KR20230054274A - 에어로겔 파우더의 물리적인 친수화 코팅 방법 - Google Patents

에어로겔 파우더의 물리적인 친수화 코팅 방법 Download PDF

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KR20230054274A
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 소수성 에어로겔 표면을 일시적으로 친수화 코팅하여 기공구조를 유지하면서 친수성 수지 내 균일한 분산을 가능하게 하고, 이와 동시에 낮은 밀도를 보유하여 친수성 수지와의 혼합을 위한 교반 수행 시 분진이 발생하는 문제를 해결하여 작업환경의 개선이 가능함에 따라 에어로겔이 가진 우수한 특성을 충분히 이용하여 다양한 산업분야로 활용도를 제고할 수 있는 소수성 에어로겔 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

소수성 에어로겔 및 이의 제조방법{A hydrophobic aerogel coated with hydrophilicity and and method for manufacturing the same}
본 발명은 소수성 에어로겔 및 이의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 물리적으로 친수화된 코팅층을 가지는 소수성 에어로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
에어로겔(Aerogel)은 현재까지 알려진 고체 중에서 가장 높은 기공률을 갖는 고다공성 물질로서, 대표적인 무기 에어로겔인 실리카 에어로겔은 실리카 전구체 용액을 졸-겔 중합 반응시켜 겔을 만든 후, 초임계조건 혹은 상압 조건 하에서 건조하여 공기가 가득차 있는 기공구조의 에어로겔을 얻을 수 있다. 따라서, 내부 공간의 대부분이 비어 있는 독특한 기공구조로 인해 에어로겔이 관심을 끌고 있는 단열성, 저경량, 흡음성, 저유전율 등의 물성이 발현되어 차세대 신소재로 각광을 받고 있다.
특히 에어로겔은 에어로겔은 나노 기공구조로 인한 넓은 비표면적, 낮은 밀도, 높은 내열성 및 열안정성 등의 특성을 가짐에 따라 단열 소재에 적용하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나, 위와 같은 에어로겔의 독특한 기공구조로 인하여 발현되는 우수한 물성에도 불구하고 다음과 같은 문제가 있어서 단열 소재로의 활용에 제한이 따른다.
첫번째, 일반적으로 에어로겔은 상압건조를 통한 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하는 소수성 에어로겔로 생산되고 있는데, 이러한 소수성 에어로겔은 친유성 바인더와는 혼합 및 분산성이 우수하나, 친유성 바인더의 기공구조로의 침투로 기공구조가 붕괴되는 문제가 있다. 즉 상기 에어로겔은 독특한 기공구조로부터 우수한 물성이 발현되는데, 이러한 기공구조의 붕괴는 물성의 저하를 유발하는 문제가 있다.
두번째 상기 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하는 소수성 에어로겔은 친수성 코팅성분과의 혼합으로 에어로겔 특유의 우수한 단열성 확보는 가능하나, 소수성을 가지는 에어로겔과 친수성 코팅성분은 표면 특성 차이로 인하여 혼합 및 분산이 어려워서 목적하는 에어로겔의 우수한 물성을 충분히 이용하기 어려우면, 분진이 발생하는 등 작업자의 안전을 위협하는 문제가 있다.
세번째, 상술한 문제를 극복하기 위하여 소수성 에어로겔을 친수화하는 방법이 소개되었으나 친수성 코팅성분과의 혼합은 별론, 에어로겔 특유의 물성을 유지하는데 한계가 있다. 구체적으로 광경화제, 열경화제, 유기 바인더 또는 유기 고분자등의 유기물질 등의 다양한 첨가제들을 이용하는 친수화 방법들이 존 재하지만 상기 첨가제들로 인해 에어로겔의 공극이 막히게 되는 등 에어로겔 기공구조에 영향을 주는 방법으로 에어로겔의 물성을 저하시키는 문제가 있다.
이에 따라, 에어로겔이 가진 우수한 물성을 충분히 이용하여 다양한 산업분야로 활용도를 제고할 수 있도록 소수성 에어로겔 표면을 일시적으로 친수화 코팅하여 기공구조를 유지하면서 친수성 수지 내에서 고분산될 수 있는 에어로겔에 대한 연구가 시급한 실정이다.
특허공개공보 10-2016-0141669 (2016년12월09일)
본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 친수성 수지 내에서 혼합되는 소수성 에어로겔의 분진 발생을 억제하여 작업환경을 개선함과 동시에, 소수성 에어로겔 표면을 일시적으로 친수화 코팅하여 기공구조를 유지하면서 친수성 수지 내에서 고분산이 가능함에 따라 에어로겔이 가진 우수한 특성을 충분히 이용하여 다양한 산업분야로 활용도를 제고할 수 있는 에어로겔 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 (1) 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하는 소수성 에어로겔을 준비하는 단계 및 (2) 상기 소수성 에어로겔를 실리케이트계 고형분을 포함하는 친수성 코팅성분과 혼합하여 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자 각각에 친수성 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 친수화된 소수성 에어로겔의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (2) 단계의 소수성 에어로겔 및 친수성 코팅성분은 1: 0.4 내지 0.95 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (2) 단계는 10,000 ~ 30,000 rpm으 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔은 0.01 ~ 0.20 g/cm3의 탭밀도를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔은 하기 관계식 1 및 2를 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
(1) 1 ~ 100 ㎛의 크기
(2) 100 ~ 20,000 m2/g의 비표면적
또한 본 발명은 상술한 소수성 에어로겔의 제조방법으로 제조한 소수성 에어로겔을 준비하는 단계 및 상기 소수성 에어로겔를 친수성 수지에 분산시키는 단계를 포함하며, 상기 소수성 에어로겔은 상기 친수성 수지에 연화도 게이지 7 이상 및 5,000 ~ 30,000 cps의 점도를 가지도록 고분산된 단열 소재의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하되, 상기 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자가 다공성 구조를 형성하고, 다공성 구조를 형성하는 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자 외부 표면 각각에 친수성 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔을 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 0.1 내지 1.0 g/cm3의 탭밀도를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 수분 접촉각이 100°이하일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 소수성 에어로겔 및 친수성 수지를 포함하는 단열 소재를 제공한다.
본 발명에 따르면 추가적인 공정의 도입 없이 소수성 에어로겔 표면을 일시적으로 친수화 코팅하여 기공구조를 유지하면서 친수성 수지 내 균일한 분산을 가능하게 하고, 이와 동시에 낮은 밀도를 보유하여 친수성 수지와의 혼합을 위한 교반 수행 시 분진이 발생하는 문제를 해결하여 작업환경의 개선이 가능함에 따라 에어로겔이 가진 우수한 특성을 충분히 이용하여 다양한 산업분야로 활용도를 제고할 수 있다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 미세 에어로겔 분말 입자를 나타내는 도면이다.
도 2은 본 발명에 일 실시예에 따른 소수성 에어로겔의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 에어로겔의 FT-IR 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 에어로겔의 접촉각을 나타내는 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 친수화 코팅된 에어로겔의 밀도 결과를 나타내는 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 에어로겔의 분산성을 나타내는 이미지이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 대한 분산성을 나타내는 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 소수성 에어로겔의 분산성을 테스트하기 위한 장치를 나타내는 이미지이다.
도 9 및 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 소수성 에어로겔의 분산성을 테스트한 결과를 나타내는 이미지이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
종래 소수성 에어로겔을 친수화 하는 방법에 따르면 에어로겔의 독특한 기공구조를 유지할 수 없어서 에어로겔이 가진 물성을 충분히 이용하지 못하거나, 친수성 수지와의 용이하게 분산되지 않는 문제가 있었고, 제조 과정에서의 분진이 발생하는 등 부차적인 문제도 존재하였다.
이에 본 발명은 (1) 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하는 소수성 에어로겔을 준비하는 단계 및 (2) 상기 소수성 에어로겔를 실리케이트계 고형분을 포함하는 친수성 코팅성분과 혼합하여 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자 각각에 친수성 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 친수화된 소수성 에어로겔의 제조방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
이를 통해, 추가적인 공정의 도입 없이 소수성 에어로겔 표면을 일시적으로 친수화 코팅하여 기공구조를 유지하면서 친수성 수지 내 균일한 분산을 가능하게 하고, 이와 동시에 낮은 밀도를 보유하여 친수성 수지와의 혼합을 위한 교반 수행 시 분진이 발생하는 문제를 해결하여 작업환경의 개선이 가능함에 따라 에어로겔이 가진 우수한 특성을 충분히 이용하여 다양한 산업분야로 활용도를 제고할 수 있는 소수성 에어로겔을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 '복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자'란 도 1에 도시된 것과 같은 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자가 응집하여 기공을 형성하는 구조를 의미하는 것이고, '에어로겔'이란 상기 미세 에어로겔 분말 입자들이 응집하여 기공을 형성하는 구조들로 구성된 집합체를 의미한다.
이하 도면은 참조하여 본 발명에 따른 소수성 에어로겔의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 소수성 에어로겔의 제조방법은 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하는 소수성 에어로겔을 준비하는 (1) 단계를 포함한다.
상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔은 특별히 한정되지 않는 것으로, 본 발명의 목적에 부합하는 공지의 통상적인 소수성 에어로겔이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 실리카 에어로겔, 탄소 에어로겔, 티타니아 에어로겔, 알루미나 에어로겔 중 1종 또는 그 이상의 단독 및 혼합 소수성 에어로겔을 사용할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 소수성 에어로겔은 습윤겔 제조시 에어로겔 전구체와 소수화제를 반응시키거나 혹은 별도의 습윤겔을 제조한 후 이를 소수화제와 반응시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 습윤겔은 에어로겔 전구체와 물의 반응에 의한 가수분해, 축합반응 및 숙성을 거친 후, 반응용매속에 잠겨있는 건조직전의 상태를 의미하는데, 이와 같은 습윤겔은 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적으로 사용되는 졸-겔화 공정에 의해 에어로겔 전구체로부터 얻어지며, 상기 에어로겔 전구체로는 금속 알콕사이드 또는 물유리가 사용될 수 있다.
금속 알콕사이드로는 특히 제한하는 것은 아니지만, 상기 금속알콕사이드로는 테트라알콕시실란(예를들어, 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시실란(TMOS), 메틸트리에틸 오르소실리케이트(methyl triethyl orthosilicate), 디메틸디에틸 오르소실리케이트(dimethyl diethyl orthosilicate), 테트라프로필 오르소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate), 테트라이소프로필 오르소실리케이트(tetraisopropyl orthosilicate), 테트라부틸 오르소실리케이트 (tetrabutyl orthosilicate), 테트라세컨드리부틸 오르소실리케이트(tetra secondary butyl orthosilicate), 테트라터셔리부틸 오르소실리케이트(tetra tertiary butyl orthosilicate), 테트라헥실오르 소실리케이트(tetrahexyl orthosilicate), 테트라시클로헥실오르소실리케이트(tetracyclohexyl orthosilicate), 테트라도데실 오르소실리케이트(tetradodecyl orthosilicate) 등과 같은 테트라알킬실리케이트 화합물이거나 물유리(Na2SiO3) 또는 알킬기가 1개 내지 6개인 탄소원자를 갖는 금속 알콕사이드를 사용할 수 있다.
다음 상기 소수화제는 상기 습윤겔을 실릴화하여 소수성을 부여할 수 있는 공지의 통상적인 소수성 에어로겔을 제조하기 위한 물질을 사용할 수 있고, 이에 비제한적인 예로. 상기 소수화제는 트리메틸클로로실란(trimethylchlorisilane,TMCS), 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane,HMDS), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 트리메틸에톡시실란(trimethylethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane) 중에서 선택된 소수성(hydrophobic property)을 가지는 어느 하나 이상의 오르가노실란계 화합물이 사용될 수 있다.
이와 같은 소수화제는 소수화제 1-30중량% 및 알코올 70-99중량%를 혼합하여 형성된 희석된 소수화제에 상기 습윤겔을 2-24시간동안 환류(reflux)시켜 소수성을 부여할 수 있다. 이후 수분 및 반응잔류물을 제거하고 건조시킴으로써 상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔을 준비할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 친수화 코팅된 소수성 에어로겔 제조를 위해 상기 (1) 단계에서 준비하는 소수성 에어로겔은 0.01 ~ 0.20 g/cm3의 탭밀도를 가질 수 있고 보다 바람직하게는 0.02 ~ 0.18 g/cm3의 탭밀도를 가질 수 있다. 소수성 에어로겔의 탭밀도는 기공률을 의미하며 이때 만일 상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔의 탭밀도가 0.01 g/cm3 미만일 경우 혼합과정에서 비산 또는 응집되는 문제가 있을 수 있고, 또한 만일 상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔의 탭밀도가 0.20 g/cm3을 초과하는 경우 도료의 내화성능 및 단열성능이 저조할 수 있다는 문제가 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 친수화 코팅된 소수성 에어로겔 제조를 위해 상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔은 하기 관계식 1 및 2를 만족할 수 있다.
(1) 1 ~ 100 ㎛의 크기
(2) 100 ~ 20,000 m2/g의 비표면적
상기 관계식 1에 따른 소수성 에어로겔의 크기 및 상기 관계식 2에 따른 소수성 에어로겔의 비표면적 조건을 충족하는 경우 에어로겔의 기공구조가 차지하는 부피로 인하여 낮은 열전도도 및 향상된 단열효과를 나타낼 수 있다
다음, 본 발명에 따른 소수성 에어로겔의 제조방법은 소수성 에어로겔을 실리케이트계 고형분을 포함하는 친수성 코팅성분과 혼합하여 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자 각각에 친수성 코팅층을 형성시키는 (2) 단계를 포함한다.
일반적으로 에어로겔은 나노 기공구조로 인한 넓은 비표면적, 낮은 밀도, 높은 내열성 및 열안정성 등의 특성을 가지기 때문에, 특히 다양한 단열 소재에 적용하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 소수성의 에어로겔은 친유성 바인더와 혼합시 분산성 우수하지만, 친유성 바인더가 에어로겔의 기공구조로 침투를 하는 경우 기공구조가 붕괴되어 에어로겔이 단열성을 유지하지 못하는 문제가 있다. 또한, 소수성의 에어로겔의 친수성 코팅성분과의 혼합은 에어로겔의 단열 특성 확보는 가능하나, 표면 특성 차이로 혼합 및 분산이 힘들다는 단점이 존재한다.
이를 극복하기 위해 다양한 첨가제들을 이용하는 친수화 방법들이 존 재하지만 모두 에어로겔 기공구조에 영향을 주는 방법으로 에어로겔의 물성을 저하시키는 문제가 유발하게 된다. 예를 들어, 소수성 에어로겔에 대한 열처리를 수행하여 에어로겔 미세 입자 표면의 메틸기의 제거를 통하여 친수화시키는 방법이 있으나, 고온의 환경에서 진행됨에 따라 기공구조의 붕괴가 유도될 수 있다. 나아가, 계면활성제 또는 알코올은 친수성 및 소수성을 갖는 양친성 그룹을 보유한 물질로 소수성의 에어로겔을 친수성의 수지에 분산이 가능하도록 하지만, 소수성 에어로겔과 친수성 수지의 혼합시 계면활성제 또는 알코올이 에어로겔의 기공구조에 침투하여 에어로겔의 기공구조가 붕괴됨에 따른 물성 저하가 야기되어 당초 목적하는 에어로겔의 단열소재의 특성을 충분히 이용하지 못하는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 소수성 에어로겔에 계면활성제나 알코올과 같은 추가적인 첨가제의 도입 없이 친수성 코팅성분을 이용하여 일시적으로 친수화 코팅을 함으로써 친수성 수지와 혼합시 에어로겔 분말이 높은 함량으로 첨가되더라도 분산성이 우수하도록 하고, 분진의 발생을 최소화시켜 작업 환경의 개선이 가능하게 하는 일시적 친수화 코팅 방법을 제공하여 상술한 문제를 해결하였다.
보다 구체적으로 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 소수성 에어로겔에 포함되는 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자 친수성 코팅층을 형성하기 위하여, 실리케이트계 고형분을 포함하는 친수성 코팅성분을 상기 (1) 단계에서 수득한 소수성 에어로겔 및 용매 잔량과 혼합한다.
상기 실리케이트계 고형분을 포함하는 상기 친수성 코팅성분은 본 발명에 목적에 부합하는 공지의 통상적인 실리케이트계 고형분을 포함하는 친수성 코팅성분이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 규산나트륨, 규산칼륨, 산화규소, 실리콘화합물의 고형분 함량이 20 내지 50 wt%인 친수성 코팅성분을 사용할 수 있다.
이때 상기 소수성 에어로겔 및 친수성 코팅성분은 1: 0.4 내지 0.95 중량비로 혼합될 수 있고 바람직하게는 1: 0.5 내지 0.9 중량비로 혼합될 수 있다. 이때 만일 상기 친수성 코팅성분이 0.4 중량비 미만으로 포함되는 경우 에어로겔의 일부만 코팅이 진행되는 문제가 있을 수 있고, 또한 만일 상기 친수성 코팅성분 0.95 중량비를 초과하는 경우 에어로겔이 바인더에 혼합되는 문제가 있을 수 있다.
또한 상기 (2) 단계는 교반기를 통해 10,000 ~ 30,000 rpm으로 고속 혼합될 수 있다. 이때 10,000 rpm 미만일 경우 코팅이 진행되지 않는 문제가 있을 수 있고 30,000 rpm을 초과하는 경우 에어로겔의 기공률을 저하시키는 문제가 있을 수 있다.
이와 같이 상기 (2) 단계를 통해 상기 소수성 에어로겔에 포함된 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자에 친수성 코팅층을 형성시키는 경우 친수성 물질에 보다 용이하게 분산될 수 있다. 보다 구체적으로 도 3을 참조하면, 400 cm-1 및 1100 cm-1 부근에서 Si-O-Si 결합이 관찰되며 750 - 850 cm-1 및 1300 cm-1 부근에서 Si-CH3 결합, 그리고 3000 cm-1에서 C-H 피크가 관찰되어 소수성의 특성을 보임을 확인하였고, 물리적인 친수화 코팅 이후 1600 cm-1, 2800 cm-1 - 3600 cm-1 부근에서 broad한 O-H 피크가 관찰되어 본 발명에 따른 소수성 에어로겔의 친수화가 이루어짐을 알 수 있다.
또한 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 소수성 에어로겔에 포함된 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자에 친수성 코팅층이 형성한 경우 수분 접촉각이 100° 이하임을 알 수 있다. 이에 반하여, 상기 소수성 에어로겔에 포함된 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자에 친수성 코팅층을 형성하지 않은 접촉각이 훨씬 큰 135°인 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명은 추가적인 공정의 도입 없이 소수성 에어로겔 표면을 일시적으로 친수화 코팅하여 기공구조를 유지하면서 친수성 수지 내 균일한 분산을 가능하게 하고, 이와 동시에 낮은 밀도를 보유하여 친수성 수지와의 혼합을 위한 교반 수행 시 분진이 발생하는 문제를 해결하여 작업환경의 개선이 가능함에 따라 에어로겔이 가진 우수한 특성을 충분히 이용하여 다양한 산업분야로 활용도를 제고할 수 있다.
한편, 본 발명은 소수성 에어로겔을 준비하는 단계 및 상기 소수성 에어로겔를 친수성 수지에 분산시키는 단계를 포함하며, 상기 소수성 에어로겔이 상기 친수성 수지에 고분산된 단열 소재의 제조방법을 제공한다.
일반적으로 단열 소재는 원자재의 노화, 산화 등을 방지하고 수명을 연장시키며, 방수, 방오, 내화, 전자파 차폐, 단열 등의 특수 목적에 부합한 기능성을 가지는 도료 조성물을 통해 제조하는데, 본 발명은 이와 같은 도료의 단열 특성을 향상시키기 위한 목적으로 상술한 소수성 에어로겔 및 친수성 수지를 혼합시킨 단열소재를 제공한다.
즉 본 발명은 단열, 방음, 미화, 내후성, 내구성, 내화학성, 항바이오성, 표면의 친수화/소수화 등의 기능화를 위해 도료 조성물에 첨가되는 에어로겔의 표면을 계면활성제나 알코올과 같은 추가적인 첨가제의 도입 없이 친수성 코팅성분을 이용하여 일시적으로 친수화 코팅을 함으로써 수지와 혼합시 에어로겔 분말이 높은 함량으로 첨가되더라도 분산성이 우수하도록 하고, 분진의 발생을 줄여 작업 환경의 개선이 가능하게 하는 일시적 친수화 코팅 방식 및 이의 제조 방법을 제공한다.
이에 따라 본 발명에 따른 상기 소수성 에어로겔은 상기 친수성 수지에 연화도 게이지 7 이상 및 5,000 ~ 30,000 cps의 점도를 가지도록 고분산된다. 즉 본 발명에 따른 상기 소수성 에어로겔은 친수성 수지에 도 6과 같이 60초 이내로 혼합 및 분산이 되는 것을 확인할 수 있으나, 친수화 코팅을 수행하지 않은 에어로겔의 경우 동일한 조건에서 혼합 및 분산을 수행하여도 도 7과 같이 전혀 혼합이 되지 않고 분진 발생으로 작업환경이 열악해짐을 확인할 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 친수성 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔에 대하여 설명한다. 다만 중복을 피하기 위하여, 상술한 소수성 에어로겔의 제조방법과 기술적 사상과 동일한 부분에 대하여는 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 친수성 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔은 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하되, 상기 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자가 다공성 구조를 형성하고, 다공성 구조를 형성하는 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자 외부 표면 각각에 친수성 코팅층을 포함한다.
이때 상기 친수성 코팅층은 본 발명의 목적에 부합하는 나노 사이즈의 두께를 가질 수 있는데, 이와 같은 친수성 코팅층은 소수성 에어로겔의 일시적인 친수성을 부여하여 친수성 수지에 대한 분산 및 혼합을 보다 용이하게 할 수 있다.
또한 상기 친수성 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔은 0.1 내지 1.0 g/cm3의 탭밀도를 가질 수 있으며, 상기 친수성 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔은 수분 접촉각이 100°이하일 수 있다.
한편 본 발명은 상술한 친수화 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔 및 친수성 수지를 포함하는 단열 소재를 제공하며, 상기 친수성 코팅층이 형성된 소수성 에어로겔은 친수성 수지에 연화도 게이지 7 이상 및 5,000 ~ 30,000 cps의 점도를 가질 수 있다
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
실시예 1 - 친수화 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔의 제조
규산나트륨, 규산칼륨, 산화규소, 실리콘화합물의 고형분 함량이 20 ~ 50 중량%를 가진 친수성 무기 바인더와 실리카 에어로겔 분말을 300 ml의 혼합 용기에서 5,000 ~ 30,000 rpm 또는 100 ~ 1,000 G(중력가속도)로 10 분 이내로 선혼합을 진행하여 에어로겔 분말 입자 외부 표면에 친수성 코팅을 하였다. 이때, 수성 바인더와 전체 에어로겔을 0.8 : 1 중량비로 투입하여 진행하였다. 그 후, 상기 친수화 코팅된 에어로겔 분말을 여분의 바인더, 용제 1~10 부피%, pH 조절제 0.1~1부피%, 분산제 0.1~2 부피%를 혼합한 용액에 disk형의 impeller를 이용하여 500~3,000 rpm에서 60초 이내로 혼합되어 액상 도료를 얻었다. 친수성 코팅으로 인한 탭밀도 상승 및 친수 용액과의 높은 혼합성으로 분진이 발생하지 않았다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 제조하되, 친수성 코팅을 진행하지 않은 실리카 에어로겔 분말 54 부피%를 친수성 무기바인더 36 부피%, 용제 1~10 부피%, pH 조절제 0.1~1 부피%, 분산제 0.1~2 부피%를 추가로 혼합한 용액에서 disk형의 impeller를 이용하여 500~3,000 rpm에서 10 분 이상을 혼합하였지만 실리카 에어로겔 표면의 소수성으로 인해 친수성 무기바인더와의 낮은 혼합성으로 층분리가 발생하였고, impeller의 회전 및 와류 형성으로 인하여 분진이 발생하였다.
실험예 1 - 탭 밀도 및 접촉각 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 소수성 에어로겔을 탭밀도 측정 장비를 이용하여 탭 밀도를 측정하여 도 5에 나타내었으며, 물 접촉각 측정 장비를 이용하여 접촉각을 측정하고 도 4에 나타내었다.
실시예에서는 0.164 g/cm3 로 에어로겔의 기공구조가 보존된 상태로 친수화 코팅이 이루어졌음을 알 수 있으나, 비교예의 경우 친수화 코팅처리를 진행하지 않은 에어로겔로 0.09 g/cm3의 밀도를 보유하고 있다.
또한 실시예의 경우 90°의 수분 접촉각을 나타내었으나, 비교예의 경우 135°의 수분 접촉각을 나타냄을 알 수 있다.
실험예 2 - 표면특정 분석
실시예 및 비교예에서 제조된 소수성 에어로겔을 FT-IR 장비를 통하여 표면 특성을 분석하여 이를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 400 cm-1 및 1100 cm-1 부근에서 Si-O-Si 결합이 관찰되며 750 - 850 cm-1 및 1300 cm-1 부근에서 Si-CH3 결합, 그리고 3000 cm-1에서 C-H 피크가 관찰되어 소수성의 특성을 보임을 확인하였고, 물리적인 친수화 코팅 이후 1600 cm-1, 2800 cm-1 - 3600 cm-1 부근에서 broad한 O-H 피크가 관찰되어 에어로겔의 친수화가 이루어짐을 알 수 있다.
실험예 3 - 분산능 평가 1
실시예 1에 따른 소수성 에어로겔은 액상 도료 제조 시 수성 바인더에 500 ~ 3,000 rpm의 overhead stirrer를 이용하여 분산할 경우 도 6과 같이 60초 이내로 혼합 및 분산이 되는 것을 확인할 수 있으나, 친수화 코팅을 수행하지 않은 에어로겔의 경우 동일한 조건에서 혼합 및 분산을 수행하여도 도 7과 같이 전혀 혼합이 되지 않고 분진 발생으로 작업환경이 열악해짐을 확인할 수 있다.
실험예 4 - 분산능 평가 2
상기 실시예 1 및 비교예 1에 대하여 도 8에 따른 hegman 분산능 테스트를 진행하였다.
도 9을 참조하면, 친수화 코팅을 진행한 실시예 1에 경우 친수성 바인더와의 높은 혼합성 및 분산성으로 인하여 60초 이내로 혼합 및 분산이 되고 분산도 측정 시 7 hegman 이상의 높은 값이 확인되었다.
그러나 친수화 코팅을 진행하지 않은 비교예 1의 경우 도 10과 같이 친수성 바인더와의 낮은 혼합성 및 분산성으로 인하여 혼합이 되지 않고 분산도 측정 시 hegman 값이 측정되지 않는 것을 알 수 있다.
상기 실험예 1 내지 4를 종합하면, 본 발명에 따른 친수성 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔은 단열 도료 제조에 사용되는 친수성 수지와의 분산성 및 복합 성능을 크게 향상시킬 수 있고 응집을 방지하여 우수한 저장성을 나타낸다. 뿐만 아니라 이를 실제 현장에서 혼합할 경우 분말이 거의 부유하지 않으므로 사용 환경 개선에 효과적이다. 즉 본 발명은 에어로겔의 혼합 및 분산성 향상을 통해 에어로겔만이 가질 수 있는 다양한 잠재 특성을 구현하여 고온 안정성, 내식성, 단열성 등을 극대화하고 단열도료의 대량 생산을 가능하게 하며 기존의 복합 기술이 구현하지 못했던 극한 물성을 효과적으로 제시할 수 있다.

Claims (10)

  1. (1) 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하는 소수성 에어로겔을 준비하는 단계; 및
    (2) 상기 소수성 에어로겔를 실리케이트계 고형분을 포함하는 친수성 코팅성분과 혼합하여 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자 각각에 친수성 코팅층을 형성시키는 단계; 를 포함하는 친수화된 소수성 에어로겔의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 소수성 에어로겔 및 친수성 코팅성분은 1: 0.4 내지 0.95 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 소수성 에어로겔의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계는 10,000 ~ 30,000 rpm으로 혼합하는 것을 특징으로 하는 소수성 에어로겔의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔은 0.01 ~ 0.20 g/cm3의 탭밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 소수성 에어로겔의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (1) 단계의 소수성 에어로겔은 하기 관계식 1 및 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 소수성 에어로겔의 제조방법.
    (1) 1 ~ 100 ㎛의 크기
    (2) 100 ~ 20,000 m2/g의 비표면적
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 소수성 에어로겔의 제조방법으로 제조한 소수성 에어로겔을 준비하는 단계; 및
    상기 소수성 에어로겔를 친수성 수지에 분산시키는 단계; 를 포함하며,
    상기 소수성 에어로겔은 상기 친수성 수지에 연화도 게이지 7 이상 및 5,000 내지 30,000 cps의 점도를 가지도록 고분산된 단열 소재의 제조방법.
  7. 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자를 포함하되,
    상기 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자가 다공성 구조를 형성하고,
    다공성 구조를 형성하는 복수 개의 미세 에어로겔 분말 입자 외부 표면 각각에 친수성 코팅층을 포함하는 소수성 에어로겔.
  8. 제7항에 있어서,
    0.1 내지 1.0 g/cm3의 탭밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 소수성 에어로겔.
  9. 제7항에 있어서,
    수분 접촉각이 100°이하인 친수화된 소수성 에어로겔의 제조방법.
  10. 제7항 내지 9항 중 어느 한 항에 따른 소수성 에어로겔 및 친수성 수지를 포함하는 단열 소재.
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