KR20150089319A - 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법 및 그에 의한 복합 단열재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법 및 그에 의한 복합 단열재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 형상으로 형성되는 단열재의 외측면에 일정 두께의 다공재를 먼저 부착한 후, 상기 다공재의 내부 기공에 에어로겔을 고밀도로 담지함으로써, 종래의 단열재에 비하여 단열성능이 월등하게 향상되면서도, 상기 고단열성능을 가진 복합 단열재를 용이하게 제조할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법 및 그에 의한 복합 단열재에 관한 것이다.
즉, 본 발명은, 일정 형상으로 형성되는 단열재의 외측면에 접착제로 다공재를 부착하고, 상기 다공재 내부의 개방형 기공에 졸(Sol) 상태의 실리카 혼합물을 담지한 다음, 상기 담지된 졸 상태의 실리카 혼합물을 겔(Gell)화하여 에어로겔로 변화되도록 하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는, 에어로겔 복합층이 형성된 복합 단열재의 제조방법을 기본 특징으로 한다.

Description

에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법 및 그에 의한 복합 단열재{A manufacturing method of multiple insulting material attached multiple aerogel material and multiple insulting material thereby}

본 발명은 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법 및 그에 의한 복합 단열재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 형상으로 형성되는 단열재의 외측면에 일정 두께의 다공재를 먼저 부착한 후, 상기 다공재의 내부 기공에 에어로겔을 고밀도로 담지함으로써, 종래의 단열재에 비하여 단열성능이 월등하게 향상되면서도, 상기 고단열성능을 가진 복합 단열재를 용이하게 제조할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법 및 그에 의한 복합 단열재에 관한 것이다.

에어로겔은 현재까지 알려진 고체 중에서 90%이상, 최대 99% 정도의 높은 기공율을 갖는 고다공성 물질로서, 실리카 에어로겔은 실리카 전구체 용액을 졸-겔 중합반응시켜 겔을 만든 후, 초임계조건 혹은 상압조건 하에서 건조함으로써 얻게 되는데, 이러한 에어로겔은 공기가 가득차 있는 기공 구조를 가지고 있다.

내부 공간의 90~99%가 비어있는 독특한 기공구조로 인하여 상기 에어로겔은 가벼우면서도 높은 단열성, 흡음성 등의 물성을 가지며, 그 중에서도 가장 큰 장점은 종래 스티로폼 등의 유기 단열재의 열전도도인 36mW/m.k보다 현저히 낮은 30mW/m.k 이하의 열전도율을 보이는 고단열성이다.

상기와 같은 에어로겔의 고단열성은 2 내지 5중량% 함량의 고체 열전도 효과와 공기에 의한 대류 열전달을 방지하는 메조 기공 크기의 기공구조 형성에 기인하는 결과로 알려져 있다.

즉, 공기기체분자의 평균자유행로는 65nm인데 반하여, 에어로겔의 평균기공크기는 이보다 작은 5 내지 50nm 이하의 메조 기공 크기로 형성되어 있어서, 기체분자의 열전달을 방해하게 되는 것이다.

한편, 에어로겔은 가볍고 단열성이 우수한 대신에 구조강도가 다소 낮은 문제점이 있어서 별도의 지지체와 함께 형성하는 것이 바람직하며, 이러한 이유로 발포 단열재의 내부 기공에 분말 형태의 에어로겔이 담지되도록 하여, 발포 단열재의 단열성능을 보다 향상시키고자 한 바 있다.

그러나, 상기 에어로겔은 발포 단열재의 내부 기공에 균일하게 담지되기 어려워 작업효율이 낮을 뿐 아니라, 상기 에어로겔 분말이 발포 단열재의 내부 기공에서 쉽게 이탈됨으로 인하여 단열성능이 저하되는 문제점이 있었다.

한국등록실용 20-0180669(1998. 7. 25. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 일정 형상으로 형성되는 단열재의 외측면에 일정 두께의 다공재를 먼저 부착한 후, 상기 다공재의 내부 기공에 에어로겔을 고밀도로 담지함으로써, 종래의 단열재에 비하여 단열성능이 월등하게 향상되면서도, 상기 고단열성능을 가진 복합 단열재를 용이하게 제조할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법 및 그에 의한 복합 단열재를 제공하고자 하는 데에 목적이 있다.

이하에서는 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해결수단을 개시하고자 한다.

먼저, 본 발명은, 일정 형상으로 형성되는 단열재의 외측면에 접착제로 다공재를 부착하고, 상기 다공재 내부의 개방형 기공에 졸(Sol) 상태의 실리카 혼합물을 담지한 다음, 상기 담지된 졸 상태의 실리카 혼합물을 겔(Gell)화하여 에어로겔로 변화되도록 하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또 한편, 본 발명은, 일정 형상으로 형성되는 단열재; 상기 단열재의 외측면에 부착되는 에어로겔 복합재; 를 포함하여 이루어지되, 상기 에어로겔 복합재는, 일정 두께로 형성되어 상기 단열재의 외측면에 접착제로 부착되는 다공재와, 상기 다공재 내부의 개방형 기공에 담지되는 에어로겔을 포함하여 이루어지는 복합 단열재를 특징으로 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명은 이하와 같은 기술적, 경제적 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명은 일반적으로 사용되는 단열재의 외측면에 다공재를 부착하고, 상기 다공재의 내부 기공에 졸 상태의 실리카 혼합물을 분사하여 고밀도로 담지시킨 다음, 상기 담지된 상태 그대로 겔화시켜 에어로겔로 변화되도록 함으로써, 일반적인 단열재에 비하여 단열성능이 현저하게 향상되는 효과가 있다.

둘째, 종래에는 진공흡입을 통하여 분말 형태의 에어로겔을 내부 기공에 공기의 흐름에 따라 담지되도록 함으로써 담지상태가 불균일하고, 담지율이 낮았으나, 본 발명에서는 유동적인 졸 상태의 실리카 혼합물을 내부 기공에 담지시킨 후, 담지된 상태에서 에어로겔로 변화되도록 함으로써, 종래의 에어로겔이 담지된 단열재에 비하여 단열성능이 높은 효과가 있다.

셋째, 기존 단열재의 외측면에 다공재를 부착하고, 상기 부착된 다공재의 내부 기공에 졸 상태의 실리카 혼합물을 담지한 후, 이를 겔화시켜 에어로겔로 형성함으로써, 상기 단열재가 어떠한 구성, 형태이든 막론하고 용이하게 부착할 수 있도록 함으로써, 고성능이면서도 제조가 용이한 효과가 있다.

넷째, 기존 단열재의 외측면에 에어로겔이 고밀도로 담지된 에어로겔 복합재를 부착함으로써, 난연성이 우수한 에어로겔로 인하여 본 발명에 의한 복합 단열재 또한 불에 잘 타지 아니하여, 기존 단열재에 비하여 소방 상의 안전성이 높은 효과도 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 복합 단열재의 제조순서도
도 2는 본 발명에 의한 복합 단열재의 구조도

이하에서는 상기와 같은 본 발명의 해결수단에 따른 구성을 첨부한 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

먼저, 본 발명은, 일정 형상으로 형성되는 단열재의 외측면에 접착제로 다공재를 부착하고, 상기 다공재 내부의 개방형 기공에 졸(Sol) 상태의 실리카 혼합물을 담지한 다음, 상기 담지된 졸 상태의 실리카 혼합물을 겔(Gell)화하여 에어로겔로 변화되도록 하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

여기서, 상기 다공재는 단열재의 외측면에 접착제로 부착하되, 상기 단열재의 외측 일면 혹은 서로 대향되는 외측 양면에 부착하여 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단열재는 단열기능을 가진 물질을 이용하여 일정 형상으로 형성한 것으로서, 보다 구체적으로는 유기물 혹은 금속을 이용하여 일정 형태의 폼(발포재) 혹은 보드의 형태로 형성된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 단열재를 구성하는 물질로서, 상기 유기물 혹은 금속 외에도 무기물도 사용가능하며, 상황에 따라, 상기 유기물, 금속, 무기물을 복합적으로 구성하여 이용하는 것도 가능하다.

상기 유기물은 폴리스티렌, 아미노, 폴리우레탄, 멜라민 중에서 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하고, 금속은 알루미늄, 구리, 니켈 중에서 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하며, 무기물은 실리케이트, 세라믹, 미네랄 중에서 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 단열재는 흑연, 카본블랙, 산화티탄이 포함된 것을 사용함으로써 단열성능을 더욱 높일 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 단열재의 외측면에는 다공재를 부착하게 되는데, 본 발명에서 상기 다공재는 폼 혹은 섬유를 이용하여 형성한 것으로, 폼으로 형성되는 다공재는, 매트, 보드, 패널의 형태 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 다공재를 형성하는 데에 사용되는 폼은 유기물, 무기물, 금속 중 어느 하나를 이용하여 형성하는 것이 바람직한데, 유기물은, 멜라민, 폴리우레탄, 아미노, 폴리스티렌 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 금속은 알루미늄, 구리, 니켈 중에서 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 다공재를 섬유로 형성하는 경우, 상기 다공재는 부직포(블랑켓), 매트의 형태로 형성하는 것이 바람직한데, 이에 사용되는 섬유는, 실리케이트 섬유, 세라믹 섬유, 미네랄 울(Wool)을 이용하는 것이 바람직하며, 상기와 같은 섬유로 이루어지는 다공재는 내부에 무수한 기공이 형성되어 있다.

상기와 같이 구성되는 다공재는 상기 단열재의 외측면에 부착되어 형성되는 것이 바람직한데, 상기 다공재의 부착은 접착제를 이용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 단열재의 외측면에 접착제로써 부착되는 구조로 형성되는 다공재의 내부 기공의 크기는 0.5 내지 2000um으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 기공의 부피는 다공재의 전체 부피 대비 적어도 10부피%로 형성된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 다공재의 형태는 부직포, 폼, 부직포, 매트, 보드의 형태 중 어느 하나의 형태로 형성하여, 단열재의 외측면에 부착하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 접착제를 이용하여 단열재의 외측면에 다공재를 부착한 후에는 상기 다공재의 내부 기공에 졸 상태의 실리카 혼합물을 담지하게 되는데, 이는 상기 졸 상태의 실리카 혼합물을 분사기로써 다공재의 내부 기공으로 분사하여 줌으로써 이루어지게 된다.

여기서, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, 상기 실리카 혼합물은 출발물질로서 물유리(Waterglass) 혹은 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 중에서 어느 하나를 선택하여 이용하는 것이 바람직하다. 출발물질을 물유리로 하는 경우에는 상기 물유리에 물을 혼합한 후 촉매로서 산용액을 첨가하는 것이 바람직하고, 출발물질로서 TEOS를 이용하는 경우에는 상기 TEOS에 에탄올과 물을 혼합한 후 촉매로서 알칼리용액을 첨가하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 대한 구체적인 설명에서는, 물유리를 출발물질로 하는 경우에 설명하고자 한다.

상기와 같이 물유리를 출발물질로 하여 졸 상태의 실리카 혼합물을 형성하고자 하는 경우, 상기 물유리는 이산화탄소의 중량비가 28 내지 30중량%인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 물유리에 물을 더하여 혼합하되, 상기 물은 물유리 중량기준으로 2 내지 3배 중량으로 더하여 혼합하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 물유리에 물을 더하여 혼합한 후에는, 촉매로서 산용액을 첨가하게 되는데, 상기 산용액의 첨가량은 물유리 및 물의 중량 대비 5 내지 10중량%에 상당하는 양으로 첨가하는 것이 바람직하고, 상기 산의 종류로는 황산, 질산, 염산 중에서 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 황산을 촉매로 사용하는 경우에는 20 내지 40부피%의 농도로 희석하여 사용하는 것이 바람직하다.

위와 같이 물유리, 물, 산용액을 일정 비율로 혼합하여 줌으로써, 졸 상태의 실리카 혼합물을 형성하게 되는데, 상기 실리카 혼합물은 일정 시간이 경과하면 겔화되어 하이드로-겔로 변하게 되며, 보다 구체적으로 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은 약 2분 내지 4분 내에 겔화된다.

상기와 같이 형성되는 졸 상태의 실리카 혼합물을 분사기로써 다공재으로 분사를 하게 되면, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은 다공재의 내부 기공으로 유동적으로 깊숙이 침투를 하게 되고, 이에 따라, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은 다공재의 내부 기공에 빈틈없이 충진 및 담지된다.

위와 같이 분사방법으로써 졸 상태의 실리카 혼합물을 다공재의 내부 기공에 담지하는 방법은, 종래 분말 상태의 에어로겔을 진공흡입으로써 공기흐름에 따라 내부 기공에 담지되도록 하는 방법에 비하여 담지율이 월등하게 향상된다.

한편, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은 앞서 설명한 바와 같이 약 2 내지 4분 내에 겔화되므로, 먼저 물유리와 물을 미리 혼합해 두었다가, 분사작업에 들어가기 약 1분 전에 촉매인 산용액을 첨가 및 교반한 후, 다공재에 분사하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 졸 상태의 실리카 혼합물을 다공재에 분사하여 그 내부 기공에 상기 졸 상태의 실리카 혼합물이 담지되도록 하여 일정 시간이 경과하면, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은 겔화되어 친수성인 하이드로-겔로 변화하게 되고, 상기 다공재의 내부 기공에 담지된 상태로 형성된 하이드로-겔은 다공재와 일체로 형성되는 것이다.

상기와 같이 다공재의 내부 기공에 형성된 하이드로-겔은 그 자체의 결합구조가 약하기 때문에, 그 결합구조를 더욱 견고하게 하기 위하여 숙성과정을 거치게 되는데, 본 발명에서는 황산용액을 이용하여 숙성(Aging)시킴으로써 실리카의 공유결합을 더욱 견고하게 형성하게 된다.

상기와 같이 황산용액을 통하여 하이드로-겔의 결합구조를 더욱 경고하게 형성하는 것은 일반적인 내용이므로 상세한 설명은 생략하기로 하며, 상기 숙성과정은 약 5시간동안 진행하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 숙성과정을 통하여 결합구조가 더욱 견고하게 형성된 하이드로-겔은 불순물 세척과정을 통하여 나트륨이온을 제거하게 되며, 상기 불순물 세척과정은 하이드로-겔이 담지된 다공재와 함께 상기 다공재이 부착된 단열재를 상온의 물에 약 10시간동안 담근 상태에서 이루어진다.

이 때, 상기 하이드로-겔의 불순물인 나트륨이온을 제거하는 데에 사용되는 물은 2시간마다 교체하여 주는 것이 바람직하다.

상기와 같이 불순물인 나트륨이온이 제거된 하이드로-겔은 표면개질 및 용매치환과정을 거치게 되는데, 여기서, 상기 표면개질은 하이드로-겔의 표면에 존재하는 수산기를 메틸기로 개질하여 주는 것으로, 상기와 같은 표면개질은 하이드로-겔의 표면을 친수성에서 소수성으로 바꾸어주게 되고, 이에 따라 형성되는 에어로겔은 소수성을 띠게 된다.

이 때, 상기 표면개질에는 유기실란 화합물을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 구체적으로는 헥산메틸디실라잔(Hexamethyldisilazane), 트리메틸크로로실란(Trimethylchlorosilane), 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxysilane) 중에서 사용하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 표면개질에 사용되는 유기실란 화합물은 하이드로-겔의 중량 대비 5 내지 20중량%에 상당하는 양으로 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 용매치환은 상기 하이드로-겔의 내부에 존재하는 물을 알콜로 교체하는 과정으로서, 이는 상기 하이드로-겔이 에어로겔로 형성된 후, 건조시키는 과정에서 수축 및 파손을 방지하기 위한 것이다.

이 때, 상기 용매치환에 사용되는 유기용매는 비극성 유기용매를 사용하는 것이 바람직하되, 하이드로-겔 부피 대비 100 내지 110부피%에 상당하는 양을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 비극성 유기용매는 n-헥산, n-헵탄, c-헥산 중에서 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기와 같이 하이드로-겔의 표면을 친수성에서 소수성으로 개질하고, 그 용매를 물에서 알콜로 교체하는 과정에 대한 보다 상세한 내용은 일반적인 것이어서 생략한다.

한편, 상기와 같은 표면개질 및 용매치환과정은 동시에 6 내지 8시간동안 진행하는 것이 바람직하며, 상기 표면개질 및 용매치환과정에 사용되는 용액은 50 내지 80도의 온도로 하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 표면개질 및 용매치환과정을 거치게 되면, 하이드로-겔은 에어로겔 구조로 변화하게 되며, 상기 에어로겔과 함께 일체형성된 다공재 및 단열재와 함께 건조시킴으로써 비로소 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재를 완성하게 되는 것이며, 여기서, 상기 에어로겔 복합재는, 다공재와 그 내부 기공에 에어로겔이 담지된 것을 포함하여 이루어진 구성이다.

이 때, 상기 건조과정은 섭씨 100도에서 2 내지 4시간동안 건조하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재를 건조시킨 후, 상기 에어로겔 복합재를 구성하는 다공재의 외측면에는 보호코팅층을 형성함으로써, 에어로겔과 다공재로 이루어지는 에어로겔 복합재의 내구성을 더욱 향상시켜 단열성이 반영구적으로 지속되도록 하는 것도 가능하다.

여기서, 상기 보호코팅층은 금속 호일, 보다 구체적으로는 알루미늄 호일을 접착제로 부착하거나, 액상으로 형성된 수지를 도포하여 형성하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 에어로겔 복합재를 구성하는 에어로겔을 형성할 때에 실리카 혼합물에 적외선 차단물질을 첨가하여 적외선에서 발산되는 열에너지를 차단할 수 있도록 하는 것도 가능한데, 상기 적외선 차단물질로는 흑연, 카본블랙, 산화티타늄 중에서 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.

<실시예 1 - 다공재 : 실리케이트 섬유 부직포>

이하에서는 상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 제조방법에 대한 보다 구체적인 실시예로서 단열재의 외측면에 부착하는 다공재를 실리케이트 섬유 부직포(2)를 사용한 경우에 대하여 도 1 내지 3을 바탕으로 상세하게 설명하고자 한다.

먼저, 본 실시예에서, 상기 단열재는 일정 두께의 패널로 발포성형된 발포성 폴리스티렌(1)을 이용한다.

또한, 본 실시예에서 다공재로 사용하는 실리케이트 섬유 부직포(2)는 실리케이트 섬유를 압착하여 부직포 형태로 형성한 것을 사용하였으며, 상기 실리케이트 섬유 부직포의 내부에 형성되는 기공의 부피는 전체 실리케이트 섬유 부직포의 부피에 대하여 20부피%로 형성된 것을 사용한다.

상기와 같이 형성되는 실리케이트 섬유 부직포(2)는 상기 단열재인 발포성 폴리스티렌(=스티로폼)의 외측면에 접착제(3)로 부착하였으며, 보다 구체적으로, 상측면과 하측면 모두에 부착하여 형성한다.

이 때, 상기 접착제(3)는 우레탄계열의 접착제(3)를 사용한다.

상기와 같이 발포성 폴리스티렌(1)의 외측면에 접착제(3)로서 실리케이트 섬유 부직포(2)를 부착한 후에는, 상기 실리케이트 섬유 부직포(2)에 졸 상태의 실리카 혼합물(4)을 분사하여, 그 내부 기공(2a)에 상기 졸 상태의 실리카 혼합물(4)이 담지되도록 한다.

여기서, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은, 물유리 39중량%, 물 61중량%를 혼합한 혼합용액 450g에 황산용액 35g을 첨가하여 교반함으로써 형성하며, 상기 황산용액은 28부피%의 농도로 희석하여 사용한다.

이 때, 상기 물유리, 물, 황산용액은 라인믹서에서 교반하여 실리카 혼합물을 형성하였으며, 보다 구체적으로는 물유리와 물을 혼합하여 교반한 용액에 촉매로써 황산용액을 첨가한다.

상기 촉매용 황산용액은 실리케이트 섬유 부직포(2)에 분사하기 직전에 첨가하는데, 그 이유는 상기 물유리와 물의 혼합물에 촉매인 황산용액을 첨가하게 되면, 상기 실리카 혼합물은 빠른 속도로 겔화되기 때문에 교반 후에는 신속하게 분사하여 담지케 한다.

상기와 같은 졸 상태의 실리카 혼합물(4)을 실리케이트 섬유 부직포(2)에 분사를 하였더니, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은 상기 실리케이트 섬유 부직포(2)의 내부 기공(2a)에 깊숙히 유동적으로 침투하여 담지되었고, 일정 시간이 경과하면 담지된 상태에서 겔화가 이루어지는데, 본 실시예에서는 30초가 소요되었다.

상기와 같이 실리케이트 섬유 부직포(2)의 내부 기공(2a)에 담지된 실리카 혼합물이 그대로 겔화되면 하이드로-겔(5)이 형성되고, 상기 하이드로-겔(5)은 숙성과정을 통하여 그 결합구조가 더욱 견고하게 형성되는데, 이 때, 상기 하이드로-겔(5)의 숙성은 황산용액을 통하여 이루어진다.

여기서, 상기 숙성용 황산용액은 2부피%의 농도로 희석하여 사용하는 것이 바람직하며, 상기 숙성과정은 상기 하이드로-겔(5)이 담지된 실리케이트 섬유 부직포(2) 및 상기 실리케이트 섬유 부직포(2)가 부착된 발포성 폴리스티렌(1)을 숙성용 황산용액에 5시간동안 담그어 숙성시키게 된다.

상기와 같이 숙성과정을 거친 하이드로-겔(5)은 물을 이용하여 불순물인 나트륨이온을 제거하는 불순물 세척과정을 거치게 되는데, 이 때, 상기 물은 10리터를 준비하고, 그 속에 하이드로-겔(5)이 담지된 실리케이트 섬유 부직포(2) 및 상기 실리케이트 섬유 부직포(2)가 부착된 발포성 폴리스티렌(1)을 10시간동안 담그어 나트륨이온이 제거되도록 하고, 상기 10리터의 물은 2시간마다 교체하여 주었다.

상기와 같이 불순물 세척과정을 통하여 불순물이 제거된 하이드로-겔(5)은 표면개질 및 용매치환과정을 거치게 되는데, 여기에서는 상기 표면개질과 관련하여 유기실란 화합물로서 헥산메틸디실라잔(HMDS : Hexamethyldisilazane)을 이용하였고, 상기 용매치환과 관련하여 비극성 유기용매로서 n-헥산을 이용하였다.

보다 구체적으로, 상기 헥산메틸디실라잔은 1리터, n-헥산은 10리터를 준비하고, 위 두 용액(HMDS, n-헥산)을 섭씨 65도로 유지되도록 하여 함께 담은 용기에 상기 실리케이트 섬유 부직포(하이드로-겔이 담지된 것)(2)이 부착된 발포성 폴리스티렌(1)을 8시간 담그어 줌으로써 표면개질과 용매치환이 함께 이루어지도록 한다.

상기와 같은 표면개질 및 용매치환이 이루어지면, 상기 하이드로-겔(5)은 에어로겔(6)로 변화되며, 상기 에어로겔(6)이 담지된 실리케이트 섬유 부직포(2)를 건조기에서 섭씨 100도로 5시간동안 건조하여 줌으로써, 도 2와 같이 에어로겔 복합재(7)가 부착된 발포성 폴리스티렌 복합 단열재를 완성하게 되는 것이다.

아울러, 상기와 같이 다공재인 실리케이트 섬유 부직포(2)와 그 내부 기공(2a)에 담지되는 에어로겔(6)로 형성되는 에어로겔 복합재(7)의 외측면에는 보호코팅층(8)을 형성하여 내구성이 오래도록 지속되도록 하였다.

이 때, 상기 코팅코팅층(8)은 실리콘 수지를 이용하여 형성하였다.

한편, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물에 적외선 차단물을 추가로 첨가하여 적외선 열에너지를 차단할 수 있도록 하였는데, 상기 적외선 차단물은 흑연을 선택하여 분말 형태로 사용하였으며, 보다 구체적으로는, 졸 상태의 실리카 혼합물을 형성할 때에 물유리 및 물 중량 대비 1 내지 20중량%에 상당하는 중량으로 흑연을 첨가하였다.

<실시예 2 - 다공재 : 멜라민 폼>

이어서, 본 발명에 대한 보다 구체적인 실시예로서 단열재의 외측면에 부착하는 다공재를 멜라민 폼을 사용한 경우에 대하여 상세하게 설명하고자 한다.

먼저, 본 실시예에서, 상기 단열재는 일정 두께의 패널로 발포성형된 멜라민 폼을 이용한다.

또한, 본 실시예에서 다공재로 사용하는 멜라민 폼은 멜라민 수지를 발포형성한 것으로, 상기 멜라민 폼의 내부에 형성되는 기공의 부피는 전체 멜라민 폼의 부피에 대하여 20부피%로 형성된 것을 사용한다.

상기와 같이 형성되는 멜라민 폼은 단열재인 발포성 폴리스티렌(=스티로폼)의 외측면에 접착제로 부착하였으며, 보다 구체적으로, 상측면과 하측면 모두에 부착하여 형성하였다.

이 때, 상기 접착제는 우레탄계열의 접착제를 사용한다.

상기와 같이 발포성 폴리스티렌의 외측면에 접착제로서 멜라민 폼을 부착한 후에는, 상기 멜라민 폼에 졸 상태의 실리카 혼합물을 분사하여, 그 내부 기공에 상기 졸 상태의 실리카 혼합물이 담지되도록 한다.

여기서, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은, 물유리 39중량%, 물 61중량%를 혼합한 혼합용액 450g에 황산용액 35g을 첨가하여 교반함으로써 형성하며, 상기 황산용액은 28부피%의 농도로 희석하여 사용한다.

이 때, 상기 물유리, 물, 황산용액은 라인믹서에서 교반하여 실리카 혼합물을 형성하였으며, 보다 구체적으로는 물유리와 물을 혼합하여 교반한 용액에 촉매로써 황산용액을 첨가한다.

상기 촉매용 황산용액은 멜라민 폼에 분사하기 직전에 첨가하는데, 그 이유는 상기 물유리와 물의 혼합물에 촉매인 황산용액을 첨가하게 되면, 상기 실리카 혼합물은 빠른 속도로 겔화되기 때문에 교반 후에는 신속하게 분사하여 담지케 한다.

상기와 같은 졸 상태의 실리카 혼합물을 멜라민 폼에 분사를 하였더니, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물은 상기 멜라민 폼의 내부 기공에 깊숙히 유동적으로 침투하여 담지되었고, 담지 후, 30초 후에 겔화가 이루어졌다.

상기와 같이 멜라민 폼의 내부 기공에 담지된 실리카 혼합물이 그대로 겔화되면 하이드로-겔이 형성되고, 상기 하이드로-겔은 숙성과정을 통하여 그 결합구조가 더욱 견고하게 형성되는데, 이 때, 상기 하이드로-겔의 숙성은 황산용액을 통하여 이루어진다.

상기와 같은 숙성과정 이후에는, 표면개질 및 용매치환과정, 건조과정을 통하여 에어로겔로 변화시키게 되고, 그에 따라, 비로소, 에어로겔 복합재가 부착된 발포성 폴리스티렌 복합 단열재를 완성하게 된다.

이 때, 상기 각 과정은 위 실시예1과 동일하므로, 각 과정에 대한 상세한 설명은 위 실시예1을 참고하면 될 것이다.

아울러, 상기 다공재인 멜라민 폼과 그 내부 기공에 담지되는 에어로겔로 형성되는 에어로겔 복합재의 외측면에는 보호코팅층을 형성하여 내구성이 오래도록 지속되도록 하였다.

이 때, 상기 보호코팅층은 실리콘 수지를 이용하여 형성하였다.

한편, 상기 졸 상태의 실리카 혼합물에 적외선 차단물을 추가로 첨가하여 적외선 열에너지를 차단할 수 있도록 하였는데, 상기 적외선 차단물은 흑연을 선택하여 분말 형태로 사용하였으며, 보다 구체적으로는, 졸 상태의 실리카 혼합물을 형성할 때에 물유리 및 물 중량 대비 1 내지 20중량%에 상당하는 중량으로 흑연을 첨가하였다.

상기와 같은 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서는 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있음은 물론이다.

상기와 같은 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서는 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있음은 물론이다.

1 : 발포성 폴리스티렌 2 : 실리케이트 섬유 부직포
2a : 기공 3 : 접착제
4 : 실리카 혼합물 5 : 하이드로-겔
6 : 에어로겔 7 : 에어로겔 복합재
8 : 보호코팅층

Claims (29)

1. 일정 형상으로 형성되는 단열재의 외측면에 접착제로 다공재를 부착하고, 상기 다공재 내부의 개방형 기공에 졸(Sol) 상태의 실리카 혼합물을 담지한 다음, 상기 담지된 졸 상태의 실리카 혼합물을 겔(Gell)화하여 에어로겔로 변화되도록 하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 다공재는 단열재의 외측면에 접착제로 부착하되, 상기 단열재의 외측 일면 혹은 서로 대향되는 외측 양면에 부착하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 단열재는, 발포재의 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 발포재는, 스티로폼으로 형성된 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 다공재는, 폼 혹은 섬유로 형성됨을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 폼으로 형성되는 다공재는, 매트, 보드, 패널의 형태 중 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 폼은, 유기물, 무기물, 금속 중 어느 하나를 이용하여 성형된 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 유기물은, 멜라민, 폴리우레탄, 아미노, 폴리스티렌 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 금속은 알루미늄, 구리, 니켈 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
   
10. 제 5 항에 있어서,
    상기 섬유로 형성되는 다공재는, 부직포, 매트의 형태 중 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 섬유는, 실리케이트섬유, 세라믹섬유, 미네랄울 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 졸 상태의 실리카 혼합물은, 물유리(Water-glass)에 물을 혼합한 후, 산용액을 첨가하여 이루어짐을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 졸 상태의 실리카 혼합물은, TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)에 에탄올과 물을 혼합한 후, 알칼리용액을 첨가하여 이루어짐을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
    
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 졸 상태의 실리카 혼합물은, 적외선 차단물질이 더 포함되어 이루어지되, 상기 적외선 차단물질은 흑연, 카본블랙, 산화티타늄 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
    
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로겔은, 졸 상태의 실리카 혼합물을 숙성시켜 하이드로-겔로 형성한 후, 불순물인 나트륨이온을 제거하고, 표면개질 및 용매치환한 다음, 건조하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
    
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로겔이 담지된 다공재의 외측면에는 보호코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
    
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 보호코팅층은 금속 호일 혹은 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 부착된 복합 단열재의 제조방법.
    
18. 일정 형상으로 형성되는 단열재; 상기 단열재의 외측면에 부착되는 에어로겔 복합재; 를 포함하여 이루어지되, 상기 에어로겔 복합재는, 일정 두께로 형성되어 상기 단열재의 외측면에 접착제로 부착되는 다공재와, 상기 다공재 내부의 개방형 기공에 담지되는 에어로겔을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단열재는, 발포재로 형성된 것을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 발포재는, 스티로폼인 것을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    
21. 제 18 항에 있어서,
    상기 다공재는, 폼 혹은 섬유로 형성됨을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 폼으로 형성되는 다공재는, 매트, 보드, 패널의 형태 중 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 폼은, 유기물, 무기물, 금속 중 어느 하나를 이용하여 성형된 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 결착된 복합 단열재의 제조방법.
    
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 유기물은, 멜라민, 폴리우레탄, 아미노, 폴리스티렌 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 결착된 복합 단열재의 제조방법.
    
25. 제 24 항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄, 구리, 니켈 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 에어로겔 복합재가 결착된 복합 단열재의 제조방법.
    
26. 제 21 항에 있어서,
    상기 섬유로 형성되는 다공재는, 부직포, 매트의 형태 중 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    
27. 제 26 항에 있어서,
    상기 섬유는, 실리케이트섬유, 세라믹섬유, 미네랄울, 유리섬유, 유리솜, 폴리에틸렌섬유, 탄소섬유 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    
28. 제 18 항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합재의 외측면에서 일정 깊이까지는 에어로겔이 미담지되어 접착제 혹은 수지액이 침투가능한 결착부가 형성되고, 상기 결착부를 통하여 보호코팅층이 고착되도록 한 것을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    
29. 제 28 항에 있어서,
    상기 보호코팅층은 금속 호일 또는 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합 단열재.
    

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