KR102670323B1 - 발수성 유리섬유 단열파이프 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리섬유의 결속을 저해하지 않으면서 발수성과 단열성을 향상시킨 발수성이 우수한 유리섬유 단열파이프의 제조방법 및 유리섬유 단열파이프의 제공에 관한 것이며 유리 장섬유를 니들퍼칭으로 결속하여 매트화하는 공정과, 니들펀칭된 유리장섬유 매트의 내부로 소수성 실리카 에어로겔 및 실란계 카플링제로 조성되는 카플링 분산액(1)이 침투되게 가압 분사하고 건조하는 공정과, 상기 카플링 분산액을 포함하는 유리장섬유 매트를 규산소다, 발수성 실란화합물 및 계면활성제를 함유하는 수성 발수용액(2)으로 함침시킨 후, 가압으로 함침량을 조절하고 건조하여 권취하는 공정 및 발수용액을 함유하는 상기 유리장섬유 매트를 파이프 형상으로 성형하여 발수성 유리섬유 단열파이프를 제조하는 공정으로 이루어진다.
본 발명의 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법은 유리장섬유 매트를 카플링제와 발수제를 순차적으로 함유시키는 처리공정에 의해 실란계 카플링제와 발수성 실란화합물의 상호작용으로 유리장섬유 매트 내부에 발수성 실란화합물이 보다 안정적으로 정착되는 효과가 있으며, 또 소수성 실리카 에어로겔에 의한 단열성의 향상과 동시에 규산나트륨의 작용으로 유리장섬유 매트로부터 소수성 실리카 에어로겔의 이탈을 방지하는 효과를 나타낸다.

Description

발수성 유리섬유 단열파이프 및 그 제조방법{Water-repellent glass fiber insulation pipe and its manufacturing method}
본 발명은 발수성 유리섬유 단열파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로 구체적으로는 정유공장의 배관설비, 열매체 등의 유체를 이송하는 난방시설의 배관 등에 적용되는 발수성이 우수한 유리섬유 단열파이프 및 그 제조방에 관한 것이다.
유리섬유는 섬유상 구조로 인하여 내부 기공이 풍부하여 보온 단열성이 뛰어나며 또 무기 세라믹 물질이므로 내열성도 우수하여 건축분야, 배관설비 등 다양한 산업분야에서 보온단열재로 널리 사용하고 있다.
그러나 유리섬유는 그 고유의 특성상 흡수력이 강해 수분침투에 의해 단열재의 강도가 약해지며 또 내부에 침투한 수분에 의해 열전도도가 증가하므로 보온단열성의 저하로 에너지 손실을 가져오게 되는 등 문제점이 있어 정유회사나 일반산업 플랜트현장에서와 같이 눈, 비에 노출되거나 또는 누수가 발생되는 이송관에 적용되는 유리섬유 단열재는 발수성이 요구되고 있으며 이에 대한 연구개발이 이루어지고 있다.
발수성을 부여한 유리섬유 단열재 내지 단열파이프와 관련한 선행기술로 예를들면, 특허문헌 1에 가열수단을 갖는 교반기에 물을 공급하여 70~100℃의 온도하에서 벤토나이트 분말을 투입용해시켜서 벤토나이트용액을 얻도록 하는 단계와;벤토나이트 용액에 난연제를 투입교반하여 가교반물을 얻도록 하는 단계;가교반물에 접착제와 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스 및 실란커플링제를 차례로 투입교반하여 바인더를 얻도록하는 단계를 포함하는 유리섬유 단열파이프 성형용 바인더의 제조방법이 개시되어 있으며, 특허문헌 2에 평균직경이 7 ~ 40㎚크기의 나노미립자인 소수성 흄드실리카 0.05~15중량%를 비극성 유기용매 85 ~ 99.95중량%에 분산시켜서 발수용액을 얻도록 하는 발수용액 제조단계와; 상기 발수용액 제조단계에서 얻은 발수용액을 유리장섬유매트에 함침하는 유리장섬유매트 함침단계와; 상기 유리장섬유매트 함침단계에서 얻은 발수용액이 함침된 유리장섬유매트를 건조하여 발수용액 중의 소수성 흄드실리카가 유리장섬유에 고착되게 하는 유리장섬유매트 건조단계 및; 상기 유리장섬유 건조단계에서 건조된 유리장섬유매트와 바인더를 이용하여 평판형이나 곡면형 및 파이프형 등 원하는 형상의 유리장섬유 보온단열재를 성형하는 유리장섬유 보온단열재 성형단계로 구성함을 특징으로 하는 유리장섬유 보온단열재의 제조방법이 개시되어 있다.
또 특허문헌 3에는 물과 유기계 발수제 및 용해가능한 발열조제 알카리 금속화합물과 세라믹분말을 선택적으로 사용하되, 상기 세라믹분말로서는 제올라이트와 벤토나이트, 점토, 산성백토, 맥반석, 카올린, 운모, 질석 및 스멕타이트 중 1종이상을 혼합하여 용해시 발열조제의 발열에 의해 건조가 이루어지도록 하는 섬유상 보온단열재의 발수성 부여를 위한 발수용액의 제조방법에 있어서, 상기 발열조제는 발수용액에 양 이온상태로 존재하여 마이크로파에 의한 발열로 수분건조를 위한 건조온도의 상승 및 발수제의 중합반응이 이루어지도록 하는 섬유상 보온단열재의 발수성 부여를 위한 발수용액의 제조방법이 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 (10-094105)호 대한민국 등록특허공보 등록번호 (10-1400354)호 대한민국 등록특허공보 등록번호 (10-1516276)호
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 유리섬유를 이용하여 발수성 유리섬유 단열파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 유리섬유의 결속을 저해하지 않으면서 발수성과 단열성을 향상시킨 발수성이 우수한 유리섬유 단열파이프의 제조방법을 제공하기 위한 것으로 특히, 눈, 비 등 외부환경에 노출되는 정유공장의 배관설비 및 열매체 등의 유체를 이송하는 난방시설의 배관 등의 단열에 적용되는 발수성이 우수한 유리섬유 단열파이프의 제공을 목적으로 하고 있다.
본 발명에서의 과제의 해결수단으로 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법은 유리 장섬유를 니들퍼칭으로 결속하여 매트화하는 공정과, 니들펀칭된 유리장섬유 매트의 내부로 소수성 실리카 에어로겔 및 실란계 카플링제로 조성되는 카플링 분산액(1)이 침투되게 가압 분사하고 건조하는 공정과, 상기 카플링 분산액을 포함하는 유리장섬유 매트를 규산소다, 발수성 실란화합물 및 계면활성제를 함유하는 수성 발수용액(2)으로 함침시킨 후, 가압 탈수하여 함침량을 조절하고 건조하여 권취하는 공정 및 발수용액을 함유하는 상기 유리장섬유 매트를 파이프 형상으로 성형하여 발수성 유리섬유 단열파이프를 제조하는 공정으로 이루어지며, 본 발명의 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법에 따른 일 실시형태는 a). 유리 장섬유를 니들퍼칭으로 결속하고, 매트화하여 유리장섬유 매트를 준비하는 제 1 공정, b). 제 1공정의 니를펀칭된 유리장섬유 매트 내부로 소수성 실리카 에어로겔 0.5 ~ 2중량부 및 실란계 카플링제 1 ~ 5중량부를 유기용매 100중량부에 분산시킨 카플링 분산액(1)을 침투되게 가압 분사하고 건조하는 제 2 공정, c). 제 2공정의 유리장섬유 매트를 규산소다 0.5 ~ 2중량%, 발수성 실란화합물 2 ~ 3중량%, 계면활성제 2 ~ 3중량% 및 물을 함유하는 수성 발수용액(2)으로 함침시킨 후, 가압 탈수에 의해 함침량을 조절하고, 건조하여 권취하는 제 3 공정 및 d). 제 3 공정의 권취된 유리장섬유 매트를 성형하여 파이프를 제조하는 제 4 공정으로 이루어진다.
본 발명의 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법은 유리장섬유 매트 내부로 카플링 분산액(1) 및 수성 발수액(2)을 순차적으로 함유시켜 장섬유 유리매트 내부에 발수성 실란화합물을 효과적으로 정착시키는 것으로 이루어진다.
또 소수성 실리카 에어로겔을 침투시켜 단열성을 향상시킴과 동시에 수성 발수용액에 함유된 규산나트륨(물유리)의 작용으로 유리장섬유 매트로부터 소수성 실리카 에어로겔의 이탈을 방지하는 것으로 이루어진다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 발수성 유리섬유 단열파이프는 발수성이 향상되고 또 단열성이 향상되어 정유회사나 일반산업 플랜트현장에서와 같이 눈, 비 등의 외부환경에 노출되거나 또는 누수가 발생되는 이송관의 단열을 위한 유리섬유 단열파이프로 적합하다.
본 발명의 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법은 유리장섬유 매트를 카플링제와 발수제를 순차적으로 함유시키는 처리공정에 의해 실란계 카플링제와 발수성 실란화합물의 상호작용으로 유리장섬유 매트 내부에 발수성 실란화합물이 보다 안정적으로 정착되는 효과가 있으며, 또 소수성 실리카 에어로겔에 의한 단열성의 향상과 동시에 규산나트륨의 작용으로 유리장섬유 매트로부터 소수성 실리카 에어로겔의 이탈을 방지하는 효과를 나타낸다.
이하에서는 본 발명을 실시하기 위한 구체적 내용에 의해 본 발명에 따른 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법 및 발수성 유리섬유 단열파이프에 대하여 보다 구체적으로 설명하지만 아래 기재 내용 및 실시예의 기재에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법은 a). 유리장섬유를 니들퍼칭으로 결속하고 매트화한 유리장섬유 매트를 준비하는 제 1 공정, b). 제 1공정의 니를펀칭된 유리장섬유 매트의 내부로 소수성 실리카 에어로겔 0.5 ~ 2중량부 및 실리콘 카플링제 1 ~ 5중량부를 유기용매 100중량부에 분산시킨 카플링 분산액(1)을 침투되게 가압 분사하고 건조하는 제 2 공정, c). 제 2 공정의 유리장섬유 매트를 규산소다 0.5 ~ 2중량%, 발수성 실란화합물 2 ~ 3중량%, 계면활성제 2 ~ 3중량% 및 물을 함유하는 수성 발수용액(2)으로 함침시킨 후, 가압 탈수에 의해 함침량을 조절하고 건조하여 권취하는 제 3 공정 및 d). 제 3 공정의 권취된 유리장섬유 매트를 성형하여 파이프를 제조하는 제 4 공정으로 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 제 1공정은 유리장섬유를 니들펀칭으로 결속하여 단열재 소재인 유리장섬유 매트을 준비하는 공정이며, 유리장섬유는 E-글래스 파이버가 바람직하고 니들펀칭에 의해 섬유간 결속력이 강화된 유리장섬유 니들매트를 얻어지며, 니들매트의 두께 및 밀도는 적용되는 단열파이프에 따라 적의 선택할 수 있으며 대략 두께 30 ~ 50㎜와 밀도 120 ~ 160kg/㎥의 유리장섬유 니들매트가 바람직하다.
상기 유리장섬유의 니들펀칭은 니들펀칭기를 이용하여 1차적으로 유리장섬유의 상부에서 하부로 니들펀칭하고, 2차는 하부에서 상부로 니들펀칭하여 유리장섬유 매트의 상, 하면이 니들펀칭에 의해 충분히 결속되게 한다.
상기 니들펀칭된 유리장섬유 매트는 유리섬유의 밀도가 높아 얇은 두께에도 충분한 단열성을 지니게 되며, 약 750℃까지의 고온에도 견딜 수가 있어 정유공장의 배관, 열매체 등의 유체를 이송하는 배관에 단열 시공에 적합하다.
본 발명에 따른 상기 제 2 공정은 상기 제 1 공정에서 제조된 유리장섬유 니들매트의 내부로 내열 내재 단열소재와 실란 카프링제로 조성되는 카플링 분산액을 가압 분사하여 도입하여 발수를 위한 전처리 공정으로 이루어진다.
상기 제 2 공정의 카플링 분산액(1)은 소수성 실리카 에어로겔 0.5 ~ 2중량부 및 실리콘 카플링제 1 ~ 5중량부를 유기용매 100중량부에 분산시킨 분산액으로 이루어지고, 유리장섬유 니들매트의 내부로 침투되도록 유리장섬유 니들매트의 상, 하부 방향에서 분무기 등을 이용하여 가압 분사하는 것으로 이루어지며, 상기 유기용매는 메탄올, 에탄올 등의 알코올 또는 케톤이 사용되며 에탄올이 용제로 바람직하다.
상기 소수성 실리카 에어로겔은 상기 유리장섬유 니들매트로 침투되어 단열성을 향상시키는 작용을 하며, 입자크기 15 ~ 50㎛, 기공크기 20 ~ 50㎛의 수불용성으로 단열재, 차음재, 코팅재로 널리 사용되고 있는 공지물질로 시판되고 있다.
상기 실란계 카플링제는 유리섬유에 소수성 실리카 에어로겔의 부착력을 향상시켜 주는 역할을 하며 3-글리시독시프로필트리에톡시실란 또는 N-2(아미노에틸) 3-아미노프로필트리메톡시실란을 단독 또는 혼합 사용하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 제 3 공정은 상기 제 2공정에서 카플링 분산액으로 전처리된 유리장섬유 니들매트에 수성 발수액(2)을 함침시켜 유리장섬유 니들매트의 발수성을 향상시키기 위한 공정이며, 수성 발수액(2)이 함침된 유리장섬유 니들매트는 가압로울러 등의 가압수단으로 가압하면서 탈수하여 함침량을 조절한 다음, 건조과정을 거쳐 귄취된다.
상기 함침량의 조절은 규성소다의 접착성과 발수성 및 건조시간 등에 양향을 미치므로 수성 발수액(2)의 함침량을 적의 조절하는 것이 필요하며 상기 수성 발수액(2)는 물을 포함하는 수성 에멀젼 용액으로 이루어지며, 물을 포함하여 수성 발수액(2) 총 중량에 대하여 규산소다 0.5 ~ 2중량%, 발수성 실란화합물 2 ~ 3중량% 및 계면활성제 2 ~ 3중량%로 조성된다.
상기 규산소다(물유리)는 수용성으로 접착성을 나타내므로 상기 소수성 실리카 에어로겔을 유리섬유에 접착시켜 유리섬유로부터 소수성 실리카 에어로겔의 이탈을 방지하는 작용을 나타낸다.
상기 발수성 실란화합물은 상기 실란계 카플링제와 상호작용으로 유리섬유의 표면에 발수피막을 효과적으로 형성하여 단열파이프가 습기 등에 의해 단열 내지 강도 등의 물성저하를 방지하는 것으로 이루어지며, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 3-아크릴록시프로필트리메톡시실란, 3-아크릴록시프로필트리에톡시실란, 3-아크릴록시프로필메틸디메톡시실란, 3-아크릴록시프로필메틸디에톡시실란, 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴록시프로필트리에톡시실란, 3-메타크릴록시프로필메틸디메톡시실란 및 3-메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 성분이 선택된다.
상기 계면활성제는 유리장섬유 니들매트 내부로 수성 발수액(2)의 침투작용을 향상시키며, 음이온성 에멀젼화제, 비이온성 에멀젼화제 및 양이온성 에멀젼화제 등 제한이 없으나 비이온성 에멀젼화제가 바람직하며, 비이온 에멀젼화제로 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 폴리옥시에틸렌알킬아릴에테르, 소르비탄지방산에스테르로부터 선택되는 하나 이상의 성분이 선택된다.
본 발명에 따른 상기 제 4 공정은 제 3 공정의 발수처리된 유리장섬유 매트를 성형장치에 의해 파이프형상으로서 성형하여 최종적으로 발수성 유리섬유 단열파이프를 제조하는 공정로 이루어진다.
상기 파이프형상으로서 성형하는 과정은 상기 제 3공정의 권취된 유리장섬유 매트를 공급하면서 유리장섬유 매트 표면으로 실리카졸로 조성되는 바인더를 도포하고 원통형의 성형로울러에 가압하면서 권취하여 파이프형상으로 성형한다
상기 성형로울러에 의해 파이프형상으로 성형된 단열파이프를 절단하여 이탈시킨 다음, 단열파이프를 건조실에서 200 ~ 250℃에서 30분 정도 건조하여 최종적으로 발수성 유라섬유 단열파이프를 제조하는 것으로 이루어진다.
아래에서는 <실시예> 및 <시험예>를 통하여 본 발명의 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법 및 발수성 유리섬유 단열파이프에 대하여 설명하기로 한다.
<실시예>
a). 유리장섬유 매트준비(제 1 공정)
준비한 유리장섬유를 니들펀칭기로 상,하 방향에서 니들펀칭하여 두께 30㎜, 밀도 150kg/㎥의 유리장섬유 니들매트를 공급로울러(A)에 권취하여 유리장섬유 매트를 준비한다.
b). 카플링 분산액(1) 분사 및 수성 발수액(2)의 함침 (제 2 공정 및 제 3공정)
상기에서 준비한 공급로울러(A)에 권취된 유리장섬유 매트를 공급로울러로부터 연속적으로 공급하면서 상부표면으로 에탄올 100중량부에 소수성 실리카 에어로겔 0.5중량부 실리콘 카플링제 2중량부로 조성된 카플링 분산액(1)을 가압분사기를 이용하여 균일하게 분사하고 계속해서 30℃로 유지되는 건조기에 5분정도 체류시키면서 통과시켜 건조시킨다.
상기 건조기를 통과하면서 건조된 유리장섬유 매트를 규산소다 0.5중량%, 발수성 실란화합물 2중량% 및 계면활성제 3중량%와 나머지는 물로 조성된 수성 발수액(2)이 저장된 함침조로 통과시키고 이어서 상,하로 배치된 가압로울러 사이를 통과시키면서 가압하여 탈수하고, 130℃로 유지되는 건조기에 3시간정도 체류하면서 건조시킨 다음 건조기를 통과하는 유리장섬유 매트를 권취로울러(B)에 권취시킨다.
c). 발수성 유리섬유 단열파이프 제조(제 4 공정)
상기에 발수처리된 유리장섬유 매트의 권취로울러(B)로부터 유리장섬유 매트를 고급하면서 유리장섬유 매트의 상부로 바이더인 실리카 졸을 도포하고 원통상의 성형로울러(C)에 귄추하면서 가압하여 파이프형상으로 성형한 후 절단하여 성형된 유리장섬유 단열파이프를 성형로울러(C)로부터 이탈시킨다.
상기 성형로울러(C)로부터 이탈된 유리장섬유 단열파이프를 건조실로 이송하여 250℃에서 30분간 건조시켜 최종적으로 두께 30㎜, 밀도 160kg/㎥의 발수성 유리섬유 단열파이프를 제조하였다.
<비교예>
소수성 실리카 에어로겔 및 실리콘 카플링제로 조성된 카플링 분산액과 발수성 실란화합물(1)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 유리섬유 단열파이프를 제조하였다.
<시험예>
상기 <실시예>와 같이 제조한 발수성 유리섬유 단열파이프와 <비교예>와 같이 제조한 유리섬유 단열파이프에 대하여 발수도를 비교하였다. 발수도 검정은 제품 상용시 무기 분체 자체의 수분에 대한 젖음성을 알아보고 그 개선을 위해 사용하였다. 발수도의 측정방법은 접촉각을 이용하였으며, 접촉각을 측정하는 방법은 다음과 같다.
<접촉각 측정법>
접촉각은 고체표면의 젖음성(wettability)을 나타내는 척도로서, 대부분 고착된 물방울에 의해 측정된다. 낮은 접촉각은 높은 젖음성(친수성, hydrophilic)과 높은 표면 에너지를 나타내고, 높은 접촉각은 낮은 젖음성(소수성, hydrophobic)과 낮은 표면 에너지를 나타낸다. 평평한 고체표면에 접촉한 액체의 접촉각은 액체-고체-기체 접합점에서 물방울 곡선의 끝점과 고체 표면의 접촉점에서 측정된다.
먼저 접촉각을 측정하기 위해 고체 표면은 평평해야 한다. 그 후 물방울을 고체 표면에 떨어뜨리게 된다. 슬라이드 글라스에 전단 접착력이 우수한 양면 접착 필름을 고정하고, 각각의 표면 개질된 시료들을 평평한 플레이트 상태로 성형을 하여 측정하였다. 상기 발수도 측정결과는 하기 <표 1>에 나타내었다
발수도 측정결과
구분 접촉각(°) 비고
측정구분 처리전/ 처리후
실시예 0/ 138 우수
비교예 0/ 118
상기 <표 1>에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예의 방법으로 제조한 유리섬유 단열파이프의 높은 접촉각을 나타내고 있어 발성이 비교예에 비하여 상당히 증대되었음을 확인할 수 있다.

Claims (5)

  1. a). 유리장섬유를 니들퍼칭으로 결속하고 매트화한 유리장섬유 매트를 준비하는 제 1 공정;
    b). 제 1공정의 니를펀칭된 유리장섬유 매트의 내부로 알코올 또는 케톤으로부터 선택되는 유기용매 100중량부에 대하여 소수성 실리카 에어로겔 0.5 ~ 2중량부 및 3-글리시독시프로필트리에톡시실란 또는 N-2(아미노에틸) 3-아미노프로필트리메톡시실란을 단독 또는 혼합 사용한 실란계 카플링제 1 ~ 5중량부로 조성되는 카플링 분산액(1)이 침투되도록 가압 분사하고 건조하는 제 2 공정;
    c). 제 2 공정의 유리장섬유 매트를 규산소다 0.5 ~ 2중량%, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 3-아크릴록시프로필 트리메톡시실란, 3-아크릴록시프로필트리에톡시실란, 3-아크릴록시프로필 메틸디메톡시실란, 3-아크릴록시프로필메틸디에톡시실란, 3-메타크릴록시 프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴록시프로필트리에톡시실란, 3-메타크릴 록시프로필메틸디메톡시실란 및 3-메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 성분 중 선택된 발수성 실란화합물 2 ~ 3중량% 및 계면활성제 2 ~ 3중량%와 나머지는 물로 조성되는 수성 발수용액(2)으로 함침시킨 후, 가압 탈수에 의해 함침량을 조절하고, 건조하여 권취하는 제 3 공정; 및
    d). 제 3 공정의 발수용액을 함유하는 권취된 유리장섬유 매트를 파이프 형상으로 성형하여 파이프를 제조하는 제 4 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발수성 유리섬유 단열파이프의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1의 제조방법으로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 발수성 유리섬유 단열파이프.
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