KR20130022167A - 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용한 단열재 성형방법 - Google Patents

유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용한 단열재 성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용한 단열재 성형방법에 관한 것으로, 본 발명의 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더는, 메틸알코올(Methyl Alcohol) 또는 에틸알코올(Ethyl Alcohol) 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 용매 100중량부에 대하여, 실리카졸(Silica Sol) 또는 벤토나이트(Bentonite) 2 ~ 6중량부, 에어로젤(Aerogel) 1 ~ 10중량부, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액 20 ~ 30중량부, 수용성 접착제 5 ~ 15중량부, 난연제 5 ~ 15중량부의 비율로 포함되어 이루어짐을 특징으로 하며, 추가적으로 실란 커플링제(Silane Coupling Agent) 1 ~ 3중량부, 불소계 발수제 3 ~ 5중량부를 포함할 수 있다.
상기 에어로젤은 실리카(Silica, SiO2), 알루미나(Alumina, Al2O3), 티타니아(Titania, TiO2), 탄소(Carbon, C) 에어로젤 중에서 선택되는 어느 1종 이상으로 구성되고, 상기 수용성 접착제는 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate, PVA), 폴리아크릴산에스테르(Polyacrylic Ester) 중에서 선택되는 어느 1종 이상으로 구성되며, 상기 난연제는 브롬계, 인계, 수산화 알루미늄계, 안티몬계, 수산화 마그네슘계 난연제 중에서 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하고 있다.
그리고 본 발명의 에어로젤 바인더를 이용한 유리장섬유 단열재의 성형방법은, 상기 에어로젤 바인더를 교반 분산시키는 제1단계; 상기 에어로젤 바인더를 유리장섬유 매트에 함침시키거나 도포하는 제2단계; 상기 유리장섬유 매트를 롤러로 압착하여 두께를 조절하는 제3단계; 상기 유리장섬유 매트를 다층으로 적층하고, 성형 및 건조하는 제4단계를 차례로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더는 장기간 접착성능이 저하되지 않는 바인더를 얻을 수가 있게 됨은 물론, 주로 수용성 물질과 난연제로 조성되는 관계로 환경에 매우 친화적이며, 유리장섬유 단열재가 고열에 의해 연소되더라도 연기발생이 억제되고 유해물질 발생을 감소시키는 효과가 있으며, 또한 상기 바인더에 휘발성 용매인 알코올을 사용함으로써 소수성인 에어로젤과 기타 재료와의 분산과 혼화가 잘 되고, 유리장섬유 매트에 대한 에어로젤의 함침성과 접착력을 양호하게 하여 단열재의 품질과 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 에어로젤 바인더를 사용한 유리장섬유 단열재는 상기 바인더에 에어로젤(Aerogel)을 일정량 사용함으로써 내화성이 향상되고 유리장섬유 매트의 기공 증대로 인하여 흡음성이 개선될 뿐만 아니라, 발수성과 CUI(Corrosion Under Insulation) 저항성, 경량화 등의 특성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용한 단열재 성형방법{AN AEROGEL BINDER FOR FORMING INSULATING MATERIALS OF GLASS LONG FIBERS AND FORMING PROCESS OF INSULATING MATERIALS THEREBY}
본 발명은 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용한 단열재 성형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유리장섬유 매트를 이용하여 단열재를 성형할 경우, 에어로젤(Aerogel)을 일정량 포함하는 바인더를 유리장섬유 매트에 함침 또는 도포시킴으로써, 그 접착력에 의해 2겹 이상의 매트가 일정한 형태로 성형된 유리장섬유 단열재는 내화성, 발수성, 흡음성, 경량화 등의 특성이 개선되어 각종 산업용 설비의 배관이나 공업용 로(爐)와 같은 보온보냉용 플랜트 시설은 물론, 항공기, 선박, 자동차, 건축 구조물 등의 불연, 단열흡음재로 다양하게 적용할 수 있는 환경 친화적인 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용한 단열재 성형방법에 관한 것이다.
일반적으로, 통상의 플랜트 현장이나 정유회사의 배관과 각종 보온, 보냉 장치들의 단열재로서 폴리에틸렌 및 폴리우레탄폼 단열재, 또는 퍼라이트(Perlite)나 규산칼슘 단열재, 유리섬유 단열재 등 여러 가지 종류가 사용되고 있으나, 이들 중 폴리에틸렌이나 폴리우레탄폼 단열재는 융점이 낮아 고온용으로서는 부적합하고 또 단열성이 떨어져 에너지 낭비를 가져오게 되며, 배관이나 장치물에 비해 낮은 수명으로 잦은 교체를 요하게 되므로 설치비용 부담이 가중된다.
본 출원인은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 유리섬유매트를 이용한 단열파이프의 제조방법에 대하여 이미 국내특허 제274314호, 제522568호 등을 통해 개시한 바 있으며, 그러한 제조방법을 통하여 제조되는 단열파이프는 유리섬유가 갖는 특성상 고열에 견딜 수 있고 또 바인더가 도포된 유리섬유매트를 성형롤러에 권취하여 가압 성형함으로써 경량화는 물론, 약 180 ~ 220kg/㎥의 고밀도화로 높은 단열성을 지닐 수가 있어 정유회사나 발전소 등의 산업용 배관과 건축 구조물은 물론, 불연성, 흡음성 등이 요구되는 각종 부위의 보온 단열용으로 매우 적합한 것으로 평가받고 있다.
상기 유리장섬유 단열재는 유리장섬유(E-Glass Fiber)로 이루어진 매트를 니들펀칭하여서 된 니들매트에 내열성 바인더를 도포하거나 함침한 후, 상기 니들매트를 2겹 이상으로 가압 성형하여 제조되며, 그 종류는 보드형 보온단열재, 파이프형 보온단열재 등과 같이 다양한 형태로 제작되어 사용할 수 있고, 그 특성상 내열성이 높고 높은 공극률로 경량화가 가능하며, 각 층의 매트는 니들펀칭을 통하여 고밀도화가 가능할 뿐만 아니라 이를 적층시켜 접착 성형시킴으로써 고온단열재로서의 용도로 널리 사용될 수 있다.
그리고 상기 유리장섬유는 용융점이 약 750℃ 정도로서 고온에 충분히 견딜 수가 있으나, 일반적으로 이용되고 있는 바인더의 경우 고온에서 쉽게 연소되므로, 유리섬유 단열파이프를 고온이 발생되는 파이프라인의 보온단열용으로 이용하기 위해서는 고온에도 견딜 수 있고, 또 유리섬유가 갖는 수명만큼 장기간 강한 접착력을 유지할 수 있는 특성을 부여하는 것이 가장 중요한 과제이다.
한편, 에어로젤(Aerogel)은 고체 상태의 물질로 젤에서 액체 대신 기체로 채워져 있는 형태로서, 결과적으로 초저밀도와 같은 현저한 물성을 나타내며, 특히 단열효과가 높은 것으로 잘 알려져 있다. 에어로젤은 초임계 건조 및 상압 건조방식을 통하여 제조되는 저밀도 나노기공 구조의 미세 분말로서, 단열, 방음 및 우수한 전극 재료로의 활용도가 높은 신소재이나, 그 자체적으로는 고유 기공을 유지하는 초경량성과 소수성에 따른 기타 재료와의 혼화성이 매우 낮아 응용 제품화하는데 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다.
에어로젤은 기존의 석고 보드와 같은 무기질계 단열재 및 우레탄폼과 같은 합성수지 단열재 등에 비해 우수한 단열 성능을 갖고 있으나, 실용화에 있어서 매우 느린 상태로 기술 개발이 진행 중에 있으며, 이러한 기술적 문제로 소수화 처리된 에어로젤이 최근 들어 상용화가 일부 이루어지고 있으나, 그 기능을 유지하기 위한 소수성으로 인해 기타 재료와의 혼화력이 낮아 상품화하여 실용화하는데 많은 애로사항이 있다.
이와 같이, 에어로젤은 초경량 소수성으로 인한 장점도 있으나, 이로 인해 기타 재료와의 혼화가 잘 되지 않는 단점이 있으며, 이를 극복하고 기공 상태를 유지한 상태로 일반 재료와 잘 혼화되게 하는 것이 현재 해결해야 할 주요 과제로 여러 기관에서 많은 연구가 진행 중에 있다.
본 발명은 역설적으로 에어로젤의 소수성을 이용한 단열재에 관한 것으로, 에어로젤이 포함된 바인더에 유리장섬유 매트를 함침시켜 다층으로 접착 성형된 단열재는 고다공성으로 인하여 단열성과 내화성, 흡음성, 발수성이 향상될 뿐만 아니라, 소재의 경량화를 달성한다는 점에 착안하여 본 발명을 완성한 것이다. 이때, 에어로젤 분말의 함량을 극대화하면 최고의 내화성과 경량화 특징을 발휘할 수 있지만, 소재의 특성상 그 자체적으로 단열성이 높으면 강도 및 부착력이 취약하고, 강도가 높으면 단열, 방음이 낮은 상반된 관계로 에어로젤과 기타 재료와의 조성비율의 조정 또한 매우 중요하다.
본 발명의 목적은, 유리장섬유 매트를 이용하여 단열재를 성형할 경우, 에어로젤(Aerogel)을 일정량의 비율로 포함하는 바인더를 유리장섬유 매트에 함침 또는 도포시킴으로써 그 접착력에 의해 2겹 이상의 매트가 일정한 형태로 성형되어 제조된 유리장섬유 단열재는 내화성과 흡음성은 물론, 발수성, 경량화 등의 특성이 향상되는 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용한 단열재 성형방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 유리장섬유 매트를 접착시키는 바인더로 휘발성 용매인 알코올을 사용함으로써 소수성인 에어로젤과 기타 재료와의 분산과 혼화가 잘 되게 하며, 또한 유리장섬유 매트에 대한 에어로젤의 함침성과 접착력을 양호하게 하여 단열재의 품질과 생산성을 향상시키는 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용한 단열재 성형방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더는, 메틸알코올(Methyl Alcohol) 또는 에틸알코올(Ethyl Alcohol) 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 용매 100중량부에 대하여, 실리카졸(Silica Sol) 또는 벤토나이트(Bentonite) 2 ~ 6중량부, 에어로젤(Aerogel) 1 ~ 10중량부, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액 20 ~ 30중량부, 수용성 접착제 5 ~ 15중량부, 난연제 5 ~ 15중량부의 비율로 포함되어 이루어짐을 특징으로 하며, 추가적으로 실란 커플링제(Silane Coupling Agent) 1 ~ 3중량부, 불소계 발수제 3 ~ 5중량부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 에어로젤은 실리카(Silica, SiO2), 알루미나(Alumina, Al2O3), 티타니아(Titania, TiO2), 탄소(Carbon, C) 에어로젤 중에서 선택되는 어느 1종 이상으로 구성되고, 상기 수용성 접착제는 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate, PVA), 폴리아크릴산에스테르(Polyacrylic Ester) 중에서 선택되는 어느 1종 이상으로 구성되며, 상기 난연제는 브롬계, 인계, 수산화 알루미늄계, 안티몬계, 수산화 마그네슘계 난연제 중에서 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하고 있다.
그리고 본 발명의 에어로젤 바인더를 이용한 유리장섬유 단열재의 성형방법은, 상기 에어로젤 바인더를 교반 분산시키는 제1단계; 상기 에어로젤 바인더를 유리장섬유 매트에 함침시키거나 도포하는 제2단계; 상기 유리장섬유 매트를 롤러로 압착하여 두께를 조절하는 제3단계; 상기 유리장섬유 매트를 다층으로 적층하고, 성형 및 건조하는 제4단계를 차례로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더는 메틸알코올(Methyl Alcohol) 또는 에틸알코올(Ethyl Alcohol) 중에서 선택되는 어느 1종의 용매 100중량부에 대하여, 실리카졸(Silica Sol) 또는 벤토나이트(Bentonite) 2 ~ 6중량부, 에어로젤(Aerogel) 1 ~ 10중량부, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액 20 ~ 30중량부, 수용성 접착제 5 ~ 15중량부, 난연제 5 ~ 15중량부의 비율로 포함되어 이루어짐으로써 장기간 접착성능이 저하되지 않는 바인더를 얻을 수가 있게 됨은 물론, 주로 수용성 물질과 난연제로 조성되는 관계로 환경에 매우 친화적이며, 유리장섬유 단열재가 고열에 의해 연소되더라도 연기발생이 억제되고 유해물질 발생을 감소시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 바인더에 휘발성 용매인 알코올을 사용함으로써 소수성인 에어로젤과 기타 재료와의 분산과 혼화가 잘 되며, 또한 유리장섬유 매트에 대한 에어로젤의 함침성과 접착력을 양호하게 하여 단열재의 품질과 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 의한 에어로젤 바인더를 사용한 유리장섬유 단열재는 상기 바인더에 에어로젤(Aerogel)을 일정량 사용함으로써 내화성이 향상되고 유리장섬유 매트의 기공 증대로 인하여 흡음성이 개선될 뿐만 아니라, 발수성과 CUI(Corrosion Under Insulation) 저항성, 경량화 등의 특성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 에어로젤 바인더를 이용한 유리장섬유 단열재의 성형방법을 나타내는 구성도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 의한 에어로젤 바인더를 이용한 유리장섬유 단열재의 성형방법에 대하여 설명하기로 하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 예시하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 에어로젤 바인더를 이용한 유리장섬유 단열재의 성형방법은 제1단계 내지 제4단계를 포함하여 이루어진다.
제1단계 공정은, 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더를 교반 분산시키는 것으로, 상기 에어로젤 바인더는 메틸알코올(Methyl Alcohol) 또는 에틸알코올(Ethyl Alcohol) 중에서 선택되는 어느 1종의 용매 100중량부에 대하여, 실리카졸(Silica Sol) 또는 벤토나이트(Bentonite) 2 ~ 6중량부, 에어로젤(Aerogel) 1 ~ 10중량부, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액 20 ~ 30중량부, 수용성 접착제 5 ~ 15중량부, 난연제 5 ~ 15중량부의 비율로 포함되어 이루어짐을 특징으로 하며, 추가적으로 실란 커플링제(Silane Coupling Agent) 1 ~ 3중량부, 불소계 발수제 3 ~ 5중량부를 포함하여 이루어진다.
먼저, 본 발명에서는 메틸알코올(CH3OH) 또는 에틸알코올(C2H5OH) 중에서 선택되는 어느 1종의 용매 100중량부에 대하여, 실리카졸(Silica Sol) 또는 벤토나이트(Bentonite)를 2 ~ 6중량부로 함유하는바, 상기 실리카졸 및 벤토나이트는 분말 상태로 극성 용매인 알코올에 의해 팽윤되어 겔화되며, 이는 유리장섬유 매트의 형상을 유지하고 단열재의 표면을 평탄화하기 위한 작용을 함과 아울러, 각 매트 층간의 접착력을 향상시켜 성형된 단열재의 변형을 방지한다.
본 출원인은 종래에 유리장섬유 단열재용 바인더에 사용되는 용매로서 물을 제안하였으나, 상기 알코올류의 용매는 통상적으로 사용되는 친수성 극성 용매로 알려져 있는바, 이로 인하여 소수성인 에어로젤과 기타 재료와의 분산과 혼화가 잘 이루어지게 하며, 또한 유리장섬유 매트에 대한 에어로젤의 함침성을 양호하게 하고, 휘발성이 우수하여 바인더의 접착력 향상과 접착성능 저하 방지, 그리고 제품의 생산성을 향상시키게 된다.
본 발명에서 용매로 사용되는 메틸알코올(메탄올)과 에틸알코올(에탄올)은 알코올이라는 같은 부류의 물질이고 화학적 성질이 비슷하며, 메탄올이 에탄올에 비해 탄소와 수소를 적게 포함하고 있기 때문에 메탄올의 끓는점이 에탄올보다 낮다. 다시 말해, 탄소 수가 3개 이하인 저급 알코올은 휘발성이 강하고 물에 녹으며, 분자량이 커질수록 물에 대한 용해도는 감소하고 끓는점, 증기압, 밀도, 점성도는 증가한다. 다만, 메탄올은 인체 내에 흡수 시, 간에서 포름알데히드라는 물질로 변환되어 인체에 치명적인 반면, 에탄올은 인체 내에 흡수되어 아세트알데히드라는 독성이 상대적으로 적은 물질로 변화하여 음용이 가능할 정도이므로, 본 발명에서는 제조과정에서의 환기장치 설치로 인하여 유기용매 사용에 따르는 위험성을 어렵잖게 해결할 수 있다.
그리고 상기 실리카졸의 실리카 입자는 구형이고 -SiOH그룹과 -OH이온이 입자표면에 존재하고 알칼리 이온에 의해 이중전기층 구조를 가지며, 같은 음전하를 띤 입자들 사이의 반발력 때문에 실리카졸은 안정된 상태를 유지할 수 있다. 그러나 이러한 전기화학적 균형이 깨어지면 입자들이 서로 얽히게 되고 점도가 상승하여 겔화, 응집 등의 반응이 일어나 겔이 되는데, 이러한 겔화의 정도는 일정하지 않고 실리카졸의 종류, 농도, 온도 등에 따라 다를 수 있으므로 그 함유량은 상기 용매 100중량부에 대하여 2 ~ 6중량부 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 벤토나이트는 주로 스멕타이트군(群)에 속하는 결정질 점토광물로 구성되어 있으며, 스멕타이트군은 나트륨이나 칼슘은 물론 철과 마그네슘을 함유하는 수화된 규산알루미늄이다. 그러한 성질로 인하여 벤토나이트는 많은 양의 용매 또는 물을 흡수해 원래 부피의 여러 배로 팽창되며 겔과 같은 상태가 됨으로써 본 발명에서 요구되는 작용을 수행한다.
한편, 본 발명에서 사용되는 에어로젤(Aerogel)은 90 ~ 99.8%가 공기로 이루어져 있고, 보통 밀도는 3 ~ 150㎎/㎤이다. 에어로젤은 스티로폼과 같은 느낌이 나지만 말랑말랑하지는 않고 한 번 눌리면 복원되지 않는다. 아주 세게 압력을 가하면 유리와 같이 산산조각으로 깨지는 특성이 있지만, 구조적으로는 매우 튼튼하여 자기 무게의 2000배 정도로 지탱할 수 있다. 이는 2 ~ 5nm 크기의 구형 파티클(particle)들이 결합되어 나뭇가지 형태의 클러스터(cluster)를 형성하는 미세구조에 기인한다. 이런 클러스터는 3차원적인 그물망 모양으로 100nm보다 작은 기공을 가진 다공성 구조를 형성하며, 기공의 평균 크기와 밀도는 제조공정 중 조절될 수 있다.
위와 같은 이유로, 에어로젤은 현저한 단열 및 내화성능을 보이는데, 이는 열전달이 일어나는 3가지 방법인 대류, 전도, 복사를 무력화시키기 때문이다. 대류를 효과적으로 차단하는 이유는 공기가 기공을 통해 순환할 수 없기 때문이다. 통상 실리카(Silica, SiO2) 에어로젤이 전도를 효과적으로 차단하는 이유는 실리카가 열전도가 잘 되지 않는 물질이기 때문이다(반면, 금속 에어로젤은 좀 더 나은 열전도체가 될 수 있다). 탄소(Carbon, C) 에어로젤이 복사를 효과적으로 차단하는 이유는 탄소가 열전달이 일어나는 적외선 복사를 흡수해 버리기 때문이다. 가장 단열성능이 좋은 에어로젤은 탄소를 첨가한 실리카(Silica, SiO2) 에어로젤이며, 여기에 알루미나(Alumina, Al2O3), 티타니아(Titania, TiO2), 탄소(Carbon, C) 에어로젤 중에서 선택되는 어느 1종 이상을 혼합 사용하여도 무방하고, 각각 단독으로 사용하더라도 그 특성을 나타내기에 충분한 것으로 조사되었다.
그리고 기존 단열재 성형용 바인더에 상기 에어로젤의 첨가로 인하여 유리장섬유 매트의 내부에 기공이 형성되어 단열재의 경량화와 더불어 내화성과 흡음성을 향상시키며, 또한 단열재의 표면 전체에 걸쳐 형성된 에어로젤의 소수성에 따른 탁월한 발수성능으로 인하여 장치나 배관에 빗물이 유입되거나 응축수가 발생되어 전기화학전지가 형성됨에 의해 금속이 부식되는 현상(CUI, Corrosion Under Insulation)에 대한 저항성을 현저히 높일 수 있게 된다.
참고로, 에어로젤은 흡습성으로 인해 건조한 느낌이 나며, 강력한 제습제로 작용한다. 대부분이 공기로 이루어져 있기 때문에 반투명하며, 색깔이 나는 것은 나노 크기의 수지 구조에 의해 파장이 짧은 가시광선의 산란에 기인한다. 이로 인해 어두운 배경에서는 푸르스름한 색이 나타나고, 밝은 배경에서는 흰색이 나타난다. 에어로젤은 그 자체로서는 친수성으로 물을 흡수하면 수축이나 분해와 같은 구조적 변화가 유발되므로 화학처리를 통해 소수성으로 만들어 이를 방지하고 있으며, 내부까지 소수성 처리를 하면 깊은 크랙이 발생하더라도 에어로젤이 분해되는 것을 방지할 수 있다.
상기 에어로젤은 용매 100중량부에 대하여 1 ~ 10중량부로 함유되는 것이 바람직하며, 에어로젤 분말의 함량을 극대화하면 최고의 내화성능과 경량화 특성을 발휘할 수 있지만, 소재의 특성상 그 자체적으로 단열성이 높으면 강도 및 부착력이 약하고 강도가 높으면 단열, 방음 등의 성능이 낮은 상반된 관계로 에어로젤과 기타 재료와의 조성비율의 조정은 본 발명에 있어 매우 중요한 기술적 요건이다.
또한, 본 발명은 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액을 20 ~ 30중량부로 포함하는데, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨은 물을 흡수하여 팽대하는 성질이 강하며, 상기 용액은 증점제로 작용하여 바인더의 수분증발과 노화를 방지하고 점성을 적절히 유지시킴으로써 유리장섬유 매트에 대한 바인더의 도포를 고르게 하고 작업성을 양호하게 한다.
또한, 본 발명은 수용성 접착제를 사용하는바, 상기 수용성 접착제는 유리장섬유 매트의 층간 접착력에 문제가 없다면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 본 발명에서는 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate, PVA), 폴리아크릴산에스테르(Polyacrylic Ester) 중에서 선택되는 어느 1종 이상으로 사용함으로써 유해물질을 거의 발생시키지 않기 때문에 작업자나 주변 환경에 나쁜 영향을 미치지 않는다. 상기 수용성 접착제는 유리장섬유 매트의 규격 등을 고려하여 상기 용매 100중량부에 대하여 5 ~ 15중량부로 함유하는 것이 안정된 접착력과 내구성을 확보하기에 바람직하다.
참고로, 상기 폴리비닐아세테이트는 단량체인 아세트산비닐을 과산화물 촉매로 처리하여 제조되며, 폴리아크릴산에스테르는 단량체인 아크릴산에 개시제를 첨가하여 가열하면 용이하게 부가 중합되어 제조된다.
또한, 본 발명에서는 바인더에 난연성을 부여하기 위해 난연제를 5 ~ 15중량부의 비율로 포함하는데, 난연제는 연소하기 쉬운 성질을 가지고 있는 유기물질을 물리, 화학적인 방법으로 개선하여 연소를 억제하거나 완화시키는 효과를 갖는 물질로서, 가열, 분해, 발열 등의 특정한 연소단계를 방해함으로써 그 기능을 나타내며, 본 발명에서는 브롬계, 인계, 수산화 알루미늄계, 안티몬계, 수산화 마그네슘계 난연제 중에서 선택되는 어느 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하고, 그 요구되는 특성은 난연성, 용해성, 내후성, 상용성, 내이행성, 기본 수지와의 물성 변화를 고려하여 특별한 제한 없이 적절하게 그 종류와 사용량을 선택할 수 있다.
나아가, 본 발명의 바인더는 상기 용매 100중량부에 대하여, 각각 실란 커플링제 1 ~ 3중량부, 불소계 발수제 3 ~ 5중량부를 포함할 수 있는바, 실란 커플링제는 바인더의 접착력과 장기간 안정성을 유지시키며, 불소계 발수제는 내열성과 내연성이 탁월할 뿐만 아니라 강력한 발수성능이 요구되는 용도에 추가적으로 첨가함으로써 주변 환경에 열악하게 노출되어 있는 단열재의 기능과 수명을 더욱 향상시키게 되는 것이다.
제2단계 공정은, 상기 제1단계 공정에서 제조된 에어로젤 바인더를 유리장섬유 매트에 함침시키거나 도포하는 것으로, 유리장섬유 매트는 주로 긴 유리섬유(E-glass fiber)를 카딩작업 후 니들펀칭하는 방법으로 제작되며, 이로 인하여 요구되는 매트 밀도와 층간의 결합력, 바인더의 함침성 및 형태유지에 필요한 지지력을 더욱 견고하게 확보하게 된다. 본 공정은 연속적으로 유리장섬유 매트를 에어로젤 바인더에 함침시키거나 그 표면 전체에 걸쳐 에어로젤 바인더가 도포되도록 하며, 만약 에어로젤 바인더를 유리장섬유 매트에 도포할 경우, 후공정인 롤링과 동시에 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명한 것이다.
이하, 본 명세서에서 “유리장섬유 (니들)매트(E-Glass Fiber Needle Mat, EGNM))”는 E-Glass Fiber를 얇은 슬라브 형태로 하여 그것을 적층하여 니들펀칭기에 의해 침자방식으로 결속시킨 매트 형상의 단열흡음소재를 의미하며, E-Glass는 비중 2.45 정도의 매우 딱딱한 재질이지만, E-Glass Fiber는 직경이 5 ~ 10㎛, 길이 2 ~ 3inch 수준의 섬유상으로 제조되어 유연성이 우수하고, 이 E-Glass Fiber를 적층하여 제조한 매트는 비중이 0.2 정도로서 다공질의 경량성 재질 특성을 나타낸다.
또한, 본 발명에 이용되는 유리장섬유 매트는 상기 니들펀칭된 유리섬유 매트로 한정하는 것은 아니고, 유리장섬유 매트를 가공하여 제작된 다양한 형태의 단열재이면 본 발명의 기술적 범위에 모두 해당된다.
참고로, 유리섬유는 매우 가늘고 길게 성형한 후에 급냉시켜 만든 섬유형태의 유리를 말한다. 유리섬유는 그 형태와 생산방법에 따라 단열흡음재로 사용하는 단섬유와 각종 수지보강재로 사용되는 장섬유로 구분되며, 일반적으로 단섬유를 글라스 울(Glass Wool), 단섬유를 글라스 파이버(Glass Fiber)라고 부른다. 또한, 그 조성에 따라 E-Glass, C-Glass, S-Glass, 석영유리로 구분하고, 인장율이 높은 M-Glass도 있다. 장섬유인 글라스 파이버 가운데 가장 먼저 개발된 E-Glass는 조성 중 알칼리성분이 거의 없어 고온에서의 안정성이 우수하고 전기전도도가 낮아 절연성이 우수한 재료로 평가되고 있다. E-Glass는 열경화성 수지가 개발된 1930년대부터 수지를 보강시켜 주는 수지강화제로 사용되기 시작하여 전기절연성을 이용한 각종 전기전자 제품부터 고강도가 요구되는 항공기 부품에까지 사용되고 있다.
제3단계 공정은, 유리장섬유 매트를 롤러로 압착하여 두께를 조절하는 것으로, 상기와 같은 롤링을 통하여 유리장섬유 매트의 내부 조직과 표면 형상을 균일하게 함과 아울러 비중을 일정하게 유지토록 하며, 후공정에서 이루어지는 지그나 프레스에 의한 단열재의 성형을 원활하게 한다.
제4단계 공정은, 에어로젤 바인더가 함침 또는 도포된 유리장섬유 매트를 다층으로 적층하고, 성형 및 건조하여 유리장섬유 단열재를 제조하는 것으로서, 단열재의 종류에 따라 원통형의 지그를 이용하여 다층으로 접합시켜 파이프 형태의 단열재로 성형하거나 프레스로 압착하여 다층으로 접합시킴에 의해 보드 형태의 단열재로 성형할 수도 있다. 이때, 적층되는 유리장섬유 매트는 사용되는 매트나 단열재의 두께에 따라 2 ~ 10겹(枚) 정도로 조정할 수 있다. 그리고 성형이 완료된 유리장섬유 단열재는 본 출원인이 특수 제작한 마이크로파(micro wave) 가열장치를 거쳐 건조시키며, 단열재의 규격에 따라 약 300℃ 이하의 온도에서 2 ~ 10 시간 이내로 가열하여 숙성시킴으로써 에어로젤 바인더를 사용함에 따른 균일한 접착력과 단열효과 등의 성질을 극대화할 수 있는 것으로 연구되었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 수많은 실험을 거쳐 완성되었으나, 이하에서는 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있을 정도의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.
<실시예 1>
(에어로젤 바인더의 제조)
가열수단을 갖는 교반기에 메틸알코올(Methyl Alcohol) 100중량부를 투입하여 약 45℃의 온도로 가열한 상태에서 벤토나이트(Bentonite) 분말 4중량부를 투입하여 60℃로 상승할 때까지 3시간 동안 교반 분산시킨 다음, 실리카 에어로젤(Silica Aerogel) 3중량부, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액 20중량부, 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate, PVA) 10중량부, 난연제(수산화마그네슘) 5중량부의 비율로 투입한 후 충분히 교반하여 에어로젤 바인더를 제조하였다. 이때, 상기 바인더의 점도는 약 15Pa/s로 유지한다.
(유리장섬유 단열재 성형)
에어로젤 바인더에 두께 10㎜인 유리장섬유 매트를 함침시킨 다음, 롤러로 압착하고, 다시 원통형의 지그에 3층으로 적층 성형하여 두께 30㎜인 파이프 형태의 유리장섬유 단열재를 제조하고, 당사에서 보유하고 있는 마이크로파 건조장치에서 약 180 ~ 200℃의 온도로 2시간 동안 건조하였다.
<실시예 2>
(에어로젤 바인더의 제조)
가열수단을 갖는 교반기에 에틸알코올(Ethyl Alcohol) 100중량부를 투입하여 약 60℃의 온도로 가열한 상태에서 실리카졸(Silica Sol) 분말 4중량부를 투입하여 75℃로 상승할 때까지 3시간 동안 교반 분산시킨 다음, 실리카 에어로젤(Silica Aerogel) 5중량부, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액 25중량부, 폴리아크릴산에스테르(Polyacrylic Ester) 10중량부, 난연제(수산화마그네슘) 5중량부의 비율로 투입한 후 충분히 교반하여 에어로젤 바인더를 제조하였다. 이때, 상기 바인더의 점도는 약 15Pa/s로 유지한다.
(유리장섬유 단열재 성형)
실시예 2에 따른 유리장섬유 단열재의 성형은 상기 에어로젤 바인더의 구성성분이 실시예 1과 다른 것을 제외하고는, 동일한 조건에 의한 방법으로 유리장섬유 단열재를 제조하였다.
<실시예 3>
(에어로젤 바인더의 제조)
가열수단을 갖는 교반기에 메틸알코올(Methyl Alcohol)과 에틸알코올(Ethyl Alcohol) 각각 50중량부씩 투입하여 약 50℃의 온도로 가열한 상태에서 벤토나이트(Bentonite) 분말 4중량부를 투입하여 65℃로 상승할 때까지 3시간 동안 교반 분산시킨 다음, 실리카 에어로젤(Silica Aerogel)과 탄소(Carbon Aerogel) 에어로젤 각각 4중량부, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액 30중량부, 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate, PVA) 10중량부, 난연제(수산화마그네슘) 5중량부의 비율로 투입한 후 충분히 교반하여 에어로젤 바인더를 제조하였다. 이때, 상기 바인더의 점도는 약 15Pa/s로 유지한다.
(유리장섬유 단열재 성형)
실시예 3에 따른 유리장섬유 단열재의 성형은 에어로젤 바인더의 구성성분이 실시예 1과 다른 것을 제외하고는, 동일한 조건에 의한 방법으로 유리장섬유 단열재를 제조하였다.
<비교예 1>
(바인더의 제조)
비교예 1에 따른 바인더는 알코올 대신 물을 용매로 사용하고, 실리카 에어로젤(Silica Aerogel)을 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 제조하였다.
(유리장섬유 단열재 성형)
비교예 1에 따른 유리장섬유 단열재의 성형 또한 바인더의 구성성분이 다른 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건에 의한 방법으로 유리장섬유 단열재를 제조하였다.
<비교예 2>
비교예 2에 따른 단열재는 시중에서 판매되고 있는 두께 30㎜인 규산칼슘(Calcium Silicate)재의 파이프 커버를 사용하였다.
<실험예>
실시예 1 내지 실시예 3, 그리고 비교예 1 및 비교예 2에서 각각 제조된 단열재를 KS L9016, KS M3500, KS F2271, KS F4714 등 공인된 시험기준에 따라 5회 반복 측정하고, 그 평균값을 아래 표 1에 나타내었다.
항 목 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
열전도율
(W/mk, at 70℃)		 0.030 0.031 0.029 0.028 0.063
압축강도
(kPa)		 137 132 123 148 190
밀도
(㎏/㎥, Max)		 213 210 206 220 240
최고적용온도
(℃)		 840 850 870 750 650
표면발수도
(%, 1시간 후)		 99.9< 99.9< 99.9< 99.8< 72.9
CUI 저항성
(316℃, 48시간)		 적합 적합 적합 적합 해당없음
흡수율
(%)		 1시간 후 11.12 10.29 9.60 11.37 320.00
3시간 후 15.03 14.29 13.61 15.63 376.00
24시간 후 33.22 31.39 29.30 35.55 394.20
배수율
(%)		 1시간 후 13.36 15.94 19.64 12.20 1.54
2시간 후 20.08 22.29 25.24 18.22 1.86
9시간 후 56.51 59.81 64.11 46.78 3.68
상기 표 1에서와 같이, 본 발명의 에어로젤 바인더를 이용하여 성형된 유리장섬유 단열재로 시험한 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예 1의 유리장섬유 단열재에 비해 밀도, 내화성 등의 성능이 현저히 개선되어 보다 고온에서 안정되게 사용할 수 있는 것으로 나타났으며, 아울러 별도의 발수제를 사용하지 않더라도 발수성이 매우 향상되어 CUI 저항성은 물론, 장기간 우수한 접착력을 확보할 수 있는 관계로 내구성과 흡음성이 향상되는 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 아울러 본 발명의 유리장섬유 단열재는 에어로젤 바인더를 사용함으로써 압축강도가 다소 저하되지만 매트 자체의 유연성이 증대되어 성형가공이 더욱 양호하게 되는 장점도 있다.
따라서 본 발명의 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더 및 이를 이용하여 성형된 단열재는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능한 것으로, 각종 산업용 설비의 배관이나 공업용 로(爐)와 같은 보온보냉용 플랜트 시설은 물론, 항공기, 선박, 자동차, 건축 구조물 등의 불연, 단열흡음재로 적용할 수 있는 환경 친화적인 소재로서 다양한 용도와 형태로 사용되어 질 수 있다.

Claims (7)

  1. 메틸알코올(Methyl Alcohol) 또는 에틸알코올(Ethyl Alcohol) 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 용매 100중량부에 대하여, 실리카졸(Silica Sol) 또는 벤토나이트(Bentonite) 2 ~ 6중량부, 에어로젤(Aerogel) 1 ~ 10중량부, 카르복시메틸 셀룰로오스나트륨(Sodium Carboxymethyl Cellulose) 5% 용액 20 ~ 30중량부, 수용성 접착제 5 ~ 15중량부, 난연제 5 ~ 15중량부의 비율로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용매 100중량부에 대하여, 추가적으로 실란 커플링제(Silane Coupling Agent) 1 ~ 3중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용매 100중량부에 대하여, 추가적으로 불소계 발수제 3 ~ 5중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어로젤은 실리카(Silica, SiO2), 알루미나(Alumina, Al2O3), 티타니아(Titania, TiO2), 탄소(Carbon, C) 에어로젤 중에서 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수용성 접착제는 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate, PVA), 폴리아크릴산에스테르(Polyacrylic Ester) 중에서 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 난연제는 브롬계, 인계, 알루미늄계, 안티몬계, 수산화 마그네슘계 난연제 중에서 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유리장섬유 단열재 성형용 에어로젤 바인더.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 에어로젤 바인더를 교반 분산시키는 제1단계;
    상기 에어로젤 바인더를 유리장섬유 매트에 함침시키거나 도포하는 제2단계;
    상기 유리장섬유 매트를 롤러로 압착하여 두께를 조절하는 제3단계;
    상기 유리장섬유 매트를 다층으로 적층하고, 성형 및 건조하는 제4단계;
    를 차례로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로젤 바인더를 이용한 유리장섬유 단열재의 성형방법.
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