KR20220026289A - 진공단열재용 심재 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열압착 없이 제조가 가능하여, 생산성이 향상되고 열에너지 비용 및 제조비용 절감이 가능한, 종래 글라스울계 심재 대비 효과적으로 감소된 두께를 갖는 진공단열재용 심재 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

진공단열재용 심재 및 이의 제조방법{CORE MATERIAL FOR VACUUM INSULATION PANEL AND PREPARING METHOD THEREOF}

본 발명은 두께가 효과적으로 감소된 진공단열재용 심재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

진공단열재(Vacuum Insulation Panel)는 단열재 내부를 진공 처리함으로써 단열재 내부의 대류 현상을 차단시켜 기존 유/무기 단열재 대비 우수한 단열성능을 나타내도록 하는 소재이다. 진공단열재는 크게 심재(core material), 상기 심재를 감싸는 봉지 부재(sealing member) 및 상기 봉지 부재 내부로 유입되는 가스 성분을 제거하기 위한 가스 흡착제(getter)로 이루어진다.

일반적으로 진공단열재는 가스 배리어성이 우수한 복합 플라스틱 라미네이트 필름으로 이루어지는 봉지 부재에 심재로서 연속 기포 경질 플라스틱 발포체나 무기물 등을 수납하고 내부를 감압한 후, 둘레 가장자리의 필름 간 적층된 부분을 열로 봉인하여 봉지 부재 내부를 진공상태로 유지하는 방식으로 제조된다. 상기 진공단열재의 심재로는 글라스울(Glass wool) 등의 무기 섬유, 다공성 물질인 흄드 실리카(Fumed silica), 유기 발포체 등이 사용되고 있다.

글라스울은 오픈 셀(open cell) 구조로 인해 우수한 열전도성을 확보할 수 있기 때문에, 진공단열재의 심재 소재로 보편적으로 사용되고 있다. 그러나, 글라스울을 이용하는 진공단열재용 심재는 글라스울의 큰 부피로 인해 제조공정상 작업성 저하가 초래될 뿐만 아니라, 증가된 부피만큼 봉지 부재의 면적이 늘어나게 되어 제조원가가 상승하는 문제가 동반된다.

상기 문제를 해결하기 위하여, 유기 바인더(organic binder)를 첨가하는 방법이 제안되었으나, 유기 바인더는 감압 후 내부 압력 차에 의한 유기물의 기체 확산에 의해 장기 내구성에 악영향을 주는 가스를 발생시키기 때문에, 장기적 열전도성이 저하될 수 밖에 없다. 한편, 글라스울을 이용한 진공단열재용 심재의 부피를 감소시키기 위해 심재에 압력을 가하여 두께를 감소시키는 방법이 사용되기도 한다. 일례로, 공개특허 제10-2013-0133984호는 바인더를 매개로 결합된 유리섬유를 열압착하여 진공단열재용 심재를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 제조 방법에 따르면 400 내지 1,000 ℃의 고온에서 압착이 진행되기 때문에, 고온 분위기에 의한 설비 마모 및 그에 따른 유지 보수비용이 많이 발생되며, 특히 설비 부동으로 인한 생산성 저하 문제가 초래된다.

본 발명은 종래 글라스울계 심재 대비 효과적으로 감소된 두께를 갖는 진공단열재용 심재 및 이의 제조방법을 제공한다. 특히, 열압착 없이 제조가 가능하여, 생산성이 향상되고 열에너지 비용 및 제조비용 절감이 가능한 진공단열재용 심재 및 이의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 유리 섬유에 물유리를 가하여 유리 섬유 집합체를 형성하는 단계 및 상기 유리 섬유 집합체를 적층한 후 가압 하에 이산화탄소(CO₂)로 퍼징하는 단계를 포함하는 진공단열재용 심재의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 진공단열재용 심재를 제공한다.

본 발명에 따르면, 열압착 단계 없이 진공단열재용 심재의 제조가 가능하고, 그 결과 생산성이 향상되고 열에너지 비용 및 제조비용이 절감된다. 특히, 열원이 필요하지 않아 열처리 설비의 피로 마모도가 낮아질 뿐만 아니라, 과부하에 의한 설비 부동이 제거되어 생산성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 그러나, 하기 내용에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 구성요소가 다양하게 변형되거나 선택적으로 혼용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

<진공단열재용 심재의 제조방법>

본 발명에 따른 진공단열재용 심재의 제조방법은 유리 섬유에 물유리를 가하여 유리 섬유 집합체를 형성하는 단계 및 상기 유리 섬유 집합체를 적층한 후 가압 하에 이산화탄소(CO₂)로 퍼징하는 단계를 포함한다.

유리 섬유 집합체 형성

본 발명의 진공단열재용 심재는 유리 섬유와 물유리를 포함하고, 무기 바인더인 물유리에 의해 유리 섬유의 조직이 결합된 형태이다. 본 발명에 따른 심재는 무기계 소재로 구성되어, 유기물 사용 시 초래되는 가스 발생을 근본적으로 방지하여 우수한 열전도성 및 장기 내구성을 발휘할 수 있다.

유리 섬유로는 해당 기술분야에 공지된 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 유리 섬유로 SiO₂ 함량이 70% 이상, 예를 들어 70 내지 80%인 것을 사용할 수 있다. 상기 유리 섬유의 SiO₂ 함량이 70% 미만인 경우, 원가가 저렴한 SiO₂를 대체하여 다른 재료를 투입하여야 하므로 원재료비 상승으로 인한 제조 단가가 상승하는 문제점이 있고, 80%를 초과하는 경우, 용융 온도가 상승함에 따라 에너지 사용량이 증가하고, 가는 섬유의 제조가 어려워지므로 제조된 유리 섬유의 열전도도가 저하될 수 있다.

상기 유리 섬유의 섬유경은 4.5 ㎛ 이하, 예를 들어 4.0 내지 4.5 ㎛일 수 있다. 유리 섬유의 섬유경이 4.0 ㎛ 미만인 경우 제조 비용이 상승될 수 있고, 4.5 ㎛를 초과하는 경우 매끄러운 외관 및 충분한 인장강도를 갖는 심재를 제조하기 어려울 수 있다. 상기 유리 섬유의 길이는 1 내지 35 mm, 예를 들어 10 내지 35 mm, 다른 예로 20 내지 30 mm일 수 있다. 유리 섬유의 길이가 1 mm 미만일 경우 결합력이 부족할 수 있고, 35 mm를 초과하는 경우 섬유끼리 엉켜 심재의 물성을 저해시킬 수 있다.

물유리(Na₂O·SiO₂·H₂O)로는 해당 기술분야에 공지된 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 고형분 함량이 20 내지 40%, 다른 예로 25 내지 35%인 것을 사용할 수 있다. 고형분 함량이 20% 미만이면 바인더의 유동성이 향상되나 수분함량이 많아져 건조 에너지 비용이 과도하게 상승할 수 있고, 40%를 초과할 경우 유동성이 낮아져 배관 막힘 등 취급성 저하 문제가 발생될 수 있다.

일례로, 상기 물유리는 30 내지 70 중량%, 예를 들어 40 내지 60 중량%의 SiO₂ 및 10 내지 50 중량%, 예를 들어 20 내지 30 중량%의 Na₂O를 포함할 수 있다. 상기 물유리에서 SiO₂ 및 Na₂O의 몰비는 1.5 내지 3 : 1, 예를 들어 2 내지 2.5 : 1일 수 있다. 통상 물유리의 몰비는 SiO₂ / Na₂O x 1.4로 계산되며, 몰비가 낮을수록 결합 강도가 강하고 가사시간(경화시간)이 지연되는 특성이 있다. 반면 몰비가 높을수록 결합 강도가 낮고 가사시간(경화시간)이 빠른 특성이 있다. 상기 특성에 의해 물유리의 SiO₂몰비가 1.5 미만인 경우 경화 시간이 지연되어 CO₂ 퍼징 시간이 증가하며 물유리의 보관 안정성이 저하될 수 있다. 반면 3을 초과하는 경우 경화 시간이 짧아져 CO₂ 퍼징 전 경화되어 결합력이 상실될 수 있다.

상기 물유리의 함량은 상기 유리 섬유의 중량 대비 20 내지 40 중량%, 예를 들어 25 내지 35 중량%일 수 있다. 물유리의 함량이 유리 섬유의 중량 대비 20 중량% 미만인 경우 바인더로서의 물유리 함량이 부족하여 접착성이 저하되거나 유리 섬유와의 결합력이 줄어들어 심재의 수축 두께 저감 효과가 떨어질 수 있으며, 40 중량%를 초과하는 경우 유리 섬유와 과량의 물유리가 결합하여 오픈 셀(open cell)이 감소되고, 그 결과 열전도도가 상승할 수 있다.

상기 유리 섬유에 물유리를 가하여 유리 섬유 집합체를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 물유리에 유리 섬유를 함침시키는 방법을 사용할 수 있고, 다른 예로 유리 섬유에 물유리를 분사하는 방법을 사용할 수 있다. 물유리에 유리 섬유를 함침시키는 방법을 사용할 경우 안정적인 결합을 형성할 수 있다. 다만, 수분 증가로 인하여 건조 에너지 비용이 상승할 수 있다. 한편, 유리 섬유에 물유리를 분사하는 방법은 물유리에 유리 섬유를 함침시키는 방법 대비 부적절한 접착성을 일으키는 빠른 경화 현상(Precure)이 발생할 수 있어 상대적으로 불안정한 결합이 형성될 가능성이 있으나, 수분 최소화로 건조 에너지 비용을 절감할 수 있다. 따라서, 제조 목적 및 제조 환경 등에 따라 상기 방법 중 하나를 선택적으로 사용할 수 있으며, 에너지 절감 및 제조 원가 절감이 중요한 경우에는 유리 섬유에 물유리를 분사하는 방법이 바람직할 수 있다.

이산화탄소(CO ₂ ) 퍼징

상기의 방법으로 제조된 유리 섬유 집합체를 적층한 후, 가압 하에 이산화탄소로 퍼징하여 물유리를 경화시킨다. 하기 반응식 1과 같이, 물유리 내부의 산화나트륨이 이산화탄소와 결합하여 탄산나트륨을 형성함으로써, 유리 섬유간 결합력이 유지된다. 따라서, 외부로부터 열에너지가 가해지지 않더라도 물유리가 경화되어 경질 심재가 형성될 수 있다.

[반응식 1]

Na₂O·nSiO₂·xH₂O + CO₂ → Na₂CO₃ + nSiO₂ + nH₂O

이산화탄소로 퍼징하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 99%의 이산화탄소 가스를 0.6 Mpa x 3min 속도로 주입하여 퍼징할 수 있다. 예를 들어, 소정의 두께로 적층된 유리 섬유 집합체를 연속식 벨트를 사용하여 이송하면서, 이산화탄소로 퍼징하는 동시에 20 내지 50 kgf의 압력을 3 내지 7분 동안 가하여 심재를 성형할 수 있다. 가압은 다양한 형상의 틀을 사용하여 행해질 수 있고, 사용된 틀의 형상에 따라 다양한 형상의 심재가 성형될 수 있다.

이산화탄소로 퍼징하는 단계는 20 내지 30 ℃에서 수행될 수 있다. 20 ℃ 미만의 온도에서 퍼징할 경우 탄산나트륨 생성이 지연될 수 있고, 30 ℃를 초과하는 온도에서 퍼징할 경우 온도 상승에 따라 이산화탄소 기체의 손실이 발생할 수 있다.

이산화탄소 퍼징 후, 심재 내 잔류하는 수분을 제거하기 위해 건조 단계를 추가로 수행할 수 있다. 건조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 열풍 건조, 마이크로웨이브 파장을 이용한 건조 방법 등을 사용할 수 있다. 건조 온도는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 200 내지 300 ℃에서 수행될 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 심재의 밀도는 100 내지 300 kg/m³, 예를 들어 150 내지 250 kg/m³일 수 있다. 심재의 밀도가 100 kg/m³ 미만일 경우 충분한 단열 성능의 확보가 어렵고, 300 kg/m³를 초과하는 경우 취급이 용이하지 않고 진공 단열재의 굽힘성 등이 저하될 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 심재의 열전도도는 2.5 내지 4.0 mW/mk일 수 있다. 열전도도가 2.5 mW/mk 미만인 경우 충분한 단열 성능을 확보하지 못할 수 있고, 4.0 mW/mk 초과인 경우 열전도도 상승에 의하여 단열재 두께가 증가할 수 있다.

<진공단열재>

본 발명은 전술한 방법으로 제조된 심재를 구비하는 진공단열재를 제공한다. 본 발명의 진공단열재는 전술한 심재 및 상기 심재를 둘러싸는 봉지 부재를 포함한다. 봉지 부재로는 해당 기술분야에 공지된 외피재를 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 봉지 부재는 배리어층, 금속증착층 및 실링층이 적층된 3층 구조의 적층 필름일 수 있다.

배리어층은 내부 진공도 유지 및 외부의 가스 또는 수분 등의 유입을 차단하는 역할을 한다. 상기 배리어층은 적어도 하나 이상의 층으로 구성될 수 있으며, 각 층은 폴리프로필렌, 이축 연신 폴리프로필렌, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아미드-6(나일론), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리-4-메틸-1-펜텐, 폴리부틸렌, 폴리펜타디엔, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌 공중합체 및 에틸렌-부텐-프로필렌터폴리머 중에서 선택된 적어도 하나의 수지 필름일 수 있다.

금속증착층은 배리어층의 상부에 형성되며 배리어 성능을 향상시킬 수 있다. 상기 금속증착층은 수지 기재와 상기 수지 기재상에 형성된 금속박 또는 금속산화물을 포함할 수 있다.

상기 수지 기재의 성분은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 폴리프로필렌, 이축 연신 폴리프로필렌, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아미드-6(나일론), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리-4-메틸-1-펜텐, 폴리부틸렌, 폴리펜타디엔, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-부텐-프로필렌터폴리머 또는 이들의 조합 등을 포함할 수 있다.

상기 금속박은 알루미늄을 비롯하여 구리, 금, 은, 니켈, 티탄, 지르코늄, 규소, 인듐, 탄소, 코발트 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있으며, 일례로 배리어성이 우수한 알루미늄 호일을 포함할 수 있다. 상기 금속산화물로는 당 분야에 공지된 금속산화물을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 Zn계 산화물, Sn계 산화물, In계 산화물, Si계 산화물 또는 Al계 산화물일 수 있다.

일례로, 상기 금속증착층은 알루미늄 금속, 알루미늄 산화물 및 실리콘 산화물 중 적어도 어느 하나가 증착된 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름일 수 있다.

실링층은 배리어층 하부에 접착되며, 진공단열재의 심재 표면에 밀착될 수 있다. 상기 실링층은 히트 실링(heat sealing)에 의해서 서로 열융착되는 층으로서 진공 상태를 유지시킬 수 있도록 한다. 상기 실링층의 성분으로는 열융착이 쉽게 이루어질 수 있는 수지, 예컨대 열가소성 수지를 사용하는 것이 적절하다. 사용 가능한 실링층의 성분은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 미연신 폴리프로필렌(CPP), 연신 폴리프로필렌(OPP), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리염화비닐(PVC), 에틸렌-아세트산비닐공중합체(EVA), 에틸렌-비닐알코올 공중합체(EVOH) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에서 봉지 부재는 상기 배리어층 및 상기 금속증착층 사이에 보호층을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 봉지 부재는 상기 금속증착층 및 상기 배리어층 사이, 상기 배리어층 및 상기 실링층 사이에 접착제층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 외피재는 상부에 난연 코팅을 더 형성하여 우수한 난연성을 구현할 수 있다.

상기 봉지 부재는 2매의 외피재의 실링층을 마주보도록 서로 겹치고, 그 가장자리를 가압 및 가열하여 2매의 적층 필름이 열용착되어 밀봉됨으로써, 개구부를 갖는 봉지 형상으로 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 제조방법에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 진공단열재는 게터(getter)를 더 포함할 수 있다. 게터는 외부의 온도 변화에 의해서 봉지 부재 내부에서 가스 및 수분이 발생하는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 게터는 봉지 부재 내부에서 발생하는 가스 및 수분을 효과적으로 흡수할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 해당 기술분야의 공지된 가스 흡착제를 사용할 수 있다. 일례로, CaO(생석회), 금속 분말, 금속산화물, 생석회와 금속산화물의 혼합물, 실리카 겔, 제올라이트, 활성탄 또는 이들의 혼합 형태를 사용할 수 있다.

상기 게터가 배치되는 위치는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 진공단열재용 심재와 봉지 부재의 사이에 배치되거나, 심재의 표면에 부착되거나, 또는 심재의 내부에 매립된 형태일 수도 있다.

본 발명의 진공단열재는 장기 내구성을 가지므로 냉장고용은 물론 높은 신뢰성을 요구하는 건축용 진공 단열재로도 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 진공단열재는 지붕, 천장, 벽, 마루 등의 단열 시공을 위한 건축재로 사용되어 고효율의 단열 성능을 제공하여 에너지 소비를 최소화할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1-3]

섬유경이 4 내지 5㎛이고 135 kg/m³의 밀도를 가지는 유리 섬유에, SiO₂ 50.2 중량부 및 Na₂O 23.5 중량부를 포함하는 물유리(SiO₂/Na₂O 몰비 2.2, 고형분 30%)를 바인더 분사 노즐을 통해 분사하였다. 물유리의 함량 및 열처리 조건은 표 1에 따라 실시하였다. 물유리가 분사된 유리 섬유를 연속식 컨베이어 벨트에 로딩하고, 이송하면서 99%의 이산화탄소 가스를 0.6 Mpa x 3min 속도로 주입하여 퍼징하는 동시에, 판 형상의 틀을 사용하여 20 kgf의 압력을 가하는 가압 성형을 실시한 후 건조하여, 실시예 1-3의 심재를 제조하였다.

[비교예 1-7]

유리 섬유 함량 대비 물유리의 함량, 주입된 이산화탄소의 농도, 열처리 조건을 표 1과 같이 각각 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 비교예 1-7의 심재를 제조하였다.

[실험예]

각 실시예 및 비교예에서 각각 제작된 심재의 물성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 열전도도는 KS L 9016에 따라 평균 온도 20±5℃에서 열전도율 측정기(Netzsch 社, 436/1)을 사용하여 측정하였다.

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1-3의 심재는 고온에서의 열처리 없이도 부피가 현저히 감소된 동시에, 우수한 열전도도 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 열처리에 따른 체인의 피로 마모가 적게 발생하는 결과, 체인 교체 주기가 길게 나타났다.

비교예 1-3은 사용된 물유리의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나는 예이다. 특히, 비교예 1, 2는 물유리가 본 발명의 범위 미만의 양으로 사용된 예로, 접착성이 저하되어 심재의 두께 저감 효과가 저하되었고, 비교예 3은 물유리가 본 발명의 범위를 초과하는 양으로 사용된 것으로, 열전도도가 상승하였다.

비교예 4-7은 이산화탄소로 퍼징하는 단계를 수행하지 않은 예이다. 특히, 비교예 4는 고온에서의 열처리도 수행하지 않은 예로, 심재의 두께 저감 효과가 저하되었고 열전도도도 높게 나타났다. 비교예 5-7은 이산화탄소로 퍼징하는 단계를 수행하지 않은 대신, 가압 시 고온의 열을 가하는 종래의 방법에 따른 것으로, 심재의 두께 저감 효과는 달성하나, 고온의 열처리에 따른 체인의 피로 마모도가 증가한 결과, 체인 교체 주기가 짧게 나타났다.

Claims (7)

1. 유리 섬유에 물유리를 가하여 유리 섬유 집합체를 형성하는 단계 및 상기 유리 섬유 집합체를 적층한 후 가압 하에 이산화탄소(CO₂)로 퍼징하는 단계를 포함하고,
   상기 물유리가 고형분 함량이 20 내지 40 중량%이고,
   상기 물유리가 상기 유리 섬유의 중량 대비 20 내지 40 중량%로 사용되는 진공단열재용 심재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 99%의 이산화탄소 가스로 퍼징하는 진공단열재용 심재의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 이산화탄소로 퍼징하는 단계가 20 내지 30℃에서 수행되는 진공단열재용 심재의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 유리 섬유가 SiO₂ 함량이 70% 이상이고, 섬유경이 4.5 ㎛ 이하이고, 길이가 1 내지 35 mm인 것인 진공단열재용 심재의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 물유리가 SiO₂ 및 Na₂O의 몰비가 1.5 내지 3 : 1인 것인 진공단열재용 심재의 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 진공단열재용 심재로서, 밀도가 100 내지 300 kg/m³이고, 열전도도가 2.5 내지 4.0 mW/mk인 진공단열재용 심재.
7. 제6항에 기재된 진공단열재용 심재 및 상기 심재를 둘러싸는 봉지 부재를 포함하는 진공단열재.