KR20100002232A

KR20100002232A - 에어로젤 포함 복합체 제조 방법

Info

Publication number: KR20100002232A
Application number: KR20090079366A
Authority: KR
Inventors: 이재환
Original assignee: 이재환
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2010-01-06

Abstract

에어로젤(Aerogel)이 포함된 유·무기계 복합 분말로 기초 출발하고 여기에 물 및 기타 첨가 재료로 수경화 진행되며 그 성상은 페인트, 판상형의 보오드 패널, 플라스틱, 태양 전지용 모듈 및 블랭킷, 충격 흡수판 등으로 구성된다. 보다 진보된 기술로 기초 소재인 에어로젤을 2차적으로 응용 조합하고 제품화하여 상용화 되게 한 것으로서 하나의 공정으로 다양한 형태의 복합체 제조가 가능하다.

에어로젤 페인트 패널 플라스틱 태양전지모듈 블랭킷 충격흡수판

Description

에어로젤 포함 복합체 제조 방법 {AEROGEL COMPOSITE}

본 발명은 실리카 에어로젤과 탄소 에어로젤을 활용하여 응용 제품화 하기 위한 것으로서 연속 공정으로 다양한 제품군 제조가 가능한 복합체 제조 방법에 관한 것이다.

기초 소재인 에어로젤은 세라믹계인 실리카 에어로젤과 폴리머계인 탄소 에어로젤로 나뉘며 초소수성, 초경량성, 고비표면적, 다공질 등으로 단열, 방음 용도 및 전극 재료, 담수화 공정등에 활용도가 큰 소재로 적용 가능 하나 그 자체적인 단독 사용은 소수성 초경량성 등으로 인하여 오히려 실용화 하는데 많은 어려움을 겪고 있는 실정 이다. 에어로젤 소재 개발 및 이를 활용한 응용 제품에 관한 기술 개발은 대기업, 공공 연구소 등에서 많은 연구를 하고 있으나 실제로 상용화된 경우는 극히 더물고 실험실 수준에 그치고 있는 실정 이다. 우선은 에어로젤 자체적으로 사용하기에는 한계가 있고 기타 재료와의 합성으로 일체화된 복합체를 형성하여 그 기능을 유지하게 하는 것이 중요한 것이다.

본 출원에서는 에어로젤을 기타 재료와의 화학적 결합이 아닌 물리적으로 에어로젤 표면을 습윤화 하고 점착 결합을 통한 고형체를 형성 시켜 강도 지지력 내구성등을 향상 시킨 것으로서 에어로젤의 취성을 극복하여 복합적 고형체가 형성되 게 한 것으로 수경화 진행되며 고유의 다공질을 유지 시켜 일체화 한 것이 특징이다.

원적외선 및 음이온 수경성 분말 페인트를 개발하는 과정에서의 나노 실리카를 적용하여 실험한 내용들을 기본 토대로 하고 에어로젤이 포함된 페인트, 패널, 블랭킷등을 개발 하는 과정 또한 기초적 배경이 된다. 공개된 특허 중 에어로젤을 2차적으로 응용화 한 기술은 몇 건이 되지 않고 이 또한 소수성 에어로젤을 복합화 하기가 쉽지 않는 기술로 사료 되며 그 외 이미 상품화된 에어로젤을 활용 하여 기타 섬유질 등으로 보강하여 겹층 하는 3차적 기술이 수건 있는 것이 지금의 현실이다. 본 출원인의 특허 출원 등록하는 과정을 기술 배경 기준 한다.

출원 특허

출원 번호

2008-0012697 / 2008-0023140 / 2007-0061025 /

2007-0062203 / 2009-0042942

등록 특허

특허 제10-0455622호 / 10-0803226호 / 10-0818039호 /

10-064783호 / 10-0864784호

기본적으로 다공질 고비표면적을 갖는 우수한 특성의 나노 분말(에어로젤)이 단독 자체적으로는 그 활용도가 매우 낮다는 것이 문제 이다. 그 기능을 유지 하면서 기타 재료와의 치밀한 혼화로 일정한 수준의 복합체가 형성되어야 만이 상용화가 가능 하다. 최첨단 신소재인 실리카 에어로젤의 예를 보면 소재 자체를 성형된 판재 내에 분말을 충진 하는 등 사용처가 한정 되며 기술적으로 응용 제품화 하기 위한 많은 연구를 하고 있는 실정 이다. 이는 그 기능을 유지 하는 특성인 초소수성 초경량성 등으로 인해 오히려 기타 재료와의 혼화가 쉽지 않아 일체화된 고형체 형성이 어렵다. 현재 상용화 된 경우는 부직포 타입 섬유질 형의 블랭킷이 기존의 무기질계 단열재 및 합성수지 단열재에 비해 고가로 시판 되고 있는 실정 이고 그 외 응용 제품은 아직 까지 연구실 내의 기술 수준에 불과 하다. 이러한 현실은 에어로젤의 응용화가 매우 어려운 기술로 인식 되고 있다. 국내외 여러 곳에서 많은 연구를 하고 있으나 실용화한 경우는 더물고 많지 않는 수건의 특허가 출원 및 등록된 상태이나 제품화 하여 상용화 한 경우가 미미 하다.

이러한 현실로 우선 해결 해야 할 과제는 에어로젤을 어떠한 방법으로 기타 재료와 혼합을 하느냐 라고 하는 방법론적인 문제가 중요한 과제이다. 솔벤트등의 첨가로 화학적 결합을 하게 되면 에어로젤 표면의 소수 처리된 1차적 셀이 파괴 되고 내부의 2차적 기공 상태가 파괴 되어 그 기능을 상실 한다. 그 반대 개념으로 에어로젤 표면이 습윤화가 된 상태에서 물리적 결합으로 잘 점착 되어 기타 주변 재료의 경화로 일체화 되며 고형,경화체가 치밀하게 잘 형성되도록 하는 것이 매우 중요 하다.

에어로젤을 함유 하되 부피 팽창을 하게 되면 그 기능을 상실 하여 경제성이 없으며 효율성이 낮아 진다. 이는 매우 예민하게 작용 되며 재료의 투입 비율이 매우 중요 하다. 에어로젤이 기타 재료와 혼합된 상태에서 발포체 형성이나 셀룰로스 계통의 재료 혼입은 부피 팽창에 의한 체적의 증가로 에어로젤을 산포 시켜 그 기능을 기대 하기가 어렵다. 초소수성 초경량성은 우수한 기능을 발휘 하게 하는 장점이 되나 응용 제품화 하기 에는 오히려 단점이 되어 이를 극복 해야만 하는 중요 과제로 남아 있다. 소수성을 유지해야만 고 비 표면적의 기공 상태가 유지 되므로 이를 유지 하고 응용 제품화 하는 것이 매우 중요 하다.

기타 재료와 물리적 점착 결합을 해야 하며 에어로젤의 밀도, 소수성 및 낮은 비중의 초 경량성에 의한 재료 분리 현상에 따른 에어로젤이 튕겨 나오는 현상이 없어야 하며 전체 혼재된 액상화 상태에서 에어로젤 밀도로 인한 슬로싱 현상이 낮아야 하는 등 복합체를 형성 하기 위하여 해결 하여야 할 많은 과제가 산적 되어 있다. 또한 강도 및 지지력 향상을 하고 에어로젤의 함량을 최대한으로 높여야 하는 문제가 있다. 탄소 에어로젤은 강도 강화 작용도 하나 전반적으로 그 함량이 낮으면 고유 기능을 발휘 하지 못하므로 의미가 없다. 그 외 친환경성 난연성 작업성등이 모두 중요 하며 이 모두를 아울러 해결 해야 하는 과제가 있다 하겠다.

본 발명에서는 기본적으로 수경화, 수화 진행 되며 에어로젤과 기타 유·무기질계 분말을 1차적으로 혼합하게 하는 것이 특징이고 마이크로 시멘트등의 기타 바인드들은 화학적 이온 결합으로 지지력 강도 등을 높이며 에어로젤 표면을 습윤화시켜 주변을 감싸고 점착 하게 하며 혼재되게 하여 일체화된 경화체가 형성 되게 함으로써 중요 과제를 해결 하게 되었다.

우선적으로 에어로젤을 혼화하는 과정은 기본적으로 마이크로 시멘트등 무기질계 재료를 물의 투입으로 인한 수경화 진행을 기초로 하고 여기에 흡수성 폴리머의 일종이고 고분자 응집제인 폴리 아크릴 아마이드 및 황산 알루미늄, 황산 제1철의 분말을 혼재 하여 혼합 하는 방법으로 과제를 해결 한다. 에어로젤의 소수성이고 경량성은 기타 혼화 할 재료가 출발부터 에멀젼 상태이면 우선 에어로젤이 수면 및 유기물 위 상층 표면에 존재 하여 혼합하기에 많은 애로 사항이 있다. 이를 본 발명에서는 에어로젤을 유·무기질계 전체 분말과 고분자 응집제 분말을 혼재 시킨 상태에서 물을 투입 하여 점도를 높여 수화 진행되게 하는 방법을 선택 하였고 이는 전체 혼재된 상태의 분말상에서 액상화가 진행되면서 물리적으로 점착 끌어 당겨 일체화된 고형체 경화체를 형성 되게 함으로써 복합체를 만들어 과제를 해결 하게 되었다.

음이온성 비이온성인 고분자 응집제는 수화시 에어로젤 분말의 소수성 표면과 일반 재료의 친수성 표면과의 친화력이 낮은 것을 연결 하는 중요한 가교제의 역할을 한다. 에어로젤과 기타 재료가 혼재된 상태에서 물이 투입되면 차츰 점성이 있는 액상화로 진행이 되고 점도가 증가 하여 에어로젤 표면을 끌어 당겨 기타 재료와 주변 밀착 한다. 교반이 계속 진행 되면 마이크로 시멘트등의 칼슘등 다가의 금속 양이온과 반응 하여 수용액 상태에서 수분을 일부 배출 하는 성질이 있어 에어로젤을 전체적으로 머금은 상태에서 수분 배출로 기타 친수성 재료가 밀착된 상태에서 수화 진행 된다. 이는 분말상에서 에멀젼 상태로 진행 되며 수분 배출로 인 한 수화 진행 되고 고형체가 형성되는 중요한 기술로 적용 된다. 기본적으로 수경화 진행되며 여기에 수성 유화 에폭시, 강도 강화 섬유등을 추가 하여 지지력 및 강도를 높인다.

에어로젤을 혼합 화합한 기본물은 우선 페인트로 적용이 되고 페인트화가 되면 그 외 패널 블랭킷등은 쉽게 적용 할 수가 있다.

본 발명에 의한 에어로젤 응용 복합체 제조 방법은 에어로젤의 우수한 특성을 유지함으로써 넓은 적용 온도 범위 및 다용도로 적용을 한다. 기존의 단열재 및 방음 용도의 제품을 대체 할 수 있으며 일반 주거용 뿐만 아니라 플랜트, 장비 산업, 전자, 전기, 정밀 기기,의류 등에 단열, 방음, 충격 완화재등으로 적용 된다. 최종 성상은 페인트, 판상형 패널, 단열 플라스틱, 블랭킷, 충격 흡수용 섬유질형 패널 및 탄소 에어로젤을 함유한 태양 전지용 모듈등의로 형성 된다. 에너지 절감에 기여 한다.

에어로젤 포함 복합체 제조 방법으로 도면상의 A는 일라이트, 규조토 마이크로시멘트, 퓸드실리카, 실리카퓸, 석고, 탄소섬유분말, CSA팽창재, 산화마그네슘, 은계무기항균제, 제올라이트계무기항균제, 제올라이트, 아크릴산 에스테르 재유화 공중합 분말, 에틸렌 비닐 아세테이트 분말, 폴리 나프탈렌 설포네이트, 글리콘산 나트륨염, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 폴리 아크릴 아마이드, 황산 알루미늄, 황산 제1철의 재료를 선택적으로 투입.

도면상의 B는 실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤의 재료를 선택적으로 투입.

도면상의 C는 물을 투입.

도면상의 D는 수성 유화 에폭시, 수용성 우레탄, 수용성 아크릴, 수용성 실리콘의 재료를 선택적으로 투입.

도면상의 E는 200rpm 이하의 교반기 교반.

도면상의 F는 직경 및 축방향 길이가 2미리미터 이하인 탄소섬유, 유리섬유의 재료를 선택하여 투입.

도면의 G는 100도 이상 200도 이하로 녹인 열경화성 플라스틱 수지 및 열가소성 플라스틱 수지 즉 요소 수지, ABS 수지, 멜라민 수지, 폴리 에스테르 수지, 아미노 수지, 나일론 수지, 폴리 염화 비닐 수지, 폴리 에틸렌 수지, 폴리 스티렌 수지의 재료를 선택적으로 투입.

도면의 H는 에틸렌 초산 비닐 액상, 아크릴산 에스테르 폴리머 액상의 재료를 선택적으로 투입.

도면의 I는 탄소 섬유, 유리 섬유, 메타 아라미드 섬유, 파라 아라미드 섬유, 폴리 이미드 섬유, 알루미나 실리카계 벌크 섬유의 두루마리형 내열 부직포 섬유를 선택적으로 투입.

도면의 J는 액상화된 혼화합물을 다운 받아 콘베이어에 의한 부직포 연속 침지 공정.

도면의 K는 100도 이상의 고온 스팀 5분 이내의 분사로 부직포를 반 경화 건조 공정.

도면의 L은 130도 이상 220도 이하로 녹인 폴리 프로필렌, 폴리 카보네이트의 재료를 선택 하여 부직포의 상하로 겹층으로 형성 하는 공정.

도면의 M은 로울러에 의한 압축 성형으로 구성 되고 완성 되는 에어로젤 포함 복합체 제조 방법.

상술한 바의 A 재료 중 일라이트는 원적외선 항곰팡이 탈취 작용을 하고 규조토는 다공성으로 단열 보완 및 강도 강화를 하고 마이크로 시멘트는 주 바인더로 적용이 되고 퓸드 실리카 및 실리카 퓸, 석고, 탄소 섬유분말등은 강도 강화 역할을 하고 CSA팽창재는 균열 방지 기능을 하며 산화 마그네슘은 강도 강화 및 두께 조절 기능을 하고 무기 항균제는 항균 작용을 하며 제올라이트는 다공질로 흡착 기능으로 적용 되고 아크릴산 에스테르 공중합 분말 및 EVA분말은 균열 방지 및 표면을 평활하게 하며 PNS 및 글리콘산 나트륨염은 유동성을 증대시키며 수산화 알루미늄과 수산화 마그네슘은 억연 효과의 역할을 하며 PAA 및 황산 알루미늄, 황산 제1철은 응집력을 부여 하여 점착성을 높이는 역할을 한다.

B 재료의 에어로젤은 세라믹계 실리카 에어로젤과 폴리머계인 탄소 에어로젤로 구성 되며 실리카 에어로젤은 단열 방음 충격 흡수 용도로 적용이 되고 탄소에어로젤 또한 다공질로 전기 전도도가 우수 하고 이 또한 고 비표면적을 갖고 있어 전극 재료 및 담수화, 이온 폐수 공정에의 활용도가 높은 소재로 본 발명에서는 강도 강화 및 연료 전지용 모듈로 적용이 된다. 선택적 투입 또는 동시 투입으로 강도 강화하는 기능을 수행하게 한다.

C 의 투입 된 물은 수화 진행 되고 나머지는 경화후 건조 증발 한다.

D는 수성 유화 에폭시 등으로 전체 바인드로 적용이 되는 것이 아니고 주 무기질 바인더내에 잔존 시켜 보강하는 첨가 재료로 적용을 한다.

E는 분말과 물을 혼합 교반 한다.

F는 내열 단섬유로 적용 강도를 높인다.

G는 이미 액상화가 진행 된 에어로젤이 포함된 에멀젼상에 플라스틱이 녹여진 상태로 투입되어 몰드 주형 성형 된다.

H 또한 액상으로 투입 되며 전 단계와 혼합 되고 강도 강화및 표면을 미려하게 한다. 몰드 주형 성형 된다.

I는 상술한 바와 같이 적용 되고 블랭킷 및 충격 흡수판의 지지력을 유지 하고 내열성을 높인다.

J는 교반 후 에멀젼 상태의 혼화합물을 내열 부직포에 침지 하기 위하여 아래로 다운 받는 저장조의 역할을 한다.

K는 100도 이상의 고온 습윤 스팀 건조를 5분내에 분사 하여 반 건조 경화 한다.

L은 부직포 상하로 겹층을 시켜 충격 흡수판으로 제조 된다.

M은 압축 롤러에 의해 원하는 두께로 밀착 압축시킨다.

상술한 바와 같이 구성 제조 되고 제품군은 1의 고온 상온 저온용 단열 방음 분말 페인트, 2의 판상 보오드 타입으로 고형 및 유연형의 고온 상온 저온용의 단열 방음 패널, 3은 상온 및 저온용의 1분말, 1액형 페인트, 4는 상온 저온의 단열 방음 플라스틱, 5는 태양 전지용 모듈, 6은 고온 상온 저온용의 단열 방음성 부직 포형 블랭킷, 7은 충격 흡수판으로 제조가 된다.

＜투입 및 작용＞

A:마이크로 시멘트외 유,무기 분말

B:에어로젤

C:물

D:수성 유화 에멀젼

E:믹서 교반기

F:내열 단 섬유질

G:액상화 된 플라스틱

H:EVA액상 및 아크릴산 에스테르 공중합 폴리머 액상

I ;내열 부직포

J:혼화물 다운 저장조. 부직포 침지 기능

K:습윤 고온 스팀 건조

L; 액상화 된 폴리 프로필렌, 폴리 카보네이트

M:로울러에 의한 밀착 압축

＜제품군＞

1:고온 저온 수경성 분말 페인트

2:고온 상온 저온용 패널 (몰드 성형)

3:상온 저온용 1분말 1액형 페인트

4:상온 저온용 단열 플라스틱 (몰드 성형)

5:태양 전지용 모듈 (몰드 성형)

6:블랭킷

7:충격 흡수판

Claims

에어로젤 포함 복합체 제조 방법으로 도면상의 A는 일라이트, 규조토 마이크로시멘트, 퓸드실리카, 실리카퓸, 석고, 탄소섬유분말, CSA팽창재, 산화마그네슘, 은계무기항균제, 제올라이트계무기항균제, 제올라이트, 아크릴산 에스테르 재유화 공중합 분말, 에틸렌 비닐 아세테이트 분말, 폴리 나프탈렌 설포네이트, 글리콘산 나트륨염, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 폴리 아크릴 아마이드, 황산 알루미늄, 황산 제1철의 재료를 선택적으로 투입.

도면상의 B는 실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤의 재료를 선택적으로 투입.

도면상의 C는 물을 투입.

도면상의 D는 수성 유화 에폭시, 수용성 우레탄, 수용성 아크릴, 수용성 실리콘의 재료를 선택적으로 투입.

도면상의 E는 200rpm 이하의 교반기 교반.

도면상의 F는 직경 및 축방향 길이가 2미리미터 이하인 탄소섬유, 유리섬유의 재료를 선택하여 투입.

도면의 G는 100도 이상 200도 이하로 녹인 열경화성 플라스틱 수지 및 열가소성 플라스틱 수지 즉 요소 수지, ABS 수지, 멜라민 수지, 폴리 에스테르 수지, 아미노 수지, 나일론 수지, 폴리 염화 비닐 수지, 폴리 에틸렌 수지, 폴리 스티렌 수지의 재료를 선택적으로 투입.

도면의 H는 에틸렌 초산 비닐 액상, 아크릴산 에스테르 폴리머 액상의 재료 를 선택적으로 투입.

도면의 I는 탄소 섬유, 유리 섬유, 메타 아라미드 섬유, 파라 아라미드 섬유, 폴리 이미드 섬유, 알루미나 실리카계 벌크 섬유의 두루마리형 내열 부직포 섬유를 선택적으로 투입.

도면의 J는 액상화된 혼화합물을 다운 받아 콘베이어에 의한 부직포 연속 침지 공정.

도면의 K는 100도 이상의 고온 스팀 5분 이내의 분사로 부직포를 반 경화 건조 공정.

도면의 L은 130도 이상 220도 이하로 녹인 폴리 프로필렌, 폴리 카보네이트의 재료를 선택 하여 부직포의 상하로 겹층으로 형성 하는 공정.

도면의 M은 로울러에 의한 압축 성형으로 구성 되고 완성 되는 에어로젤 포함 복합체 제조 방법.