KR20160015064A - 단열보드의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금형의 가속에 의하여 보강재들을 단열폼의 가장자리 부근에 집중적으로 배치할 수 있는 단열보드의 제조 방법을 개시한다. 본 발명 금형의 캐버티 안에 단열폼의 발포성형을 위한 발포체와, 단열폼의 보강을 위한 복수의 보강재를 투입하는 단계와; 금형을 가진시키면서 발포체를 발포성형하는 단계를 포함한다. 또한, 금형의 가진은 금형의 회전이나 금형에 단진동을 가하는 것에 의하여 실시할 수 있다. 발포체와 보강재들를 투입하기 전에 패널, 면재, 방벽을 캐버티 안에 배치한 후, 단열폼을 발포성형하여 패널, 면재, 방벽과 단열폼이 동시경화되도록 단열폼을 후경화할 수 있다. 본 발명에 의하면, 금형의 캐버티에 발포체와 보강재들을 투입한 후, 금형을 회전시키거나 금형에 단진동을 가하여 보강재들을 단열폼의 가장자리 부근에 집중적으로 배치함으로써, 물성을 강화하고 기포를 제거하여 경년변화에 의한 단열 성능의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 패널, 면재, 방벽과 단열폼이 동시경화되어 제조 공정이 간단해지므로, 품질과 생산성을 향상시킬 수 있다. 따라서 LNG 운반선 화물창과 같이 극저온 액체 저장 시스템의 단열층을 제조하는데 매우 유용하게 채택될 수 있다.

Description

단열보드의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING INSULATION BOARD}
본 발명은 단열보드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금형의 가속에 의하여 보강재들을 단열폼(Insulation foam)의 가장자리 부근에 집중적으로 배치할 수 있는 단열보드의 제조 방법에 관한 것이다.
열의 전달을 차단하는 단열재는 다양한 종류가 사용되고 있다. 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG), 액체아르곤(Liquid argon), 액체질소(Liquid nitrogen), 액체산소(Liquid oxygen) 등과 같은 극저온 액체의 보관 및 운반을 위한 저장 시스템의 단열층은 높은 단열성능이 요구되고 있다. 극저온 액체 저장 시스템의 일례로 LNG 운반선 화물창(LNG carrier cargo containment system)은 -165℃의 초저온 LNG를 저장 및 운반한다.
미국 특허 제7,540,395호 "밀봉 벽 구조물 및 이 구조물을 구비한 탱크(Sealed wall structure and tank furnished with such a structure)", 한국 등록특허 제10-1200019호의 "LNG 운반선"과 한국 등록특허 제10-1168949호 "극저온 액체저장탱크"에 개시되어 있는 테크니가즈 시스템(Technigaz System)의 LNG 운반선 화물창은 1차 방벽(Primary barrier), 1차 패널(Primary panel), 1차 단열층(Primary insulation layer), 2차 방벽, 2차 단열층과 2차 패널로 구성되어 있다. 이러한 테크니가즈 시스템에서 1차 및 2차 단열층을 구성하는 단열보드는 폴리우레탄폼(Polyurethane foam)에 유리섬유(Glass fiber)를 보강한 강화 폴리우레탄폼(Reinforced polyurethane foam)이 사용되고 있다.
본 출원인의 특허출원 제10-2013-0056565호 "단열보드의 제조 방법"은 금형(Mold)을 이용하여 단열보드를 제조하고 있다. 고강도 섬유는 단열폼 안에 삽입되도록 금형의 캐버티(Cavity)에 섬유를 넣어둔 상태에서 발포성형(Foaming)하거나 발포체에 혼합하여 발포성형한다. 이와 같이 금형을 이용하는 단열보드의 발포성형은 자유발포성형(Free foaming) 시 발생되는 물성의 저하와, 자유발포성형 후 후공정(After process)에 의하여 슬랩스톡폼(Slabstock foam)으로 제조하는데 따른 재료 낭비 및 균열을 방지할 수 있는 장점이 있다. 위 특허 문헌들 각각에 개시되어 있는 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
상기한 바와 같은 단열보드의 제조 방법에 있어서 단열보드의 물성을 보다 강화하고, 단열폼의 내부에 포집되어 있는 기체의 누설을 최소화하여 경년변화(Aging)에 의한 단열 성능의 저하를 방지할 수 있는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 단열보드의 제조 방법의 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 금형의 가속에 의하여 보강재들을 단열폼의 가장자리 부근에 집중적으로 배치함으로써, 물성을 강화하고 기포를 제거하여 경년변화에 의한 단열 성능의 저하를 방지할 수 있는 새로운 단열보드의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 단열폼, 방벽과 패널이 동시경화(Co-curing)되어 제조 공정이 간단해지므로, 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 단열보드의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 단열보드의 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법은, 금형의 캐버티 안에 단열폼의 발포성형을 위한 발포체와, 단열폼의 보강을 위한 복수의 보강재를 투입하는 단계와; 금형을 가진시키면서 발포체를 발포성형하는 단계를 포함한다.
또한, 금형의 가진은 금형의 회전이나 금형에 단진동을 가하는 것에 의하여 실시할 수 있다. 발포체와 보강재들를 투입하기 전에 패널, 면재, 방벽을 캐버티 안에 배치한 후, 단열폼을 발포성형하여 패널, 면재, 방벽과 단열폼이 동시경화되도록 단열폼을 후경화할 수 있다.
본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법은, 금형의 캐버티에 발포체와 보강재들을 투입한 후, 금형을 회전시키거나 금형에 단진동을 가하여 보강재들을 단열폼의 가장자리 부근에 집중적으로 배치함으로써, 물성을 강화하고 기포를 제거하여 경년변화에 의한 단열 성능의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 패널, 면재, 방벽과 단열폼이 동시경화되어 제조 공정이 간단해지므로, 품질과 생산성을 향상시킬 수 있다. 따라서 LNG 운반선 화물창과 같이 극저온 액체 저장 시스템의 단열층을 제조하는데 매우 유용하게 채택될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에 의하여 제조되는 단열보드를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에 의하여 제조되는 단열보드의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에서 회전에 의하여 금형을 가진하는 것을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에서 금형의 가진에 의한 보강재들의 유동을 설명하기 위하여 부분적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에서 금형에 단진동을 가하는 것을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에 의하여 제조된 단열보드의 굽힘 강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에 의하여 제조되는 단열보드(100)는 단열폼(110), 예를 들면 폴리우레탄폼(112)에 복수의 보강재(114)가 보강되어 있는 강화 폴리우레탄폼(116)으로 구성되어 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 단열폼(110)은 폴리비닐 클로라이드폼(Polyvinyl chloride foam), 폴리스타이렌(Polystyrene foam), 마이크로셀룰로이드폼(Micro-celluloid foam), 나노셀룰로이드폼(Nano-celluloid foam) 등의 폴리머폼(Polymer foam)으로 구성될 수 있다. 또한, 단열폼(110)은 금속폼(Metal foam), 예를 들면 알루미늄을 소재로 발포성형한 알루미늄폼(Aluminum foam)으로 구성될 수도 있다.
보강재(114)는 유리섬유, 탄소섬유(Carbon fiber), 아라미드섬유(Aramid fiber), 폴리에스테르섬유(Polyester fiber), 폴리비닐아크릴섬유(Polyvinyl acrylic fiber) 등의 다양한 보강섬유로 구성될 수 있다. LNG 운반선 화물창의 단열층을 구성하기 위하여 보강재(114)는 단섬유로 구성되는 것이 좋다. 또한, 보강재(114)는 입자, 마이크로 볼(Micro ball), 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT) 등으로 구성될 수도 있다.
도 2에 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에 의하여 제조되는 단열보드의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 단열보드(100)는 단열폼(110)의 표면에 부착되는 방벽(120)을 구비한다. 방벽(120)은 LNG 운반선 화물창의 2차 방벽이 되도록 트리플렉스(Triplex)나 금속 시트(Metal sheet)로 구성되어 있다. 트리플렉스는 알루미늄포일(Aluminium foil)의 양면에 유리섬유 복합재료(Glass fiber composite)가 접합된 형태로 구성된다. 금속 시트는 스테인리스스틸, 알루미늄, 황동, 아연 등을 소재로 제작되어있는 금속 시트로 구성된다. 패널(130)이 단열폼(110)의 이면에 부착되어 있다. 패널(130)은 LNG 운반선 화물창의 2차 패널이 되도록 플라이우드(Fly wood)나 샌드위치패널(Sandwich panel)로 구성된다.
또한, 면재(140)가 단열폼(110)의 측면에 부착되어 있다. 면재(140)는 폴리우레탄폼(112)의 강도를 보강할 뿐만 아니라, 폴리우레탄폼(112)의 경년변화에 따른 물성의 변화를 방지하여 폴리우레탄폼(112)의 수명을 보장한다. 면재(140)는 폴리머 필름(Polymer film: 142)으로 구성되어 있다. 폴리머 필름(142)은 이형성을 갖는 필름, 예를 들면 테플론(Teflon)이라 부르고 있는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroetylene, PTFE) 필름으로 구성될 수 있다. 또한, 면재(140)는 강도의 보강을 위하여 알루미늄 박막으로 구성될 수 있다.
도 3의 (d) 내지 (f)에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 단열보드(100)는 금형(150)을 이용하는 발포성형에 의하여 제조되어 있는 몰드 폼(Mold foam)이다. 금형(150)은 발포성형을 위하여 개방단부(152)가 형성되어 있는 캐버티(Cavity: 154)를 가지며, 사각 상자 형태로 구성되어 있다. 커버 플레이트(Cover plate: 160)가 개방단부(152)를 덮도록 금형(150)의 상부에 장착되어 있다. 주입구멍(162)이 커버 플레이트(160)에 형성되어 있다.
본 발명에 따른 단열보드(100)의 발포성형을 위하여 발포체(Foaming material: 118)가 발포성형장치(170)에 의하여 금형(150)의 캐버티(154)에 주입된다. 발포성형장치(170)는 발포체(118)를 혼합하여 금형(150)의 캐버티(154)에 주입하는 교반기(172)를 구비한다. 발포체(118)는 보강재(114)들과 교반기(172)에 의하여 혼합될 수 있다.
금형(150)의 예열수단(Pre-heating means)으로 히터(Heater: 180)가 금형(150)의 주위에 설치되어 있다. 금형(150)의 가진(Excitation)을 위한 가진장치(190)로 회전구동유닛(192)이 사용된다. 회전구동유닛(192)은 구동모터(194)와, 구동모터(194)의 구동에 의하여 회전되며 금형(150)을 클램핑(Clamping)하는 클램프(Clamp: 196)으로 구성되어 있다.
지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법을 설명한다.
도 3의 (d)와 (e)를 참조하면, 금형(150)의 캐버티(154)가 열려 있는 상태에서, 작업자는 캐버티(154)의 바닥에 패널(130), 즉 LNG 운반선 화물창의 2차 패널이 되는 플라이우드나 샌드위치패널을 배치한다. 작업자는 폴리머 필름(142)을 캐버티(154)의 내벽면에 부착한다. 작업자는 개방단부(152)와 이웃하도록 방벽(120), 즉 LNG 운반선 화물창의 2차 방벽이 되는 트리플렉스나 스테인리스스틸 시트를 배치한다. 발포체(118)의 주입을 위한 주입구멍(122)이 방벽(120)의 중앙에 형성되어 있다.
다음으로, 방벽(120)의 설치 후, 작업자는 금형(150)의 개방단부(152)를 커버 플레이트(160)에 덮는다. 방벽(120)의 주입구멍(122)과 커버 플레이트(160)의 주입구멍(162)은 서로 연통되어 있다. 히터(180)의 작동에 의하여 금형(150)을 예열한다. 금형(150)의 예열에 의하여 폴리우레탄폼(112)의 발포성형성이 향상되고, 폴리우레탄폼(112)의 성형 불량이 방지된다.
도 3의 (a) 내지 도 (c)를 참조하면, 작업자는 발포체(118), 즉 폴리우레탄수지액(118a), 경화제(118b)와 보강재(114)들로 유리섬유들을 교반기(172)에 투입한 후, 교반기(172)의 작동에 의하여 발포체 혼합물(118c)로 균일하게 혼합한다. 폴리우레탄수지액(118a)은 폴리올(Polyol), 발포제, 촉매, 기포 크기 조절제, 난연제 등이 혼합되어 있는 원료이다. 발포제는 이산화탄소, 프레온(Freon), 메틸렌클로라이드(Methylene chloride), 펜탄(Pentane), 공기 등이나 분해형의 유기계 발포제가 사용될 수 있다. 촉매는 아민류(Amines)나 유기주석 화합물이 사용될 수 있다. 기포 크기 조절제는 실리콘 수지나 유화제가 사용될 수 있다. 경화제는 폴리이소시아네이트(Polyisocyanate)가 사용될 수 있다.
유리섬유는 단유리섬유(Short glass fiber: 114a)가 사용될 수 있다. 단유리섬유(114a)의 길이는 대량생산과 자동화 생산을 고려하여 20mm 정도 이하의 것을 사용한다. 단유리섬유(114a)들은 발포체(118)의 발포가 시작되기 전에 발포체(118)에 균일하게 혼합한다. 발포체(118)는 온도를 저온으로 유지함으로써, 발포 및 경화 속도를 낮춰 단유리섬유(114a)를 혼합할 수 있는 가사 시간(Pot life)을 연장할 수 있다. 또한, 단유리섬유(114a)의 응집현상을 방지하기 위하여 교반기(172)의 날개(174)의 회전속도는 500RPM 이하로 하는 것이 좋다. 몇몇 실시예에 있어서, 보강재(114)는 발포체(118)에 혼합하지 않고, 발포체(118)를 금형(150)의 캐버티(152) 안에 주입하기 전에 금형(150)의 내면과 커버 플레이트(160)의 내면에 부착시키거나 금형(150) 안에 투입시킬 수도 있다.
계속해서, 발포체 혼합물(118c)은 커버 플레이트(160)의 주입구멍(162)과 방벽(120)의 주입구멍(122)을 통하여 캐버티(154) 안에 주입한다. 발포체 혼합물(118c)이 캐버티(154) 안에 주입된 후, 폴리우레탄수지액(118a)과 경화제(118b)는 발열반응(Exothermic reaction)에 의하여 폴리우레탄폼(112)으로 발포성형된다.
도 4와 도 5를 참조하면, 발포체 혼합물(118c)의 발포성형 중에 가진장치(190)의 작동에 의하여 금형(150)을 가진한다. 즉, 발포체(118)가 액체 또는 겔(Gel) 상태에서 가진력을 가한다. 금형(150)이 클램프(196)에 의하여 클램핑되어 있는 상태에서 구동모터(194)가 구동되면, 금형(150)이 회전되면서 금형(150) 내의 발포체 혼합물(118c)에 가속력이 가해진다. 발포체(118)가 액체 또는 겔 상태에서 단유리섬유(114a)들의 밀도는 발포체(118)의 밀도보다 높기 때문에 단유리섬유(114a)들은 관성력에 의하여 금형(150)의 내면쪽으로 유동된다. 따라서 단유리섬유(114a)들은 단열보드(100)의 가장자리 부근에 집중적으로 분포하게 된다. 또한, 금형(150)의 내면에 이웃하는 발포체 혼합물(118c)의 가장자리 부근은 가속력에 의하여 압력이 높아지게 되어 발포체(118)의 기포를 제거하게 된다. 기포의 제거에 의하여 단열보드(100)의 결함을 방지할 수 있다.
계속해서, 폴리우레탄폼(112)이 발포성형된 후, 후경화(Post-curing)에 의하여 폴리우레탄폼(112)을 경화시키면, 방벽(120), 패널(130)과 폴리머 필름(142)이 폴리우레탄폼(112)와의 동시경화에 의하여 폴리우레탄폼(112)에 일체형으로 접합된다. 후경화는 히터(180)의 작동에 의하여 금형(150)을 가열하는 것에 의하여 달성될 수 있다. 폴리우레탄폼(112)는 열에 의하여 가교(Cross linking)되면서 경화된다. 몇몇 실시예에 있어서, 단열폼(110)은 발포성형 후 냉각에 의하여 경화시킬 수 있다.
폴리우레탄폼(112)의 경화가 완료되면, 작업자는 커버 플레이트(160)를 열고 캐버티(154)로부터 강화 폴리우레탄폼(116)을 탈형(Demolding)한다. 이때, 폴리머 필름(142)의 이형성에 의하여 금형(150)과 강화 폴리우레탄폼(116)의 이형이 원활하게 이루어진다. 이와 같이 강화 폴리우레탄폼(116)이 금형(150)을 이용하는 발포성형에 의하여 제조되므로, 강화 폴리우레탄폼(116)의 치수를 정확하게 맞출 수 있다. 또한, 강화 폴리우레탄폼(116), 방벽(120)과 패널(130)이 동시경화되어 제조 공정이 간단해진다. 특히, 강화 폴리우레탄폼(116)의 물성이 균일하여 절단 등의 후가공이 불필요하므로, 생산비를 절감하고, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 단유리섬유(114a)는 단열보드(100)의 가장자리 부근에 밀집되어 폴리우레탄폼(112)의 균열을 억제시킴으로써 극저온 인성(Toughness)을 향상시키게 된다. 이 결과, 폴리우레탄폼(112)의 셀(Cell: 112a)들에 포집되어 있는 기체의 누설이 방지됨으로써 경년변화가 최소화되어 수명을 보장할 수 있다.
도 7에 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에 대한 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 다른 실시예의 단열보드의 제조 방법에는 가진장치(190)로 금형(150)에 단진동을 가하는 진동발생기(198)가 사용된다. 진동발생기(198)는 발포체(118)의 액체 또는 겔 상태에서 금형(150)에 단진동을 가한다. 단진동에 의하여 단유리섬유(114a)들은 금형(150)의 내면쪽으로 유동되고, 발포체 혼합물(118c)의 가장자리 부근에서 발포체(118)의 기포가 제거된다. 몇몇 실시예에 있어서, 금형(150)의 가진은 금형(150)을 타격하여 충격력을 가하는 타격장치에 의하여 실시할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 단열보드의 제조 방법에 의하여 단유리섬유가 보강되어 있는 강화 폴리우레탄폼을 제조하여 미국시험재료협회(American society for testing materials, ASTM) D790에 의하여 굽힘 강도(Flexural strength)를 측정하여 도 의 그래프에 나타냈다. 강화 폴리우레탄폼의 시편은 가로 300㎜, 세로 50㎜, 두께 20㎜로 제조되었다. 단유리섬유의 길이는 7㎜이고, 단유리섬유의 질량은 강화 폴리우레탄폼의 질량에 대하여 5%이고, 폴리우레탄폼의 밀도는 70㎏/㎥이다. 실시예 1의 시편은 1,200RPM으로 시편의 폭 방향으로 금형을 회전시켜 제조한 것이고, 실시예 2의 시편은 200RPM과 25㎜의 진폭으로 금형에 단진동을 가하여 제조한 것이다. 비교예의 시편은 금형을 가속시키지 않고 제조한 것이다. 도 7의 그래프를 보면, 실시예 1 및 2의 시편 각각은 비교예의 시편에 비하여 19% 및 27% 정도로 굽힘 강도가 향상된 것으로 측정되었다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
100: 단열보드 110: 단열폼
112: 폴리우레탄폼 114: 보강재
116: 강화 폴리우레탄폼 118: 발포체
120: 방벽 130: 패널
140: 면재 150: 금형
154: 캐버티 160: 커버 플레이트
170: 발포성형장치 172: 교반기
180: 히터 190: 가진장치
192: 회전구동유닛 198: 진동발생기

Claims (8)

  1. 금형의 캐버티 안에 단열폼의 발포성형을 위한 발포체와, 상기 단열폼의 보강을 위한 복수의 보강재를 투입하는 단계와;
    상기 금형을 가진시키면서 상기 발포체를 발포성형하는 단계를 포함하는 단열보드의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발포체와 상기 보강재를 투입하는 단계에서 상기 발포체와 상기 복수의 보강재는 발포체 혼합물로 미리 혼합하여 상기 캐버티 안에 주입하는 단열보드의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금형의 가진은 상기 금형의 회전에 의하여 이루어지는 단열보드의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금형의 가진은 상기 금형에 단진동을 가하는 것에 의하여 이루어지는 단열보드의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발포체는 폴리우레탄수지액으로 이루어지고, 상기 복수의 보강재는 상기 금형의 가속에 의하여 상기 캐버티의 내면쪽으로 이동할 수 있도록 고강도 단섬유로 이루어지는 단열보드의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발포체와 상기 보강재를 투입하는 단계 전에
    상기 캐버티의 바닥에 패널을 배치하는 단계와;
    상기 캐버티의 내면에 이형성을 갖는 면재를 부착하는 단계와; 상기 캐버티의 개방단부에 방벽을 배치하는 단계를 더 포함하고,
    상기 단열폼을 발포성형한 후, 상기 패널, 상기 면재, 상기 방벽과 상기 단열폼이 동시경화되도록 상기 단열폼을 후경화하는 단계를 더 포함하는 단열보드의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단열폼의 후경화는 상기 금형의 가열에 의하여 실시하는 단열보드의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발포체와 상기 복수의 보강재를 투입하는 단계 전에 상기 금형을 예열하는 단계를 더 포함하는 단열보드의 제조 방법.
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