KR20130031218A - 중합체 매트릭스 및 그 내부에 매립된 과립을 포함하는 복합 재료 - Google Patents

중합체 매트릭스 및 그 내부에 매립된 과립을 포함하는 복합 재료 Download PDF

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크리스티안 아일브라흐트
카르스텐 쉴러
마르틴 글로스
게오르크 마르코브츠
토르스텐 슐츠
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에보니크 골트슈미트 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 중합체를 포함하는 중합체 매트릭스, 및 중합체 매트릭스 내로 매립된, 주위 환경에 대해 폐쇄되고 그 내부에 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대한 부압이 존재하는 하나 이상의 공동을 갖는 과립을 포함하는 복합 재료, 상기 복합 재료의 제조 방법, 및 절연 재료로서의 용도를 제공한다.

Description

중합체 매트릭스 및 그 내부에 매립된 과립을 포함하는 복합 재료{COMPOSITE MATERIALS COMPRISING A POLYMER MATRIX AND GRANULES EMBEDDED THEREIN}
본 발명은, 하나 이상의 중합체를 포함하는 중합체 매트릭스; 및 그 중합체 매트릭스 내로 매립된, 바람직하게는 매립 후에 주위 환경에 대해 폐쇄되고 그 내부에 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대한 부압(underpressure)이 존재하는 하나 이상의 공동을 갖는 과립 또는 형태를 포함하는 복합 재료; 상기 복합 재료의 제조 방법; 및 절연 재료로서의 용도에 관한 것이다.
열 절연에서의 최신 기술은, 다공성 코어 물질 - 예를 들어, 치밀화된 발연 실리카(아에로실(Aerosil)), 섬유 매트 또는 개방-셀 발포체 - 을, 기밀 시트 재료로 엔벨로핑(enveloping)시킨 다음 배기시켜서 제조된 진공 절연 패널(VIP)이다. 이 패널에 의해 우수한 열 절연력(10℃에서 DIN 52 612에 따라 측정된 3.5 * 10-3 W*m-1*K-1 미만의 열 전도도가 실현가능함)이 얻어지지만, 상기 절연 효과는 기밀 시트가 손상되면 현저히 감소된다. 결과적으로 상기 패널은 특정의 목적하는 치수로 제조되어야 하고 보호된 방식으로 설치되어야 한다[참조: http://www.va-q-tec.com/]. 또한, 상기 시트는 일반적으로 한정된 장벽 밀봉 품질을 지니므로, 또한 절연 효과에서도 다소 신속한 노화 관련 열화가 발생한다.
역으로, 강성의 폴리우레탄 발포체는 매우 양호한 가공 품질을 갖는다. 이 재료로 제조된 절연 보드는 임의 크기로 절단될 수 있거나, 상기 발포체는 충전되는 공동 중에서 직접 제조될 수 있다. 상기 후자 공정은 특히 냉각 장치(냉장고)에서 일반적이다. 그러나, 절연 특성은 약 20 * 10-3 W*m-1*K-1의 최소 열 전도도가 얻어지기 때문에 진공 절연의 절연 특성에 아주 못 미친다[참조: http://www.waermedaemmstoffe.com/].
현재 점점 더 주목되고 있는 에너지 효율과 기후 보호의 결합된 토픽은, 특히 냉각 장치의 제조업자들 가운데서, 특히 VIP를 사용한 개선된 열 절연에 의해 효율을 현저히 증강시키기 위한 혁신적인 해결방법에 증가된 관심을 유발시키고 있다. 현재 논의중인 해결방법은, 강성 PU 발포체와 함께 VIP의 사용을 구상하고 있다; 즉, 상기 패널을 내부 라이너와 외부 시트-강철 스킨 사이에 있는 공동 내로 삽입시킨 다음, PU로 둘러싸서 발포시킨다. 이러한 방식으로, 냉각장치에 대해 확립된 제조 방법은 대체로 매우 보존될 수 있다[참조: http://www.appliancedesign.com/Articles/Article_Rotation/BNP_GUID_9-5-2006_A_10000000000000893355].
건물의 열 절연에서, VIP의 사용은, 절연 보드가 다양한 크기 및 형태로 요구됨에도 불구하고 VIP가 크기로 절단시킬 수 없고 기밀된 외부 스킨이 손상되는 경우 VIP가 그 효과를 상실하기 때문에, 실질적으로 더욱 문제가 된다. 또한, 빌딩 분야에서는 수명 요건이 일반적으로 훨씬 더 높다.
따라서 본 발명의 목적은, 진공 절연 패널의 최고 열 절연성을, 폴리우레탄 발포체의 우수한 다중적 가공 가능성과 조합시킨 절연 재료를 제공하는 것이다.
놀랍게도, 배기시킨 과립 또는 (일반적으로) 형태가 내부로 매립된 중합체 매트릭스가 상기 목적을 실현함이 발견되었다.
따라서, 본 발명은, 하나 이상의 중합체를 포함하는 중합체 매트릭스; 및 그 중합체 매트릭스 내로 매립된, 주위 환경에 대해 폐쇄되고 그 내부에 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대한 부압이 존재하는 하나 이상의 공동을 갖는 과립 또는 형태를 포함하는 복합 재료를 제공한다.
마찬가지로 본 발명은, 중합체 매트릭스를 생성시키는 재료를, 주위 환경에 대해 폐쇄되고 그 내부에 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대한 부압이 존재하는 하나 이상의 공동을 갖는 과립 및/또는 형태와 혼합시키고, 이 혼합물로부터, 과립이 매립되는 중합체 매트릭스가 생성되는, 본 발명의 복합 재료의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 복합 재료 또는 본 발명에 따라 수득가능한 복합 재료의 절연 재료로서의 용도, 및 또한 본 발명의 복합 재료를 포함하거나 본 발명에 따라 수득가능한 물품이 본 발명에 의해 제공된다.
본 발명의 복합 재료는, 이들 재료가 실제적으로 임의의 상상할 수 있는 형태 및 크기로 제조될 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 본 발명의 복합 재료는 양호한 특정 절연 특성에서 어떠한 중대한 손실없이 임의의 목적하는 크기 및 형태로 절단될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 복합 재료는 선행 기술에 공지된 진공 절연 패널보다 실질적으로 다중면을 갖도록(multi-faceted way) 사용될 수 있지만, 동시에 이는 순수 PU 발포체 절연 재료보다 더 양호한 절연성을 제공한다.
또한, 본 발명의 복합 재료는 18 * 10-3 W*m-1*K-1 미만의 열 전도도(10℃에서 DIN 52 612에 따라 측정됨)를 갖는다는 이점이 있다.
본 발명의 복합 재료, 그의 제조 방법, 및 그의 용도를 이하에서 예를 들어 설명하지만, 본 발명을 이러한 예시적인 실시양태들로 제한하려는 것은 아니다. 이하에서 화합물의 범위, 일반식 또는 부류가 주어지면, 이들은 단지 명확하게 설명되는 화합물의 상응하는 범위 또는 그룹 뿐만 아니라, 개별 값(범위) 또는 화합물을 추출하여 수득될 수 있는 화합물의 모든 하위 범위 및 하부 그룹을 포함해야 한다. 본 명세서의 문맥에서 문헌이 인용되면, 특히 인용된 실질적인 내용에 관한 그 내용은 완전히 본 발명의 개시 내용의 일부를 형성해야 한다. 이하에서 평균 값이 주어지면, 다르게 언급되지 않은 한 이러한 평균은 수 평균이다. 이하에서 퍼센트로 표시된 숫자가 주어지면, 다르게 언급되지 않는 한 이러한 퍼센트는 질량%이다.
본 발명의 복합 재료는, 이 복합 재료가 하나 이상의 중합체를 포함하는 중합체 매트릭스; 및 그 중합체 매트릭스 내로 매립된, 주위 환경에 대해 폐쇄되고 그 내부에 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대한 부압이 존재하는 하나 이상의 공동을 갖는 과립 또는 형태를 포함한다는 사실에 의해 구분된다. 상기 "부압"은 바람직하게는 500 mbar 미만, 바람직하게는 0.001 내지 200 mbar, 보다 바람직하게는 0.1 내지 100 mbar이다. 복합 재료 내 과립의 질량 분율은 바람직하게는 20 내지 99 질량%, 보다 바람직하게는 50 내지 90 질량%이다. 상기 과립 또는 형태는 실질적으로 하나 이상의 유기 물질 및/또는 하나 이상의 무기 물질로 이루어질 수 있다. 여기서 상기 표현 "실질적으로"는 과립의 전체 질량을 기준으로 70% 이상, 바람직하게는 90% 이상의, 질량 분율에 의한 %를 의미한다. 상기 과립은 바람직하게는 실질적으로 무기 물질, 더욱 구체적으로는 산소 함유 화합물, 또는 금속 또는 반금속 염으로 이루어진다. 바람직한 산소 함유 화합물은 산화알루미늄 또는 알루미노실리케이트 또는 이산화실리콘 또는 실리카, 더욱 구체적으로는 발연 실리카 또는 침강 실리카이다. 특히 바람직한 과립은 실질적으로, 발연 실리카 및/또는 바람직하게는 침강 실리카의 치밀화된 분말로 이루어진다. 다양한 불투명화제, 예컨대 SiC, 카본 블랙, 흑연, 산화철, 또는 TiO2를 단독으로 또는 조합하여 바람직하게는 1 내지 30 질량%, 보다 바람직하게는 5 내지 10 질량%(과립 또는 분말 질량을 기준으로)의 분율로 또한 포함시킬 수 있다. 불투명화제가 존재하면 복사선 열 전도에서의 감소가 나타날 수 있다. 또한, 기계적 안정화를 위해, 상기 과립 또는 형태는 섬유, 예컨대 유리, 세라믹 또는 중합체 섬유, 및 또한 미립화 공정으로부터의 보조제, 예를 들어 결합제를 포함할 수 있다.
상기 과립은 바람직하게는 50 ㎛ 내지 100 mm 바람직하게는 100 ㎛ 내지 50 mm, 및 보다 바람직하게는 0.5 mm 내지 20 mm의 평균 입자 크기(grain size) d50(DIN 66165-2에 따라 측정됨)을 갖는다. 최대 충전 수준을 얻기 위해서 및/또는 가공성을 개선시키기 위해서, 입자 크기 분포의 특정 분배, 예컨대 쌍봉성 또는 삼봉성 분포를 사용하는 것이 유용할 수 있다. 미립화 공정에 의존적인 과립-입자(granule-grain) 형태 및 크기 분포를 갖는 과립에 대한 대안으로, 규정된 기하구조를 갖는 형태, 예를 들어 구체 또는 직육면체를 사용할 수 있다. 이 경우에, 과립의 평균 입자 크기에 대해 상응하는 범위는 3개의 공간 방향에서의 바람직한 치수에 관해 적용된다.
과립의 개별 입자 또는 형태 각각이 하나 이상의 공동을 갖는다는 것이, 본 발명에 본질적이다. 형태학적 관점에서, 상기 공동은, 예를 들어 중공 구체의 경우에서와 같이 고체 물질에 의해 둘러싸인 하나의 공동을 포함할 수 있거나, 복수개의 격리된 폐쇄 기공(pore)을 포함할 수 있거나, 또는 개방 기공 및/또는 채널의 망상구조를 포함할 수 있다. 상기 과립 입자 또는 형태는 바람직하게는 실질적으로 치밀화된 분말로 이루어져 있어서, 개방된 기공 시스템은 개별적인 주 입자들 사이에서 유지된다. 매우 미세하게 분할되거나 심지어 나노구조를 가져 상응하는 미세하게 구조화된 기공 시스템을 생성시키는 분말을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 사용된 바람직한 분말 또는 물질은 5 ㎡/g 초과, 보다 바람직하게는 50 ㎡/g 내지 1000 ㎡/g의 (ISO 9277에 따른) BET 표면적을 갖는다.
중합체 매트릭스 중에 존재하는 과립은 바람직하게는 50 내지 99.9%, 보다 바람직하게는 75 내지 99%의, 과립 입자의 전체 부피에 대한 폐쇄된 공동의 부피의 비인 기공률(porosity) Φ를 갖는다. 폐쇄된 공동을 갖는 과립 또는 과립 입자 또는 형태의 전체 부피는, 적합한 액체, 예를 들어 물 또는 에탄올의 대체된 부피를 측정함으로써 확인될 수 있다. 폐쇄된 공동의 부피는, 전체 부피에서 과립 고체의 부피를 차감하여 결정될 수 있다. 고체의 부피는 고체 물질의 밀도가 알려져 있는 경우에는 확인된 질량으로부터 용이하게 계산될 수 있거나, 전체 부피가 측정된 과립을 분쇄기 또는 막자사발을 사용하여 20 ㎛의 평균 입자 크기 d50으로 분쇄시키고, 생성된 분말의 부피 또는 밀도를 확인한다.
과립 입자 또는 형태 중에 존재하는 공동 또는 공동들은, 적절한 물질로 구성된 기체 불투과성 장벽에 의해 주위 환경에 대해 폐쇄될 수 있다. 폐쇄 기공률을 갖는 과립 입자 또는 형태의 경우에, 이것은 일반적으로 상기 장벽 기능을 수행하는 과립 입자 자체로 된 물질이다. 개방 기공률을 갖는 과립 또는 형태의 경우에, 각각의 개별 입자는 유리하게는 적합한 물질로 엔벨로핑하여 캡슐화되는데, 상기 적합한 물질은 과립 또는 형태의 베이스 물질과는 상이할 수 있다. 상기 물질은 예를 들어, 플라스틱, 금속, 유리, 또는 상기 물질의 조합체로부터 선택될 수 있다. 가능한한 오랫 동안 공동 내 또는 기공 시스템 내에서 부압을 유지하기 위해서는, 장벽이 금속 또는 유리 유사 화합물, 바람직하게는 유리 또는 플라스틱-금속 복합재로 구성되는 것이 유리할 수 있다. 특히 바람직하게는, 상기 공동은 유리, 더욱 구체적으로는 실리케이트 유리로 제조된 장벽에 의해, 또는 플라스틱-금속 복합재, 바람직하게된 금속화된 플라스틱 시팅(sheeting)에 의해 주위 환경에 대해 폐쇄된다.
공동/기공 내에 에워싸인 기체 대기는 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대해 부압을 갖는다. 상기 부압은 바람직하게는 500 mbar 미만, 바람직하게는 0.001 내지 200 mbar, 보다 바람직하게는 0.1 내지 100 mbar이다. 상기 기체 압력은 하기 기술로 측정될 수 있다: 전체 부피 V과립의 과립 입자의 측정 양은, 빈 부피 V시험 챔버를 갖는 규정된 기밀 공간 중에서 파괴된다. 과립 입자의 파괴 전 P0에서 과립 입자 파괴 후 P1까지의, 이 공간 내에서 기체 압력에서의 변화를 기초로, 하기 방정식에 따라 미리 과립 기공에서 나타나는 압력 P기공을 측정할 수 있다.
P기공 = [P1(V시험 챔버 - V과립(1-Φ)) - P0(V시험 챔버 - V과립)]/[V과립 Φ].
다른 방법은, 수 중에서(또는 입자를 매우 효과적으로 적시는 다른 액체 중에서) 입자를 파괴시키고 방출된 기체 부피를 수집하는 방법일 것이다.
기체 대기의 조성은 임의적이다. 공기의 조성과 다른 조성을 갖는 기체 대기를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 기체 조성은 바람직하게는 구체적으로 설정되고 낮은 열 전도도를 성취하도록 선택된다. 바람직하게는 여기서 확인되는 2개의 상이한 파라미터가 있다: 첫번째로는 기체 조성물의 기체 상 열 전도도, 및 둘째로는 기체 분자의 자유 경로 길이이다. 낮은 기체 상 열 전도도를 갖는 바람직한 기체는 전형적인 추진제 기체, 예컨대 CO2, 3 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소, 바람직하게는 시클로-, 이소-, 및 n-펜탄, 히드로플루오로카본(포화 및 불포화), 바람직하게는 HFC 245fa, HFC 134a 및 HFC 365mfc, 히드로플루오로카본(포화 및 불포화), 바람직하게는 HCFC 141b, 산소 함유 화합물, 예컨대 메틸 포르메이트 및 디메톡시메탄, 또는 히드로클로로카본, 바람직하게는 1,2-디클로로에탄이다. 그러나 미세하게 구조화된 기공 시스템 및 낮은 기체 압력의 경우에, 기체 상 열 전도도는 기체 조성물에 대해 예상된 값 아래로 떨어질 수 있다. 이 효과는 크눗센 효과(Knudsen effect)로 불려진다. 이 효과는, 기체 분자의 자유 경로 길이가, 기체가 위치하는 기공의 직경보다 큰 경우에 나타난다. 그 후 기체 분자와 기공 벽의 충돌이, 기체 분자가 서로 충돌하는 것보다 더 가능성 있어진다. 이는, 기체 분자 서로끼리의 충돌이 완전히 억제되는 정도로 진행될 수 있다. 충돌이 없으면 열 에너지의 전달도 없고, 기체 상 열 전도가 중단된다. 열 전도도와는 다르게, 자유 경로 길이는 기체 분자의 몰 질량이 감소함에 따라 증가한다. 따라서, 크눗센 효과가 이러한 기체들의 실제적으로 높은 열 전도도를 능가한다면, 낮은 몰 질량을 갖는 기체, 예컨대 수소, 헬륨, 메탄, 암모니아, 물 또는 네온을 과립 입자 또는 형태의 기공 내에서 절연 기체로 사용하는 것이 유리할 수 있다.
과립 입자 또는 형태가 내부로 매립되는 중합체 매트릭스는 발포되지 않거나 발포될 수 있다. 상기 중합체 매트릭스는 바람직하게는 중합체 발포체 매트릭스이다. 이는, 절연 성능이 발포되지 않은 중합체의 절연성에 비해 추가로 증가할 수 있고, 사용된 중합체 물질 및 첨가제에 의존하여, 발포된 중합체 매트릭스가 동일한 중합체 물질의 발포되지 않은 중합체 매트릭스보다 더 가요성일 수 있다는 이점을 갖는다. 중합체 매트릭스가 중합체 발포체 매트릭스인 경우, 이 중합체 발포체는 개방-셀 또는 폐쇄-셀의 구성으로 되어 있을 수 있다. 중합체 발포체 매트릭스는 바람직하게는 폐쇄-셀 중합체 발포체 매트릭스이다.
중합체 매트릭스는 공지된 모든 중합체를 개별적으로 또는 블렌드로 포함할 수 있다. 상기 중합체 매트릭스는 바람직하게는 발포가능한 중합체를 포함한다. 중합체 매트릭스 중에 존재할 수 있는 특히 바람직한 중합체는, 예를 들어 폴리스티렌(PS), 폴리우레탄(PU) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)로부터 선택된다. 특히 바람직한 중합체 매트릭스는 강성 PUR 또는 PIR 발포체를 포함하는 것들이다. 중합체 발포체 매트릭스를 제조하기 위해서, 일반적인 제조 방법, 예컨대 RIM(반응 사출 성형) 공정 또는 압출 공정을 사용할 수 있다.
과립에 대해 이미 설명하였듯이, 중합체 매트릭스는 또한 불투명화제를 포함할 수 있다. 이러한 종류의 불투명화제는 또한 예를 들어, 카본 블랙, TiO2, 흑연 또는 SiC로부터 선택될 수 있고, 중합체 매트릭스 내 불투명화제의 특성 및 비율은 과립 내에 있는 것들과 상이할 수 있다. 중합체 매트릭스의 전체 질량을 기준으로 한 불투명화제의 분율은 바람직하게는 0.5 내지 30 질량%, 보다 바람직하게는 1 내지 10 질량%이다.
발포된 중합체 매트릭스의 기공 내에 존재하는 기체 상은, 과립 입자 또는 형태의 공동 및/또는 기공 내의 기체 상과, 조성 및 압력에서 상이할 수 있다. 중합체 매트릭스 내 셀 기체는 사용된 발포제에 의해 실질적으로 결정된다. 이들은 물리적 및 화학적 발포제 둘 모두일 수 있다. 바람직한 발포제는, 기체 상 열 전도도가 공기보다 더 낮은 것들이다. 본 발명의 목적에 대해 적합한 물리적 발포제는 기체, 예를 들어 액화 CO2, 및 휘발성 액체인데, 그 예로는 3 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소, 바람직하게는 시클로-, 이소- 및 n-펜탄, 히드로플루오로카본(포화 및 불포화), 바람직하게는 HFC 245fa, HFC 134a, HFC 365mfc, 히드로플루오로클로로카본(포화 및 불포화), 바람직하게는 HCFC 141b, 산소 함유 화합물, 예컨대 메틸 포르메이트 및 디메톡시메탄, 또는 히드로클로로카본, 바람직하게는 1,2-디클로로에탄이다.
본 발명의 복합 재료는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 본 발명의 바람직한 복합 재료는, 하기 본 발명의 방법에 의해 수득될 수 있는 것들이다.
본 발명의 복합 재료를 제조하기 위한 본 발명의 방법은, 중합체 매트릭스 제조용 재료를, 주위 환경에 대해 폐쇄되고 그 내부에 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대한 부압이 존재하는 하나 이상의 공동을 갖는 과립 또는 형태와 혼합시키고, 이 혼합물로부터, 과립 또는 형태가 매립되는 중합체 매트릭스가 생성된다는 사실에 의해 구별된다.
사용되는 과립 또는 형태는 바람직하게는, 분말 형태이고 상기 조성 및 특성을 갖는 전구체로부터 제조된다. 이를 위해 일반적인 모든 미립화 및 정제화 과정, 예컨대 유동상 미립화, 치밀화 및 임의적으로는 분쇄, 또는 저압 압출을 사용할 수 있는데, 이때 적합하게는, 예를 들어 분산용 액체 및/또는 추가 결합제가 사용된다. 이러한 방식으로 수득될 수 있는 과립 및 형태는 빈번하게 개방 기공률을 갖는다. 기공 시스템 내에, 본 발명에 본질적인 부압을 생성시키기 위해서는, 상기 과립/형태를 바람직하게는 외부의 부압 및/또는 고온에 노출시키고, 이러한 조건 하에서 상기 과립/형태에 기체 불투과성 장벽 층을 제공한다. 실온에서 또는 실온 미만에서 캡슐화시키는 경우, 장벽 층에 제공되는 경우에 나타나는 압력(부압)은 500 mbar 미만, 보다 바람직하게는 0.001 내지 200 mbar이다. 장벽 층이 적용되는 동안 고온이 사용되면, 내부 압력이, 캡슐화된 과립의 냉각시에 추가로 감소되기 때문에 압력을 그 정도로 낮출 필요는 없다.
장벽 층은 장벽 층에 대해 이상에서 특정된 물질을 사용하여 제조될 수 있다. 공동은, 바람직하게 유리 장벽에 의해 주위 환경에 대해 폐쇄된다. 제조는 바람직하게는, 과립의 가장자리 영역에서 과립 물질 또는 추가 첨가제의 표면적인 용융에 의해 일어난다. 다르게는, 장벽 물질의 용융물이 개방 기공의 다공성 과립의 표면에 적용될 수 있고, 이 용융물은 후속하여 고화되게 된다. 예를 들어 상기 용융물을 분무 또는 나이프 코팅에 의해 과립으로 적용시키거나, 과립을 용융물 내로 침지시킴으로써 실시될 수 있다. 용융물의 고화는 실온으로의 단순 냉각에 의해 실시될 수 있다.
과립 입자를 캡슐화시키는 다른 방법은 예를 들어, 실란에 의해 또는 경화 중합체를 사용하여, 화학적 반응에 의해 밀봉시키는 방법이다. 이러한 목적을 위해, 과립 입자를 캡슐 물질의 액체 제조물 내로 침지시킬 수 있거나, 상기 제조물을 과립 위에 붓거나 상기 과립으로의 분무에 의해 적용할 수 있거나, 상기 과립을 그렇지 않으면 상기 제조물로 표면적으로 적실 수 있다. 화학적으로 반응성인 캡슐화 물질에 대한 대안으로, 열가소성 중합체의 용융물을 또한 사용할 수 있다.
제3의 가능한 방법은, 과립 입자를 기밀 시트로 엔벨로핑시키는 방법이다. 이러한 목적을 대해, 확산 장벽으로 얇은 금속 층을 포함하는 여러겹(multi-ply)의 중합체 시트를 사용하는 것이 바람직하다. 시트 캡슐을 폐쇄시키기 위해, 이들 캡슐을 접착제 접착시키거나 용접시킬 수 있다. 상기 언급한 캡슐화 방법을 2단계 또는 다단계의 단계들로 조합하여 사용하는 것이 유리할 수 있다.
그러나, 과립의 캡슐화는 절대적으로 본질적인 것은 아니다. 과립 입자의 공동 내에서의, 본 발명에 본질적인 부압은 또한, 단 외부 중합체 매트릭스가 자체적으로 충분하게 기밀되는 장벽을 형성함을 조건으로 하여, 감소된 압력 하에서 과립을 중합체 매트릭스 내로 매립시키는 전체 조작을 실시함으로써 보장될 수 있는데, 이에 의해, 제조 후 복합 재료가 표준 외부 공기 압력에 노출되는 경우에 과립 내에서 부압이 유지될 수 있다. 이 실시양태의 다른 변형예는, 화학 반응 또는 게터 물질에 의해 과립 입자 내 공동에서 부압을 생성시키는 것이다. 그 후 매립화가 표준 압력에서 실시될 수 있지만, 과립 입자의 공동 내에서의 내부 압력은 화학 반응 또는 기체 분자의 흡수의 결과로 이들 과립 입자가 매립된 후에 감소된다. 예를 들어, 과립을 산화칼슘과 혼합시킬 수 있고, 공동 내 기체 상을 이산화탄소로 대체할 수 있고, 과립이 즉시 중합체 매트릭스 내로 매립될 수 있다. 몇일 후에, 공동 내 기체 압력은 산화칼슘과 이산화탄소가 반응하여 탄산칼슘을 형성함에 의해 자동적으로 감소한다.
중합체 매트릭스 제조용 재료로, 중합체 또는 중합체 혼합물, 또는 상기 중합체 또는 중합체들을 생성시키기 위한 반응물을 사용할 수 있다. 사용되는 과립/형태 및 사용되는 중합체의 양, 및/또는 그들의 출발 물질의 양은 바람직하게는, 생성된 복합 재료가 바람직한 것으로 이상에서 설명된 과립/형태의 질량 분율을 갖도록 선택된다.
본 발명의 방법이, 중합체 매트릭스 또는 그의 일부를 제조하기 위한 재료가 적어도 부분적으로 액체 응집 상태에 있고 상기 액체 상이 과립과 혼합되는 하나 이상의 방법 단계를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 과립 또는 형태와 중합체의 혼합 조작을 촉진시키기 위해, 적합한 용매 중에 용해시키거나 용융시킴으로써 중합체를 액체 또는 유체 상태로 전환시키는 것이 유리할 수 있다. 상기 혼합 조작 후에, 중합체 매트릭스를 용융 온도 아래로 냉각시키고/시키거나 용매를 제거하여 고화시킨다. 대안적으로, 과립, 즉 단량체 또는 예비중합체성 화합물과의 혼합 조작은 중합체 매트릭스를 생성시키기 위한 출발 화합물 단계에서 또한 일어날 수 있다. 그 경우에, 중합체 매트릭스는 중합 반응 또는 가교 반응의 결과로 복합 재료 중에서 직접적으로 생성된다. 중합체 매트릭스가 열경화성 그룹에 속하면 이러한 변형예가 바람직하다. 본 발명의 방법의 추가 실시양태에서, 과립 또는 형태는 마찬가지로 미립화된 중합체와 혼합된다. 그 경우 중합체를 용융 또는 적어도 연화시키면서 전형적으로 가열에 의해 그리고 과립을 접착제 접합시킴으로써 결합에 의한 복합 재료의 형성이 일어난다.
본 발명의 방법에 발포의 방법 단계가 포함되는 것이 유리할 수 있다. 발포는 기계적으로/물리적으로 또는 화학적으로 일어날 수 있다. 기계적/물리적 발포의 경우에, 공기 또는 기체, 또는 기체 혼합물이 기체 형태로 점성 중합체 조성물 내로 도입되고, 이러한 점성의 중합체 조성물이 후속적으로 경화되어, 도입된 공기 또는 기체/기체 혼합물이 중합체 조성물 내에서 거품으로 에워싸이게 된다. 중합체 발포체는 또한 중합체 조성물을 하나 이상의 발포제와 혼합시켜서 물리적으로 생성될 수 있는데, 상기 발포제는 가열 시, 그들의 응집 상태를 액체 또는 고체로부터 기체상태로 변화시키고 그에 따라 마찬가지로 발포체가 형성되게 된다. 적합하며 공지된 발포제는 예를 들어, 실온에서 액체인 탄화수소, 예컨대 펜탄이 있다. 본 발명의 조성물이 추가 발포제를 포함하는 경우, 이들은 물리적 또는 화학적 발포제일 수 있다. 본 발명의 목적에 대해 적합한 물리적 발포제는 기체, 예를 들어 액화 CO2, 및 휘발성 액체, 예를 들어 3 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소, 바람직하게는 시클로-, 이소- 및 n-펜탄, 히드로플루오로카본, 바람직하게는 HFC 245fa, HFC 134a 및 HFC 365mfc, 히드로플루오로클로로카본, 바람직하게는 HCFC 141b, 산소 함유 화합물, 예컨대 메틸 프로메이트 및 디메톡시 메탄 또는 히드로클로로카본, 바람직하게는 1,2-디클로로에탄이다. 발포체의 화학적 생성은 예를 들어, 중합 온도에서 기체상인 화합물을 중합 동안 형성시킴으로써 가능하다. 하나의 전형적인 화학적 발포제는 예를 들어 물로, 이는 축합 반응에 기초한 중합 반응 중에 형성된다. 물 이외에도, 다른 화학적 발포제가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어 폴리우레탄 발포체의 제조에서, 상기 발포체는 사용된 이소시아네이트와 반응하여 그러한 가운데, 예를 들어 물 또는 포름산과 같은 기체를 방출한다.
발포된 폴리우레탄 매트릭스를 사용한 복합 재료의 예를 사용하여, 본 발명의 방법의 다양한 버전을 더욱 상세하게 논의할 것이다. 발포된 폴리우레탄은 일반적으로 물, 에탄올 또는 아세톤과 같은 일반적인 용매 중에 용해되지 않고 용융불가능한(분해없이), 고도로 가교된 열경화성 물질이다. 따라서 과립과의 혼합은 바람직하게는 이미 단량체성 및/또는 예비중합체성 화합물의 단계에서 일어난다. 절연 발포체를 제조하기 위한 폴리우레탄 시스템은 일반적으로 2개 성분 (A) 및 (B)를 특징으로 하는데, 이 중 한 성분은 폴리올 성분 (A)로 공지된 반응성 수소 원자를 갖는 화합물로 구성되고, 제2 성분 (B)는 하나 이상의 이소시아네이트를 갖는다. 통상적인 보조제 및 아주반트는 폴리올 성분 (A)로 제제화되거나 개별적으로 개량될 수 있다. 상기 과립 또는 형태는 바람직하게는 폴리올 성분과, 이소시아네이트 성분과, 또는 - 특히 바람직하게는 - 이들 성분의 신선한 반응 혼합물과 혼합된다. 먼저 언급된 두개 경우는 단지 낮은 충전 수준 및 과립 부분에 대한 작은 입자 직경에 대해서만 적합한데, 그 이유는 과립 및 형태가 성분 (A) 또는 (B)에 사전분산되어야 하고, 그 후 이 분산물이 제2 성분과 친밀히 혼합되어야 하기 때문이다. (A) 성분 및 (B) 성분의 새로운 반응 혼합물 내로 과립/형태를 혼입시키는 바람직한 예에 의해, 큰 입자 직경이 어려움없이 가공될 수 있다. 반응 혼합물 내 과립/형태의 혼입은 금형으로 옮기기 전에 실시될 수 있거나, 과립/형태는 중공 금형 내 패킹 또는 충전제로 도입되어 침투되거나, 상기 입자는 반응 혼합물을 발포시키는 액체로 둘러싸여져서 발포된다. 절연 보드를 제조하기 위해, 두개의 전달 벨트 방법에 의한, 폴리우레탄 절연 보드의 제조와 유사한 연속적인 방법이 또한 구상될 수 있다. 그 경우에, 상기 과립/형태는 폴리우레탄 반응 혼합물의 적용 전 또는 후에 하부 탑(top) 층 위로 분산될 수 있는데, 이때 개별 입자들은 둘러싸여져 발포된다. 이 경우, 복합 재료는 폴리우레탄을 형성시키도록 가교되는 것을 포함하는 다중첨가 반응에 의해 경화된다.
폴리우레탄 시스템의 전형적인 조성이 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
폴리올 성분 (A)로, 절연 발포체의 제제화에 통상적인 화합물, 예를 들어 폴리에테르 폴리올 및 폴리에스테르 폴리올을 사용할 수 있다. 폴리에테르 폴리올은, 다가 알콜 또는 아민을 알킬렌 옥시드와 반응시켜서 수득될 수 있다. 폴리에스테르 폴리올은 바람직하게는, 다가 알콜(대개는 글리콜)과 다염기 카르복실산(대개는 프탈산 또는 테레프탈산)의 에스테르를 기재로 한다.
(폴리)이소시아네이트 성분 (B)로, 절연 발포제의 제제화에 통상적인 화합물, 예를 들어 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(HMDI) 및 이소포론 디이소시아네이트(IPDI)를 사용할 수 있다. MDI와, 2 내지 4의 평균 관능가를 갖는 더욱 높은 축합도를 갖는 그의 유사물과의 혼합물이 특히 적합하며, 상기 혼합물은 "중합체 MDI"("미정제 MDI")로 공지되어 있다.
제제화 지수로 표현된, 이소시아네이트와 폴리올의 적합한 비는 50 내지 500의 범위 내, 바람직하게는 100 내지 350의 범위 내에 위치한다. 여기서 지수란, (폴리올과의 화학양론적 반응에 대해) 계산된 이소시아네이트에 대해 실제로 사용된 이소시아네이트의 비를 의미한다. 지수 100은 1:1의 반응성 기의 몰 비를 의미한다.
보조제 및 첨가제로, 절연 발포체의 제제화에 대해 통상적인 화합물을 사용할 수 있으며, 여기에는 촉매, 셀 안정화제, 발포제, 난연제, 충전제, 염료 및 광 안정화제가 포함된다.
본 발명의 목적에 적합한 촉매로는 예를 들어, 겔 반응(이소시아네이트-폴리올), 발포 반응(이소시아네이트-물) 또는 이소시아네이트의 이량체화 또는 삼량체화를 촉매하는 물질이 있다. 전형적인 예에는 아민, 예컨대 트리에틸아민, 디메틸시클로헥실아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 테트라메틸헥산디아민, 펜타메틸디에틸렌트리아민, 펜타메틸디프로필렌트리아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸피페라진, 1,2-디메틸이미다졸, N-에틸모르폴린, 트리스(디메틸아미노프로필)헥사히드로-1,3,5-트리아진, 디메틸아미노에탄올, 디메틸아미노에톡시에탄올 및 비스(디메틸아미노에틸)에테르, 주석 화합물, 예컨대 디부틸주석 디라우레이트 및 칼륨 염, 예컨대 칼륨 아세테이트 및 칼륨 2-에틸헥사노에이트가 있다. 사용하기에 적합한 양은 촉매 유형에 의해 결정되는데, 폴리올 100 중량부를 기준으로 칼륨 염에 대해서는 전형적으로 0.05 내지 5 중량부 또는 0.1 내지 10 중량부의 범위 내에 위치한다.
적합한 셀 안정화제는 예를 들어, 표면 활성 물질, 예컨대 유기 계면활성제, 또는 바람직하게는 실리콘 계면활성제(폴리에테르-폴리디메틸실록산 공중합체)이다. 사용을 위한 폴리에테르실록산 셀 안정화제의 전형적인 양은, 폴리올 100 중량부 당 0.5 내지 5 중량부, 바람직하게는 폴리올 100 중량부 당 1 내지 3 중량부이다.
발포가능한 제제는, 이것이 이소시아네이트와 반응하여 공정 중에 이산화탄소 기체를 방출시키기 때문에, 화학적 발포제인 물과 혼합될 수 있다. 본 발명의 목적에 대해 적합한 물의 양은, 물 이외에 물리적 발포제가 또한 사용되는지에 의존한다. 순수하게 물에 의해 발포되는 경우에, 물 함량 수준은 바람직하게는 폴리올 100 중량부 당 1 내지 20 중량부이다; 또한 다른 발포제가 사용되거나 감압 하에서 발포가 일어나는 경우, 사용량은 바람직하게는 폴리올 100 중량부 당 0.1 내지 5 중량부의 물로 감소된다. 적합한 물리적 발포제는 이미 상술되었다.
건물의 열 절연을 위한 절연 발포체에는 화재 조절 요건이 부과되며, 상기 발포제는 바람직하게는 난연성으로 제조되어야 한다. 원칙적으로 모든 통상적인 난연제가 적합하다. 난연제로는 바람직하게는 액체 유기 인 화합물, 예컨대 할로겐 비함유 유기 포스페이트, 예를 들어 트리에틸 포스페이트(TEP), 할로겐화 포스페이트, 예를 들어 트리스(1-클로로-2-프로필) 포스페이트(TCPP) 및 트리스(2-클로로에틸) 포스페이트(TCEP), 또는 유기 포스포네이트, 예를 들어 디메틸 메탄포스포네이트(DMMP), 디메틸 프로판포스포네이트(DMPP) 또는 고체, 예컨대 암모늄 폴리포스페이트(APP) 또는 적인(red phosphorus)이 바람직하게 사용된다. 또한, 할로겐화 화합물, 예를 들어 할로겐화 폴리올, 및 또한 고체, 예컨대 팽창가능한 흑연 및 멜라민이 난연제로 적합하다.
본 발명의 맥락에서 전형적인 폴리우레탄 또는 폴리이소시아누레이트 절연 발포체 제제는, 5 내지 50 kg/㎥의 밀도를 생성시킬 것이고 하기 조성을 가질 것이다.
Figure pat00001
본 발명의 제제는, 예를 들어 수동 혼합 과정에서와 같이 또는 바람직하게는 고압 발포기를 사용하여, 당업자에게 공지된 임의의 방법으로 강성 발포체로 가공될 수 있다.
캡슐화된 과립의 둘러싸서 발포시키기에 대한 대안으로, 전체 둘러싸서 발포시키는 조작이 감압 하에서 폐쇄-셀 강성 발포체를 사용하여 일어나는 캡슐화되지 않은 과립을 사용할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 과립을 기밀되게 폐쇄되는 중공 금형 중에 위치시키고, 거기에서 이 금형에 진공 펌프 및 고압 발포기의 혼합 헤드가 연결된다. 중공 금형이 목적하는 압력으로 배기되면, 발포기가 액체 폴리우레탄 반응 혼합물을 금형 내로 주입시키는데 사용된다. 상기 반응 혼합물은 과립 입자 사이의 공동 내로 흘러서 발포되기 시작하며, 팽창된 발포체는 과립 입자를 엔벨로핑한다. 폴리우레탄 발포체가 경화된 후에, 과립 내 공동에서 뿐만 아니라 발포체 셀 내에서도 부압이 존재하는 복합 재료가 얻어진다. 따라서 상기 발포체의 기계적 강도는 수축되지 않고 압력 차(내부 압력과 외부 공기 압 사이의)를 견디도록 충분히 높아야 한다. 이러한 목적을 위해, 일반적으로 말해, 요구된 발포체 밀도는 폴리우레탄 절연성 발포체에 대해 일반적인 것보다 더 높을 것이다. 과립의 포위-발포에 대한 압력은 바람직하게는 200 mbar 미만, 보다 바람직하게는 100 mbar 미만이며 - 따라서 표준 압력에 대한 압력 차는 적어도 0.8 bar 및 보다 바람직하게는 0.9 bar 또는 그를 초과한다.
부압의 발포에 대해 발포제 유형 및 양을 변형시키는 것이 또한 본질적이다. 이러한 회분식 금형 발포 뿐 아니라, 이중 벨트 공정에서 절연 보드, 또는 자유롭게 상승하는 슬랩 스톡 발포체의 연속 제조 방법이 생각될 수 있는데, 이때 전체 제조 라인은 부압의 챔버로 둘러싸인다. 상기 라인의 구성은, 감압 하에서 가요성 발포체의 제조에서 일반적인 "VPF 공정"을 참조할 수 있다.
추가 예로, 발포된 폴리스티렌 매트릭스를 사용한 복합 재료의 제조를 더욱 상세하게 논의할 것이다. 이 경우에, 중합체 매트릭스에 대해 바람직한 출발 물질은 혼입된 발포제를 갖는 폴리스티렌의 과립, 바람직하게는 캡슐화된 과립을 포함한다. 이러한 팽창가능한 폴리스티렌 과립은 매립되는 과립 또는 형태와 혼합된다. 바람직하게는 목적하는 기하구조를 갖는 중공 금형 내에서 과립 혼합물을 후속하여 가열하면, 폴리스티렌은 팽창되어 발포체를 형성시키고 동시에 자체적으로 그리고 매립된 과립에 접착제 접합되어 밀착된 성형물을 형성한다.
사용되는 과립의 양, 그리고 사용되는 중합체 및/또는 그의 출발 물질의 양은 바람직하게는, 생성되는 복합 재료가 바람직한 것으로 상술된 과립의 질량을 갖고/갖거나 바람직한 것으로 상술된 질량 비를 갖도록 선택된다.
본 발명의 복합 재료는 특히 절연 재료로 사용될 수 있다. 이 절연 재료는 바람직하게는 건물의; 우주선, 공중 비행체, 개빙 수역 운송체 및/또는 육상 차량의; 또는 냉각 또는 가열 시스템 및 조립체의 일부의 절연을 위해 사용된다. 본 발명의 복합 재료는 냉각 장치 및 고온수 저장소에서 절연 재료로 사용될 수 있고, 이들이 충전되는 공동 내에서 직접 제조될 수 있는 경우에 이점이 있다. 건축용 프로파일(profile), 예를 들어 창문 틀 또는 도어 틀, 롤러 셔터 요소, 조립식 게이트 등의 충전에 대해서도 동일한 사항이 적용된다. 또한, 본 발명의 복합 재료는 절연성 파이프라인(예를 들어, 지방 및 지역 가열 라인)에 대해 사용될 수 있다.
본 발명의 상응하는 물품의 명확한 특징은, 이들이 본 발명의 복합 재료를 포함한다는 것이다.
하기 실시예에서 본 발명을 예시적으로 설명하겠지만, 이는, 그 범주가 전반적인 설명 및 청구범위로부터 자명해지는 본 발명을, 실시예에서 특정된 실시양태들로 제한하려는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 과립의 제조
80 중량%의 아에로실(AEROSIL)? 200(에보니크 인더스트리즈 아게 제품인 발연 실리카, BET 표면적 200 ㎡/g), 15 중량%의 아로스퍼스(AROSPERSE) 15(오리온 엔지니어드 카본스(Orion Engineered Carbons) 제품인 열 카본 블랙) 및 5 중량%의 유리 섬유(유리 섬유 슬리터(slither), 약 12 mm 섬유 길이)를 친밀히 혼합시켰다. 이 혼합물 0.6 g 부분을 직경이 2 cm인 원통형 압축 금형으로 옮기고 유압 프레스로 압축시켜 각각 높이 1 cm인 정제를 형성시켰다. 이 정제의 밀도는 대략 200 kg/㎥이었다.
실시예 2: 배기된 과립의 캡슐화
실시예 1에서 제조된 정제를, 금속화된 시트(PET 외층, 알루미늄 장벽 층 및 PE 내부 층을 갖는, 토요(TOYO) 제품인 다중층 라미네이트)의 두겹 사이에 위치시킨 다음, 이 두겹을 정제 주위로 환형으로 서로에 대해 열로 용접시켜서, 상기 금속화된 시트로 엔벨로핑하였다. 환형의 용접 이음매 내에서 작은 갭이 개방된 채로 유지되고, 여기에 오일 밀봉된 회전식 슬라이드 진공 펌프가 튜브를 통해 연결된다. 상기 진공 펌프의 도움으로, 정제를 10분 동안 배기시킨 다음, 진공 하에서 필름 내 개방부를 용접시켜서 정제를 기밀 상태로 폐쇄시켰다. 필름의 돌출되는 가장자리를 용접 이음매까지 절단시켰다.
실시예 3: 캡슐화된 과립 및 발포된 폴리우레탄 매트릭스로부터 복합 재료의 제조
사용된 중합체 매트릭스는 하기 표 1에 따른 강성의 폴리우레탄 발포체 제제가었다.
Figure pat00002
*: 헌츠맨(Huntsman) 제품인 폴리에테르 폴리올
**: 에보니크 인더스트리즈 아게 제품인 발포 안정화제
***: 베이어 제품인 중합체 MDI, 200 mPa*s, 31.5 중량% NCO, 관능가 2.7
폴리우레탄 발포 조작을 수동 혼합 과정으로 실시하였다. 폴리올, 아민 촉매, 물, 발포 안정화제 및 발포제를 비이커 내로 칭량하여 넣고, 이것을 30초 동안 1000 rpm에서 플레이트 교반기(6 cm 직경)를 사용하여 혼합시켰다. 혼합 조작 동안에 증발된 발포제의 양을 측정하는데 재칭량법(re-weighing)을 사용하였고, 그 양을 다시 첨가하였다. 그 후, MDI를 첨가하고, 반응 혼합물을 설명된 교반기를 사용하여 5초 동안 3000 rpm에서 교반시킨 다음, 45℃에서 온도 조절되고 50 cm ×25 cm × 5 cm로 측정되며 폴리에틸렌 필름으로 라이닝된 알루미늄 금형으로 즉시 옮겼다. 여기서 사용된 발포체 제제의 양은 적어도 금형을 채우는데 필요한 양의 15%를 초과하는 양이었다. 10분 후에, 발포 보드를 금형으로부터 제거하였다. 밴드형 톱을 사용하여, 50 cm ×25 cm × 0.5 cm로 측정되는 슬라이스를 이 보드로부터 톱질하여 제거하였다. 이 슬라이스를 알루미늄 금형의 기부 위에 놓고, 이것을 다시 폴리에틸렌 필름으로 라이닝시키고, 상기와 같이 제조되고 진공 하에서 캡슐화된 정제를, 각각 서로에 대해 타이트하게 배치된 3층으로 된 슬라이스의 맨 위에 놓았다. 상기 제1 발포 조작과 동일한 방식으로, 폴리우레탄 반응 혼합물을 교반에 의해 다시 제조한 다음, 금형 덮개를 개방시킨 상태에서 정제 위로 붓고, 덮개를 즉시 폐쇄시켰다. 추가 10분의 경화 시간 후에, 완성된 복합 재료를 금형으로부터 제거하였다.
복합 재료의 생성된 보드를 밴드형 톱을 사용하여 20 cm ×20 cm × 5 cm의 크기로 절단시키고, 헤스토(Hesto) HLC-A90 열 전도도 측정기(meter)를 사용하여 이 견본의 열 전도도를 측정하였다. 측정치는 15.8*10-3 W*m-1*K-1이었다. 이 값은 강성 폴리우레탄 발포체의 값보다 매우 작다. 비교를 위해, 동일한 제제를 사용하여 제조되었으나 과립이 매립되지 않은 강성 폴리우레탄 발포 보드에 대해 측정하였다. 이의 열 전도도는 22.5*10-3 W*m-1*K-1이었다.
실시예 4: 부압에서 캡슐화되지 않은 과립을 강성 폴리우레탄 발포체로 엔벨 로핑하여 제조된 복합 재료
사용된 중합체 매트릭스는 하기 표 2에 따른 강성 폴리우레탄 발포체 제제가었다.
PUR 제제 2
Figure pat00003
*: 헌츠맨 제품인 폴리에테르 폴리올
**: 에보니크 제품인 발포 안정화제
***: 베이어 제품인 중합체 MDI, 200 mPa*s, 31.5 중량% NCO, 관능가 2.7
MK12/18ULP-2KVV-G-80-I 혼합 헤드를 갖는 크라우스마페(KraussMaffei) RIM-STAR 미니도스(MiniDos) 고압 발포기를 사용하여 폴리우레탄 발포 과정을 실시하였다. 폴리올, 촉매, 물, 발포 안정화제 및 발포제를 칭량하고, 완전히 혼합시키고, 이것을 혼합물로 상기 발포기의 작업 용기 내로 옮겼다. 원료 물질 - 폴리올 혼합물 및 이소시아네이트 - 를 35℃에서 가열시켰는데, 압력은 폴리올에 대해서는 130 bar이었고 이소시아네이트에 대해서는 140 bar이었으며, 전체 배출 속도는 200 g/s이었다. 45℃에서 온도 조절되고 50 cm ×25 cm × 5 cm로 측정되며 또한 중심 주입 구멍을 갖는 기밀되게 폐쇄되는 덮개 및 진공 펌프(스크린에 의해 발포체 침투로부터 보호됨)에 대한 측부 연결부가 구비된 알루미늄 금형을 폴리에틸렌 필름으로 라이닝시키고 밀봉시키고, 혼합 헤드를 기밀 방식으로 상기 주입 구멍 내로 넣고, 중공 금형을 진공 조절기가 구비된 막 진공 펌프를 사용하여 200 mbar로 배기시켰다. 폴리우레탄 반응 혼합물을 발포 시스템에 의해 금형 내로 주입시켰는데, 이 반응 혼합물의 양은 적어도 금형을 채우는데 필요한 양을 15% 초과하는 양이었다. 10분 후에, 발포 보드를 금형으로부터 제거하였다. 밴드형 톱을 사용하여, 50 cm × 25 cm × 0.5 cm로 측정되는 2개의 슬라이스를 이 보드로부터 톱질하여 제거하였다. 하나의 슬라이스를 알루미늄 금형의 기부 위에 놓고, 이것을 다시 폴리에틸렌 필름으로 라이닝시키고, 상기와 같이 제조된 캡슐화되지 않은 정제를, 각각 서로에 대해 밀접하게 배열된 3층으로 된 슬라이스의 맨 위에 놓았다. 제2 슬라이스를 양면 접착 테이프를 사용하여 상기 금형 덮개에 부착시키고, 상기 주입 구멍을 절단하였다. 금형을 밀봉시키고, 각각 3 주기로 10분 동안 배기시키고, 이산화탄소를 사용하여 환기시켰다. 그 후 이것을 다시 200 mbar로 배기시키고 10분 후에 상기 제1 발포 조작과 동일한 방식으로 폴리우레탄 반응 혼합물을 주입하였다. 추가 10분의 경화 시간 후에, 완성된 복합 재료를 금형으로부터 제거하였다.
복합 재료의 생성된 보드를 밴드형 톱을 사용하여 20 cm ×20 cm × 5 cm의 크기로 절단시키고, 헤스토 HLC-A90 열 전도도 측정기를 사용하여 이 견본의 열 전도도를 측정하였다. 측정치는 17.9*10-3 W*m-1*K-1이었다.

Claims (15)

  1. 하나 이상의 중합체를 포함하는 중합체 매트릭스, 및 중합체 매트릭스 내로 매립된, 주위 환경에 대해 폐쇄되고 그 내부에 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대한 부압(underpressure)이 존재하는 하나 이상의 공동을 갖는 과립을 포함하는 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서, 부압이 500 mbar 미만, 바람직하게는 0.001 내지 200 mbar인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공동이 유리 유사 화합물로 또는 플라스틱-금속 복합재로 구성된 장벽에 의해 주위 환경에 대해 폐쇄된 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 매트릭스가 폐쇄-셀 중합체 발포체 매트릭스인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  5. 제4항에 있어서, 중합체 발포체 매트릭스가 강성 폴리우레탄 또는 폴리이소시아누레이트 발포체인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 과립이 5 ㎡/g 초과, 보다 바람직하게는 50 ㎡/g 내지 1000 ㎡/g의 (ISO 9277에 따른) BET 표면적을 갖는 재료로부터 실질적으로 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 과립이 발연 실리카 또는 침강 실리카의 치밀화된 분말로 실질적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 제조 방법이며,
    중합체 매트릭스 제조용 재료를, 주위 환경에 대해 폐쇄되고 그 내부에 1 bar (100 kPa)의 표준 압력에 대한 부압이 존재하는 하나 이상의 공동을 갖는 과립과 혼합시키고, 이 혼합물로부터, 과립이 매립된 중합체 매트릭스를 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 사용되는 과립을, 개방 기공의 다공성 과립에 부압을 적용하고 상기 다공성 과립에 공기- 또는 기체-불투과성 장벽 층을 제공함으로써 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 제조 방법이며,
    캡슐화되지 않은, 개방 기공의 다공성 과립에 부압을 적용하고 상기 과립을 이러한 조건 하에서 중합체 매트릭스 내로 매립시키며, 이때 중합체 매트릭스는 매립된 과립을 기밀하게 엔벨로핑(enveloping)하고, 복합 재료가 표준 공기 압력에 노출되는 경우 과립의 공동 내에서 부압이 유지되는 것을 특징으로 하는 복합 재료의 제조 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 매트릭스 제조용 재료 또는 재료들이 중합체 또는 중합체들의 혼합물이거나, 또는 중합체 또는 중합체들을 생성시키기 위한 반응물인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 발포의 방법 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 절연 재료로서의 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료의 용도.
  14. 제13항에 있어서, 절연 재료가 창문, 문 및 롤러-셔터 박스(roller-shutter box)를 포함하는 건물의 절연을 위해, 우주선, 공중 비행체, 개빙 수역 운송체 및/또는 육상 차량의 절연을 위해, 파이프라인의 절연을 위해, 또는 냉각 또는 가열 유닛 또는 조립체의 일부, 냉각 장치, 고온수/냉각제 저장소, 수영장 커버 및 수영장 절연 시스템의 절연을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 용도.
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복합 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
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