KR20120104294A - 소수성 단열 방법 - Google Patents

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Abstract

접착 방식으로 입자들을 결합시키는 액체 형태의 바인더를 전혀 함유하지 않는 단열 물질로서, 대기압에서 130℃보다 높은 비등점을 가지고, 0.014~0.040 W/mK 범위의 열 전도도 λ를 가지며, 50~300 kg/㎥ 범위의 밀도를 가진, 휘발성이 낮은 오르가노실란 또는 오르가노실록산으로 처리된 단열 물질.

Description

소수성 단열 방법 {HYDROPHOBIC THERMAL INSULATION}
본 발명은 다공질 단열 방법 및 그것으로 제조된 몰딩에 관한 것이다.
에너지 절약을 위한 단열 방법은 에너지의 지속적인 개발에 대한 열망과 점증하는 비용과 관련하여 중요성이 크게 부각되었다. 단열은 에너지 가격의 상승, 점차 고갈되는 자원, CO2 방출을 감소시키려는 소망, 에너지 수요의 지속적인 감소의 필요성, 및 고온과 저온에 대한 대비가, 향후 당면하지 않을 수 없는 점증하는 요건에 비추어 볼 때 더욱 더 중요해지고 있다. 이러한 단열의 최적화에 대한 점증하는 요건은 새 건물이나 기존 건물과 같은 건물에 있어서, 그리고 모바일 분야, 물류 분야 및 설치 분야에 동일하게 적용된다.
강철, 콘크리트, 대리석과 유리 및 천연 암석과 같은 건축재는 비교적 양호한 열 전도체이므로, 이러한 것으로 만들어진 건물의 외벽은 추운 날씨에는 내부로부터 외부로 매우 빨리 열을 방출한다.
따라서, 개발의 목표는 예를 들면 콘크리트와 대리석의 경우와 같이 무엇보다도 이들 건축재의 다공도를 증가시킴으로써 단열성을 향상시키는 것이고, 둘째로는 외벽을 단열재로 피복(cladding)하는 것이다.
현재 가장 많이 사용되는 단열재는 열 전도도가 낮은 물질들이다. 사용되는 물질들은 다음과 같다:
유기 단열재
폴리스티렌, 네오포르(Neopor), 폴리우레탄과 같은 발포 플라스틱
목모(wood wool) 및 코르크와 같은 목재 섬유 물질
대마, 아마, 양모와 같은 식물성 또는 동물성 섬유
무기 단열재
미네랄 및 유리 섬유, 판 형태의 발포 유리
규산칼슘 보드 및 석고 보드
다공질 콘크리트, 부석(pumice), 펄라이트(perlite) 및 버미큘라이트(vermiculite)와 같은 미네랄 발포체.
전술한 통상적 단열재는 발포되거나 프레싱된 보드와 몰딩의 형태로, 단독으로 또는 다른 것들과 조합하여 가장 많이 사용된다. 따라서, 예를 들면 폴리우레탄과 폴리스티렌을 발포체로서 건물 벽돌의 중공의 공간(hollow space)에 직접 도입하는 것(특허 문헌 DE 8 504 737/U1) 또는 DE 102 29 856 B4에 기재되어 있는 바와 같이, 고체 보드로서 도입하는 것이 가능하다. 특허문헌 DE 102 17548 A1에 따르면, 이 기술은 또한 소정 크기로 절단된 광물면을 사용할 수도 있다. 그러나, 이러한 단열 구현예들은 모두 구체적으로 다음과 같은 단점을 가진다: 이들 물질은 모두 오늘날 요구되는 정도에 비해 너무 낮은 단열 효과를 가진다. 열 전도도는 모두 0.030 W/mK보다 높고, 따라서 상기 물질들은 높은 공간 요구량을 가지며, 특히 단열 측면에서 장기간 안정적이 아니다.
또 다른 단점은 다음과 같다:
지나치게 높은 수분 흡수성 및 물에 대한 민감성
외벽에 대한 시간 소모적이고 고비용의 적용(예; 접착제 결합, 못박기(pegging), 나사조임, 지지 시스템의 설치, 등; 여기서 열 브릿지(heat bridge)가 부분적으로 예비프로그램됨)
예를 들면 렌더(render)의 접착을 보조하기 위한 부가적 접합층
유기 단열재의 경우에, 가연성도 문제가 됨.
매우 양호한 단열 작용은 VIP라는 약어로 알려져 있는 진공 단열 패널에 의해 나타난다. 진공 단열 패널은 약 0.004~0.008 W/mK(코어 물질 및 감압에 의존함)의 열 전도도를 가지며, 따라서 통상적 단열 시스템보다 8~25배 더 양호한 단열 작용을 가진다. 따라서, 그러한 패널은 건물 섹터와 가전제품, 냉각 및 물류 섹터에 모두 사용될 수 있는 최적의 단열성을 가진 슬림한 구조를 가능하게 한다.
다공질 단열재인, 복합 필름(예; 알루미늄 복합 필름 또는 금속화 필름)과 함께 폴리우레탄 발포 보드 및 코어 물질로서 프레싱된 섬유를 기재로 하는 진공 단열 패널이 일반적으로 알려져 있고, 적합한 것으로 기재되어 있다(참고: VIP-Bau.de).
그러나, 이 VIP 기술은 다음과 같은 심각한 단점을 가진다:
손상으로 인해 공기가 이들 배기된 패널에 유입되면, 이는 매우 양호한 단열이 상실되는 것을 의미한다.
그렇게 되면 단열 작용은 오로지 사용되는 코어 물질에만 의존한다.
수명은 장벽 또는 외피를 통한 진공 패널 내로의 기체의 확산에 의해 시간적으로 제한된다.
소형 유닛의 경우에, 양호한 단열성은 열 브릿지의 형성에 의해 다시 거의 무효화된다.
건물 섹터에 있어서, 특히 다음과 같은 단점도 수반한다:
필요한 장벽이 사실상 기체 불투과성이기 때문에 패널은 통기되지 않는다.
사이트, 특히 건물 사이트에서 취급 및 가공성이 어렵거나 불가능하다.
필름의 구조로 인해, 주변 가스(주로 질소, 산소, CO2 및 수증기)의 확산이 항상 일어난다. 따라서, 긴 수명을 보장할 수 없고, 수명이 제한된다.
발열성(pyrogenic) 실리카를 기재로 하는 것과 같은 다공질 단열 물질은 더 낮은 열 전도도를 가진다(0.018~0.024 W/mK).
발열성 실리카는 유기 및 무기 클로로실란과 같은 휘발성 실리콘 화합물의 화염 가수분해(flame hydrolysis)에 의해 제조된다. 이 방법으로 제조된 이러한 발열성 실리카는 매우 다공질인 구조를 가지며, 친수성이다.
따라서, 발열성 실리카를 기재로 하는 이들 다공질 단열 물질의 단점은 다음과 같다:
높은 수분 흡수성과, 그에 따른 열 전도도의 증가 및 단열성의 감소.
빌딩 섹터에 있어서, 이것은 부가적으로 곰팡이의 증식을 초래한다.
진공 패널에 사용될 때, 수분 흡수의 결과로서 물 분자를 통해 에너지 수송이 일어날 수 있고, 이는 시스템의 열 전도도에 대해 불리한 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해소하려는 것으로, 특히 다공질 단열 물질을 기재로 하는 단열 물질을 컴팩션 또는 프레싱에 의해 실제로 사용되는 형상으로 성형함으로써 단열 물질의 단열성을 실질적으로 향상시키고, 그러한 단열성을 장기간에 걸쳐 유지하는 것이다.
상기 목적은 특허청구범위 제1항의 특징에 의해 달성된다.
본 발명은 특허청구범위 제1항에 기재된 단열 물질을 제공한다.
바람직한 구현예들은 특허청구범위의 종속항들에 기재된 바와 같다.
본 발명은, 단열 물질을 미분된 나노 크기의 실리카, 바람직하게는 발열성 실리카, 적외선 불투명체(opacifier) 및 섬유로 본질적으로 구성하는 것에 기초한다.
본 발명의 단열 물질은 입자들을 접착 방식으로 결합시키는, 액체 형태의 바인더를 전혀 함유하지 않는다.
그러나, 상기 목적은, 다공질 단열 물질을 제조하는 혼합 공정 중에, 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산을 첨가함으로써 달성되는 것으로 밝혀졌다.
이 혼합물은 상기 첨가 직후 성형 가능하고 프레싱 가능하다. 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산의 첨가는 액상 또는 기상에서 이루어진다. "인사이드 아웃(inside out)"으로부터의 반응(소수화)이 보장되기 위해서는 성분들의 매우 균일한 혼합이 중요하다. 또한, 원칙적으로는 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산을 실리카, 적외선 불투명체 및 치환 물질과 같은 개별적 성분에 첨가하는 것도 가능하다.
비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산과 실리카의 실라놀기의 반응은 바람직하게는 프레싱 공정중 또는 그 직후에 이루어진다. 상기 반응은, 요구조건에 따라서, 대기압보다 약간 높은 압력 하에서, 열의 공급이나 열의 제거(냉각)에 의해 또는 가속화제, 즉 물, 알코올 또는 염화수소와 같은 극성 물질에 의해 가속 또는 지연, 즉 제어될 수 있다. 소수화 공정으로부터 과량의 물질 또는 해리 생성물은 후속적으로, 바람직하게는 70~130℃의 온도에서 가열함으로써 배출된다.
또 다른 바람직한 구현예에 있어서, 단열 물질은 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산에 의해 물리적으로 함침된다. 즉, 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산이, 프레싱 공정중 또는 공정 후에, 후속적인 화학 반응을 거치지 않고 단열성 혼합물의 분말상 개별 성분들 상에 흡착된다.
얻어지는 보드 또는 몰딩은 물질 전체에 걸쳐 지속적으로 소수성을 가진다.
본 발명에 따라 제조되는 이들 단열 물질은 바람직하게는 0.014~0.045 W/mK, 보다 바람직하게는 0.015~0.040 W/mK, 특히 바람직하게는 0.018~0.035 W/mK 범위의 낮은 일정한 열 전도도 λ를 가지며, 단열 물질의 밀도는 바람직하게는 20~500 kg/㎥, 보다 바람직하게는 20~250 kg/㎥, 특히 바람직하게는 20~200 kg/㎥의 범위이다.
본 발명에 따른 바람직한 구현예는 하기 조성이다: 발열성 실리카 또는 실리콘 디옥사이드 에어로젤, 바람직하게는 5~98중량%, 보다 바람직하게는 10~80중량%, 특히 바람직하게는 20~70중량%, 불투명체, 바람직하게는 3~50중량%, 보다 바람직하게는 5~45중량%, 특히 바람직하게는 5~40중량%, 미분된 무기질의 추가 첨가제, 바람직하게는 0~65중량%, 보다 바람직하게는 0~60중량%, 특히 바람직하게는 0~50중량%.
또한, 본 발명의 단열 물질은 전체적으로 높은 소수성을 가진다. 즉, 본 발명의 단열 물질은 발수성이며, 그것의 수분 흡수율이 바람직하게는 20중량% 미만, 보다 바람직하게는 10중량% 미만, 특히 바람직하게는 5중량% 미만이고, 특수한 구현예에 있어서는 1중량% 미만이다.
상기 단열 물질은 바람직하게는 다공질의 단열 물질로서, 그것의 다공도 ε는 바람직하게는 77~99%, 보다 바람직하게는 89~99%, 특히 바람직하게는 91~99%의 범위이고, 기공 직경이 20~500nm, 바람직하게는 20~200nm, 특히 바람직하게는 20~100nm의 범위이다. 다공도 ε는, ε=(1-ρ/ρ0)×100으로 정의되고, 여기서 ρ는 단열 물질의 겉보기 밀도이고, ρ0는 순수한 밀도이다. 기공 직경은 수은 다공도 측정법 또는 기체 흡착 등온선에 의해 얻어질 수 있다.
또한, 본 발명의 단열 물질은 수증기에 대해 투과성이다.
또한, 본 발명의 단열 물질은 불연성이다(연소 등급 A).
또한, 본 발명의 단열 물질은 바람직하게는 화학적으로 중성이고, 건축 섹터에서 생리학적으로 허용가능하다.
본 발명에 따라 사용되는 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산은 스테아레이트, 실리코네이트, 왁스 및 지방산 등과 같은 통상적 소수화제에 비해 결정적인 이점을 가지므로, 예를 들면 상업적 1-유체 노즐 또는 2-유체 노즐 또는 3-유체 노즐 또는 분무기(atomizer)에 의해 용이하게 에어로졸로서 분무화될 수 있고, 따라서 실리카 표면 상에 최적으로 분배되고, 실리카에 존재하는 실라놀기와 화학 반응을 진행시킨다. 따라서, 친유기성의(organophilic) 소수성기에 의해, 친수성 실라놀기가 완전히, 지속적으로, 그리고 전체적으로 대체된다. 사용되는 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산의 증기압은 20℃에서 250mbar보다 높고, 바람직하게는 20℃에서 500mbar보다 높고, 특히 바람직하게는 20℃에서 1,000mbar보다 높다.
사용되는 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 오르가노실록산의 비등점은 바람직하게는 대기압에서 130℃보다 높고, 보다 바람직하게는 대기압에서 200℃보다 높고, 특히 바람직하게는 대기압에서 500℃보다 높고, 사용되는 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 오르가노실록산은 매우 특별히 바람직하게는 대기압에서 분해되지 않고는 증발될 수 없다.
비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 오르가노실록산은 바람직하게는 미분된 에어로졸로서 첨가된다. 이것은 실리카 구조를 파괴시키지 않고서 다공질 단열 물질 상에 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 오르가노실록산이 최적으로 분배되도록 보장한다.
본 발명에 따라 사용되는 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산은 휘발성 오르가노실란 또는 오르가노실록산에 비해 단열 물질의 제조 공정중에 탈착되지 않고 오프가스를 통해 대기중으로 배출되는 이점을 가진다.
본 발명에 따르면, 이하에 기재된 부정적인 성질을 가진 바인더의 사용(중공의 빌딩 블록)은 완전히 생략될 수 있다.
본 발명에 따른 코어(core) 물질은, 바림직하게는 발열성 실리카와 실리콘 디옥사이드 에어로젤을 기본 물질로서 함유하는 다공질 단열 물질을 포함한다. 불투명체, 섬유 및/또는 다른 충전재가 여기에 바람직하게 첨가된다.
발열성 실리카는 유기 및 무기 클로로실란과 같은 휘발성 실리콘 화합물의 화염 가수분해에 의해 제조된다. 이러한 발열성 실리카는 높은 다공질 구조를 가진다. 실리콘 디옥사이드 에어로젤은 수성 실리콘 디옥사이드로부터 특수 건조 공정에 의해 제조되는데, 매우 높은 다공질 구조를 가지므로, 매우 효과적인 단열 물질이다.
이러한 단열 물질의 추가적 성분들은, 적외선 범위에서 열 복사선을 흡수, 산란 및 반사할 수 있는 화합물들이다. 그것들은 일반적으로 적외선 불투명체로 지칭된다. 이들 불투명체는 바람직하게는 1.5~10m 범위의 적외선 스펙트럼 범위에서 최대치를 가진다. 이들 입자의 크기는 바람직하게는 0.5~15㎛이다. 그러한 물질의 예는 바람직하게는 산화티타늄, 산화지르코늄, 일메나이트(ilmenite), 티탄산철, 산화철, 규산지르코늄, 탄화규소, 산화망간, 및 카본 블랙이다.
본 발명의 단열 물질은 바람직하게는 다음과 같은 첨가제를 가진다: 침전형 실리카, 발열성 실리카, 전기화학적 실리콘 제조 공정과 휘발성 실리콘 화합물의 잔사의 열적 활용에서 나오는 SiO2-함유 비산 분진(fly dust), 천연 산물인 SiO2-함유 화합물, 및 열팽창된 무기 물질.
보강 또는 강화, 즉 기계적 보강을 위해, 섬유가 부수적으로 사용된다. 이러한 섬유는 무기질 또는 유기질 유래인 것일 수 있다.
무기질 섬유의 예는, 바람직하게는 유리솜, 암면, 현무암 섬유(basalt fiber), 슬래그 울(slag wool) 및 알루미늄 및/또는 실리콘 디옥사이드의 용융체로 이루어지는 세라믹 섬유, 및 추가적 무기 금속 산화물이다. 순수한 실리콘 디옥사이드는 예를 들면 실리카 섬유이다.
유기질 섬유의 예는, 바람직하게는 셀룰로스 섬유, 방직 섬유 또는 합성 폴리머 섬유이다.
다음과 같은 치수가 사용된다:
직경 - 바람직하게는 1~12㎛, 보다 바람직하게는 6~9㎛; 길이 - 바람직하게는 1~25mm, 보다 바람직하게는 3~10mm.
기술적 및 경제적 이유에서, 무기질 충전재 물질이 혼합물에 첨가될 수 있다.
바람직하게는 실리콘 디옥사이드의 다양한, 합성 방식으로 제조된 변형물, 예를 들면 침전형 실리카, 전기 아크 실리카, 실리콘 또는 규소철(ferrosilicon)의 전기화학적 제조 공정에서 휘발성 일산화규소의 산화에 의해 형성되는 SiO2-함유 비산 분진이 사용된다. 칼슘 실리케이트, 마그네슘 실리케이트 및 올리빈(마그네슘 철 실리케이트)과 같은 혼합 실리케이트와 같은 실리케이트의 산을 이용한 침출(leaching)에 의해 제조된 실리카도 사용될 수 있다. 또한, 천연 산물인 규조토와 같은 SiO2-함유 화합물이 사용된다. 바람직하게는 펄라이트 및 버미큘라이트와 같은 열에 의해 팽창된 무기 물질을 사용할 수도 있다. 요구조건에 따라서, 바람직하게는 산화알루미늄, 이산화티타늄, 산화철과 같은 미분된 금속 산화물이 첨가될 수 있다.
상기 코어 물질은 물에 대해 반발발성을 가져야 할 뿐 아니라, 수분의 흡수에 의한 어덕트의 형성을 방지해야 한다. 이러한 수분 흡수는 실리카에 존재하는 실라놀기에 의해 일어나는데, 실라놀기에 물이 부착된다. 바람직하게는 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속 스테아레이트, 실리코네이트, 왁스 및 지방에 의해 발포된 펄라이트 발수제로 구성되는 코어 물질을 제조하는 방법이 공지되어 있다(특허문헌 DE 3037409 A1). 이러한 물질이 사용될 때, 특히 통상적으로 "코팅"으로 지칭되는 표면층이 형성된다. 이러한 방식으로 처리된 코어 물질이 액상의 물에 대해 반발성을 보이지만, 코어 물질은 대기중의 수분의 형태로 수증기를 흡수하여 단열성의 저하를 초래한다. 발열성 실리카를 오르가노실란과 반응시켜서 소수성, 즉 발수성으로 만드는 것에 관해서는 예를 들면 특허문헌 DE 4221716 A1으로부터 공지되어 있다.
그러나, 유기기에 의한 캡핑(capping)으로 인해 실라놀기의 실리카 입자를 인터메싱(intermeshing)하는 것이 보장되지 않기 때문에, 그러한 소수성 실리카는 충분히 컴팩팅될 수 없고 프레싱될 수 없다. 소수성 실리카를 구비한 혼합물의 프레싱도 불가능하다. 그러나, 프레싱은 응고시키는 데 절대적으로 필요하고, 따라서 중공의 빌딩 블록의 중공의 공간에 고정시키는 데 필요하다.
프레싱 후 중공의 공간 내 오르가노실란에 의한 단열 물질의 화학적 후처리는, 코어 물질의 투과가 고압(오토클레이브) 하에서는 매우 느리게 일어날 수 있기 때문에 매우 어렵다. 또한, 코어 물질의 구조가 이 공정에서 부분적으로 파괴된다.
비교적 비휘발성인 오르가노실란으로서 하기 일반식의 오르가노실란을 사용하는 것이 바람직하다:
R1 nR2 mSiX4-(n+m) (I)
(식에서, n과 m은 0, 1, 2 또는 3일 수 있고, 합계 n+m은 3 이하이고,
R1은 포화 또는 단일 또는 다중 불포화형 1가의 Si-C-결합된 C1-C20-탄화수소 라디칼로서, 선택적으로 -CN, -NCO, -NR3, -COOH, -COOR3, -할로겐, -아크릴, -에폭시, -SH, -OH 또는 -CONR3 2에 의해 치환된 것, 바람직하게는 C1-C18-탄화수소 라디칼, 또는 아릴 라디칼 또는 C1-C15-하이드로카르본옥시 라디칼, 바람직하게는 C1-C8-하이드로카르본옥시 라디칼, 특히 바람직하게는 C1-C4-하이드로카르본옥시 라디칼이고, 여기서 하나 이상의 인접하지 않은 메틸렌 단위는 -O-, -CO-, -COO-, -OCO-, 또는 -OCOO-, -S-, 또는 -NR3- 기에 의해 치환될 수 있고, 하나 이상의 인접하지 않은 메틴 단위는 -N=, -N=N-, 또는 -P= 기에 의해 치환될 수 있고,
R2는 수소 또는 포화 또는 단일 또는 다중 불포화형 1가의 Si-C-결합된 C1-C20-탄화수소 라디칼로서, 선택적으로 -CN, -NCO, -NR3 2, -COOH, -COOR3, -할로겐, -아크릴, -에폭시, -SH, -OH 또는 -CONR3 2에 의해 치환된 것, 바람직하게는 C1-C18-탄화수소 라디칼, 또는 아릴 라디칼 또는 C1-C15-하이드로카르본옥시 라디칼, 바람직하C1-C8-하이드로카르본옥시 라디칼, 특히 바람직하게는 C1-C4-하이드로카르본옥시 라디칼이고, 여기서 하나 이상의 인접하지 않은 메틸렌 단위는 -O-, -CO-, -COO-, -OCO-, 또는 -OCOO-, -S-, 또는 -NR3- 기에 의해 치환될 수 있고, 하나 이상의 인접하지 않은 메틴 단위는 -N=, -N=N-, 또는 -P= 기에 의해 치환될 수 있고,
R3는 R2에 대해 정의된 바와 같고, R2와 R3는 동일하거나 상이할 수 있고,
X는 C-O-결합된 C1-C15-탄화수소 라디칼, 바람직하게는 C1-C8-탄화수소 라디칼, 특히 바람직하게는 C1-C3-탄화수소 라디칼, 또는 아세틸 라디칼 또는 할로겐 라디칼, 바람직하게는 염소 또는 OH 라디칼임),
또는
R1 iR2 jSi-Y-SiR1 iR2 j (II)
(식에서
R1 및 R2는 앞에 정의된 바와 같고, i와 j는 0, 1, 2 또는 3일 수 있고, 합계 i+j는 3이고,
Y는 NH 기 또는 -O- 기일 수 있고,
단, 사용되는 상기 비교적 비휘발성인 오르가노실란의 비등점은, 대기압에서 130℃보다 높고, 바람직하게는 대기압에서 200℃보다 높고, 특히 바람직하게는 대기압에서 500℃보다 높고, 또는 사용되는 상기 비교적 비휘발성인 오르가노실란은 매우 특별히 바람직하게는 대기압에서 분해되지 않고는 증발될 수 없음).
비교적 비휘발성인 오르가노실란으로서 하기 일반식의 빌딩 블록으로 구성되는 오르가노실록산을 사용하는 것이 바람직하다:
(R1 aXbSiO1/2) (III-a)
(R1 2SiO2/2) (III-b)
(R1SiO3/2) (III-c)
(R1R2SiO2/2) (III-d)
(SiO4/2) (III-e)
식에서, 상기 빌딩 블록은 임의의 혼합물 중에 존재할 수 있지만, 단 사용되는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산의 비등점은, 대기압에서 130℃보다 높고, 바람직하게는 대기압에서 200℃보다 높고, 특히 바람직하게는 대기압에서 500℃보다 높고, 또는 사용되는 상기 비교적 비휘발성인 오르가노실란은 매우 특별히 바람직하게는 대기압에서 분해되지 않고는 증발될 수 없고,
R1, R2, R3 및 X는 앞에서 정의된 바와 같고, 각각의 경우에 동일하거나 상이할 수 있고,
a와 b는 0, 1, 2, 또는 3일 수 있고, 단 합계 a+b는 3이다.
바람직하게는 일반식 III-a의 빌딩 블록 2개, 바람직하게는 일반식 III-b의 빌딩 블록 1~50,000개, 보다 바람직하게는 일반식 III-a의 빌딩 블록 1~10,000개, 특히 바람직하게는 일반식 III-b의 빌딩 블록 1~5,000개를 사용하는 것이 바람직하고, 여기서 R1은 바람직하게는 메틸이고, X는 바람직하게는 -OCH3 또는 -OH이다.
25℃에서 측정된 사슬형 오르가노실록산의 동적 점도는 바람직하게는 1㎟/s 내지 100,000㎟/s, 보다 바람직하게는 2㎟/s 내지 50,000㎟/s, 특히 바람직하게는 5㎟/s 내지 10,000㎟/s이다.
일반식 III-a의 빌딩 블록 2개 및 바람직하게는 일반식 III-b의 빌딩 블록 1~100,000개 및 바람직하게는 III-d의 빌딩 블록 1~500개, 바람직하게는 일반식 III-b의 빌딩 블록 1~50,000개 및 바람직하게는 일반식 III-d의 빌딩 블록 1~250개, 특히 바람직하게는 III-b의 빌딩 블록 1~10,000개 및 바람직하게는 일반식 III-d의 빌딩 블록 1~200개, 매우 특별히 바람직하게는 III-b의 빌딩 블록 1~5,000개 및 바람직하게는 일반식 III-d의 빌딩 블록 1~100개로 구성되는 사슬형 유기작용성 오르가노폴리실록산을 사용하는 것이 바람직하고, 여기서 R1은 바람직하게는 메틸이고, R2는 바람직하게는 -CH2-CH2-CH2-NH2 또는 -CH2-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-NH2이다.
실리콘 수지로 알려져 있는 가교결합되거나 부분 가교결합된 오르가노폴리실록산, 바람직하게는 일반식 III-a의 빌딩 블록과 일반식 III-e의 빌딩 블록을 함유하는 것, 특히 바람직하게는 R1=메틸, a=3, b=0인 것, 바람직하게는 일반식 III-c의 빌딩 블록과 일반식 III-b의 빌딩 블록을 함유하는 것, 특히 바람직하게는 R1=메틸인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 오르가노실록산은 순수한 형태 또는 임의의 혼합물로 사용될 수 있다.
상기 비교적 비휘발성인 실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산의 첨가량은 실리카의 비표면적(BET 표면적), 혼합물 중에서 이것들의 비율 및 실란의 형태에 의존한다. 사기 첨가량은 바람직하게는 0.5~20중량%, 보다 바람직하게는 1~10중량%의 범위이다. 실란은 혼합물의 제조시, 바람직하게는 액체 형태로 첨가되고, 개별적 성분들의 균일한 혼합이 이루어지도록 하는 것이 필요하다.
다공질 단열 물질의 제조는 일반적으로 다양한 혼합 장치에서 이루어진다. 그러나, 위성 믹서가 바람직하게 사용된다. 여기서, 섬유의 완전한 분산을 보장하기 위해서는 먼저 섬유를 제2 혼합 성분들의 일부와 예비혼합하여 일종의 마스터배치를 형성하는 것이 유리하다. 섬유를 분산시킨 후, 혼합 성분들의 대부분이 첨가된다. 혼합 시퀀스의 마지막 단계로서, 비교적 비휘발성인 실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산이 첨가된다.
혼합 공정이 완료된 후, 혼합물의 벌크 밀도는 성분들의 형태와 양에 따라, 바람직하게는 40~180g/l, 보다 바람직하게는 40~90g/l 범위일 수 있다. 얻어지는 다공질 혼합물의 분말 유동성은 매우 양호하므로 문제점 없이 균일하게 프레싱되어 보드를 형성할 수 있고, 또는 예를 들면, 중공의 빌딩 블록의 중공의 공간 내에 도입되어 프레싱될 수 있다. 보드를 형성하기 위해 프레싱하는 경우에, 특정한 보드 두께를 고정함으로써 단열 물질의 중량, 밀도 및 그 결과로서 열 전도도에 대해 상당한 영향이 미칠 수 있다. 보드의 밀도가 낮을수록, 열 전도도는 낮고, 단열성은 더 양호하다. 현실적인 밀도는 바람직하게는 80~300kg/㎥, 보다 바람직하게는 100~200kg/㎥ 범위이다.
이상과 같이 기재된 방식으로 제조된 다공질, 소수성 단열 물질은 본 발명에 따라 하기와 같은 것으로서 사용된다:
중공의 빌딩 블록에서의 단열재로서,
멀티셸 빌딩 블록에서의 핵심 단열재로서,
진공 단열 패널(VIP)용 핵심 단열재로서,
단열 복합 시스템(TICS)용 핵심 단열재로서,
대리석으로 만들어진 캐비티 벽에서의 단열재로서.
본 발명은 또한, 본 발명의 단열 물질을 포함하는 몰딩, 빌딩 블록, 빌딩 시스템과 복합 빌딩 시스템을 제공하는데, 이들 몰딩, 빌딩 블록, 빌딩 시스템과 복합 빌딩 시스템은 부분적으로 또는 완전히 상기 단열 물질로 구성된다.
본 발명의 문맥에 있어서 전술한 소수성, 다공질의 단열 물질의 용도 중 하나는 본 발명에 따라, 중공의 빌딩 블록에서의 용도이다.
중공의 빌딩 블록은 하나 이상의 중공의 공간을 가진 빌딩 엘리먼트이다. 그것은 구워진 점토(벽돌), 콘크리트, 유리, 석고와 같은 무기질 세라믹 물질과, 자연석, 예를 들면 석회암 사암(calcareous sandstone)과 같은 천연 산물로 구성될 수 있다. 바람직한 것은 벽돌, 콘크리트 및 경량 콘크리트로 이루어지는 중공의 빌딩 블록을 사용하는 것이다.
구현예는 벽 빌딩 블록, 바닥판(floor slab), 천장 엘리먼트 및 빌딩 입구 엘리먼트이다.
이러한 빌딩 엘리먼트의 중공의 공간은 스티로포르(Styropor) 발포체 또는 펄라이트 발포체와 같은 다공질 중공의 공간-구조를 가진 단열 물질로 충전될 수 있는 것으로 알려져 있다(특허문헌 DE 3037409 A1 및 DE-A 2825508). 이러한 빌딩 엘리먼트는 통합된(integrated) 단열체를 가진 중공의 빌딩 블록이라 지칭된다.
통합된 단열체를 가진 중공의 빌딩 블록은 그 구조의 석조물 특성(masonry character)이 유지된다는 이점을 가진다.
이러한 통합된 단열체를 가진 중공의 빌딩 블록의 사용은 특히 양호한 단열성과 유리한 수증기 투과성뿐 아니라 석조물에서의 물 흡수가 거의 없는 것이 보장되고, 열의 저장성도 향상된다.
이러한 통합된 단열체를 가진 중공의 빌딩 블록의 단열 물질은 유기질 또는 무기질 유래 중 어느 하나일 수 있다.
유기 물질로서는, 발포 폴리스티렌 입자를 단열 물질로서 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 발포 폴리머 입자는 표면에서 서로 결합되고 고정되어, 가스-투과성 간극(interstice)을 형성하지 않는다.
제조 방법은, 중공의 공간을 느슨한 폴리스티렌 펠릿으로 채우고, 이어서 이들 펠릿을 고온의 가스, 통상적으로는 스팀에 의해 발포시킴으로써 수행된다. 그러한 단열 빌딩 블록은 향상된 단열 능력을 가진다. 단점은 이러한 빌딩 엘리먼트의 유기질 성분이 가진 가연성이다. 마찬가지로, 상기 단열 능력은 물/습기의 흡수로 인해 시간의 경과에 따라 대폭 감소된다.
통합된 단열체를 가진 중공의 빌딩 블록용 무기 물질로서, 발포된 펄라이트 및 버미큘라이트를 사용하는 것이 바람직하다. 비닐 아세테이트와 아크릴계-비닐 아세테이트 코폴리머를 기재로 하는 수성 분산액과 같은 바인더에 의해 결합되고 강화된 발포된 펄라이트를 사용하는 것이 바람직하다. 바인더를 필요로 하는 이러한 충전물은 높은 비율의 가연성 성분을 가지며, 얻어지는 단열성도 최적이 아니다.
펄라이트의 결합 및 강화는 알칼리 금속 물유리를 바인더로서 사용하여 마찬가지로 달성될 수 있다. 이 공정은 강알칼리성의 흡습성인 코어 물질을 형성하고, 풍화(efflorescence)를 초래한다. 또한, 이미 만족스럽지 못한 단열성이 더욱 감소된다. 실리카 졸을 바인더로서 사용하는 것은 높은 물 흡수성과 불량한 단열성을 가진 불량하게 응고된 단열 물질을 초래한다.
본 발명에 따른 소수성의 다공질 단열 물질을 전술한 중공의 빌딩 블록에 사용하는 것은 이들 블록의 단열성을 향상시키며, 단열성을 높은 수준에서 지속적으로 유지시킨다.
본 발명에 따르면, 적절한 단열 물질은 프레싱되어 정밀한 치수를 가진 보드가 형성되고, 중공의 빌딩 블록의 챔버 내에 일체화될 수 있지만, 비교적 비휘발성인 실란 또는 비교적 비휘발성인 오르가노실록산과 혼합된 혼합물을 빌딩 블록의 챔버 내에 도입하여 프레싱 보조기에 의해 챔버에서 직접 프레싱하는 것도 가능하다. 대안으로서, 정밀한 치수를 가진 보드는 앞서 제조된 대형 보드로부터 절단되어 빌딩 블록 내에 일체화될 수도 있다.
바람직하게는 PUR 발포체 또는 다른 접착성 발포체 또는 접착제에 의해 중공의 공간에 보드를 고정할 수도 있다.
마찬가지로, 기계적 영향 및 그에 따른 단열물로부터 분진의 발생을 방지하기 위해, 부직포에 의한 봉합(envelopment)이 수행될 수 있다.
비용과 관련하여 단열성을 얻을 수 있는 유효성을 활용하기 위해, 본 발명에 따라 매우 효율적인 소수성 다공질 단열물과, 단열 효과가 상대적으로 적은 통상적인 단열 시스템을 효과적으로 조합할 수 있다. 마찬가지로, 용도와 단열 능력에 따라, 단열 물질을 포함하지 않는 단일 또는 다중의 중공 챔버가 제공될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 다공질 단열 물질을 기재로 하는 단열 물질의 단열성을 실질적으로 향상시키고, 그러한 단열성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있다.
실시예:
본 발명에 따른 중공의 빌딩 블록용 별도의 코어 물질(A)의 실시예 및 통상적 코어 물질(B)의 비교예를 이하에 설명한다.
사이클론 믹서에서 3,000rpm으로 혼합을 수행했다.
열 전도도(λ)를 측정하기 위해, 250×250×25mm의 치수를 가진 몰딩을 혼합된 물질로부터 수압식 프레스 상에서 약 50kg/㎠의 압력으로 프레싱했다.
혼합물 A:
포뮬레이션:
발열성 실리카(BET 표면적 200㎡/g; Wacker Chemie AG로부터 상표명 HDK® N20 하에 입수가능) 80중량%
유리 섬유(길이 6mm; 굵기 7㎛) 3중량%
루타일(입자 크기 약 10㎛) 15중량%
아미노폴리디메틸실록산(아민가(amine number) 3; 25℃에서의 동적 점도 30㎟/s) 2중량%
혼합물의 총중량: 1,025g
먼저, 섬유 30g, 루타일 75g 및 실리카 200g을 3분간 예비혼합하여 섬유를 분산시켰다. 이어서, 고체 성분의 잔량(실리카 625g, 루타일 75g)을 첨가하고, 혼합물을 추가로 2분간 혼합했다. 아미노폴리디메틸실록산 20g을 이 혼합물에 첨가하고, 혼합물을 추가로 1분간 교반했다.
마감 처리된 혼합물로부터 312g을 채취하고, 프레싱하여 외형 치수가 250×250×25mm인 고체 본체를 형성했다.
이어서, 이 몰딩을 150℃에서 60분간 가열했다.
혼합물 B:
포뮬레이션:
발포된 펄라이트 68중량%
칼륨 물유리 32중량%
혼합물의 총중량: 1,000g
상기 성분들을 (A)의 경우와 동일한 혼합 장치에서 5분간 혼합했다. 혼합물 344g을 프레싱하여 (A)의 경우와 동일한 외형 치수를 가진 몰딩을 형성하고, 이어서 150℃에서 20분간 가열했다.
혼합물 C:
포뮬레이션:
발열성 실리카(BET 표면적 300㎡/g; Wacker Chemie AG로부터 상표명 HDK® T30 하에 입수가능) 84.5중량%
셀룰로스 울 3중량%
카본 블랙(Evonik, 화염 블랙 101) 10중량%
OH-말단형 폴리디메틸실록산(점도 30㎟/s) 3중량%
혼합물의 총중량: 1,030g
먼저, 섬유 30g, 카본 블랙 100g 및 실리카 200g을 3분간 예비혼합하여 섬유를 분산시켰다. 이어서, 고체 성분의 잔량(실리카 670g)을 첨가하고, 혼합물을 추가로 2분간 혼합했다. OH-말단형 폴리디메틸실록산 30g을 이 혼합물에 첨가하고, 혼합물을 추가로 1분간 교반했다.
마감 처리된 혼합물로부터 187.5g을 채취하고, 프레싱하여 외형 치수가 250×250×25mm인 고체 본체를 형성했다. 이어서, 이 몰딩을 150℃에서 60분간 가열했다.
결과:
혼합물 치수(㎛) 중량(g) 겉보기 밀도(g/l) λ(mW/mK) 소수성
A 250×250×25 312.0 200 18 있음
B 250×250×25 344.0 220 24 없음
C 250×250×25 187.5 120 22 있음
열 전도도의 판정: DIN EN 12667에 따라 2-플레이트 방법을 이용하여 수평 위치에서 Poensgen 플레이트 장치 사용.
소수성의 판정: 보드에 한 방울의 물을 적용함. 상기 물 방울이 1시간 이내에 흡수되는 경우: 소수성 없음, 상기 물 방울이 1시간에 걸쳐 흡수되지 않는 경우: 소수성 있음.

Claims (7)

  1. 접착 방식으로 입자들을 결합시키는 액체 형태의 바인더를 전혀 함유하지 않는 단열 물질로서,
    대기압에서 130℃보다 높은 비등점을 가지고, 0.014~0.040 W/mK 범위의 열 전도도 λ를 가지며, 50~300 kg/㎥ 범위의 밀도를 가진, 비교적 비휘발성인 오르가노실란 또는 오르가노실록산으로 처리된
    단열 물질.
  2. 제1항에 있어서,
    하기 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 단열 물질:
    발열성(pyrogenic) 실리카 또는 실리콘 디옥사이드 에어로젤 5~98중량%, 불투명체(opacifier) 3~50중량%, 추가적 첨가제 0~65중량%.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    사용되는 상기 비교적 비휘발성인 오르가노실란이 하기 일반식을 가지는 것을 특징으로 하는 단열 물질:
    R1 nR2 mSiX4-(n+m) (I)
    (식에서, n과 m은 0, 1, 2 또는 3일 수 있고, 합계 n+m은 3 이하이고,
    R1은 포화 또는 단일 또는 다중 불포화형 1가의 Si-C-결합된 C1-C20-탄화수소 라디칼로서, 선택적으로 -CN, -NCO, -NR1R3, -COOH, -COOR2, -할로겐, -아크릴, -에폭시, -SH, -OH 또는 -CONR2 2에 의해 치환된 것, 또는 아릴 라디칼 또는 C1-C15-하이드로카르본옥시 라디칼이고, 여기서 하나 이상의 인접하지 않은 메틸렌 단위는 -O-, -CO-, -COO-, -OCO-, 또는 -OCOO-, -S-, 또는 -NR1- 기에 의해 치환될 수 있고, 하나 이상의 인접하지 않은 메틴 단위는 -N=, -N=N-, 또는 -P= 기에 의해 치환될 수 있고, X = 할로겐, 질소 라디칼, OR3, OCOR3, O(CH2)1OR3이고,
    R2는 수소 또는 포화 또는 단일 또는 다중 불포화형 1가의 Si-C-결합된 C1-C20-탄화수소 라디칼로서, 선택적으로 -CN, -NCO, -NR1 2, -COOH, -COOR1, -할로겐, -아크릴, -에폭시, -SH, -OH 또는 -CONR3 2에 의해 치환된 것, 또는 아릴 라디칼 또는 C1-C15-하이드로카르본옥시 라디칼이고, 여기서 하나 이상의 인접하지 않은 메틸렌 단위는 -O-, -CO-, -COO-, -OCO-, 또는 -OCOO-, -S-, 또는 -NR1- 기에 의해 치환될 수 있고, 하나 이상의 인접하지 않은 메틴 단위는 -N=, -N=N-, 또는 -P= 기에 의해 치환될 수 있고, X = 할로겐, 질소 라디칼, OR3, OCOR3, O(CH2)1OR3이고,
    R3는 R2에 대해 정의된 바와 같고, R2와 R3는 동일하거나 상이할 수 있고,
    X는 C-O-결합된 C1-C15-탄화수소 라디칼, 또는 아세틸 라디칼 또는 할로겐 라디칼, 또는 OH 라디칼이고,
    l = 1, 2, 3임),
    또는
    R1 iR2 jSi-Y-SiR1 iR2 j (II)
    (식에서
    R1 및 R2는 앞에 정의된 바와 같고, i와 j는 0, 1, 2 또는 3일 수 있고, 합계 i+j는 3이고,
    Y는 NH 기 또는 -O- 기일 수 있고,
    단, 사용되는 상기 비교적 비휘발성인 오르가노실란의 비등점은, 대기압에서 130℃보다 높음).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    사용되는 상기 비교적 비휘발성인 오르가노실록산은 하기 일반식의 빌딩 블록으로 구성되는 것을 특징으로 하는 단열 물질:
    (R1 aXbSiO1/2) (III-a)
    (R1 2SiO2/2) (III-b)
    (R1SiO3/2) (III-c)
    (R1R2SiO2/2) (III-d)
    (SiO4/2) (III-e)
    식에서, 상기 빌딩 블록은 임의의 혼합물 중에 존재할 수 있지만, 단 사용되는 상기 비교적 비휘발성인 오르가노실록산의 비등점은, 대기압에서 130℃보다 높고,
    R1, R2, R3 및 X는 앞에서 정의된 바와 같고, 각각의 경우에 동일하거나 상이할 수 있고,
    a와 b는 0, 1, 2, 또는 3일 수 있고, 단 합계 a+b는 3임.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    하기 적외선 불투명체가 사용되는 것을 특징으로 하는 단열 물질:
    산화티타늄, 산화지르코늄, 일메나이트(ilmenite), 티탄산철, 산화철, 규산지르코늄, 탄화규소, 산화망간 및 카본 블랙.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하기 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열 물질:
    침전형 실리카, 발열성 실리카, 전기화학적 실리콘 제조 공정과 휘발성 실리콘 화합물의 잔사의 열적 활용에서 나오는 SiO2-함유 비산 분진(fly dust), 천연 산물인 SiO2-함유 화합물, 및 열팽창된 무기 물질.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 단열 물질을 포함하거나, 부분적으로 또는 완전히 상기 단열 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는, 몰딩, 빌딩 블록, 빌딩 시스템 또는 복합 빌딩 시스템.
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