306 A1은 마찬가지로 압출을 통한 프로파일 제조 방법을 개시한다. 이 방법은 외부 쉘(shell) 및 발포된 내부 코어를 포함한다. 이 방법에서, 외부 프로파일 쉘이 우선 압출되고, 이후 발포성 재료로 충전된다.
DE 1 959 464는 마찬가지로 연속 프로파일을 열가소성 재료로 제작된 재킷 및 폼 코어로 연속으로 압출하는 방법으로서, 상기 재킷이 열가소성 재료로부터 압출을 통해 우선 제조되고 이후, 발포성 재료로 충전되는 것인 방법을 개시한다.
EP 2 072 743 A2는 중공 윈도우 프레임 또는 중공 도어 프레임을 폼으로 충전하는 방법을 개시한다. 이를 위하여, 압출을 통해 제조된 플라스틱 프로파일은 조합되어 완성된 윈도우 프레임 또는 완성된 도어 프레임을 생성하고, 이후 발포성 재료의 도입을 통해 폼으로 충전된다.
선행 기술은 또한, 예를 들면 DE 202009003392 U1 또는 WO 02/090703 A2에서, 발포된 코어를 갖는 이러한 유형의 프로파일을 제조하는 방법으로서, 기성 발포된 인서트(insert)가 압출을 통해 제조된 프로파일 내로 삽입되는 것인 방법을 개시한다.
DE 10 2009 037 851 A1은 윈도우 부재용, 도어 부재용 및 외관 부재용의 프로파일에서의 단열용 절연 부재, 윈도우 부재용, 도어 부재용 및 외관 부재용의 프로파일 및 이를 위한 제조 방법을 개시한다.
또한, EP 2 062 717 A1은 공압출 공정에서 발포된 코어를 갖는 플라스틱 프로파일을 제조하는 방법으로서, 특히 고체 상태인, 발포성 재료가 중공 플라스틱 프로파일의 공동 내로 공압출되고, 그 안에서 발포되는 것인 방법을 개시한다.
그러나, 절연에 대한 요건이 점점 더 엄격해짐에 따라, 더 큰 절연 효과를 갖는 다른 절연 재료를 이용하는 것도 필요하다. 예를 들면, 윈도우의 경우, 프로파일의 두께를 증가시키는 것에 대한 추가의 여지는 없으며, 절연을 향상시키기 위하여 두께의 변화 없이 열전도도가 감소되어야 한다.
그러므로, 폴리우레탄 폼과 함께 선행 기술에 이용되는 다른 절연 재료는 절연 재료로서 사용되기에 우수한 특성 프로파일을 갖는 유기 에어로겔(aerogel) 또는 크세로겔(xerogel)이다. 예를 들면, WO 2012/059388 A1은 에어로겔과 크세로겔 및 상기 에어로겔과 크세로겔의 절연 재료로서의 및 진공 절연 패널에서의 용도를 개시한다. 또한, 상기 명세서는 에어로겔 또는 크세로겔 형태의 다공성 재료를 제조하는 방법으로서, 하나 이상의 다작용성 이소시아네이트가 하나 이상의 다작용성 치환된 방향족 아민을 포함하는 아민 성분과 반응하는 것인 방법을 개시한다.
상기 문헌에 개시된 재료는 우수한 절연성을 갖는다. 그러나, 제조 방법은 시트 형태의 재료를 제조하며, 따라서 프로파일 부재의 중공 챔버 내에 혼입(incorporation)을 위해 선행 기술에 공지된 방법을 이용하는 것은 가능하지 않다.
그러므로, 선행 기술로부터 시작하여, 우수한 절연성을 가지며, 단순한 가공 기술을 이용하여 제조될 수 있는 부재, 특히 윈도우 축조용 부재를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명은, 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지는 것인 복합 부재를 통해 상기 목적을 달성한다.
본 발명의 복합 부재는 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함한다. 본 발명의 목적에 있어서, 여기서 프로파일은 프로파일을 따라 연장하는 컷아웃(cutout) 또는 중공 챔버를 갖는 고체 구조물이다. 본 발명에서, 절연 코어의 위치는 상기 복합 부재 내의 이러한 컷아웃 또는 중공 챔버 내이다. 따라서, 프로파일은 절연 코어를 적어도 어느 정도, 바람직하게는 완전히 둘러싼다. 따라서, 절연 코어는 프로파일을 따라서 연장한다.
본 발명에서, 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어진다.
적합한 재료가 원론적으로 공지되어 있다. 예를 들면, 유기 에어로겔 또는 유기 크세로겔은 이러한 특성을 갖는다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 유기 다공성 재료가 유기 크세로겔, 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부재를 제공한다.
본 발명의 복합 부재는 놀랍도록 우수한 절연성을 갖는다. 사용된 유기 다공성 재료의 낮은 열전도도로 인하여, 여기서는, 절연 재료에 대하여, 건축 기술에 의하여 규정된 두께가 얇다고 하더라도, 단열에 대한 점점 더 엄격한 요건을 충족시키는 우수한 특성을 달성하는 것이 가능하다.
본 발명의 복합 부재는 낮은 U 값(열전달 계수)를 필요로 하는 건축 부재의 제조에 특히 적합하며, 그 예로는 윈도우 및 도어가 있다.
더 나아가, 본 발명의 복합 부재는 용이하게 및 저비용으로 제조될 수 있다.
본 발명은, 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 연속 방법으로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 형성되는 것인 연속 방법을 추가로 제공한다.
본 발명에 이용된 유기 다공성 재료는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위, 특히 13.5 내지 25 ㎽/m*K 범위, 더 바람직하게는 14 내지 22 ㎽/m*K 범위, 특히 바람직하게는 14.5 내지 20 ㎽/m*K 범위의 열전도도를 갖는다.
유기 다공성 재료로서, 14 내지 22 ㎽/m*K 범위, 특히 바람직하게는 14.5 내지 20 ㎽/m*K 범위의 열전도도를 갖는 유기 에어로겔을 이용하는 것이 본 발명에서 특히 바람직하다.
또한, 본 발명에 이용된 유기 다공성 재료는 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과, 특히 0.25 N/㎜2 초과, 더 바람직하게는 0.30 N/㎜2 초과, 특히 바람직하게는 0.35 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는다.
재료의 높은 압축 강도는 강성(stiffness)의 척도이고, 재료의 제조 및 저장을 가능하게 하며, 이는 복합 부재를 제조하는 동안에 가공을 용이하게 한다. 더 나아가, 재료는 구조적 중요성을 가질 수 있다.
절연에 통상적으로 이용되는 표준 경질 폼은 예를 들면, 20 내지 25 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 약 0.15 N/㎜2에 불과한 압축 강도를 갖는다. 그러한 유형의 재료의 압축 강도가 두께를 증가시킴으로써 증가될 수 있다고 하더라도, 열전도도가 동시에 증가하게 되어, 절연성이 더 빈약해진다.
본 발명의 목적에 있어서, 크세로겔은 70% 이상의 부피비의 기공률 및 최대 50 마이크로미터의 부피 평균 기공 직경을 가지며, 졸-겔 공정에 의하여 제조되는 다공성 재료로서, 액상은 액상의 임계 온도 미만 및 임계 압력 미만("아임계 조건")에서의 건조를 통해 겔로부터 제거되는 다공성 재료이다.
이에 상응하여, 본 발명의 목적에 있어서, 에어로겔은 70% 이상의 부피비의 기공률 및 최대 50 마이크로미터의 부피 평균 기공 직경을 가지며, 졸-겔 공정에 의하여 제조되는 다공성 재료로서, 액상은 액상의 임계 온도 초과 및 임계 압력 초과("초임계 조건")에서의 건조를 통해 겔로부터 제거되는 다공성 재료이다.
평균 기공 직경은 DIN 66133에 따라 수은 침투 측정에 의하여 측정되며, 본 발명의 목적에 있어서, 원론적으로 부피 평균이다.
다공성 재료의 부피 평균 기공 직경은 최대 20 마이크로미터인 것이 바람직하다. 다공성 재료의 부피 평균 기공 직경은 최대 10 마이크로미터인 것이 특히 바람직하며, 최대 5 마이크로미터, 특히 최대 3 마이크로미터인 것이 매우 특히 바람직하다.
낮은 열전도도의 관점에서 높은 기공률을 갖는 최소 기공 크기가 바람직하다고 하더라도, 제조 방법은 부피 평균 기공 직경에 대한 실제적인 하한을 규정한다. 부피 평균 기공 직경은 일반적으로 50 ㎚ 이상, 바람직하게는 100 ㎚ 이상이다. 많은 경우에 있어서, 부피 평균 기공 직경은 200 ㎚ 이상, 특히 300 ㎚ 이상이다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 유기 크세로겔, 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부재를 제공한다.
본 발명의 목적에 있어서 바람직한 유기 크세로겔 및 에어로겔은 하기에 기재되어 있다.
유기 에어로겔 또는 크세로겔은 이소시아네이트에 기초하며, 임의로 이소시아네이트에 대하여 반응성인 다른 성분에 기초하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 유기 에어로겔 또는 크세로겔은 이소시아네이트에 기초하고 OH-작용성 및/또는 NH-작용성 화합물에 기초할 수 있다.
본 발명에 있어서, 예를 들면, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트, 또는 폴리우레아에 기초한 유기 크세로겔, 또는 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초한 유기 에어로겔이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 유기 다공성 재료가 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트, 또는 폴리우레아에 기초한 유기 크세로겔, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트, 또는 폴리우레아에 기초한 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부재를 제공한다.
유기 에어로겔 또는 크세로겔은 이소시아네이트에 기초하고 이소시아네이트에 대하여 반응성인 성분에 기초하며, 하나 이상의 다작용성 방향족 아민은 이소시아네이트에 대하여 반응성인 성분으로 이용되는 것이 특히 바람직하다. 유기 크세로겔 또는 에어로겔은 폴리우레아 및/또는 폴리이소시아누레이트에 기초하는 것이 바람직하다.
"폴리우레아에 기초한"은 유기 크세로겔 또는 에어로겔에 있어서 단량체 단위의 연쇄의 50 몰% 이상, 바람직하게는 70 몰% 이상, 특히 90 몰% 이상이 우레탄 연쇄의 형태를 취하는 것을 의미한다. "폴리우레아에 기초한"은 유기 크세로겔 또는 에어로겔에 있어서 단량체 단위의 연쇄의 50 몰% 이상, 바람직하게는 70 몰% 이상, 특히 90 몰% 이상이 우레아 연쇄의 형태를 취하는 것을 의미한다. "폴리이소시아누레이트에 기초한"은 유기 크세로겔 또는 에어로겔에 있어서 단량체 단위의 연쇄의 50 몰% 이상, 바람직하게는 70 몰% 이상, 특히 90 몰% 이상이 이소시아누레이트 연쇄의 형태를 취하는 것을 의미한다. "폴리우레아 및/또는 폴리이소시아누레이트에 기초한"은 유기 크세로겔 또는 에어로겔에 있어서 단량체 단위의 연쇄의 50 몰% 이상, 바람직하게는 70 몰% 이상, 특히 90 몰% 이상이 우레아 연쇄 및/또는 이소시아누레이트 연쇄의 형태를 취하는 것을 의미한다.
본 발명의 복합 부재는 여기서 다양한 에어로겔 및 크세로겔의 조합을 포함할 수도 있다. 본 발명의 목적에 있어서, 복합 부재는 복수의 절연 코어를 포함하는 것도 가능하다. 본 발명의 목적에 있어서, 복합 부재는 유기 다공성 재료와 함께, 다른 절연 재료, 예컨대, 폴리우레탄을 포함하는 것도 가능하다.
유기 다공성 재료라는 용어는 본 발명에서 이용된 유기 에어로겔 또는 크세로겔을 지칭하기 위하여 하기에서 이용된다.
이용된 유기 다공성 재료는 하기 단계들을 포함하는 방법에서 획득되는 것이 바람직하다:
(a) 하나 이상의 다작용성 이소시아네이트(a1) 및 하나 이상의 다작용성 방향족 아민(a2)를 용매 내에서, 임의로 성분(a3)으로서 물의 존재 하 및 임의로 하나 이상의 촉매(a4)의 존재 하에서 반응시키는 단계; 및
(b) 상기 용매를 제거하여 에어로겔 또는 크세로겔을 생성하는 단계.
단계 (a)의 목적을 위하여 바람직하게 이용되는 성분(a1) 내지 (a4) 및 정량 비율이 하기에 설명되어 있다.
성분(a1)이라는 용어는 다작용성 이소시아네이트(a1) 모두에 대하여 하기에서 사용된다. 이에 상응하여, 성분(a2)이라는 용어는 다작용성 방향족 아민(a2) 모두에 대하여 하기에서 사용된다. 상기한 단량체 성분은 유기 다공성 재료에서 반응된 형태로 존재한다는 것이 당업자에게 명백하다.
본 발명의 목적에 있어서, 화합물의 작용성은 일 분자당 반응성기의 개수를 의미한다. 단량체 성분(a1)의 경우, 작용성은 일 분자당 이소시아네이트기의 개수이다. 단량체 성분(a2)의 아미노기의 경우, 작용성은 일 분자당 반응성 아미노기의 개수이다. 여기서, 다작용성 화합물은 2 이상의 작용성을 갖는다.
상이한 작용성을 갖는 화합물의 혼합물이 성분(a1) 또는 (a2)로 이용되는 경우, 상기 성분의 작용성은 각각의 경우 개별 화합물들의 작용성의 개수 평균으로부터 획득된다. 다작용성 화합물은 일 분자당 2 개 이상의 상기한 작용성기를 포함한다.
성분(a1)
성분(a1)으로서, 하나 이상의 다작용성 이소시아네이트를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법의 목적에 있어서, 성분(a1)의 사용량은, 각각의 경우 성분(a1), (a2) 및 관련된 경우 (a3)의 전체 중량인 100 중량%를 기준으로, 바람직하게는 20 중량% 이상, 특히 30 중량% 이상, 특히 바람직하게는 40 중량% 이상, 매우 특히 바람직하게는 55 중량% 이상, 특히 68 중량% 이상이다. 본 발명의 방법의 목적에 있어서, 성분(a1)의 사용량은 또한, 각각의 경우 성분(a1), (a2) 및 관련된 경우 (a3)의 전체 중량인 100 중량%를 기준으로, 바람직하게는 최대 99.8 중량%, 특히 최대 99.3 중량%, 특히 바람직하게는 최대 97.5 중량%이다.
이용 가능한 다작용성 이소시아네이트는 방향족, 지방족, 지환족 및/또는 방향 지방족 이소시아네이트이다. 이러한 유형의 다작용성 이소시아네이트는 그 자체로 공지되어 있거나, 그 자체로 공지된 방법에 의하여 제조될 수 있다. 다작용성 이소시아네이트는 특히, 혼합물의 형태로도 이용될 수 있으며, 이 경우에, 성분(a1)은 다양한 다작용성 이소시아네이트를 포함한다. 단량체 단위(a1)로서 이용될 수 있는 다작용성 이소시아네이트는 단량체 성분의 일 분자당 2 개 또는 2개 초과의 이소시아네이트기를 갖는다(이소시아네이트라는 용어는 전자에 대하여 하기에서 사용된다).
특히 적합한 화합물은, 디페닐메탄 2,2'-, 2,4'-, 및/또는 4,4'-디이소시아네이트(MDI), 나프틸렌 1,5-디이소시아네이트(NDI), 톨릴렌 2,4- 및/또는 2,6-디이소시아네이트(TDI), 3,3'-디메틸디페닐 디이소시아네이트, 1,2-디페닐에탄 디이소시아네이트, 및/또는 p-페닐렌 디이소시아네이트(PPDI), 트리-, 테트라-, 펜타-, 헥사-, 헵타-, 및/또는 옥타메틸렌 디이소시아네이트, 2 메틸펜타메틸렌 1,5-디이소시아네이트, 2-에틸부틸렌 1,4-디이소시아네이트, 펜타메틸렌 1,5-디이소시아네이트, 부틸렌 1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아나토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아나토메틸-시클로헥산(이소포론 디이소시아네이트, IPDI), 1,4- 및/또는 1,3-비스(이소시아나토메틸)시클로헥산(HXDI), 시클로헥산 1,4-디이소시아네이트, 1-메틸시클로헥산 2,4- 및/또는 2,6-디이소시아네이트, 및 디시클로헥실메탄 4,4'-, 2,4'-, 및/또는 2,2'-디이소시아네이트이다.
방향족 이소시아네이트는 다작용성 이소시아네이트(a1)로서 바람직하다. 이는 특히, 물이 성분(a3)으로서 이용되는 경우 적용된다.
하기 사항은 성분(a1)의 다작용성 이소시아네이트의 특히 바람직한 실시형태이다:
i) 톨릴렌 디이소시아네이트(TDI), 특히, 2,4-TDI 또는 2,6-TDI 또는 2,4-TDI 및 2,6-TDI의 혼합물에 기초하는 다작용성 이소시아네이트;
ii) 디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 특히, 폴리페닐 폴리메틸렌 이소시아네이트라고도 하는 2,2'-MDI 또는 2,4'-MDI 또는 4,4'-MDI 또는 올리고머 MDI, 또는 상기한 디페닐메탄 디이소시아네이트 중 2 또는 3 가지의 혼합물, 또는 MDI를 제조하는 동안에 발생하는 미정제 MDI, 또는 MDI의 하나 이상의 올리고머의 및 상기한 저분자량 MDI 유도체의 하나 이상의 혼합물에 기초하는 다작용성 이소시아네이트; 및
iii) 실시 형태 i)의 하나 이상의 방향족 이소시아네이트 및 실시 형태 ii)의 하나 이상의 방향족 이소시아네이트의 혼합물.
올리고머 디페닐메탄 디이소시아네이트는 다작용성 이소시아네이트로서 특히 바람직하다. 올리고머 디페닐메탄 디이소시아네이트(하기에서 올리고머 MDI라고 함)는 복수개의 올리고머 축합물 및 따라서 디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI)의 유도체의 혼합물을 포함한다. 또한, 다작용성 이소시아네이트는 바람직하게는 모노머 방향족 디이소시아네이트 및 올리고머 MDI의 혼합물로 이루어질 수 있다.
올리고머 MDI는 2 초과, 특히 3 또는 4 또는 5의 작용성을 갖는 MDI의 하나 이상의 다핵성 축합물을 포함한다. 올리고머 MDI는 공지되어 있으며, 종종 폴리페닐 폴리메틸렌 이소시아네이트 또는 폴리머 MDI라 지칭된다. 올리고머 MDI는 통상적으로 상이한 작용성을 갖는 MDI계 이소시아네이트의 혼합물로 이루어진다. 올리고머 MDI는 통상적으로 모노머 MDI와의 혼합물에 이용된다.
올리고머 MDI를 포함하는 이소시아네이트의 (평균) 작용성은 약 2.2 내지 약 5, 특히 2.4 내지 3.5, 특히 2.5 내지 3의 범위에서 달라질 수 있다. 상이한 작용성을 갖는 이러한 유형의 MDI계 다작용성 이소시아네이트의 혼합물은 특히, 미정제 MDI 제조의 중간 생성물의 형태로, 주로 염산에 의한 촉매 작용으로 MDI를 제조하는 동안에 생성되는 미정제 MDI이다.
다작용성 이소시아네이트 및 MDI에 기초하는 복수개의 다작용성 이소시아네이트의 혼합물은 공지되어 있으며, 예를 들면, 상표명 Lupranat
으로 BASF 폴리우레탄 사에 의하여 시판된다.
성분(a1)의 작용성은 2 이상, 특히 2.2 이상, 특히 바람직하게는 2.4 이상인 것이 바람직하다. 성분(a1)의 작용성은 바람직하게는 2.2 내지 4이며, 특히 바람직하게는 2.4 내지 3이다.
성분(a1)의 이소시아네이트기의 함량은 바람직하게는 5 내지 10 mmol/g, 특히 6 내지 9 mmol/g, 특히 바람직하게는 7 내지 8.5 mmol/g이다. 당업자는 mmol/g의 이소시아네이트기 함량 및 g/당량의 등가중량(equivalence weight)로 알려진 물성은 반비례 관계를 갖는다는 것을 인지하고 있다. mmol/g의 이소시아네이트기의 함량은 ASTM D5155-96 A에 따라 중량%의 함량으로 얻어진다.
바람직한 일 실시형태에 있어서, 성분(a1)은 디페닐메탄 4,4'-디이소시아네이트, 디페닐메탄 2,4'-디이소시아네이트, 디페닐메탄 2,2'-디이소시아네이트, 및 올리고머 디페닐메탄 디이소시아네이트로부터 선택된 하나 이상의 다작용성 이소시아네이트로 이루어진다. 이 바람직한 실시형태의 목적에 있어서, 성분(a1)은 특히 바람직하게는 올리고머 디페닐메탄 디이소시아네이트를 포함하고, 2.4 이상의 작용성을 갖는다.
이용된 성분(a1)의 점도는 광범위하게 달라질 수 있다. 성분(a1)은 100 내지 3,000 mPa.s, 특히 200 내지 2,500 mPa.s의 점도를 갖는 것이 바람직하다.
성분(a2)
본 발명은 성분(a2)로서 하나 이상의 다작용성 OH-작용화되거나 NH-작용화된 화합물을 이용한다.
본 발명에서 바람직한 방법의 목적에 있어서, 성분(a2)는 하나 이상의 다작용성 방향족 아민이다.
성분(a2)은 어느 정도 계 내(in situ) 제조될 수 있다. 이러한 유형의 실시형태에 있어서, 단계 (a)의 목적에 있어서 반응은 물(a3)의 존재 하에 일어난다. 물은 이소시아네이트기와 반응하여 아미노기를 생성하고 CO2를 방출한다. 그러므로, 다작용성 아민은 어느 정도 (계 내) 중간 생성물로서 제조된다. 반응이 일어나는 동안에, 다작용성 아민은 이소시아네이트기와 반응하여 우레아 연쇄를 생성한다.
이 바람직한 실시형태에서, 반응은 물(a3) 및 성분(a2)로서 다작용성 방향족 아민의 존재 하에, 및 또한 임의로 촉매(a4)의 존재 하에 수행된다.
마찬가지로 바람직한 다른 실시형태에서, 성분(a1) 및 성분(a2)로서의 다작용성 방향족 아민의 반응은 촉매(a4)의 존재 하에 임의로 수행된다. 여기서, 물(a3)은 존재하지 않는다.
다작용성 방향족 아민은 그 자체로 당업자에게 공지되어 있다. 다작용성 아민은 일 분자당 이소시아네이트에 대하여 반응성인 2 개 이상의 아미노기를 갖는 아민이다. 여기서 이소시아네이트에 대하여 반응성인 기는 1차 및 2차 아미노기이며, 여기서 1차 아미노기의 반응성은 일반적으로 2차 아미노기의 반응성에 비하여 현저하게 더 높다.
다작용성 방향족 아민은 바람직하게는 2 개의 1차 아미노기를 갖는 2핵성 방향족 화합물(2작용성 방향족 아민)으로, 2 개 초과의 1차 아미노기를 갖는 3핵성 또는 다핵성 방향족 화합물 또는 상기한 화합물의 혼합물에 상응한다. 성분(a2)의 특히 바람직한 다작용성 방향족 아민은 디아미노디페닐메탄의 이성질체 및 유도체이다.
상기한 2작용성 2핵성 방향족 아민은 특히 바람직하게는 일반식 (I)의 2작용성 2핵성 방향족 아민이다.
여기서, R1 및 R2는 동일하거나 상이할 수 있으며, 각각 독립적으로는 수소 및 1 내지 6 개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬기로부터 선택되고, 치환기 Q1 내지 Q5 및 Q1' 내지 Q5' 모두가 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로는 수소, 1차 아미노기 및 1 내지 12 개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬기로부터 선택되며, 알킬기는 추가 작용기를 소지할 수 있고, 단, 일반식 (I)의 화합물은 2 개 이상의 1차 아미노기를 포함하며, Q1, Q3, 및 Q5 중 하나 이상은 1차 아미노기이며, Q1', Q3', 및 Q5' 중 하나 이상은 1차 아미노기이다.
일 실시형태에서, 일반식 (I)의 치환기 Q의 목적에 대한 알킬기는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, sec-부틸 및 tert-부틸로부터 선택된다. 이하, 이러한 유형의 화합물은 치환된 방향족 아민(a2-s)이라 칭한다. 그러나, 치환기는 상기 정의된 바와 같이 아미노기가 아닌 정도로 치환기 Q 모두가 수소인 것이 마찬가지로 바람직하다(사용된 용어는 비치환 다작용성 방향족 아민이다).
일반식 (I)의 목적에 있어서 R1 및 R2가 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 1차 아미노기 및 1 내지 6 개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬기로부터 선택되는 것이 바람직하다. R1 및 R2는 수소 및 메틸로부터 선택되는 것이 바람직하다. R1 = R2 = H인 것이 특히 바람직하다.
다른 적합한 다작용성 방향족 아민(a2)은 특히 톨루엔디아민의 이성질체 및 유도체이다. 성분(a2)의 목적에 있어서 톨루엔디아민의 특히 바람직한 이성질체 및 유도체는 톨루엔-2,4-디아민 및/또는 톨루엔 2,6-디아민 및 디에틸톨루엔디아민, 특히, 3,5-디에틸톨루엔-2,4-디아민 및/또는 3,5-디에틸톨루엔-2,6-디아민이다.
성분(a2)이 4,4'-디아미노디페닐메탄, 2,4'-디아미노디페닐메탄, 2,2'-디아미노디페닐메탄, 및 올리고머 디아미노디페닐메탄으로부터 선택된 하나 이상의 다작용성 방향족 아민을 포함하는 것이 매우 특히 바람직하다.
올리고머 디아미노디페닐메탄은 아닐린 및 포름알데히드의 하나 이상의 다핵성 메틸렌-가교된 축합물을 포함한다. 올리고머 MDA는 하나 이상, 그러나 일반적으로는 복수개인, 2 초과의, 특히 3 또는 4 또는 5의 작용성을 갖는 MDA의 올리고머를 포함한다. 올리고머 MDA는 공지되어 있거나 그 자체로 공지된 방법에 의하여 제조될 수 있다. 올리고머 MDA는 통상적으로 단량체 MDA와 혼합물인 형태로 통상적으로 이용된다.
성분(a2)의 다작용성 아민으로서, 이 아민이 올리고머 MDA를 포함하는 다작용성 아민의 (평균) 작용성은 약 2.3 내지 5, 특히 2.3 내지 3.5, 특히 2.3 내지 3 범위 내에서 달라질 수 있다. 변하는 작용성을 갖는 MDA계 다작용성 아민의 그러한 혼합물은 특히 미정제 MDA이며, 이는 통상적으로 염산에 의하여 촉매되는 것인 미정제 MDI의 제조에서 특히 중간 생성물로서 포름알데히드와 아닐린이 축합하는 동안에 제조된다.
하나 이상의 다작용성 방향족 아민은 디아미노디페닐메탄 또는 디아미노디페닐메탄의 유도체를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 하나 이상의 다작용성 방향족 아민은 올리고머 디아미노디페닐메탄을 포함하는 것이 특히 바람직하다. 성분(a2)은 화합물(a2)로서 올리고머 디아미노디페닐메탄을 포함하는 것이 특히 바람직하며, 그 전체 작용성이 2.1 이상인 것이 특히 바람직하다. 특히, 성분(a2)은 올리고머 디아미노디페닐메탄을 포함하며, 그 작용성은 2.4 이상이다.
본 발명의 목적에 있어서, 성분(a2)의 목적에 있어서 치환된 다작용성 방향족 아민을 이용함으로써 1차 아미노기의 반응성을 제어하는 것이 가능하다. 상기 및 하기에 언급된, 이하 (a2-s)라 칭하는 치환된 다작용성 방향족 아민은 단독으로 또는 상기한(비치환) 디아미노디페닐메탄과의 혼합물(여기서 화학식 (I)의 모든 Q는 NH2가 아닌 정도로 수소이다)로 이용될 수 있다.
본 실시형태에서, 부속된 정의를 포함하는, 상기 기재된 식 (I)의 목적에 대한 Q2, Q4, Q2', 및 Q4'는, 바람직하게는 일반식 (I)의 화합물이 하나 이상의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기를 가지고, 여기서 이는 방향족 고리에 결합된 하나 이상의 1차 아미노기에 대하여 α-위치에서 1 내지 12 개의 탄소 원자를 갖는 추가 작용기를 소지할 수 있는 방식으로 선택된다. 본 실시형태에서 Q2, Q4, Q2', 및 Q4'는, 치환된 방향족 아민(a2-s)이 α-위치에서 1 내지 12 개의 탄소 원자를 갖는 하나 또는 두 개의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기를 각각 갖는 두 개 이상의 1차 아미노기를 포함하는 방식으로 선택되는 것이 바람직하며, 여기서 이는 추가 작용기를 소지할 수 있다. Q2, Q4, Q2', 및 Q4' 중 하나 이상이 1 내지 12 개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이며, 추가 작용기를 소지하는 것인 방식으로 선택되기 때문에, 이러한 작용기로서 아미노기 및/또는 히드록실기 및/또는 수소 원자가 바람직하다.
아민(a2-s)이 3,3',5,5'-테트라알킬-4,4'-디아미노디페닐메탄, 3,3',5,5'-테트라알킬-2,2'-디아미노디페닐메탄, 및 3,3',5,5'-테트라알킬-2,4'-디아미노디페닐메탄으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 3,3',5 및 5' 위치의 알킬기가 동일하거나 상이할 수 있으며 각각 독립적으로 1 내지 12 개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬기로부터 선택되며, 여기서 이는 추가 작용기를 소지할 수 있는 것이 바람직하다. 상기한 알킬기, 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, sec-부틸 또는 tert-부틸(각각의 경우 비치환됨)이 바람직하다.
일 실시형태에서, 치환기 Q의 하나 이상의 알킬기의 수소 원자 중 하나, 복수개, 또는 모두가 할로겐 원자, 특히 염소에 의하여 치환될 수 있다. 대안으로서, 치환기 Q의 하나 이상의 알킬기의 수소 원자 중 하나, 복수개, 또는 모두가 NH2 또는 OH에 의하여 치환될 수 있다. 그러나, 일반식 (I)의 목적에 있어서 알킬기는 탄소 및 수소로 이루어지는 것이 바람직하다.
특히 바람직한 일 실시형태에서, 성분(a2-s)은 3,3',5,5'-테트라알킬-4,4'-디아미노디페닐메탄을 포함하고, 여기서 알킬기는 동일하거나 상이할 수 있고 독립적으로는 1 내지 12 개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬기로부터 선택되며, 이는 임의로 추가 작용기를 소지할 수 있다. 상기한 알킬기는 바람직하게는 비치환 알킬기, 특히, 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, sec-부틸 및 tert-부틸로부터 선택되고, 특히 바람직하게는 메틸 및 에틸로부터 선택된다. 3,3',5,5'-테트라에틸-4,4'-디아미노디페닐메탄 및/또는 3,3',5,5'-테트라메틸-4,4'-디아미노디페닐메탄이 매우 특히 바람직하다.
성분(a2)의 상기한 다작용성 아민은 그 자체로 당업자에게 공지되어 있거나 공지된 방법에 의하여 제조될 수 있다. 공지된 방법 중 하나는 산성 촉매 반응을 이용하는 아닐린과 포름알데히드와의 반응 또는 각 아닐린 유도체와 포름알데히드와의 반응이다.
상기에 설명된 바와 같이, 성분(a3)으로서 물은, 계 내 성분(a1)의 미리 계산된 양의 추가적인 다작용성 방향족 이소시아네이트와 반응하여 상응하는 다작용성 방향족 아민을 생성한다는 점에서 어느 정도 다작용성 방향족 아민을 대체할 수 있다.
유기 겔 전구체(A)라는 용어는 성분(a1) 내지 (a3)에 대하여 하기에서 사용된다.
촉매(a4)
바람직한 일 실시형태에서, 본 발명의 방법은 바람직하게는 성분(a4)으로서 하나 이상의 촉매의 존재 하에서 수행된다.
이용할 수 있는 촉매는, 원론적으로, 당업자에게 공지되어 있고 이소시아네이트의 삼량체화를 촉진(이는 삼량체화 촉매라고 알려져 있음)하고/하거나 이소시아네이트와 아미노기의 반응을 촉진(이는 겔 촉매라고 알려져 있음) 하고/하거나 - 물이 사용된 경우 - 이소시아네이트의 물과의 반응을 촉진(이는 발포 촉매라고 알려져 있음)하는 촉매 중 어느 하나이다.
상응하는 촉매는 그 자체가 공지되어 있으며, 상기한 3 가지 반응들에 대하여 상이한 방식으로 작용한다. 따라서, 촉매는 성능에 따라서 상기한 유형 중 하나 이상으로 할당될 수 있다. 또한, 당업자는 상기한 반응 이외의 반응도 일어날 수 있다는 것을 인지하고 있다.
상응하는 촉매는 예를 들면, 문헌[Polyurethane[Polyurethanes], 3rd edition, G. Oertel, Hanser Verlag, Munich, 1993, pp. 104 to 110]에 공지되어 있는 바와 같이, 특히 이들의 겔 대 발포비(gel to blowing ratio)를 기준으로 특징될 수 있다.
성분(a3)가 전혀 사용되지 않은 결과로, 즉, 물이 전혀 사용되지 않은 결과로, 바람직한 촉매는 삼량체화 공정에 대하여 현저한 활성을 갖는다. 이는 네트워크 구조의 균질성에 이로운 효과를 미쳐, 특히 이로운 기계적 특성을 갖게 된다.
물이 성분(a3)으로서 사용되는 결과로, 바람직한 촉매(a4)는 균형된 겔 대 발포비를 가지며, 이로써 성분(a1)의 물과의 반응은 과도하게 촉진되지 않아서, 네트워크 구조에 역효과를 미치고, 동시에 짧은 겔화 시간이 얻어지며, 따라서 이형(demolding) 시간은 유리하게 짧다. 바람직한 촉매는 동시에 삼량체화에 대하여 현저한 활성을 갖는다. 이는 네트워크 구조의 균질성에 이로운 효과를 미쳐, 특히 이로운 기계적 특성을 갖게 된다.
촉매는 단량체 단위(혼입 가능한(incorporable) 촉매)일 수 있거나 혼입 불가능할 수 있다.
성분(a4)의 최소 유효량을 이용하는 것이 유리하다. 성분(a1), (a2) 및 (a3)의 전체 100 중량부를 기준으로, 성분(a4)의 0.01 내지 5 중량부, 특히 0.1 내지 3 중량부, 특히 바람직하게는 0.2 내지 2.5 중량부의 양을 이용하는 것이 바람직하다.
성분(a4)의 목적에 있어서 바람직한 촉매는 1차, 2차 및 3차 아민, 트리아진 유도체, 유기금속 화합물, 금속 킬레이트, 4차 암모늄염, 수산화 암모늄 및 또한, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 수산화물, 알콕시화물 및 카르복시화물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
적합한 촉매는 특히 강염기이며, 예를 들면, 수산화 4차 암모늄, 예컨대, 알킬 모이어티에 1 내지 4 탄소 원자를 갖는 수산화 테트라알킬암모늄 및 수산화 벤질트리메틸암모늄, 알칼리 금속 수산화물, 예컨대, 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 및 알칼리 금속 알콕시화물, 예컨대, 메톡시화나트륨, 에톡시화칼륨 및 에톡시화나트륨, 및 칼륨 이소프로폭사이드이다.
다른 적합한 촉매는 특히, 카르복실산의 알칼리 금속염, 예컨대, 포름산 칼륨, 아세트산 나트륨, 아세트산 칼륨, 2-에틸헥산산 칼륨, 아디프산 칼륨 및 벤조산 나트륨, 및 8 내지 20 개, 특히 10 내지 20 개의 탄소 원자 및 임의로 부속 OH 기를 갖는 장쇄 지방산의 알칼리 금속염이다.
다른 적합한 촉매는 특히, N-히드록시알킬 4차 암모늄 카르복실산염, 예컨대, 트리메틸히드록시프로필암모늄 포름산염이다.
적합한 유기인 화합물, 특히 포스폴렌의 산화물의 예는 1-메틸포스폴렌-옥사이드, 3-메틸-1-페닐포스폴렌 옥사이드, 1-페닐포스폴렌 옥사이드, 3-메틸-1-벤질포스폴렌 옥사이드이다.
유기금속 화합물은 그 자체로 당업자에게 특히 겔 촉매로서 공지되어 있으며, 마찬가지로 촉매(a4)로서 적합하다. 유기주석 화합물, 예컨대 주석 2-에틸헥사노에이트 및 디부틸주석 디라우르산이 성분(a4)의 목적에 있어서 바람직하다. 금속 아세틸아세토네이트, 특히 아연 아세틸아세토네이트가 추가로 바람직하다.
3차 아민은 겔 촉매로서 및 삼량체화 촉매로서 당업자에게 그 자체로 공지되어 있다. 3차 아민은 촉매(a4)로서 특히 바람직하다. 바람직한 3차 아민은 특히, N,N-디메틸벤질아민, N,N'-디메틸피페라진, N,N-디메틸시클로헥실아민, N,N',N"-트리스(디알킬아미노알킬)-s-헥사히드로트리아진, 예컨대, N,N',N"-트리스(디메틸아미노프로필)-s-헥사히드로트리아진, 트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 비스(2-디메틸아미노에틸) 에테르, N,N,N,N,N-펜타메틸디에틸렌트리아민, 메틸이미다졸, 디메틸이미다졸, 아미노프로필이미다졸, 디메틸벤질아민, 1,6-디아자비시클로[5.4.0]운데크-7-엔, 트리에틸아민, 트리에틸렌디아민(IUPAC: 1,4-디아자비시클로[2,2,2]옥탄), 디메틸아미노에탄올아민, 디메틸아미노프로필아민, N,N-디메틸아미노에톡시에탄올, N,N,N-트리메틸아미노에틸에탄올아민, 트리에탄올아민, 디에탄올아민, 트리이소프로판올아민, 및 디이소프로판올아민, 메틸디에탄올아민, 부틸디에탄올아민, 및 히드록시에틸아닐린이다.
성분(a4)의 목적에 있어서 특히 바람직한 촉매는 N,N-디메틸시클로헥실아민, 비스(2-디메틸아미노에틸) 에테르, N,N,N,N,N-펜타메틸디에틸렌트리아민, 메틸이미다졸, 디메틸이미다졸, 아미노프로필이미다졸, 디메틸벤질아민, 1,6-디아자비시클로[5.4.0]운데크-7-엔, 트리스디메틸아미노프로필헥사히드로트리아진, 트리에틸아민, 트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 트리에틸렌디아민 (디아자비시클로[2,2,2]옥탄), 디메틸아미노에탄올아민, 디메틸아미노프로필아민, N,N-디메틸아미노에톡시에탄올, N,N,N-트리메틸아미노에틸에탄올아민, 트리에탄올아민, 디에탄올아민, 트리이소프로판올아민, 디이소프로판올아민, 메틸디에탄올아민, 부틸디에탄올아민, 히드록시에틸아닐린, 금속 아세틸아세토네이트, 암모늄 에틸헥사노에이트, 및 금속 이온의 에틸헥사노에이트로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명의 목적에 있어서 바람직한 촉매(a4)의 사용은 향상된 기계적 특성을 갖는 다공성 재료, 특히 향상된 압축 강도를 유도한다. 또한, 촉매(a4)의 사용은 다른 특성에 역효과를 미치지 않고 겔화 시간을 감소시키며, 즉, 겔화 반응을 촉진시킨다.
용매
본 발명에 이용된 유기 에어로겔 또는 크세로겔은 용매의 존재 하에 제조된다.
본 발명의 목적에 있어서, 용매라는 용어는 액체 희석제, 즉, 협의의 용매뿐만 아니라 분산 매질도 포함한다. 혼합물은 특히 진정 용액(genuine solution), 콜로이드성 용액 또는 분산액, 예컨대, 유화액 또는 현탁액일 수 있다. 혼합물은 진정 용액인 것이 바람직하다. 용매는 단계 (a) 조건 하에서 액체인 화합물이며, 바람직하게는 유기 용매이다.
사용되는 용매는 원론적으로 유기 화합물 또는 복수개의 화합물의 혼합물을 포함하며, 상기 용매는 혼합물이 제공되는 온도 조건 및 압력 조건(용액 조건으로 약칭됨) 하에서 액체이다. 용매의 구성은 용매가 유기 겔 전구체를 용해 또는 분산, 바람직하게는 용해시킬 수 있는 방식으로 선택된다. 유기 에어로겔 또는 크세로겔 제조를 위한 상기 기재된 바람직한 방법의 목적에 있어서, 바람직한 용매는 유기 겔 전구체(A)용 용매인 것, 즉, 반응 조건 하에서 완전히 유기 겔 전구체(A)를 용해하는 용매이다.
용매의 존재 하에서의 반응의 최초 반응 생성물은 겔, 즉, 용매에 의하여 팽창된 점탄성 화학적 네트워크이다. 형성된 네트워크에 대한 우수한 팽창제인 용매는 일반적으로 미세한 기공 및 작은 평균 기공 직경을 갖는 네트워크를 유도하는 반면에, 생성된 겔에 대해 빈약한 팽창제인 용매는 일반적으로 큰 평균 기공 직경을 갖는 조대-기공의 네트워크를 유도한다.
그러므로, 용매의 선택은 원하는 기공 사이즈 분포 및 원하는 기공률에 영향을 준다. 용매의 선택은 또한 일반적으로 본 발명의 방법의 단계 (a) 동안에 또는 그 이후에, 침전된 반응 생성물의 형성으로 인한 침전 또는 응집을 회피하기 위하여 매우 실질적인 방식으로 수행된다.
적당한 용매가 선택되는 경우, 침전된 반응 생성물의 비율은 통상적으로 혼합물의 전체 중량을 기준으로 1 중량% 미만이다. 특정 용매 내에서 형성된 침전된 생성물의 양은 겔점 이전에 적당한 필터를 통하여 반응 혼합물을 여과함으로써 중량 측정에 의하여 계량될 수 있다.
이용될 수 있는 용매는 이소시아네이트계 중합체를 위한 용매인 것으로 선행 기술에 공지된 용매이다. 여기서 바람직한 용매는 성분(a1), (a2) 및 관련된 경우 (a3)을 위한 용매인 것, 즉, 반응 조건 하에서 성분(a1), (a2) 및 관련된 경우 (a3)의 구성분을 실질적으로 완전히 용해하는 용매이다. 용매는 성분(a1)에 대하여 비활성, 즉, 성분(a1)에 반응성이지 않은 것이 바람직하다.
이용될 수 있는 용매의 예는 케톤, 알데히드, 알킬 알카노에이트, 포름아미드 및 N-메틸피롤리돈과 같은 아미드, 디메틸 술폭사이드와 같은 술폭사이드, 지방족 및 지환족의 수소화된 탄화수소, 할로겐화 방향족 화합물 및 불소-함유 에테르이다. 상기한 화합물 중 둘 이상으로 제조된 혼합물을 이용하는 것이 또한 가능하다.
아세탈 특히 디에톡시메탄, 디메톡시메탄 및 1,3-디옥솔란도 용매로서 이용될 수 있다.
디알킬 에테르 및 사이클릭 에테르도 용매로서 적합하다. 바람직한 디알킬 에테르는 특히 2 내지 6 개의 탄소 원자를 갖는 것, 특히, 메틸 에틸 에테르, 디에틸 에테르, 메틸 프로필 에테르, 메틸 이소프로필 에테르, 프로필 에틸 에테르, 에틸 이소프로필 에테르, 디프로필 에테르, 프로필 이소프로필 에테르, 디이소프로필 에테르, 메틸 부틸 에테르, 메틸 이소부틸 에테르, 메틸 tert-부틸 에테르, 에틸-n-부틸 에테르, 에틸 이소부틸 에테르, 및 에틸 tert-부틸 에테르이다. 특히 바람직한 사이클릭 에테르는 테트라히드로퓨란, 디옥산 및 테트라히드로피란이다.
다른 바람직한 용매는 알킬 알카노에이트, 특히, 포름산 메틸, 아세트산 메틸, 포름산 에틸, 아세트산 부틸 및 아세트산 에틸이다. 바람직한 할로겐화 용매는 WO 00/24799, 4 페이지 12째 줄 내지 5 페이지 4째 줄에 기재되어 있다.
알데히드 및/또는 케톤은 바람직한 용매이다. 용매로서 적합한 알데히드 또는 케톤은 특히 일반식 R2-(CO)-R1에 상응하는 것으로서, 여기서 R1 및 R2는 수소 또는 1, 2, 3 또는 4 개의 탄소 원자를 갖는 알킬기이다. 적합한 알데히드 또는 케톤은 특히 아세트알데히드, 프로피온알데히드, n-부틸알데히드, 이소부틸알데히드, 2-에틸부틸알데히드, 발레르알데히드, 이소펜트알데히드, 2-메틸펜트알데히드, 2-에틸헥사알데히드, 아크롤레인, 메타크롤레인, 크로톤알데히드, 푸르푸랄, 아크롤레인 이량체, 메타크롤레인 이량체, 1,2,3,6-테트라히드로벤즈알데히드, 6-메틸-3-시클로헥센알데히드, 시안아세트알데히드, 에틸 글리옥실레이트, 벤즈알데히드, 아세톤, 디에틸 케톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 메틸 n-부틸 케톤, 에틸 이소프로필 케톤, 2-아세틸퓨란, 2-메톡시-4-메틸펜탄-2-온, 시클로헥사논, 및 아세토페논이다. 상기한 알데히드 및 케톤은 또한 혼합물의 형태로 이용될 수 있다. 용매로서 일 치환기당 최대 3 개의 탄소 원자를 갖는 알킬기를 갖는 케톤 및 알데히드가 특히 바람직하다. 일반식 R1(CO)R2의 케톤이 매우 특히 바람직하며, 여기서 R1 및 R2이 각각 독립적으로 1 내지 3 개의 탄소 원자를 갖는 알킬기로부터 선택된다. 제1 바람직한 실시형태에서, 케톤은 아세톤이다. 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 2 개의 치환기 R1 및/또는 R2 중 하나 이상은 2 개 이상의 탄소 원자를 갖는 알킬기, 특히, 메틸 에틸 케톤을 포함한다. 본 발명의 방법과 조합된 상기한 특히 바람직한 케톤의 사용은 특히 작은 평균 기공 직경을 갖는 다공성 재료를 제공한다. 제한하고자 하는 의도는 없으나, 생성된 겔의 기공 구조는 상기한 특히 바람직한 케톤의 비교적 높은 친화도로 인하여 특히 미세하다고 여겨진다.
많은 경우에, 특히 적합한 용매는 상기한 용매로부터 선택되며 서로 완전히 혼합될 수 있는 2 이상의 화합물의 혼합물을 이용함으로써 얻어진다.
성분(a1), (a2), 및 관련된 경우 (a3) 및 관련된 경우 (a4) 및 용매는 본 발명의 방법의 단계 (a)에서 반응 이전에 적절한 형태로 제공되는 것이 바람직하다.
한편에서는 성분(a1) 및 다른 편에서는 (a2) 및 관련된 경우 (a3) 및 관련된 경우 (a4)가 개별적으로, 각각의 경우 적당한 용매의 비율로 제공되는 것이 바람직하다. 개별 제공은 혼합 공정의 이전에 및 혼합 공정 동안에 겔화 반응의 이상적인 모니터링 또는 제어가 이루어지게 한다.
물이 성분(a3)으로서 이용되기 때문에, 성분(a1)과는 별도로 성분(a3)를 제공하는 것이 특히 바람직하다. 이는 성분(a2)의 부재 하에 네트워크가 형성되는 성분(a1)과 물의 반응을 회피한다. 그렇지 않은 경우, 물과 성분(a1)의 사전 혼합은 기공 구조의 균질성 및 생성된 재료의 열전도도 측면에서 덜 이로운 특성을 야기한다.
단계 (a)를 수행하기 이전에 제공된 혼합물(들)은 또한, 추가 구성분으로서, 당업자에게 공지된 종래 보조제를 포함할 수 있다. 예를 들면, 계면활성제 물질, 조핵제, 산화 안정화제, 윤활제 및 이형 조제(demolding aid), 염료 및 안료, 예컨대 가수분해, 빛, 열 또는 변색에 대한 안정화제, 무기 및/또는 유기 충전제, 강화제 및 살생물제를 언급할 수 있다.
상기한 보조제 및 첨가제에 관한 더 상세한 사항은 기술문헌, 예컨대 문헌[Plastics Additives Handbook, 5th edition, H. Zweifel, ed. Hanser Publishers, Munich, 2001, pages 1 and 41-43]에서 찾을 수 있다.
방법의 단계 (a)에서 반응을 수행하기 위하여, 단계 (a)에서의 반응 이전에 제공된 성분의 균일 혼합물을 제조하는 것이 우선 필요하다.
단계 (a)의 목적에 있어서 반응된 성분은 종래 방식으로 제공될 수 있다. 우수하고 신속한 혼합을 달성하도록, 교반기 또는 다른 혼합 장치가 본 목적을 위하여 이용되는 것이 바람직하다. 혼합 공정에서 결함을 회피하기 위하여, 균일 혼합물을 제조하기 위해 필요한 기간은 겔화 반응이 겔의 적어도 부분적인 형성을 야기하는 기간과 관련하여 작아야 한다. 다른 혼합 조건은 일반적으로 중대하지 않으며, 예를 들면, 혼합 공정은 0 내지 100℃ 및 0.1 내지 10 bar(절대압)에서, 특히 예를 들면, 실온 및 대기압에서 수행될 수 있다. 균일 혼합물이 일단 제조되면, 혼합 장치는 바람직하게는 스위치 오프된다.
겔화 반응은 중부가 반응, 특히 이소시아네이트기 및 아미노 또는 히드록시기의 중부가 반응을 수반한다.
본 발명의 목적에 있어서, 겔은 액체와 접촉한 중합체에 기초하는 가교결합 시스템이다(사용된 용어는 솔보겔(solvogel) 또는 리오겔(lyogel)이거나, 물이 액체로서 이용되면: 아쿠아겔(aquagel) 또는 하이드로겔(hydrogel)임). 여기서, 중합체상은 연속적인 3차원 네트워크를 형성한다.
본 방법의 단계 (a)의 목적에 있어서, 겔은 통상적으로 방치(standing), 즉, 혼합물을 포함하는 컨테이너, 반응 용기 또는 반응기(이하 겔화 장치라 한다)를 단순히 방치함으로써 제조된다. 겔화(겔 형성) 공정 동안에, 혼합물은 더 이상의 교반 또는 혼합을 거치지 않는 것이 바람직한데, 이것은 겔의 형성을 억제할 수 있기 때문이다. 겔화 공정 동안에 혼합물을 덮거나 겔화 장치를 밀봉하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
겔화 공정은 그 자체로 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들면, WO 2009/027310에서 21 페이지 19째 줄 내지 23 페이지 13째 줄에 기재되어 있다.
본 방법의 목적에 있어서, 용매는 단계(b)에서 제거(건조)된다. 원론적으로, 초임계 조건 하에서, 바람직하게는 용매를 CO2로 또는 초임계 건조를 위해 적합한 다른 용매로 교체한 후에 건조 공정을 수행하는 것이 가능하다. 이러한 유형의 건조 공정은 그 자체로 당업자에게 공지되어 있다. 초임계 조건이라는 표현은 제거를 요하는 유체상이 초임계 상태로 존재하는 온도 및 압력을 의미한다. 이로써 용매를 제거하는 동안에 겔 생성물의 수축은 감소될 수 있다. 초임계 건조 공정으로부터 얻어진 재료는 에어로겔이라고 칭한다.
그러나, 방법의 단순 수행을 목적으로, 겔 내에 포함된 액체를, 겔 내에 포함된 액체의 임계 온도 및 임계 압력 미만의 온도 및 압력에서의 가스 상태로 변환함으로써 생성된 겔을 건조시키는 것이 바람직하다. 초임계 건조 공정으로부터 얻어진 재료는 크세로겔이라고 칭한다.
용매를 용매의 임계 온도 및 임계 압력 미만의 온도 및 압력에서의 가스 상태로 변환함으로써, 생성된 겔을 건조하는 것이 바람직하다. 따라서, 다른 용매로의 사전 교체 없이 반응 중에 존재하는 용매의 제거를 통해 건조 공정이 수행되는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 적절한 방법이 당업자에게 공지되어 있으며, WO-2009/027310의 26 페이지 22째 줄 내지 28 페이지 36째 줄에 기재되어 있다.
상기 기재된 방법은 절연 재료로서의 용도에 우수한 특성을 갖는 유기 다공성 재료를 생성한다.
본 발명의 복합 부재에서 절연 코어로 이용되는 유기 다공성 재료는 70 내지 300 ㎏/㎥ 범위, 특히 75 내지 250 ㎏/㎥ 범위, 더 바람직하게는 85 내지 220 ㎏/㎥ 범위, 특히 바람직하게는 90 내지 220 ㎏/㎥ 범위에 있는 밀도를 갖는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 유기 다공성 재료는 70 내지 300 ㎏/㎥의 범위에 있는 밀도를 갖는 것인 복합 부재를 제공한다.
또한, 바람직한 유기 다공성 재료는 절연 코어 둘레로 프로파일이 연속적으로 형성되도록 하는 내열성을 가지며, 즉 이는 예를 들면 프로파일의 압출 중에 안정하다. 따라서, 바람직한 유기 다공성 재료는 160℃ 초과의 내열성을 갖는다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 유기 다공성 재료는 160℃ 초과의 내열성을 갖는 것인 복합 부재를 제공한다.
본 발명에서 바람직하게 이용되는 유기 에어로겔 및 크세로겔은 우선 복합 부재가 우수한 단열을 제공하도록 하고, 다음으로 안정성에 의해, 복합 부재의 용이한 제조가 가능하도록 하는 특성 프로파일을 갖는다.
그러므로, 특히 본 발명에서 원하는 치수 및 형상을 갖는 절연 코어를 제조하고 그 후 절연 코어 둘레에 프로파일을 형성하는 것이 가능하다. 이는 이후 절연 재료가 삽입될 중공 프로파일을 제조하는 것이 필요한 복잡한 방법을 회피한다.
절연 코어는 일반적으로 당업자에게 원하는 분야에 적합해 보이는 임의의 원하는 형상을 가질 수 있다. 절연 코어의 단면 형상은 원형 및/또는 다각형일 수 있다. 또한, 코어의 형상은 균일하거나 불균일할 수 있고, 예를 들면, 컷아웃, 홈, 굴곡 등을 가질 수 있으며, 이러한 프로파일링 효과는 제조 방향과 평행하거나 그렇지 않으면 수직하게 진행할 수 있다.
절연 코어의 치수는 일반적으로 5 내지 250 ㎜, 바람직하게는 10 내지 150 ㎜, 특히 바람직하게는 15 내지 100 ㎜, 특히 20 내지 80 ㎜이며, 불규칙한 형상의 코어인 경우에, 이 치수는 임의의 방향에서 최대 거리를 기재한다.
바람직한 일 실시형태에서, 본 발명에서 제조된 복합 부재는 정확히는 유기 다공성 재료로 제작된 하나의 절연 코어를 포함한다. 본 발명에서, 복합 부재는 유기 다공성 재료로 제작된 2, 3 또는 4 개의 코어를 갖는 것도 가능하다. 2, 3, 또는 4 개의 코어가 본 발명에서 제조된 복합 부재에 존재하는 경우에, 이들은 동일하거나 상이한 형상을 가질 수 있다. 본 발명에서, 복합 부재는 유기 다공성 재료로 제작된 하나 이상의 절연 코어 및 다른 재료, 예컨대, 폴리우레탄 폼으로 제작된 하나 이상의 다른 절연 코어를 갖는 것도 가능하다.
본 발명의 복합 부재는 프로파일을 포함하며, 상기 프로파일은 원론적으로 임의의 착상 가능한 적합한 재료, 특히 열가소식 가공 가능한(thermoplastically processable) 재료 또는 이와 달리 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
여기서, 프로파일은 절연 코어를 어느 정도 또는 완전히, 바람직하게는 완전히 둘러싼다. 바람직한 일 실시형태에서, 상기 프로파일은 또한 코어에 부착된 필레트(fillet)를 포함한다.
프로파일 그 자체의 두께, 또는 프로파일 및 프로파일에 속하는 임의의 필레트의 두께는 일반적으로 1 내지 20 ㎜, 바람직하게는 2 내지 15 ㎜, 특히 바람직하게는 3 내지 10 ㎜이며, 여기서, 프로파일 및 필레트는 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 재킷 또는 필레트는 프로파일의 상이한 지점들에서 다양한 두께를 가지고; 이 두께는 길이 방향으로 동일하지만, 가로 방향으로는 달라질 수 있다. 이는 예를 들면, 결과적으로 후속 용도에 따르는 프로파일의 형상에 따른다.
본 발명에서 제조된 복합 부재의 프로파일은 바람직하게는 하나 이상의 열가소성 재료를 포함한다. 적합한 열가소성 재료는 그 자체로 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들면, 폴리올레핀, 예를 들면, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 또는 폴리염화비닐(PVC), 중축합물, 예를 들면 PA6 또는 PA6.6과 같은 폴리아미드(PA), 폴리락테이트(PLA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에스테르, 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK) 중부가물, 예컨대 열가소성 폴리우레탄, 목재 플라스틱 복합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이다. 특히 바람직한 일 실시형태에서, 본 발명에서 제조된 프로파일의 재킷은 폴리염화비닐(PVC)를 포함한다. 폴리염화비닐(PVC) 및 염화 비닐의 중합을 통한 이의 제조는 그 자체로 당업자에게 공지되어 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 프로파일은 폴리염화비닐 또는 알루미늄으로 이루어지는 것인 복합 부재를 제공한다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 프로파일은 폴리염화비닐로 이루어지는 것인 복합 부재를 제공한다.
바람직한 일 실시형태에서, 상기 프로파일은 220℃ 미만의 용융점을 갖는 열가소성 재료를 포함한다.
본 발명의 목적에 있어서, 본 발명의 복합 부재는 다양한 방식, 예컨대, 연속적으로 또는 회분식으로(batchwise)으로 제조될 수 있으며, 본 발명에서는 연속 제조가 바람직하다.
본 발명의 목적에 있어서, 다양한 방법들은, 절연 코어가 프로파일에 정밀하게 들어맞도록 도입될 수 있게 하는 한, 본 발명의 복합 부재를 제조하기 위하여 원론적으로 가능하다.
여기서, 프로파일은 절연 코어 둘레로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 절연 코어가 중공 구조의 형상을 규정하기 때문에 프로파일 내에서 중공 구조의 형상화가 용이해지므로 본 발명의 복합 부재에 대한 제조 방법을 단순화시킨다.
그러므로, 본 발명은 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 연속 방법으로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 형성되는 것인 연속 방법을 또한 제공한다.
그러므로, 본 발명에서 절연 코어는 원하는 형상으로 제조되고, 저장되며, 이후에 추가 가공되는 것이 가능하다.
여기서 프로파일은 다양한 방식, 예컨대, 압출기에 의하여, 특히 바람직하게는 링 압출기에 의하여 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 방법으로서, 상기 프로파일은 링 압출기에 의하여 절연 코어 둘레에 연속적으로 형성되는 것인 복합 부재를 제조하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 바람직한 추가의 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 방법으로서, 상기 프로파일은 절연 코어 둘레에서 복수개의 부품으로부터 형성되는 것인 복합 부재를 제조하는 방법을 제공한다.
예를 들면, 여기 본 발명에서 프로파일은 절연 코어 둘레로 복수개의 사전형성된 부품으로부터 형성되는 것이 가능하지만, 부품이 사전형성되고, 절연 코어가 삽입되며, 이후 프로파일이 예를 들면 압출기에 의하여 폐쇄되는 것이 동일하게 가능하다.
프로파일이 절연 코어 둘레로 복수개의 사전형성된 부품으로부터 형성되는 경우, 프로파일의 개별 부품들은 상이한 방식, 예컨대, 접착제 결합을 통해 또는 용접을 통하거나 밀어넣기식 연결(push-fit connection)("클립핑(clipping)")을 통해 서로 연결될 수 있다.
그러므로, 프로파일은 바람직하게는 열가소식 가공 가능한 재료, 예를 들면, 폴리염화비닐로부터 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 프로파일 및 상기 기재된 바와 같이 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 방법으로서, 상기 프로파일은 폴리염화비닐로 이루어지는 것인 복합 부재를 제조하는 방법을 제공한다.
복합 부재는 바람직하게는 링 압출기에 의하여 본 발명에서 제조될 수 있다. 여기서, 본 방법은 하나 이상의 열가소성 재료로 제작된 프로파일 내에 절연 코어를 집어넣어 복합 부재를 얻기 위하여, 링 프로파일을 제조하기 위해 부착된 압출 다이를 갖는 압출기로 절연 코어를 도입하는 단계를 포함한다.
여기서, 절연 코어는 프로파일의 형상을 모사하는 다이를 포함하는 압출기 내에 도입된다. 이후, 재킷을 형성하도록 의도된 열가소성 재료는 압출기 내의 코어 상으로 용융된 형태로 적용된다. 본 발명에 이용된 이 압출기의 실시형태는 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들면, WO 2009/098068에 기재되어 있다.
본 발명의 방법은 프로파일의 열가소성 재료가 용융되는 온도, 예를 들면, 100 내지 220℃, 특히 바람직하게는 130 내지 190℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
압출기의 하류에서 열가소성 재료가 고화되는 온도는 바람직하게는 예를 들면, 25 내지 180℃, 바람직하게는 50 내지 150℃이다.
열가소성 재료의 압출은 그 자체가 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들면, 문헌["Einfuerung in die Kunststoffverarbeitung" [Introduction to plastics processing], 5th edition, September 2006; pp. 87-180; Walter Michaeli; Hanser Fachbuchverlag]에 기재되어 있다.
본 발명에서 프로파일 내에 보강이 도입되는 경우, 이 보강은 압출기에 도입되는 경우 그 최종 형상, 예를 들면, 스트립의 형상을 가질 수 있다. 제2 실시형태에 있어서, 보강은 압출기 내의 프로파일의 재킷과 동시에 압출된다. 이를 위하여, 보강 재료는 바람직하게는 압출기를 경유하여 용융 상태로 도입된다.
바람직한 일 실시형태에서, 보강의 치수는 프로파일의 치수에 의존하며, 보강된 프로파일의 안정성을 최대화시킬 수 있다. 여기서, 보강의 디자인은 프로파일 내, 예를 들면, 윈도우 프레임 또는 도어 프레임 내에서 열 이동을 감소시키거나 적어도 증가시키지 않도록 하는 것이다.
본 발명에서, 프로파일이 절연 코어 둘레로 예컨대, 복수개의 사전형성된 부품들로부터 불연속적으로 형성되는 것이 또한 가능하며; 프로파일의 개별 부품들은 상이한 방식, 예컨대, 접착제 결합을 통해 또는 용접을 통하거나 밀어넣기식 연결("클립핑")을 통해 서로 연결될 수 있다.
대안적인 방법에서, 본 발명의 목적에 있어서, 완성된 프로파일이 우선 제조되고, 이후 절연 코어가 사전형성된 중공 챔버 내로 도입되는 것도 가능하다. 본 실시형태에 있어서, 상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 형성되지 않는다.
본 방법 변형예에 있어서, 임의의 종래 방법을 이용하여 절연 코어를 프로파일 내에, 예를 들면, 흡인(suction)을 이용한 삽입 또는 압력을 이용한 삽입, 바람직하게는 압력을 이용한 삽입으로 도입할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 대안적인 일 실시형태는 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 방법으로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 압력을 이용하여 절연 코어를 프로파일에 삽입하는 것인 방법을 또한 제공한다.
본 발명의 복합 부재는 동일한 절연 두께에 대하여 낮은 열전도도를 가지며, 이는 본 발명의 복합 부재를 건축 부재, 예컨대, 윈도우 또는 도어용 건축 부재로서의 용도에 적합하게 한다.
따라서, 개별 건축 부품(벽, 윈도우)이 우수한 절연을 제공하는 건물의 쉘의 개별 건축 부품(벽, 윈도우)에 대한 U 값 한계(U 값 = 열전달계수, 단위 W/㎡ * K)를 따르는 것이 가능하다.
그러므로, 본 발명은 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료의, 프로파일 중 절연 재료로서의 용도를 또한 제공한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시형태는 상기 기재된 바와 같이, 프로파일이 윈도우, 도어, 냉장고, 냉동 박스, 또는 파사드 구조물용 부재의 제조에 사용되는, 유기 다공성 재료의 프로파일 중 절연 재료로서의 용도를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시형태는 본 발명의 복합 부재 또는 본 발명의 방법에 의하여 획득될 수 있는 복합 부재의, 윈도우, 도어, 냉장고, 냉동 박스, 또는 파사드 구조물용 부재의 제조를 위한 용도를 제공한다.
본 발명의 복합 부재는 다양한 건축 부재, 예를 들면, 윈도우의 축조에 적합하다.
그러므로 본 발명의 다른 실시형태는 특히 또한 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 포함하는 윈도우로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지는 것인 복합 부재를 포함하는 윈도우를 제공한다.
본 발명의 실시형태들의 예는 하기에 열거되지만, 본 발명을 제한하지 않는다. 특히, 본 발명은 하기에 기술된 의존관계로부터 유래하는 실시형태들도 포함하므로, 조합을 형성한다.
1. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지는 것인 복합 부재.
2. 제1 실시형태에 있어서, 상기 유기 다공성 재료는 유기 크세로겔, 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부재.
3. 제1 실시형태 또는 제2 실시형태에 있어서, 상기 유기 다공성 재료는 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 크세로겔, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부재.
4. 제1 실시형태 내지 제3 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 유기 다공성 재료는 70 내지 300 ㎏/㎥ 범위의 밀도를 갖는 것인 복합 부재.
5. 제1 실시형태 내지 제3 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 유기 다공성 재료는 160℃ 초과의 내열성을 갖는 것인 복합 부재.
6. 제1 실시형태 내지 제5 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 프로파일은 폴리염화비닐 또는 알루미늄으로 이루어지는 것인 복합 부재.
7. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 연속 방법으로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 형성되는 것인 방법.
8. 제7 실시형태에 있어서, 상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 링 압출기에 의하여 연속적으로 형성되는 것인 방법.
9. 제7 실시형태에 있어서, 상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 복수개의 부품들로부터 형성되는 것인 방법.
10. 제7 실시형태 내지 제9 실시형태 중 어느 하나에 있어서, 상기 프로파일은 폴리염화비닐로 이루어지는 것인 방법.
11. DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료의, 프로파일에서 절연 재료로서의 용도.
12. 제11 실시형태에 있어서, 상기 프로파일은 윈도우, 도어, 냉장고, 냉동 박스, 또는 파사드 구조물용 부재의 제조에 사용되는 것인 용도.
13. 제1 실시형태 내지 제6 실시형태 중 어느 하나에 따른 복합 부재 또는 제7 실시형태 내지 제10 실시형태 중 어느 하나에 따른 방법에 의하여 얻을 수 있는 복합 부재의, 윈도우, 도어, 냉장고, 냉동 박스, 또는 파사드 구조물용 부재의 제조를 위한 용도.
14. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 유기 크세로겔, 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부재.
15. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 크세로겔, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부재.
16. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 크세로겔, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이며, 유기 다공성 재료는 70 내지 300 ㎏/㎥의 범위의 밀도를 갖는 것인 복합 부재.
17. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 크세로겔, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이며, 유기 다공성 재료는 160℃ 초과의 내열성을 갖는 것인 복합 부재.
18. 제17 실시형태에 있어서, 상기 프로파일은 폴리염화비닐 또는 알루미늄으로 이루어지는 것인 복합 부재.
19. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 크세로겔, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 프로파일은 폴리염화비닐 또는 알루미늄으로 이루어지는 것인 복합 부재.
20. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 연속 방법으로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 링 압출기에 의하여 연속적으로 형성되는 것인 방법.
21. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 제조하는 방법으로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 상기 절연 코어는 가압 하에서 상기 프로파일 내로 삽입되는 것인 방법.
22. 프로파일 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어를 포함하는 복합 부재를 포함하는 윈도우로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지는 것인 윈도우.
23. 제14 실시형태 내지 제19 실시형태 중 어느 하나에 따른 복합 부재 또는 제20 내지 제22 실시형태 중 어느 하나에 따른 방법에 의하여 얻을 수 있는 복합 부재의, 윈도우, 도어, 냉장고, 냉동 박스, 또는 파사드 구조물용 부재의 제조를 위한 용도.
하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이지만, 본 발명의 주제에 어떠한 제한적인 효과를 절대적으로 갖지 않는다.
[실시예]
제조예: 에어로겔
1. 출발 재료
하기 화합물들을 이용하여 겔을 제조하였다:
성분 (a1):ASTM D5155-96 A에 따라 100 g 당 30.9 g의 NCO 함량, 3의 영역에서 작용성, 및 DIN 53018에 따라 25℃에서 2,100 mPa.s의 점도를 갖는 올리고머 MDI(Lupranat
M200) (하기 "화합물 M200").
성분(a2): 3,3',5,5'-테트라에틸-4,4'-디아미노디페닐메탄(하기 "MDEA")
촉매: 부틸디에탄올아민, 메틸디에탄올아민
2. 제조예 1
80 g의 화합물 M200을 유리 비이커 내 20℃에서 220 g의 2-부타논에 교반하며 용해시켰다. 8 g의 화합물 MDEA 및 8 g의 부틸디에탄올아민 및 1 g의 물을 제2 유리 비이커 내에서 220 g의 2-부타논에 용해시켰다. 단계 (a)로부터의 2 개의 용액을 혼합하였다. 이는 낮은 점도의 맑은 혼합물을 생성하였다. 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 방치하여 경화시켰다. 이후, 겔을 유리 비이커로부터 제거하고, 초임계 CO2를 이용한 용매 추출을 통해 오토클레이브에서 건조시켰다.
겔 모노리스(gel monolith)를 유리 비이커로부터 제거하고 25 l 오토클레이브로 이송시켰다. >99%의 아세톤을 아세톤이 모노리스를 완전히 덮도록 오토클레이브에 충전시키고, 이후 오토클레이브를 밀봉하였다. 이 방법은 모노리스가 초임계 CO2와 접촉하기 전에 유기 용매의 증발로 인하여 모노리스의 수축을 방지할 수 있다. 모노리스를 CO2 기류에서 24 시간 동안 건조하였다. (건조 시스템 내에서) 압력은 115 내지 120 bar였다; 온도는 40℃였다. 최종적으로, 시스템 내의 압력을 40℃의 온도에서 약 45 분의 기간 내에 대기압으로 제어 방식으로 감소시켰다. 오토클레이브를 개봉하였고, 건조된 모노리스를 제거하였다.
생성된 다공성 재료는 150 g/L의 밀도를 가졌다.
열전도도(λ)는 Hesto 사의 보호 열판 장비(Lambda Control A50)를 이용하여 DIN EN 12667에 따라 측정하였다. 열전도도는 10℃에서 20.0 ㎽/m*K였다.
인장 강도는 DIN 53292에 따라 측정하였고 0.87 N/㎟였다.
탄성률은 DIN 53292에 따라 측정하였고 15.3 N/㎟였다.
3. 제조예 2
80 g의 화합물 M200을 유리 비이커 내 20℃에서 220 g의 2-부타논에 교반하며 용해시켰다. 8 g의 화합물 MDEA 및 8 g의 부틸디에탄올아민 및 2 g의 물을 제2 유리 비이커 내에서 220 g의 2-부타논에 용해시켰다. 단계 (a)로부터의 2 개의 용액을 혼합하였다. 이는 낮은 점도의 맑은 혼합물을 생성하였다. 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 방치하여 경화시켰다. 이후, 겔을 유리 비이커로부터 제거하고, 초임계 CO2를 이용한 용매 추출을 통해 오토클레이브에서 건조시켰다.
겔 모노리스를 유리 비이커로부터 제거하고 25 l 오토클레이브로 이송시켰다. >99%의 아세톤을 아세톤이 모노리스를 완전히 덮도록 오토클레이브에 충전시키고, 이후 오토클레이브를 밀봉하였다. 이 방법은 모노리스가 초임계 CO2와 접촉하기 전에 유기 용매의 증발로 인하여 모노리스의 수축을 방지할 수 있다. 모노리스를 CO2 기류에서 24 시간 동안 건조하였다. (건조 시스템 내에서) 압력은 115 내지 120 bar였다; 온도는 40℃였다. 최종적으로, 시스템 내의 압력을 40℃의 온도에서 약 45 분의 기간 내에 대기압으로 제어 방식으로 감소시켰다. 오토클레이브를 개봉하였고, 건조된 모노리스를 제거하였다.
생성된 다공성 재료는 153 g/L의 밀도를 가졌다.
열전도도(λ)는 Hesto 사의 보호 열판 장비(Lambda Control A50)를 이용하여 DIN EN 12667에 따라 측정하였다. 열전도도는 10℃에서 21.0 ㎽/m*K였다.
압축 강도는 DIN 53421에 따라 측정하였고 5.3% 압축에 대하여 0.64 N/㎟였다.
탄성률은 31 N/㎟였다.
4. 제조예 3
80 g의 화합물 M200을 유리 비이커 내 20℃에서 250 g의 아세트산 에틸에 교반하며 용해시켰다. 8 g의 화합물 MDEA 및 8 g의 메틸디에탄올아민을 제2 유리 비이커 내에서 250 g의 아세트산 에틸에 용해시켰다. 단계 (a)로부터의 2 개의 용액을 혼합하였다. 이는 낮은 점도의 맑은 혼합물을 생성하였다. 혼합물을 실온에서 24 시간 동안 방치하여 경화시켰다. 이후, 겔을 유리 비이커로부터 제거하고, 초임계 CO2를 이용한 용매 추출을 통해 오토클레이브에서 건조시켰다.
겔 모노리스를 유리 비이커로부터 제거하고 25 l 오토클레이브로 이송시켰다. >99%의 아세톤을 아세톤이 모노리스를 완전히 덮도록 오토클레이브에 충전시키고, 이후 오토클레이브를 밀봉하였다. 이 방법은 모노리스가 초임계 CO2와 접촉하기 전에 유기 용매의 증발로 인하여 모노리스의 수축을 방지할 수 있다. 모노리스를 CO2 기류에서 24 시간 동안 건조하였다. (건조 시스템 내에서) 압력은 115 내지 120 bar였다; 온도는 40℃였다. 최종적으로, 시스템 내의 압력을 40℃의 온도에서 약 45 분의 기간 내에 대기압으로 제어 방식으로 감소시켰다. 오토클레이브를 개봉하였고, 건조된 모노리스를 제거하였다.
생성된 다공성 재료는 110 g/L의 밀도를 가졌다.
열전도도(λ)는 Hesto 사의 보호 열판 장비(Lambda Control A50)를 이용하여 DIN EN 12667에 따라 측정하였다. 열전도도는 10℃에서 20.0 ㎽/m*K였다.
압축 강도는 10% 압축에 대하여 0.52 N/㎟였다.
Claims (13)
- 프로파일(profile) 및 상기 프로파일에 의하여 적어도 어느 정도 둘러싸인 절연 코어(insulating core)를 포함하는 복합 부재(composite element)를 제조하는 연속 방법으로서, 상기 절연 코어는 DIN 12667에 따라 측정된 13 내지 30 ㎽/m*K 범위의 열전도도 및 DIN 53421에 따라 측정된 0.20 N/㎜2 초과의 압축 강도를 갖는 유기 다공성 재료로 이루어지며, 상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 형성되고,
상기 유기 다공성 재료는 유기 크세로겔(xerogel) 및 유기 에어로겔(aerogel) 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이며,
상기 프로파일은 상기 절연 코어 둘레로 링 압출기에 의하여 연속적으로 형성되는 것인 방법. - 제1항에 있어서, 상기 프로파일은 폴리염화비닐로 이루어지는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기 다공성 재료는 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 크세로겔, 폴리우레탄, 폴리이소시아누레이트 또는 폴리우레아에 기초하는 유기 에어로겔 및 그 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기 다공성 재료는 70 내지 300 ㎏/㎥ 범위의 밀도를 갖는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기 다공성 재료는 160℃ 초과의 내열성을 갖는 것인 방법.
- 윈도우, 도어, 냉장고, 냉동 박스(chest freezer), 또는 파사드 구조물(facade construction)용 부재의 제조에 사용하기 위한, 제1항 또는 제2항에 따른 방법에 의하여 얻을 수 있는 복합 부재.
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|---|---|---|---|
| EP12191272.9 | 2012-11-05 | ||
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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