KR102465779B1 - 난연성이 뛰어난 하이드로젤 단열재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid), N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA), 물(Water) 및 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 포함하고, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)의 1.0배 내지 1.5배이고, 상기 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)는 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 6.0배인 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재에 관한 것이다.
본 발명은 환경적 가치를 지닌 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제공하여, 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 난연성이 좋으면서도 수명이 향상되고, 환경 오염을 최소화할 수 있다.

Description

난연성이 뛰어난 하이드로젤 단열재{Hydrogel Insulation Material With Excellent Flame Retardancy}
본 발명은 자연 유래 물질을 사용하여 단열 효과를 가진 소재를 사용한 단열재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기존의 석유 유래 물질을 사용한 단열재와 달리, 자연 유래 물질(이하, 바이오매스)을 사용하여 생분해도가 향상되면서도 단열 효과가 대체 가능하고, 난연성이 향상된 하이드로젤 단열재에 관한 발명이다.
세계적으로 화석연료의 고갈과 지구 온난화 문제가 대두되면서 에너지 절약의 중요성이 새롭게 부각되고 있다. 이에 따라 에너지를 절약할 수 있는 방안으로 열효율을 높일 수 있는 방안으로'패시브 하우스'나 '에너지 제로 하우스'와 같은 에너지 절약 건축물 및 구조물과, 여기에 필요한 고효율 단열재에 대한 관심이 높아지고 있다. 대표적인 고효율 단열재로는 기네스북에 등재된 에어로젤(Aerogel)과 같은 다공성 소재들이 있다. 에어로젤(Aerogel)은 거의 기체로만 구성되어 있는 초경량 단열 소재로써, 고체보다는 기체의 열전도성을 지니고 있으며, 기공의 크기가 평균 크기의 움직임 반경보다 적어 기체의 문제점인 대류에 의한 열확산도 최소화할 수 있으므로 최고의 단열 성능을 보이게 된다. 에어로젤(Aerogel)은 초경량 및 낮은 열전도도와 같은 특성뿐만 아니라 우수한 방음성도 지니고 있으나, 강한 압축 강도에 비해 충격 강도가 매우 약해 그 자체로서 사용되기에는 한계가 있으므로 지지체를 활용하거나 다른 성분과 혼합하여 사용되어야 한다. 에어로젤은 유리섬유보다 40배의 단열 효과를 가지며, 고분자 발포재보다도 2배 이상의 낮은 열전도도를 보인다. 덴마크기술대학에서 발표한 HILIT결과에 의하면 전형적인 덴마크 주택에서 아르곤을 넣은 3중창보다도 투명 에어로젤 진공창을 이용하여 연간 1,200kWh, 19%의 에너지 절약이 가능하고, 패시브 하우스라고 불리는 저에너지 주택에서도 연간 700kWh, 34%의 에너지 절약이 가능하고 보고한 바 있다.
일반적으로 에어로젤(Aerogel)로써 가장 널리 알려져 있는 것은 실리카 에어로젤(Airogel)이며 원료로는 실리콘알콕사이드(Silicon Alkoxide)나 물유리(Water Glass)가 사용된다. 원료 가격 면에서 보면 물유리(Water Glass)가 유리하나, 공정상 간단한 솔-젤 합성을 하는 알콕사이드(Alkoxide) 공정에 비하여, 물유리(Water Glass)의 경우에는 추가적인 화학처리가 필요하고 다량의 폐수가 발생하는 문제점이 있어 환경 문제를 야기할 수 있다. 실리카 이외의 물질도 에어로젤(Aerogel) 형태로 제조가 가능하며 특히 레노시놀-포름알데히드(Resorcinol-Formaldehyge), 멜라민-포름알데히드(Melamine-Formaldehyde) 등을 이용한 다양한 성분의 유기 에어로젤(Organic Aerogel)도 제조가 가능하다.
최근 환경 보호에 대한 전세계적인 자각과 함께 자원의 재활용과 친환경 재료 사용을 장려하는 분위기가 조성되고 있으며, 이에 발맞추어 탄소 배출을 최소화할 수 있는 바이오매스(Biomass)를 활용한 향상된 물성을 가진 친환경 소재에 대한 연구 및 상용화가 진행 중에 있다.
한국특허출원 제10-2017-0008823호
본 발명은 종래의 문제점을 해소하고자 발명한 것으로 다음과 같은 목적을 가진다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid), N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA), 물(Water) 및 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 포함하고, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)의 1.0배 내지 1.5배이고, 상기 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)는 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 6.0배인 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 메인 단열층, 제1 보조 단열층 및 제2 보조 단열층을 포함하고, 상기 제1 보조 단열층 및 상기 제2 보조 단열층은 상기 메인 단열층을 중심으로 서로 반대편에 위치하고, 상기 메인 단열층은 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid), N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA), 물(Water) 및 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 포함하고, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)의 1.0배 내지 1.5배이고, 상기 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)는 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 6.0배인 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 포함하고, 상기 제1 보조 단열층 및 제2 보조 단열층은 부직포를 포함하는 하이드로젤(Hydrogel) 단열재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제조하는 방법에 있어서, 1) 라포나이트(Laponite), 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 및 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA) 를 증류수에서 혼합하는 단계; 2) KPS(Potassium Peroxydisulfate) 및 TEMED(N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine)를 3시간 동안 50℃에서 추가하여 반응시키는 단계; 3) 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 추가하고 3시간 동안 25℃에서 결합을 형성시키는 단계; 4) 5wt% 염산(Hydrochloric Acid solution, HCl(aq))을 추가하고 1시간 동안 혼합하는 단계;및 5) 마이크로웨이브(Microwave)에 노출되는 단계;를 포함하는 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제조하는 방법을 제고?榜? 것을 목적으로 한다.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 발명에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예는, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid), N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA), 물(Water) 및 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 포함하고, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)의 1.0배 내지 1.5배이고, 상기 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)는 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 6.0배인 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제공한다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예는, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid), N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA), 물(Water) 및 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 포함하고, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)의 1.0배 내지 1.5배이고, 상기 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)는 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 6.0배이고, 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 친수성 공극(Hydrophilic Pore)과 소수성 공극(Hydrophobic Pore)을 포함하고, 상기 친수성 공극(Hydrophilic Pore)의 골격을 이루는 결합들은 아마이드 그룹을 형성하고, 상기 소수성 공극(Hydrophobic Pore)의 골격을 이루는 결합들은 이미드 그룹을 형성하는 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제공한다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예는, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid), N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA), 물(Water) 및 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 포함하고, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)의 1.0배 내지 1.5배이고, 상기 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)는 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 6.0배이고, 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 친수성 공극(Hydrophilic Pore)과 소수성 공극(Hydrophobic Pore)을 포함하고, 상기 친수성 공극(Hydrophilic Pore)의 골격을 이루는 결합들은 아마이드 그룹을 형성하고, 상기 소수성 공극(Hydrophobic Pore)의 골격을 이루는 결합들은 이미드 그룹을 형성하고, 상기 친수성 공극(Hydrophilic Pore)의 크기는 50-200μm이고, 상기 소수성 공극(Hyprophobic Pore)의 크기는 300-500μm인 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제공한다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예는, 메인 단열층, 제1 보조 단열층 및 제2 보조 단열층을 포함하고, 상기 제1 보조 단열층 및 상기 제2 보조 단열층은 상기 메인 단열층을 중심으로 서로 반대편에 위치하고, 상기 메인 단열층은 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid), N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA), 물(Water) 및 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 포함하고, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)의 1.0배 내지 1.5배이고, 상기 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)는 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 6.0배인 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 포함하고, 상기 제1 보조 단열층 및 제2 보조 단열층은 부직포를 포함하는 하이드로젤(Hydrogel) 단열재를 제공한다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예는, 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제조하는 방법에 있어서, 1) 라포나이트(Laponite), 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid), 및 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)를 증류수에서 혼합하는 단계, 2) KPS(Potassium Peroxydisulfate) 및 TEMED(N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine)를 3시간 동안 50℃에서 추가하여 반응시키는 단계, 3) 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 추가하고 3시간 동안 25℃에서 결합을 형성시키는 단계, 4) 5wt% 염산(Hydrochloric Acid solution, HCl(aq))을 추가하고 1시간 동안 혼합하는 단계 및 5) 마이크로웨이브(Microwave)에 노출되는 단계를 포함하는 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재에 따르면, 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 난연성이 좋으면서도 수명이 향상될 수 있는 특유한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재에 따르면, 바이오매스(Biomass)를 사용하여 환경 오염을 최소화할 수 있는 특유한 효과가 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 하이드로젤(Hydrogel) 단열재는 메인 단열층, 제1 보조 단열층 및 제2 보조 단열층을 포함할 수 있다. 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열재는 외측 마감재 및 내측 마감재를 포함할 수 있다. 상기 메인 단열층, 상기 제1 보조 단열층, 상기 제2 보조 단열층, 상기 외측 마감재 및 상기 내측 마감재는 면의 형상으로 각각 형성될 수 있다. 상기 메인 단열층, 상기 제1 보조 단열층, 제2 보조 단열층, 상기 외측 마감재 및 상기 내측 마감재는 일체로 형성될 수 있다. 상기 메인 단열층, 상기 제1 보조 단열층, 제2 보조 단열층, 상기 외측 마감재 및 상기 내측 마감재는 별도로 만들어진 뒤, 단열재를 구성할 수 있다. 상기 메인 단열층의 일측면은 상기 제1 보조 단열층의 일측면과 맞닿아 구성될 수 있다. 상기 메인 단열층의 또다른 일측면은 상기 제2 보조 단열층의 일측면과 맞닿아 구성될 수 있다. 상기 메인 단열층의 일측면과 상기 메인 단열층의 또다른 일측면은 서로 반대편에 위치한다. 상기 외측 마감재 및 상기 내측 마감재는 각각 상기 제1 보조 단열층 및 상기 제2 보조 단열층과 맞닿아 구성될 수 있다.
하이드로젤(Hydrogel) 단열재는 외부 공간으로부터 내부 공간의 온도 유지를 위하여, 열의 이동을 차단하기 위해 사용될 수 있다. 상기 외부 공간은 일반적으로 시간의 흐름에 따라 온도의 변화가 발생할 수 있다. 상기 내부 공간은 정해진 온도 범위 내에서 온도가 벗어나지 않도록 유지될 수 있다. 상기 제1 보조 단열층은 사용 과정에서 단열재의 상기 외부 공간 방향으로 배향될 수 있다. 상기 제2 보조 단열층은 사용 과정에서 단열재의 상기 내부 공간 방향으로 배향될 수 있다.
추가적으로, 하나의 실시예에 따르면, 상기 제1 보조 단열층과 상기 외측 마감재 사이에는 반사 부재를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 보조 단열층과 상기 내측 마감재 사이에는 반사 부재를 포함할 수 있다. 상기 반사부재를 통하여 상기 내부 공간으로부터 유출되는 에너지 중 복사 에너지를 효과적으로 줄일 수 있다. 이때는 복사 에너지 반사 효율을 높이기 위하여 상기 제1 보조 단열층과 상기 외측 마감재 사이 및 상기 제2 보조 단열층과 상기 내측 마감재 사이에는 공간 확보 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 보조 단열층은 면의 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1 보조 단열층은 40중량부일 수 있다. 상기 제1 보조 단열층은 상기 외부 공간으로부터 상기 내부 공간으로 유입되는 열에너지 또는 상기 내부 공간으로부터 상기 외부 공간으로 유출되는 열에너지를 최소화할 수 있다. 상기 제1 보조 단열층은 상기 외부 공간으로부터 유입될 수 있는 오염물을 차단하여 단열재의 손상을 최소화할 수 있다. 상기 제1 보조 단열층은 상기 외부 공간으로부터 유입될 수 있는 충격을 차단하여 하이드로젤(Hydrogel) 단열재의 손상을 최소화할 수 있다.
상기 제1 보조 단열층은 부직포를 포함할 수 있다. 상기 제1 보조 단열층은 하나 이상의 부직포로 구성될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 상기 부직포는 40중량부일 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 상기 제1 보조 단열층은 각각 40중량부인 두 개의 부직포로 구성될 수 있다. 상기 부직포는 폴리에스터(Polyester), 비스코스레이온(Viscose Rayon), 나일론(Nylon), 폴리프로필렌(Polypylene, 비닐론(Vinylon), 아라미드(Aramid), 키토산(Chitosan), 셀룰로오스(Cellulose) 및 폴리락틱산(Poly Lactic Acid) 중 하나이상으로 만들어질 수 있다. 구체적으로, 상기 키토산(Chitosan)은 D-글루코사민(D-glucosamine) 및 N-아세틸글루코사민(N-acetylglucosamine)으로 이루어질 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따른 상기 부직포는, 키토산(Chitosan), 셀룰로오스(Cellulose) 및 폴리락틱산(Poly Lactic Acid) 중 하나이상으로만 만들어지는 경우, 친환경 부직포를 제공할 수 있다. 상기 친환경 부직포를 통하여, 친환경 단열재의 폐기 과정에서 탄소 배출량을 줄일 수 있다.
상기 메인 단열층은 면의 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1 보조 단열층이 40중량부인 경우, 상기 메인 단열층은 5중량부 내지는 20중량부일 수 있다.
상기 메인 단열층은 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 포함할 수 있다. 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 다공성 구조체로 형성될 수 있다. 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재의 밀도(density)는 소정의 값을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재의 밀도(density)는 200.0kg/m3 이하이다. 하이드로젤(Hydrogel) 단열재의 단열 효율을 높이기 위해서는, 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재의 밀도(density)는 65.0kg/m3 내지 150.0kg/m3 일 수 있다. 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재와 같은 다공성 구조를 통해 열에너지의 전도 및 대류를 억제할 수 있다.
상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 바이오매스(Biomass)로 만들어질 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 글리세롤(Glycerol) 및 미세플라스틱(Microplastics)를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 바이오매스(Biomass). N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA), 물(Water) 및 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 포함하여 제조될 수 있다. 상기 바이오매스(Biomass)는 알지네이트(Alginate), 소듐알지네이트(Sodium Alginate), 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이를 통해, 더블 나노컴포짓 하이드로젤(Double nanocomposite Hydrogel, DNC Hydrogel)을 형성할 수 있으며, 다양한 단량체간 공유결합(Covalent Bond) 및 이온결합(Ion Bond)를 형성할 수 있어 형성된 하이드로젤(Hydrogel)의 물리적 성질을 향상시킬 수 있다.
상기 알지네이트(Alginate), 상기 소듐알지네이트(Sodium Alginate),상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 및 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)은 미역, 다시마, 켈프 등 갈조식물의 세포벽에 함유되어 있는 산을 추출될 수 있다. 상기 갈조식물은 해양폐기물로부터 제공될 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)보다 과량일 수 있다. 바람직하게는, 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양(mol)은 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양(mol)의 1.0배 내지 1.5배일 수 있다. 상기 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 의 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재의 포함 비율을 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재의 포함 비율보다 높임으로써, 수분을 많이 포함하는 젤을 형성할 수 있으며, 이러한 수분을 전부 제거하여 높은 다공성 구조를 형성하는 하이드로젤(Hydrogel)을 만들 수 있으며, 단열성이 좋은 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 만들 수 있다.
상기 다이발런트 이온(Divalent Cation)은 마그네슘이온(Magnesium, Mg2+), 칼슘이온(Calcium Ion, Ca2+) 및 바륨이온(Barium Ion, Ba2+) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 미세플라스틱(Microplastics)는 해양으로부터 수거된 폐기물일 수 있다. 상기 미세플라스틱(Microplastics)는 PET(Polyethylene Terephthalate) 또는 EPS(Expanded Polystyrene)중 하나이상을 포함할 수 있다. 상기와 같은 미세플라스틱(Microplastics)의 사용을 통해, 폐기물을 고부가가치 제품으로 업사이클링하여 환경적 가치를 제고할 수 있으며, 완제품의 원가를 절감할 수 있는 효과를 누릴 수 있다.
상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 친수성 공극(Hydrophilic Pore)과 소수성 공극(Hydrophbic Pore)을 포함한다. 상기 친수성 공극(Hydrophilic Pore)의 골격을 이루는 결합들은 아마이드 그룹(Amide group, -NH2)을 형성할 수 있다. 상기 소수성 공극(Hydrophobic Pore)의 골격을 이루는 결합들은 이미드 그룹(Imide group, -NH-)을 형성할 수 있다. 상기 친수성 공극(Hydrophilic Pore)의 크기는 소정의 크기를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 친수성 공극(Hydrophilic Pore)의 크기는 50-200μm일 수 있다. 상기 소수성 공극(Hydrophobic Pore)의 크기는 상기 친수성 공극(Hydrophilic Pore)의 크기와는 다른 소정의 크기를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 소수성 공극(Hydrophobic Pore)의 크기는 300-500μm일 수 있다.
상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 젤을 형성하는 단계, 형성된 젤에서 수분을 기화 또는 승화시키는 단계를 포함하여 제작될 수 있다. 상기 젤은 알긴산나트륨(Sodium Alginate) 및 탄산칼슘(Calcium Carbonate, CaCO3)의 혼합에 의해 형성될 수 있다.
상기 제2 보조 단열층은 면의 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1 보조 단열층이 40중량부인 경우, 상기 제2 보조 단열층은 40중량부 내지는 80중량부일 수 있다. 상기 제2 보조 단열층은 부직포를 포함할 수 있다. 상기 부직포는 폴리에스터(Polyester), 비스코스레이온(Viscose Rayon), 나일론(Nylon), 폴리프로필렌(Polypylene) 및 폴리락틱산(Poly Lactic Acid) 중 하나이상으로 만들어질 수 있다. 상기 제2 보조 단열층은 하나 이상의 부직포로 구성될 수 있다. 상기 제1 보조 단열층이 40중량부인 경우, 상기 부직포는 80중량부일 수 있다. 상기 제2 보조 단열층은 복수 겹의 부직포로 구성될 수 있다. 상기 제2 보조 단열층은 상기 외부 공간으로부터 상기 내부 공간으로 유입되는 열에너지 또는 상기 내부 공간으로부터 상기 외부 공간으로 유출되는 열에너지를 최소화할 수 있다. 또한, 상기 제2 보조 단열층을 복수 겹의 부직포로 구성하는 경우에 있어서는 부직포 겹 간의 공간에 의하여, 상기 내부 공간으로부터 유출되는 열에너지를 효과적으로 줄일 수 있다. 상기 제2 보조 단열층은 상기 내부 공간으로부터 유입될 수 있는 오염물을 차단하여 단열재의 손상을 최소화할 수 있다. 상기 제2 보조 단열층은 상기 내부 공간으로부터 유입될 수 있는 충격을 차단하여 단열재의 손상을 최소화할 수 있다.
상기 외측 마감재 및 상기 내측 마감재는 면의 형상으로 형성될 수 있다. 상기 외측 마감재 및 상기 내측 마감재는 외부환경으로부터 하이드로젤(Hydrogel) 단열재에 가해지는 물리적 충격 또는 오염물질로부터 상기 메인 단열층, 상기 제1 보조 단열층 및 상기 제2 보조 단열층이 손상되는 것을 막을 수 있어, 친환경 단열재의 단열 효율이 유지될 수 있도록 할 수 있다. 상기 외측 마감재 및 상기 내측 마감재는 7kg·cm/cm 이상의 충격강도를 가질 수 있다. 상기 외측마감재 및 상기 내측 마감재는 폴리락틱산(Poly Lactic Acid)을 포함할 수 있다. 상기 폴리락틱산(Poly Lactic Acid)은 내열 소재로써 외부의 열충격을 제한할 수 있는 특징을 가질 수 있다. 또한, 상기 폴리락틱산(Poly Lactic Acid)는 생분해성 소재로 생분해도를 향상시켜 친환경 단열재가 폐기되더라도 환경 오염을 저감시킬 수 있다.
상기 메인 단열층, 상기 제1 보조 단열층, 상기 제2 보조 단열층, 상기 외측 마감재 및 상기 내측 마감재들은 별도의 지지체를 포함하여 하이드로젤(Hydrogel) 단열재를 구성할 수 있다. 상기 제1 보조 단열층 및 상기 제2 보조 단열층은 상기 메인 단열층이 파손 없이 안정적으로 단열을 할 수 있도록, 상기 메인 단열층이 구조적으로 지지되는 형태로 구성될 수 있다.
상기 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 다음과 같은 제조 방법을 통해 제조될 수 있다.
1) 라포나이트(Laponite), 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 및 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA) 를 증류수에서 혼합하는 단계
2) KPS(Potassium Peroxydisulfate) 및 TEMED(N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine)를 3시간 동안 50℃에서 추가하여 반응시키는 단계
3) 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 추가하고 3시간 동안 25℃에서 결합을 형성시키는 단계
4) 5wt% 염산(Hydrochloric Acid solution, HCl(aq))을 추가하고 1시간 동안 혼합하는 단계
5) 마이크로웨이브(Microwave)에 노출되는 단계
상기 1) 단계를 통해, 단량체(Monomer)들을 고르게 혼합할 수 있다. 상기 2) 단계를 통해, 중합(Polymerization)을 개시 및 가속시킬 수 있다. 상기 3) 단계를 통해, 상기 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)은 다이발런트 이온(Divalent Cation)와 이온 결합(Ion Bond)을 형성할 수 있다. 상기 4) 단계의 산 첨가를 통하여, N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)의 중합을 중지시킬 수 있다. 상기 4) 단계의 산 첨가를 통하여, 중합된 사슬 내의 아마이드기(Amide functional group)들은 이미드(Imide) 결합을 형성할 수 있다. 상기 5) 단계의 마이크로웨이브(Microwave)의 파장은 1mm 내지 1m일 수 있다. 바람직하게는, 상기 마이크로웨이브(Microwave)의 파장은 1mm 내지 1cm일 수 있다. 상기 5) 단계의 건조 및 노광을 통하여, 중합된 사슬 내의 아마이드기(Amide functional group)들은 이미드(Imide) 결합을 형성할 수 있다.
이하, 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
라포나이트(Laponite) 2g, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 5g, 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 5g, N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA) 60g을 혼합하여 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 만든다. 이때, 별도의 외부 충격을 가하지 않는다.
[실시예 2]
글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 5g, 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 5g, N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA) 60g을 혼합하여 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 만든다. 이때, 60℃ 열처리 및 1mm 파장의 마이크로웨이브의 외부 충격을 가하여 완성한다.
[실시예 3]
글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid) 6g, 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 4g, N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA) 60g을 혼합하여 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 만든다. 이때, 60℃ 열처리 및 1mm 파장의 마이크로웨이브의 외부 충격을 가하여 완성한다.
[비교예 1]
EPS 폼(Expanded Polystyrene foam) 70g을 준비한다.
상기 실시예 및 비교예에서 준비한 다공성 단열소재의 물성을 하기 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
(1) 밀도(Density) 측정 방법
밀도(Density)는 Weighing method를 사용하였다. 각 단열 소재 별로 5개의 입방체 다공성 샘플을 취하고 평균 밀도를 계산했다.
(2) 열전도도 측정 방법
열전도도는 샘플을 (200×200×20 mm)의 크기로 샘플링하여, 평균 온도 20℃에서 표준 ASTM(American Society Testing and Materials) C518에 따라 Netzsch HFM 446 열흐름측정기를 사용하여 측정하였다. 열용량 샘플을 (100×200×20 mm)의 크기로 샘플링하여, 15℃와 25℃ 사이의 온도에서 Netzsch HFM 446 열흐름측정기를 사용하여 측정하였다.
(3) 난연성 측정 방법
원추형 열량 테스트(Cone calorimeter test)는 100mm Х 100mm Х 25 mm 샘플을 ISO 5660-1 표준에 따라 35kW/m2의 열 유속에서 원추형 열량계로 수행하였다. 샘플의 UL-94 테스트는 150mm Х 10mm Х 10mm의 샘플을 ASTM D3801 테스트 표준에 따라 CZF-2 수직 연소 분석기(Nanjing Shangyuan Analytical Instrument Co., Ltd.)에서 수행하였다. 한계 산소 지수(Limiting Oxygen Index, LOI) 테스트는 150mm Х 10mm Х 10mm의 샘플을 HC-2C(Nanjing Shangyuan Analytical Instruments Co., Ltd.)의 Limiting Oxygen Index Tester를 사용하여 테스트하였다.
ρ[kg/m3] 열전도도[W/m·K] LOI UL-94
실시예 1 162.81 0.044 33.2 V-0
실시예 2 34.02 0.050 41.9 V-0
실시예 3 42.27 0.053 41.5 V-0
비교예 1 44 0.036 17 Fail
상기 표1 은 각 실시예 및 비교예의 밀도(density), 열전도도, LOI, UL-94 test 결과를 나타낸 것이다.
Ignition [sec] Flame out [sec] THR [MJ/m2]
실시예 1 12 36 19.3
실시예 2 45 90 19.1
실시예 3 50 120 13.8
비교예 1 37 70 71.76
상기 표2는 원추형 열량 테스트(Cone calorimeter test) 결과를 나타낸 것이다.
상기 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3의 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 및 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)을 사용하여 더블 나노컴포짓 하이드로젤(DNC hydrogel)을 만드는 경우의 열전도도는 범용적으로 쓰이는 비교예 1의 EPS 폼(Expanded Polystyrene foam)과 비교하더라도 큰 차이가 나지 않는 수치 값을 가지는 것을 확인할 수 있는 바, EPS 단열 소재를 대체할 수 있는 물리적 특징을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 3의 난연성은 비교예 1에 비하여 월등히 향상된 것을 확인할 수 있다.
상기 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 2의 열처리 및 마이크로웨이브의 후속공정을 거친, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 및 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)의 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 실시예 1과 같이 열처리 및 마이크로웨이브의 후속 공정을 거치지 않는 경우와 비교하여, 열전도도가 비슷하면서도 난연성이 향상됨을 확인할 수 있다. 이는, 후속공정에 따라서 형성된 하이드로젤 조직 내의 이미드 그룹(Imide group)에 의한 것이다.
상기 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 3의 열처리 및 마이크로웨이브의 후속공정을 거치고, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 및 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA)이고, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양이 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양 보다 과량인 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재는 실시예 2의 후속공정을 거치되, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양이 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid)의 양과 동일한 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재와 비교하여, 열전도도가 비슷하면서도 난연성이 향상됨을 확인할 수 있다. 이는, 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid)의 양을 과량 넣어 공극의 수를 증가시킴에 의한 것이다.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제조하는 방법에 있어서,
    1) 라포나이트(Laponite), 글루로닉산(α-(1→4)-L-guluronic acid), 만누로닉산(β-(1→4)-D-mannuronic acid) 및 N,N'-Methylenebisacrylamide(MBA) 를 증류수에서 혼합하는 단계;
    2) KPS(Potassium Peroxydisulfate) 및 TEMED(N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine)를 3시간 동안 50℃에서 추가하여 반응시키는 단계;
    3) 다이발런트 이온(Divalent Cation)을 추가하고 3시간 동안 25℃에서 결합을 형성시키는 단계;
    4) 5wt% 염산(Hydrochloric Acid solution, HCl(aq))을 추가하고 1시간 동안 혼합하는 단계;및
    5) 마이크로웨이브(Microwave)에 노출되는 단계;를 포함하는 하이드로젤(Hydrogel) 단열소재를 제조하는 방법.
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