KR20130088922A - 부직포를 이용한 진공단열 패널 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부직포를 이용한 진공단열패널에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기분사 방식으로 생산된 실의 굵기가 1D 이하인 부직포를 사용하여 단열 성능을 향상시킨 부직포를 이용한 진공단열 패널 및 그 제조방법에 대한 것이다.
본 발명의 부직포를 이용한 진공단열 패널은, 부직포가 다수 적층되어 이루어진 충진재 및 상기 충진재를 둘러싸도록 내공간부를 형성하는 알루미늄 박막의 내외부면에 수지가 코팅되어 이루어지고, 상기 내공간부가 진공인 외피재를 포함하며, 상기 부직포는 실의 굵기가 1D(denier) 이하이고, 수분함량이 0.01wt% 이하이다.
본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에 의하면 수분함유량이 0.01wt% 이하이기 때문에 우수한 단열성능을 유지할 수 있는 진공 단열패널의 제공이 가능하다.
또한 천연섬유를 사용해서 진공 단열패널을 만드는 공정과 비교하여 제조설비를 단순화할 수 있고, 진공 타임이 짧아서 단위 생산량이 우수한 진공 단열패널의 제공이 가능한 장점을 갖는다.

Description

부직포를 이용한 진공단열 패널 및 그 제조방법{VAPOR INSULATION PANEL USING NON-WOVEN CLOTH AND THE MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 부직포를 이용한 진공단열패널에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기분사 방식으로 생산된 실의 굵기가 1D 이하인 부직포를 사용하여 단열 성능을 향상시킨 부직포를 이용한 진공단열 패널 및 그 제조방법에 대한 것이다.
최근 지구 온난화에 대한 관점으로부터 가전 제품의 소비 전력량 절감의 필요성이 강력히 주장되고 있다. 특히, 냉장고는 가전 제품 중에서 특히 소비전력량을 많이 소비하는 제품으로, 냉장고의 소비 전력량 절감은 지구 온난화 대책으로서 필요불가결한 상황에 있다. 냉장고의 소비 전력은 냉장고 내의 부하량이 일정하면, 냉장고 내 냉각용 압축기의 효율과 냉장고 내로부터의 열 누설량에 관계되는 단열재의 단열 성능에 의해 그 대부분이 결정되므로, 냉장고의 기술 개발에서는 압축기의 효율과 단열재의 성능향상을 행할 필요가 있다. 단열재의 고성능화의 예로서, 코어 부재를 가스 배리어성 필름으로 이루어지는 외피재로 덮어 내부를 감압 밀봉한 진공 단열패널을 이용하는 것이 행해지도록 되어 있다.
종래의 진공단열 패널로서는, 일본특허공개 제2002-48466호(특허문헌1)에 개시된 것이 있다. 이 진공단열 패널은 코어 부재와, 적어도 수분을 흡착하는 흡착부재와, 이들을 수납하면서 또한 가스배리어성 필름으로 이루어지는 외피재를 구비한다. 그리고, 흡착제는 발수 처리를 실시하고 있는 내수성 화지층과, 미세한 구멍을 가지고 있는 폴리에틸렌층을 포함하는 적층 필름으로 이루어지는 포장재로 덮여 있다. 또, 특허문헌 1에는 이러한 진공단열 패널이 냉장고 등에 사용되는 것이 기재되어 있다.
하지만 특허 문헌 1의 진공단열 패널에서는 흡착 부재의 포장재의 폴리에틸렌층에 미세한 구멍을 갖고 있으므로 진공단열 패널의 제조 작업시에 포장재에 국부적인 힘이 가해지면 화지층이 파단될 가능성이 있다. 그 포장재의 화지층이 파단된 경우에는 파단부에 작업자의 손이나 팔에 묻은 땀이나 수분, 또는 장치 등의 결로에 의한 수분이 묻게 되면, 폴리에틸렌층의 미세한 구멍의 캐필러피 효과에 의해 수분이 포장재 내부까지 침투하여 흡착제의 흡착 성능을 저하시켜 버리게 되는 문제가 있었다.
일본특허공개 제2002-48466호(진공단열재와 이것을 이용한 보온 보냉 용기, 냉장고 및 급탕기)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로써, 본 발명의 목적은 폴리프로필렌으로 되어 있는 부직포의 실의 굵기를 얇게 제조하는 것에 의해서 단열재의 단열 효율을 높일 수 있는 진공단열 패널 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 부직포를 이용한 진공단열 패널은, 부직포가 다수 적층되어 이루어진 충진재 및 상기 충진재를 둘러싸도록 내공간부를 형성하는 알루미늄 박막의 내외부면에 수지가 코팅되어 이루어지고, 상기 내공간부가 진공인 외피재를 포함하며, 상기 부직포는 실의 굵기가 1D(denier) 이하이고, 수분함량이 0.01wt% 이하이다.
또한 본 발명의 부직포를 이용한 진공단열 패널에 있어서, 상기 부직포는 폴리프로필렌으로 되어 있는 것이다.
또한 본 발명의 부직포를 이용한 진공단열 패널에 있어서, 상기 부직포 층 사이에는 에어로겔 또는 질석이 구비되어 있다.
또한 본 발명의 부직포를 이용한 진공단열 패널에 있어서, 상기 에어로겔 또는 질석은 부직포 층 사이에 분말 형태로 살포되거나 용제인 알콜, 신나, 헥산 중에서 선택된 어느 하나를 이용하여 녹인 것을 스프레이 형태로 분사한 것이다.
본 발명의 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법은, (a) 폴리프로필렌을 혼합 용매에 용해하고 상기 혼합 용매에 친수성 폴리머를 섞어 혼합 고분자 용액을 형성하는 단계(S10)와, (b) 상기 형성된 혼합 고분자 용액에 대하여 전기방사하는 단계(S20)와, (c) 전기방사하여 형성된 부직포 층을 1차 건조로에서 50~200℃의 온도에서건조시키는 단계(S30)와, (d) 상기 1차 건조된 부직포 층을 외피재에 넣고, 2차 건조로에서 50~200℃의 온도에서 건조하는 단계(S40)와, (e) 상기 부직포 층을 포함하는 외피재에 수분 흡수제를 넣는 단계(S50) 및 (f) 상기 부직포층을 둘러 싸고 있는 외피재를 포함하는 진공단열 패널에 대하여 진공 상태로 실링을 하는 단계(S60)를 포함한다.
본 발명의 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에 있어서, 상기 (b)단계 후에 형성된 부직포 각 층에 에어로겔 또는 질석을 분말 형태로 살포하거나 촉매를 이용하여 스프레이 형태로 분사하는 단계(S21)를 더 포함한다.
본 발명의 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에 있어서, 상기 실링단계(S60)를 거친 후에 진공도가 10-4~10-6torr이다.
본 발명의 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에 있어서, 상기 실링단계(S60)를 거친 후에 상기 부직포의 수분량이 0.01wt% 이하이다.
본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에 의하면 수분함유량이 0.01wt% 이하이기 때문에 우수한 단열성능을 유지할 수 있는 진공 단열패널의 제공이 가능하다.
또한 천연섬유를 사용해서 진공 단열패널을 만드는 공정과 비교하여 제조설비를 단순화할 수 있고, 진공 타임이 짧아서 단위 생산량이 우수한 진공 단열패널의 제공이 가능한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공단열패널의 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 또 다른 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법을 보여주는 절차도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시하는 부직포를 이용한 진공 단열패널의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 부직포를 이용한 진공단열 패널은 실의 굵기가 1D 이하인 다수개의 부직포 층(15)으로 이루어지고, 상기 부직포 층(15)은 전기 방사 방법(melt brown)에 의해서 제조되어 수분함량이 0.01wt% 이하로 되어 있다. 실의 굵기가 1D(Deneir) 이라는 것은 합성 수지 1g으로 9,000m의 실을 만든 것을 말한다.
이렇게 구성되어 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 단열패널(30)은 실의 굵기가 1D 이하인 다수개의 부직포 층(15)과, 상기 부직포 층(15)이 다수 적층된 충진재(10) 및 상기 충진재(10)를 둘러싸도록 내공간부(29)를 형성하며 알루미늄 박막(23)의 내외부면에 수지가 코팅되어 수지층(25)을 형성하는 외피재(20)를 포함하는 것이다.
여기서 내공간부(29)는 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널에 의하면 진공 상태이다. 본 발명에서 말하는 진공이라는 것은 진공도가 10-4torr~10-6 torr 인 것을 지칭한다.
또한 본 발명에 따른 진공 단열패널에 사용되는 부직포는 폴리프로필렌인 것이 바람직하다.
이와 같이, 진공단열 패널의 충진재로 사용되는 부직포 층으로 폴리프로필렌을 사용하게 되면 폴리프로필렌의 특성 상 건조를 거치고 나면 수분함량을 0.01wt% 이하가 되도록 하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널에 있어서, 부직포(15)는 전기 방사법에 의해서 제조되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 또 다른 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 부직포를 이용한 진공 단열패널(30)의 경우에는 부직포 층(15) 사이에 에어로겔(17) 또는 질석이 배치되어 있는 것일 수도 있다.
에어로겔(17) 또는 질석은 분말 형태로 도포되어 있는 형태이거나 용제를 사용하여 스프레이형태로 분사할 수 있다.
상기 용제는 알콜, 신나, 헥산 중에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
전기 방사법에서 전기 방사의 원리는 고분자 용액에 고전압을 걸어주어 팁과 콜렉터(collector) 사이에 전기장을 형성시켜 방사하는 것으로, 전하를 띠는 고분자 용액은 팁 부분에 맺히게 되며 고분자 자체 표면 장력 이상의 전압을 걸어주게 되면, 고분자 방울은 콜렉터 방향으로 분사하게 된다. 이때 고분자 용액의 용매는 전기적인 힘에 의해 증발하게 되고 섬유만이 콜렉터에 집속되게 된다. 이러한 전기 방사법은 용융된 고분자나 고분자 용액을 압출기를 사용하여 방사구를 통과시켜 응고시키는 기계적인 힘에 의존하는 용융방사, 건식 방사, 습식방사법과는 달리 간단하고, 편리하며, 장비의 설비비가 싸며, 전기적인 힘을 이용하기 때문에 제조된 섬유 표면에 잔류 전하가 존재한다는 특징을 가지고 있다.
전기방사법(electrospinning)은 정전기력(electrostatic force)에 의해 낮은 점도 상태의 폴리머를 사용하여 순간적으로 섬유형태로 방사하여 그 생성물을 얻는 방법이다. 전기방사법은 마이크로미터 단위의 직경을 갖는 물질을 이용하여 나노미터 단위의 섬유를 만들 수 있다는 중요한 특징이 있다. 그래서 약 10여년 전부터 이러한 기술은 직경 20nm 내지 1㎛의 나노섬유를 만드는 데 사용되며 관심을 받고 있는 기술이다.
이와 같은 전기방사법에서는 충전된 폴리머 제트 용액(solution spinning) 또는 용융물(melt)을 얻기 위해 고전압을 사용한다. 이 충전된 폴리머 제트 용액 또는 용융물은 고분자 섬유를 얻기 위해 건조되거나 고체화시킨 것이다. 한 전극은 다른 집전체의 표면에 접착시키기 위해 용액이나 용융물을 스핀 코팅시킨다. 전기영역의 주제가 되는 것은 모세관(capillary tube)의 끝 부분에 고분자 용액이 자체의 장력에 의해 달라 붙게 만드는 것이다.
방사 방법은 용융방사(melt spinning)와 용액방사(solution spinning)이 있으며, 용액 방사에 있어서는 고분자 용액이 필라멘트 형태로 방사될 때 용제를 사용하지 않는 습식방사와 용제를 사용하고 용제는 더운 공기나 불활성 가스로 제거시키는 건식 방사가 일반적으로 상용화되어 있다.
본 발명의 부직포를 이용한 진공 단열 패널의 제조방법은 이하와 같은 방법으로 실시할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에 대한 절차도이다.
먼저 폴리프로필렌을 혼합 용매에 용해하여 친수성 폴리머와 혼합하여 혼합 고분자 용액을 형성한다(S10).
폴리프로필렌은 결정화도가 높고 기계적·열적 성질이 우수하여 일반 생활용품에서 산업용 부품에 이르기까지 다양하게 사용되는 폴리올레핀계 합성 중합체이다. 특히, 1990년 이후 내알카리성·내약품성이 뛰어난 폴리프로필렌을 소재로 하여 제조된 부직포는 니켈-수소 전지의 분리막(separator)으로서 그 사용량이 증가하고 있다.
한편, 폴리프로필렌은 내화학성이 우수하여 용매에 잘 용해되지 않기 때문에 전기 방사에 의한 나노 섬유의 제조가 어려운 것으로 알려져 있다. 그러나 본 발명의 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에서는 폴리프로필렌의 용액 방사를 수행하기 위하여 용매에 용해시키는 방법을 사용한다. 이렇게 폴리프로필렌을 용해시키기 위해서 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에서는 Cl로 부분치환된 폴리프로필렌을 사용한다. 이렇게 Cl로 부분 치환된 폴리프로필렌을 사용하면 톨루엔, 테트라히드로푸란(Tetra-Hydro-Furan; THF) 등의 용매에 용해하여 사용할 수 있다. 이와 같은 공정을 거친 용해된 폴리프로필렌은 친수성 폴리머와 함께 혼합성이 양호해서 친수처리가 필요 없는 부직포 형성이 가능하다.
폴리프로필렌을 용해시키기 위해서 사용하는 혼합용매는 제한되지 않는다. 폴리프로필렌의 용액 방사를 위하여 실온 조건에서 방사가능하도록 용해시킬 수 있는 어떠한 용매도 사용가능하다. 바람직하게는 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 제조방법에 사용되는 혼합 용매는 폴리프로필렌에 대한 하나 이상의 양용매(good solvent)와 하나 이상의 빈용매(poor solvent)의 혼합물이다. 양용매는 폴리프로필렌을 용액화하는데 기여하며 빈용매는 방사 특성을 향상시킨다.
상기 양용매는 톨루엔, 클로로포름, 테트라히드로푸란(THF) 및 벤젠으로부터 선택될 수 있으며, 상기 빈용매는 N,N-디메틸포름아미드(DMF), 에탄올 등의 알콜, 아세톤, 메틸카르보네이트, 물로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는 폴리프로필렌은 톨루엔과 N,N-디메틸포름아미드(DMF)의 혼합 용매에 용해하여 사용한다.
본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열 패널에서, 부분적으로 치환된 폴리프로필렌은 톨루엔에는 용해되지만, DMF에는 용해되지 않는다. 톨루엔에 용해된 폴리프로필렌 용액은 전기 방사시 섬유상을 형성하지 못하지만, 톨루엔에 DMF를 첨가하면서 제조한 나노 섬유는 DMF 양이 증가할 수록 섬유직경이 증가하는 특징을 보인다.
이와 같이 폴리프로필렌을 용해시키는 용매는 방사 특성의 향상을 위하여 빈용매를 포함하여야 하며, 그 함량은 용매 중 부피비로 약 5% 내지 50%가 바람직하다. 빈용매가 용매 중에서 부피비로 50% 이상이 되면 폴리프로필렌이 혼합용매에 용해되지 못하고, 석출되기 때문에 전기방사에 의한 부직포 제조가 어려우며, 반대로 빈용매의 함량이 5% 미만으로 너무 적으면 방사 특성이 불량하여 폴리프로필렌의 용액 방사 자체가 어렵다.
본 발명의 혼합 고분자 용액을 형성하기 위하여 폴리프로필렌 용액에 혼합되는 친수성 폴리머의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 폴리프로필렌 용액과 혼합하여 전기 방사를 통하여 균질의 혼합 섬유를 형성할 수 있는 유사 계열의 친수성 폴리머는 폴리프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리아크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드 및 폴리비닐 아세테이트로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
이렇게 형성된 혼합 고분자 용액에 대하여 전기방사하는 단계를 거친다(S20).
상기 전기 방사 단계는 일반적으로 합성 폴리머를 사용하여 메타 내지 나노 섬유 부직포를 용액 방사하는데 사용하는 어떤 방법을 사용하여 수행된다. 주사기에 담긴 고분자 용액 도는 고분자 용융물이 방사구 끝에 있을 때 수십kV의 전압을 가하면, 표면장력에 의해 모세관 끝에서 미세방울(droplet)을 형성하고, 전압 증가에서 단일 분출물이 분사되고, 전기장 내에서 유체의 불안정성이 증대되어 고분자의 굽힘과 갈라짐 등의 일련의 섬유형성 현상이 발생하여 나노화되고 포집판 상에 부직포가 형성된다.
이렇게 형성된 부직포 각 층에 에어로겔 또는 질석을 분말 형태로 살포한다(S21). 또는 알콜, 신나, 헥산 중에서 선택된 어느 하나의 용제에 녹인 질석 또는 에어로겔을 스프레이 형태로 부직포 층 위에 도포한다. 본 발명에 따른 부직포를 이용한 진공 단열패널의 경우에는 에어로겔 또는 질석을 배치하는 공정은 선택적으로 수행할 수 있다.
이렇게 형성된 부직포 층을 1차 건조로에서 50~200℃의 온도에서 1~24시간 동안 건조시킨다(S30). 이때 건조하는 방식은 10~100개로 구성되어 있는 부직포에 대하여 한꺼번에 진행하는 것이 바람직하다.
이렇게 건조된 부직포 층은 외피 포장지에 넣고, 2차 건조로에서 50~200℃의 온도에서 건조하는 것이 바람직하다(S40).
그리고 나서 수분흡수제를 넣는다(S50).
부직포 층의 수분 흡수제로 사용될 수 있는 것으로 실리카겔 등이 가능하지만 이에 한정하는 것은 아니다.
그리고 나서 상기 부직포층을 둘러 싸고 있는 외피층을 포함하는 진공단열 패널에 대하여 진공 상태로 실링을 한다(S60). 또한 본 발명에 따른 진공 단열패널에 사용되는 부직포는 폴리프로필렌으로 되어 있기 때문에 형상의 유지가 가능하다.
이렇게 진공 상태로 실링된 부직포를 이용한 진공 단열패널의 경우에는 10-4~10-6torr까지의 진공도를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 진공단열 패널의 충진재로 사용되는 부직포 층으로 폴리프로필렌을 사용하게 되면 폴리프로필렌의 특성 상 건조를 거치고 나면 수분함량을 0.01wt% 이하가 되도록 하는 것이 가능하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 충진재 15: 부직포
17: 에어로겔 20: 외피재
23:알루미늄 박막 25: 수지층
27: 개구부 30: 진공 단열패널

Claims (8)

  1. 부직포가 다수 적층되어 이루어진 충진재; 및
    상기 충진재를 둘러싸도록 내공간부를 형성하는 알루미늄 박막의 내외부면에 수지가 코팅되어 이루어지고, 상기 내공간부가 진공인 외피재를 포함하며,
    상기 부직포는 실의 굵기가 1D(denier) 이하이고, 수분함량이 0.01wt% 이하인 것을 특징으로 하는 부직포를 이용한 진공 단열패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부직포는 폴리프로필렌으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 부직포를 이용한 진공 단열패널.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 층 사이에는 에어로겔 또는 질석이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 부직포를 이용한 진공 단열패널.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어로겔 또는 질석은 부직포 층 사이에 분말 형태로 살포되거나 용제를 이용하여 스프레이 형태로 분사되어 있고
    상기 용제는 알콜, 신나, 헥산 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 부직포를 이용한 진공 단열패널.
  5. (a) 폴리프로필렌을 혼합 용매에 용해하고 상기 혼합 용매를 친수성 폴리머와 섞어 혼합 고분자 용액을 형성하는 단계(S10);
    (b) 상기 형성된 혼합 고분자 용액에 대하여 전기방사하는 단계(S20);
    (c) 전기방사하여 형성된 부직포를 1차 건조로에서 50~200℃의 온도에서 건조시키는 단계(S30);
    (d) 상기 1차 건조된 부직포를 외피재 안에 적층하고, 2차 건조로에서 50~200℃의 온도에서 건조하는 단계(S40);
    (e) 상기 2차 건조로에서 건조된 외피재 안에 수분 흡수제를 넣는 단계(S50); 및
    (f) 상기 부직포층을 둘러 싸고 있는 외피재에 대하여 진공 상태로 실링을 하는 단계(S60);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부직포를 이용한 진공단열패널의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (b)단계 후에 형성된 부직포 각 층에 에어로겔 또는 질석을 분말 형태로 살포하거나 용제를 이용하여 스프레이 형태로 분사하는 단계(S21)를 더 포함하고
    상기 용제는 알콜, 신나, 헥산 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 부직포를 이용한 진공단열 패널의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 실링단계(S60)를 거친 후에 진공도가 10-4~10-6torr인 것을 특징으로 하는 부직포를 이용한 진공단열 패널의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 실링단계(S60)를 거친 후에 상기 부직포의 수분량이 0.01wt% 이하인 것을 특징으로 하는 부직포를 이용한 진공단열 패널의 제조방법.
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