KR20100002237A - 에멀젼 에어로젤 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소수성 에어로젤(aerogel)분말을 기타 유무기 복합재료로 혼화합하여 에멀젼 형태로 조성한 것으로서 이로 인해 이루어지는 형상은 페인트, 판상형 패널, 유연형 보오드, 얇은 박막형 시이트, 블랭킷등으로 제조 가능하고 반도체, 전기, 전자, 태양전지, 연료전지 및 정밀기기등의 부속 재료등은 침지코팅이 가능하다.

발포체 형성, 고온, 고압, 여압, 감압, 고주파 발생, 유기 솔벤트 적용과 셀룰로스 및 유도체, 전분 및 유도체등의 재료 사용을 배제하고 일반 상수도 물로 간편하게 기타 재료와 에어로젤을 혼합하여 액상 형태로 조성한 것으로 체적 증가로 인한 에어로젤의 산포를 방지하고 전체 재료를 압축 밀착하여 수화 진행되며 수경화체가 형성된다. 환경친화적이고 에어로젤의 저 밀도 나노 기공을 그대로 유지한다.

에어로젤, 마이크로시멘트, CSA팽창재, 폴리아크릴아마이드, 산화마그네슘

Description

에멀젼 에어로젤 조성물{EMULSION AEROGEL COMPOSION}

본 발명은 나노 기공구조를 갖는 에어로젤의 우수 특성인 소수성 경량성으로 인한 기타 재료와 혼합하여 응용 제품화하기 어려운 것을 마이크로 시멘트등의 복합 재료로 에어로젤의 소수성 표면을 습윤화하고 친수성으로 변환하여 액상화 한 것으로 쉽게 실용화하게 한것이 특징이다. 에어로젤의 경량성 소수성은 일반 재료와의 분리현상으로 인해 에어로젤이 함유된 고형체 형성이 매우 어려워 우수한 특성의 에어로젤임에도 불구하고 상용화에 많은 어려움을 겪고 있다. 여러 연구소등에서 많은 연구를 하고 있으나 해결해야 할 많은 과제가 산적되어 있다.

본 출원인의 원적외선 및 음이온 수경성 분말 도료의 기술을 기초로 하고 최근들어 에어로젤 관련 기술 개발 및 이로 인한 특허 출원을 기본 토대로 한다. 현재까지 에어로젤의 복합화가 어려운 기술로 인식 되고 있는 상태이고 특히 무기계와 혼합하여 고형화하기가 더 어려운 기술로 보고 있다. 상품화된 제품은 외국산 에어로젤 블랭킷형 시트가 유일하게 시판 되고 있다. 에어로젤 소재에 대한 기술 개발이 이루어지고 있고 에어로젤 소재를 2차 제품화하기 위한 기술 개발 또한 다양하게 이루어지고 있다.

에어로젤을 응용화하기 위한 국내 공개된 특허를 보면 나무판 및 금속 패널 사이 충진 및 내외층 공간형성과 기밀 밀봉으로 에어로젤 충진. 제품화된 에어로젤 시트 양면에 유리섬유,세라믹섬유 폴리카보네이트등의 접착. 고주파 플라즈마 형성. 도포 혼합할 섬유질 및 판형에 크랙 형성. 발포체형성, 셀룰로스 혼입. 고온 및 고압. 여압 및 감압. 진공 가열. 유기 솔벤트 적용. 에어로젤 시트로 정밀기기를 감싸는 방법. 플라즈마 디스 플레이 패널에 에어로젤 막 형성. 부직포 층에 에어로젤 코팅. 도포 할 노출면 코팅등이 공개 되어 있다.

이는 에어로젤의 소수성으로 인해 응용화가 쉽지 않음을 공개 특허 및 에어로젤 관련 문헌을 보더라도 알수 있다. 에어로젤을 무기계와 혼화하여 액상화가 된다면 이 모두를 해결할 수가 있다. 그 이유로 에멀젼은 코팅 및 고형화, 섬유질 첨가 블랭킷화, 딥 코팅등 여러 형태로의 정형 부정형이 가능하기 때문이다. 특히 페인트의 경우 다른 응용화에 비해 파급효과 및 효율성면에서 기대치가 높다.

본 출원인의 특허 출원 및 특허 등록된 내용은 출원 번호 2007-0061025(거절결정) / 2007-0062203(공개되기전 취하) / 2008-0012697 / 2008-0023140 / 2009-0042942 / 2009-0079366 / 2009-0083791 / 2009-0086804 특허 등록 번호 10-0455622호 / 10-0803226호 / 10-0818039호 / 10-0864783호 / 10-0864784호

실제 에어로젤을 응용화한 제품이 외국산 블랭킷 타입이 유일하기 때문에 비교 평가하기가 쉽지가 않다. 블랭킷의 경우 단열 보냉용으로 파이프등을 감싸는 방 법으로 활용되고 있는 실정으로 플랜트. 장비의 굴곡 부위나 작업 공간이 협소한 장소와 작업하기가 어려운 부위의 설치에는 작업성이 낮고 정밀기기등의 공간적용에도 어려움이 있다. 본 발명과 같이 에멀젼으로 에어로젤을 함유하게 되면 피복재로서의 뿜칠 및 침지 코팅이 가능하므로 효율성이 블랭킷에 비해 높다.

우선 해결 해야 할 기술적 과제는 복합화에 있어서 에어로젤의 소수성 표면을 유지하면서 단열, 방음, 충격 흡수, 절연성, 저 유전성, 강도, 내열성, 불연성, 방수성, 내구성, 친환경성등이 구비가 되어야 한다. 에어로젤의 제조 공정상 에어로젤의 친수 표면이 소수성으로 개질하는 공정이 반드시 필요하므로 이는 수분 침투로 인한 물성 저하를 막기 위한 것으로 소수성으로 인해 오히려 응용 제품화하는데 어려움을 겪고 있다. 에어로젤의 고유 특성이므로 소수성을 살려 응용 제품화를 해야 하는 것이 당연한 것이라 생각 한다. 친수성 에어로젤은 내열용으로 활용되나 극히 제한적으로 적용 된다. 실제 제품화 된 경우가 블랭킷타입만 존재하기 때문에 공개 특허가 수 건의로 공개 특허 내용상 간단히 설명 하고자 한다. 발포체 형성은 에어로젤이 중량비 및 부피비로 처음 출발 투입되나 체적 증가로 인해 에어로젤이 산포되어 기로를 형성하므로 성능을 기대 하기 어렵다. 공간 형성 패널 사이 충진은 충분한 공간 제공과 작업성이 뒤 따라야 되며 응용화라기 보다 에어로젤 분말을 부어 넣는 형식으로 기술적으로 보완이 필요하다. 판매되고 있는 에어로젤 블랭킷에 유리 섬유등을 접착하는 경우는 1차 기초 소재인 에어로젤을 2차적으로 응용하여 새로운 제품을 만드는 형태가 아니고 기존의 2차 제품을 3차적으로 활용한 기술이고 고주파 발생 고온 고압 감압 여압등은 쉽게 물로 수경화할수 있는데도 불구하 고 설치 장비가 필요하고 매우 어렵게 에어로젤 적용을 하는 것이라 생각된다. 에어로젤 시트로 얇은 전자 기기를 감싸는 방법 또한 공간 협소 및 굴곡성 부위등으로 작업성이 좋지 않는 기술로 판단된다. 에어로젤 막 형성 및 에어로젤 코팅은 이를 형성하기 위한 여러 과정을 거치므로 본 출원의 수경화 방식과는 많은 차이점이 있다. 실리콘 에멀젼, 소포제등의 적용 소음 차단 페인트는 소수성 에어로젤이 이러한 재료로는 쉽게 혼합이 되지 않을것으로 판단되며 에어로젤을 혼화하더라도 300∼400도 이상의 고온 적용이 불가하여 적용 범위가 매우 적을것으로 판단된다. 상술한바와 같이 이러한 문제점을 안고 있어 본 출원에 이르게 되었다.

결론적으로 에어로젤을 응용화하기 위해서는 에어로젤의 고유 기능을 유지하고 작업성이 좋아야 하며 압축 밀착된 치밀한 메트릭스 형성이 필요하고 에어로젤을 최대한 많이 함유하고 크랙 발생등이 없이 내구성이 우수해야 한다. 에어로젤과 기타 복합 재료와의 혼화시는 에어로젤이 매우 예민하게 작용하므로 조성물 조성비율 또한 매우 중요하게 다루어야 한다. 현실적으로 여러 가지 해결 해야 할 과제가 많다 하겠다.

상술한 바와 같이 과제의 해결 수단으로서 본 발명에 의한 에어로젤이 함유된 유,무기 복합화로 에멀젼을 형성하게 되었다.

에멀젼 에어로젤 조성물은, 조성물과 조성중량비(wt％)로

실리카에어로젤, 탄소에어로젤, 알루미나에어로젤, 티타니아에어로젤중 1종 이상 선택 5∼40

마이크로 시멘트 5∼30

티탄석고, 반수석고중 1종 이상 선택 3∼15

CSA팽창재 1∼5

실리카 퓸 1∼10

아크릴산 에스테르 재분산성 분말 0.5∼20

폴리아크릴아마이드 0.1∼3

산화마그네슘 0.5∼15

멜라민 설폰산염 포르말린 축합물 0.1∼2

탄소섬유, 유리섬유, 방향족 폴리이미드섬유, 실리카섬유, 알루미나섬유, PVA섬유, 붕소섬유, 아크릴탄화섬유, 탄화규소섬유, 폴리프로필렌섬유중 1종이상 선택 0.1∼10

폴리아크릴산에스터, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산나트륨, 폴리메타크릴산, 폴리염화알루미늄, 황산알루미늄, 황산제1철, 규산마그네슘, 염화마그네슘, 폴리나프탈렌설포네이트, 리그닌설폰산염, 폴리카르본산염중 1종 이상 선택 0.1∼10

물, 수용성우레탄에멀젼, 수용성아크릴에멀젼, 수용성실리콘에멀젼, 실리카콜로이드, 나노규사에멀젼중 1종 이상 선택 30∼80으로 구성되고 여기에 2000rpm이하 5분이상 교반을 하여 이루어지는 에멀젼 에어로젤 조성물.

본 발명에 의하여 형성된 에어로젤 에멀젼은 유일하게 상용화 된 판상형 기존 블랭킷타입에 비해 적용 범위가 넓고 효율성 경제성이 높다. 페인트 형상, 패널 형상, 기존의 블랭킷 형상, 정밀기기의 딥 코팅 기능 및 부정형의 형태로 자유롭게 제조가 가능하다. 플랜트, 장비산업등의 보온 보냉용 도포 및 패널 부착등 전체 무기계의 적용 비율이 높아 고온용 적용이 용이하고 저온 상온 또한 간편하게 적용된다. 태양광 집열기, 연료전지등의 코팅 및 부속 소재등의 적용도 가능하다. 제일 중요한 효과라면 에어로젤의 활용도가 낮은 상태를 본 발명에서의 에멀젼화로 그 활용도를 높인것이라 할수 있겠다. 단열 방음용 및 전기절연체 형성등에 쉽고 간편하게 에어로젤을 함유한 상태로 적용이 가능하다는 잇점이 있다 하겠다.

본 청구항과 같이 이루어지고 에어로젤(aerogel)은 실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 알루미나 에어로젤, 티타니아 에어로젤로 구성되며 주요 기능성 소재로 적용된다. 초경량성 및 소수성으로 인한 나노 기공 구조를 갖고 있어 단열 방음 충격 흡수용도 및 전극 재료 담수화 설비등에 활용도가 매우 높은 소재이다. 그러나 단독 자체 사용에는 지지력을 가질 수 없어 기타 재료와의 친화력을 높여 적용을 해야만 하는 문제점이 있다.유기 솔벤트등의 첨가 혼화시는 에어로젤의 소수성 표면이 와해되어 그 기능을 수행하기가 어렵다.

에어로젤의 소량 적용시는 에어로젤의 특성을 기대하기가 어렵고 과량시는 그 에어로젤 부피로 인한 전체 에멀젼 형성시 점도 상승으로 혼화성이 좋지 않고 수경화시 기타 재료와의 점착이 제대로 이루어지지 않고 지지력이 약해서 경화체의 균열이 발생 될수 있다. 전체 부피비로는 평균점 기타 재료 대비 1대4의 부피비가 적당량이고 적절한 강도 및 지지력, 고형체 형성, 부착력을 갖는다. 에어로젤의 밀 도에 따라 부피비는 다소 달라 질수 있다. 표면 커버가 있는 특수 용도로의 적용시는 에어로젤의 함량을 최대한 높여 그 기능을 수행하게 한다.

마이크로 시멘트는 본 에멀젼의 주 바인드 역할을 한다. 소량 적용시는 경화시 전체 지지력이 약해서 균열이 초래되고 과량시는 강도가 높아 오히려 건조시 균열이 발생한다. 시멘트의 칼슘등이 폴리 아크릴아마이드와 이온 교환을 하여 침전이 서서히 일어나므로 과량시는 점도가 상승 될수 있다. 조성비 내에서 적정량을 사용한다.

티탄 석고, 반수석고는 자외선 차단 및 무기계 분말중 규조토 다음으로 열전도도가 우수한 재료로서 단열성을 보완하고 충진용으로 적용되며 물과의 수화시 자체 경화성이 좋아 에어로젤등의 재료간 점착력을 높인다. 전체 재료가 혼재된 상태에서 비중이 3정도로 에어로젤등을 점착하고 침전이 일어난다. 소량시는 전체 에멀젼의 점성이 낮아 혼화성이 낮아지고 과량시는 이 또한 점도가 상승하여 혼화성이 좋지 않다.

CSA팽창재는 고형체 형성시 에트린자이트 생성으로 시멘트의 경화에 따른 건조 수축에 의한 균열을 방지한다. 일반적인 셀룰로스 계통의 팽창과는 다른 특성으로 생성된다. 소량 적용시는 마이크로 시멘트가 적정량 사용되면 균열에 큰 영향을 미치지 않으나 오히려 과량시는 팽창으로 인한 균열을 초래 할 수가 있다.

실리카 퓸은 마이크로 시멘트 대신 강도를 높일수 있으나 적정량을 사용한다. 마이크로 시멘트의 강도 지지력으로는 부족한 부분을 채우는 역할을 한다. 소량 적용시는 전체 고형체에 균열이 발생 될수 있는 정도는 미미하나 부착력 및 강 도가 낮아진다. 과량시는 점도가 상승하여 혼화성이 좋지 않고 경화시 체적 증가로 인해 에어로젤이 산포 될 수가 있으며 오히려 균열은 초래 한다.

아크릴산 에스테르 재분산성 분말은 전체 재료간의 접착력을 높이는 기능으로 적용된다. 접착력을 높이기 위해 과량 사용시는 그 자체 점성으로 피막을 형성하여 오히려 에어로젤을 튕겨 나가게 하고 전체 에멀젼의 부피 팽창을 초래하므로 주의해서 적용한다. 이는 곧 체적 증가로 인해 혼화성이 좋지 않고 밀착된 경화체 형성에 방해가 될수 있고 균열이 발생될수 있다. 비이온성으로 기타 재료와의 이온 교환이 아닌 순수 점착 기능으로 작용하므로 적정량 사용한다. 고온 적용시는 소량을 적용하고 상온 및 저온 적용시는 기타 재료의 비율 조절로 인해 과량을 사용 할 수가 있다. 소량시는 점착력 약화로 인해 강도가 저하 될 수 있다.

폴리 아크릴아마이드는 비이온성 및 음이온성으로 나트륨이나 칼륨등 1가의 금속염에 의해서는 침전되지 않으나 칼슘, 마그네슘등 다가의 금속 양이온이 있는 수용액 상태에서 침전이 일어나고 점도가 낮아지는 성질을 갖고 있어 본 발명에서 적극 도입하여 적용을 한다. 초기 분말상의 전체 재료가 물 및 수용성 우레탄등이 투입되면 우선 수분 흡수를 하고 점성이 있는 겔 화로 진행 되고 서서히 마이크로 시멘트, 산화마그네슘등과 반응하여 점성이 있는 겔 상태에서 에어로젤 및 기타 재료를 점착화한 상태에서 침전이 일어나 에멀젼이 진행된다. 전체 재료를 점착하고 수면 아래로 내려간다. 이는 본 발명에서 중요한 역할을 하는 재료로 적용된다. 에어로젤은 이미 기타 재료와 혼재 된 상태에서 물리적으로 표면이 습윤화되고 점착되어 타 재료에 달라 붙어 일체화 된 에멀젼상이 된다. 이는 에어로젤이 화학적 이 온 결합이 아닌 물리적 점착 결합을 통한 것으로서 그 고유 기능을 그대로 유지한다. 화학적 결합을 하게 되면 에어로젤의 특성을 기대 하기가 어렵다. 소량 적용시는 점착 및 침전을 기대하기 어렵고 에어로젤과 기타 재료가 혼합되지 않으며 과량시는 적정량의 마이크로 시멘트 비와 산화 마그네슘 비에 의해 침전은 진행되나 잔존하는 입자에 의해 점도가 상승하여 체적 증가로 인한 뭉침 현상이 발생되고 혼화성이 좋지 않다. 전체 에멀젼은 진행되나 제품화는 할수 없다.

산화마그네슘은 상술한 바와 같이 반응하고 소량시는 폴리 아크릴아마이드의 투입 비율과 부합되지 않아 폴리 아크릴아마이드의 침전이 적게 발생되어 전체 에멀젼의 점성이 증가하고 과량시 또한 침전에 의한 점성이 증가하므로 적정량 사용한다. 결과적으로 적정 사용은 체적 증가를 줄여 강도를 높인다. 그 자체적으로도 수경성이 크므로 기본적으로 강도 발현에 기여한다.

멜라민 설폰산염은 유동화재로 유동성을 높여 수량의 감수를 유도한다. 소량시 유동성이 줄어 유동성을 위한 물의 과 투입이 유발되고 전체 에멀젼이 부피 팽창하고 혼화성이 좋지 않으며 결과적으로 고형체 균열을 초래한다. 과량시는 유동성 증대로 수량과 상관없이 흘러 내림 현상이 생겨 경화체 형성이 부실하게 된다. 수화 필요한 적정수량을 위해서라도 균형된 정량이 필요하다. 유동화재는 폴리 아크릴아마이드와도 반응한다. 점성을 줄이는 유동화재와 점도를 높이는 폴리 아크릴아마이드는 상호 반응 관계로서 투입량의 가감이 동일하게 이루어진다.

탄소섬유등은 보강 작용으로 투입되며 지름 및 축 방향 길이가 0.2미리이하의 단섬유와 2미리이하 섬유, 판상 격자형등 다양하게 적용 될수 있다. 페인트상 패널상 블랭킷상 침지 코팅에 따른 적합 소재를 적용한다.

폴리아크릴산 에스터등은 점착 기능 및 강도 상승, 감수재의 역할로 적용되며 이 또한 적정량 사용한다. 소량시는 그 기능이 저하 되고 과량시는 고형체 형성시 균열을 초래한다.

물 등은 유,무기 용제로 적용되고 전체 에멀젼의 수화작용 및 이로 인한 고형체 형성을 하기 위한 기본 재료이다. 고온 상온 저온등 용도에 맞게 정량을 사용한다. 과소 적용시 에멀젼 형성이 어렵고 고형체 형성 또한 당연히 이루어지지 않는다.

전체 재료가 균질하게 교반 혼화되면 에어로젤이 함유된 복합 에멀젼이 이루어진다. 믹서 교반은 상술한 재료들을 2000rpm이하, 5분이상의 교반기를 통한 교반을 하게 되면 일반 페인트와 동일한 형태의 액상화가 되고 이를 용도에 맞는 형상의 페인트, 판상형 패널, 침지 코팅 및 블랭킷등의 형태로 제조한다.

Claims (1)

1. 에멀젼 에어로젤 조성물은 조성물과 조성중량비(wt％)로

   실리카에어로젤, 탄소에어로젤, 알루미나에어로젤, 티타니아에어로젤중 1종 이상 선택 5∼40

   마이크로 시멘트 5∼30

   티탄석고, 반수석고중 1종 이상 선택 3∼15

   CSA팽창재 1∼5

   실리카 퓸 1∼10

   아크릴산 에스테르 재분산성 분말 0.5∼20

   폴리아크릴아마이드 0.1∼3

   산화마그네슘 0.5∼15

   멜라민 설폰산염 포르말린 축합물 0.1∼2

   탄소섬유, 유리섬유, 방향족 폴리이미드섬유, 실리카섬유, 알루미나섬유, PVA섬유, 붕소섬유, 아크릴탄화섬유, 탄화규소섬유, 폴리프로필렌섬유중 1종이상 선택 0.1∼10

   폴리아크릴산에스터, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산나트륨, 폴리메타크릴산, 폴리염화알루미늄, 황산알루미늄, 황산제1철, 규산마그네슘, 염화마그네슘, 폴리나프탈렌설포네이트, 리그닌설폰산염, 폴리카르본산염중 1종 이상 선택 0.1∼10

   물, 수용성우레탄에멀젼, 수용성아크릴에멀젼, 수용성실리콘에멀젼, 실리카 콜로이드, 나노규사에멀젼중 1종 이상 선택 30∼80으로 구성되고 여기에 2000rpm이하, 5분이상 교반을 하여 이루어지는 에멀젼 에어로젤 조성물.