KR20070070844A - 상변화물질 캡슐 미립자를 이용한 축열용 건자재 및 그제조방법 - Google Patents

상변화물질 캡슐 미립자를 이용한 축열용 건자재 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축열재의 열에너지 축적기능을 이용하여 실내온도를 일정하게 유지 시켜주는 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 이용하여 제조한 고기능성 건자재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상 변화하는 액상잠열물질로서 파라핀계 물질을 사용하여 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 제조하고, 이 미립자를 사용하여 난방 및 냉방기 가동시간을 줄여 에너지를 효율적으로 이용하고 냉?난방비를 절감시키며 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있도록 제조한 기능성 건자재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
축열용, 캡슐 미립자, 건자재, 파라핀계 물질, 액상잠열물질

Description

상변화물질 캡슐 미립자를 이용한 축열용 건자재 및 그 제조방법{Energy storage building materials using phase change material in microcapsule and the method for manufacturing thereof}
도 1은 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 이용한 고기능성 건자재 단면도이다.
도 2는 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 이용한 고기능성 건자재 실험 측정 장치의 구성도이다.
도 3은 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 이용한 고기능성 건자재 제조 공정도이다.
도 4는 계절별 고기능성 건자재의 축열 개념도이다.
도 5는 비발포된 고기능성 건자재의 온도측정 그래프이다.
도 6은 발포된 고기능성 건자재의 온도측정 그래프이다.
도 7은 고기능성 건자재의 축열 비교실험 측정 장치의 구성도이다.
도 8은 고기능성 건자재 1겹 사용 시 온도측정 그래프이다.
도 9는 고기능성 건자재 3겹 사용 시 온도측정 그래프이다.
본 발명은 축열재의 열에너지 축적기능을 이용하여 실내온도를 일정하게 유지 시켜주는 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 이용하여 제조한 고기능성 건자재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상 변화하는 액상잠열물질로서 파라핀계 물질을 사용하여 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 제조하고, 이 미립자를 사용하여 난방 및 냉방기 가동시간을 줄여 에너지를 효율적으로 이용하고 냉?난방비를 절감시키며 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있도록 제조한 기능성 건자재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
새로운 대체 에너지원으로서 개발되고 있는 태양열, 풍력, 지열 등의 자연에너지의 이용이나 다량으로 배출되고 있는 폐열의 유효 이용면에 있어서, 이들 에너지는 질적, 양적으로 시간에 따라 변화하기 때문에 이러한 에너지를 균일하고 안정한 에너지로서 이용하기 위해서는 에너지의 발생원과 에너지의 사용처 사이에 에너지 저장 시스템을 사용하여 일단 에너지를 적당한 형태로 저장하는 것이 필요하게 된다. 이러한 에너지의 저장방법에는 운동에너지 및 위치에너지로서 저장하는 기계적 저장방법, 화학반응을 이용하여 화학적 물질로 에너지를 저장하는 화학적 저장방법, 전기에너지를 저장하는 전기적 저장 및 열에너지를 형태 변화없이 그대로 저장하는 방법으로 크게 현열 및 잠열을 이용한 저장으로 나눌 수 있다. 이들 저장방법 중 물질의 상이 변화할 때 등온에서 흡수 또는 방출하는 열, 즉 잠열을 이용한 축열 방법이 축열밀도가 크기 때문에 최근에 많이 연구되고 있다. 현재 7 ~ 120℃에 걸친 용융점을 갖는 무기염 수화물 형태의 상 변화 물질(phase change material, 이하 “PCM"이라 함)이 상업적으로 개발되어 있으나, 이 물질들의 대부 분이 바람직하지 못한 상 분리 및 심각한 과냉각(supercooling)의 문제점을 갖고 있다.
한국의 난방방식은 대부분이 온돌난방으로써 방바닥을 가열해서 나오는 열의 훈기(薰氣)로 실내온도를 조절하는 방식인데 일반적으로 온돌난방은 건축물의 단열상태, 환기여건, 사용자의 온도조절의식 등에 따라 상당한 낭비요소의 원인이 되며 실내온도조절기가 보통 한 가구 당 1대 설치되는 현 구조적 원인 때문에 각방의 온도가 일률적으로 똑같거나 고르지 않는 문제점이 발생된다.
이에 본 발명자들은 종래 기술이 가지는 구조적인 원인을 근본적으로 보완하기 위하여 열에 의한 신축문제를 고려한 건자재 재료의 개발 및 방별 온도제어장치의 효율화 또는 냉난방을 겸하는 방법에 대하여 연구한 결과, 상분리 및 심각한 과냉각(supercooling)의 문제점을 갖고 있는 무기염 수화물 형태가 아닌 파라핀계 물질을 포집시킨 캡슐 미립자를 제조하여 사용함으로써 높은 축열 효과를 가지고 열손실을 줄여 보온성을 유지하므로써 쾌적한 실내 환경을 유지게 되어 에너지 절감 효과를 극대화한 고기능성 건자재를 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 상변화 물질로서 파라핀계 물질이 포함된 캡슐 미립자를 고분자 수지 또는 무기계 난연성 건자재와 혼합하여 축열 및 보온기능을 지닌 고기능성 건자재 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상 변화 물질로서 파라핀계 물질이 포집된 캡슐 미립자를 제조하고, 상기 캡슐 미립자를 고분자 수지와 혼합하여 제조한 고기능성 건자재 및 그 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 캡슐 미립자의 제조과정을 살핀다.
본 발명에서는 상 변화하는 액상잠열물질로서 파라핀계 물질을 사용하며, 보다 구체적으로는 헥사데칸(Hexadecane, m.p.:18.1℃), 헵타데칸(Heptadecane, m.p.:21.9℃) 및 옥타데칸(Octadecane, m.p.:28.1℃)을 사용할 수 있고, 파라핀계 물질의 적절한 혼합에 의한 혼합물 등을 사용할 수도 있다. 이들의 함량은 캡슐 전체에 대하여 70~90 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 그 함량인 90% 이상인 경우에는 캡슐껍질 두께가 얇아져서 캡슐강도가 약해지고 잠열물질 함량이 70% 이하로 지나치게 적게 되는 경우에는 축열량이 감소하여 열저장 효과가 감소하는 문제가 있다.
본 발명에서 사용한 상 변화 물질인 액상잠열물질은 일정한 온도범위에서 잠열에 의한 축열을 하게 되므로 현열축열량 보다 현저하게 높은 열을 축열할 수 있으며, 상변화하는 동안에는 온도가 변하지 않고 등온상태를 유지하는 특성이 있다. 또한 상기 상 변화 물질에 의한 자연형 적용 방식은 자연적인 외기 온도변화에 따라 실내의 열부하를 감소시켜서 공조설비의 용량을 감소시키고, 쾌적한 실내환경조성 및 에너지 절감효과를 얻을 수 있다.
상기 액상잠열물질을 캡슐 미립자화하여 포집시키는 방법으로는 계면중합법(한국등록특허 제263361호 참조), In-situ 중합법(한국등록특허 제337025호 참조) 및 코아세르베이션법 등을 사용할 수 있다.
또한 상기 캡슐 제조시 사용되는 물질로는 내부물질이 손실되거나 피막이 손상되지 않고, 화학적 및 온도에 따른 열화특성이 적은 물질이 좋다. 이와 같은 물질의 예로는 우레아, 멜라민, 가교결합된 나일론 및 젤라틴 등을 들 수 있으나 이에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 캡슐 미립자가 에너지 절약과 냉난방의 효율을 극대화할 수 있도록 하기 위하여, 반응 온도 범위를 20?30℃ 로 조절하여 상기 액상잠열물질을 캡슐 미립자에 포집시키는 것이 바람직하며, 제조한 캡슐 미립자는 냉수에 20?30 중량％ 혼합한 슬러리 상태로 제공된다. 마이크로캡슐 입도는 5-50μm, 밀도는 0.80-0.95, 비열은 잠열물질의 상태가 액체상태에서 0.4cal/g℃, 고체상태에서는 0.5cal/g℃ 수준이다.
또한 본 발명은 상기 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 사용하여 제조한 고기능성 건자재에 관한 것이며, 본 발명에 의한 건자재의 단면도를 도 1에 도시하였다.
본 발명에 의한 기능성 건자재는 온돌과 같은 축열성 및 쾌적성을 재연할 수 있는 바닥재 또는 벽재 등으로 제조될 수 있으며, 본 발명에 의한 캡슐 미립자는 상기 건자재 이외에 보온병 등의 보온용 용기 및 냉장고, 김치냉장고 등의 보온용 소재로도 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.
<실시예 1> 축열건자재용 미립자의 제조
5g의 SMA(Styrene Maleic Anhydride)와 증류수 80g을 혼합한 후 반응온도 90℃ 이상에서 약 2시간에 걸쳐 용해시킨 다음 상온에서 서서히 냉각시켜 5wt%의 SMA 수용액 85g을 제조한 후 제조된 유화제 용액 내에 내부 잠열물질인 옥타데칸을 용액 대비 2:1(60g:30g) 중량비로 넣은 후 호모믹서(homomixer)를 사용하여 7000rpm에서 15분간 분산?유화시켜 균일한 액적의 유화용액을 조제하였다.
멜라민 모노머 7.4g, 포르말린 9.2 및 증류수 50g을 혼합하고 반응온도 60℃에서 20～25분 동안 혼합?반응시켜 반투명한 메틸올멜라민 고분자 선구체(prepolymer)를 제조하였다.
60℃로 고정된 이중자켓형 반응기에 미리 조제된 유화용액과 고분자 선구체를 넣은 다음 10%-HCL 수용액을 사용하여 전체 반응계의 pH를 4로 맞추어주었다. 여기에서 반응속도의 촉진과 견고한 멜라민 캡슐 미립자를 얻을 수 있었다. 위의 반응조건에서 3～4시간동안 교반하며 반응시키면 일정 농도의 잠열 미립자 슬러리를 얻게 되는데, 반응 전반에 걸쳐 기계적 교반기의 회전속도는 550rpm으로 일정하게 유지하였다.
<실시예 2> 고기능성 건자재 제조
본 발명에 의한 고분자 수지 혼합형 건자재를 제조하는 과정으로는 먼저 분말상태의 PVC 및 가소제, 발포제 등의 각종 화학물질을 상온의 교반기에서 혼합하여 액체상태의 PVC 졸(sol)을 제조하였다. 고밀도 축열용 캡슐 미립자 분말 10%, 20%, 30%로 하고 이를 PVC 졸과 혼합한 다음 이를 연속적으로 투입되는 종이 위에 배합된 원재료를 일정한 두께로 코팅하였다. 코팅된 종이를 230℃ 고온의 챔버를 통과시켜 PVC가 시트 상으로 발포 성형하였다. 발포 시트는 냉각수로 상온까지 냉각한 다음, PVC 표면 처리 또는 인쇄과정을 거쳐 제조하였다. 폴리올레핀계의 수지에 혼합하는 경우에도 유사한 과정을 거쳐 제조할 수 있다.
플라스터, 석고보드 등과 같이 무기계 건자재와 혼합하여 제조하는 경우에는 캡슐미립자가 수용액상에서 제조된 상태를 그대로 중량비 조절을 하여 플라스터 원료, 첨가제 및 물이 혼합된 상태에서 유화장치를 사용하여 교반하면서 균일상태로 만들었다. 균일 분산한 다음 혼합물을 성형틀에 투입하고 이를 건조하는 과정을 거쳐 제조하였다.
[시험예 1]
발포형 또는 비발포된 상태의 축열 바닥재의 특성을 파악하기 위하여, 5mm 두께의 장판을 9cm x 5cm로 하는 두 개의 시편을 제조하고 이를 두겹으로 하되 장판의 사이에는 두 개의 열전대(thermocouple; T-type)를 설치하고 제일 외부의 표면에는 아크릴판(두께 1mm)으로 하였다. 축열성능비교는 제작된 시편을 일정한 온 도로 가열된 건조오븐에 넣은 후 40℃에 도달하면 동시에 꺼내어 대기온도 19℃에서 자연 냉각과정 동안에 온도변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 비발포의 경우(도 5), 축열 캡슐 미립자가 포함되지 않은 경우에는 5분이내에 40℃에서 20℃로 온도가 낮아졌으나 미립자 함량을 10-30%로 증가함에 따라 20℃까지 온도가 낮아지는데 소요되는 시간은 25-50분으로 증가하였다. 발포된 건자재의 경우(도 6)에도 지속시간이 다소 낮아지나 비슷한 결과를 보인다.
상기와 동일한 방법으로 두께 3mm, 9mm 올레핀계 수지에 축열 캡슐 미립자를 100g/m2 수준으로 혼합한 시트를 분석한 결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다. 도 8은 3mm 시트로 도 7에 도시된 것과 같은 시험용 박스 내부표면(6면 전체)에 도포한 다음 내부에서 200W 발열체로 온도를 30℃까지 상승시킨 후, 발열체를 끄고 자연상태(외기온도 10℃)에서 보온 효과를 분석한 결과이다. 축열 캡슐 미립자가 없는 경우에는 30℃에서 20℃까지 냉각하는데, 소요되는 시간은 20분이나 축열 캡슐 미립자를 혼합한 경우에는 보온유지시간이 94분(4배 이상)으로 증가하였다. 축열 캡슐 미립자 시트 두께를 9mm로 증가한 결과, 이러한 효과는 더욱 증가하여 20℃까지 냉각(외기온도 -5℃)하는데, 축열 캡슐 미립자가 없는 경우 소요시간 6분, 축열 시트 적용시에는 114분(19배)으로 나타났다. 이와 같이 축열 캡슐 미립자를 건자재에 혼합하면 보온성을 보다 향상시킬 수 있음이 실험결과로 입증되었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 실내 온도 범위에서 상변화하는 파라핀계 물질을 고분자 수지를 사용하여 캡슐 미립자화하고 이를 이용한 건자재를 제조하여, 건물에 적용함으로써 외부로 열손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 실내 환기나 출입문 개폐 등에 의한 대류에 열손실을 줄임으로써 온도부하를 균일하게 유지하고, 실내 온도를 상온 환경으로 거의 일정하게 유지할 수 있었다. 또한 이를 통하여, 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있으며, 사용된 에너지를 장시간 일정온도를 유지할 수 있도록 하여 에너지 절감 효과를 극대화할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 잠열물질로서 파라핀계 물질을 멜라민계 수지로 캡슐화한 축열건자재용 미립자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 파라핀계 물질은 헥사데칸(Hexadecane, m.p.:18.1℃), 헵타데칸(Heptadecane, m.p.:21.9℃) 및 옥타데칸(Octadecane, m.p.:28.1℃)으로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 미립자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 파라핀계 물질의 함량은 캡슐 전체 중량에 대하여 70-90 중량%임을 특징으로 하는 미립자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 미립자는 보온병, 냉장고, 김치냉장고 등의 보온용 소재로 사용됨을 특징으로 하는 미립자.
  5. 제 1항 내지 제 3항에 의한 고밀도 축열용 캡슐 미립자를 고분자 수지와 혼합하여 제조한 상온축열용 고기능성 축열 건자재.
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