KR20130067712A

KR20130067712A - 미세기공 구조의 순환자원을 포함하는 난연 단열재 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130067712A
Application number: KR1020110134555A
Authority: KR
Inventors: 류재설; 장경기
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-25

Abstract

본 발명은 미세기공 구조의 순환자원을 포함하는 난연 단열재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 미세기공 구조를 가지는 순환자원인 흄드 실리카(fumed silica)를 포함하고, 추가로 보강재 및 내열 충전재를 포함하여 압축 성형되며, 기존의 유, 무기 단열재 대비 우수한 내열성 및 단열성을 가지는 난연 단열재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

미세기공 구조의 순환자원을 포함하는 난연 단열재 및 이의 제조 방법{Flame retardant insulation material comprising recycled resource having microporous structure and method for preparing the same}

세계적으로 급격히 변화하는 그린기술(Green Technology)과 기하급수적으로 증가하는 시장(2020년 3,000조원)에 대응하여, 건설분야에 있어서도 관련 R&D에 대한 선택과 집중을 통해 현재 선진국 대비 50~60% 수준의 기술경쟁력을 2015년까지 선진국 수준, 2020년에는 미래시장을 선도하여 국가 신 성장동력으로 자리매김 할 수 있는 기술개발에 대한 중요성이 높아지고 있다.

환경적으로도 건전하고 지속 가능한 개발(ESSD, Environmentally Sound and Sustainable Development)과 자원 순환형(Zero Waste) 사회를 실현하기 위한 새로운 기술개발이 필요하며, 친환경 건축 및 폐기물 감량, 자원순환(Recycle)을 통한 자원 순환형 사회인프라 구축을 실현하기 위해서 건설분야에서도 핵심 녹색기술을 확보하기 위한 연구개발이 절실히 필요하다.

또한, ‘저 탄소 녹색성장’으로의 패러다임 전환에 따라 건설분야의 에너지 절약 및 온실가스 감축을 위한 노력이 필요하다. 특히, 2006년 우리나라가 배출한 CO₂는 약 6억 톤으로 세계 9번째이고, 최근 1인당 CO₂ 배출량도 일본, 영국, 프랑스, 이탈리아를 앞질러 이에 대한 대책이 다급한 실정이다. 또한, 부존자원이 거의 없고 에너지 다소비형 산업구조를 가진 우리나라의 경우 산업구조 전반에 걸친 환경 친화형 산업으로의 전환이 시급한 실정이다.

국내외적으로 건축자재의 생산, 사용 및 폐기 단계에서 소비되는 자원과 에너지는 막대한 양에 이르고 있으며, 이러한 과정에서 발생하는 환경영향 및 이산화탄소 배출에 대한 인식은 많은 건설관련 종사자들(설계자, 시공자, 공급자 등)로 하여금 건축물을 시공할 때 어떠한 건축자재 및 부품을 선택하는 것이 탄소를 저감하고 환경영향을 최소화할 수 있는 방법인가에 대한 관심으로 이어지고 있다. 한편, 2005년 발효된 기후변화협약 교토 의정서에 따라 국가별로 탄소 배출량의 감축 목표를 수립하였으며, 우리나라는 2005년 대비 2030년까지 BAU(Business As Usual, 온실가스 배출전망치) 대비 30%의 탄소배출을 저감하기 위한 목표를 갖고 있다. 이러한 국내외적 움직임에 비추어 볼 때 모든 분야의 조직, 제품 및 서비스 등은 저탄소, 저환경영향의 방향으로 개발되거나 운용되어야 하며, 건축기술 분야 역시 이런 흐름에 대응해야 하는 시점이다.

순환자원을 적극적으로 활용하면서 건설재료의 요구 성능을 충족시킬 수 있는 기술 확립이나 부가가치가 높은 고품질의 건설재료 개발을 통하여 지속발전 가능한 순환형 사회와 저탄소 사회 구축을 요구받고 있으며, 에너지 소비를 줄이기 위해 건설분야에서는 에너지 고효율 건축자재 채택, 고효율 설계기술 개발 및 기존 건축물의 효율적인 에너지 관리기술을 통해 건축물의 에너지 소비를 감소시키기 위한 다양한 기술개발에 대한 노력을 하고 있다.

건축물의 에너지 효율을 높여 궁극적으로 탄소배출을 억제하는 건물을 개발하기 위해서는 환경친화적인 단열재가 개발되어야 하며, 이러한 단열재에는 단열기준 강화 외에 화재 안전 등 기능성이 요구되고 있다.

현재 국내에서 제조 및 판매되는 건축용 단열재의 경우, 폴리스티렌(Polystyrene)이나 폴리에틸렌(Polyethylene)을 활용한 유기단열재(예컨대 한국공개특허공보 제1999-0048791호, 제2011-0040347호)와 광석을 고온용융 및 제섬하여 제조하는 무기단열재(예컨대 한국공개특허공보 제2003-0058921호)로 크게 구분될 수 있다. 하지만, 유기단열재의 경우 가격이 저렴하고 시공성은 우수하나 내열성이 약하고 화재시 착화나 유독가스가 발생되는 문제점을 수반하며, 무기단열재의 경우 고온용융공정에서의 에너지 비용이 큰 단점을 가지고 있다.

한편, 산업 전반에 걸쳐 활용 및 응용이 가능한 실리콘의 경우 불과 몇 년 전까지만 해도 전량 수입에 의존하였으나, 최근 국내기업에서도 원천기술을 확보하여 상업화에 성공하였다. 또한, 태양광 산업의 원료인 폴리실리콘 제조는 더욱 증가할 전망으로 지속적인 흄드 실리카(fumed silica)의 발생량 증대가 예상된다. 하지만 미세기공 구조를 가지는 흄드 실리카는 HTV(high temperature vulcanized rubber, 고온경화형고무), 실란트 등에 내열성 및 증점성을 부여하기 위한 보강재 용도로 국한되어 사용되고 있는 실정이다.

이에, 순환자원인 흄드 실리카를 적극적으로 활용하면서 기존 제품군보다 우수한 단열성능 및 내열성을 가지는 신개념의 단열재의 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 상기한 그린 기술 및 저탄소 녹색성장으로의 추세에 부합하여 미세기공 구조의 순환자원인 흄드 실리카(fumed silica)를 이용하여 기존의 유, 무기 단열재보다 우수한 단열 성능 및 내열 성능을 바탕으로 건축, 방화문, 제강, 선박, 가전, 자동차 등의 고온단열재 및 로(furnace) 등의 고온단열용 보드로 이용될 수 있는 고성능의 난연 단열재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은, 미세기공 구조를 가지는 흄드 실리카 35~99.5중량%, 보강재 0.3~25중량% 및 내열 충전재 0.2~55중량%를 포함하는 혼합물의 압축 성형품인 난연 단열재를 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 미세기공 구조를 가지는 흄드 실리카 35~99.5중량%, 보강재 0.3~25중량% 및 내열 충전재 0.2~55중량%를 포함하는 혼합물을 압축 성형하는 것을 특징으로 하는 난연 단열재의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 난연 단열재는 순환자원인 미세기공 구조의 흄드 실리카를 포함함으로써 내부에 나노 사이즈의 기공이 존재하여 우수한 단열성능을 발현하고, 낮은 열전도율 및 고온(약 1000℃)에서도 적용 가능한 내열성을 가진다. 따라서, 본 발명의 난연 단열재는 친환경적이고, 인체에 무해하며 뛰어난 단열성 및 내열성으로 건축, 방화문, 제강, 선박, 가전, 자동차 등의 고온단열재 및 로(furnace) 등의 고온단열용 보드로 적용시 기존의 유, 무기 단열재에 비하여 고기능을 발현할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서 사용되는, 미세기공 구조를 갖는 흄드 실리카는 고온의 기상 반응에 의해 제조되며, 하얀색의 매우 가벼운 분말로 무정형의 이산화규소이다. 또한 기본 입자가 극히 작고 구형의 형태이며, 바람직하게는 50~380m²/g의 넓은 비표면적을 가지고 있다. 또한, 고온에서도 안정하고 난연성을 가지며, 인체에 무해한 친환경 물질이다.

본 발명의 난연 단열재는 미세기공 구조를 가지는 흄드 실리카(fumed silica) 35~99.5중량%, 보다 바람직하게는 50~80중량%를 포함하는 혼합물의 압축 성형품이다. 상기 혼합물 100중량% 중의 흄드 실리카 함량이 35중량% 미만이면 단열성능이 저하되며, 99.5중량%를 초과하면 보강재의 부족으로 보드의 휨강도가 저하됨으로써 가공성 및 시공성에 문제점이 있다.

미세기공 구조를 가지는 순환 자원인 흄드 실리카는 기본 입자가 극히 작아 입자간의 공간이 많아지게 되고 이로 인해 기체에 의한 열의 이동을 최소화 시키며, 구형의 형태로 입자간의 접촉면을 최소화하여 고체상의 열 전도를 최소화시킨다.

본 발명에서 사용되는 보강재는 다른 성분(들)과 분산 혼합되어 휨강도 발현의 역할을 하며, 또한, 내열 성능 향상의 목적으로도 사용된다. 이러한 보강재로는 바람직하게, 유리섬유, 세라믹 섬유, 카본 섬유, 석영 섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택된 섬유형 무기 보강재를 들 수 있다. 섬유형 무기 보강재는 직경이 0.5㎛~110㎛이고, 길이가 3mm~50mm인 것이 바람직한데, 보강재의 길이가 3mm 미만이면 휨강도 발현의 효과가 적을 수 있고, 50mm를 초과하면 혼합시 분산이 잘 되지 않으며, 이는 휨강도 저하의 원인이 될 수 있다.

본 발명의 난연 단열재는 보강재 0.3~25중량%, 보다 바람직하게는 5~20중량%를 포함하는 혼합물의 압축 성형품이다. 상기 혼합물 100중량% 중의 보강재 함량이 0.3중량% 미만이면 휨강도 저하의 문제가 발생하며, 25중량%를 초과하면 혼합시 분산의 문제점 및 고체상 증가로 인한 단열 성능 저하의 문제점이 있다.

본 발명에서 사용되는 내열 충전재(‘불투명화제’라고도 함)는 복사열을 산란 또는 흡수하여 복사열 전도를 감소시키는 기능을 한다. 이러한 내열 충전재로는 예컨대 탄화규소, 지르코늄 실리케이트, 흑연, 메타 카올린, 이산화티타늄, 납석, 질석, 펄라이트, 칼슘실리케이트 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 이산화티타늄을 사용한다.

본 발명의 난연 단열재는 내열 충전재 0.2~55중량%, 보다 바람직하게는 10~30중량%를 포함하는 혼합물의 압축 성형품이다. 상기 혼합물 100중량% 중의 내열 충전재 함량이 0.2중량% 미만이면 그로 인한 단열 효과 및 내열 성능의 상승이 미미하고, 55중량%를 초과하더라도 역시 고체상 증가로 인한 열전도 증가로 단열성능 저하의 문제점이 있다.

본 발명의 난연 단열재에는 상기한 성분들 이외에 무기 난연재에 통상 첨가되는 성분들이 추가로 포함될 수 있다.

본 발명의 난연 단열재는 상기한 바와 같은 흄드 실리카와 보강재 및, 필요에 따라 내열 충전재를 혼합한 후 압축성형함으로써 제조될 수 있다. 따라서 본 발명의 다른 측면에 따르면, 미세기공 구조를 가지는 흄드 실리카 35~99.5중량%, 보강재 0.3~25중량% 및 내열 충전재 0.2~55중량%를 혼합하고, 그 혼합물을 압축 성형하는 것을 특징으로 하는 난연 단열재의 제조방법이 제공된다.

각 성분들의 혼합 방법, 장비 및 조건에는 특별한 제한이 없으며, 바람직하게는 무중력 혼합기를 사용하여 5~60분간 혼합할 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 얻어진 결과 혼합물의 압축 성형 방법, 장비 및 조건에도 역시 특별한 제한은 없으며, 바람직하게는 프레스 설비를 이용하여 10초~15분 동안 압축 성형할 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 난연 단열재는 바람직하게는 열전도율 0.023 W/mK 이하, 수축율 5% 이하, 휨강도 0.1 N/mm²이상의 물성을 나타낸다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1~6 및 비교예 1~4

하기 표 1에 나타낸 성분 및 함량을 무중력 혼합기로 15분간 혼합하고 프레스 설비를 이용하여 1분간 압축 성형하여 단열재를 제조하였다.

[표 1] (성분 함량단위: 중량%)

보강재: 직경 약 10㎛, 길이 약 9mm인 유리 섬유

A: 이산화티타늄

B: 탄화규소

C: 지르코늄 실리케이트

D: 메타 카올린

제조된 단열재의 물성을 이하의 각 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

밀도

밀도는 다음의 식을 이용하여 계산하였다.

- 식: 밀도(Kg/m³) = 항량 건조된 무게/부피

휨강도

휨강도(flexural stress:σ_b)는 DIN 53423에 의거하여 측정하였으며, 아래의 시험 방법 및 식을 이용하여 구하였다.

- 시험 방법: 항량시킨 시편(120mm*25mm*25mm)을 23℃/50%의 항온, 항습 조건으로 48시간 처리한 후, 처리된 시편의 휨강도를 UTM(Universal Test Machine) 장비를 이용하여 측정하였다.

- 식: 휨강도(σ_b) =

F: 최대 하중(N), ℓs: 지점간 거리(mm),

b: 시험편 폭(mm), h: 시험편 두께(mm)

열전도율

열전도율은 KS L 9016(보온재의 열전도율 측정 방법)에 의거하여 측정하였으며, 평판 열류계법을 이용하였다.

수축율

수축율은 ASTM C 3569에 의거하여 측정하였으며, 아래의 시험 방법 및 식을 이용하여 구하였다.

- 시험 방법: 항량시킨 시편(150mm*60mm*25mm)을 1000℃의 가열로에서 24시간 동안 처리하였다. 이때 1000℃까지 승온 시간은 6시간으로 하였다.

- 식: S = [(L₁-L₂)/L₁] * 100

S: 수축율, L₁: 열처리 전 평균 길이, L₂: 열처리 후 평균 길이

성형성

성형성은 제작된 단열재의 성형 상태를 육안으로 확인하여 평가하였다.

[표 2]

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 실시예 1~6은 열전도율, 수축율, 휨강도 및 성형성 측면에서 모두 우수한 물성을 나타내었던 반면, 비교예 1은 흄드 실리카 사용량이 너무 적어 열전도율 값이 상승하였고, 이에 따라 단열 성능이 저하되었다. 비교예 2는 반대로 흄드 실리카 사용량이 너무 많아 보강재가 부족하여 성형성이 불량하였다. 또한, 비교예 3은 보강재 사용량이 너무 많아 고체상의 증가로 인해 열전도율이 저하되고, 이에 따라 단열 성능이 저하되었다. 비교예 4 역시 내열 충전재 사용량이 너무 많아 고체상의 증가로 인해 열전도율이 저하되고, 이에 따라 단열 성능이 저하되었다.

Claims

미세기공 구조를 가지는 흄드 실리카 35~99.5중량%, 보강재 0.3~25중량% 및 내열 충전재 0.2~55중량%를 포함하는 혼합물의 압축 성형품인 난연 단열재.
제1항에 있어서, 상기 흄드 실리카의 비표면적이 50~380m²/g인 것을 특징으로 하는 난연 단열재.
제1항에 있어서, 상기 보강재가 유리섬유, 세라믹 섬유, 카본 섬유, 석영 섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택된 섬유형 무기 보강재인 것을 특징으로 하는 난연 단열재.
제3항에 있어서, 상기 섬유형 무기 보강재의 직경이 0.5㎛~110㎛이고, 길이가 3mm~50mm인 것을 특징으로 하는 난연 단열재.
제1항에 있어서, 상기 내열 충전재가 탄화규소, 지르코늄 실리케이트, 흑연, 메타 카올린, 이산화티타늄, 납석, 질석, 펄라이트, 칼슘실리케이트 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 난연 단열재.
제5항에 있어서, 상기 내열 충전재가 이산화티타늄인 것을 특징으로 하는 난연 단열재.
제1항에 있어서, 열전도율 0.023 W/mK 이하, 수축율 5% 이하, 휨강도 0.1 N/mm²이상의 물성을 나타내는 것을 특징으로 하는 난연 단열재.
미세기공 구조를 가지는 흄드 실리카 35~99.5중량%, 보강재 0.3~25중량% 및 내열 충전재 0.2~55중량%를 혼합하고, 그 혼합물을 압축 성형하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 난연 단열재의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 혼합은 무중력 혼합기를 사용하여 5~60분간 수행되는 것을 특징으로 하는 난연 단열재의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 압축 성형은 프레스 설비를 이용하여 10초~15분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 난연 단열재의 제조방법.