KR20030041891A - 잠열저장물질을 함유한 고분자수지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체 상태의 고분자 수지(Polymer)나 액상 고무를 활용하여 잠열저장물질(Phase Change Materials: PCMs)과 혼합하거나 샌드위치 구조의 복합체를 만드는 제조방법에 관한 것으로,

여러가지 다른 융점을 갖는 잠열저장물질과, 열경화 혹은 열가소성수지 또는 라텍스나 합성고무로 구성되어 있으며, 제작방법으로는 잠열저장물질과 고분자 수지 나 고무 등을 잘 혼합하여 제조하거나, 또는 고분자 수지나 고무를 잠열저장물질과 차례로 적층하는 방법으로 제조하는 샌드위치구조의 잠열 저장용 고분자 수지 혹은 고무의 성형체를 제조하는 방법을 제공하며,

본 발명에 따르면 제조공정인 단순하여 제작과정이 쉬워, 제작단가가 저렴해 지고, 액상의 고분자 수지나 고무의 특성상 성형성이 우수하여 다양한 크기 및 형상으로 제작될 수 있으며, 특징적으로는, 박판의 축열판재를 제공하기 때문에, 좁은 공간에 활용이 용이하고, 전열면적의 확대로 인한 열전달을 증진시키는 장점을 지니고 있다.

Description

잠열저장물질을 함유한 고분자수지{Manufacturing Method of High Molecular Weight Polymers Encapsulated with Phase Change Materials}

본 발명은 고분자 수지와 혼합된 상물질을 제조하는 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 축열 용량이 큰 잠열저장물질을 고분자 수지와 혼합하여 축열이 가능한 성형체를 형성하도록 제작하는 것에 관한 것이다.

잠열저장물질(Phase Change Materials: PCMs)을 이용한 냉각장치는 다양한 형태 및 용도로 광범위하게 사용되고 있다. 즉, 잠열재는 40∼50kcal/kg 정도의 고밀도의 축열량을 갖고 있기 때문에 태양열 냉난방 및 심야전력을 이용한 축열시스템에 광범위하게 사용되고 있다.

그러나, 종래에 있어서의 이러한 구조의 대부분은 일정한 형상을 갖는 담체내부에 저장하여 사용함으로서 축열을 하는 구조를 이루고 있다. 즉 담체의 특성에 따라 다양한 형상및 재질의 축열체가 있을 수 있으며, 최근 가장 보편적으로 활용되는 것이 빙축열을 활용하기 위한 담체로 직경이 10㎝ 이상인 구형 또는 사각형등의 구조체 내부에 상물질을 저장하여 잠열저장 물질이 외부로 누출되지 않도록 하는 구조를 가지고 있다. 또한 잠열저장 물질 중에 수산화 화합물과 같은 물질은 부식성이 심하여, 부식에 강한 금속이나 수지계통의 저장용 담체를 활용하여 축열 목적을 달성하고 있다.

또 다른 형상으로는 열저장물질의 상변화를 용이하게 하기위하여 다양한 형태의 열저장 물질이 개발되고 있는데, 그 가운데 한가지가 잠열 미립자 기술이다.이는 내부의 상변화 물질을 물리적 ·화학적인 방법을 활용하여 크기가 10㎛이하의 크기로 캡슐화(Encapsulation)시켜 내부의 잠열 저장물질이 외부로 노출되지 않으면서 상변화를 추구하는 목적으로 개발되었다. 이의 가장 큰 장점으로는 미립자의 크기가 수십 미크론 단위로 표면적의 극대화를 꾀할 수 있다는데 큰 특징이 있다고 할 수 있다. 그러나 이러한 미립자 제조방법은 공정이 매우 복잡하고 많은 노하우를 요구하기 때문에 제조비용 및 판매단가에서 경쟁력이 매우 뒤쳐지는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 첫 번째 목적은 제조공정을 단순화하여 기존의 미립자 캡슐화나 크기가 큰 저장담체를 제조하는 복잡한 공정을 최소화하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 두 번째 목적은 상기한 본 발명의 첫 번째 목적에 따른 제조방법으로 만들어진 성형체를 이용하여 다양한 크기 및 형상의 성형체를 자유자재로 제작할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 상기한 본 발명의 첫 번째 목적에 따른 제조방법으로 만들어진 성형체를 두께가 최소 1㎜ 정도인 박판형 열저장 물질이 함유된 수지를 기본물질로 하는 성형체를 제작할 수 있는 특징을 갖는다.

상기한 본 발명의 첫 번째 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태(樣態)에 따르면, 기존의 다양하고 복잡한 공정대신에 유기용매나 수용액에 용해되는 수지나, 혹은 상용화되어 시판되고 있는 상온 수지용액을 기계적 분사방법에의하여 제조된 미립 잠열 저장물질과 혼합한 후, 유기용매나 수분을 증발시키면 내부에 잠열저장 물질을 포함하는 고분자 수지 성형체를 얻을 수 있게된다.

상기한 본 발명의 두 번째 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태(樣態)에 따르면, 상기 첫 번째 목적에서 얻어진 수지함유 수용액을 사각, 원형, 또는 일정한 형상을 갖는 모울드에 잠열저장 물질이 포함된 수지용액을 부어 응고시키면 필요한 크기 및 형상의 성형체가 얻어질 수 있는 특징을 가지고 있다.

도 1은 잠열저장 수지 용액을 이용한 혼합수지 성형체 제조 순서도.

도 2는 수지용액을 모울드 표면에 도포후 잠열저장물질 파우더를 적층한 다음 다시 고분자수지용액으로 마감하는 성형체 제조 순서도.

도 3 성형체 내부에 잠열저장물질입자의 분포 개념도

도 4 에폭시 수지를 이용한 성형체

도 5 PVC 수지를 이용한 박판 성형체

도 6 라텍스를 이용한 적층형 성형체

도 7 알루미늄 박판을 이용한 보호외피막 성형체

도 8 PCM 적층된 라텍스에 대한 DSC 분석예(a) 축열, (b)방열

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

1: 용매

2: 고분자 수지(또는 고무) 파우더 또는 용액 3: 용매와 고분자 수지 (또는 고무) 혼합용액

4: 잠열저장 물질 5: 잠열저장물질과 고분자수지 혼합액

6: 모울드 7. 잠열저장물질함유한 고분자 수지 성형체

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

[도 1]은 본 발명에 따른 잠열저장물질을 함유한 고분자 수지 성형체를 제조하는 방법중, 제조된 고분자 수지용액과 상물질을 잘 혼합하여 응고시키는 과정을 설명하고 있다. 이에 대한 상세한 제조공정을 부연하면 다음과 같다.

우선 단계1의 고분자 수용액 제조공정은, 미립자 상태의 고분자 수지(2)를 용매(1)와 혼합하게 되면 고분자 물질이 용해되어 수용액 상태의 고분자 수지용액(3)이 제조된다. 그러나 이미 고분자액상으로 제조되어 판매되고 있는 경우에는, 단계1의 공정이 생략되며, 별도의 제조 공정없이 판매처의 제조법에 의거, 1액형인 경우에는 별도의 제조공정 없이 사용될 수 있으며, 2액형인 경우에는 제조사의 제시된 방법에 의하여 공급된 두개의 용액을 혼합하여 고분자 수지용액(3)을 제조하게 된다.

단계 2의 잠열저장 물질 혼합 수지용액 제조단계에서, 단계1에서 제조된 고분자 수지용액(3)과 미립화된 잠열저장물질 파우더(4)를 골고루 혼합하여 잠열저장물질수지혼합액(5)을 제조하게 된다. 결과적으로 잠열저장물질 수지혼합액(5)은 [도 3]과 같은 고분자 수지(3)속에 미립화된 잠열저장물질(4)이 입자형태로 포함된 구조를 나타내는 것을 특징으로 한다.

단계 3의 잠열저장물질수지 혼합형상 제조단계에서는, 단계 2에서 제조된 잠열저장물질수지 혼합액(5)을 제작하고자 하는 크기, 두께, 및 형상의 모울드(6)에 채운다. 이때, 제작된 형상의 표면에 상물질 파우더(4) 존재할 경우에 녹아나오는 현상이 발생하게 되는데, 이를 보호하기 위하여 제작하고자 하는 형상의 외부에 열전도성이 뛰어나며, 손으로 쉽게 형상변형이 가능한 박막의 알루미늄과 같은 재질을 미리 깔고, 외피가 되도록 제작할 수도 있다. 여기서, 외피보호막 재질(미도시)로는 박막형상의 구리와 같은 열전도성이 뛰어난 금속재[도 7], 얇은 비닐[도 4, 5, 6]과 같은 것으로 외피보호막을 형성시킬 수 있다.

단계 4에서는, 상기 단계 3에서 제작된 일정한 형상의 모울드(6)를 건조시키는 단계로, 건조하는 과정에서, 유기용매가 포함된 경우에는 유기용매가 쉽게 증발하도록 오븐에서 건조시킬수도 있고, 상온에서 서서히 건조시키는 방법도 채택할 수 있으며, 이는 유기용매의 종류 및 특성에 따라 달리할 수 있다. 또한 고분자 수지액(2)이 서로 반응에 의하여 경화되는 경우에 상온에서 경화시킬 수 있으며, 또는 반응을 가속화 시키기 위하여 약간의 온도를 가하여 줄 수도 있다. 이 밖에도 액상고무[도 6]와 같은 경우에는 온도보다는 공기중의 수분과 반응을 하기 때문에 습도를 60∼80%까지 맞추어 경화를 시키면 빠르게 건조가 진행된다. 대부분의 고분자 수지용액의 경우 적게는 1시간에서 길게는 24시간의 건조시간을 필요로 한다.

[도 2]에서, 단계 1인 고분자 수용액 제조공정은 상기 [도 1]의 단계 1과 동일한 제조공정에 의하여 제조된다. 단계 2는 모울드 수지 도포단계로, 제작하고자 하는 크기, 두께, 형상의 모울드에 약 0.5mm ∼ 5mm 두께의 고분자 수지액(3)을 모울드(6) 벽면에 도포를 한다. 이때 [도 1]의 단계 3에서와 같이 모울드의 내부에 외피보호막(박막 알루미늄 이나 비닐 류)[도 4, 5, 6, 7 참조]를 입힌 후 고분자 수지액(3)을 도포한다. 단계 3은 미립화 잠열저장물질(4)이나 일정한 두께로 만들어진 잠열저장물질(4)을 모울드(6)에 앞서 도포된 고분자 수지액(3)위에 적층한다. 이때 적층된 두께는 제작하고자 하는 성형체에 따라 달리할 수 있으나, 열 전도성을 고려하여 2㎝ 이하로 하는 것이 바람직함. 단계 4에서는 단계 3의 마감으로, 미립화된 파우더나 얇은 판재 형상의 잠열저장물질(4)을 적층한 후, 용융시 누출되지 않도록 고분자 수지액(3)을 잠열저장물질(4)위에 도포한다. 단계 3과 단계 4에서, 표면의 보호를 위하여 보호피막을 씌어 잠열저장물질 누출을 방지할 수 있도록 할 수도있다. 그러나 보호 외피막을 씌우는 것은 항상 필수적인 사항일 필요는 없다.

단계 5는, 건조단계로서, 이는 [도 1]의 단계 4와 같은 절차에 의하여 진행된다.

[도 2]에 나타난 공정의 특징은 [도 1]에서 제조하는 혼합단계와 달리 고분자 수지(3)가 잠열저장물질(4)이 혼합되어 있지 않으며, 샌드위치 형상인(고분자 수지(3)사이에 위치한 구조)[도 6]로 제조되는 특징을 가지고 있으며, 본 제조공정의 특징은 [도 1]의 과정으로 제조한 것보다 많은 양의 상변화물질(4)을 함유할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 바람직하게 사용될 수 있는 잠열저장물질의 예로서는, 용융온도가 -5~110℃ 범위이고 잠열이 180~220J/g인 n-파라핀, 코코넛 오일, 라우린산과 같은 지방산계의 상물질을 들 수 있으며, 필요하다면, 용융온도가 32℃이고 잠열이 176J/g인 Na₂SO₄·10H₂O, 용융온도가 36℃이고 잠열이 281J/g인 Na₂HPO₄·12H₂O, 용융온도가 36.4℃이고 잠열이 155J/g인 Zn(NO₃)₂·6H₂O, 용융온도가 48℃이고 잠열이 201J/g인 Na₂S₂O₃·5H₂O, 용융온도가 50℃이고 잠열이 134J/g인 NaCH₃COO·3H₂O, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 10~50, 또는 이들의 임의의 적절한 조합물을 필요한 양으로 첨가 혼합할 수 있으며, 이는 당업자에 있어 설계적 사항의 선택에 불과하며, 본 발명은 상기한 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 있어 특히 바람직하게 적용될 수 있는 잠열저장물질의 예로서는, 용융온도가 25∼50℃ 범위이고 잠열이 180∼235J/g이며, n-파라핀 함량이 85∼99중량%이고 몰중량이 250~350g/mol의 범위 인 n-파라핀이다.

상기한 잠열저장물질과 혼합되거나 도포될 고분자 수지나 고무계의 종류를 살펴보면, 열경화성으로 요소계, 멜라민계, 불포화 폴리에스테르, 에폭시계[도 4] 등을 들 수 있으며, 열가소성 고분자 수지로는 비닐계나 폴리비닐알코올, 염화비닐[도 5], 아크릴, 폴리아미드를 활용하여 제조할 수 있다. 또한 합성 고무나 천연 고무인 라텍스[도 6] 등도 혼합재질로 적합하며, 이밖에 녹말 이나 텍스트린 등과 같은 녹말계, 또는 아교 및 고무풀 등을 이용하여 혼합하거나 샌드위치 형상의 상변화 물질을 함유하는 고분자수지[도 6]을 제조할 수 있다. 이는 당업자에있어 설계적 사항의 선택에 불과하며, 본 발명은 상기한 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 있어 특히 바람직하게 적용될 수 있는 고분자 저장물질의 예로서는, 특히 상온에서 경화가 가능한 휘발성 유기용제를 함유하고 있는 아교, 초산비닐, 합성고무가 있으며, 촉매나 습기에 의하여 경화되는 에폭시 및 시아노아크릴레아트가 상물질이 온도에 예민하기 때문에 적합한 물질로 설계될 수 있다. 그러나 융점이 30℃ 이상되는 상물질의 경우에는 열경화성 에폭시[도 4]를 약 30∼50℃로 가열하면 경화시간이 가속되면서 잠열저장물질의 고상에서 액상으로 변할 때 발생되는 부피팽창에 의한 내부공간의 사전 확보하는 역활로 인하여, 추후 사용시 액상상태에서 터짐현상에 의한 누출을 방지할 수 있는 장점을 가지고 있다.

상기한 잠열저장물질의 특성을 이용하는 것에 의해 적은 부피에 많은 열을 저장할 수가 있으며, 각 물질 또는 이들의 조합마다 온도를 비교적 넓은 범위에 걸쳐 조절할 수가 있으므로 이를 이용하며 다양한 설정 온도 조건에서 효율적으로 흡열할 수가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조비용이 저렴하고, 제조공정에 있어서 매우 간단한 특징을 가지고 있다. 특히 상용화되어 시판되고 있는 많은 액상의 고분자 수지를 그대로 활용할 수 있는 장점이 있기 때문에 누구나 쉽게 제조할 수 특징을 가지고 있으며, 또한 고분자 수지의 높은 성형성으로 초기에 다양한 형상과 크기 및 두께의 제작이 수월하고, 얇은 박판구조는 높은 열전달 면적을 제공한다. 즉 고분자 수지의 낮은 열전도도 문제를 얇은 성형체의 두께와 넓은 표면적으로 잠열저장 물질의 열 흡수 및 방출을 쉽게 유도할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이는 본 발명의 특징인 0.5∼5mm 두께의 박판을 제작할 수 있는 장점으로, 같은 부피내에 많은 양의 잠열저장물질을 함유한 고분자 수지 박판을 설치할 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한 두께가 얇은 잠열저장재를 활용하여 좁은 공간이나 전자장비의 발열체 하부에 쉽게 설치할 수 있는 장점을 가질 수 있다.

Claims (5)

1. 잠열저장 물질을 함유한 고분자 수지를 제조함에 있어서,

   잠열저장물질(4)과 고분자 수지(3)액이 혼합된 잠열저장물질을 함유한 고분자수지 혼합액(5),

   상기 잠열저장물질(4)은 고상의 파우더 상태이며,

   상기 고분자 수지(3)는 액상으로, 잠열저장물질(4)과 고분자 수지(3)액이 혼합된 것을 특징으로 하는 잠열저장물질을 함유한 고분자수지액(5).
2. 제1항에 있어서, 상기한 잠열저장물질을 함유한 고분자수지액(5)을 모울드(6)에 채울때,

   상기 모울드(6)의 하면에 박판의 금속재나 고분자 수지를 깔고 잠열저장물질을 함유한 고분자수지액(5)을 부은 후, 다시 박판의 금속재나 고분자를 덮어서 잠열저장물질(4)이 용융시 보호피막 역할로서, 외부에 노출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 잠열저장 물질을 함유한 고분자 수지(5)를 제조함에 있어서,

   상기 고분자 수지(3)액을 모울드에 도포한 후, 잠열저장물질(4)을 도포된 고분자 수지액(3) 위에 적층하며, 적층된 잠열저장물질(4)위에 고분자 수지액(3)을 도포하는 샌드위치 구조의 제조방법.
4. 제3항 있어서, 상기 잠열저장물질(4)은 고상또는 액상 상태 및 입자의 크기 및 형태에 관계 없는 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기한 잠열저장물질 함유 고분자수지액(5)을 모울드(6)에 부을때,

   상기 모울드(6)의 하면에 박판의 금속재나 고분자 수지를 깔고 잠열저장물질 함유 고분자수지액(5)을 부은 후, 다시 박판의 금속재나 고분자수지를 덮어서 잠열저장물질(4)이 용융시 보호피막 역할로서, 외부에 노출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 제조방법.