KR20110096658A - 연속식 성형틀을 이용한 진공단열재 내부심재의 제조장치 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리카 소재 등의 분체를 이용한 진공단열재 제조시, 진공단열재 심재를 연속으로 제조할 수 있는 연속 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 실리카 분체 및 분말을 이용한 진공단열재 심재를 성형시 연속식 성형틀을 이용하여 연속적으로 심재를 제조하는 것으로 기존의 일반적 봉투 성형 및 몰드 등의 금형을 이용한 심재 성형방식보다 높은 생산성 향상 및 원가절감 등의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 보다 높은 강도를 가지며, 정확한 규격 및 직각 형태를 갖춘 진공단열재의 내부심재를 얻을 수 있다. 연속 성형틀에 의한 제조 방법으로 제조시 원료의 손실이 발생되지 않고, 또한 성형 전단계에서 원료내의 에어를 사전에 제거하여 성형시 낮은 압력으로 제품을 성형하여, 저 밀도의 진공단열재 내부심재를 제조할 수 있어, 약10%이상의 원료 절약 효과를 얻을 수 있으며, 기존의 몰드 등의 금형을 이용한 심재성형방식보다 높은 생산성 향상 및 원가절감 등의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 보다 높은 강도를 가지며, 정확한 규격 및 직각 형태를 갖춘 진공단열재의 내부심재를 얻을 수 있다. 연속 성형틀에 의한 제조 방법으로 제조시 원료의 손실이 발생되지 않고, 또한 성형 전단계에서 원료내의 에어를 사전에 제거하여 성형시 낮은 압력으로 제품을 성형하여, 저 밀도의 진공단열재 내부심재를 제조할 수 있어, 약10%이상의 원료 절약 효과를 얻을 수 있으며, 기존의 몰드 등의 금형을 이용한 심재성형방식보다 높은 생산성 향상 및 원가절감 등의 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 기존의 진공단열재 내부심재보다 기계적 강도가 높고, 직각의 패널 형태를 갖춘 저렴한 진공단열재의 내부심재를 연속적으로 제조하는 공정에 관한 것으로, 합성실리카와 복사열 차단 첨가제를 포함하는 분말 혼합물과 유기섬유를 포함하는 섬유 혼합물을 재료로 하는 진공단열재의 내부심재를 연속적으로 제조하는 공정에 관한 기술이다.
일반적인 단열재가 30mW/mK의 단열성능을 나타내는 반면 진공단열재는 3~10mW/mK의 고성능을 나타내는 단열재이다. 진공단열재의 높은 단열성에도 불구하고 현재까지는 높은 재료비와 까다로운 제조기술로 인해 널리 사용되지 못하고 있었다. 최근 제조기술에 있어서의 많은 진보로 독일, 영국, 일본, 미국, 캐나다, 한국, 중국 등의 나라에서 상업화를 위해 노력하고 있으나, 여전히 높은 재료비와 제조공정비가 큰 부담으로 작용하고 있다.
진공단열재는 통상 무기물로 이루어진 단열 성형체와 이를 감싸는 가스차단필름으로 구성되며, 단열 성형체의 내부가 진공으로 만들어지는 것을 가장 큰 특징으로 한다. 진공단열패널의 내부를 채우는 단열 성형체를 내부심재(Core)라 부른다. 내부심재는 유리섬유 압축물로 만들어지는 경우와 실리카 분말을 포함하는 분말 압축물로 만들어지는 두가지 경우가 있으며, 본 특허에서 다루는 분야는 분말 압축물로 만들어지는 내부심재이다.
국내출원 KR 1993-0024205 를 보면 심재 원료를 봉투에 계량하여 투입한 후 프레스로 제품을 평탄화 시키는 작업을 거치는 것으로, 프레스 공정에서 필름의 파손 및 표면상태 불량, 직각도 불량 등으로 패널 형태에는 미흡하여 단열재의 가장 많은 적용부위인 건축용 등으로는 적용하기가 불가능하다. 일본출원 JP 2001-116592 를 보면 심재를 단순히 성형틀에 넣고 가압하는 방식으로 성형시 많은 시간이 소요되며, 생산성에 따른 문제가 발생 된다.
그리고, 진공단열재를 이용한 심재의 제조방법으로 종래 몰드 등의 금형을 이용하여 심재를 제조하는 경우, 제조공정에 시간 및 비용이 많이 소요됨으로써 일관되고 연속적인 제조방법에 의한 진공단열재의 제조공정에 대한 필요성이 대두되었다. 또한 기존의 봉투 성형 방식 및 몰드 성형방식에서는 심재 성형을 위하여 심재내 함유되 있는 에어를 제거하기 위하여 다단계 성형 방식 등으로 많은 시간이 소요되어 생산성 및 비용 부분에서 많은 문제가 발생되었다.
이에 본 발명에서는 기존에 사용되어온 진공단열재 심재의 봉투 성형 방식 또는 몰드(성형틀) 성형방식보다 재료비 감소와 제조단가를 낮추기 위하여 진공단열재 제조 공정을 연속적으로 실시함으로써 낮은 비중의 성형체임에도 불구하고 보다 가볍고 성형체의 강도 향상 효과가 탁월하며, 혼합이 쉽고, 진공단열효과와 강도가 우수한 진공단열재의 심재를 연속적으로 제조하는 공정을 개발하여 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명은 기존보다 기계적 강도가 높고, 저렴한 진공단열재의 내부심재 및 이의 연속 제조방법을 제공한다. 이를 통하여 보다 저렴하고 수익성이 높은 진공단열패널을 얻을 수 있다.
본 발명에서는 성형성의 개선을 위하여 프레스 이전 단계에서 성형체의 에어(함유공기)를 제거하기 위한 성형기를 도입하였다.
성형틀 상부와 하부에는 에어제거가 용이하도록 미세 구멍들을 뚫었다.
프레스 이전의 성형기로 프레스 시간이 단축되며, 또한 낮은 프레스 압력으로 심재의 성형이 가능하여 밀도를 대폭 낮추어 원료가 절약되어 실질적인 원가절감 효과를 보여준다.
또한 종전의 배치식으로 제조되는 진공단열재의 문제점을 해소하기 위한 본 발명에 있어서 진공단열재의 연속제조 공정은 (1)원료준비공정, (2)원료혼합공정, (3)연속식 심재 성형공정, (4) 건조공정, (5) 랩핑포장공정, (6)진공처리 및 마무리공정으로 구성되며 진공단열재 심재를 성형시 연속 성형틀을 이용하여 연속적으로 성형하는 것이다.
본 발명을 통하여, 보다 높은 강도를 가지며, 정확한 규격 및 직각 형태를 갖춘 진공단열재의 내부심재를 얻을 수 있다. 연속 성형틀에 의한 제조 방법으로 제조시 원료의 손실이 발생되지 않고, 또한 성형 전단계에서 원료내의 에어를 사전에 제거하여 성형시 낮은 압력으로 제품을 성형하여, 저 밀도의 진공단열재 내부심재를 제조할 수 있어, 약10%이상의 원료 절약 효과를 얻을 수 있었으며, 기존의 몰드 등의 금형을 이용한 심재성형방식보다 높은 생산성 향상 및 원가절감 등의 효과를 얻을 수 있다.
도 1은, 진공단열재 심재의 연속 제조 공정순서도
도 2는, 진공단열재 내부심재의 연속 제조 장치 평면도
도 3은, 진공단열재 내부심재의 연속 제조 장치 측면도
도 2는, 진공단열재 내부심재의 연속 제조 장치 평면도
도 3은, 진공단열재 내부심재의 연속 제조 장치 측면도
본 발명의 주요부분은 10 성형틀, 20 원료저장탱크, 30 심재원료, 40 1차 성형기, 50 2차 성형기, 60 프레스, 70 벨트 콘베어, 80 탈환기, 90 단열재 심재 로 구성되며, 성형틀은 콘베이어 벨트를 따라 연속적으로 이동하며, 저장탱크에서 원료가 성형틀로 투입되어, 1차 성형기와 2차 성형기에서 각각 심재원료에 함유되 있는 공기를 제거한 후 프레스에서 최종적으로 심재를 정확한 규격 및 직각형태를 갖춘 진공단열재의 내부심재로 성형하며, 성형된 심재는 탈환기 하부에서 심재를 위로 올려 성형된 진공단열재 심재가 완성되어 생산성 및 많은 비용을 줄일 수 있으며, 또한 완성된 심재는 직각 형태의 패널로 건축용 등의 단열재가 필요로 하는 모든 부위에 적용이 가능하다.
그리고, 본 발명의 진공단열재 심재의 제조방법은 (1)원료준비공정, (2)원료혼합공정 , (3)연속식 심재 성형공정, (4) 건조공정, (5) 랩핑포장공정, (6) 진공처리 및 마무리공정으로 구성된다.
(1) 원료준비공정은 본 발명에 따른 진공단열재의 성분인 합성실리카, 유기섬유를 준비하는 공정이다. 합성 실리카는 평균 1차 입자크기는 5 ~ 50nm를 사용함이 바람직하다. 1차 입자 크기가 5nm이하가 되면 부피가 커져서 취급이 어려우며, 50nm를 넘어가면 압축시 충분한 단열효과를 얻을 수 없다. 또한 합성실리카의 BET 비표면적은 40~400m2/g을 사용하는 것이 바람직하다. 비표면적이 40m2/g이하가 되면 단열성이 떨어지고 400m2/g을 넘으면 너무 미세하여 내부심재 제조가 어려워진다.
합성실리카에는 기상반응으로 만들어지는 흄드실리카, 액상반응으로 만들어지는 침전실리카, 콜로이드 실리카, 에어로겔, 실리카졸 등의 사용이 가능하다. 이 중 제조 단가가 싸고 비표면적이 큰 흄드실리카의 사용이 바람직하다. 진공단열패널의 내부심재 제조는 순수 합성실리카 분말만으로도 제조 가능하며, 합성실리카 외에도 알루미나, 산화티탄, 탄화규소, 흑연 등의 분말이 단열성을 높이기 위해 혼합 가능하다. 바람직한 내부심재용 분말 혼합물 중 합성실리카 함량이 60중량%이상을 차지하는 것이 좋다.
유기섬유는 6 ~ 40mm로 절단하는 것이 바람직하다. 다양한 길이의 혼합보다는 일정 길이의 섬유를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 섬유가 6mm보다 짧으면 섬유 보강 효과가 현저히 떨어지며, 40mm 보다 길면 부분 뭉침이 발생하여 분말과의 균질한 혼합이 어렵다. 유기섬유의 직경은 1~100μm가 바람직하며, 보다 바람직하게는 5~40μm의 직경을 선택한다. 유기섬유는 다발로 생산되므로 1μm 미만은 분산에 많은 시간이 걸리며, 100μm 초과는 잘 휘지 않고 섬유수가 적어서 섬유보강 효과가 아주 낮다. 사용되는 유기섬유의 종류에는 PE, PP, Nylon, PVA, PAN 등의 진비중 1.4 이하의 유기섬유가 사용 가능하다. 내부심재의 섬유보강을 위하여는 유기섬유만의 사용이 바람직하나 유기섬유와 고비중의 탄소섬유, 유리섬유 등의 혼합도 가능하다. 이 경우에도 주된 보강 기능은 유기섬유가 담당하게 된다.
합성실리카 포함 분말 혼합물 100중량부에 대하여 유기섬유의 혼합물의 함량은0.5 ~ 10중량부로 함이 바람직하다. 유기섬유 함량이 너무 높아지면 진공단열패널의 경시변화를 가속하여 단열성능을 떨어뜨린다.
합성실리카 포함 분말 혼합물과 유기섬유 포함 섬유 혼합물의 배합은 분말 혼합물과 섬유 혼합물를 믹서에서 일정 배합비로 균질 배합하는 것이 좋다. 다른 방법으로 합성실리카 포함 분말 혼합물과 유기섬유 포함 섬유 혼합물을 각각의 층으로 적층하여 만드는 것도 가능하나 동일 유기섬유 사용량 대비 기계적 강도 향상 효과가 균질 배합보다 좋지는 않다.
합성실리카 포함 분말 혼합물과 유기섬유 포함 섬유 혼합물로 진공단열재의 내부심재를 만드는 제조공정은 여러 단계를 거쳐 이루어진다. 여기서 각 단계의 배치 순서에 따라 다양한 제조공정이 가능하다. 그러나 그 결과물은 유사한 물성을 가진다.
합성실리카 포함 분말 혼합물의 건조는 수분을 증발시키는 목적으로 상압에서 100~150도 건조가 바람직하다. 유기섬유 포함 섬유 혼합물의 건조는 섬유의 내열 온도에 따라 건조방식이 다르다. Nylon 섬유는 내열온도가 160도를 넘으니 100~140도의 상압 건조가 바람직하나, 낮은 내열온도를 갖는 PP 섬유 건조는 이보다 낮은 70~80도에서 저압 건조시키는 것이 좋다. 유기섬유는 섬유의 연화온도 보다 10~20도 낮은 온도에서 건조시키는 것이 좋다.
(2) 원료혼합공정은 합성실리카와 첨가제 및 유기섬유를 혼합하는 공정으로 배합은 리본믹서, 니다-기, Nauta-믹서, 블레이드 믹서 등의 분말 혼합기의 사용이 가능하다.
(3) 연속식 심재 성형공정은 성형틀이 콘베이어 벨트를 따라 연속적으로 이동하며, 저장탱크에서 원료가 성형틀로 투입되어, 1차 성형기와 2차 성형기에서 각각 심재원료에 함유되 있는 공기를 제거한 후 프레스에서 최종적으로 심재를 성형하며, 성형된 심재는 탈환기 하부에서 심재를 위로 올려 성형된 진공단열재 심재가 완성되는, 연속적으로 진공단열재 심재가 완성된다.
(4) 건조공정은 성형된 내부심재를 포장전 표면에 부착된 수분을 제거하기 위해서 실시하는 공정이다. 온도는 100 ~ 200℃ 에서 연속적으로 실시한다.
(5) 랩핑포장공정은 성형된 내부심재를 수축필름인 PE필름 또는 LDPE 필름으로 6면 랩핑(wrapping)하는 공정이다. 수축필름의 경우에는 진공공정에서 원활한 진공을 위하여 수축필름에 통기성을 갖출 수 있도록 필름에 타공을 실시한다.
이송 벨트는 재료의 준비 및 벨트프레스를 통과하는 벨트 이송장치와 이송속도를 달리하는 벨트를 사용함으로써 절단되어 공급되는 단열재 심재가 포장되는 속도와의 조절이 가능하게 된다.
(6) 진공처리 및 마무리 공정은 랩핑포장공정에서 랩핑된 심재가 가스차단필름으로 재 포장되어 진공챔버 내에서 진공상태로 조절한 후 밀봉함으로써 진공단열재를 완료하는 단계이다.
본 발명에 의한 성형시간과 심재의 밀도를 종래 기술과 대비하여 아래와 같은 결과를 얻었다.
| 구분 | 성형시간(분) | 밀도(g/) |
| 기존봉투방식 | 30 | 0.28 |
| 기존몰드방식 | 20 | 0.21 |
| 1차 성형기 및 프레스 | 3 | 0.18 |
| 2차 성형기 및 프레스 | 1 | 0.17 |
10 성형틀
20 원료저장탱크
30 심재원료
40 1차 성형기
50 2차 성형기
60 프레스
70 벨트 콘베어
80 탈환기
90 단열재 심재
20 원료저장탱크
30 심재원료
40 1차 성형기
50 2차 성형기
60 프레스
70 벨트 콘베어
80 탈환기
90 단열재 심재
Claims (7)
- (1)원료준비공정, (2)원료혼합공정, (3) 연속식 심재 성형공정, (4) 건조공정, (5) 랩핑포장공정, (6) 진공처리 및 마무리 공정으로 구성되는 실리카분체를 이용한 진공단열재 제조공정에서, (3) 연속식 심재 성형공정은 상부와 하부에 미세 기공들이 뚫려 있는 성형틀이 콘베이어 벨트를 따라 연속적으로 이동하며, 저장탱크에서 원료가 성형틀로 투입되어, 1차 성형기와 2차 성형기에서 각각 심재원료에 함유되어 있는 공기를 제거한 후 프레스에서 최종적으로 심재를 성형하며, 성형된 심재는 탈환기 하부에서 심재를 위로 올려 진공단열재 심재가 성형되는 것을 특징으로 하는 연속식 성형틀을 이용한 진공단열재 내부심재의 제조장치
- 제 1 항에 있어서 (1)원료준비공정은 5~50nm의 평균 입자크기를 갖는 합성실리카를 포함하는 분말 혼합물과 6~ 40mm로 절단된 유기섬유를 포함하는 섬유 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 성형틀을 이용한 진공단열재 내부심재의 제조장치
- 제 1 항에 있어서 (2)원료혼합공정은 실리카분말 혼합물 100중량부에 대하여 복사열 차단 첨가제 0~30 중량부, 유기섬유의 함량을 0.5~10중량부로 균질 혼합으로 제조하는 것을 특징으로 하는 연속식 성형틀을 이용한 진공단열재 내부심재의 제조장치
- 제 1 항에 있어서 (4) 건조공정은 성형된 내부심재의 수분을 제거하기 위해서 실시하는 공정으로 건조온도는 100 ~ 200℃ 에서 연속적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 연속식 성형틀을 이용한 진공단열재 내부심재의 제조장치
- 제 1 항에 있어서 (5) 랩핑포장공정은 성형된 내부심재를 수축필름인 PE필름 또는 LDPE 필름으로 6면 랩핑(wrapping)하는 공정으로 수축필름의 경우에는 진공공정에서 원활한 진공을 위하여 수축필름에 통기성을 갖출 수 있도록 필름에 타공을 실시하는 것을 특징으로 하는 연속식 성형틀을 이용한 진공단열재 내부심재의 제조장치
- 제 1 항에 있어서 (6) 진공처리 및 마무리 공정은 랩핑포장공정에서 랩핑된 심재가 가스차단필름으로 재 포장되어 진공챔버 내에서 진공상태로 조절한 후 밀봉함으로써 진공단열재를 제조하는 것을 특징으로 하는 연속식 성형틀을 이용한 진공단열재 내부심재의 제조장치
- 제 1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 의한 장치를 사용하여 진공단열재를 제조하는 것을 특징으로 하는 연속식 성형틀을 이용한 진공단열재 내부심재의 제조방법
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