KR19980702773A - 섬유 강화된 에어로겔 판 및/또는 에어로겔 매트를 하나 이상포함하는 투명 부재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사이에 공간이 있는 투명 물질의 평행 판을 둘 이상 포함하는 투명 부재에 관한 것이다. 이 공간은 섬유 강화된 에어로겔 판 및/또는 에어로겔 매트를 하나 이상 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 부재의 용도에 관한 것이다.

Description

섬유 강화된 에어로겔 판 및/또는 에어로겔 매트를 하나 이상 포함하는 투명 부재
본 발명은 투명 부재(transparent component), 특히 섬유 강화된 에어로겔 시트(aerogel sheet) 및/또는 에어로겔 매트(mat)를 하나 이상 포함하는, 밀봉된 글레이징 단위(sealed glazing unit) 및 이의 용도에 관한 것이다.
밀봉된 글레이징 단위는 이제까지 전형적으로는 서로 평행하게 10 내지 30㎜ 이격되어 배열된 창유리(pane of glass) 2 또는 3개로 이루어졌으며, 공기에 불침투성인 물질과 가장자리(edge)에서 서로 견고하게 연결되어 있다. 창유리들 사이에는, 통상적으로 표준 압력 또는 약간 감압에서 낮은 열 전도율의 공기 또는 다른 불활성 기체가 존재한다. 이들 단열 창의 절연 효과는 포획된 기체(entrapped gas)의 단열 작용을 기본으로 한다.
밀봉된 창유리 단위의 단열 작용을 증가시키는 에어로겔을 사용한 많은 방법이 제안되어 왔다.
넓은 의미, 즉, 분산 매질로서 공기가 있는 겔의 의미에서의 에어로겔은, 적합한 겔을 건조시킴으로써 제조된다. 이러한 의미에서의 용어 에어로겔은 더 좁은 의미에서의 에어로겔인 크세로겔(xerogel) 및 크리오겔(cryogel)을 포함하고, 건조된 겔은, 겔 액체가 임계 온도 초과에서 큰 범위로 제거되고 임계 압력 초과에서 출발하는 경우, 더 좁은 의미에서의 에어로겔을 의미한다. 반대로, 겔 액체가 예를 들면, 액체-증기 경계 상의 형성으로 부임계적으로 제거되는 경우, 수득한 겔은 또한 자주 크세로겔을 의미한다.
본원에서, 용어 에어로겔은 더 넓은 의미, 즉 분산 매질로서의 공기가 있는 겔이라는 의미에서의 에어로겔을 뜻한다. 이들의 매우 낮은 밀도, 높은 다공도 및 낮은 기공 직경 때문에, 에어로겔, 특히 다공도가 60% 초과이고 밀도가 0.4g/㎤ 미만인 에어로겔은 열 전도율이 극도로 낮고 따라서 단열 물질, 예를 들면, 독일 특허원 제0 171 722호에 기재된 바와 같은 단열 물질로서 사용될 수 있다.
그러나, 높은 다공도는 또한 에어로겔이 건조되어 생성된 겔 및 건조된 에어로겔 자체의 기계적 안정도를 저하시킨다.
단열 작용을 증진시키기 위하여, 예를 들면, 에어로겔 1체를 위치시켜 창유리들 사이에 위치시켜 에어로겔의 낮은 열 전도율에 의한 절연 작용을 향상(CA-C 제1 288 313호, 유럽 특허원 제018 955호)시키고/시키거나, 이러한 창유리의 소음성(消音 性; sound dampening)을 증진(독일 특허원 제41 06 192호)시키는 방법들이 제안되어 왔다. 에어로겔 1체는 본원에서 예를 들면, 독일 특허원 제41 06 192호에 기술된 바와 같이, 유리의 시트와 어느 정도 견고하게 연결되어야 한다.
이러한 유형의 방법이 사실상 무색투명한 단위를 제공함에도 불구하고, 한편으로는 상응하게 큰 에어로겔 1체의 제조 비용이 에어로겔의 낮은 기계적 안정도 때문에 너무 높고, 다른 한편으로는 단위 제조 동안의 처리가 너무 복잡하여 이러한 글레이즈 단위를 더 널리 응용할 수 없다.
그 대신에, 중간 공간을 에어로겔 분말로 충전시키는 방법이 제안되는데, 이는 제조하고 취급하기가 더 용이하다. 그러나, 이 단위는 더 이상 충분히 무색투명이 아니라, 반투명이고 오팔 유리(opal glass) 또는 패턴화된 유리의 창유리와 유사하다. 이는 빛의 직접 입사에 의한 증영(shadow cast)을 피해야만 하는 많은 응용, 예를 들면, 공장, 저장소, 전시회 홀 또는 박물관의 창이 있으므로, 중요한 제한은 아니다. 팬라이트(fanlight)는 추가적인 응용 분야가 될 수 있다.
그러나, 이러한 유형의 창은 많은 단점을 갖고 있다. 예를 들면, 시간의 경과에 따른 분말의 압축은 창의 충전 수준에서 바람직하지 않은 변화를 초래한다. 압축은, 예를 들면, 특히 배기 동안에 연속적인 작은 진동 또는 에어로겔 분말의 파괴의 결과이다.
분말 물질에서, 개별적인 분말 사이에서 및/또는 창유리와 개개의 분말 사이에서의 힘은 매우 작은 접촉 면적만을 가로질러 이동된다. 이는 상대적으로 높은 압축 응력 및/또는 전단 응력을 유발하고, 이는 에어로겔 입자의 파괴를 초래한다(참조: 독일 특허원 제35 33 808호).
따라서 독일 특허원 제35 33 805호에는 창유리 사이의 두 필름 사이에 에어로겔 분말을 위치시키고 필름 사이의 공간을 배기할 것이 제안되어 있다. 필름의 가요성은 필름과 분말 표면 사이의 표면적을 증가시켜, 장기간의 안정도를 증진시킬 수 있다.
그러나, 이러한 방법은 단위의 구조가 매우 복잡해지므로, 상대적으로 높은 비용을 수반한다. 게다가, 추가의 필름층은 투명도를 추가로 감소시킨다.
미국 특허 제5,027,574호에는 기밀 방법으로 서로 연결되어 있고 기밀 방법으로 밀봉된 공간을 에워싼 2개의 창유리로 구성된 단열용 구조물이 기술되어 있다. 이 공간은 약 100 - 200torr 내지 약 10-3- 10-4torr의 압력에서, 압력이 너무 낮아서 환류에 의한 열의 투과가 매우 억제된, 공기보다 현저하게 낮은 열 전도율을 갖는 기체로 충전되어 있다. 본원에서 기체의 압력은 현저하게 낮지만, 전도로 의한 것이 아닌 대류에 의한 열의 이동이 상당히 감소할 뿐이다. 하나의 양태에서, 공간은 또한 에어로겔 물질로 충전되어 있을 수 있다. 이러한 양태에서조차도, 1체 또는 분말성 에어로겔 물질이 사용되는지의 여부에 따라, 위에서 기술한 문제에 직면하게 된다.
유럽 특허원 제0 468 124호에는 입자 직경이 전형적으로는 0.5 내지 7㎜인 에어로겔 분말로 충전된 투명 패널(panel)을 제조하는 방법이 기술되어 있다. 창유리 사이의 중간 공간의 충전 동안에 분말의 고밀도를 달성하기 위하여, 전체 배열은 전형적으로 30 내지 100㎐의 진동수에서 진동시킨다. 에어로겔에 여전히 존재하는 물의 축합을 억제하기 위하여, 충전된 글레이즈된 단위는 또한 400mbar 미만, 바람직하게는 20mbar 미만의 감압하에 50 내지 70℃의 온도에서 20분 내지 2시간 동안 또한 가열되어, 잔여 기체의 물 함량, 및 그에 따른 후속 단계에서 창유리에서의 축합의 가능성은 상응하게 감소된다. 감압의 결과, 창유리는 분말을 압축하고 이들을 부동성이 되게 하므로, 본원에 따라, 충전의 침강이 방지된다.
감압하에서의 진동 및 가열에 대한 필요 때문에, 사용된 방법은 비교적 복잡하다. 시간이 경과함에 따라, 분말이 여전히 진동에 의해 분해되고 그 결과 충전물이 침강될 수 있는지의 여부 또한 불명확하다.
따라서, 본 발명의 목적은 제조하기 용이하고 이의 충전이 장기간 안정한, 단열성이 큰 투명 부재(transparent component)를 제공하는 것이다. 또다른 목적은 방음을 위한 상응하는 부재를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 섬유 강화된 에어로겔 시트 및/또는 에어로겔 매트 하나 이상을 포함하는, 공간을 둘러싼 투명 물질의 평행한 창유리를 둘 이상 갖는 투명 부재에 의하여 달성된다.
창유리들 사이의 공간은 바람직하게는 기밀 밀봉을 갖는 창유리의 가장자리를 따라 밀봉되어 있다. 본원에서 기밀 밀봉은 창유리의 물리적 접착 및/또는 고정에 대해 동시에 사용될 수 있다. 둘 이상의 평행 창유리 사이의 거리는 바람직하게는 0.1 내지 5㎝, 특히 바람직하게는 0.1 내지 2㎝의 범위이다. 섬유 강화된 에어로겔은, 습식 또는 건식 조건에서, 순수한 에어로겔, 특히 에어료겔 1체보다 기계적으로 현저하게 더욱 안정하기 때문에, 취급하기 더욱 용이하다.
한편으로는 창유리와 에어로겔 사이의 부하가 큰 표면 때문에, 다른 한편으로는 접촉점의 결핍 때문에, 힘은 특히 배기 동안에도 고르게 분배되어, 어떠한 에어료겔의 분해도 발생하지 않는다. 발생하는 힘은 게다가 에어로겔이 매우 안정하다는 관점에서는, 사실상 순수한 압축력인 반면, 분말에서는 전단력에 매우 민감한 에어로겔에서 개별적인 분말의 분해를 쉽게 초래하는 전단력의 발생을 피하는 것이 불가능하다. 나아가, 이러한 제조방법은 필름의 사용과 같은, 어떠한 추가적인 단계도 필요로 하지 않는다.
에어로겔 시트 또는 매트가 침강하는 것은 더욱 가능하지 않고, 그러므로 전체적인 결과는 장기간 안정한 충전이다. 또한, 에어로겔의 용적 비율은 명백하게 분말의 충전에서보다 높을 수 있어서, 동일한 두께 및 동일한 감압에서 증가된 단열 작용을 제공한다.
적합한 창유리는 창유리 또는 안전 창유리 또는 플라스틱, 예를 들면, PVC, 폴릴메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리올레핀 또는 폴리아미드의 무색투명한 폴리스티렌 및 이들의 공중합체의 투명 또는 약간 불투명한 창유리이다. 이들 창유리의 두께에 대한 제한은 없다. 일반적으로, 창유리는, 예를 들면, 유리 블록에서와 같이, 큰 기계적 부하를 허용하기 위하여, 매우 두꺼울 수도 있다. 그러나, 창유리의 두께는 바람직하게는 0.5㎜ 내지 3㎝의 범위이다.
창유리는 또한 공간으로부터 이격된 면에서 페턴화될 수 있다. 특히, 외부 시트는 수평으로 이어진 비늘무늬로 굽어진 톱니 패턴을 갖고 있어서, 일광의 투과는 태양의 고도가 높을 때(특히 여름에)보다 고도가 낮을때(특히 겨울에) 명백하게 낮다. 창유리를 이들의 재료, 이들의 두께 및/또는 이들의 패턴화를 다르게 하는 것은 본원에서 가능하다. 또한, 하나 이상의 창유리는 예를 들면, 개선된 단열 또는 착색에 대하여 금속 및/또는 다른 물질로 도포할 수 있다. 당해 분야의 숙련가에게 공지된 통상적인 장치를 사용함으로써, 창유리는 한편으로는 기계적으로 견고하게 접착되고 주어진 거리에서 고정되며, 다른 한편으로는, 중간 공간이 동일한 수단에 의한 밀봉된 기밀이 될 수 있다.
신규한 부재에 대하여, 창유리가 도처에 서로 거의 일정한 거리에 있다는 것 만이 필요할 뿐이어서, 평평한 구조 뿐만 아니라, 아치형의 구조, 예를 들면, 돔형 또는 원통형도 가능하다.
창유리들 사이의 충전물은, 에어로겔 매트릭스가 예를 들면 DE-C 제38 44 003호, WO 제93/06044호 또는 제P 44 30 642.3호에 기재된 바와 같이, 밀도가 0.6g/㎤ 미만이고, 다공도가 60% 초과인, 섬유 강화된 에어로겔 매트 및/또는 에어로겔 시트를 포함한다. 밀도가 0.5g/㎤ 미만이고, 다공도가 80% 초과인 것이 바람직하다.
본원에서의 매트릭스는 유기 또는 무기 에어로겔 및/또는 유기 및 무기 물질을 기본으로 한 에어로겔로부터 형성될 수 있다. 그러나, SiO2함유 에어로겔, 특히 SiO2에어로겔이 바람직하다.
사용된 에어로겔은 표준 압력에서 바람직하게는 30mW/mK 미만, 특히 바람직하게는 20mW/mK 미만의 열 전도율을 갖는다. 예를 들면, P 44 30 642.3 및 P 44 30 669.5에 기재된 바와 같이, 소수성 에어로겔 및/또는 크세로겔을 사용하는 것도 바람직하다.
우선 소수성 에어로겔은 통상적인 에어로겔보다 물을 현저하게 덜 함유하고, 둘째로 에어로겔 매트 또는 에어로겔 시트는 분말에 의하여 생성되고 일정한 수분이 있는 공기를 함유할 수 있는 기공을 갖지 않는다.
이러한 수단에 의하여, 축합의 발생률이 현저히 감소된다. 필요하다면, 발생하는 어떠한 수분도 중간 공간 또는 물리적 접착에서 통상적인 건조제를 사용함으로써 흡수될 수 있다.
섬유 강화된 에어로겔에서 섬유의 용적비는 0.5 내지 30%, 바람직하게는 0.5 내지 15%이어야 한다. 섬유 비율이 더욱 높아지면 기계적 강도가 증가하지만, 이는 역시 열 전도율을 증가시키고 투명도를 저하시킨다.
섬유는 에어로겔에 부직포 또는 매트의 형태로 또는 표면에 불규칙하게 또는 평행하게 배향될 수 있는 개별적인 섬유로서 존재할 수 있으며, 이들의 강도는 바람직하게는 1㎝ 초과이다.
섬유는 바람직하게는 직경이 0.1 내지 30㎛이어야 한다.
에어로겔 시트 또는 에어로겔 매트가 투명 섬유, 예를 들면, 유리 섬유를 함유하고 있는 경우, 배열의 광투과는 높은 상태에 있는 것이 바람직하다.
섬유 강화된 에어로겔 물질은 시트(WO 제93/06044호, 제P 44 30 642.3호) 또는 가요성 매트(제P 44 30 669.5호)의 형태로 사용될 수 있다.
특정 광학 특성 또는 열 특성을 달성하기 위하여, 에어로겔은, 예를 들면, DE-C 제38 44 003호 또는 제P 44 30 642.3호에 기재된 바와 같이, 광색성 물질 및/또는 IR 불투명제를 추가로 함유한다.
다수의 시트 또는 매트가 중간 공간에 사용되는 경우, 더 큰 두께를 수득하기 위해서, 이들은, 필요하다면, 창유리들 사이에 이들을 도입하기 전 또는 도중에 추가로 접착제 또는 접착제 필름을 사용하여 접착 방식으로 결합시킨다.
중간 공간은 추가로 에어로겔 및 전체 부재의 열 전도율을 감소시키기 위하여, 5 내지 750mbar, 바람직하게는 10 내지 200mbar의 압력으로 배기시킬 수 있다. 또한, 배기는 투명한 창유리를 서로 압축시켜 이들이 에어로겔 시트 또는 에어로겔 매트를 클램프하는 것이 가능하다. 이는 접착제 여분으로 접착시킬 수 있다.
배기 동안에, 에어로겔 시트 및/또는 에어로겔 매트의 높은 압축 강도 때문에, 압력의 큰 부분은 에어로겔에 의해 흡수되어 창유리는 이러한 점에서 부하을 덜 받고 따라서 더욱 얇은 창유리가 선택될 수 있다.
또다른 방법으로, 중간 공간은 표준 압력에서 무거운 기체, 예를 들면, 아르곤으로 충전되어, (공기 충전에 비례하여) 중간 공간의 열 전도율이 감소될 수 있다.
특정한 기계적 특성 또는 음향적 특성을 수득하기 위하여, 에어로겔 시트 또는 에어로겔 매트는 또한 접착제 또는 접착제 필름에 의하여, 독일 특허원 제41 06 192호에 기재된 방법과 유사하게, 창유리에 접착될 수 있다.
창유리를 서로 접착시키고 고정시키는 공정은 통상적으로 밀봉된 단위에 사용되고 당해 분야의 숙련가들에게 공지된 방법으로 수행할 수 있다.
제조 공정에서, 에어로겔 시트 또는 에어로겔 매트는 예를 들면, 창유리가 함께 접합되는 단계에서 창유리들 사이에 단순하게 놓여질 수 있다. 경우에 따라, 배기는 당해 분야의 숙련가들에게 공지된 방법으로 수행할 수 있다.
에어로겔 중에 존재하는 섬유 및, 매트가 사용될 경우, 결과적으로 존재하는 열구(fissure)는, 예를 들면, 오팔 유리 또는 패턴화된 유리로부터 제조된 단위와 같이, 단위가 무색투명이 아니라 반투명이다. 따라서, 기술된 단위는 투명한 단열 및/또는 방음, 예를 들면, 공장, 창고, 전시회 홀 또는 박물관 및/또는 지붕의 팬라이트 또는 스카이라이트(skylight)에 적합하다.

Claims (12)

  1. 섬유 강화된 에어로겔 시트 및/또는 에어로겔 매트를 하나 이상 함유하는 공간을 에워싼 투명한 물질의 평행한 창유리(pane)를 둘 이상 갖는 투명 부재(transparent component).
  2. 제1항에 있어서, 창유리들 사이의 공간이 기밀 밀봉으로 창유리의 가장자리를 따라 밀봉되어 있는 투명 부재.
  3. 제2항에 있어서, 기밀 밀봉이 창유리의 물리적 접착 및/또는 고정에 사용되는 투명 부재.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 에어로겔 매트릭스가, 다공도가 60% 초과이고 밀도가 0.6g/㎤ 미만인 투명 부재.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 에어로겔이 SiO2에어로겔인 투명 부재.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 에어로겔이 소수성 표면 그룹을 갖는 투명 부재.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 에어로겔의 열 전도율이 30mW/mK 미만인 투명 부재.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 섬유 강화된 에어로겔 중의 섬유 물질의 용적율이 0.5 내지 30%의 범위인 투명 부재.
  9. 제8항에 있어서, 섬유 물질이 투명한 섬유 물질인 투명 부재.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 섬유 물질이 필수적으로 유리 섬유를 포함하는 투명 부재.
  11. 제1항에 있어서, 하나 이상의 섬유 강화된 에어로겔로 충전된 둘 이상의 창유리들 사이의 공간이 5 내지 750mbar의 압력 범위로 배기되는 투명 부재.
  12. 단열 및/또는 방음을 위한, 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에서 청구한 투명 부재의 용도.
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