KR20140143292A

KR20140143292A - 소수성 분말의 수분산 조성물 및 이를 이용한 펄프지 및 유리섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR20140143292A
Application number: KR1020130064999A
Authority: KR
Inventors: 유정근; 박두석; 이은용; 한정호
Original assignee: 유정근; 알이엠텍 주식회사
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2014-12-16
Also published as: CN105263991A; WO2014196789A1

Abstract

본 발명은 소수성 분말의 수분산 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물, 고흡수성 폴리머(SAP) 및 소수성 분말을 포함하는, 소수성 분말의 수분산 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 소수성 분말이 매우 안정적으로 분산되어 분산성이 우수한 수분산 조성물을 획득할 수 있으며, 이러한 본 발명의 수분산 조성물은 매우 장시간 동안에도 상분리가 일어나지 않는다. 또한, 본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물이 건조된 후에는 소수성 분말과 미량의 고흡수성 폴리머(SAP)만 잔류하게 되며, 이러한 고흡수성 폴리머는 중량의 관점에서 일반 바인더용으로의 혼합제에 비해 매우 미량이고, 나아가 특히 부피의 관점에서 극히 미량이므로 소수성 분말의 물성 및 특성에 거의 영향을 미치지 않는다.

Description

소수성 분말의 수분산 조성물 및 이를 이용한 펄프지 및 유리섬유의 제조방법{Water-dispersed composition of hydrophobic powder and method for preparing pulp paper and glass fiber using the same}

본 발명은 소수성 분말의 수분산 조성물 및 이를 이용한 제품의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소수성 분말의 특성에 영향을 주지 않으면서도 층분리 없이 균일한 수분산 형태를 장기간 유지할 수 있는 소수성 분말의 수분산 조성물 및 에어로겔과 같은 소수성 분말이 함침된 펄프지, 펄프보드 및 유리섬유의 제조방법에 관한 것이다.

소수성을 갖는 물질은 단열 등에 사용되는 경우가 많으며, 그 중에서도 소수성 물질인 에어로겔은 대표적인 단열 재료이다. 그러나, 뛰어난 단열 성능, 흡음성능 및 방음 성능에도 불구하고 에어로겔은 아직까지 산업의 전분야에 있어서 응용이 미미한 상태이다. 에어로겔의 높은 가격이 그 이유 중 하나이고, 에어로겔의 소수성에 기인한 응용 기술의 부족이 또 하나의 큰 이유이다.

특히 단열 페인트, 단열 코팅제, 단열 보드, 단열 섬유 블랑켓 등을 제조할 때 에어로겔과 같은 강한 소수성을 가지는 물질을 단열 재료로서 혼합하여 사용하는 경우, 이와 같은 단열 제품의 단열 성능이 획기적으로 향상되므로 이에 대한 응용 기술이 활발하게 연구되고 있다. 그러나 응용 기술에 있어서 가장 어려운 문제 중 하나는 에어로겔 등의 단열 물질이 가진 소수성으로 인해 수용성 물질과의 혼합이 매우 어렵다는 것이다. 따라서, 에어로겔 수용액 또는 수분산액을 획득하기 위해서는 다량의 추가 성분 또는 추가적인 공정이 필요하다. 이와 같은 공정은 크게 계면활성 물질을 첨가하는 화학적 방법과 물리적 강제 혼합방식으로 구분할 수 있다.

먼저, 소수성 분말의 일 예인 에어로겔을 수용성 물질과 물리적으로 혼합하는 방법과 관련하여, 이를 위해서는 수용성 물질이 어느 정도 이상의 점도를 가져야 하며, 나아가 점도에 따라 적절한 속도로 혼합을 수행하는 것이 매우 중요하다.

충분한 점도를 얻기 위해서는 많은 양의 수용성 물질이 첨가되는 것이 유리하지만, 과다하게 많은 양의 수용성 물질이 첨가되면 원래의 에어로겔을 함유하는 혼합 물질이 원하는 특성인 단열, 방음 등의 효과가 현저히 저하되는 경향이 있다.

또한, 이 경우 이렇게 획득된 수분산 에어로겔 조성물이 건조되고 나면, 과다한 양의 바인더 물질이 잔존하게 되고, 이의 점착성에 의해 에어로겔 분말이 뭉치거나 굳어지게 되는 결과 에어로겔 분말이 원래 상태보다 현저히 높은 열전도율을 나타내는 것은 물론, 수용성인 바인더 물질로 인해 소수성도 현저히 감소하게 되어 결과적으로 고유한 에어로겔의 기능이 현저히 저하된다. 나아가, 이와 같이 수분산된 에어로겔 조성물을 섬유, 부직포 등에 함침시키는 경우에는 건조 후에 바인더가 굳어짐으로 인해서 섬유 등이 가지는 유연성을 상실하게 되는 문제가 있다.

한편, 현재 시중에 판매되고 있는 에어로겔 부직포의 경우 실리카 졸겔 공정에서부터 실리카겔을 부직포 사이에 함침시킨 후 이를 초임계 공정으로 건조시켜 생산하고 있다. 이와 같이 초임계 공법을 적용하는 경우에는 생산 효율이 떨어지고 가격이 높아지게 되는 문제가 있다.

또한 이를 극복하기 위해 상온에서 건조시킨 비교적 저가의 에어로겔을 이용하여 에어로겔 부직포를 제작하기 위해서는 분말 에어로겔을 부직포 제작 공정 중에 뿌려주는 등의 방법으로 에어로겔 부직포를 생산해야 하는데 이 때 분진의 발생량이 매우 많고 또한 비중이 매우 낮은 에어로겔이 공중으로 날리므로 충분한 양의 에어로겔이 부직포 사이로 함침되기 어려운 문제도 있다.

나아가, 에어로겔을 이용한 단열성 제지 등의 제지 공정에서 에어로겔을 함침하는 경우에는 소수성 에어로겔이 물에 고해되어 있는 펄프 섬유질과 상분리되어 존재하기 때문에 에어로겔을 이용한 단열제지의 제조가 어려운 문제를 가지고 있었다.

이에 따라 점도 증가를 위한 바인더를 사용하지 않거나 최소량의 바인더만을 사용하면서도 에어로겔 등의 소수성 분말이 수용액에 균일하게 혼합되거나 분산될 수 있도록 하는 경우 관련 분야에서 다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.

한국특허출원 제10-2011-0103450호

이에 본 발명의 한 측면은 소수성 분말의 특성에 영향을 주지 않으면서도 층분리 없이 균일한 수분산 형태를 장기간 유지할 수 있는 소수성 분말의 수분산 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면, 물, 고흡수성 폴리머(SAP) 및 소수성 분말을 포함하는, 소수성 분말의 수분산 조성물이 제공된다.

상기 고흡수성 폴리머(SAP)는 폴리아크릴 아마이드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐알코올, 젤라틴, 폴리사카라이드, 셀룰로오스 또는 이의 유도체, 및 키토산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분 또는 이의 염을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 물의 중량비는 1:50 내지 1:1000인 것이 바람직하다.

상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 소수성 분말의 중량비는 1:10 내지 1:500인 것이 바람직하다.

상기 소수성 분말의 수분산 조성물의 점도는 100 내지 200,000cp인 것이 바람직하다.

상기 소수성 분말은 실리카에어로겔 분말, 소수성 (Si, Ca, Al, Mg)xOy 광물 분말, 소수성 실란이 표면처리된 무기화합물 및 소수성 실란이 표면처리된 유기화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 물 및 고흡수성 폴리머(SAP)를 혼합하여 겔 상태의 수용액을 제조하는 단계; 및 소수성 분말을 추가하고 교반을 수반하여 혼합하는 단계를 포함하는, 소수성 분말이 균일하게 분산된 수분산 조성물의 제조 방법이 제공된다.

상기 교반은 상기 수분산 조성물의 점도가 100 이상 5000 cp 미만인 경우 3000 내지 10000 rpm에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 교반은 상기 수분산 조성물의 점도가 5000 cp 이상인 경우 500 내지 3000 rpm에서 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 견지에 의하면, 펄프 원재료 및 물을 혼합하여 고해하는 고해(叩解) 단계; 상기 소수성 분말의 수분산 조성물을 투입하여 교반하는 단계; 수분을 제거하여 에어로겔 펄프 슬러리를 형성하는 단계; 상기 에어로겔 펄프 슬러리에 물을 혼합하여 해리하는 단계; 초지(抄紙) 단계; 탈수 단계 및 건조 단계를 포함하는, 에어로겔 펄프지의 제조방법이 제공된다.

상기 펄프 원재료는 천연펄프, 인공펄프 및 재생펄프로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 견지에 의하면, 1-100μ길이의 유리 단섬유와 물을 1:70 내지 1:150의 중량비로 혼합한 후 유리 단섬유 1 중량부 당 0.01 내지 0.10 중량부의 분산제를 추가하여 혼합하는 비팅(beating) 단계; 상기 소수성 분말의 수분산 조성물을 투입하여 교반하는 단계; 유리단섬유 1 중량부 당 500 내지 1000중량부의 물을 혼합하여 교반하는 안정화 단계; 안정화된 조성물을 5 내지 30mm의 두께로 성형하는 성형 단계; 탈수 단계; 및 건조 단계를 포함하는 에어로겔 복합 유리섬유 제조방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 소수성 분말이 매우 안정적으로 분산되어 분산성이 우수한 수분산 조성물을 획득할 수 있으며, 이러한 본 발명의 수분산 조성물은 매우 장시간 동안에도 상분리가 일어나지 않는다. 또한, 본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물이 건조된 후에는 소수성 분말과 미량의 고흡수성 폴리머(SAP)만 잔류하게 되며, 이러한 고흡수성 폴리머는 중량의 관점에서 일반 바인더용으로의 혼합제에 비해 매우 미량이고, 나아가 특히 부피의 관점에서 극히 미량이므로 소수성 분말의 물성 및 특성에 거의 영향을 미치지 않는다.

도 1(a)는 실시예 1에 의해 제조된 수분산 조성물에 있어서 소수성 에어로겔 분말이 수분산된 사진이며, 도 1(b)는 비교예 2에 의해 제조된 수분산 조성물에 있어서 소수성 에어로겔과 물이 혼합되지 않고 분리되어 있는 사진이다.
도 2(a)는 제조예 2에 의해 제조된 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 닥섬유 한지의 내부 전자주사현미경(SEM)사진이며, 도 2(b)는 제조예 2에 의해 제조된 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 닥섬유 한지의 소수성을 나타내는 사진이다.
도 3은 제조예 3에 의해 제조된 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 복합유리섬유의 내부 전자주사현미경(SEM)사진이다.
도 4(a)는 제조예 3에 의해 제조된 복합유리섬유의 소수성을 나타내는 사진이며, 도 4(b)는 제조예 3에 의해 제조된 복합유리섬유의 내화염성을 나타내는 사진이다.
도 5(a)는 에어로겔이 포함되지 않은 일반적인 습식 유리섬유의 흡습성을 나타낸 사진이며, 도 5(b)는 일반적인 습식 유리섬유가 화염에 녹는 사진을 나타낸 것이다.
도 6(a)는 제조예 5에 의해 제조된 에어로겔 재생 펄프 보드의 소수성을 나타내는 사진이며, 도 6(b)는 제조예 5에 의해 제조된 에어로겔 재생 펄프 보드의 화염에 대한 내구성(내화염성)을 나타내는 사진이다.

본 발명에 의하면 물, 고흡수성 폴리머(SAP) 및 소수성 분말을 포함하는 소수성 분말의 수분산 조성물이 제공된다.

본 발명은 소수성 분말의 수분산액을 획득하기 위해 최소량을 사용하면서도 수용액의 점도를 충분히 높일 수 있는 물질로서 고흡수성 폴리머(super absorbent polymer, SAP)를 사용하여 최소량으로 높은 점도의 수분산액을 제조할 수 있다.

그 결과 소수성 에어로겔 등과 같은 소수성 분말이 안정하고 균일하게 혼합된 수분산액을 획득할 수 있으며, 이는 매우 획기적인 활용성을 가지고 있다.

즉, 다양한 산업 분야의 적용에 큰 어려움 중 하나였던 소수성 분말의 취급상 분진 문제를 해결할 수 있으며, 본 발명의 수분산액은 소수성 분말의 중량에 비하여 극소량의 고흡수성 폴리머에 의해 분산된 상태이므로 각 활용 분야에 적용된 이후 다시 건조하였을 때 소수성 분말의 특성을 거의 그대로 유지할 수 있게 된다.

특히 소수성 분말이 에어로겔인 경우 매우 낮은 비중으로 인해 부피 비율로는 더욱 적은 양의 물질만 혼합된 결과가 되므로, 다시 건조하는 경우 고유의 에어로겔 특성인 단열 특성, 소수성 등이 유지될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 특히 에어로겔 함침 부직포, 또는 에어로겔 함침 한지, 펄프, 유리섬유 복합체 등의 제조에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

본 발명의 상기 고흡수성 폴리머(SAP)는 물과 혼합되면 물을 흡수하고 팽윤하여 겔화하는 성질을 가지고 있는 것으로, 자기 무게의 최고 1000배까지 물을 흡수하여 겔 상태로 높은 점도를 유지시켜주는 물질을 의미한다. 이러한 겔 상태의 고흡수성 폴리머(SAP) 혼합 수용액은 이 후 물이 건조된 후에도 매우 극소량만이 고상으로 잔류하게 되므로, 소수성 분말의 특성에 영향을 주지 않는다.

본 발명에 사용될 수 있는 고흡수성 폴리머(SAP)는 폴리아크릴 아마이드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐알코올, 젤라틴, 폴리사카라이드, 셀룰로오스 또는 이의 유도체, 및 키토산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분 또는 이들의 염을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리아크릴산 또는 이의 염을 포함하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 폴리아크릴산 나트륨은 백색의 분말로서 냄새와 맛이 없는 물질로, 아크릴산나트륨의 중합체이며 친수성이고 흡습성이 크다. 물에는 서서히 녹아서 점성이 큰 투명한 겔 상의 액을 만든다. 이의 점성은 분자 내 다수의 음이온에 의한 이온 현상에 의한 것이기 때문에 겉보기 점도가 커져서 고점성 용액을 형성할 수 있으므로 첨가량이 적어도 되고, 내열성이 커서 약 300 ℃까지는 분해되지 않으므로 열화가 거의 없어서 가열 처리하는 식품에도 사용할 수 있다. 또한, 천연물과 같이 부패되거나 변질될 염려가 없어서 저장성이 좋은 것도 장점의 하나이다.

이의 예시적인 제조방법은 아크릴산 또는 아크릴산에스테르를 원료로 하여 수산화나트륨에 의해 검화하면 아크릴산 단독체를 얻고, 이것을 농축하면서 생성되는 알콜은 제거한다. 이렇게 농축된 아크릴산나트륨 단량체는 농도를 조정하여 수산화나트륨으로 pH 조절 후 중합 촉매로서 과황산암모늄을 가해서 중합한다. 이로부터 획득된 중합체는 겔 상인데, 이것을 건조, 분쇄, 체질하여 폴리아크릴산 나트륨을 획득할 수 있다.

셀룰로오스 또는 이의 유도체는 예를 들어, 니트로셀룰로오스, 아세트산셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 등과 같이 셀룰로오스의 -OH기 사이에 수소 결합이 형성된 경우와 같이 변형된 셀룰로오스를 포함한다.

다만, 본 발명에 사용될 수 있는 고흡수성 폴리머(SAP)는 상기와 같은 성분을 갖는 것으로 제한되는 것은 아니며, 물 흡수력이 50 g/g 이상인 어떠한 고흡수성 폴리머(SAP)도 사용할 수 있고, 바람직하게는 50 내지 1000g/g의 물 흡수력을 갖는 것이다. 보다 바람직하게, 본 발명의 고흡수성 폴리머(SAP)의 물 흡수력은 300 내지 500 g/g인 것이다.

고흡수성 폴리머(SAP)의 흡수력이 50g/g 미만인 경우에는 물을 흡수하는 능력이 불충분하여 많은 양의 고흡수성 폴리머를 사용해야 하고 따라서 고흡수성 폴리머(SAP)가 잔존하여 소수성 분말의 최종 물성에 영향을 미치는 문제가 있다.

상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 물의 중량비는 1:50 내지 1: 1000인 것이 바람직하고, 고흡수성 폴리머(SAP)가 상기 범위 미만의 양으로 포함되는 경우에는 고흡수성 폴리머(SAP)의 양이 물의 양에 비해 과도하게 적어지므로 바라는 수용액(겔)의 점도에 이르지 못하는 문제가 있으며, 고흡수성 폴리머(SAP)가 상기 범위를 초과하는 양으로 포함되는 경우에는 고흡수성 폴리머(SAP)의 양이 과다하게 많아지므로 수용액(겔)의 점도가 너무 커져서 소수성 분말과의 혼합이 어려워지는 문제가 있으며, 상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 물의 중량비는 1:100 내지 1:500인 것이 보다 바람직하다.

한편, 상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 소수성 분말의 중량비는 1:10 내지 1:500인 것이 바람직하며, 1:100 내지 1:200인 것이 보다 바람직하다.

소수성 분말이 상기 범위 미만의 양으로 포함되는 경우에는 혼합 수용액 내에 소수성 분말의 양이 너무 작아지므로 소수성 분말의 특성을 구현하는데 비효율적인 문제가 있으며, 소수성 분말이 상기 범위를 초과하는 양으로 포함되는 경우에는 소수성 분말의 부피가 과다하게 커지므로 균일하게 분산된 유동성 겔 또는 액상 형태와 같은 원하는 형태의 조성물을 획득하기 어려운 문제가 있다.

본 발명에 사용될 수 있는 상기 소수성 분말의 평균 입경은 0.001mm 내지 5mm인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.01mm 내지 0.15mm인 것이다. 평균 입경이 0.001mm 내지 5mm인 소수성 분말을 사용하는 것이 점도 제어, 배합 가능양, 및 균일한 혼합가능성 측면에서 가장 바람직하다.

상기 소수성 분말의 수분산 조성물의 점도는 100 내지 200,000cp인 것이 바람직하며, 1000 내지 20,000cp인 것이 보다 바람직하다. 점도가 100 cp 미만인 경우 에어로겔과 수분이 상분리되어 혼합되지 않는 문제가 있으며, 200,000 cp를 초과하는 경우 점도가 과도하게 높아지므로 교반이 어려워지는 문제가 있다.

한편, 상기 소수성 분말은 소수성 실리카에어로겔 분말, 소수성 (Si, Ca, Al, Mg)xOy 광물 분말, 소수성 실란이 표면처리된 무기화합물 및 소수성 실란이 표면처리된 유기화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 사용될 수 있는 상기 실리카에어로겔 분말은 에어로겔의 다공성 표면이 소수성으로 개질된 에어로겔 분말을 모두 포함하는 것으로 당해 기술분야에 알려져 있는 어떠한 소수성 실리카에어로겔 분말일 수 있으며, 특정한 종류의 실리카에어로겔 분말로 한정되는 것은 아니다.

특히, 상기 소수성 실리카에어로겔은 공기 중의 수분 흡수가 방지되도록 소수성으로 표면처리된 실리카에어로겔을 의미하는 것으로서, 소수성 표면처리는 종래 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 방법으로 행하여질 수 있다. 이로써 특히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 실릴화 처리된 실리카에어로겔 등이 사용될 수 있다.

한편, 상기 소수성 (Si, Ca, Al, Mg)xOy 광물 분말은 예를 들어 CaO, MgO, Al2O3 등과 같은 소수성 광물 분말을 의미하는 것으로 상기 x는 1 내지 9, y는 1 내지 9의 숫자 범위 내에서 화합물을 구성하도록 결정될 수 있다.

본 발명의 물, 고흡수성 폴리머(SAP) 및 소수성 분말을 포함하는 소수성 분말의 수분산 조성물이 추가로 바인더 등의 물질을 포함하는 경우보다 적절하게 코팅 또는 도막 형성에 이용될 수 있는 도포용 조성물을 형성할 수 있다. 이때 추가될 수 있는 바인더는 유기 바인더, 무기 바인더 또는 이들의 조합인 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 유기 바인더는 이로서 한정하는 것은 아니나 폴리비닐알코올(PVA), 폴리우레탄, 아크릴레이트, 셀룰로오즈, 에폭시, 페놀수지, 실리콘수지, 라텍스, 전분, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리염화비닐(PVC)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 상기 무기 바인더는 물유리, 세멘트, 황토 및 인산염 바인더로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

상기 바인더는 수분산 조성물 100 중량부 당 1 내지 1000 중량부의 양으로 포함되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 소수성 분말의 수분산 조성물은 알코올을 추가로 포함하여 물과 알코올의 혼합액으로 사용될 수 있으며, 이때 상기 알코올은 물 1 중량부 당 알코올 0.001 내지 1 중량부의 양으로 포함될 수 있다. 알코올은 특히 상기 수분산 조성물의 점도가 1000 cp이하인 경우에 추가로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 소수성 분말의 수분산 조성물은 이를 그대로 섬유, 종이, 기타 다공성 물질 등에 에어로겔을 효과적으로 함침시키는 데 이용될 수 있으며, 또한 추가 기능의 부여를 위해 상술한 바와 같이 유기 바인더, 무기 바인더 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.

나아가, 본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물은 필요한 경우 계면활성제, 무기충진제, 경화제, 증점제 및 소포제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.

계면활성제는 소수성 에어로겔이 그 외 성분과 더욱 잘 혼합되도록 필요에 따라 추가로 첨가될 수 있는 것이다. 계면활성제로는 당해 기술분야에 알려져 있는 어떠한 계면활성제가 사용될 수 있으며, 계면활성제의 종류를 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 에탄올과 같은 알코올류, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 등이 단독으로 또는 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.

상기 무기 충진제는 경제성 및 온도 내성 측면에서 추가로 첨가될 수 있다. 무기 충진제로는 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 무기 충진제가 사용될 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 황토 분말, 마이카, 탈크(talc), 실리카, 규조토, 펄라이트, 버뮤클라이트, 활성탄, 지올라이트, 세라믹중공체, 규산염중공체 등이 사용될 수 있다. 이러한 무기 충진제는 단독으로 혹은 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.

이러한 무기 충진제를 사용하는 경우에는 소수성 에어로겔만을 포함하는 경우에 비하여 단열 복합체의 단열성이 저하되므로 단열성 측면에서는 별도의 무기 충진제가 첨가되지 않는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 경제적인 측면에서, 상기한 무기 충진제가 함께 사용될 수 있다.

상기 기타 첨가제는 수분산 조성물 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 100 중량부의 양으로 포함되는 것이 바람직하다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 수분산 조성물은 물 및 고흡수성 폴리머(SAP)를 혼합하여 겔 상태의 수용액을 제조하는 단계, 및 소수성 분말을 추가하고 교반을 수반하여 혼합하는 단계를 포함하여 제조될 수 있으며, 상기와 같은 방법에 의해 소수성 분말이 균일하게 분산된 수분산 조성물을 획득할 수 있다.

상기 수분산 조성물의 구성 성분과 관련하여서는 수분산 조성물에 관하여 상술한 바와 같다.

본 발명의 수분산 조성물의 제조 과정 중 상기 교반은 상기 수분산 조성물의 점도가 100 이상 5000 cp 미만인 경우 3000 내지 10000 rpm에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 수분산 조성물의 점도가 5000 cp 이상인 경우 500 내지 3000 rpm에서 수행되는 것이 바람직하며, 이때 최소 3분 이상 혼합하는 것이 더욱 바람직하다. rpm이 상기 범위보다 높거나 혼합 시간이 상기 범위보다 길어지는 것은 무방하나 rpm이 상기 범위보다 낮은 경우에는 혼합에 어려움이 생길 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 의하면 소수성 분말이 매우 안정적으로 분산되어 분산성이 우수한 수분산 조성물을 획득할 수 있으며, 이러한 본 발명의 수분산 조성물은 매우 장시간 동안에도 상분리가 일어나지 않는다. 또한, 본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물이 건조된 후에는 소수성 분말과 미량의 고흡수성 폴리머(SAP)만 잔류하게 되며, 이러한 고흡수성 폴리머는 중량의 관점에서 일반 바인더용 혼합제에 비해 매우 미량이고, 나아가 특히 부피의 관점에서 극히 미량이므로 소수성 분말의 물성 및 특성에 거의 영향을 미치지 않는다.

따라서, 에어로겔 등과 같이 소수성 분말을 포함하여 보다 향상된 특성을 갖는 코팅 또는 도막을 보다 용이하게 형성할 수 있다. 나아가, 소수성 분말은 취급 시 분진 등이 발생하게 되는데 본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물을 이용하는 경우에는 이러한 문제점도 해소할 수 있으므로, 본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물은 다양한 응용 분야에서 적용될 수 있다.

특히, 상기와 같은 본 발명의 수분산 조성물을 이용하여 코팅 또는 도막을 형성하고 이후 건조시켜 물을 제거하는 경우 고흡수성 폴리머(SAP)의 중량은 소수성 분말이나 바인더 등의 양에 비해 매우 미미하므로 소수성 분말이나 바인더, 그리고 이를 포함하여 의도된 최종 제품의 물성에 거의 영향을 미치지 않는다.

이와 같은 방법은 기존의 에어로겔에 유무기 바인더를 혼합하는 개념과 성격이 전혀 다른 것으로, 기존의 에어로겔 및 바인더의 혼합은 에어로겔을 바인더 등과 혼합시킴으로써 특정한 피도체에 대한 접착력을 부여하기 위한 것이므로 건조된 후 접착력을 위해 어느 정도 양의 바인더가 존재하는 것이 바람직하지만, 본 발명에 의한 수분산 조성물은 상대적으로 매우 소량인 고흡수성 폴리머(SAP)를 물에 첨가하여 물의 점성을 증가시키고 이같이 증가한 물의 점성을 이용하여 소수성의 에어로겔을 혼합하는 것이며, 이를 다시 건조하는 경우에는 고흡수성 폴리머(SAP)의 영향이 거의 없도록 원래의 에어로겔 분말의 형태를 나타내는 것이 필요한 경우 유용하게 이용될 수 있다.

즉, 기존의 바인더 혼합에서는 건조 후에 에어로겔 분말이 어떤 피도체에 접착되어있는 것이 바람직한 것과는 구별되는 것으로, 본 발명의 경우 고흡수성 폴리머(SAP)는 되도록이면 양이 적은 것이 바람직하므로, 에어로겔이 물에 수분산될 수 있도록 하는 최소한의 점성만을 부여할 수 있는 양을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

그 결과 본 발명에 따른 소수성 분말의 수분산 조성물의 경우 건조 후 고흡수성 폴리머(SAP)가 매우 소량이고, 따라서 에어로겔의 고유한 열전도율과 매우 유사한 열전도율을 나타낼 수 있고, 이와 함께 에어로겔의 고유한 소수성도 유지할 수 있다.

예를 들어, 본 발명에 의한 소수성 분말의 수분산 에어로겔을 사용하여 부직포 제작 공정 중에 뿌려주는 경우에는 분진이 발생하지 않으면서도 충분한 양의 에어로겔을 부직포 사이에 함침시킬 수 있게 된다. 이와 같은 공정에 의해 에어로겔 부직포의 제작 비용을 현저히 낮출 수 있으며 여러 다른 섬유, 예를 들어 종이 섬유, 목재 재질 등에도 적용이 가능하다.

보다 구체적인 적용으로, 본 발명의 수분산 에어로겔 조성물을 이용하여 펄프지를 제조할 수 있으며, 이러한 방법은 고해 단계, 수분산 에어로겔 조성물 혼합 단계, 수분 제거 단계, 해리 단계, 초지 단계, 압착 탈수 단계 및 건조 단계로 이루어진다.

보다 구체적으로, 에어로겔 펄프지의 제조방법은 펄프 원재료 및 물을 혼합하여 고해하는 고해(叩解) 단계; 상기 소수성 분말의 수분산 조성물을 투입하여 교반하는 단계; 수분을 제거하여 에어로겔 펄프 슬러리를 형성하는 단계; 상기 에어로겔 펄프 슬러리에 물을 혼합하여 해리하는 단계; 초지(抄紙) 단계; 탈수 단계 및 건조 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 펄프는 천연 펄프, 합성 펄프 및 재생 펄프를 모두 포함하며, 나아가 한지의 등을 포함하는 것으로, 나아가 이에 제한되는 것은 아니며 당해 기술 분야에서 적용될 수 있는 다양한 펄프 원재료를 이용한 광범위한 펄프를 포함할 수 있다.

따라서, 상기 펄프 원재료는 천연펄프, 인공펄프 및 재생 펄프로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어 한지의 제조를 위해서는 원재료로써 닥나무가 사용될 수 있다.

상기 에어로겔 펄프지의 제조 과정을 예를 들어 닥나무를 이용한 에어로겔 한지의 제조 과정을 통해 구체적으로 살펴보면, 먼저 상기 고해(叩解) 단계는 닥나무를 물과 함께 고해기에 넣고 30분 내지 1시간 동안 환류시키면서 닥나무를 찧어 닥섬유가 서로 엉키기 직전까지 고해를 수행한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 당해 기술분야에서 수행되는 어떠한 고해 방법에 의할 수 있다. 바람직하게 상기 고해 단계에서 물을 닥나무 중량의 1 배 내지 10 배를 사용한다.

상기 닥나무는 세척 및 건조 등의 전처리 과정을 마친 것을 사용하는 것이 바람직하며, 닥나무 백피를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물을 투입하여 교반하는 단계는 본 발명의 수분산 조성물을 고해가 진행되는 반응기에 투입하여 교반하면서 닥섬유와 소수성 에어로겔이 고르게 분포하면서 섬유질이 엉키도록 하는 단계이다.

상기 고해 공정과 수분산 에어로겔 조성물을 혼합하는 공정을 통해 실리카 에어로겔이 닥섬유들 사이에 완전히 함침되면 환류 및 교반을 멈추고 닥섬유로부터 물기를 자연스럽게 제거하여 슬러리(slurry) 상태가 되도록 한다.

상기 수분 제거 공정을 통해 슬러리(slurry) 상태가 된 에어로겔 닥섬유를 지통에 넣고 물과 골고루 잘 섞이도록 충분히 저어주면서 해리 단계를 수행한다. 바람직하게 상기 해리 단계에서 물을 슬러리 상태의 에어로겔 닥섬유 닥나무 중량의 10 배 내지 1000 배를 사용한다.

후속적으로 초지(抄紙) 단계가 수행되며, 이때 바람직하게는 닥풀류를 주성분으로 하는 점제를 수중에 부유시켜 초지발로 전후 및 좌우로 흔들어주어 물에 의해 탄성을 잃은 섬유가 서로 얽히게 되고, 이때 초지발에 건져진 한지 형태에 있어서 대부분의 수분이 초지발을 통해 제거된다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 당해 기술분야에서 수행되는 어떠한 초지 방법에 의할 수 있다.

상기와 같은 초지 공정을 통해 대부분의 수분이 제거된 한지 형태로부터 수분을 더욱 제가하기 위해 이를 초지발로부터 제거하여 적층시킨 후 프레스로 하중을 주어 한지 내부에 잔류하는 수분을 압착탈수시킬 수 있다.

한편, 재생 펄프지를 제조하는 경우 상기 초지 공정은 상기 수분산 에어로겔 조성물과 재생 펄프지 섬유의 혼합물을 압축 탈수하여 지류로 제조하는 공정에 해당하게 되며, 이때 일반적인 충진제, 안료 및/또는 염료가 추가로 배합될 수 있으며, 나아가 섬유의 크기를 고르게 하는 정정 공정(refining) 및 이물질을 제거하는 정선 공정이 또한 추가적으로 포함될 수 있다. 상기와 같은 초지 공정을 통해 대부분의 수분이 제거된 재생 펄프지를 프레스로 하중을 주어 재생 펄프지 내부에 잔류하는 수분을 압착탈수시길 수 있다.

또한, 상기 수분산 에어로겔 조성물과 재생 펄프지 섬유의 혼합물을 일정 모양을 갖는 성형틀(몰드)에 충진한 후 압축 탈수하는 경우에는 에어로겔 펄프보드를 제조할 수 있다.

나아가, 압착 탈수를 마친 한지 형태를 건조대에 걸어 바람이 잘 통하는 공간에서 자연 건조시켜 에어로겔 닥섬유 한지를 제조할 수 있으며, 바람직하게 상기 에어로겔 닥섬유 한지의 두께는 1.5mm 내지 2.0mm 정도인 것이다. 다만, 건조 방법은 상기와 같은 자연 건조에 특히 제한되는 것은 아니며 대류식 열풍 건조 장치 등을 이용하여 강제 건조를 수행할 수도 있다.

한편, 펄프 원재료의 종류에 따라 사이징(sizing) 단계를 추가로 수행할 수 있다. 즉, 흡습성이 매우 강한 재생용 펄프의 경우 내수성이 있는 콜로이드 물질을 혼합하여 섬유의 표면이나 섬유 사이의 틈을 메워주면 펄프지의 표면이 매끄러워지는데 이때 첨가하는 물질을 사이즈제라고 하며, 사이즈제를 펄프와 혼합하는 사이징 공정을 거치면 펄프의 질을 향상시킬 수 있다.

사이징의 단계를 수행하는 방법으로 예를 들어 일단 종이로 초지한 뒤에 사이즈제를 입히는 방법의 '표면 사이징'과 고해 작업 전후에 고해기 내에 있는 펄프에 사이즈제를 첨가시켜 개개의 섬유 표면에 입히는 방법의 '엔진 사이징'이 있다.

상기 사이징 단계에 이용될 수 있는 사이즈제로는 일반적으로 로진 비누, 로진, 젤라틴, 석유 수지, 황산반토, 왁스 등이 사용될 수 있다. 다만, 상기 사이징 방법 및 사이즈제는 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 사용되는 어떠한 사이즈제 및 사이징 방법도 적용할 수 있다.

구체적인 다른 적용으로, 본 발명의 수분산 에어로겔 조성물을 이용하여 복합유리섬유를 제조할 수 있으며, 이러한 방법은 비팅(beating) 단계, 수분산 에어로겔 조성물 혼합 단계, 안정화 단계, 성형 단계 및 건조 단계로 이루어지며, 상기 건조 단계는 수분 제거 단계 및 최종적인 건조 단계를 포함할 수 있다. 상기 각 공정의 구체적인 내용은 다음과 같다.

비팅(beating)공정은 혼합 탱크 내에 1 내지 100μ길이의 유리 단섬유와 물을 약 1 : 70 내지 1:150의 중량비로 투입하고 미량의 분산제를 첨가한 다음 교반하여 수행하며, 이때 교반기를 이용할 수 있다.

상기 분산제는 유리 단섬유 1 중량부 당 0.01 내지 0.10 중량부의 양으로 첨가되는 것이 바람직하다. 분산제가 상기 범위 미만으로 첨가되거나 첨가되지 않는 경우에는 유리 단섬유가 서로 엉키게 되어 분산되지 않는다. 따라서, 적어도 하나 이상의 분산제를 첨가하는 것이 바람직하며, 이때 상기 분산제는 폴리에틸렌 산화물, 폴리에틸렌 유도체 및 황산(H₂SO₄)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 분산제인 것이 바람직하다.

그 후, 본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물을 비팅(beating)공정이 진행되는 혼합 탱크 내에 투입하고 교반하여 유리 단섬유와 소수성 에어로겔이 고르게 분포되도록 한다. 이때 상기 소수성 분말의 수분산 조성물은 유리 단섬유 1 중량부 당 0.01 내지 10의 양으로 투입되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 혼합 단계에 의해 유리 단섬유, 물 및 소수성 분말의 수분산 조성물을 혼합한 후 여기에 유리 단섬유 1 중량부 당 500 내지 1000 중량부의 물을 혼합하고 교반하여 안정화시킨다. 이러한 안정화 단계는 불순물을 제거하는 여과 단계에 후속적으로 수행될 수도 있다. 이러한 공정에 의해 유리 단섬유와 수분산된 소수성 분말이 완전히 혼합될 수 있다.

이렇게 획득한 혼합물은 적절한 두께로 성형할 수 있으며, 예를 들어 성형기에 펌핑하여 강제 이송하면 성형기의 성형압압판에 의해 복합유리섬유의 모양이 형성될 수 있다. 이와 같은 성형은 5 내지 15mm의 두께로 형성하는 것이 바람직하나, 비중(bulk density)을 보다 낮게 하려면 16 내지 30mm로 성형할 수 있으며, 따라서 필요에 따라 안정화된 조성물을 5 내지 30mm의 두께로 성형할 수 있다.

상기 압압판으로 성형된 복합 유리섬유는 졸(Sol)과 비슷한 상태로 배출되는데 이 상태에서 미세한 여과망 또는 여과판을 이용하여 수분을 제거하는 단계를 수행한다. 이때 하부 감압 장치를 이용하면 수분 제거 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 필요에 따라서는 상부 가압탈수 장치를 이용하여 수분을 제거할 수도 있다.

나아가, 상기 수분제거 공정을 거친 복합 유리섬유를 건조시켜 완전히 시트(sheet)화된 고체 상태의 에어로겔 복합 유리섬유을 제조할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 >

실시예 1

물 100g 에 고흡수성 폴리머(SAP)(HI-SWELL, ㈜송원) 1g을 혼합하여 겔 상태의 수용액을 제조하였다. 이때 점도측정기(SV-10kv, ㈜AND)를 이용하여 측정한 겔 상태의 수용액의 점도는 1300CP를 나타내었다.

이러한 수용액에 에어로겔 50g을 추가하고 고속교반기를 이용하여 5000rpm으로 10분간 혼합하여, 에어로겔이 균일하게 분산된 수분산 에어로겔 조성물을 획득하였다.

실시예 2

물 200g 에 고흡수성 폴리머(SAP)(HI-SWELL, ㈜송원) 10g 및 카르복시메틸셀룰로오스 5g을 혼합하여 겔 상태의 수용액을 제조하였다. 이때 점도측정기(SV-10kv, ㈜AND)를 이용하여 측정한 겔 상태의 수용액의 점도는 5200CP를 나타내었다.

이러한 수용액에 에어로겔 50g을 추가하고 고속교반기를 이용하여 2500rpm으로 20분간 혼합하여, 에어로겔이 균일하게 분산된 수분산 에어로겔 조성물을 획득하였다.

실시예 3

물 200g 및 고흡수성 폴리머(SAP)(HI-SWELL, ㈜송원) 5g을 혼합하고, 이러한 수용액에 소수성 에어로겔 50g을 추가하고 고속교반기를 이용하여 5000rpm으로 10분간 혼합하고, 무기 충진제로서 규산염중공체(비중 0.04, 평균입도 40㎛)를 추가로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정에 의해 소수성 분말의 수분산 조성물을 제조하였다. 점도를 실시예 1과 동일한 장치를 이용하여 측정하였으며, 그 결과 1500CP 의 점도를 나타내었다.

실시예 4

물 200g 및 고흡수성 폴리머(SAP) 5g을 혼합하고, 이러한 수용액에 소수성을 가지는 CaO 광물 분말 2g을 추가로 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정에 의해 소수성 분말의 수분산 조성물을 제조하였다. 점도를 실시예 1과 동일한 장치를 이용하여 측정하였으며, 그 결과 1300CP의 점도를 나타내었다.

비교예 1

물 200g 에 고흡수성 폴리머(SAP) 400g을 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정에 의해 수분산 에어로겔 조성물을 제조하였다.

비교예 1의 경우 고흡수성 폴리머(SAP)의 양이 과다하여 액상의 형태를 나타내지 못하였으며, 따라서 여기에 에어로겔 분말을 혼합하는 것이 불가능하였다.

비교예 2

물 200g 에 소수성 에어로겔 10g을 넣고 고흡수성 폴리머(SAP) 200g을 첨가하면서 고속교반기를 이용하여 2500rpm 으로 물리적으로 혼합하였다. 점도가 급격히 상승하여 유동성이 없는 상태가 되었고 추가적으로 에어로겔을 혼합이 불가하였다.

제조예 1: 도포용 수분산 에어로겔 조성물 및 이를 이용한 도막의 제조

실시예 1에서 제조된 수분산 에어로겔 조성물에 8%의 폴리비닐알콜(PVA) 유기바인더 용액 10g을 추가로 혼합하여 단열코팅 에어로겔 혼합물을 제조하였다.

수분산된 에어로겔을 사용한 결과 폴리비닐알콜 수용액과 매우 쉽게 혼합되어 균일한 코팅액을 제조할 수 있었다.

그 결과 획득된 조성물을 철판에 2mm 두께로 도포하였다. 이와 같이 형성된 도막은 건조 후에도 철판에 대한 부착력이 우수하였으며, 에어로겔에 의한 소수성을 우수하게 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 철판의 온도를 150℃로 유지하고 상기와 같이 획득된 조성물을 2mm두께로 도포한 후 도포면 상부의 온도가 79℃로 단열되는 것을 확인하였다.

비교 제조예 1: 에어로겔 분말을 이용한 수용액 및 이를 이용한 도막의 제조

수분산되지 않은 에어로겔 분말을 8% 폴리비닐알콜 수용액을 혼합하고자 하는 경우는 분진이 매우 많이 발생하여 에어로겔의 소모가 많았으며, 혼합이 매우 어렵고 긴 시간이 소요되었으며, 균일한 코팅액을 획득할 수 없었다.

제조예 2: 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 닥섬유 한지의 제조

본 발명의 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 닥섬유 한지의 제조방법은 크게, 고해 공정, 수분산 에어로겔 조성물 혼합 공정, 수분 제거 공정, 해리 공정, 초지 공정, 압착탈수 공정 및 건조 공정으로 이루어지며, 각 공정의 구체적인 내용은 다음과 같다.

(1) 고해(叩解) 공정

세척 및 건조 등의 전처리 과정을 마친 닥나무 백피 50Kg을 고해기에 넣고 물과 함께 30분 내지 1시간 동안 환류시키면서 닥나무 백피를 찧어 닥섬유가 서로 엉키기 직전까지 반응분위기를 조성한다.

(2) 수분산 에어로겔 조성물 혼합 공정

본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 수분산 에어로겔 조성물 100kg을 고해 공정이 진행되는 반응기에 투입하여 교반하면서 닥섬유와 소수성 에어로겔이 고르게 분포되면서 섬유질이 엉키도록 한다.

(3) 수분 제거 공정

상기 고해 공정과 수분산 에어로겔 조성물 혼합공정을 통해 실리카 에어로겔이 닥섬유들 사이에 완전히 함침되면 환류 및 교반을 멈추고 닥섬유로부터 물기를 자연스럽게 제거하여 슬러리(slurry) 상태가 되도록 한다.

(4) 해리 공정

상기 수분 제거 공정을 통해 슬러리(slurry) 상태가 된 에어로겔 닥섬유를 지통에 넣고 물과 골고루 잘 섞이도록 충분히 저어준다.

(5) 초지(抄紙) 공정

닥풀류를 주성분으로 하는 점제를 수중에 부유시켜 초지발로 전후 및 좌우로 흔드는 경우, 물 때문에 탄성을 잃었던 섬유가 서로 얽히게 되며, 이때 초지발에 건져진 한지 형태의 대부분의 수분이 초지발을 통해 제거된다.

(6) 압착 탈수 공정

상기와 같은 초지 공정을 통해 대부분의 수분이 제거된 한지 형태를 초지발로부터 제거하여 10장씩 적층시킨 후, 프레스로 하중을 주어 한지 내부에 잔류하는 수분을 압착탈수시킨다.

(7) 건조 공정

압착 탈수를 마친 한지 형태를 건조대에 걸어 바람이 잘 통하는 공간에서 자연 건조시켜, 두께 1.5mm 내지 2.0mm 정도의 에어로겔 닥섬유 한지를 제조하였다.

제조예 3: 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 복합유리섬유의 제조

본 발명의 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 습식법에 의한 복합유리섬유 제조방법은 크게, 비팅(beating)공정, 수분산 에어로겔 조성물 혼합 공정, 안정화 공정, 성형 공정, 수분 제거 공정 및 건조 공정으로 이루어지며, 각 공정의 구체적인 내용은 다음과 같다.

(1) 비팅(beating)공정

혼합 탱크 내에 1-10μ길이의 유리 단섬유 10kg, 물 1,000kg 및 황산(H₂SO₄) 0.5kg을 첨가하여 혼합한다.

(2) 수분산 에어로겔 조성물 혼합 공정

본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 수분산 에어로겔 조성물 10kg을 비팅(beating)공정이 진행되는 혼합 탱크 내에 투입하여 교반하여 유리 단섬유와 소수성 에어로겔이 고르게 분포되면서 섬유질이 엉키도록 한다.

(3) 안정화 공정

물 5000kg를 추가로 투입하고 교반기로 서서히 혼합하여 안정화시킨다. 이러한 공정은 유리단섬유와 수분산된 소수성 에어로겔을 완전히 혼합하기 위한 공정에 해당한다.

(4) 성형 공정

펌프를 이용하여 상기 완전히 혼합된 혼합물을 성형기에 펌핑하여 강제이송시키는 경우 성형기의 성형 압압판에 의해 복합유리섬유의 모양이 형성된다.

(5) 수분 제거 공정

상기 압압판으로 성형된 복합 유리섬유는 졸(Sol)과 비슷한 상태로 배출되는데 이 상태에서 미세한 여과망 또는 여과판을 이용하여 수분을 제거한다.

(6) 건조 공정

상기 수분 제거 공정을 거친 복합 유리섬유를 건조실로 이송하여 건조시켜서 완전히 시이트(sheet)화 된 고체 상태의 에어로겔 복합 유리섬유를 획득한다.

제조예 4: 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 재생 펄프지의 제조

본 발명의 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 재생 펄프지의 제조방법은 크게, 고해 공정, 수분산 에어로겔 조성물 혼합 공정, 수분 제거 공정, 해리 공정, 초지 공정, 압착탈수 공정 및 건조 공정으로 이루어지며, 각 공정의 구체적인 내용은 다음과 같다.

(1) 고해(叩解) 공정

이물질 제거 등의 전처리 과정을 마친 재생용 펄프 원재료로서 박스 골판지 50Kg을 고해기에 넣고 물과 함께 30분 내지 1시간 동안 환류시키면서 재생 펄프지를 찧어 펄프가 서로 엉키기 직전까지 반응분위기를 조성한다.

(2) 사이징(sizing) 공정

본 제조예에서는 엔진 사이징 방법에 의해 젤라틴 500g 이용하여 사이징 하였다.

(3) 수분산 에어로겔 조성물 혼합 공정

본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 수분산 에어로겔 조성물 100kg을 고해 공정이 진행되는 반응기에 투입하여 교반하면서 재생 펄프지와 소수성 에어로겔이 고르게 분포되면서 섬유질이 엉키도록 한다.

(4) 수분 제거 공정

상기 고해 공정과 수분산 에어로겔 조성물 혼합공정을 통해 실리카 에어로겔이 재생 펄프지들 사이에 완전히 함침되면 환류 및 교반을 멈추고 재생 펄프지로부터 물기를 자연스럽게 제거하여 슬러리(slurry) 상태가 되도록 한다.

(5) 해리 공정

상기 수분 제거 공정을 통해 슬러리(slurry) 상태가 된 에어로겔 재생 펄프지를 지통에 넣고 물과 골고루 잘 섞이도록 충분히 저어준다.

(6) 초지(抄紙) 공정

초지 공정은 상기 수분산 에어로겔 조성물과 재생 펄프지 섬유의 혼합물을 압축 탈수하여 지류로 제조하는 공정으로, 초지 공정을 통해 대부분의 수분이 제거된 재생 펄프지를 프레스로 하중을 주어 재생 펄프지 내부에 잔류하는 수분을 압착탈수시킨다.

(7) 건조 공정

압착 탈수를 마친 재생 펄프지 형태를 대류식 건조기를 이용하여, 130℃에서 4시간 건조하여, 두께 3.5mm 내지 5.0mm 정도의 에어로겔 재생 펄프지를 제조하였다.

제조예 5: 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 보드의 제조

본 발명의 수분산 에어로겔 조성물을 이용한 재생 펄프 보드의 제조방법은 고해 공정, 수분산 에어로겔 조성물 혼합 공정, 수분 제거 공정, 해리 공정, 압착탈수 공정, 건조 공정으로 동일하게 이루어지며, 다만 펄프의 두께를 종이보다 두껍게 하여 보드를 제조하므로써 단열 및 흡음의 효과를 향상시키는 제품에 적용이 용이할 것이다.

(1) 고해(叩解) 공정

(2) 수분산 에어로겔 조성물 혼합 공정

(3) 수분 제거 공정

(4) 해리 공정

(5) 압착탈수 공정

압착탈수 공정은 상기 수분산 에어로겔 조성물과 재생 펄프지 섬유의 혼합물을 일정 모양을 갖는 성형틀(몰드)에 충진한 후 압축 탈수하여 에어로겔 펄프보드를 제조하는 공정으로, 수분산된 에어로겔이 혼합된 재생 펄프지를 프레스로 하중을 주어 재생 펄프지 내부에 잔류하는 수분을 압착탈수시킨다.

(6) 건조 공정

압착 탈수를 마친 재생 펄프 보드를 대류식 건조기를 이용하여, 150℃에서 10시간 건조하여, 두께 35mm 내지 50mm 정도의 에어로겔 재생 펄프보드를 제조하였다.

실험예 1: 수분산 에어로겔 조성물의 방치 실험

상기 실시예 1 및 비교예 2에서 획득한 본 발명의 소수성 분말의 수분산 조성물을 2주 동안 상온에서 방치한 후 그 결과를 확인하였다.

본 발명의 수분산 조성물은 도 1(a)에서 확인할 수 있는 바와 같이 2주가 지난 후에도 층분리가 전혀 일어나지 않았고 균일하게 분산된 최초의 형태를 유지하고 있었으나, 비교예 2의 조성물의 경우에는 도 1(b)와 같이 층 분리가 일어나는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 2: 닥섬유 한지의 특성 확인 실험

(1) 복합시트의 미세 조직

제조예 2에서 제조된 닥섬유 한지 시편의 미세 조직을 주사전자현미경을 통해 관찰한 결과 본 발명에 따른 복합시트를 구성하는 실리카 에어로겔 입자가 닥섬유 사이에 균일하게 분포되어 있음을 도 2(a)와 같이 확인할 수 있었다.

(2) 열전도도 특성 검사

제조예 2에서 제조된 닥섬유 한지 시편의 열전도도는 한국건설생활환경시험원(KCL)에 의뢰하여 측정한 결과 열전도도가 0.022w/mk수준으로 매우 뛰어난 단열특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

(3)소수성 특성 검사

한편, 상기 닥섬유 한지 시편에 물방울을 떨어뜨리는 경우 일반 한지가 물에 매우 취약한 반면 본 발명과 같이 수분산된 에어로겔을 사용하여 습식으로 제조된 닥나무 한지는 도 2(b) 에 나타난 바와 같이 물에 매우 강한 소수성을 나타내었다.

실험예 3: 복합 유리섬유의 특성 확인

(1) 복합시트의 미세 조직

제조예 3에서 제조된 복합유리섬유 시편의 미세 조직을 주사전자현미경을 통해 관찰한 결과 본 발명에 따른 복합시트를 구성하는 실리카 에어로겔 입자가 복합유리섬유 사이에 균일하게 분포되어 있음을 도 3과 같이 확인할 수 있었다.

(2) 열전도도 검사

제조예 3에서 제조된 복합유리섬유 시편의 열전도도는 한국건설생활환경시험원(KCL)에 의뢰하여 측정한 결과 열전도도가 0.023w/mk수준으로 매우 뛰어난 단열특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

(3) 소수성 및 열에 대한 내구성 확인

제조예 3에 의해 본 발명에 따라 제조된 유리섬유는 도 4 (a)에서 확인할 수 있는바와 같이 건조 후 강한 소수성을 나타내었으며, 수분산된 에어로겔에 의해 균일하게 함침된 실리카에어로겔 입자들에 의해 원래 유리섬유가 가진 화염에 의한 내구성이 훨씬 증가하여 도 4 (b)에 나타난 바와 같이 1분 이상의 화염 노출에도 녹아내리지 않았다.

반면, 일반 1mm 두께의 유리섬유는 도 5 (a)에 도시된 바와 같이 소수성을 나타내지 않으며, 도 5 (b)에서와 같이 1100 ℃의 화염에서 10 내지 20초 사이에 녹아내려 구멍이 생기는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 4: 펄프지의 특성 확인

(1) 열전도도 검사

제조예 4 에서 제조된 재생 펄프지의 열전도도는 한국건설생활환경시험원(KCL)에 의뢰하여 측정한 결과 0.023w/mk수준으로 매우 뛰어난 단열 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

(2) 소수성 확인

제조예 4에서 제조된 재생 펄프지 시편에 물방울을 떨어뜨리는 경우 수분산된 에어로겔을 사용하여 제조된 재생 펄프지는 물에 매우 강한 소수성을 나타내었다. 반면 일반 재생 펄프지는 물에 매우 취약하다.

실험예 5: 펄프 보드의 특성 확인

(1) 열전도도 검사

제조예 5 에서 제조된 재생 펄프보드의 열전도도는 한국건설생활환경시험원(KCL)에 의뢰하여 측정한 결과 0.023w/mk수준으로 매우 뛰어난 단열특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

(2) 소수성 및 열에 대한 내구성 확인

제조예 5와 같이 제지 펄프를 수분산된 보드 형태로 제작하는 경우 도 6(a)의 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이 뛰어난 소수성을 나타내고, 또한 도 6(b)에서 확인할 수 있는 바와 같이 1100 ℃의 화염에서도 뛰어난 난연성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

Claims

물, 고흡수성 폴리머(SAP) 및 소수성 분말을 포함하는, 소수성 분말의 수분산 조성물.
제1항에 있어서, 상기 고흡수성 폴리머(SAP)는 폴리아크릴 아마이드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐알코올, 젤라틴, 폴리사카라이드, 셀룰로오스 또는 이의 유도체, 및 키토산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분 또는 이의 염을 포함하는, 소수성 분말의 수분산 조성물.
제1항에 있어서, 상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 물의 중량비는 1:50 내지 1:1000인, 소수성 분말의 수분산 조성물.
제1항에 있어서, 상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 소수성 분말의 중량비는 1:10 내지 1:500인, 소수성 분말의 수분산 조성물.
제1항에 있어서, 상기 소수성 분말의 수분산 조성물의 점도는 100 내지 200,000cp인, 소수성 분말의 수분산 조성물.
제1항에 있어서, 상기 소수성 분말은 실리카에어로겔 분말, 소수성 (Si, Ca, Al, Mg)xOy 광물 분말, 소수성 실란이 표면처리된 무기화합물 및 소수성 실란이 표면처리된 유기화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상인 소수성 분말의 수분산 조성물.
물 및 고흡수성 폴리머(SAP)를 혼합하여 겔 상태의 수용액을 제조하는 단계; 및
소수성 분말을 추가하고 교반을 수반하여 혼합하는 단계
를 포함하는, 소수성 분말이 균일하게 분산된 수분산 조성물의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 고흡수성 폴리머(SAP)는 폴리아크릴 아마이드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐알코올, 젤라틴, 폴리사카라이드, 셀룰로오스 또는 이의 유도체, 및 키토산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분 또는 이의 염을 포함하는, 수분산 조성물의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 물의 중량비는 1:50 내지 1:1000인, 수분산 조성물의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 고흡수성 폴리머(SAP)와 소수성 분말의 중량비는 1:10 내지 1:500인, 수분산 조성물의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 소수성 분말의 수분산 조성물의 점도는 100 내지 200,000cp인, 수분산 조성물의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 소수성 분말은 실리카에어로겔 분말, 소수성 (Si, Ca, Al, Mg)xOy 광물 분말, 소수성 실란이 표면처리된 무기화합물 및 소수성 실란이 표면처리된 유기화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상인, 수분산 조성물의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 교반은 상기 수분산 조성물의 점도가 100 이상 5000 cp 미만인 경우 3000 내지 10000 rpm에서 수행되는 수분산 조성물의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 교반은 상기 수분산 조성물의 점도가 5000 cp 이상인 경우 500 내지 3000 rpm에서 수행되는 수분산 조성물의 제조 방법.
펄프 원재료 및 물을 혼합하여 고해하는 고해(叩解) 단계;
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 소수성 분말의 수분산 조성물을 투입하여 교반하는 단계;
수분을 제거하여 에어로겔 펄프 슬러리를 형성하는 단계;
상기 에어로겔 펄프 슬러리에 물을 혼합하여 해리하는 단계;
초지(抄紙) 단계;
탈수 단계 및
건조 단계를 포함하는, 에어로겔 펄프지의 제조방법.
제15항에 있어서, 상기 펄프 원재료는 천연펄프, 인공펄프 및 재생펄프로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 에어로겔 펄프지의 제조방법.
1-100μ길이의 유리 단섬유와 물을 1:70 내지 1:150의 중량비로 혼합한 후 유리 단섬유 1 중량부 당 0.01 내지 0.10 중량부의 분산제를 추가하여 혼합하는 비팅(beating) 단계;
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 소수성 분말의 수분산 조성물을 투입하여 교반하는 단계;
유리단섬유 1 중량부 당 500 내지 1000중량부의 물을 혼합하여 교반하는 안정화 단계;
안정화된 조성물을 5 내지 30mm의 두께로 성형하는 성형 단계;
탈수 단계; 및
건조 단계
를 포함하는 에어로겔 복합 유리섬유 제조 방법.