KR20220120962A - 글라스버블이 합성된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 폴리우레탄 폼의 밀도를 유지하면서 기계적 강도를 향상시키고, 단열성능을 향상시킬 수 있는 글라스버블이 합성된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재는, 글라스버블이 합성된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재는, 이소시아네이트 함유 화합물과 폴리올 함유 화합물과 발포제와 밀도가 0.10~0.13g/cc 인 글라스버블을 포함하는 고분자 혼합물을 발포 성형하여 만들어진 것으로, 상기 글라스버블은 혼합물에 0.3~1.0 wt%로 포함되며, 상기 고분자 혼합물이 보강섬유매트에 함침된 상태로 발포 성형되어 폴리우레탄 폼에 보강섬유매트가 일체로 매설될 수 있다.
Description
본 발명은 폴리우레탄 폼 단열재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이소시아네이트 함유 화합물, 폴리올 함유 화합물, 발포제와 0.10g/cc 내지 0.13g/cc 밀도의 저밀도 글라스버블, 유리섬유매트를 혼합하여 발포 성형함으로써 기계적 강도와 단열 성능이 획기적으로 개선될 수 있고, 이를 통해 종래의 폴리우레탄 폼 단열재 대비 두께를 줄일 수 있어 액화천연가스(LNG)와 같은 극저온 액화가스를 저장하는 저장탱크의 단열시스템에 유리한 효과를 발휘할 수 있는 글라스버블이 합성된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재 및 그 제조방법
최근 환경적 문제로 전 세계적으로 에너지 저장 및 운송 관련 기술이 주목을 받으면서 천연가스, 질소, 수소, 헬륨 등의 가스를 액화 및 저장하기 위한 극저온 단열소재 관련 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 특히 선박배출가스에 대한 규제가 계속해서 강화되고 있어, 천연가스, 수소 등의 사용이 해결책으로 각광받고 있다. 천연가스, 수소의 저장 온도인 액화온도가 극저온 영역이므로 이들을 효율적으로 운송 및 소모를 위해 단열 저장 기술의 개발이 필수적이다.
액화천연가스와 수소를 저장하기 위해서는 극저온 환경을 유지하기 위한 단열 재료의 사용이 필수적이다. 그리고 단열 재료의 두께 감소는 액화천연가스와 같은 극저온 화물 탱크의 제작 및 설치에 있어서 공간효율이 상승하는 장점이 있다. 하지만, 선박과 같은 동적 하중환경에 노출되는 경우에, 극저온 화물 탱크의 공간효율을 향상시키기 위해서는 액체 화물의 움직임으로 인한 슬로싱 하중을 견디고, 선체 변형에 의해 발생하는 높은 하중을 견딜 수 있는 기계적 성능과 액화천연가스의 기화율을 줄일 수 있는 단열 성능의 확보가 매우 중요하다.
현재 극저온 연료의 단열을 위해 폴리우레탄 폼이 사용되고 있고, 폴리우레탄 폼의 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 폴리우레탄 폼은 다공성 재료로서 폴리우레탄 폼 내부 밀폐 셀구조의 형성으로 셀내부의 기공을 통해 단열성능을 확보하며, 기공을 유지하는 셀의 구조체(strut)를 통해 하중을 전달 또는 저항하게 된다.
셀의 구조체(strut)의 강도 향상을 위해서 폴리우레탄 폼의 밀도를 조절하여 구조체(strut)의 두께를 증가시키는 것이 일반적이다. 그러나 구조체의 두께 증가로 밀도가 높아질 경우 기공의 크기가 상대적으로 작아져 열전도도는 높아져 단열 성능이 저하되게 된다. 이는 단열재 두께의 증가로 이어져 연료탱크 내부의 용적 공간의 부피를 줄이게 된다.
종래의 폴리우레탄 폼 제작기술은 밀도조절을 위해서 폴리올에 발포제와 기타 첨가제를 첨가하여 폴리올 프리믹스(premix)를 준비하고 이를 다시 MDI(Methylene diphenyl diisocyanate)와 같은 이소시아네이트와 저압 혹은 고압 환경에서 믹싱헤드에서 서로 혼합한 후 발포하거나, 블록 형태의 연속제작을 요구하는 경우 이형지가 깔려 있는 컨베이어 형태의 벨트에 발포하여 연속 생산하게 된다.
폴리우레탄 폼에 보강섬유매트(CSM)를 첨가하여 높은 기계적 강도를 확보하고자 하는 경우, 종래의 폴리우레탄 폼 제작 기술에서 유리섬유 매트가 권취된 롤러를 폴리우레탄 폼의 용도에 맞게 개수를 정하여 유리섬유 매트의 층의 개수를 결정한다. 결정된 유리섬유 매트 롤러를 컨베이어 밸트 위에 층을 이루도록 설치한 이후에 혼합된 폴리우레탄 용액이 컨베이어 벨트 위를 진행방향에 수직한 방향을 왕복하며 용액을 분사한다. 이 때 용액이 분사된 유리섬유 매트(CSM)는 내부의 기공을 제거하고 유리섬유 매트(CSM)의 층을 평탄화한 다음 폴리우레탄 용액에 고르게 함침시키기 위해서 컨베이어 밸트 하부에 진동장치와 상부에서 주기적으로 가압하는 가압장치를 추가한 후 컨베이어 벨트를 통해서 연속발포한다.
종래의 유리섬유 매트(CSM)가 첨가된 폴리우레탄 폼은 높은 기계적 물성으로 선박과 같은 동적 하중환경에 노출되는 시스템의 단열을 위해서 주로 사용되고 있으며, 특히 LNG(액화천연가스)를 운송하는 선박의 단열을 위해서 주로 사용된다. 기존의 LNG 운반선은 해양환경에서 파도에 의한 선박 선체의 변형으로 인해서 발생하는 굽힘 하중 및 액화천연가스 화물의 자체 중량으로 인한 압축하중, 극저온 환경에서 열수축에 의한 인장하중이 작용하며, 액체화물 자체의 운동에 의한 충격하중인 슬로싱 하중에 노출된다. 이러한 동적 하중환경에서 종래의 유리섬유 매트(CSM)가 첨가된 폴리우레탄 폼은 설계상에 있어서 기계적 강도 측면에서 문제가 발생하지 않았다.
하지만 LNG 시장에서의 수요증가로 LNG 운반선의 규모가 커짐에 따라 선박의 단열재가 부담하는 하중이 증가하게 되었고, 종래의 유리섬유 매트(CSM)가 첨가된 폴리우레탄 폼 단열재가 가지는 장점인 우수한 기계적 강도가 한계점에 도달했으며, 현재 규모의 LNG선박 적용을 위한 요구성능을 충족시키기에 문제가 있음이 제기되었다.
현재 산업계에서는 해결방안으로 폴리우레탄폼의 밀도를 증가시켜 높은 기계적 강도를 확보하고 기존 단열성능의 30% 단열성능이 손실되는 방법을 검토하고 있다. 하지만 이는 종래의 기술에서 단열성능의 확보를 위해서 단열 시스템의 두께를 증가시켜 기존의 LNG 운반선 대비 극저온 액체화물의 기화손실율을 저하시키는 기존의 설계방향에 반하는 방향으로, 대형 LNG 운반선의 단열시스템의 구성에 있어서 단열 두께를 기존의 단열 시스템대비 비대하게 두껍게 설계하는 방향이 불가피하게 되면서 단열시스템의 용적을 비약적으로 증가시켜 선박내 LNG 용적을 감소시켜 기존 중소형 LNG 운반선 대비 낮은 운송효율을 가지게 될 수도 있다.
또한 운반의 비효율성 및 단열 문제 뿐만 아니라 단열두께의 증가는 선박과 같은 동적 시스템에 있어서 단열 시스템이 가지는 관성모멘트를 증가시켜 기존 단열두께대비 단열재에 가해지는 하중을 비약적으로 증가시키며, 단열재 자체의 기계적 물성뿐만 아니라 단열시스템을 구성하는 기타 목합소재 및 접합부의 작용하중에도 영향을 미쳐 기존 시스템에 있어서 완전히 새로운 설계를 요구하게 된다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 기존의 폴리우레탄 폼의 밀도를 유지하면서 기계적 강도를 향상시키고, 단열성능을 향상시킬 수 있는 글라스버블이 합성된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재는, 글라스버블이 합성된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재는, 이소시아네이트 함유 화합물과 폴리올 함유 화합물과 발포제와 밀도가 0.10~0.13g/cc 인 저밀도 글라스버블을 포함하는 고분자 혼합물을 발포 성형하여 만들어진 것으로, 상기 글라스버블은 혼합물에 0.3~1.0 wt%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 고분자 혼합물이 보강섬유매트에 함침된 상태로 발포 성형되어 보강섬유매트가 일체로 매설될 수 있다.
상기 보강섬유매트는 고분자 혼합물이 침투할 수 있도록 상하방향으로 관통된 복수의 천공홀이 일정 간격으로 배열된 것일 수 있다.
상기 보강섬유매트는 복수개가 적층 및 압착된 후 매설된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하는 방법은,
(S1) 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스버블을 혼합하는 단계;
(S2) 상기 S1 단계에서 만들어진 혼합물에 폴리올 함유 화합물과 발포제를 혼합하여 고분자 혼합물을 제조하는 단계; 및,
(S3) 상기 S2 단계에서 만들어진 고분자 혼합물을 발포 성형하는 단계;
를 포함할 수 있다.
상기 S1 단계는, 이소시아네이트 공급부에서 이소시아네이트 함유 화합물을 일정량씩 믹서기로 공급하는 단계(S11)와, 글라스버블 공급부의 호퍼를 통해 글라스버블을 일정량씩 진동발생기로 이송하는 단계(S12)와, 상기 진동발생기에서 정해진 주파수 대역으로 진동을 발생시켜 글라스버블을 일정량씩 믹서기로 공급하는 단계(S13), 및 상기 믹서기에서 혼합된 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스버블의 혼합물을 정해진 압력으로 펌핑하여 폴리올 함유 화합물과 발포제의 혼합물로 공급하는 단계(S14)를 포함할 수 있다.
상기 S13 단계에서 진동발생기의 상측에서 송풍기로 공기를 배출하여 글라스버블에 혼입된 먼지와 이물질을 제거할 수 있다.
또한 상기 S3 단계를 수행할 때 보강섬유매트 상에 고분자 혼합물을 함침하고 발포 성형하여 폴리우레탄 폼 단열재에 보강섬유매트를 일체로 매설할 수 있다.
상기 S3 단계를 수행하기 전에 보강섬유매트를 복수의 천공니들이 구비되어 있는 천공기로 가압하여 고분자 혼합물이 침투할 수 있는 복수의 천공홀을 관통되게 형성하고, 복수의 천공홀이 형성된 복수의 보강섬유매트를 상하방향으로 배치되어 있는 가압롤러를 통과시키면서 적층 및 압착할 수 있다.
상기 천공기의 천공니들로 보강섬유매트를 가압하여 천공홀을 형성할 때 천공니들을 전후 또는 좌우로 이동시키면서 천공홀을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이소시아네이트 함유 화합물, 폴리올 함유 화합물, 발포제와 0.10g/cc 내지 0.13g/cc 밀도의 글라스버블을 혼합하여 발포 성형함으로써 폴리우레탄 폼을 형성함으로써, 폴리우레탄 폼 단열재의 기계적 강도와 단열 성능이 획기적으로 개선될 수 있고, 이를 통해 종래의 단열재 대비 두께를 줄일 수 있어 극저온 액화가스 저장탱크 내 연료의 저장 공간을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 선체의 굽힘 하중에 용이하게 저항할 수 있도록 유리섬유매트와 같은 보강섬유매트를 더 포함하여 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있고, 이를 통해 액화가스 저장탱크의 단열재로 사용되는 폴리우레탄 폼의 압축강도와 인장강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 단열재의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 발포성형기의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 보강섬유매트의 천공 및 적층 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 제조장치의 일 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 6는 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 제조장치의 다른 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 단열재의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 첫번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 폴리우레탄 폼과 비교예 1의 폴리우레탄 폼의 응력-변형률 선도를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 두번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼과 유리섬유 폴리우레탄 폼의 인장 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 두번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼과 유리섬유 폴리우레탄 폼의 압축 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 그래프이다.
도 11은 폴리우레탄 폼 단열재의 글라스버블 함량비에 따른 압축시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 폴리우레탄 폼 단열재의 글라스버블의 첨가량이 1.0wt%를 넘어가는 경우에 발생하는 현상을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 13은 폴리우레탄 폼 단열재의 글라스버블 함량비에 따른 폴리우레탄 폼 단열재 내부의 글라스버블 분포를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 14는 폴리우레탄 폼 단열재의 글라스버블의 밀도 및 체적 함량비에 따른 열전도도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 발포성형기의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 보강섬유매트의 천공 및 적층 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 제조장치의 일 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 6는 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 제조장치의 다른 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 단열재의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 첫번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 폴리우레탄 폼과 비교예 1의 폴리우레탄 폼의 응력-변형률 선도를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 두번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼과 유리섬유 폴리우레탄 폼의 인장 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 두번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼과 유리섬유 폴리우레탄 폼의 압축 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 그래프이다.
도 11은 폴리우레탄 폼 단열재의 글라스버블 함량비에 따른 압축시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 폴리우레탄 폼 단열재의 글라스버블의 첨가량이 1.0wt%를 넘어가는 경우에 발생하는 현상을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 13은 폴리우레탄 폼 단열재의 글라스버블 함량비에 따른 폴리우레탄 폼 단열재 내부의 글라스버블 분포를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 14는 폴리우레탄 폼 단열재의 글라스버블의 밀도 및 체적 함량비에 따른 열전도도를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재 및 그 제조방법의 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재는, 극저온의 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크에 적용되는 단열재로서, 이소시아네이트 함유 화합물과 폴리올 함유 화합물과 발포제에 글라스비드와 같은 입자상 첨가제를 혼합하여 발포 성형함으로써 종래의 폴리우레탄 폼 단열재에 비해 두께를 줄일 수 있고, 기계적 강도와 단열 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있게 한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재는, 이소시아네이트 함유 화합물과 폴리올 함유 화합물과 발포제, 및 밀도가 0.10~0.13g/cc 인 글라스버블을 포함하는 고분자 혼합물을 발포 성형하여 만들어진 것으로, 상기 글라스버블은 혼합물에 0.3~1.0 wt%로 포함된다.
본 발명의 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재를 액화천연가스 또는 액화수소가스의 수송을 위한 액화가스 저장시스템의 단열재로 사용하는 경우, 유체압력을 견딜 수 있는 압축강도가 요구되며, 선박의 6자유도 운동으로 인해 발생하는 하중 및 유체 충격하중에 견딜 수 있는 기계적 강도와 선체 굽힘에 의해 단열재에 발생하는 인장력에 대한 내구성이 요구되고 있다.
이에 도 1에 도시한 것과 같이 상기 고분자 혼합물을 보강섬유매트에 함침하여 발포 성형함으로써 폴리우레탄 폼 단열재(1) 내부에 보강섬유매트(2)를 일체로 매설할 수 있다. 이 때 보강섬유매트(2)는 고분자 혼합물 100 중량부에 대해 10~15 중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 보강섬유매트(2)로는 유리섬유매트를 사용할 수 있다.
상기 고분자 혼합물의 이소시아네이트 함유 화합물은 폴리올 함유 화합물과 반응하여 우레탄기를 형성하는 것으로서, 당업계에 공지된 지방족, 지환족 또는 방향지방족 다작용성 이소시아네이트로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 방향족 다작용성 이소시아네이트 로 이루어질 수 있다. 이러한 유형의 다작용성 이소시아네이트는 당업계에 공지되어 있거나 또는 당업계에 공지되어 있는 방법에 의해 수득 가능하다.
다작용성 이소시아네이트는 혼합물로서 사용될 수도 있고, 분자 당 2개의 이소시아네이트기(이하, '디이소시아네이트'로 지칭됨) 또는 그 이상의 기를 가질 수 있다.
더욱 구체적으로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 상술한 이소시아네이트 함유 화합물은, 알킬렌 라디칼에서 4 ~ 12개의 탄소 원자를 갖는 알킬렌디이소시아네이트, 예컨대 도데칸 1,12-디이소시아네이트, 2-에틸테트라메틸렌 1,4-디이소시아네이트, 2-메틸펜타메틸렌 1,5-디이소시아네이트, 테트라메틸렌 1,4-디이소시아네이트, 바람직하게는 헥사메틸렌 1,6-디이소시아네이트; 지환족 디이소시아네이트, 예컨대 시클로헥산 1,3- 및 1,4-디이소시아네이트 및 또한 상기 이성질체의 임의의 혼합물, 1-이소시아나토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아나토메틸시클로헥산(IPDI), 헥사히드로톨릴렌 2,4- 및 2,6-디이소시아네이트 및 또한 상응한 이성질체 혼합물, 디시클로헥실메탄 4,4'-, 2,2'- 및 2,4'-디이소시아네이트 및 또한 상응한 이성질체 혼합물, 바람직하게는 방향족 폴리이소시아네이트, 예컨대 톨릴렌 2,4- 및 2,6-디이소시아네이트 및 상응한 이성질체 혼합물, 디페닐메탄 4,4'-, 2,4'- 및 2,2'-디이소시아네이트 및 상응한 이성질체 혼합물, 디페닐메탄 4,4'-및 2,2' 디이소시아네이트, 폴리페닐폴리메틸렌 폴리이소시아네이트의 혼합물, 디페닐메탄 4,4'-, 2,4'- 및 2,2'-디이소시아네이트 및 폴리페닐폴리메틸렌 폴리이소시아네이트(미정제 MDI)의 혼합물 및 미정제 MDI 및 톨릴렌 디이소시아네이트의 혼합물일 수 있다.
폴리올 함유 화합물은 탄화수소 사슬에 알콜기가 2개 이상 붙은 액상 고분자물질로서, 폴리에테르 폴리올 또는 폴리에스테르 폴리올로 이루어질 수 있다.
더욱 구체적으로, 폴리에테르 폴리올은 에틸렌글리콜, 1,2-프로판글리콜, 1,3-프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 1,6-헥산디올, 1,8-옥탄디올, 네오펜틸글리콜, 2-메틸-1,3-프로판디올, 글리세롤, 트리메틸올프로판, 1,2,3-헥산트리올, 1,2,4-부탄트리올, 트리메틸올메탄, 펜타에리트리톨, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 트리프로필렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 디부틸렌글리콜, 폴리부틸렌글리콜, 솔비톨, 슈그로스, 하이드로퀴논, 레소시놀, 카테콜, 비스페놀 또는 이 중에서 둘 이상의 폴리올과 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 또는 이들의 혼합물을 중합시켜 제조된 것일 수 있다.
또한, 폴리에스테르 폴리올은 무수프탈산 또는 디프산과 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 또는 이들의 혼합물을 중합시켜 제조된 것일 수 있다.
발포제는 고분자 복합재료의 발포 용도로 사용되는 것으로, 고분자 반응 중 기포를 형성하여 물질이며, 반응열에 의하여 기화(승화)되어 기포를 형성하는 물리적 발포제 및 화학적 발포제인 물(이소시아네이트와 반응하여 이산화탄소를 발생시킴)을 각각 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
여기서, 물리적 발포제는 반응열에 의해 발포제가 기화(승화)되며, 이로 인한 가스는 폼의 셀에 의하여 둘러싸임으로써, 제조되는 폼이 낮은 열전도율을 나타낼 수 있다.
이 때, 특별히 이에 한정되는 것은 아니지만, 탄화수소계인 Cpentane, 수소화염화불화탄소계인 HCFC-141b(1,1-디클로로-1-플루오로에탄), 하이드로불화탄소(HFC)계인 HFC-245fa(1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판), HFC-365mfc(1,1,1,3,3-펜타플루오르부탄), 혼합 HFC-365mfc/227ea(1,1,1,3,3-펜타플루오르부탄/1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판), 이들의 혼합물 등을 발포제로 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
물리적 발포제는 제조하고자 하는 폴리우레탄 폼의 밀도 등의 요구 특성에 따라 사용량을 정할 수 있는 바, 예를 들면 폴리올 함유 화합물의 100 중량부를 기준으로 30 중량부 이하, 바람직하게는 3 내지 25 중량부, 더욱 바람직하게는 4 내지 20 중량부 범위일 수 있다.
화학적 발포제는 이소시아네이트의 활성을 이용해 물 등과의 반응으로 생기는 이산화탄소에서 발포하기 때문에 물이 발포제로 사용될 수 있다. 이 때, 물의 사용량은 폴리올 함유 화합물의 100 중량부를 기준으로 0 내지 10 중량부, 보다 바람직하게는 0 내지 5 중량부 범위일 수 있다.
글라스버블은 구슬 모양으로 형성되되 중공형의 쉘(Shell) 구조로 형성될 수 있고, 저밀도의 글라스버블로 형성될 수 있다.
글라스버블은 입자 크기가 약 20~100㎛인 흰색 파우더 타입의 마이크로스피어 소재로서, 밀도가 0.125~0.6g/cc로 매우 가볍고 열전도도가 약 0.047~0.2W/mK 인 것을 사용할 수 있으며, 강도가 250 내지 28000psi로 강도 향상의 목적으로 사용될 수 있다.
이와 같은 글라스버블은 적용되는 제품의 필요 물성에 따라 직경을 조정하여 형성할 수 있고, 본 실시예와 같이 극저온용의 폴리우레탄 폼에 적용될 경우 기계적 강도와 단열성능을 향상시킬 수 있도록 밀도가 0.125~0.6g/cc로 된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
더욱 구체적으로, 글라스버블은 내부는 비어있고 쉘 부분의 두께가 50㎚ 내지 300㎚ 인 소다라임 보로실리케이트 글래스(Soda Lime Borosilicate Glass) 또는 실리카(SiO2)로 구성된 글라스버블로 형성될 수 있다.
이러한 글라스버블은 내부가 비어 있기 때문에 코어 부분이 밀집되어 형성된 일반적인 소다라임 보로실리케이트 글래스(Soda Lime Borosilicate Glass) 또는 실리카(SiO2)와 비교하여 상대적으로 낮은 밀도로 형성될 수 있다.
또한, 글라스버블은 이소시아네이트 함유 화합물과 폴리올 함유 화합물과 발포제와 글라스버블을 포함하는 고분자 혼합물 전체에 대해 0.3~1.0 wt%로 첨가되는 것이 기계적 강도와 단열성 향상 측면에서 바람직하다.
상술한 바와 같은, 본 실시예의 극저온용 폴리우레탄 폼은, 글라스버블이 첨가된 이소시아네이트 함유 화합물을 폴리올 함유 화합물과 발포제를 혼합하여 발포 성형하여 제조될 수 있고, 제조된 폴리우레탄 폼은 폼을 이루는 셀과 셀 사이의 기공에 보강재 역할을 하는 글라스버블이 개재됨으로써(도 7의 주사현미경 사진 참조), 구조체의 밀도가 높아지고 열전도도가 낮아질 수 있으며, 이를 통해 폴리우레탄 폼의 기계적 강도와 단열 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성된 극저온용 폴리우레탄 폼의 제조 과정에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
도 2는 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 과정의 일 실시예를 나타낸 것으로, 도 2를 참조하면, 이소시아네이트 함유 화합물(10)에 글라스버블(20)을 첨가하고 교반하여 혼합한다.
이 과정에서, 이소시아네이트 함유 화합물(10)에 이소시아네이트 함유 화합물 100 중량부를 기준으로 0.3 내지 1 중량부의 글라스버블(20)을 첨가하고, 교반기를 통해 물리적으로 교반하여 이소시아네이트 함유 화합물(10)에 글라스버블(20)을 혼합할 수 있다. 이 때, 호모게나이저 등의 기계적 교반장치를 이용하여 3분간 1500rpm 이하의 저속으로 교반할 수 있다.
1500rpm을 초과하는 속도로 교반을 수행하는 경우, 글라스버블(20)이 깨지는 등의 글라스버블(20)의 손상 가능성이 크게 증대되고, 교반에 따라 용액 내 미세한 기공의 잔류 정도가 크게 증가하여 차후 발포 단계에서 불필요한 기공이 형성될 수 있다.
다음, 이소시아네이트 함유 화합물(10)과 글라스버블(20)이 혼합된 중간 혼합물(30)을 폴리올 함유 화합물(40)과 발포제(50)를 혼합하여 고분자 혼합물(60)을 제조한다. 이 과정에서 이소시아네이트 함유 화합물(10)은 폴리올 함유 화합물(40)과 반응하여 우레탄기를 형성할 수 있다. 이 때, 이소시아네이트 함유 화합물(10)은 폴리올 함유 화합물(40) 100 중량부를 기준으로 110 내지 120 중량부로 첨가될 수 있다.
발포제(50)는 고분자 혼합물(60)의 발포 용도로 첨가되며, 일 예로 발포제(50)로서 HFC-245fa를 사용하는 경우 폴리올 함유 화합물(40) 100 중량부를 기준으로 4 ~ 12 중량부 범위로 첨가될 수 있다.
상기와 같은 중간 혼합물(30)에 폴리올 함유 화합물(40)과 발포제(50)를 첨가하여 혼합 및 교반하는 과정에서는, 기계적 교반장치를 이용하여 1분간 4000rpm의 속도로 교반할 수 있으며, 이를 통해 이소시아네이트 함유 화합물(10)에 글라스버블(20)이 혼합된 중간 혼합물(30), 폴리올 함유 화합물(40) 및 발포제(50)가 균일하게 혼합된 고분자 혼합물(60)을 형성할 수 있다.
이 때, 상기와 같은 교반은 10 내지 40℃의 온도 범위에서 4000rpm 이하의 속도로 수행되는 것이 바람직한데, 상기 온도범위를 초과하는 온도에서 교반하는 경우에는 반응이 지나치게 빠르게 진행되는 문제가 발생할 수 있다.
이어서, 몰드(70)에 상기와 같이 제조된 고분자 혼합물(60)을 주입하고 가열하여 글라스버블이 합성된 폴리우레탄 폼 단열재(1)를 제조할 수 있다. 이 단계에서는 성형하고자하는 폴리우레탄 폼 단열재의 크기 및 형상에 대응하는 몰드(70)를 준비하고, 사전에 몰드(70)에서 고분자 혼합물(60)이 접촉하는 면에 이형제를 도포한 후에 몰드(70)에 고분자 혼합물(60)을 주입한 후 소정의 온도로 가열함으로써 폴리우레탄 폼 단열재를 제조할 수 있다.
이 때, 상기 몰드(70) 내부에 보강섬유매트(2)를 투입하고 고분자 혼합물(60)을 주입하여 보강섬유매트(2)에 고분자 혼합물(60)을 함치시킨 후 발포 성형하게 되면, 보강섬유매트(2)가 매립되어 일체화된 폴리우레탄 폼 단열재(1)를 얻을 수 있다.
도 3은 상기한 몰드(70)를 이용하여 폴리우레탄 폼 단열재를 발포 성형하기 위한 발포성형기의 일 실시예를 나타낸 것으로, 폴리우레탄 폼 단열재를 발포 성형하는 과정에서는, 고분자 혼합물(60)이 주입된 몰드(70)를 발포성형기(110)의 챔버(111) 내부에 수용하고, 발포 성형을 위한 조건 및 환경을 조정하여 발포 성형을 수행할 수 있다.
발포성형기(110)는 내부에 몰드(70)를 수용하는 챔버(111)와, 챔버(111)에 설치되는 온도 및 습도계(120), 챔버(111)의 일측에 구비되는 열 출입부(130) 및 챔버(111) 내부의 공기를 순환기시키는 순환기(140) 등을 포함할 수 있다.
챔버(111)는 고분자 혼합물(60)이 포함된 몰드(180)를 포함하는 크기로 제작 되며 한쪽 면을 개폐하며 몰드(70)를 놓을 수 있도록 한다. 또한 발포시 챔버(111) 내부는 25℃~40℃의 온도를 유지해야 하며 70% 이하의 습도에서 제작되어야 한다.
온도 및 습도계(120)는 주어진 온도와 습도 조건을 만족할 수 있도록 실시간으로 챔버(111) 내부의 온도 및 습도를 측정할 수 있다.
열 출입부(130)는 챔버(111) 내부의 온도를 조절하는 장치이며 내부 온도를 발포 조건에 맞추어 일정하게 유지할 수 있도록 온풍의 공급을 제어할 수 있게 구성된다.
순환기(140)는 열 출입부(130)에서 들어오는 온풍에 의한 압력 상승을 방지하고 습도 및 환경을 유지하기 위해 구성되며, 필요에 따라 상시 가동되도록 구성된다.
상술한 것과 같이 본 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 단열재는, 이소시아네이트 함유화합물과 폴리올 함유 화합물이 혼합된 중간 혼합물에 발포제와 글라스버블을 첨가하여 제조될 수 있고, 발포 과정에서 온도 및 습도를 조절하여 기계적 강도와 단열 성능에 영향을 미치는 셀의 형태를 균일하게 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 단열재는, 글라스버블이 폼의 셀과 셀 사이의 공간에 채워지게 되어, 종래의 단열재보다 열전도도가 낮고 압축강도가 향상된 성능을 가질 수 있는 것으로 확인되었다.
한편, 전술한 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 폼 단열재는 보강섬유매트(2)(도 1 참조)가 일체화된 형태를 가질 수 있다.
보강섬유매트(2)는 폴리우레탄 폼 단열재(1)의 기계적 강도를 더욱 강화하기 위한 것으로서, 섬보강섬유로서 유리섬유를 사용할 수 있으며, 이외에도 폴리아미드, 폴리에스테르 등의 합성섬유와, 탄소섬유, 세라믹섬유 등과 같은 무기섬유 등이 사용될 수 있다. 이러한 보강섬유매트(2)는 단일하게 사용될 수 있지만, 이와 다르게 복수의 보강섬유매트를 적층한 보강섬유매트 적층체를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 보강섬유매트(2)는 고분자 혼합물(60) 100 중량부를 기준으로 10~15 중량부로 혼합되는 것이 바람직하며, 보강섬유매트(2)의 함유율이 10 중량부 미만이면 저온 수축안정성과 크랙(crack) 발생의 방지효과가 현저하게 떨어지고, 15 중량부를 초과하면 폴리우레탄 발포 원액의 발포 시 폼의 이상발포 및 폼의 갈라짐 현상이 발생하는 것으로 확인되었다.
한편 보강섬유매트(2)의 적층체에 고분자 혼합물(60)을 함침시켜 발포시킬 때 고분자 혼합물(60)이 보강섬유매트(2)의 적층체 내부에 균일하게 함침되지 않으면 발포과정에서 폴리우레탄 폼 단열재(1)의 두께가 균일하게 형성되지 않고 울퉁불퉁하게 형성될 수 있다. 이러한 발포 불량을 방지하기 위하여, 도 4에 도시한 것과 같이 보강섬유매트(2)의 적층체에 고분자 혼합물(60)을 함침하기 전에, 보강섬유매트(2)를 복수의 천공니들(211)이 구비되어 있는 천공기(210)로 가압하여 보강섬유매트(2)에 고분자 혼합물(60)이 침투할 수 있는 복수의 천공홀을 관통되게 형성한다. 이 때, 천공기(210)의 천공니들(211)로 보강섬유매트(2)를 가압하여 천공홀을 형성할 때 천공니들(211)을 전후 또는 좌우로 이동시켜 보강섬유 간의 결합력을 약화시키면서 천공홀을 형성하는 것이 고분자 화합물의 균일한 침투에 더욱 유리한 이점을 제공한다.
그리고 복수의 보강섬유매트(2)를 단순 적층하게 되면 경사가 발생하게 되어 균일한 발포가 이루어지지 않을 가능성이 있기 때문에 천공홀이 형성되어 있는 복수의 보강섬유매트(2)를 상하방향으로 배치되어 있는 한 쌍의 가압롤러(220)를 통과시키면서 적층 및 압착하여 보강섬유매트(2) 적층체를 형성한다.
본 발명의 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하기 위한 고분자 혼합물의 이소시아네이트 함유 화합물에 글라스비드가 균일하게 혼합될 수 있도록 하기 위하여 도 5에 도시한 것과 같은 혼합장치를 구성할 수 있다.
도 5의 혼합장치는 이소시아네이트 함유 화합물을 중력을 이용하여 공급하는 이소시아네이트 공급부(310)와, 글라스비드를 공급하는 글라스비드 공급부(320), 상기 이소시아네이트 공급부(310)에서 공급되는 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스비드 공급부(320)에서 공급되는 글라스비드를 이송하면서 혼합하는 믹서기(330)와, 상기 믹서기(330)로부터 배출된 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스비드의 혼합물을 폴리올 함유 화합물과 발포제와의 혼합을 위한 발포성형부(360)로 이송하는 펌프(350)를 포함할 수 있다.
상기 글라스비드 공급부(320)는 글라스비드를 공급하는 호퍼(321)와, 상기 호퍼(321)의 하단부와 연통된 제1경사유로(322)를 통해 이송되는 글라스비드를 지면(地面)에 대해 대략 수평하게 설치된 진동판(326) 상에 일시적으로 정지시킨 후 진동판(326)을 정해진 주파수 대역으로 진동시켜 글라스비드를 믹서기(330)와 연통된 제2경사유로(323)로 일정량씩 배출하는 진동발생기(325)를 포함한다.
진동발생기(325)의 상부에는 하측에서 상측으로 공기를 송풍하면서 배출하여 글라스버블에 혼입된 먼지와 이물질을 제거하는 송풍기(327)가 설치될 수 있다.
믹서기(330)는 상기 이소시아네이트 공급부(310)에서 일정량씩 공급되는 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스비드 공급부(320)의 진동발생기(325)에서 일정량씩 공급되는 글라스비드를 혼합하면서 이송하도록 모터에 의해 히전하는 교반스크류(331)를 구비한다.
이와 같은 구성을 갖는 혼합장치에서는, 이소시아네이트 공급부(310)에서 이소시아네이트 함유 화합물을 일정량씩 믹서기(330)로 공급함과 동시에 글라스비드 공급부(320)에서 글라스버블을 일정량씩 믹서기(330)로 공급하여 혼합하는데, 이 때 전술한 것과 같이 글라스비드 공급부(320)에서는 호퍼(321)에 공급된 글라스버블을 중력을 이용하여 제1경사유로(322)를 통해 진동발생기(325)의 진동판(326) 상으로 공급하고, 진동발생기(325)에서 진동판(326)을 정해진 진동 주파수 대역으로 진동시켜 진동판(326) 상의 글라스버블을 일정량씩 제2경사유로(323)로 이송하여 믹서기(330)에 공급하게 된다. 상기 믹서기(330)는 교반스크류(331)를 회전시켜 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스버블을 균일하게 혼합하면서 하측으로 이송하여 믹서기(330) 하단의 버퍼탱크(340)로 배출한다. 펌프(350)는 상기 버터탱크(340)에 저장된 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스버블의 혼합물을 소정의 압력을 펌핑하여 발포성형부(360)로 이송한다. 이 때 펌프(350)의 펌핑 압력은 글라스비드 압괴 강도의 70%를 넘지 않게 설정한다.
상기 혼합장치는 이소시아네이트 함유 화합물을 믹서기(330)의 상측에 배치하여 중력을 이용하여 공급할 수 있는 구성을 갖지만, 이소시아네이트 함유 화합물을 공급하는 이소시아네이트 공급부와 믹서기를 상하로 배치하기 어려울 경우, 도 6에 도시한 것과 같이, 이소시아네이트 공급부(310)와 화합물공급펌프(315)와 믹서기(330)를 수평하게 배치하고, 믹서기(330)의 상측에 글라스비드 공급부(320)를 배치하여 믹서기(330)에 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스비드를 정해진 양으로 공급할 수 있다.
상기 글라스비드 공급부(320)는 도 5의 혼합장치에 구성된 글라스비드 공급부(320)와 동일 또는 유사하게 구성될 수 있다.
실시예
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예에 따라 제조된 폴리우레탄 폼 단열재에 대해 설명한다.
다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
1. 폴리우레탄 폼 단열재 제조
[실시예 1]
메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI) 함유 화합물 중량부 100을 기준으로, 밀도 0.10g/cc 소다라임 보로실리케이트 글래스를 2 중량부를 혼합한 후, 기계적 교반장치를 이용하여 3분간 1500rpm의 저속으로 교반하였다.
그 후, 폴리올 함유 화합물을 MDI 함유 화합물 중량부 100을 기준으로 91 중량부, 발포제(HFC-245fa)를 폴리올 함유 화합물의 100 중량부를 기준으로 7 중량부를 첨가한 후, 촉매제(CF3CH2CHF2)와 함께 상온에서 기계적 교반 장치를 이용하여 1분간 4000rpm으로 교반한 후, 몰드에서 폴리우레탄 폼을 제조하였다.
교반 단계에서의 반응 온도는 25℃이고, 일반적인 수동식 회전 교반 장치를 사용하여 교반하였다.
[비교예 1]
글라스버블을 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리우레탄 폼을 제조하였다.
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 글라스버블 폴리우레탄 폼의 압축강도 및 열전도도를 측정한 결과를 아래의 표 1에 나타내었다
| 구분 | 실시예 1 | 비교예 1 |
| 압축강도(MPa)(20℃) | 1.653 | 1.358 |
| 압축강도(MPa)(-163℃) | 4.25 | 3.618 |
| 열전도도(W/mK) | 0.03247 | 0.0349 |
| 밀도(㎏/㎥) | 130 | 130 |
표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 글라스버블이 첨가된 폴리우레탄 폼 단열재는 글라스버블이 첨가되지 않은 비교예 1와 대비하여, 상온 및 액화가스가 저장되는 영하 163℃에서 각각, 동일한 밀도 내 압축 강도가 크게 증대되고, 열전도도는 크게 감소하였음을 확인할 수 있다.
2. 보강섬유매트(유리섬유매트) 폴리우레탄 폼 단열재 제조
[실시예 2]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 폴리우레탄 용액(이소시아네이트, 글라스버블 및 폴리올을 포함하는 고분자 혼합물)을 다수의 천공홀이 천공된 유리섬유매트 적층체에 함침시켜 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하였다.
[비교예 2]
비교예 1과 동일한 방법으로 제조된 폴리우레탄 용액(이소시아네이트 및 폴리올을 포함하는 고분자 혼합물)을 다수의 천공홀이 천공된 유리섬유매트 적층체에 함침시켜 유리섬유 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하였다.
실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼 단열재의 압축강도와 인장강도 및 열전도도를 측정한 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 실시예 2 | 비교예 2 |
| 압축강도(MPa)(20℃) | 0.837 | 0.739 |
| 인장강도(MPa)(20℃) | 2.145 | 1.477 |
| 압축강도(MPa)(-163℃) | 1.756 | 1.518 |
| 인장강도(MPa)(-163℃) | 2.276 | 2.181 |
| 열전도도(W/mK) | 0.025 | 0.025 |
| 밀도(㎏/㎥) | 110 | 110 |
표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 글라스버블이 첨가된 유리섬유 폴리우레탄 폼 단열재가 글라스버블이 첨가되지 않은 비교예 2와 대비하여, 상온 및 액화가스가 저장되는 영하 163℃도에서 각각, 동일한 밀도 내 열전도도는 유지한채로 압축 강도 및 인장 강도가 크게 증대되었음을 확인할 수 있다.
도 7에 도시한 주사전자현미경(SEM) 사진을 통해 확인할 수 있는 것과 같이, 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 글라스버블 폴리우레탄 폼 단열재는 폴리우레탄 폼을 이루는 셀(이소시아네이트 함유 화합물 및 폴리올 함유 화합물에 의해 생성) 사이에 글라스버블이 위치하고 있음을 확인할 수 있고, 중공의 글라스버블로 인하여 열유입이 억제되기 때문에 열전도를 낮춰줄 수 있으며, 셀 사이의 구비되는 글라스버블이 보강재의 역할을 수행하여 기계적 강도(압축강도 및 인장강도)를 향상 시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 첫번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 폴리우레탄 폼과 비교예 1의 폴리우레탄 폼의 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 상술한 실시예에 따라 제조된 글라스버블 폴리우레탄 폼(실시예 1)과 폴리우레탄 폼(비교예 1)의 기계적 성능을 평가하기 위해 상온(20℃ )및 극저온(-163℃)에서 압축 시험을 수행하였으며, 그 결과 글라스버블 폴리우레탄 폼(실시예 1)은 폴리우레탄 폼(비교예 1)에 비해 인장강도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 두번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼과 유리섬유 폴리우레탄 폼의 인장 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이고, 도 10은 본 발명의 두번째 실시예에 따라 제조된 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼과 유리섬유 폴리우레탄 폼의 압축 실험 결과에 대한 응력-변형률 선도를 보여주는 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상술한 실시예에 따라 제조된 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼(실시예 2)과 유리섬유 폴리우레탄 폼(비교예 2)의 기계적 성능을 평가하기 위해 상온(20℃ )및 극저온(-163℃)에서 인장 시험을 수행하였으며, 그 결과 글라스버블 유리섬유 폴리우레탄 폼은 유리섬유 폴리우레탄 폼에 비해 인장강도 및 압축강도가 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 11은 글라스버블 함량비에 따른 압축시험 결과를 나타낸 것으로, 동일한 밀도를 가지는 글라스버블 미첨가 폴리우레탄 폼 단열재와 글라스버블이 각각 0.4wt%, 0.7wt%, 1.3wt%가 첨가된 폴리우레탄 폼 단열재의 상온 및 극저온에서 압축시험 결과를 나타내고 있다. 압축환경하중에 장기간 노출되는 폴리우레탄 폼 단열재는 설계 관점에서 항복강도가 중요한 요소로 작용하며, 글라스버블 중량 함량비가 1.0wt% 미만인 폴리우레탄 폼 단열재는 상온과 극저온 환경에서 모두 대조군인 글라스버블 미첨가 폴리우레탄 폼 단열재의 항복강도보다 높은 결과를 나타냈지만, 글라스버블 중량 함량비가 1.0wt%가 넘는 폴리우레탄 폼 단열재의 경우 항복강도가 상온 및 극저온에서 눈에 띄게 감소하며, 특히 극저온환경에서 재료의 강성이 크게 감소하여 구조적 측면에서 형상유지가 어려움을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 폴리우레탄 폼 단열재의 사용용도에 따라서 최적의 기계적 물성 확보를 위해서 글라스버블 중량 함량비의 범위를 0.3~1.0wt%로 한정한다.
도 12 및 도13은 글라스버블 첨가 중량비가 1.0wt%를 넘어가는 경우에 발생하는 현상을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 12에서와 같이 폴리우레탄 폼의 발포과정에서 상부에 글라스버블이 응집-석출되는데, 이는 과다한 글라스버블 첨가로 폴리우레탄 폼 내부의 구조체(strut)가 수용할 수 있는 글라스버블의 한계치를 넘는 글라스버블 첨가로 구조체(strut)에 수용되지 못한 잉여 글라스버블이 석출된 결과다. 도 12는 이러한 글라스버블 응집-석출 현상에 대한 폴리우레탄 폼 발포과정에서의 거시적 및 현미경을 활용한 미시적 시각 자료를 제공한다. 도 13은 정상적으로 발포된 폴리우레탄 폼과 내부 글라스버블의 분포에 대한 미시적 시각 자료와 글라스버블 첨가 중량비가 1.0wt%를 초과하여 글라스버블 응집-석출 현상이 발생한 폴리우레탄 폼 단열재에 대한 비교자료를 제시한 것이다.
도 14는 본 발명에서 첨가되는 글라스버블의 밀도 0.1~0.13g/cc(100~130㎏/㎥)에 대한 보충자료로 첨가된 글라스버블의 밀도는 각각 125, 150, 200, 380, 600 ㎏/㎥이며, 폴리우레탄 폼 내부에 첨가되는 글라스버블을 모두 근사한 수준으로 분포시키기 위해 동일한 체적 함량비(volume percent)로 첨가하였으며, 본 발명에서 제시하는 글라스버블의 밀도와 중량 함량비를 고려하여 각각의 글라스버블에 대해서 7vol%(0.4wt%), 14vol%(0.7wt%)의 체적 함량비(volume percent)를 첨가하였다.
최종적으로 제작된 폴리우레탄 폼 단열재의 밀도와 상온에서의 열전도도는 도 14에 정리되어 있다. 시험 결과 밀도 125 ㎏/㎥의 글라스버블이 첨가된 폴리우레탄 폼 단열재에서 상대적으로 낮은 열전도도를 보였으며, 14vol%(0.7wt%) 체적 함량비(volume percent)에서는 대조군인 글라스버블이 첨가되지 않은 폴리우레탄 폼 단열재보다 낮은 열전도도를 가진다. 낮은 열전도도는 극저온 화물의 운송과정에서 발생하는 기화손실률의 감소에 획기적으로 기여하는 요소로 본 발명에서 제시하는 글라스버블의 밀도 및 중량 함량비에 대한 근거로 작용한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재는, 이소시아네이트 함유 화합물, 폴리올 함유 화합물, 발포제와 저밀도 글라스버블(0.10g/cc 내지 0.13g/cc)을 이용하여 제조함으로써, 폴리우레탄 폼 단열재의 기계적 강도와 단열 성능이 획기적으로 개선될 수 있고, 이를 통해 종래의 단열재와 비교하여 단열재의 두께를 줄일 수 있어 액화가스 저장탱크 내 액화가스 저장 공간의 용적을 증대시킬 수 있다.
더욱이, 선체의 굽힘 하중에 용이하게 저항할 수 있도록 유리섬유매트를 더 포함하여 폴리우레탄 폼 단열재를 제조할 수 있고, 이를 통해 액화가스 저장탱크의 단열재로 사용되는 폴리우레탄 폼의 압축강도와 인장강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 폴리우레탄 폼 단열재
2 : 보강섬유매트
10 : 이소시아네이트 함유 화합물 20 : 글라스버블
30 : 중간 혼합물 40 : 폴리올 함유 화합물
50 : 발포제 60 : 고분자 혼합물
70 : 몰드 110 : 발포성형기
111 : 챔버 120 : 온도 및 습도계
130 : 열 출입부 140 : 순환기
210 : 천공기 211 : 천공니들
220 : 가압롤러 310 : 이소시아네이트 공급부
320 : 글라스비드 공급부 321 : 호퍼
322 : 제1경사유로 323 : 제2경사유로
325 : 진동발생기 326 : 진동판
327 : 송풍기 330 : 믹서기
331 : 교반스크류 340 : 버퍼탱크
350 : 펌프 360 : 발포성형부
10 : 이소시아네이트 함유 화합물 20 : 글라스버블
30 : 중간 혼합물 40 : 폴리올 함유 화합물
50 : 발포제 60 : 고분자 혼합물
70 : 몰드 110 : 발포성형기
111 : 챔버 120 : 온도 및 습도계
130 : 열 출입부 140 : 순환기
210 : 천공기 211 : 천공니들
220 : 가압롤러 310 : 이소시아네이트 공급부
320 : 글라스비드 공급부 321 : 호퍼
322 : 제1경사유로 323 : 제2경사유로
325 : 진동발생기 326 : 진동판
327 : 송풍기 330 : 믹서기
331 : 교반스크류 340 : 버퍼탱크
350 : 펌프 360 : 발포성형부
Claims (10)
- 이소시아네이트 함유 화합물과 폴리올 함유 화합물과 발포제와 밀도가 0.10~0.13g/cc 인 글라스버블을 포함하는 고분자 혼합물을 발포 성형하여 만들어진 것으로, 상기 글라스버블은 혼합물에 0.3~1.0 wt%로 포함되는 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재.
- 제1항에 있어서, 상기 고분자 혼합물이 보강섬유매트에 함침된 상태로 발포 성형되어 보강섬유매트가 일체로 매설된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재.
- 제2항에 있어서, 상기 보강섬유매트는 고분자 혼합물이 침투할 수 있도록 상하방향으로 관통된 복수의 천공홀이 일정 간격으로 배열된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재.
- 제3항에 있어서, 상기 보강섬유매트는 복수개가 적층 및 압착된 후 매설된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재를 제조하는 방법으로서,
(S1) 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스버블을 혼합하는 단계;
(S2) 상기 S1 단계에서 만들어진 혼합물에 폴리올 함유 화합물과 발포제를 혼합하여 고분자 혼합물을 제조하는 단계; 및,
(S3) 상기 S2 단계에서 만들어진 고분자 혼합물을 발포 성형하는 단계;
를 포함하는 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 방법. - 제5항에 있어서, 상기 S1 단계는, 이소시아네이트 공급부에서 이소시아네이트 함유 화합물을 일정량씩 믹서기로 공급하는 단계(S11)와, 글라스버블 공급부의 호퍼를 통해 글라스버블을 일정량씩 진동발생기로 이송하는 단계(S12)와, 상기 진동발생기에서 정해진 주파수 대역으로 진동을 발생시켜 글라스버블을 일정량씩 믹서기로 공급하는 단계(S13), 및 상기 믹서기에서 혼합된 이소시아네이트 함유 화합물과 글라스버블의 혼합물을 정해진 압력으로 펌핑하여 폴리올 함유 화합물과 발포제의 혼합물로 공급하는 단계(S14)를 포함하는 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 S13 단계에서 진동발생기의 상측에서 송풍기로 공기를 배출하여 글라스버블에 혼입된 먼지와 이물질을 제거하는 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 S3 단계를 수행할 때 보강섬유매트 상에 고분자 혼합물을 함침하고 발포 성형하여 폴리우레탄 폼 단열재에 보강섬유매트를 일체로 매설하는 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 S3 단계를 수행하기 전에 보강섬유매트를 복수의 천공니들이 구비되어 있는 천공기로 가압하여 고분자 혼합물이 침투할 수 있는 복수의 천공홀을 관통되게 형성하고, 복수의 천공홀이 형성된 복수의 보강섬유매트를 상하방향으로 배치되어 있는 가압롤러를 통과시키면서 적층 및 압착하는 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 천공기의 천공니들로 보강섬유매트를 가압하여 천공홀을 형성할 때 천공니들을 전후 또는 좌우로 이동시키면서 천공홀을 형성하는 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020210024802A KR20220120962A (ko) | 2021-02-24 | 2021-02-24 | 글라스버블이 합성된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재 및 그 제조방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210024802A KR20220120962A (ko) | 2021-02-24 | 2021-02-24 | 글라스버블이 합성된 극저온용 폴리우레탄 폼 단열재 및 그 제조방법 |
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ID=83061601
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| KR (1) | KR20220120962A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170104884A (ko) | 2016-03-08 | 2017-09-18 | 대우조선해양 주식회사 | 글라스 버블 혼성 구조의 고난연성 코팅제 |
| KR102015093B1 (ko) | 2017-11-21 | 2019-08-27 | 부산대학교 산학협력단 | 극저온 단열재의 제조방법 |
-
2021
- 2021-02-24 KR KR1020210024802A patent/KR20220120962A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
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| KR102015093B1 (ko) | 2017-11-21 | 2019-08-27 | 부산대학교 산학협력단 | 극저온 단열재의 제조방법 |
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