KR20190127171A - 에어로겔 기반의 유연 단열재 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로겔 기반의 유연 단열재에 관한 것으로 더욱 상세하게는 에어로겔, 물리적 및 화학적 방법들 중 적어도 하나를 통해 층간 간격이 조절되고 상기 층간 내부에 상기 에어로겔이 삽입 결합되는 팽창흑연 및 상기 팽창흑연과 혼합된 경화수지를 포함함으로써 에어로겔의 유실 및 이탈을 방지하여 단열성이 향상되는 에어로겔 기반의 유연 단열재 및 제조 방법을 제공한다.

Description

에어로겔 기반의 유연 단열재 및 제조 방법{AEROGEL BASED FLEXIBLE HEAT INSULATOR AND METHOD FOR PREPARING THEREOF}

본 발명은 에어로겔 기반의 유연 단열재 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 층간 간격이 조절되고 층간 내부에 에어로겔이 삽입 결합되는 팽창흑연을 포함하여, 삽입된 에어로겔이 단열재로부터 빠져나오는 것을 방지하고 단열성이 향상되는 에어로겔 기반의 유연 단열재 및 제조 방법에 관한 것이다.

에어로겔(Aerogel)은 내부의 90% 이상이 공기로 이루어진 물질로, 건조 및 소성 과정에서 기체 및 액체 사이 계면의 힘에 의한 구조의 변형 없이 오로지 모세관력에 의해 물질 내부의 용매가 소멸되어 만들어진다. 때문에 일반적인 건조 과정을 거친 물질과 다르게 자체 구조를 그대로 유지하면서도 많은 기공을 가지는 물질이다.

이러한 특성으로 인해 에어로겔은 수백 m²/g 이상의 비표면적과 90% 이상의 높은 기공율 및 낮은 밀도(0.003-0.1 g/cm³)를 가지고 있는 초경량 다공성 소재로 주목받아 왔으며, 또한 매우 낮은 열전도율(0.013-0.04 W/m·K)을 가져 단열성이 매우 우수한 소재로 사용되고 있다.

그러나, 에어로겔은 구조적으로 매우 약하고 기존 단열재에 삽입하기가 난이한 단점이 있다. 종래의 에어로겔 삽입 방법으로는 졸(sol) 상태의 에어로겔을 망상, 섬유상 재료에 함침(Sol-Gel 공정) 및 건조시키는 방법, 분말 상태의 에어로겔을 용매에 혼합하여 망상, 섬유상 재료에 함침 및 건조시키는 방법 및 액상의 에어로겔을 기존 단열재 표면에 코팅 및 건조시키는 방법 등이 있다. 종래의 이러한 방법들은 단열재에 삽입된 에어로겔이 유실되는 현상이 발생하고, 열전도도를 조절하기 위해 원하는 만큼의 에어로겔을 단열재 내부에 삽입하지 못하는 문제를 가지고 있다.

따라서, 종래의 에어로겔 삽입 기술을 극복할 수 있도록 에어로겔의 유실을 방지하고 에어로겔을 단열재에 충분히 삽입하여 낮은 열전도도를 가지는 에어로겔 기반의 단열재 및 제조 방법이 요구된다.

한국등록특허 제 10-1436371호는 계면을 이용한 에어로겔 복합 재료 제조 방법에 관한 것으로써, 소수성 에어로겔을 친수성 수용액과 상분리 된 계면을 형성시킨 후, 적절한 온도 및 속도로 교반하여 에어로겔 내부의 기공이 수지에 의해 함침 되는 것을 방지하고 에어로겔 이외의 재료 함량을 최소화 하여 높은 기공률 및 낮은 열전도도가 유지된 에어로겔 복합 재료 및 제조 방법을 제공한다. 이에 따라, 수지의 용융온도 이상으로 가열한 후 혼입할 입자를 주입시켜서 성형하는 기존의 용융 혼합(Melt compounding) 방법으로 에어로겔 복합 재료를 제조할 때 발생할 수 있는 에어로겔 복합 재료에 혼입된 에어로겔의 기공이 수지에 의해 함침 되어 기공률이 저하되는 것을 방지하여 낮은 열전도도의 에어로겔 복합 재료를 얻을 수 있다.

한국등록특허 제 10-1674789호는 열전도율과 안정성이 우수한 에어로겔 복합화 멜라민 발포체 및 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 개방 셀 멜라민 폼의 내부 골격 구조내에 실리카 에어로겔을 일부 또는 완전히 충진시켜 열전도율이 우수하고 내열성이 향상되는 발포체를 제공하되, 에어로겔 복합화된 멜라민 발포체로부터 에어로겔의 유실을 최소화할 수 있는 에어로겔 복합화된 멜라민 발포체 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

한국등록특허 제 10-1436371호 (2014.08.26 등록) 한국등록특허 제 10-1674789호 (2016.11.03 등록)

종래에는 경화수지 100 중량부에 에어로겔을 최대 25 중량부까지 삽입시키는 데 한계가 있어 에어로겔 기반 유연 단열재의 열전도도를 낮추는데 문제가 있었다. 본 발명은 이러한 종래의 기술적 과제를 해결하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예는 층간 간격이 조절되어 층간 내부에 에어로겔이 삽입 결합되는 팽창흑연을 포함하여 에어로겔의 유실 및 이탈이 방지되는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 팽창흑연 내부에 에어로겔 삽입 량을 높여 낮은 열전도도를 가지는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 에어로겔이 충분히 삽입된 팽창흑연을 통해 다양한 액상 및 고상 단열재와 잘 혼합되는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 난연재인 팽창흑연을 포함하여 단열재의 불연성 및 난연성을 배가시키는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 팽창흑연 및 경화수지를 포함하여 단열재의 유연성 및 시공성이 향상된 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.

실시예들 중에서, 에어로겔 기반의 유연 단열재는 에어로겔, 물리적 및 화학적 방법들 중 적어도 하나를 통해 층간 간격이 조절되고 상기 층간 내부에 상기 에어로겔이 삽입되는 팽창흑연 및 상기 팽창흑연과 혼합된 경화수지를 포함할 수 있다.

상기 팽창흑연은 상기 경화수지 100 중량부에 대하여 50~150 중량부를 포함할 수 있다.

상기 팽창흑연에 물리적으로 교반되는 팽창 중공체를 더 포함할 수 있다.

상기 팽창흑연은 영하 110℃ 이하로 냉각시켜 층간 간격이 확대되고, 상기 에어로겔의 삽입 결합 후에 온도를 영상 5℃ 이상으로 높여 층간 간격이 축소될 수 있다.

상기 에어로겔은 대전 효과에 의한 극성을 이용하여 상기 팽창흑연의 층간 내부에 함량이 조절 삽입될 수 있다.

상기 팽창흑연은 망상 유/무기 고체(Polyisocyanurate, Polyurethane, Styrofoam, Mineral wool, Melamine Foam, Glass Wool, E-Glass 등), 망상 유/무기 섬유, 액상 고무, 플라스틱, 페인트, 유/무기 분말, 유/무기 발포체(Foam) 및 중공구(Hollow Sphere) 중 적어도 하나를 포함하는 단열 재료와 혼합하여 사용할 수 있다.

실시예들 중에서, 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법은 (a) 특정 온도로 팽창흑연을 가열하는 단계; (b) 상기 가열된 팽창흑연의 표면에 기능기를 형성하도록 상기 가열된 팽창흑연을 표면 개질하는 단계; (c) 상기 표면 개질된 팽창흑연의 내부에 가수분해된 졸을 침투시켜 에어로겔을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 에어로겔이 삽입된 팽창흑연을 경화수지와 교반하는 단계를 포함 수 있다.

상기 (b) 단계는 상기 팽창흑연을 과망간산칼륨과 황산의 혼합물에 의해 생성된 Mn₂O₇ 산화제로 산화시켜 상기 팽창흑연을 표면 개질하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (c) 단계는 상기 에어로겔을 NH₃ 도핑하여 상기 팽창흑연의 내부에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 층간 간격이 조절되어 층간 내부에 에어로겔이 삽입 결합되는 팽창흑연을 포함하여 에어로겔의 유실 및 이탈이 방지될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 팽창흑연 내부에 에어로겔 삽입 량을 높여 낮은 열전도도를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 에어로겔이 충분히 삽입된 팽창흑연을 통해 다양한 액상 및 고상 단열재와 잘 혼합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 난연재인 팽창흑연을 포함하여 단열재의 불연성 및 난연성을 배가시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 팽창흑연 및 경화수지를 포함하여 단열재의 유연성 및 시공성이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)의 실제 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 층간 간격이 조절되는 팽창흑연(300) 및 층간 내부에 에어로겔(200)이 삽입되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 대한 팽창률 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)에 있어서 층간 간격이 조절되는 팽창흑연(300)과 팽창흑연(300)의 층간에 삽입된 에어로겔(200)을 확인하기 위한 전자현미경(SEM) 사진이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

여기서 사용되는 “경화수지”는 열경화성 수지로 가열 성형을 할 때 가열에 의해 자유로이 변형할 수 있는 성질(가소성)이 있으나, 다시 반응이 진행되면 불용 불융의 상태로 경화되고 가열해도 가소성을 일으키지 않는 합성 수지를 말한다. 열과 압력을 가하여 일정한 형태로 성형되어 냉각 응고된 후에는 가열이나 용제(溶劑)에 의해 다시 용해되지 않는 합성수지를 말한다.

“유연 단열재”는 고체나 반고체(GEL) 상태의 단열재로 단열 소재 간에 접합성이 있고, 점토와 같이 유연성이 높아 복잡한 형상의 단열이 필요한 물체 표면에 시공, 설치가 용이한 단열재(상온에서 건조되지 않고 반고체 상태를 유지함)를 말한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)의 실제 사진이다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 에어로겔(200), 물리적 및 화학적 방법들 중 적어도 하나를 통해 층간 간격이 조절되고 상기 층간 내부에 에어로겔이 삽입 결합되는 팽창흑연(300) 및 팽창흑연(300)과 혼합된 경화수지(400)를 포함할 수 있다.

에어로겔(200)은 낮은 열전도도와 경량 소재로 기존 단열재료에 삽입하여 사용될 수 있다. 그러나, 에어로겔은 액체 경화수지나 망상구조의 고체 등에 교반되거나 삽입되기 어려운 문제점을 가지고 있다. 에어로겔 분말을 단열재에 삽입하거나 시공할 시 분진 문제가 발생하고, 시공 후 단열재 사용 기간 중 에어로겔이 외부로 빠져나와 단열재 성능이 급격하게 저하될 수 있다.

본 발명의 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 이러한 문제를 극복하기 위해, 다양한 종류의 액상 및 고상 단열재와 혼합성이 좋은 팽창흑연(300)을 포함한다.

팽창흑연(300)은 평면 육각 구조가 모여 만들어진 탄소 결정의 일종인 흑연(graphite)의 층 사이에 열에 반응하는 층간 화합물을 삽입하여, 열에 의해 부피가 팽창될 수 있는 흑연이다. 흑연의 층 사이는 약한 반데르발스 힘으로 결합되어 있고, 흑연의 층 사이에 열에 반응할 수 있는 층간 화합물 즉, 황이나 질소 화합물을 삽입할 수 있다. 삽입 후 열을 가하면 층간 화합물의 연소 및 가스화로 인해 생긴 기체 방출이 폭발적으로 층과 층 사이를 분리시켜 확대할 수 있다.

팽창흑연(300)은 난연재로 사용될 수 있다. 팽창흑연(300)은 열에 의해 흑연이 팽창하여 재료의 표면에 팽창 층이 생성되고, 팽창 층은 핵심 재료를 보호하여 화재의 확산을 방지하고 독성 가스 및 연기를 최소화할 수 있다. 팽창흑연(300)은 난연재 및 단열재 이외에도 다공성 구조로 인해 흡착제로 사용될 수 있다.

팽창흑연(300)은 기계적 강도가 높고 연소점이 높아 초임계 건조와 같은 극한 공정을 견딜 수 있어 실리카 에어로겔 공정을 함께 수행할 수 있다. 팽창흑연(300)은 물리적 또는 화학적 방법이나 물리적 및 화학적 방법을 통해 층간 간격이 조절될 수 있다. 물리적 방법과 화학적 방법들은 온도 조절, 화학적 표면 개질, 스페이서 삽입 등을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 층간 간격이 조절되는 팽창흑연(300) 및 층간 내부에 에어로겔(200)이 삽입되는 과정을 나타내는 도면이다.

팽창흑연(300)은 물리적 또는 화학적 방법을 통해 팽창되어 층간 간격이 확대될 수 있다. 층간 거리가 확대된 팽창흑연(300) 내부에 에어로겔이 삽입 결합될 수 있다. 에어로겔이 삽입 결합된 팽창흑연(300)은 물리적 또는 화학적 방법을 통해 층간 간격이 축소될 수 있다. 이러한 과정을 통해 에어로겔(200)은 팽창흑연(300) 내부에 차단되어 단열재 사용 중 유실되거나 이탈되는 문제를 방지할 수 있고 단열성능이 유지될 수 있다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 층간 간격이 조절되는 팽창흑연(300) 내부에 에어로겔(200)을 원하는 만큼 삽입 결합될 수 있다. 에어로겔(200)이 삽입된 팽창흑연(300)은 기존 단열재와 잘 혼합되어 교반성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 팽창흑연(300)은 에어로겔(200)을 단열재료에 삽입할 시 분진이 발생하거나, 단열재 시공 시나 이후 발생하는 에어로겔 이탈로 인해 단열재 성능이 급격히 저하되는 문제점들을 보완할 수 있다.

경화수지(400)는 발포체의 형태로 산업용 단열재로 사용될 수 있다. 산업용 단열재는 일반적으로 유기질과 무기질로 구분될 수 있고, 유기질은 코르크, 면, 펠트, 탄화코르크, 거품고무 등이 사용될 수 있다. 무기질은 글라스파이버, 미네랄울, 글라스울, E-glass, 석면, 유리솜, 석영솜, 규조토, 탄산마그네슘분말, 마그네시아분말, 규산칼슘, 펄라이트 등이 있다. 이러한 산업용 단열재들은 형태가 있는 고체 형태로 제작되며, 용도 및 환경에 따라 섬유, 파이프, 판상 등의 다양한 형태로 제작되어 각 현장에 적용되고 있다.

그러나, 종래의 산업용 단열재 들은 복잡하게 얽힌 배관 또는 밸브 핸들과 같이 정교한 모양을 가지는 장치 등의 경우 형태가 정해져 있는 고체 형태의 단열재를 적용하기에 어려운 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 장치의 주변을 박스나 사면체 형태로 감싸는 형식의 단열 방법으로 대체되었다. 그러나, 장치의 모양에 맞게 자체를 완전히 감싸는 형태가 아니므로 완전 밀착을 통한 단열이 불가하고, 이로 인해 근본적으로 열 손실을 방지하기 어렵다. 또한 유기질을 포함하는 산업용 단열재의 경우 약한 열 저항으로 고온 환경의 산업 현장에서는 사용되지 못하는 단점이 있다.

경화수지(400)는 고온에서 사용 가능하고 내열성이 향상된 단열재의 구조를 형성하는 소재이다. 일례로, 경화수지(400)는 실리콘 오일을 기반으로 제조될 수 있고, 발포제로써 팽창 중공체(Expandable Hollow Sphere)를 포함하여 다공성 구조를 가질 수 있다. 경화수지(400)는 다공성 구조를 포함하여 단열성이 향상될 수 있다. 경화수지(400)는 섭씨 23도에서 5 ~ 20 MU의 Mooney viscosity ML(1+4)를 가질 수 있다. 경화수지(400)는 경화되는 정도를 조절하여 반고체의 형태를 가짐으로써 유연성을 가질 수 있고, 복잡한 형상의배관 또는 밸브 핸들과 같이 정교한 모양을 가지는 장치 등에 시공이 가능하며 단열재와 피단열재간의 공간을 줄여 열 손실을 최소화할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)의 제조 방법을 나타내는 도면이다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100) 제조 방법은 특정 온도로 팽창흑연(300)을 가열하여 팽창흑연(300)이 팽창하는 단계, 팽창흑연(300)의 표면에 기능기를 형성하도록 가열된 팽창흑연(300)을 표면 개질하는 단계, 표면 개질된 팽창흑연(300)의 내부에 가수분해된 졸을 침투시켜 에어로겔(200)을 형성하는 단계, 형성된 에어로겔(200)에 NH₃ 도핑하여 팽창흑연(300)을 수축하는 단계 및 에어로겔(200)이 삽입된 팽창흑연(300)을 경화수지(400)와 교반하여 경화하는 단계를 포함할 수 있다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100) 제조 방법은 특정 온도로 팽창흑연(300)을 가열하여 팽창흑연(300)이 팽창하는 단계를 포함할 수 있다(단계 S1).

일 실시예에서, 팽창흑연(300)은 섭씨 300~500도에서 가열할 수 있다. 가열 방법은 직접가열, 열풍가열 및 마이크로 웨이브 등의 방법을 사용할 수 있다. 가열 후의 팽창흑연(300)은 가열 전과 달리 층 간격이 넓게 이격되어 공간을 형성할 수 있다. 팽창흑연(300)의 층간 간격은 3.4 Å 에서 10.2 ~ 21.8 Å로 팽창될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 대한 팽창률 변화를 나타내는 그래프이다. 가열하는 온도가 높을수록 팽창률은 증가할 수 있고, 특정 온도 이상에서는 팽창률이 일정하게 유지될 수 있다.

팽창흑연(300)은 물리적 또는 화학적 방법으로 층간 간격을 조절할 수 있다. 팽창흑연(300)은 용매에 따라 냉각시켜 층간 간격을 확대할 수 있다. 팽창흑연(300)은 영하 110℃ 이하로 냉각시켜 층간 간격을 확대하고, 에어로겔(200)의 삽입 결합 후에 상온으로 온도를 높여 층간 간격을 축소할 수 있다.

팽창흑연(300)은 물리적으로 교반되는 팽창 중공체를 더 포함하여 층간 간격을 증가시킬 수 있다. 팽창 중공체는 팽창흑연(300) 층 사이에 배치되어 팽창흑연(300)의 층간 간격을 넓힐 수 있는 스페이서 역할을 할 수 있다. 팽창 중공체는 물리적 및 화학적 방법으로 다시 추출하여 벌어진 팽창흑연(300) 층 간격을 축소시킬 수 있다.

팽창흑연(300)은 경화수지(400) 100 중량부에 대하여 50~150 중량부를 포함할 수 있다. 팽창흑연(300)은 에어로겔을 기존 단열재에 삽입할 시 발생될 수 있는 종래 기술의 문제점인 에어로겔(200)의 첨가량 한계, 분진 발생 및 에어로겔 유출들을 보완할 수 있다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100) 제조 방법은 팽창흑연(300)의 표면에 기능기를 형성하도록 상기 가열된 팽창흑연(300)을 표면 개질하는 단계를 포함할 수 있다 (단계 S2).

팽창흑연(300)은 표면 개질을 통한 기능기를 형성할 수 있다. 팽창흑연(300)의 표면 개질은 Hummers method를 기반으로, 과망간산칼륨과 황산의 혼합물에 의해 생성된 Mn₂O₇ 산화제에 의해 산화되어 표면에 -COOH, -OH 등의 결합 기능기를 형성할 수 있다. 이러한 기능기는 가수분해된 에어로겔과의 중합 반응을 일으킬 수 있으며, 팽창흑연(300)과 에어로겔(200) 간에 화학적으로 결합할 수 있다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100) 제조 방법은 표면 개질된 팽창흑연(300)의 내부에 가수분해된 졸을 침투시켜 에어로겔(200)을 형성할 수 있다 (단계 S3).

상기 S1 단계에서 팽창흑연(300)은 층 간격이 증가되어 팽창흑연(300) 내부에 가수분해된 졸이 충분히 침투될 수 있다. 표면 개질된 팽창흑연(300)은 팽창흑연(300) 내부로 실리카 졸이 침투되어 화학적 결합을 유도할 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 층간 간격이 증가된 팽창흑연(300) 내부에 에어로겔(200)이 화학적으로 결합되어 에어로겔(200)의 이탈을 방지하고, 다양한 액상 및 고상 물질과 혼합성이 좋은 팽창흑연(300)을 사용하여 기존 단열재 내부에 에어로겔(200)의 삽입과 경화수지(400)의 교반성을 향상시킬 수 있다.

에어로겔(200)은 팽창흑연(300)과 실리카 겔의 초임계. 아임계 및 대기압 상에서 건조되어 형성될 수 있다. 에어로겔(200)은 팽창흑연(300)과 9:1의 비율로 형성될 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 팽창흑연(300) 내부에 에어로겔(200) 삽입 량을 높여 낮은 열전도도를 가질 수 있다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 물리적 방법으로 제조될 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 에어로겔 분말을 사용하여 제조될 수 있다. 에어로겔 분말과 팽창흑연을 교반기에 혼합하여 가열하면 팽창흑연의 팽창된 공간에 에어로겔 분말이 삽입될 수 있다. 다른 실시예로, 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 밀폐된 공간에 팽창 중인 흑연을 고속으로 교반하고 직경이 작은 에어로겔 분말을 고압으로 분사하여 제조될 수 있다. 또 다른 실시예로, 대전 효과 등에 의한 극성을 이용하여 에어로겔 분말을 팽창흑연(300) 내부에 삽입할 수 있다. 즉, 에어로겔은 구조 상 강도가 약하고 높은 절연성을 가지므로 정전기로 인한 대전 효과가 크며, 이와 같은 원리로 대전된 에어로겔은 전기장 내에서의 이동성을 가질 수 있다. 팽창흑연(300)이 들어있는 용기에 양(+) 극성을 걸고 하부에 위치한 에어로겔 호퍼에 음(-) 극성을 걸어 팽창흑연 용기를 가열하면서 팽창되는 흑연의 층 간 공간에 마이너스 극성으로 대전된 에어로겔 분말을 상승시켜 삽입될 수 있다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100) 제조 방법은 형성된 에어로겔(200)에 NH₃ 도핑되어 팽창흑연(300)이 수축하는 단계를 포함할 수 있다 (단계 S5).

내부에 에어로겔(200)이 형성된 팽창흑연(300)은 NH₃ 도핑될 수 있다. 상기 S1 단계에서 벌어진 팽창흑연(300) 간격은 NH₃ 도핑에 의한 정전기적 인력으로 감소될 수 있다. 팽창흑연(300)의 층간 간격은 2.1 ~ 3.5 Å로 수축될 수 있다. 팽창흑연(300)의 내부에 화학적으로 결합된 에어로겔(200)은 NH₃ 도핑에 의해 차단된 형태로 존재하게 되어 에어로겔(200)의 유실이나 이탈을 방지할 수 있다. 이러한 과정은 팽창흑연(300) 내부에 에어로겔(200)의 화학적인 결합을 유도할 수 있다.

팽창흑연(300)은 냉각시켜 팽창된 층 간 간격을 수축할 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 팽창흑연(300)의 층 간격을 물리적 및 화학적 방법으로 제어함으로써 팽창흑연(300) 내부에 삽입된 에어로겔(200)의 유실이나 이탈을 방지시킬 수 있고, 에어로겔(200)을 필요한 만큼 삽입할 수 있어 낮은 열전도도를 확보할 수 있다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100) 제조 방법은 에어로겔(200)이 삽입된 팽창흑연(300)을 경화수지(400)와 교반하여 경화하는 단계를 포함할 수 있다 (단계 S5).

상기 S4 단계에서 제조된 에어로겔(200)이 삽입(투입)된 팽창흑연(300)은 경화수지(400)와 교반하여 백금이나 팔라듐계 촉매 경화될 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 반고체의 형태로 유연성이 향상된 단열재로 사용될 수 있다. 팽창흑연(300)은 경화수지(400) 100 중량부에 대하여 50~150 중량부를 포함할 수 있다. 일례로, 경화수지(400)는 유기실록산으로 구성되는 고분자 그물망으로 구성되고 다공성 구조를 포함하여 단열성능이 증대될 수 있다.

경화수지(400)는 발포제 및 단열 기능의 팽창 중공체를 더 포함할 수 있다. 팽창 중공체는 열가소성 입자로 고분자 쉘이 가스를 둘러싼 형태로 가열 시 팽창될 수 있다. 팽창 중공체는 경화수지(400) 100 중량부 대비 50~200 중량부를 포함할 수 있다. 경화수지(400)와 함께 혼합되어 단열재의 밀도를 감소시킬 수 있고 단열성을 향상시킬 수 있다.

에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 경화수지(400)에 에어로겔(200)이 삽입(투입)된 팽창흑연(300)을 포함하여 -60~400 ℃의 열안정성을 가질 수 있고, 에어로겔(200)과 팽창흑연(300)의 삽입량에 따라 0.02 이상 0.035 W/mK 이하의 열전도율을 가질 수 있다.

팽창흑연(300)은 다양한 종류의 액상 및 고상에도 잘 혼합될 수 있다. 따라서 에어로겔(200)이 충분히 삽입된 팽창흑연(300)은 다양한 단열 재료와 혼합하여 사용할 수 있다. 혼합하여 사용할 수 있는 단열 재료는 망상 유/무기 고체(Polyisocyanurate, Polyurethane, Styrofoam, Mineral wool, Melamine Foam, Glass Wool, E-Glass 등), 망상 유/무기 섬유, 액상 고무, 플라스틱, 페인트, 유/무기 분말, 유/무기 발포체(Foam) 및 중공구(Hollow Sphere)등을 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)에 있어서 층간 간격이 조절되는 팽창흑연(300)과 팽창흑연(300)의 층간에 삽입된 에어로겔(200)을 확인하기 위한 전자현미경(SEM) 사진이다.

도 4의 (a)는 가열 전의 팽창흑연(300)을 나타낸 사진이다. 가열 전의 팽창흑연(300)은 대체로 평평하며 단면을 보았을 때도 층이 거의 생기지 않음을 확인 할 수 있다.

도 4의 (b)는 섭씨 300도 가열 후의 팽창흑연(300)을 나타낸 사진이다. 가열 후의 팽창흑연(300)은 가열 전과 달리 층 간격이 넓게 이격되어 공간이 형성됨을 알 수 있다.

도 4의 (c)는 에어로겔(200)이 삽입(투입)된 팽창흑연(300)을 나타낸 사진이다. 팽창흑연(300) 층 간격 사이에 삽입된 에어로겔(200)을 확인할 수 있다.

본 발명의 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 열을 가하면 부피가 팽창되는 팽창흑연(300)을 이용하여 제조할 수 있다. 팽창흑연(300)의 팽창되는 정도에 따라 흑연의 층간 거리가 변동될 수 있고 층간 거리가 증가될 경우 다량의 에어로겔(200)이 층간 공간에 삽입될 수 있다. 확대된 층간 거리를 다시 축소시켜 에어로겔(200)이 유실 및 이탈되지 않도록 차단할 수 있다. 따라서, 층간 간격을 조절할 수 있는 팽창흑연(300)을 사용하여 에어로겔(200)의 삽입량 및 교반성을 향상시켜 낮은 열전도도를 가지는 고유연성, 경량화의 종래보다 두께가 얇은 단열재를 제공할 수 있다.

다음은 실시예로서 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시일 뿐 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

표1

항목	실시예1	실시예2	실시예3	비교예
밀도 (g/cm3)	0.008	0.007	0.005	0.1
열전도도 (W/mK)	0.030	0.027	0.025	0.038
에어로겔이 삽입된 팽창흑연의 함량(wt%)	60	65	75	40

(실시예 1)

일례로, 실리콘 수지 내 에어로겔이 삽입된 팽창흑연의 함량은 60wt%를 포함하여 제조되었다. 제조된 에어로겔 기반의 유연 단열재에 대한 물성 결과는 표1에 나타내었다.

(실시예 2)

실시예1과 동일한 방법으로 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제조하되, 실리콘 수지 내 에어로겔이 삽입된 팽창흑연의 함량은 65wt%를 포함하여 제조되었다. 제조된 에어로겔 기반의 유연 단열재에 대한 물성 결과는 표1에 나타내었다.

(실시예 3)

실시예1과 동일한 방법으로 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제조하되, 실리콘 수지 내 에어로겔이 삽입된 팽창흑연의 함량은 75wt%를 포함하여 제조되었다. 제조된 에어로겔 기반의 유연 단열재에 대한 물성 결과는 표1에 나타내었다.

(비교예 1)

실시예1과 동일한 방법으로 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제조하되, 실리콘 수지 내 에어로겔이 삽입된 팽창흑연의 함량은 40wt%를 포함하여 제조되었다. 제조된 에어로겔 기반의 유연 단열재에 대한 물성 결과는 표1에 나타내었다.

표1에서와 같이, 본 발명의 에어로겔 기반의 유연 단열재(100)는 0.020~0.030 Ｗ/ｍ·Ｋ의 열전도도를 구비하고 있어 산업용 단열재로 적용이 가능함을 알 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 에어로겔 기반의 유연 단열재 200: 에어로겔
300: 팽창흑연 400: 경화수지

Claims (9)

1. 에어로겔;
   물리적 및 화학적 방법들 중 적어도 하나를 통해 층간 간격이 조절되고 상기 층간 내부에 상기 에어로겔이 삽입되는 팽창흑연; 및
   상기 팽창흑연과 혼합된 경화수지를 포함하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
2. 제1항에 있어서, 상기 팽창흑연은
   상기 경화수지 100 중량부에 대하여 50~150 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 팽창흑연에 물리적으로 교반되는 팽창 중공체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
4. 제1항에 있어서, 상기 팽창흑연은
   영하 110℃ 이하로 냉각시켜 층간 간격이 확대되고, 상기 에어로겔의 삽입 결합 후에 온도를 영상 5℃ 이상으로 높여 층간 간격이 축소되는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
5. 제1항에 있어서, 상기 에어로겔은
   대전 효과에 의한 극성을 이용하여 상기 팽창흑연의 층간 내부에 함량이 조절 삽입되는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
6. 제1항에 있어서, 상기 팽창흑연은
   망상 유/무기 고체(Polyisocyanurate, Polyurethane, Styrofoam, Mineral wool, Melamine Foam, Glass Wool, E-Glass 등), 망상 유/무기 섬유, 액상 고무, 플라스틱, 페인트, 유/무기 분말, 유/무기 발포체(Foam) 및 중공구(Hollow Sphere) 중 적어도 하나를 포함하는 단열 재료와 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
7. (a) 특정 온도로 팽창흑연을 가열하는 단계;
   (b) 상기 팽창흑연의 표면에 기능기를 형성하도록 상기 가열된 팽창흑연을 표면 개질하는 단계;
   (c) 상기 표면 개질된 팽창흑연의 내부에 가수분해된 졸을 침투시켜 에어로겔을 형성하는 단계; 및
   (d) 상기 에어로겔이 삽입된 팽창흑연을 경화수지와 교반하는 단계를 포함하는 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 (b) 단계는
   상기 팽창흑연을 과망간산칼륨과 황산의 혼합물에 의해 생성된 Mn₂O₇ 산화제로 산화시켜 상기 팽창흑연을 표면 개질하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 (c) 단계는
   상기 에어로겔을 NH₃ 도핑하여 상기 팽창흑연의 내부에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법.

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