KR20200129925A - 에어로겔 기반의 유연 단열재 및 제조 방법 - Google Patents

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KR20200129925A KR1020190055059A KR20190055059A KR20200129925A KR 20200129925 A KR20200129925 A KR 20200129925A KR 1020190055059 A KR1020190055059 A KR 1020190055059A KR 20190055059 A KR20190055059 A KR 20190055059A KR 20200129925 A KR20200129925 A KR 20200129925A
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박형호
이규연
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Abstract

본 발명은 에어로겔 기반의 유연 단열재에 관한 것으로 더욱 상세하게는 에어로겔, 상기 에어로겔과 화학적으로 결합되는 열팽창 마이크로스피어 및 상기 마이크로스피어와 혼합된 경화수지를 포함함으로써 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, 에어로겔과 화학적으로 결합되는 열팽창 마이크로스피어를 포함한 단열재로 에어로겔의 기공특성을 보존하여 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 기공률 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 최소화하여 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 마이크로스피어와 에어로겔이 물리적으로 교반하거나 혼합하여 혼합물 내에서 마이크로스피어 또는 에어로겔이 독립적으로 존재하여 균일한 조성의 구현이 어렵고, 에어로겔 기반의 유연 단열재의 기계적 강도와 열전도도를 낮추는데 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 종래의 기술적 과제를 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 에어로겔과 화학적으로 결합하는 마이크로스피어를 포함하는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 에어로겔이 마이크로스피어 사이 공간을 채워 낮은 열전도도를 가지는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 경화수지가 에어로겔 내부 기공으로 흡수되지 않도록 휘발성 용매를 이용하여 에어로겔 기공특성을 보존하는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 에어로겔과 마이크로스피어의 화학적 결합을 통해 에어로겔의 낮은 기계적 강도를 개선하는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 마이크로스피어와 에어로겔의 화학적 반응을 통한 결합으로 단열재 내 에어로겔 함유량을 조절할 수 있는 에어로겔 기반의 유연 단열재를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 에어로겔 기반의 유연 단열재는 에어로겔, 상기 에어로겔과 화학적으로 혼성화되는 열팽창 마이크로스피어 및 상기 마이크로스피어와 혼합된 경화수지를 포함할 수 있다.
상기 마이크로스피어는 표면에 술폰화 반응(sulfornation)을 통해 히드록시기(-OH)를 형성할 수 있다.
상기 마이크로스피어는 상기 표면에 형성된 히드록시기(-OH)와 가수분해 된 실리카 졸과 중합되어 에어로겔과 혼성할 수 있다.
상기 상기 에어로겔은 내부에 친수성을 가지는 알코올을 흡수시켜 상기 경화수지와 혼합될 수 있다.
상기 마이크로스피어는 상기 경화수지 100 중량부에 대하여 50~150 중량부를 포함할 수 있다.
실시예들 중에서, 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법은 (a) 마이크로스피어를 표면 개질하는 단계; (b) 상기 표면 개질된 마이크로스피어와 가수분해된 실리카 졸을 침투시켜 에어로겔을 형성하는 단계; (c) 상기 에어로겔이 혼성화된 마이크로스피어를 경화수지와 혼합하여 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계는 상기 마이크로스피어를 황산으로 산화시켜 상기 마이크로스피어에 히드록시기(-OH)를 형성하도록 술폰화 과정을 통해 표면 개질하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계는 상기 졸이 가수분해되어 형성된 히드록시기와 상기 표면 개질된 마이크로스피어와 축합중합 반응(condensation) 단계를 포함할 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 에어로겔 내부에 친수성을 갖는 알코올을 침투시키는 단계를 더 포함하고, 상기 에어로겔이 혼성화된 마이크로스피어는 상기 경화수지와 0.5~1.5 : 1의 비율로 혼합하여 경화하는 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 에어로겔과 화학적으로 결합하는 마이크로스피어를 포함하여 에어로겔의 유실 및 이탈이 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 에어로겔이 마이크로스피어 사이 공간을 채워 낮은 열전도도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 경화수지가 에어로겔 내부 기공으로 흡수되지 않도록 휘발성 용매를 이용하여 에어로겔 기공특성을 보존할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 에어로겔과 마이크로스피어의 화학적 결합을 통해 에어로겔의 낮은 기계적 강도를 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재는 마이크로스피어와 에어로겔의 화학적 반응을 통한 결합으로 단열재 내 에어로겔 함유량을 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 술폰화된 마이크로스피어와 (b) 에어로겔과 마이크로스피어의 화학적 결합 반응과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재에 있어서 경화수지가 에어로겔 내부 기공으로 흡수되지 않도록 에어로겔 내부에 친수성을 가지는 알코올을 흡수시켜 경화수지와 혼합되는 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 술폰화된 마이크로스피어와 (b) 에어로겔이 결합된 마이크로스피어의 푸리에 변환 적외선 분광(FT-IR) 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
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 불용의 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.
“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 단열재의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타내는 도면이다.
에어로겔 기반의 유연 단열재는 에어로겔, 에어로겔이 화학적 결합되는 마이크로스피어 및 마이크로스피어와 혼합된 경화수지를 포함할 수 있다.
에어로겔은 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. 또한, 에어로겔 자체로는 고 기공성 구조로 인해 기계적 강도가 낮아 단열재료 내에서 붕괴될 수 있다.
본 발명의 에어로겔 기반의 유연 단열재는 이러한 문제를 극복하기 위해, 에어로겔과 화학적 결합되는 열팽창성 마이크로스피어를 포함한다.
본 발명의 에어로겔 기반의 유연 단열재는 시중에 판매되는 Expancel, 팽창가능한 열가소성 마이크로스피어를 사용할 수 있다.
마이크로스피어는 열가소성 수지로 형성된 외피 내에 가스화 또는 가스의 발생이 가능한 발포제가 봉입된 열팽창성 마이크로 캡슐이다. 마이크로스피어는 가열되면 열가소성 수지가 연화되고 발포제의 기화가 내부 압력을 증가시켜 결국 발포 전 보다 직경 4~5 배, 체적 50~100 배로 팽창하는 평균 입경 10~30㎛를 가진다. 마이크로스피어는 80~190 ℃ (175~375℉) 범위의 팽창 온도를 가질 수 있다.
마이크로스피어는 발포제로 사용되는 액화탄화수소가 3~7 ㎛ 정도의 두께로 두툼한 두께의 껍질 안에 포함된다. 마이크로스피어의 쉘(shell)은 두께가 두껍기 때문에 300 ㎏f/㎠의 압력에도 견딜 수 있으며 고속회전 날의 파괴력에도 저항력을 가지고 있다.
마이크로스피어는 난연제 및 단열재 이외에도 다공성 구조로 인해 흡착제로 사용될 수 있다. 마이크로스피어는 기계적 강도가 높고 연소점이 높아 초임계 건조와 같은 극한 공정을 견딜 수 있어 실리카 에어로겔 공정을 함께 수행할 수 있다.
마이크로스피어는 용제에 대한 화학적 저항성(chemical resistance)이 우수하여 장기간 보관 중에도 팽창제의 변형이나 부정적 요인 없이 용매를 포함한 다양한 화학제와 반응할 수 있으므로 화학적 방법을 통해 에어로겔과 결합될 수 있다. 또한, 마이크로스피어는 소량의 물질을 투여함으로써 표면을 쉽게 개질할 수 있다.
마이크로스피어는 밀도를 900 에서 450 kg/m3으로 줄일 수 있고, 1에서 1.5 mm(0.4 에서 0.6 in)의 코팅일 경우 0.07 W/mK의 열전도도를 가질 수 있다.
도 1의 SEM 이미지를 통해 에어로겔 기반의 유연 단열재는 구형의 마이크로스피어와 단열섬유 구조 그리고, 혼성화된 고형의 에어로겔 구조를 포함함을 확인할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 술폰화된 마이크로스피어와 (b) 에어로겔과 마이크로스피어의 화학적 결합 반응과정을 나타내는 도면이다.
마이크로스피어는 황산(H2SO4)을 이용하여 마이크로스피어를 표면 산처리하여 반응성이 좋은 히드록시기(-OH)를 형성할 수 있도록 술폰화(sulfornaton)할 수 있다. 마이크로스피어는 단위질량에 대해 약 0.1~35%, 바람직하게는 0.3%~15%의 술폰화도를 가진다.
술폰화된 마이크로스피어는 가수분해된 금속 산화물 졸(sol)과 축합중합 반응을 할 수 있다. 금속 산화물 졸은 히드록시기를 포함하므로 축합중합 반응을 통해 물질 간 화학결합을 형성할 수 있고, 건조법을 이용하여 에어로겔을 형성할 수 있다.
금속 산화물은 실리카를 사용할 수 있고 그 외 지르코니아, 타이타니아, 마그네슘 등이 사용될 수 있다.
구조 지지체인 마이크로스피어는 에어로겔과 화학적인 결합을 통해 마이크로스피어에 부착되어 단열재 사용 중 유실되거나 이탈되는 문제를 방지할 수 있고 단열성능이 유지될 수 있다.
에어로겔은 마이크로스피어에 부착되어 마이크로스피어 입자 사이의 공간을 채울 수 있으므로 단열성능이 향상될 수 있다. 또한, 에어로겔은 마이크로스피어와 화학적 결합을 통해 안정화되며 에어로겔의 낮은 기계적 강도를 개선할 수 있다.
에어로겔은 마이크로스피어 100 중량부에 대하여 5~50 중량부를 포함할 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재는 에어로겔이 마이크로스피어 표면에 화학적 반응을 통해 결합되는 것으로 에어로겔을 원하는 만큼 부착시킬 수 있고, 단열재 내 에어로겔 함유량을 자유롭게 조절할 수 있다.
에어로겔이 결합된 마이크로스피어는 기존 단열재와 잘 혼합되어 교반성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 마이크로스피어는 에어로겔을 단열재료에 삽입할 시 분진이 발생하거나, 단열재 시공 시나 이후 발생하는 에어로겔 이탈로 인해 단열재 성능이 급격히 저하되는 문제점들을 보완할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재에 있어서 경화수지가 에어로겔 내부 기공으로 흡수되지 않도록 에어로겔 내부에 친수성을 가지는 알코올을 흡수시켜 경화수지와 혼합되는 과정을 설명하는 도면이다.
에어로겔은 에탄올에 투입하면 에탄올을 흡수하고 에탄올을 흡수한 에어로겔을 경화제와 혼합된 실리콘 오일에 투입할 수 있다. 이때 에탄올은 친수성이고 실리콘 오일은 소수성이므로, 친수성인 에탄올의 영향으로 실리콘 오일이 에어로겔에 침투되는 것을 방지할 수 있다.
실리콘 오일에 투입된 에어로겔은 실리콘 오일이 반경화 될 때까지 대기하다가 에탄올이 기화될 수 있는 온도를 가하면 에탄올이 기화되고 에어로겔의 기공구조를 유지할 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재는 경화수지가 에어로겔 내부 기공으로 흡수되지 않도록 휘발성 용매를 이용하여 에어로겔 기공특성을 보존할 수 있다.
경화수지는 발포제의 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.
경화수지는 고온에서 사용 가능하고 내열성이 향상된 단열재의 구조를 형성하는 소재이다. 일례로, 경화수지는 실리콘 오일을 기반으로 제조될 수 있고, 발포제로써 팽창 흑연을 포함할 수 있다. 경화수지는 팽창 흑연을 더 포함하여 단열성이 향상될 수 있다.
경화수지는 섭씨 23도에서 5 ~ 20 MU의 Mooney viscosity ML(1+4)를 가질 수 있다. 경화수지는 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 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로겔 기반의 유연 단열재의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법은 술폰화 반응을 통해 마이크로스피어를 표면 개질하는 단계, 표면 개질된 마이크로스피어와 가수분해된 졸을 침투시켜 에어로겔을 형성하는 단계, 에어로겔 내부에 친수성을 갖는 알코올을 침투시키는 단계 및 에어로겔이 혼성화된 마이크로스피어를 실리콘 수지와 혼합하여 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법은 술폰화 반응을 통해 마이크로스피어의 표면에 기능기를 형성하도록 마이크로스피어를 표면 개질하는 단계를 포함할 수 있다(단계 S1).
마이크로스피어는 표면 개질을 통한 기능기를 형성할 수 있다. 마이크로스피어의 표면 개질은 술폰화 반응으로 황산에 의해 마이크로스피어의 표면을 산처리하여 반응성이 좋은 히드록시기(-OH)의 결합 기능기를 형성할 수 있다. 이러한 기능기는 가수분해된 에어로겔과의 중합 반응을 일으킬 수 있으며, 마이크로스피어와 에어로겔 간에 화학적으로 결합할 수 있다.
마이크로스피어는 단위질량에 대해 약 0.1~35%, 바람직하게는 0.3%~15%의 술폰화도를 가질 수 있다.
에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법은 표면 개질된 마이크로스피어에 가수분해된 졸을 침투시켜 에어로겔을 형성할 수 있다 (단계 S2).
상기 S1 단계에서 마이크로스피어의 표면은 히드록시기(-OH)의 결합 기능기가 형성되어 가수분해된 졸과 화학적 결합을 유도할 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재는 마이크로스피어 표면에 에어로겔이 화학적으로 결합되어 에어로겔의 이탈을 방지하고, 다양한 액상 및 고상 물질과 혼합성이 좋은 마이크로스피어를 사용하여 기존 단열재 내부에 에어로겔의 삽입과 경화수지의 교반성을 향상시킬 수 있다.
에어로겔은 마이크로스피어와 실리카 겔의 초임계. 아임계 및 대기압 상에서 건조되어 형성될 수 있다. 에어로겔은 마이크로스피어 100 중량부에 대하여 5~50 중량부를 포함할 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재는 마이크로스피어 표면에 에어로겔이 결합되는 량을 높여 낮은 열전도도를 가질 수 있다.
에어로겔 기반의 유연 단열재는 마이크로스피어의 표면을 화학적 방법으로 제어함으로써 마이크로스피어 표면에 부착된 에어로겔의 유실이나 이탈을 방지시킬 수 있고, 에어로겔을 필요한 만큼 결합할 수 있어 낮은 열전도도를 확보할 수 있다.
에어로겔 기반의 유연 단열재는 물리적 방법으로도 제조될 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재는 에어로겔 분말을 사용하여 마이크로스피어를 교반기에 혼합하여 제조할 수 있다.
에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법은 에어로겔 내부에 친수성을 갖는 알코올을 침투시키는 단계를 포함할 수 있다 (단계 S3).
에어로겔은 에탄올에 투입하면 에탄올을 흡수하고 에탄올을 흡수한 에어로겔을 경화제와 혼합된 실리콘 오일에 투입할 수 있다. 이때 에탄올은 친수성이고 실리콘 오일은 소수성이므로, 친수성인 에탄올의 영향으로 실리콘 오일이 에어로겔에 침투되는 것을 방지할 수 있다.
실리콘 오일에 투입된 에어로겔은 실리콘 오일이 반경화 될 때까지 대기하다가 에탄올이 기화될 수 있는 온도를 가하면 에탄올이 기화되고 에어로겔의 기공구조를 유지할 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재는 경화수지가 에어로겔 내부 기공으로 흡수되지 않도록 휘발성 용매를 이용하여 에어로겔 기공특성을 보존할 수 있다.
에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법은 에어로겔이 결합된 마이크로스피어를 경화수지와 혼합하여 경화하는 단계를 포함할 수 있다 (단계 S4).
상기 S2 및 S3 단계에서 제조된 에어로겔이 결합된 마이크로스피어는 경화수지와 교반하여 백금이나 팔라듐계 촉매 경화될 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재는 반고체의 형태로 유연성이 향상된 단열재로 사용될 수 있다. 마이크로스피어는 경화수지 100 중량부에 대하여 50~150 중량부를 포함할 수 있다. 일례로, 경화수지는 유기실록산으로 구성되는 고분자 그물망으로 구성되고 다공성 구조를 포함하여 단열성능이 증대될 수 있다.
경화수지는 발포제 및 단열 기능의 팽창 흑연을 더 포함할 수 있다. 팽창 흑연은 평면 육각 구조가 모여 만들어진 탄소 결정의 일종인 흑연(graphite)의 층 사이에 열에 반응하는 층간 화합물을 삽입하여, 열에 의해 부피가 팽창될 수 있다. 팽창 흑연은 경화수지 100 중량부 대비 50~200 중량부를 포함할 수 있다. 경화수지와 함께 혼합되어 단열재의 밀도를 감소시킬 수 있고 단열성을 향상시킬 수 있다.
에어로겔 기반의 유연 단열재는 경화수지에 에어로겔이 결합된 마이크로스피어를 포함하여 -60~400 ℃의 열안정성을 가질 수 있고, 에어로겔과 마이크로스피어의 삽입량에 따라 0.02 이상 0.035 W/mK 이하의 열전도율을 가질 수 있다.
마이크로스피어는 다양한 종류의 액상 및 고상에도 잘 혼합될 수 있다. 따라서 에어로겔이 충분히 결합된 마이크로스피어는 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.
마이크로스피어는 경화수지 100 중량부에 대하여 50~150 중량부를 포함할 수 있고, 마이크로스피어는 에어로겔을 기존 단열재에 혼합할 시 발생될 수 있는 종래 기술의 문제점인 에어로겔의 첨가량 한계, 분진 발생 및 에어로겔 유출들을 보완할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 술폰화된 마이크로스피어와 (b) 에어로겔이 결합된 마이크로스피어의 푸리에 변환 적외선 분광(FT-IR) 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)는 술폰화된 마이크로스피어의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 산처리 전의 마이크로스피어는 2800 cm-1, 2250 cm-1 및 1500~1750 cm-1 의 파장수에서 C-H, C≡N, C=C의 기능기를 포함하였다. 표면 산처리 된 마이크로스피어는 산처리 전의 마이크로스피어에 비해 3250 cm-1에서 새로운 흡수띠가 형성됨을 확인할 수 있다. 이는 마이크로스피어 표면에 -OH 기능기가 형성됨을 의미한다.
도 5의 (b)는 에어로겔이 결합된 마이크로스피어의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 1100 cm-1 와 750 cm-1 흡수띠가 형성됨을 확인할 수 있는데 이는 1100 cm-1 의 파장수는 에어로겔 기능기인 Si-O-Si의 흡수띠로 관찰되고, 750 cm-1 의 파장수는 마이크로스피어와 에어로겔의 결합 기능기는 Si-C의 흡수띠로 관찰되어 마이크로스피어와 에어로겔이 화학적 결합되었음을 의미한다.
본 발명의 에어로겔 기반의 유연 단열재는 주 단열재로 팽창 마이크로스피어를 이용하여 제조할 수 있고, 마이크로스피어는 술폰화 반응을 통해 에어로겔과 화학적 결합되어 마이크로스피어 표면에 에어로겔이 부착될 수 있다. 에어로겔 기반의 유연 단열재는 마이크로스피어 단독으로 사용하는 것보다 에어로겔이 마이크로스피어 사이의 공간을 채워줌으로써 높은 단열 특성을 구현할 수 있다. 또한, 에어로겔은 마이크로스피어 표면에 화학적 결합되어 유실 및 이탈을 차단할 수 있다. 따라서, 에어로겔이 화학적 결합된 마이크로스피어를 사용하여 에어로겔의 삽입량 및 교반성을 향상시켜 낮은 열전도도를 가지는 고유연성, 경량화의 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.
항목 실시예1 실시예2 실시예3 비교예
밀도 (g/cm3) 0.006 0.005 0.003 0.08
열전도도 (W/mK) 0.020 0.017 0.015 0.028
에어로겔이 결합된 마이크로스피어의 함량(wt%) 60 65 75 40
(실시예 1)
일례로, 실리콘 수지 내 에어로겔이 결합된 마이크로스피어의 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 결합된 마이크로스피어의 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 결합된 마이크로스피어의 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 결합된 마이크로스피어의 함량은 40wt%를 포함하여 제조되었다. 제조된 에어로겔 기반의 유연 단열재에 대한 물성 결과는 표1에 나타내었다.
표1에서와 같이, 본 발명의 에어로겔 기반의 유연 단열재는 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.

Claims (9)

  1. 에어로겔;
    상기 에어로겔과 화학적으로 결합되는 열팽창 마이크로스피어; 및
    상기 마이크로스피어와 혼합된 경화수지를 포함하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로스피어는
    표면에 술폰화 반응(sulfornation)을 통해 히드록시기(-OH)를 형성하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 마이크로스피어는
    상기 표면에 형성된 히드록시기(-OH)와 가수분해 된 실리카 졸과 중합되어 에어로겔과 결합되는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에어로겔은
    내부에 친수성을 가지는 알코올을 흡수시켜 상기 경화수지와 혼합될 시 상기 에어로겔의 내부에 실질적으로 상기 경화수지가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 마이크로스피어는
    상기 경화수지 100 중량부에 대하여 50~150 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재.
  6. (a) 마이크로스피어를 표면 개질하는 단계;
    (b) 상기 표면 개질된 마이크로스피어와 가수분해된 실리카 졸을 침투시켜 에어로겔을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 에어로겔이 혼성화된 마이크로스피어를 경화수지와 혼합하여 경화하는 단계를 포함하는 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (a) 단계는
    상기 마이크로스피어를 황산으로 산화시켜 상기 마이크로스피어에 히드록시기(-OH)를 형성하도록 술폰화 과정을 통해 표면 개질하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    상기 졸이 가수분해되어 형성된 히드록시기와 상기 표면 개질된 마이크로스피어와 축합중합 반응(condensation) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 에어로겔 내부에 친수성을 갖는 알코올을 침투시키는 단계를 더 포함하고, 상기 에어로겔이 혼성화된 마이크로스피어는 상기 경화수지와 0.5~1.5 : 1의 비율로 혼합하여 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 기반의 유연 단열재 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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