KR20240019096A

KR20240019096A - 개선된 재료 효율을 갖는 미세 섬유 단열 제품

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Publication number: KR20240019096A
Application number: KR1020237040912A
Authority: KR
Inventors: 래리 그랜트; 댄 거; 테노 분; 충-잉 차이; 량 천; 거트 뮐러
Original assignee: 오웬스 코닝 인텔렉츄얼 캐피탈 엘엘씨
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2022-06-03
Publication date: 2024-02-14
Also published as: US20220389193A1; BR112023022771A2; AU2022283905A1; WO2022256596A1; CN117425630A; EP4347519A1; CA3222154A1

Abstract

복수의 유리 섬유들 및 유리 섬유들을 적어도 부분적으로 코팅하는 가교결합된 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함하는, 개선된 재료 효율을 갖는 단열 제품이 개시된다. 상기 유리 섬유들은 8 HT (2.03 ㎛) 내지 15 HT (3.81 ㎛) 의 범위의 평균 섬유 직경을 갖는다. 0.2 pcf 과 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 에서, 상기 단열 제품은 다음의 식 (VII ) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는, R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성할 수 있다:
식 (VII) y = 40.1916068x2 - 120.5813540x + 129.628397.

Description

개선된 재료 효율을 갖는 미세 섬유 단열 제품

본 출원은 2021년 6월 4일에 출원된 미국 가출원 제 63/196,895 호를 우선권 주장하고 그 이익을 주장하며, 그 내용 전체가 참조로서 본원에 원용된다.

본 출원은 일반적으로 섬유유리 단열 제품에 관한 것이며, 더 상세하게는 개선된 성능 특성들을 갖는 섬유유리 단열 제품에 관한 것이다.

용어 "섬유질 단열 제품" 은 다양한 조성물, 제조 물품 및 제조 프로세스를 포함한다. 미네랄 섬유, 예를 들어, 유리 섬유 는 단열 제품 및 부직포 매트에 통상적으로 사용된다. 섬유질 단열부는 전형적으로 회전 스피너와 같은 섬유화 장치로부터 폴리머, 유리 또는 다른 미네랄 섬유의 용융된 조성물을 섬유화함으로써 제조된다. 단열 제품을 형성하기 위해서, 회전하는 스피너에 의해 생성된 섬유는 송풍기에 의해 스피너로부터 컨베이어를 향해 하향으로 당겨진다. 섬유가 하향 이동할 때, 바인더 조성물이 섬유 상에 분무되고, 섬유는 컨베이어 상에서 높은 로프트, 연속 블랭킷으로 수집된다. 섬유-바인더 매트릭스는 패키징 후 회복을 위한 탄성을 단열 제품에 제공하고 강성 및 취급성을 제공하여, 단열 제품은 건물의 단열 공동에 필요에 따라 적용 및 취급될 수 있다. 바인더 조성물은 또한 필라멘트간 마멸로부터 섬유를 보호하고, 개별 섬유들 사이의 양립 가능성을 촉진한다.

바인더-코팅된 섬유를 함유하는 블랭킷은 이후 경화 오븐을 통해 통과하고, 바인더는 블랭킷을 원하는 두께로 설정하도록 경화된다. 바인더 조성물이 경화된 후, 섬유 단열부는 개별 단열 제품을 형성하기 위한 길이로 절단될 수 있으며, 단열 제품은 고객 위치로 배송하기 위해 패키징될 수 있다. 제조된 하나의 전형적인 단열 제품은 단열 배트 (batt) 또는 블랭킷 (blanket) 이며, 이는 주거용 주택 또는 다른 건물에서 공동 (예를 들어, 벽, 바닥, 천장) 단열부로서 사용하기에 적합하고, 또한 건물의 다락 (attic) 또는 다른 부분을 단열하는데 사용될 수 있다. 이러한 배트 또는 블랭킷은 전형적으로 비교적 가요성이거나 롤링가능할 수 있는 단일 구조체이다. 또 다른 일반적인 단열 제품은 에어-블로잉된 (air-blown) 또는 루스-필 (loose-fill) 단열 제품인데, 이는 접근하기 어려운 장소 뿐만 아니라 주거용 및 상업용 건물의 측벽 및 다락 단열 제품로서 사용하기에 적합하다. 이러한 루스-필 단열부는 종종 비교적 작은 별개의 피스 (discrete piece), 터프트(tuft) 등으로서 형성되는데, 이는 바인더가 그에 적용되거나 적용되지 않을 수 있다. 루스-필 단열부는 단열 블랭킷으로부터 절단되어 압축되고 백에 패키징된 작은 큐브들로 형성될 수 있다.

열 단열 재료의 단열 성능은 주로 재료의 두께를 그 열 전도도 (k)로 나눈 비에 의해 결정되는데, 이는 단열부의 한 측면으로부터 다른 측면으로 온도가 1도 오르거나 내려가도록 하기 위해 1인치 두께 단열부의 1 제곱피트를 통해 전달될 열의 양 (시간당 BTU 단위) 을 측정한다. 두께가 두꺼울수록, 그리고 k-값이 낮을수록, 재료의 단열 성능이 더 양호하다.

건축용 제품에 대한 섬유질 단열부는 벽 및 천장 공동에서 효과적인 단열체가 되기 위해 낮은 열 전도도를 요구한다. 일반적으로 제품 중량을 감소시키는 것은 열 성능에 부정적인 영향을 미치지만, 전체 제품 중량을 감소시키는 것이 또한 바람직하다. 특히, 종래에는 약 4 미크론 (1 미크론이 3.94X10^-5 인치 또는 HT 와 동일함) 이상의 평균 섬유 직경을 갖는, 섬유질 단열 제품을 형성하는 데 사용되는 섬유의 직경을 감소시킴으로써 제품 중량을 감소시키려는 시도가 행해졌다.

그러나, 섬유 직경의 이러한 감소는 전통적으로 특정 면적 중량 및 제품 두께에서 제품의 단열 값 (R-값)에 부정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 단열 제품의 평균 섬유 직경을 4 미크론 미만으로 감소시키는 것은 이전에 실용적이지 않았는데, 왜냐하면 그러한 제품은 여전히 경제적이면서도 성능 요건을 충족시킬 수 없었기 때문이다. 따라서, 열 성능과 같은 필요한 성능 요건들을 효과적으로 충족시키고, 또한 전체 재료 효율을 개선할 수 있는 4 미크론보다 얇은 섬유들로부터 형성된 단열 제품들에 대한 충족되지 않은 필요성이 존재한다.

본 발명 컨셉의 다양한 양태는 복수의 유리 섬유들 및 상기 유리 섬유들을 적어도 부분적으로 코팅하는 가교결합된 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함하는 개선된 재료 효율을 갖는 단열 제품에 관한 것이며, 상기 단열 제품은 길이, 폭 및 두께를 갖고, 상기 길이는 상기 폭 및 상기 두께 각각보다 크다. 유리 섬유는 12 HT (3.05 ㎛) 내지 14.5 HT (3.68 ㎛) 의 범위를 포함하는, 8 HT (2.03 ㎛) 내지 15 HT (3.81 ㎛) 범위의 평균 섬유 직경을 갖는다. 이러한 또는 다른 실시예에서, 단열 제품은 8 중량% 이하의 바인더 함량 (LOI) 을 가질 수 있다.

본 명세서에 개시된 임의의 예시적인 실시예에서, 0.2 pcf 과 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 에서, 상기 단열 제품은 다음의 식 (VII) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는, R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성할 수 있다:

식 (VII) y = 40.1916068x2 - 120.5813540x + 129.628397.

본원에 개시된 임의의 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 0.7 pcf 와 1.0 pcf 사이를 포함하는, 0.5 pcf 내지 1.35 pcf 범위의 밀도 (x) 를 가질 수 있다.

본원에 개시된 임의의 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 길이, 폭 및 두께를 포함할 수 있고, 상기 길이는 상기 폭 및 상기 두께 각각보다 더 크고, 상기 유리 섬유들의 적어도 30 중량% 는 상기 단열 제품의 길이에 평행한 평면의 +/- 15° 내에 배향된다.

일부 예시적인 실시예에서, 상기 단열 제품에서의 상기 유리 섬유들의 적어도 15 중량% 가 상기 단열 제품에서의 적어도 하나의 다른 유리 섬유와 실질적으로 평행한 배향으로 적어도 부분적으로 바인딩된다. 이들 또는 다른 예시적인 실시예에서, 유리 섬유들의 적어도 40 중량% 는 단열 제품의 길이에 평행한 평면의 +/- 15° 내에서 배향될 수 있다.

본원에 개시된 임의의 예시적인 실시예에서, 가교결합 전에, 상기 포름알데히드-무함유 바인더 조성물이 상기 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 적어도 45 중량% 의 조합된 양으로 적어도 하나의 단량체성 폴리올 및 폴리카복실산을 포함한다.

추가의 예시적인 실시예는 15 HT (3.81 ㎛) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 유리 섬유들 및 유리 섬유들을 적어도 부분적으로 코팅하는 가교결합된 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함하는 경량 단열 제품에 관한 것이고, 단열 제품은 19 내지 24 의 범위의 R-값, 0.3 lb/ft²와 0.5 lb/ft² 사이의 면적 중량 (W), 및 0.7 lb/ft³ 와 1.0 lb/ft³ 의 밀도를 갖는다. 또한, 단열 제품은 등식 (2) 에 의해 정의된, R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (ME) 을 갖는다:

등식 (2): ME = R-값/W, 여기서 ME 는 적어도 28 R·ft²/lb 이고, W 는 제곱 피트 당 파운드-질량에서 제품 면적 중량 [lb/ft²] 이다.

본원에 개시된 임의의 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 적어도 50 R·ft²/lb, 또는 적어도 60 R·ft²/lb 의 재료 효율 및 0.5 와 8.0 인치 사이 의 두께 (T₁) 를 가질 수 있다.

이들 또는 다른 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 0.55 BTU-in/(hr·ft²·℉) 이하의 열 전도도 k 값을 가질 수 있다.

임의의 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 길이, 폭 및 두께를 포함하고, 상기 길이는 상기 폭 및 상기 두께 각각보다 더 크고, 상기 유리 섬유들의 적어도 30 중량% 는 상기 단열 제품의 길이에 평행한 평면의 +/- 15° 내에 배향된다.

임의의 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 0.2 pcf 과 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 를 갖고, 다음의 식 (VI) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는, R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성한다:

식 (VI): y = 40.1916068x2 - 120.5813540x + 131.7360668.

다른 추가의 예시적인 실시예는 단열 제품의 재료 효율을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다. 방법은 복수의 유리 섬유들로 용융된 유리를 섬유화하는 단계, 수성의, 포름알데히드-무함유 바인더 조성물로 상기 유리 섬유들을 코팅하는 단계; 이동하는 컨베이어 상에 유리 섬유를 무작위로 디포짓팅 (depositing) 하여, 경화되지 않은 섬유유리 블랭킷을 형성하는 단계; 및 경화 오븐을 통해 상기 경화되지 않은 섬유유리 블랭킷을 통과시켜 상기 바인더 조성물을 가교결합하고 단열 제품을 형성하는 단계를 포함한다. 단열 제품은 길이, 폭 및 두께를 포함하고, 길이는 폭 및 두께 각각보다 크다.

유리 섬유는 8 HT (2.03 ㎛) 내지 15 HT (3.81 ㎛) 범위의 평균 섬유 직경을 갖는다. 임의의 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 0.2 pcf 과 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 를 가질 수 있고, 다음의 식 (VII) 또는 식 (VI) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는, R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성한다:

식 (VII): y = 40.1916068x2 - 120.5813540x + 129.628397.

식 (VI): y = 40.1916068x² - 120.5813540x + 131.7360668.

본원에 개시된 임의의 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 적어도 55 R·ft²/lb 의 재료 효율, 0.3 lb/ft² 와 0.5 lb/ft² 사이의 면적 중량 (W) 및 0.5 내지 8.0 인치의 두께 (T₁) 를 가질 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 아래의 설명을 읽으면 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.

도 1 은 섬유질 단열 제품의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 섬유질 단열 제품을 제조하기 위한 제조 라인의 예시적인 실시예의 입면도이다.
도 3 은 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 섬유질 단열 제품의 단면을 도시하는 주사 전자 현미경 ("SEM") 이미지이다.
도 4 는 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 섬유질 단열 제품의 단면을 예시하는 SEM 이미지이다.
도 5 는 16.7 HT 의 평균 섬유 직경 및 R-21 의 단열 값을 갖는 유리 섬유로 형성된 종래의 섬유질 단열 제품의 단면을 예시하는 SEM 사진이다.
도 6 은 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 섬유질 단열 제품의 기계 방향을 따른 단면으로부터 취해진 제품 길이 L₁ (0°) 에 평행한 평면의 +/- 15° 내에서 섬유 배향 분포의 그래픽 표현이다.
도 7 은 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 섬유질 단열 제품의 기계 방향을 따른 단면으로부터 취해진 제품 길이 L₁ (0°) 에 평행한 평면의 +/- 30° 내에서 섬유 배향 분포의 그래픽 표현이다.
도 8 은 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 섬유질 단열 제품의 기계 방향을 따른 단면으로부터 취해진 제품 길이 L₁ (0°) 에 평행한 평면의 +/- 50° 내에서 섬유 배향 분포의 그래픽 표현이다.
도 9 의 (a) 는 약 14 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 미세 섬유 단열 제품의 24 mm x 16 mm 섹션의 섬유 배향을 예시하는 SEM 이미지이다.
도 9 의 (b) 는 도 9 의 (a) 의 섬유질 단열 제품의 기계 방향을 따른 단면으로부터 취해진 제품 길이 L₁(0°) 에 평행한 평면을 기준으로 한 섬유 배향 분포 곡선 (도 단위로 측정됨) 의 그래픽 표현이다.
도 10 의 (a) 는 약 14 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 미세 섬유 단열 제품의 24 mm x 16 mm 섹션의 섬유 배향을 예시하는 SEM 이미지이다.
도 10 의 (b) 는 도 10 의 (a) 의 섬유질 단열 제품의 기계 방향을 따른 단면으로부터 취해진 제품 길이 L₁(0°) 에 평행한 평면을 기준으로 한 섬유 배향 분포 곡선 (도 단위로 측정됨) 의 그래픽 표현이다.
도 11 의 (a) 내지 도 11 의 (c) 는 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 섬유질 단열 제품에 존재하는 평행한 섬유 번들을 도시하는 SEM 이미지이다.
도 12 의 (a) 내지 도 12 의 (c) 는 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 섬유질 단열 제품에 존재하는 평행한 섬유 번들을 도시하는 SEM 이미지이다.
도 13 의 (a) 내지 도 13 의 (b) 는 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유로 형성된 예시적인 섬유질 단열 제품에 존재하는 바인더 거싯을 도시하는 SEM 이미지이다.
도 14 는 제품 밀도당 실제 열 전도도 (k-값) 곡선과 비교하여 제품 밀도당 예측된 열 전도도 (k-값) 곡선을 그래프로 도시한다.
도 15 는 제품 밀도당 실제 재료 효율 곡선과 비교하여 제품 밀도당 예측된 재료 효율 곡선을 그래프로 도시한다.
도 16 은 제품 밀도당 조절된 재료 효율 곡선과 비교하여 제품 밀도당 예측된 재료 효율 곡선을 그래프로 도시한다.

달리 규정되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 이들 예시적인 구현예들이 속한 본 기술분야의 당업자에게 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원 설명에서 사용된 용어는 단지 예시적인 실시예들의 설명을 위한 것이고 예시적인 실시예들을 제한하도록 의도된 것은 아니다. 따라서, 일반적인 본 발명의 컨셉들은 본원에 예시된 특정한 실시예들에 제한되도록 의도되지 않는다. 본원에 설명된 것과 유사하거나 또는 등가의 다른 방법들 및 재료들이 본 발명의 실시 또는 테스팅에 사용될 수 있지만, 바람직한 방법들 및 재료들은 본원에 설명된다.

명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 바와 같은, 단수 형태는 본문에 명백하게 다르게 나타내지 않는 한 또한 복수 형태들을 포함하도록 의도된다.

다르게 나타내지 않는 한, 명세서 및 청구항들에 사용된 구성성분들의 양, 화학적 및 분자적 특성들, 반응 조건들 등을 나타내는 모든 수치는 용어 “약” 에 의해 모든 경우에 변경되는 바와 같이 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 나타내지 않는 한, 명세서 및 첨부된 청구항들에 개시된 수치적 파라미터들은 본 예시적인 실시예들에 의해 얻고자 추구하는 원하는 특성들에 따라 변할 수 있는 근차치들이다. 최소한 각각의 수치적 매개변수는 유효 자릿수의 갯수와 일반적인 반올림 방식을 고려하여 해석되어야 한다.

달리 명시하지 않는 한, 임의의 요소, 특성, 특징, 또는 요소, 특성 및 특징의 조합은, 이러한 요소, 특성, 특징, 또는 요소, 특성 및 특징의 조합이 구현예에서 명시적으로 개시되었는지 여부에 관계없이, 본원에 개시된 임의의 구현예에서 사용될 수 있다. 본원에 기재된 임의의 특정한 양태와 관련하여 기재된 특징은 이러한 특징이 이들 양태와 호환 가능한 경우, 본원에 기재된 다른 양태에 적용 가능할 수 있다는 것이 용이하게 이해될 것이다. 특히, 방법과 관련하여 본원에 기재된 특징은 섬유질 제품에 적용 가능할 수 있으며, 그 반대도 가능하다; 방법과 관련하여 본원에 기재된 특징은 수성의 바인더 조성물에 적용 가능할 수 있으며, 그 반대도 가능하다; 섬유 제품과 관련하여 본원에 기재된 특징은 수성의 바인더 조성물에 적용 가능할 수 있으며, 그 반대도 가능하다.

예시적인 구현예의 넓은 범위를 설명하는 수치 범위 및 매개변수가 근사치임에도 불구하고, 특정한 예에서 설명되는 수치 값은 가능한 한 정확하게 리포팅된다. 그러나 임의의 수치적 값은 표준 필수적으로 그들의 각각의 테스팅 측정들에서 발견된 표준 편차로부터 기인하는 소정의 에러들을 고유하게 포함한다. 이러한 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐 주어진 모든 수치적 범위는 그러한 보다 협소한 수치적 범위들이 본원에 모두 명백하게 기록됨에도 불구하고 그러한 보다 넓은 수치적 범위 내에 있는 모든 보다 협소한 수치적 범위를 포함한다.

본원에서 사용된 바와 같은, 용어 "바인더 조성물", "수성의 바인더 조성물", "바인더 포뮬레이션", "바인더" 및 "바인더 시스템" 은 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 동의어이다. 또한, 본원에서 사용된 바와 같은, 용어 "포름알데히드-비함유" 또는 "무첨가 포름알데히드" 는 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 동의어이다.

모든 수치 범위는 그 범위의 외부 경계 내의 모든 가능한 증분 하위-범위를 포함하는 것으로 이해된다. 따라서, 예를 들어, 0.2 pcf 내지 2.0 pcf 의 밀도 범위는 예를 들어 0.5 pcf 내지 1.2 pcf, 0.7 pcf 내지 1.0 pcf 등을 개시한다.

"실질적으로 없는” 은 조성물이 0.8 중량% 이하, 0.6 중량% 이하, 0.4 중량% 이하, 0.2 중량% 이하, 0.1 중량% 이하, 0.5 중량% 이하, 및 0.01 중량% 이하를 포함하는, 1.0 중량% 미만의 언급된 성분을 포함하는 것을 의미한다.

여기서, 단위 "파운드" 또는 "lb"는 파운드-질량을 의미한다.

본 발명은 보다 유리한 섬유 배향 및 제품 구조체를 달성하기 위해 미세 직경의 유리 섬유 (즉, 15 HT 이하의 평균 섬유 직경을 갖는 섬유) 로 형성된 섬유유리 단열 제품에 관한 것이다. 유리섬유 단열 제품은 놀랍게도 개선된 열 성능 및 전체 재료 효율을 입증한다.

본 발명의 섬유질 단열 제품은 복수의 섬유, 예를 들어 유기 또는 무기 섬유를 포함한다. 특정한 예시적인 구현예에서, 복수의 섬유는, 비제한적으로, 유리 섬유, 유리 울 섬유, 미네랄 울 섬유, 슬래그 울 섬유, 스톤 울 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 및 이의 조합을 포함하는 무기 섬유이다.

선택적으로, 섬유는 천연 섬유 및/또는 합성 섬유, 예를 들어 탄소, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 아라미드, 및/또는 폴리아라미드 섬유를 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같은, 용어 "천연 섬유" 는, 비제한적으로, 줄기, 종자, 잎, 뿌리 또는 체관부를 포함하는 식물의 임의의 부분으로부터 추출된 식물 섬유를 의미한다. 단열 제품에서 사용하기에 적합한 천연 섬유의 예는 목질 섬유, 셀룰로오스 섬유, 짚, 나무 조각, 목질 가닥, 면, 황마, 대나무, 모시, 버개스, 대마, 코이어, 리넨, 케나프, 사이잘, 아마, 헤네켄, 및 이의 조합을 포함한다. 섬유질 단열 제품은 전체적으로 한가지 타입의 섬유로 형성될 수 있거나, 또는 섬유 타입의 조합으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 섬유질 단열 제품은 원하는 용도에 따라, 다양한 타입의 유리 섬유의 조합, 또는 상이한 무기 섬유 및/또는 천연 섬유의 다양한 조합으로 형성될 수 있다. 본원에 개시된 임의의 구현예에서, 단열 제품은 전체적으로 유리 섬유로 형성된다.

섬유질 단열 제품은 종래의 섬유유리 단열 제품에 사용되는 유리 섬유보다 작은 직경을 갖는 유리 섬유, 특히 전형적으로 16 HT 또는 18 HT 와 같은 4 ㎛ (15.7 HT) 초과의 평균 섬유 직경을 갖는 주거용 단열 제품을 사용한다. 특히, 본원에 개시되거나 제안된 예시적인 섬유질 단열 제품은, 바인더 조성물의 적용 전에, 3.76 ㎛ (14.8 HT) 이하, 3.68 ㎛ (14.5 HT) 이하, 3.61 ㎛ (14.2 HT) 이하, 3.56 ㎛ (14 HT) 이하, 3.43 ㎛ (13.5 HT) 이하, 3.30 ㎛ (13 HT) 이하, 3.18 ㎛ (12.5 HT) 이하, 및 3.05 ㎛ (12 HT) 이하의 평균 섬유 직경을 포함하는, 3.81 ㎛ (15 HT) 이하의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유를 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 3.05 ㎛ (12.0 HT) 내지 3.81 ㎛ (15.0 HT) 의 범위, 또는 3.30 ㎛ (13.0 HT) 내지 3.76 ㎛ (14.8 HT) 의 범위, 또는 3.43 ㎛ (13.5 HT) 내지 3.61 ㎛ (14.2 HT) 의 범위의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 2.03 ㎛ (8.0 HT) 내지 3.05 ㎛ (12.0 HT) 의 범위, 또는 2.29 ㎛ (9.0 HT) 내지 2.79 ㎛ (11.0 HT) 의 범위, 또는 2.03 ㎛ (8.0 HT) 내지 2.54 ㎛ (10.0 HT) 의 범위의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유를 포함할 수 있다.

유리 섬유의 직경을 측정하는 데 사용되는 예시적인 절차는 섬유 직경을 직접 측정하기 위해 주사 전자 현미경 (SEM) 을 이용한다. 일반적으로, 섬유질 단열 제품의 시편이 그로부터 임의의 유기 재료 (예를 들어, 바인더 조성물) 를 제거하기 위해 가열되고, 그후 시편으로부터의 유리 섬유는 길이가 감소되고, SEM 에 의해 촬영된다. 그후, SEM 과 연관된 이미지 프로세싱 소프트웨어에 의해 저장된 이미지로부터 섬유의 직경이 측정된다.

보다 구체적으로, 섬유질 단열 제품의 시편은 최소 30분 동안 800℉ 로 가열된다. 시편은 임의의 유기 재료의 제거를 보장하기 위해 필요하다면 더 오래 가열될 수 있다. 그후, 시편은 실온으로 냉각되고, 유리 섬유는 SEM 플랑체트 상에 피팅되기 길이가 감소된다. 유리 섬유는 임의의 적합한 방법, 예를 들어 가위에 의해 절단되거나, 면도날에 의해 절단되거나, 모르타르 및 막자에서 분쇄되는 방법에 의해 길이가 감소될 수 있다. 그후, 유리 섬유는 섬유들이 중첩되거나 너무 멀리 이격되지 않도록 SEM 플랑체트의 표면에 부착된다.

일단 시편이 이미징을 위해 준비되면, 시편은 정상 작동 절차를 사용하여 SEM 에 장착되고, 측정되는 섬유의 직경 크기에 대해 적절한 배율로 SEM 에 의해 촬영된다. 충분한 수의 이미지가 수집되고, 충분한 섬유들이 측정에 이용 가능한 것을 보장하도록 저장된다. 예를 들어, 250 내지 300 개의 개별 섬유가 측정되는 경우 10 내지 13개의 이미지가 요구될 수 있다. 그후, 섬유 직경은 예를 들어 스칸듐 SIS 이미징 소프트웨어와 같은 SEM 이미지 분석 소프트웨어 프로그램을 사용하여 측정된다. 그후, 측정된 섬유의 수로부터 시편의 평균 섬유 직경이 결정된다. 섬유질 단열 제품 시편은 함께 융합된 유리 섬유 (즉, 그 길이를 따라 결합된 2개 이상의 섬유) 를 포함할 수 있다. 본 개시의 시편의 평균 섬유 직경을 계산하기 위해, 융합된 섬유들은 단일 섬유로서 취급된다.

유리 섬유의 평균 섬유 직경을 측정하기 위해 사용되는 대안적인 절차는 시편 내의 분포된 섬유의 평균 또는 "유효" 섬유 직경을 간접적으로 결정하기 위해 공기 유동 저항을 측정하는 디바이스를 이용한다. 더 구체적으로, 대안적인 절차의 일 실시예에서, 섬유질 단열 제품의 시편이 30분 동안 800-1,000 ℉ 로 가열된다. 시편은 섬유의 표면으로부터 임의의 유기 재료의 제거를 보장하기 위해 필요하다면 더 길게 가열될 수 있다. 그후, 시편은 실온으로 냉각되고, 약 7.50 그램의 테스트 시편이 디바이스의 챔버에 로딩된다. 일정한 공기 유동이 챔버를 통해 인가되고, 일단 공기 유동이 안정화되면, 시편을 통한 차압 또는 압력 강하가 디바이스에 의해 측정된다. 공기 유동 및 차압 측정에 기초하여, 디바이스는 시편의 평균 섬유 직경을 계산할 수 있다.

본 개시의 섬유질 단열 제품은 단열 제품의 제조에서 무기 섬유를 바인딩하는데 사용하기 위한 포름알데히드-무함유 또는 "무첨가 포름알데히드" 수성의 바인더 조성물을 포함한다. 어구 "바인더 조성물"은 무기 섬유를 3차원 구조로 서로 접착시키는 데 사용되는 유기제 또는 화학물질, 종종 폴리머 수지를 지칭한다. 바인더 조성물은 용액, 에멀젼, 분산액과 같은 임의의 형태일 수 있다. 따라서, "바인더 분산액" 또는 "바인더 에멀젼" 은 매체 또는 비히클 중의 바인더 화학물질의 혼합물을 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같은, 용어 "바인더 조성물", "수성의 바인더 조성물", "바인더 포뮬레이션", "바인더" 및 "바인더 시스템" 은 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 동의어이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포름알데히드-무함유" 또는 "무첨가 포름알데히드"는 상호교환적으로 사용될 수 있고, 경화되거나 달리 건조될 때 약 1 ppm 미만의 포름알데히드를 포함하는 바인더 조성물을 지칭한다. 1 ppm 은 포름알데히드 방출에 대해 측정되는 제품의 중량을 기준으로 한다.

본 발명의 유리 섬유와 함께 매우 다양한 바인더 조성물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 바인더 조성물은 2개의 광범위한 상호 배타적인 분류: 열가소성 및 열경화성에 속한다. 열가소성 및 열경화성 바인더 조성물 둘 모두가 본 발명과 함께 사용될 수 있다. 열가소성 재료는 연화 또는 용융 상태로 반복적으로 가열될 수 있고, 냉각 시 그의 이전 상태로 복귀할 것이다. 즉, 가열은 열가소성 재료의 물리적 상태의 가역적 변화 (예를 들어, 고형물에서 액체로) 를 야기할 수 있지만, 열가소성 재료는 임의의 비가역적 화학 반응을 겪지 않는다. 섬유질 단열 제품 (100) 에 사용하기에 적합한 예시적인 열가소성 폴리머는 폴리비닐류 (예를 들어, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 부티랄 등), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리프로필렌 또는 폴리페닐렌 설파이드 (PPS), 나일론, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리올레핀, 아크릴 및 메타크릴산 에스테르 수지, 및 폴리아크릴레이트의 특정 코폴리머를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.

대조적으로, 용어 열경화성 폴리머는, 초기에 액체로서 존재하지만, 가열 시, 반응을 거쳐 고형물의 고도로 가교결합된 매트릭스를 형성하는 시스템의 범위를 지칭한다. 따라서, 열경화성 화합물은 가열 시 비가역적으로 가교되는 반응물 시스템, 종종 반응물 쌍을 포함한다. 이는 냉각될 때 이전의 액체 상태를 회복하지 못하고, 비가역적으로 가교결합된 상태를 유지한다.

열경화성 화합물로서 유용한 반응물은 일반적으로 여러 반응성 작용기 (예를 들어, 아민, 아미드, 카르복실 또는 하이드록실) 중 하나 이상을 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 "열경화성 화합물" (및 "열경화성의 화합물", "열경화성의 바인더" 또는 "열경화성 바인더" 와 같은 그의 유도 파생물) 은 이러한 반응물 중 적어도 하나를 지칭하며, 열경화성 화합물의 가교결합 시스템 특성을 형성하기 위해 2개 이상이 필요할 수 있는 것으로 이해된다. 열경화성 화합물의 원리 반응물 이외에, 촉매, 프로세스 보조제 및 기타 첨가제가 있을 수 있다.

열경화성 바인더의 하나의 카테고리는 다양한 페놀-알데히드, 우레아-알데히드, 멜라민-알데히드, 및 다른 축합-폴리머화 재료를 포함한다. 페놀/포름알데히드 바인더 조성물은 공지된 열경화성 바인더 시스템이며, 역사적으로 낮은 비용 및 경화시 경화되지 않은 상태의 저점도 액체로부터 강성의 열경화성 폴리머로 되는 능력에 대해 선호되어 왔다.

포름알데히드-무함유, 열경화성 바인더 시스템은 폴리카르복시 폴리머 및 폴리올에 기초한 것들을 포함할 수 있다. 예는 Chen 등의 미국 특허 번호 6,884,849 및 6,699,945 에 설명된 폴리아크릴산/폴리올/폴리산 바인더 시스템이고, 그 전체 내용은 각각 본 명세서에 참고로 포함된다. 또 다른 예는 Zhang 등의 미국 특허 공개 2019/0106564 에 설명된 폴리머 폴리카복실산/장쇄 폴리올/단쇄 폴리올 바인더 시스템이고, 이의 개시는 본원에 참고로 완전히 포함된다. 또 다른 예는 미국 가특허 출원 제63/086,267호에 설명된 폴리머 폴리카르복실산/단량체성 폴리올 바인더 시스템이며, 이의 개시는 본원에 참고로 완전히 포함된다. 또 다른 예는 미국 가특허 출원 제63/073,013호에 설명된 폴리카르복실산/폴리올/질소계 보호제 바인더 시스템이고 그 개시내용이 본원에 참고로 완전히 포함된다.

포름알데히드-무함유 열경화성 바인더 조성물의 제 2 카테고리는 "바이오-기반" 또는 "천연" 바인더로 지칭된다. "바이오-기반 바인더" 및 "천연 바인더" 는 많은 반응 작용기를 갖는 탄수화물, 단백질 또는 지방과 같은 영양 화합물로부터 제조된 바인더 조성물을 지칭하기 위해 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용된다. 이는 영양 화합물로부터 제조되기 때문에 친환경적이다. 바이오 기반 바인더 조성물은 2010년 10월 8일에 출원된 Hawkins 등의 미국 특허 공개 2011/0086567 에 보다 상세히 설명되고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

일부 예시적인 실시예에서, 바인더는 Owens-Corning 의 EcoTouch™ 바인더 또는 EcoPure™ 바인더, Owens Corning 의 Sustaina™ 바인더, 또는 Knauf 의 ECOSE® 바인더를 포함한다.

열경화성 화합물로서 유용한 대안적인 반응물은 덱스트로오스 모노하이드레이트, 무수 시트르산, 물 및 수성 암모니아의 혼합으로부터 유도된 트리암모늄 시트레이트-덱스트로오스 시스템이다. 또한, 탄수화물 반응물 및 폴리아민 반응물은 유용한 열경화성 화합물이며, 여기서 이러한 열경화성 화합물은 미국 특허 번호 8,114,210, 9,505,883 및 9,926,464 에 보다 상세히 설명되고, 그 개시내용은 본원에 참고로 포함된다.

놀랍게도, 폴리올 및 1차 가교결합제, 예를 들어 폴리카르복실산 또는 그의 염을 포함하는 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 사용하여 제조될 때, 15 HT 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유를 사용하여 제조된 섬유질 단열 제품이 개선된 특성을 갖는다는 것이 발견되었다. 바인더 조성물에 포함된 폴리올이 단량체성 폴리올인 경우에 특히 주목할만한 개선이 발견되었다.

1차 가교결합제는 폴리올을 가교결합시키기에 적합한 임의의 화합물일 수 있다. 적합한 가교결합제의 비-제한적인 예는 하나 이상의 카르복실산기 (-COOH) 를 갖는 폴리카르복실산계 물질, 예를 들어 그 염 또는 무수물, 및 그 혼합물을 포함하는 단량체성 및 폴리머성 폴리카르복실산을 포함한다. 임의의 예시적인 구현예에서, 폴리카르복실산은 아크릴산의 호모폴리머 또는 코폴리머와 같은 폴리머성 폴리카르복실산일 수 있다. 폴리머성 폴리카르복실산은 폴리아크릴산 (이의 염 또는 무수물 포함) 및 폴리아크릴산계 수지, 예를 들어 QR-1629S 및 Acumer 9932 (모두 The Dow Chemical Company 에서 상업적으로 입수 가능함), 폴리아크릴산 조성물 (CH Polymer 에서 상업적으로 입수 가능함), 및 폴리아크릴산 조성물 (Coatex 에서 상업적으로 입수 가능함) 을 포함할 수 있다. Acumer 9932 는 약 4,000 의 분자량, 및 폴리아크릴산/차아인산 나트륨 수지의 총 중량을 기준으로 6-7 중량% 의 차아인산 나트륨 함량을 갖는 폴리아크릴산/차아인산 나트륨 수지이다.　 QR-1629S 는 폴리아크릴산/글리세린 수지 조성물이다. Aquaset-529 는 글리세롤로 가교결합된 폴리아크릴산을 함유한 조성물이다.

폴리카르복실산은 폴리머성 폴리카르복실산, 예를 들어 폴리아크릴산, 폴리(메트)아크릴산, 폴리말레산, 및 유사 폴리머성 폴리카르복실산, 무수물, 염, 또는 이들의 혼합물, 뿐만 아니라 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 및 유사 카르복실산, 무수물, 염, 및 이들의 혼합물의 코폴리머를 포함할 수 있다.

임의의 예시적인 실시예에서, 폴리카르복실산은 단량체성 폴리카르복실산, 예를 들어 시트르산, 이타콘산, 말레산, 푸마르산, 숙신산, 아디프산, 글루타르산, 타르타르산, 트리멜리트산, 헤미멜리트산, 트리메스산, 트리카르발릴산 등을 포함하고 이들의 염 또는 무수물, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

가교결합제는 일부 경우에 중화제로 사전 중화될 수 있다. 이러한 중화제는 유기 및/또는 무기 염기, 예를 들어 수산화 나트륨, 수산화 암모늄 및 디에틸아민, 및 임의의 종류의 1차, 2차 또는 3차 아민 (알칸올 아민 포함) 을 포함할 수 있다. 다양한 예시적인 실시예에서, 중화제는 소듐 하이드록사이드 및 트리에탄올아민 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

가교결합제는 바인더 조성물 중에, 바인더 조성물의 총 고형분 함량을 기준으로, 적어도 30.0 중량% 로 존재하고, 제한 없이, 적어도 40 중량%, 적어도 45 중량%, 적어도 50 중량%, 적어도 52.0 중량%, 적어도 54.0 중량%, 적어도 56.0 중량%, 적어도 58.0 중량%, 및 적어도 60.0 중량% 을 포함한다. 본원에 개시되는 임의의 실시예에서, 가교결합제는 바인더 조성물 중에, 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로 30 중량% 내지 85 중량% 의 양으로 존재하고, 제한 없이, 50.0 중량% 내지 70.0 중량%, 50 중량% 초과 내지 65 중량%, 52.0 중량% 내지 62.0 중량%, 54.0 중량% 내지 60.0 중량%, 및 55.0 중량% 내지 59.0 중량% 를 포함한다.

선택적으로, 상기 논의된 폴리카르복실산 가교결합제 대신에, 바인더 조성물은 아민계 반응물, 예를 들어 암모늄염 (예를 들어, 폴리카르복실산의 암모늄염), 아민, 디암모늄 설페이트, 단백질, 펩타이드, 아미노산 등을 포함할 수 있다. 이러한 아민계 반응물은 환원 당 (reducing sugar) 과 메일라드 반응 (Maillard reaction) 에 참여하여 멜라노이딘 (고분자량, 푸란 링 및 질소 함유 폴리머) 을 생성할 수 있다. 따라서, 일부 예시적인 구현예에서, 바인더 조성물은 아민계 반응물 및 하나 이상의 환원당의 반응에 의해 생성된 멜라노이딘을 포함할 수 있다.

수성의 바인더 조성물은 적어도 하나의 폴리올을 더 포함할 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 폴리올은 단량체성 폴리올을 포함할 수 있다. 단량체성 폴리올은 1,000 달톤 미만, 750 달톤 미만, 500 달톤 미만을 포함하는, 2,000 달톤 미만의, 분자량을 갖고 적어도 2개의 하이드록실(-OH) 기를 갖는 수용성 화합물을 포함할 수 있다. 예시적인 단량체성 폴리올은 글루코스, 수크로스, 에틸렌 글리콜, 당 알코올, 펜타에리트리톨, 1차 알코올, 2,2-비스(메틸올)프로피온산, 트리(메틸올)프로판(TMP), 1,2,4-부탄트리올, 트리메틸올프로판, 프럭토스, 고 프럭토스 옥수수 시럽 (HFCS), 및 적어도 3개의 하이드록실 기를 포함하는 단쇄 알칸올아민, 예를 들어 트리에탄올아민을 포함한다. 본원에 개시된 임의의 구현예에서, 폴리올은 적어도 3개의 하이드록실기, 적어도 4개의 하이드록실기 또는 적어도 5 개의 하이드록실기를 포함할 수 있다.

당 알코올은, 당의 알도기 또는 케토기가 상응하는 히드록시기로 (예를 들어, 수소화에 의해) 환원될 때 수득되는 화합물을 의미하는 것으로 이해된다. 출발 당은 단당류, 올리고당류 및 다당류, 및 이들 제품의 혼합물, 예를 들어 시럽, 당밀 및 전분 가수분해물로부터 선택될 수 있다. 출발 당은 또한 당의 탈수된 형태일 수 있다. 당 알코올은 상응하는 출발 당과 매우 유사하지만, 이는 당이 아니며, 특히 환원 당은 아니다. 따라서, 예를 들어 당 알코올은 환원 능력을 갖지 않으며, 환원 당의 전형적인 메일라드 반응에 참여할 수 없다. 일부 예시적인 구현예에서, 당 알코올은 글리세롤, 에리트리톨, 아라비톨, 자일리톨, 소르비톨, 말티톨, 만니톨, 이디톨, 이소말티톨, 락티톨, 셀로비톨, 팔라티니톨, 말토트리톨, 이들의 시럽 및 이들의 혼합물을 포함한다. 다양한 예시적인 구현예에서, 당 알코올은 글리세롤, 소르비톨, 자일리톨 및 이들의 혼합물로부터 선택된다. 일부 예시적인 구현예에서, 단량체성 폴리올은 당 알코올의 이량체성 또는 올리고머성 축합 제품이다. 다양한 예시적인 구현예에서, 당 알코올의 축합 제품은 이소소르비드이다. 일부 예시적인 구현예에서, 당 알코올은 디올 또는 글리콜이다.

일부 예시적인 실시예에서, 단량체성 폴리올은 수성의 바인더 조성물 중에, 제한 없이, 최대 약 60 중량%, 55 중량%, 50 중량%, 40 중량%, 35 중량%, 33 중량%, 30 중량%, 27 중량%, 25 중량% 및 20 중량% 이하 총 고형물을 포함하는 약 70 중량% 이하 총 고형물의 양으로 존재한다. 일부 예시적인 실시예에서, 단량체성 폴리올은 수성의 바인더 조성물 중에, 제한 없이, 5.0 중량% 내지 40.0 중량%, 8.0 중량% 내지 37.0 중량%, 10.0 중량% 내지 34.0 중량%, 12.0 중량% 내지 32.0 중량%, 15.0 중량% 내지 30.0 중량%, 및 20.0 중량% 내지 28.0 중량% 총 고형물을 포함하는, 2.0 중량% 내지 65.0 중량% 총 고형물의 양으로 존재한다.

다양한 예시적인 실시예에서, 가교결합제 및 단량체성 폴리올은 카르복실산 기, 무수물 기 또는 이들의 염의 몰 당량 수 대 하이드록실 기의 몰 당량 수의 비가 약 0.3/1 내지 약 1/0.3, 예를 들어 약 0.5/1 내지 약 1/0.5, 약 0.6/1 내지 약 1/0.6, 약 0.8/1 내지 약 1/0.8, 또는 약 0.9/1 내지 약 1/0.9 가 되도록 하는 양으로 존재한다.

본원에 개시된 임의의 구현예에서, 바인더 조성물은 3개 미만의 하이드록실기를 포함하는 폴리올을 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않으며, 또는 4개 미만의 하이드록실기를 포함하는 폴리올을 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않는다. 본원에 개시된 임의의 구현예에서, 바인더 조성물은 2,000 Daltons 이상의 수 평균 분자량, 예를 들어 3,000 Daltons 내지 4,000 Daltons 의 수 평균 분자량을 갖는 폴리올을 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않는다. 따라서, 본원에 개시된 임의의 구현예에서, 바인더 조성물은 글리콜과 같은 디올; 예를 들어 글리세롤 및 트리에탄올아민과 같은 트리올; 및/또는 부분적으로 또는 완전히 가수분해될 수 있는 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트, 또는 이의 혼합물과 같은 폴리머성 폴리히드록시 화합물을 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않는다.

본원에 개시된 임의의 구현예에서, 수성의 바인더 조성물은 카르복실산기 대 하이드록실기 OH 기의 비가 0.60/1 내지 1/0.6 인 폴리머성 폴리카르복실산계 가교결합제 및 적어도 4개의 하이드록실기를 갖는 단량체성 폴리올을 포함할 수 있거나 또는 이것으로 이루어질 수 있다.

그러나, 일부 예시적인 실시예에서, 폴리올은 2개 이상의 하이드록실 기 및 적어도 2,000 달톤의 수 평균 분자량을 갖는 폴리머성 폴리올을 포함할 수 있다. 폴리머성 폴리올은 바인더 조성물 내에 유일한 폴리올로서 포함될 수도 있고, 폴리머성 폴리올은 전술한 단량체성 폴리올 이외에 2차 폴리올로서 포함될 수도 있다.

일부 예시적인 실시예에서, 2차 폴리올은 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트 (부분적으로 또는 완전히 가수분해될 수도 있음) 와 같은 하나 이상의 폴리머성 폴리히드록시 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 예시적으로, 부분 가수분해된 폴리비닐 아세테이트가 폴리올 성분으로서 작용할 때, 예를 들어 Poval® 385 (Kuraray America, Inc.) 및 Sevol™ 502 (Sekisui Specialty Chemicals America, LLC) 와 같은 80%-89% 가수분해된 폴리비닐 아세테이트가 사용될 수 있고, 이들은 각각 약 85% (Poval® 385) 및 88% (Selvol™ 502) 가수분해된다. 다른 대안은 약 22,000 내지 약 26,000 달톤의 분자량 및 약 5.0 내지 6.0 센티포아즈의 점도를 갖는 DuPont 으로부터 입수가능한 ELVANOL 51-05, 또는 다른 부분적으로 가수분해된 폴리비닐 아세테이트이다.

2차 폴리올은 제한 없이, 최대 약 28 중량%, 25 중량%, 20 중량%, 18 중량%, 15 중량% 및 13 중량% 의 총 고형물을 포함하는, 최대 약 30 중량% 의 총 고형물의 양으로 수성의 바인더 조성물에 존재할 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 2차 폴리올은 수성의 바인더 조성물 중에, 제한 없이, 5 중량% 내지 25 중량%, 8 중량% 내지 20 중량%, 9 중량% 내지 18 중량%, 및 10 중량% 내지 16 중량% 총 고형물을 포함하는, 2.5 중량% 내지 30 중량% 총 고형물의 양으로 존재할 수 있다.

2차 폴리올을 포함하는 바인더 조성물의 그러한 실시예에서, 가교결합제, 단량체성 폴리올, 및 2차 폴리올은 카르복실산 기, 무수물 기 또는 이들의 염의 몰 당량의 수 대 하이드록실 기의 몰 당량의 수의 비가 약 1/0.05 내지 약 1/5, 예를 들어 약 1/0.08 내지 약 1/2.0, 약 1/0.1 내지 약 1/1.5, 및 약 1/0.3 내지 약 1/0.66 인 양으로 존재한다. 이 비 내에서, 2차 폴리올 대 단량체성 폴리올의 비는 바인더 조성물의 성능, 예를 들어 경화 후 바인더의 인장 강도 및 수용해도에 영향을 미친다. 예를 들어, 약 0.1/0.9 내지 약 0.9/0.1, 예를 들어 약 0.3/0.7 내지 0.7/0.3, 또는 약 0.4/0.6 내지 0.6/0.4 의 2차 폴리올 대 단량체성 폴리올의 비가 바람직한 기계적 특성과 물리적 색상 특성의 균형을 제공한다. 다양한 예시적인 구현예에서, 2차 폴리올 대 단량체성 폴리올의 비는 대략 0.5/0.5 이다.

본 명세서에 개시된 임의의 수성의 바인더 조성물에서, 폴리카르복실산 중의 산 작용기의 전부 또는 백분율은, 산 작용기가 미네랄 울 섬유와 착화되는 것을 일시적으로 차단하는 보호제의 사용으로 일시적으로 차단될 수 있고, 이어서 경화 프로세스 동안, 바인더 조성물을 적어도 150℃ 의 온도로 가열하여, 산 작용기를 자유롭게 하여 폴리올 성분과 가교결합시키고 에스테르화 프로세스를 완료함으로써 제거된다. 임의의 예시적인 실시예에서, 카르복실산 작용기의 10% 내지 100% (약 25% 내지 약 99%, 약 30% 내지 약 90%, 및 약 40% 내지 약 85% 를 포함하고, 이들 사이의 모든 하위범위 및 범위들의 조합을 포함한다) 는 보호제에 의해 일시적으로 차단될 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에 따르면, 산 작용기의 최소 40% 가 보호제에 의해 일시적으로 차단될 수 있다.

보호제는 가교결합제의 카르복실산 기와 가역적으로 본딩할 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 보호제는 단일 산 작용기와 적어도 하나의 가역적 이온 본드를 형성할 수 있는 분자를 포함하는 임의의 화합물을 포함한다. 본 명세서에 개시된 임의의 예시적인 실시예에서, 보호제는 암모늄계 보호제; 아민계 보호제; 또는 이들의 혼합물과 같은 질소계 보호제를 포함할 수 있다. 예시적인 암모늄계 보호제는 수산화암모늄을 포함한다. 예시적인 아민계 보호제는 알킬아민 및 디아민, 예를 들어 에틸렌이민, 에틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민; 알칸올아민, 예를 들어 에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민; 에틸렌디아민-N,N'-디숙신산 (EDDS), 에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA) 등, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 또한, 알칸올아민은 경화된 바인더에서 에스테르를 형성하기 위한 가교결합 반응의 참여자 및 보호제 둘 다로서 사용될 수 있다. 따라서, 알칸올아민은 에스테르화를 통해 폴리카르복실산과의 가교결합을 위한 폴리올 및 보호제의 이중 작용기를 갖는다.

보호제는 종래의 pH 조절제와 다르게 기능한다. 본 명세서에 규정된 바와 같은 보호제는 폴리머성 폴리카르복실산 성분 내의 산 작용기를 단지 일시적으로 및 가역적으로 차단한다. 대조적으로, 수산화나트륨과 같은 종래의 pH 조절제는 산 작용기를 영구히 종결시키고, 이는 차단된 산 작용기로 인해 산과 하이드록실기 사이의 가교결합을 방지한다. 따라서, 수산화나트륨과 같은 전통적인 pH 조절제의 포함은 산 작용기를 일시적으로 차단하는 바람직한 효과를 제공하지 않는 한편, 나중에 에스테르화를 통한 가교를 허용하는, 경화되는 동안 이 작용기를 자유롭게 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 임의의 예시적인 실시예에서, 바인더 조성물은 예를 들어 수산화나트륨 및 수산화칼륨과 같은 종래의 pH 조절제를 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않을 수 있다. 고온 적용을 위한 이러한 종래의 pH 조절제는 카르복실산 기와 영구히 본딩할 것이고, 가교결합 에스테르화를 허용하기 위한 카르복실산 작용기를 방출하지 않을 것이다.

본 명세서에 개시된 임의의 바인더 조성물은, 바인더의 점도 및 점착성을 감소시킴으로써 바인더 조성물의 가공성을 향상시켜서, 증가된 인장 강도 및 소수성을 갖는 더 균일한 단열 제품을 초래하는, 하나 이상의 프로세싱 첨가제를 포함하는 첨가제 블렌드를 더 포함할 수 있다. 바인더 조성물의 점도 및 점착성을 감소시킬 수 있는 다양한 첨가제가 있을 수 있지만, 종래의 첨가제는 본질적으로 친수성이어서, 그러한 첨가제의 포함은 바인더 조성물의 전체 수분 흡수를 증가시킨다. 첨가제 블렌드는 하나 이상의 프로세싱 첨가제를 포함할 수 있다. 프로세싱 첨가제의 예는 계면활성제, 글리세롤, 1,2,4-부탄트리올, 1,4-부탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 폴리(에틸렌 글리콜) (예를 들어, 카르보왁스™), 모노올레에이트 폴리에틸렌 글리콜 (MOPEG), 실리콘, 폴리디메틸실록산 (PDMS) 의 분산액, 미네랄, 파라핀 또는 식물성 오일의 에멀젼 및/또는 분산액, 아미드 왁스 (예를 들어, 에틸렌 비스-스테아르아미드 (EBS)) 및 카르나우바 왁스 (예를 들어, ML-155) 와 같은 왁스, 소수화된 실리카, 암모늄 포스페이트, 또는 이들의 조합을 포함한다. 계면활성제는 알코올 작용기를 갖는 비이온성 계면활성제를 포함하는 비이온성 계면활성제를 포함할 수 있다. 예시적인 계면활성제는 Surfynol^®, 알킬 폴리글루코시드 (예를 들어, Glucopon^®), 및 알콜 에톡실레이트 (예를 들어 Lutensol^®) 를 포함한다.

첨가제 블렌드는 단일 프로세싱 첨가제, 적어도 2 종의 프로세싱 첨가제들의 혼합물, 적어도 3 종의 프로세싱 첨가제들의 혼합물, 또는 적어도 4 종의 프로세싱 첨가제들의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 첨가제 블렌드는 글리세롤과 폴리디메틸실록산의 혼합물을 포함할 수 있다.

첨가제 블렌드는 바인더 조성물 내에, 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로 1.0 중량% 내지 20 중량%, 1.25 중량% 내지 17.0 중량%, 또는 1.5 중량% 내지 15.0 중량%, 또는 약 3.0 중량% 내지 약 12.0 중량% 또는 약 5.0 중량% 내지 약 10.0 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 바인더 조성물은 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로 적어도 8.0 중량%, 그리고 적어도 9 중량% 를 포함하는, 적어도 7.0 중량% 첨가제 블렌드를 포함할 수 있다. 따라서, 임의의 예시적인 실시예에서, 수성의 바인더 조성물은 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로 7.0 중량% 내지 15 중량%, 8.0 중량% 내지 13.5 중량%, 9.0 중량% 내지 12.5 중량% 의 첨가제 블렌드를 포함할 수 있다.

첨가제 블렌드가 글리세롤을 포함하는 실시예에서, 글리세롤은 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로 적어도 5.0 중량%, 또는 적어도 6.0 중량%, 또는 적어도 7.0 중량%, 또는 적어도 7.5 중량% 의 양으로 존재할 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 바인더 조성물은 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로 6.5% 내지 13.0 중량%, 7.0% 내지 12.0 중량%, 및 7.5% 내지 11.0 중량% 의 글리세롤을 포함하는, 5.0% 내지 15 중량% 의 글리세롤을 포함할 수 있다.

첨가제 블렌드가 폴리디메틸실록산을 포함하는 실시예에서, 폴리디메틸실록산은 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로 적어도 0.2 중량%, 또는 적어도 0.5 중량%, 또는 적어도 0.8 중량%, 또는 적어도 1.0 중량%, 또는 적어도 1.5 중량%, 또는 적어도 2.0 중량% 의 양으로 존재할 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 바인더 조성물은 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로, 1.0% 내지 4.0 중량%, 1.2% 내지 3.5 중량%, 1.5% 내지 3.0 중량%, 및 1.6% 내지 2.3 중량% 의 폴리디메틸실록산을 포함하는, 0.5% 내지 5.0 중량% 의 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다.

본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 첨가제 블렌드는 글리세롤과 폴리디메틸실록산의 혼합물을 포함할 수 있고, 글리세롤은 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로, 5.0% 내지 15 중량% 의 바인더 조성물을 포함하고, 폴리디메틸실록산은 0.5% 내지 5.0 중량% 의 바인더 조성물을 포함한다. 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 첨가제 블렌드는 글리세롤과 폴리디메틸실록산의 혼합물을 포함할 수 있고, 글리세롤은 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로, 7.0% 내지 12 중량% 의 바인더 조성물을 포함하고, 폴리디메틸실록산은 1.2% 내지 3.5 중량% 의 바인더 조성물을 포함한다.

본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 첨가제 블렌드는 증가된 농도의 실란 커플링제를 포함할 수 있다. 통상적인 바인더 조성물은 일반적으로 바인더 조성물의 총 고형물 함량을 기준으로 0.5 중량% 미만, 더 일반적으로는 약 0.2 중량% 이하의 실란을 포함한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 실란 커플링제(들)는 바인더 조성물 중에, 약 0.7 중량% 내지 약 2.5 중량%, 약0.85 중량% 내지 약 2.0 중량%, 또는 약 0.95 중량% 내지 약 1.5 중량% 을 포함하는, 바인더 조성물의 총 고형물의 약 0.5 중량% 내지 약 5.0 중량% 의 양으로 존재할 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 실란 커플링제(들) 는 바인더 조성물 중에 최대 약 1.0 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.

실란 농도는 섬유질 단열 제품 내의 섬유 상의 실란의 양을 추가로 특징으로 할 수 있다. 전형적으로, 유리섬유 단열 제품은 유리 섬유 상에 0.001 중량% 내지 0.03 중량% 의 실란 커플링제를 포함한다. 그러나, 섬유에 적용되는 포함된 실란 커플링제의 양을 증가시킴으로써, 유리 섬유 상의 실란의 양은 적어도 0.10 중량% 로 증가한다.

대안적으로, 바인더 조성물은, 존재한다면, 통상적인 양의 실란 커플링제를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 실란 커플링제(들) 는 바인더 조성물 중에, 약 0.05 내지 약 0.4 중량%, 약 0.1 내지 약 0.35 중량%, 또는 약 0.15 내지 약 0.3 중량% 를 포함하는, 바인더 조성물의 총 고형물의 0 중량% 내지 0.5 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.

바인더 조성물에 사용될 수 있는 실란 커플링제의 비-제한적인 예는 관능기인 알킬, 아릴, 아미노, 에폭시, 비닐, 메타크릴옥시, 우레이도, 이소시아네이토 및 메르캅토를 특징으로 할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 실란 커플링제(들) 은 아민 (1 차, 2 차, 3 차 및 4 차), 아미노, 이미노, 아미도, 이미도, 우레이도, 또는 이소시아네이토와 같은 하나 이상의 작용기를 갖는 하나 이상의 질소 원자를 함유하는 실란을 포함한다. 적합한 실란 커플링제의 특정한 비-제한적인 예는, 비제한적으로, 아미노실란 (예를 들어, 트리에톡시아미노프로필실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란 및 3-아미노프로필트리히드록시실란), 에폭시 트리알콕시실란 (예를 들어, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 및 3-글리시독시프로필트리에톡시실란), 메타크릴 트리알콕시실란 (예를 들어, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 및 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란), 탄화수소 트리알콕시실란, 아미노 트리히드록시실란, 에폭시 트리히드록시실란, 메타크릴 트리히드록시실란 및/또는 탄화수소 트리히드록시실란을 포함한다. 하나 이상의 예시적인 구현예에서, 실란은 아미노실란, 예를 들어 γ-아미노프로필트리에톡시실란이다.

본 명세서에 개시된 임의의 수성의 바인더 조성물은 경화 촉진제로도 알려진 에스테르화 촉매를 더 포함할 수 있다. 촉매는 무기 염, 루이스 산 (즉, 염화 알루미늄 또는 삼불화 붕소), 브뢴스테드 산 (즉, 황산, p-톨루엔술폰산 및 붕산), 유기금속 착물 (즉, 리튬 카르복실레이트, 나트륨 카르복실레이트) 및/또는 루이스 염기 (즉, 폴리에틸렌이민, 디에틸아민 또는 트리에틸아민) 를 포함할 수 있다. 또한, 촉매는 인-함유 유기 산의 알칼리 금속염, 특히 인산, 차아인산 또는 폴리인산의 알칼리 금속염을 포함한다. 이러한 인 촉매의 예는, 비제한적으로, 차아인산 나트륨, 인산 나트륨, 인산 칼륨, 피로인산 이나트륨, 피로인산 사나트륨, 트리폴리인산 나트륨, 헥사메타인산 나트륨, 인산 칼륨, 트리폴리인산 칼륨, 트리메타인산 나트륨, 테트라메타인산 나트륨, 및 이의 혼합물을 포함한다. 또한, 촉매 또는 경화 촉진제는 불화붕산염 화합물, 예를 들어 불화붕산, 사불화붕산 나트륨, 사불화붕산 칼륨, 사불화붕산 칼슘, 사불화붕산 마그네슘, 사불화붕산 아연, 사불화붕산 암모늄, 및 이의 혼합물일 수 있다. 또한, 촉매는 인 화합물과 불화붕산염 화합물의 혼합물일 수 있다. 다른 나트륨 염, 예를 들어 황산 나트륨, 질산 나트륨, 탄산 나트륨은 또한 또는 대안적으로 촉매로서 사용될 수 있다.

촉매는 수성의 바인더 조성물에, 제한 없이, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 또는 약 2 중량% 내지 약 4.5 중량%, 또는 약 2.8 중량% 내지 약 4.0 중량%, 또는 약 3.0 중량% 내지 약 3.8 중량% 의 양을 포함하는, 바인더 조성물 중의 총 고형물의 약 0 중량% 내지 약 10 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.

선택적으로, 수성의 바인더 조성물은 적어도 하나의 커플링제를 함유할 수 있다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에서, 커플링제는 실란 커플링제이다. 커플링제(들) 은 바인더 조성물에, 바인더 조성물 중의 총 고형물의 약 0.01 중량% 내지 약 5 중량%, 약 0.01 중량% 내지 약 2.5 중량%, 또는 약 0.05 중량% 내지 약 1.5 중량%, 또는 약 0.1 중량% 내지 약 1.0 중량% 의 양으로 존재할 수 있다.

바인더 조성물에 사용될 수 있는 실란 커플링제의 비-제한적인 예는 관능기인 알킬, 아릴, 아미노, 에폭시, 비닐, 메타크릴옥시, 우레이도, 이소시아네이토 및 메르캅토를 특징으로 할 수 있다. 임의의 실시예에서, 실란 커플링제(들)은 아민 (1차, 2차, 3차 및 4차), 아미노, 이미노, 아미도, 이미도, 우레이도 또는 이소시아네이토와 같은 하나 이상의 관능기를 갖는, 하나 이상의 질소 원자를 함유하는 실란을 포함할 수 있다. 적합한 실란 커플링제의 특정한 비-제한적인 예는, 비제한적으로, 아미노실란 (예를 들어, 트리에톡시아미노프로필실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란 및 3-아미노프로필트리히드록시실란), 에폭시 트리알콕시실란 (예를 들어, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 및 3-글리시독시프로필트리에톡시실란), 메타크릴 트리알콕시실란 (예를 들어, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 및 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란), 탄화수소 트리알콕시실란, 아미노 트리히드록시실란, 에폭시 트리히드록시실란, 메타크릴 트리히드록시실란 및/또는 탄화수소 트리히드록시실란을 포함한다. 본원에 개시된 임의의 실시예에서, 실란은 γ-아미노프로필트리에톡시실란과 같은 아미노실란을 포함할 수 있다.

수성의 바인더 조성물은 프로세스 보조제를 추가로 포함할 수 있다. 프로세스 보조제는 프로세스가 섬유의 형성 및 배향을 용이하게 하는 기능을 보조하는 한, 특별히 제한되지 않는다. 프로세스 보조제는 바인더 인가 분포 균일성을 개선하고, 바인더 점도를 감소시키며, 성형 후 램프 높이를 증가시키고, 수직 중량 분포 균일성을 개선하고, 및/또는 성형 및 오븐 경화 프로세스 모두에서 바인더 탈수를 가속화하는데 사용될 수 있다. 프로세스 보조제는 바인더 조성물에, 바인더 조성물 중의 총 고형물 함량을 기준으로 0 중량% 내지 약 10.0 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 5.0 중량%, 또는 약 0.3 중량% 내지 약 2.0 중량%, 또는 약 0.5 중량% 내지 약 1.0 중량% 의 양으로 존재할 수 있다. 일부 예시적인 구현예에서, 수성의 바인더 조성물은 임의의 프로세스 보조제를 실질적으로 또는 완전히 함유하지 않는다.

프로세스 보조제의 예는 소포제, 예를 들어 미네랄, 파라핀 또는 식물성 오일의 에멜젼 및/또는 분산액; 폴리디메틸실록산 (PDMS) 유체의 분산액, 및 폴리디메틸실록산 또는 다른 재료로 소수성화된 실리카를 포함한다. 추가의 프로세스 보조제는 아미드 왁스, 예를 들어 에틸렌 비스-스테아르아미드 (EBS) 또는 소수성화된 실리카로 제조된 입자를 포함할 수 있다. 바인더 조성물에 사용될 수 있는 추가의 프로세스 보조제는 계면활성제이다. 하나 이상의 계면활성제는 바인더 미립화, 습윤화 및 계면 접착을 돕기 위해서 바인더 조성물에 포함될 수 있다.

계면활성제는 특별히 제한되지 않으며, 비제한적으로, 이온성 계면활성제 (예를 들어, 술페이트, 술포네이트, 포스페이트 및 카르복실레이트); 술페이트 (예를 들어, 알킬 술페이트, 암모늄 라우릴 술페이트, 나트륨 라우릴 술페이트 (SDS), 알킬 에테르 술페이트, 나트륨 라우레스 술페이트 및 나트륨 미레스 술페이트); 양쪽성 계면활성제 (예를 들어, 라우릴-베타인과 같은 알킬베타인); 술포네이트 (예를 들어, 디옥틸 나트륨 술포숙시네이트, 퍼플루오로옥탄술포네이트, 퍼플루오로부탄술포네이트 및 알킬벤젠 술포네이트); 포스페이트 (예를 들어, 알킬 아릴 에테르 포스페이트 및 알킬 에테르 포스페이트); 카르복실레이트 (예를 들어, 알킬 카르복실레이트, 지방산 염 (비누), 나트륨 스테아레이트, 나트륨 라우로일 사르코시네이트, 카르복실레이트 플루오로계면활성제, 퍼플루오로나노에이트 및 퍼플루오로옥타노에이트); 양이온성 (예를 들어, 라우릴아민 아세테이트와 같은 알킬아민 염); pH 의존성 계면활성제 (1차, 2차 또는 3차 아민); 영구적으로 차징된 4차 암모늄 양이온 (예를 들어, 알킬트리메틸암모늄 염, 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드, 세틸 트리메틸암모늄 클로라이드, 세틸 피리디늄 클로라이드 및 벤제토늄 클로라이드); 및 쯔비터이온성 계면활성제, 4차 암모늄 염 (예를 들어, 라우릴 트리메틸 암모늄 클로라이드 및 알킬 벤질 디메틸암모늄 클로라이드) 및 폴리옥시에틸렌알킬아민과 같은 계면활성제를 포함한다.

바인더 조성물과 함께 사용될 수 있는 적합한 비이온성 계면활성제는 폴리에테르 (예를 들어, 직쇄 및 분지쇄 알킬 및 알카릴 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜 에테르 및 티오에테르를 포함하는 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드 축합물); 약 7 내지 약 18 개의 탄소 원자를 함유하는 알킬기 및 약 4 내지 약 240 개의 에틸렌옥시 단위를 갖는 알킬페녹시폴리(에틸렌옥시) 에탄올 (예를 들어, 헵틸페녹시폴리(에틸렌옥시) 에탄올 및 노닐페녹시폴리(에틸렌옥시) 에탄올); 소르비탄, 소르바이드, 만니탄 및 만나이드를 포함하는 헥시톨의 폴리옥시알킬렌 유도체; 부분 장쇄 지방산 에스테르 (예를 들어, 소르비탄 모노라우레이트, 소르비탄 모노팔미테이트, 소르비탄 모노스테아레이트, 소르비탄 트리스테아레이트, 소르비탄 모노올레에이트 및 소르비탄 트리올레에이트의 폴리옥시알킬렌 유도체); 에틸렌 옥사이드와 소수성 염기의 축합물 (염기는 프로필렌 옥사이드와 프로필렌 글리콜을 축합시켜 형성됨); 황 함유 축합물 (예를 들어, 이들 축합물은 에틸렌 옥사이드를 노닐, 도데실 또는 테트라데실 메르캅탄과 같은 더 높은 알킬 메르캅탄과, 또는 알킬기가 약 6 내지 약 15 개의 탄소 원자를 함유하는 알킬티오페놀과 축합시켜 제조함); 장쇄 카르복실산 (예를 들어, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산 및 올레산, 예를 들어 톨유 지방산) 의 에틸렌 옥사이드 유도체; 장쇄 알코올 (예를 들어, 옥틸, 데실, 라우릴 또는 세틸 알코올) 의 에틸렌 옥사이드 유도체; 및 에틸렌 옥사이드/프로필렌 옥사이드 코폴리머를 포함한다.

적어도 하나의 예시적인 구현예에서, 계면활성제는 Dynol 607 (이것은 2,5,8,11-테트라메틸-6-도데신-5,8-디올임), SURFONYL® 420, SURFONYL® 440, 및 SURFONYL® 465 (이들은 에톡시화 2,4,7,9-테트라메틸-5-데신-4,7-디올 계면활성제임 (Evonik Corporation (Allentown, Pa.) 에서 시판됨)), Stanfax (소듐 라우릴 설페이트), Surfynol 465 (에톡시화 2,4,7,9-테트라메틸 5 데신-4,7-디올), Triton™ GR-PG70 (1,4-비스(2-에틸헥실) 소듐 설포석시네이트) 및 Triton™ CF-10 (폴리(옥시-1,2-에탄디일), 알파-(페닐메틸)-오메가-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페녹시) 중 하나 이상을 포함한다.

선택적으로, 수성의 바인더 조성물은 단열 재료의 후속 제작 및 설치에 악영향을 미칠 수 있는 무기 및/또는 유기 입자의 존재를 감소시키거나 또는 제거하기 위해서 먼지 억포뮬레이션를 함유할 수 있다. 먼지 억포뮬레이션는 임의의 통상적인 미네랄 오일, 미네랄 오일 에멀젼, 천연 또는 합성 오일, 바이오-기반 오일, 또는 윤활제, 예를 들어 비제한적으로, 실리콘 및 실리콘 에멀젼, 폴리에틸렌 글리콜, 뿐만 아니라, 오븐 내부에서 오일의 증발을 최소화하기 위해서 높은 인화점을 갖는 임의의 석유 또는 비-석유 오일일 수 있다.

수성의 바인더 조성물은 최대 약 14 중량%, 또는 최대 약 13 중량% 를 포함하는, 최대 약 15 중량% 의 분진 억포뮬레이션를 포함할 수 있다. 본원에 개시된 임의의 구현예에서, 수성의 바인더 조성물은 약 3.0 중량% 내지 약 13.0 중량%, 또는 약 5.0 중량% 내지 약 12.8 중량% 를 포함하는, 1.0 중량% 내지 15 중량% 의 분진 억포뮬레이션를 포함할 수 있다.

수성의 바인더 조성물은 또한 선택적으로 pH 를 원하는 레벨으로 조절하는데 충분한 양으로 pH 조절제로서 유기 및/또는 무기 산 및 염기를 포함할 수 있다. pH 는 바인더 조성물의 성분의 호환성을 촉진하거나 또는 다양한 타입의 섬유와 기능하기 위해서, 의도된 용도에 따라 조절될 수 있다. 일부 예시적인 구현예에서, pH 조절제는 바인더 조성물의 pH 를 산성 pH 로 조절하기 위해서 사용된다. 적합한 산성 pH 조절제의 예는 무기 산, 예를 들어 비제한적으로, 황산, 인산 및 붕산, 및 또한 유기 산, 예를 들어 p-톨루엔술폰산, 모노- 또는 폴리카르복실산, 예를 들어 비제한적으로, 시트르산, 아세트산 및 이의 무수물, 아디프산, 옥살산, 및 이들의 상응하는 염을 포함한다. 또한, 무기 염은 산 전구체일 수 있다. 산은 pH 를 조절하며, 일부 경우에는, 상기에서 논의한 바와 같이, 가교결합제로서 작용한다. 바인더 조성물의 pH 를 증가시키기 위해서 유기 및/또는 무기 염기가 포함될 수 있다. 염기는 휘발성 또는 비-휘발성 염기일 수 있다. 예시적인 휘발성 염기는 예를 들어 암모니아 및 알킬-치환 아민, 예를 들어 메틸 아민, 에틸 아민 또는 1-아미노프로판, 디메틸 아민 및 에틸 메틸 아민을 포함한다. 예시적인 비-휘발성 염기는 예를 들어 소듐 하이드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 소듐 카보네이트 및 t-부틸암모늄 하이드록사이드를 포함한다.

임의의 예시적인 실시예에서, 경화되지 않은 상태에 있을 때, 바인더 조성물은 산성 pH, 예를 들어 약 2.0 내지 약 5.0 범위 (그 사이의 모든 양 및 범위 포함) 의 pH 를 가질 수 있다. 본원에 개시된 임의의 구현예에서, 경화되지 않은 상태일 때, 바인더 조성물의 pH 는 약 2.5 내지 약 3.8, 및 약 2.6 내지 약 3.5 을 포함하는, 약 2.2 내지 약 4.0 이다. 경화 후, 바인더 조성물의 pH 는 약 6.5 내지 8.8 의, 또는 약 6.8 내지 8.2 의 레벨을 포함하는 적어도 5.0 의 pH 로 상승할 수 있다.

대안적으로, 바인더 조성물은, 경화되지 않은 상태에 있을 때, 보다 알칼리성인 pH, 예를 들어, 약 5 내지 약 10 의 pH, 또는 약 6 내지 약 9 의 pH, 또는 약 7 내지 약 8 의 pH 로 조절될 수 있다.

바인더는 강화 섬유 상에 적용하기 위해 활성 고형물을 용해 또는 분산시키기 위해서 물을 추가로 포함한다. 물은 강화 섬유에의 그 적용에 적합한 점도로 수성의 바인더 조성물을 희석시키고, 섬유 상에 원하는 고형물 함량을 달성하는데 충분한 양으로 첨가될 수 있다. 본 발명의 바인더 조성물은 통상적인 페놀-우레아 포름알데히드 또는 탄수화물계 바인더 조성물보다 더 낮은 고형물 함량을 함유할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 특히, 바인더 조성물은 제한 없이 10 중량% 내지 30 중량%, 12 중량% 내지 20 중량%, 및 15 중량% 내지 19 중량% 의 바인더 고형물를 포함하는, 5 중량% 내지 35 중량% 의 바인더 고형물을 포함할 수 있다. 이 레벨의 고형물는 본 바인더 조성물이 전통적인 바인더 조성물보다 많은 물을 포함할 수도 있음을 나타낸다.

하기 표 1 은 상기 논의된 재료를 포함하는 예시적인 바인더 조성물을 제공한다. 표 1 에 열거된 예시적인 조성물은 상기 기재된 바와 같이 선택적인 첨가제 또는 재료를 포함할 수 있다.

표 1

예시적인 섬유질 단열 제품 (100) 이 도 1 에 예시된다. 섬유질 단열 제품 (100) 은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 1 의 예시된 실시예에서, 섬유질 단열 제품 (100) 은 일반적으로 박스 형상의 섬유유리 단열 배트이지만; 그러나 단열 제품은 예를 들어, 롤링된 제품 또는 블랭킷과 같은 임의의 적합한 형상 또는 크기일 수 있다. 단열 배트 또는 블랭킷으로서, 섬유질 단열 제품 (100) 은 건물의 단열 공동 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 섬유질 단열 제품 (100) 은 건물의 벽, 지붕 또는 플로어 프레임 내의 2개의 평행한 이격된 프레이밍 부재들 사이의 공간 또는 공동 내에 배치될 수 있다.

섬유질 단열 제품 (100) 은 부직포 유리 섬유 및 유리 섬유들을 함께 접착하기 위한 바인더 조성물을 포함하는 단열 층 (102) 을 포함한다. 선택적으로, 섬유질 단열 제품 (100) 은 또한 단열 층 (102) 에 부착 또는 접착되는 페이싱 (104) 을 포함할 수 있다. 섬유질 단열 제품 (100) 은 제 1 측면 (106), 제 1 측면 (106) 으로부터 이격되고 그와 반대편에 있는 제 2 측면 (108), 제 1 측면 (106) 과 제 2 측면 (108) 사이에서 연장되는 제 3 측면 (110), 및 제 3 측면 (110) 으로부터 이격되고 그와 반대편에 있고 제 1 측면 (106) 과 제 2 측면 (108) 사이에서 연장되는 제 4 측면 (112) 을 포함한다. 섬유질 단열 제품 (100) 은 또한 측면들 (106, 108, 110, 112) 을 연결하는 제 1 면 (114) 및 제 1 면 (114) 에 평행하거나 대체로 평행하고 그와 반대편에 있는 측면들 (106, 108, 110, 112) 을 연결하는 제 2 면 (116) 을 포함한다. 섬유질 단열 제품 (100) 은 압축되지 않은 때에 길이 L₁, 폭 W₁ 및 두께 T₁ 을 갖는다. 일부 실시예에서, 길이 L₁ 은 두께 T₁ 보다 큰 폭 W₁ 보다 크다.

페이싱 (104) 은 섬유질 단열 제품 (100) 의 제 1 면 (114), 제 2 면 (116), 또는 양 면의 전체 또는 일부를 커버하도록 단열 층 (102) 상에 배치될 수 있다. 페이싱 (104) 은 광범위한 상이한 형태들을 취할 수 있다. 페이싱 (104) 은 재료의 단일 피스 또는 다수의 상이한 피스 또는 시트일 수 있고, 재료의 단일 층 또는 여러 층을 포함할 수도 있다. 도 1 의 예시적인 실시예에서, 페이싱(104)은 섬유질 단열 제품 (100) 의 제 1 페이스(114) 모두를 커버하는 단일 피스의 재료이다.

페이싱 (104) 은 다양한 상이한 재료들로 제조될 수 있다. 섬유질 단열 제품과 함께 사용하기에 적합한 임의의 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 페이싱 (104) 은 부직포 섬유유리 및 폴리머 매체; 직조 섬유유리 및 폴리머 매체; 폴리머 재료로 제조된 외장 필름과 같은 외장 재료; 스크림; 천; 직물; 섬유유리 강화 크래프트 페이퍼 (FRK); 포일-스크림-크래프트 페이퍼 라미네이트; 재활용 페이퍼; 및 캘린더링된 페이퍼를 포함할 수 있다.

건물의 단열 공동 내에 배치된 단열 제품의 상당량은 본 명세서에 기술된 것과 같은 단열 제품으로부터 롤링된 단열 블랭킷의 형태이다. 페이싱된 (faced) 단열 제품이 단열 공동의 에지 상에, 전형적으로 단열 공동의 내부 측면 상에 편평하게 배치된 페이싱 (104) 과 함께 설치된다. 페이싱이 수분 차단재 (vapor retarder) 인 단열 제품은 따뜻한 내부 공간을 차가운 외부 공간으로부터 분리하는 벽, 플로어 또는 천장 공동을 단열하기 위해 일반적으로 사용된다. 수분 차단재는 단열 제품을 통한 수증기의 이동을 지연 또는 방지하도록 단열 제품의 일 측면에 배치된다.

도 2 는 섬유질 단열 제품 (100) 을 제조하기 위한 장치 (118) 의 예시적인 실시예를 도시한다. 섬유질 단열 제품 (100) 의 제조는, 도 2 에 도시된 바와 같이, 용융된 유리를 섬유화하고, 바인더로 용융된 유리 섬유를 코팅하고, 다공성 이동 컨베이어 (또한 “형성 체인(forming chain)” 으로서 공지됨) 상에 섬유성 유리 팩을 형성하고, 바인더 조성물을 경화시켜 단열 블랭킷을 형성함으로써 연속 프로세스로 수행될 수 있다. 유리는 탱크 (도시되지 않음) 에서 용융될 수 있고, 하나 이상의 섬유화 스피너 (119) 와 같은 섬유 형성 디바이스에 공급될 수 있다. 예시적인 실시예에서 섬유 형성 디바이스로서 스피너 (119) 가 도시되어 있지만, 섬유질 단열 제품 (100) 을 형성하기 위해 다른 타입의 섬유 형성 유닛이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 스피너 (119) 는 고속으로 회전한다. 원심력은 용융된 유리가 섬유화 스피너 (119) 의 원주방향 측벽 내의 작은 오리피스를 통과하여 유리 섬유를 형성하게 한다. 무작위 길이의 유리 섬유 (130) 는 섬유화 스피너 (119) 로부터 감쇠될 수 있고, 형성 챔버 (125) 내에 위치된 송풍기 (120) 에 의해 일반적으로 하향으로 (즉, 스피너 (119) 의 평면에 대체로 수직으로) 송풍될 수 있다.

송풍기 (120) 는 유리 섬유 (130) 를 하향으로 터닝시킨다. 유리 섬유 (130) 는, 진입 전에 그리고 형성 챔버 (125) 에서 하향 이송되는 동안 그리고 드로잉 작업으로부터 여전히 고온인 동안, 환형 분무 링 (135) 에 의해 수성의 바인더 조성물로 분무되어, 유리 섬유 (130) 전체에 걸쳐 바인더 조성물의 비교적 고른 분포를 초래한다. 유리 섬유 (130) 를 적어도 부분적으로 냉각시키기 위해 바인더 조성물의 적용 전에, 예를 들어 분무에 의해, 형성 챔버 (125) 내의 유리 섬유 (130) 에 물이 또한 적용될 수 있다.

경화되지 않은 수성 바인더 조성물이 접착된 유리 섬유 (130) 는 형성 컨베이어 (145) 아래로부터 섬유질 팩 (140) 을 통해 드로잉되는 진공 (도시되지 않음) 의 도움으로 형성 챔버 (125) 내의 무단 형성 컨베이어 (145) 상에서 섬유질 팩 (140) 내에 수집되고 성형될 수 있다. 유리 섬유 (130)로부터의 잔류 열 및 형성 작업 동안 섬유질 팩 (140) 을 통한 공기의 유동은 일반적으로 유리 섬유 (130)가 형성 챔버 (125) 를 빠져나가기 전에 바인더 조성물로부터 대부분의 물을 휘발시키기에 충분하여, 유리 섬유 (130) 상에 바인더 조성물의 나머지 성분을 점성 또는 반점성의 고형분-고함유 액체로서 남긴다.

형성 챔버 (125) 내의 섬유질 팩 (140) 을 통한 공기 유동으로 인해 압축 상태에 있는 수지-코팅된 섬유질 팩 (140) 은 그후 출구 롤러 (150) 아래의 형성 챔버 (125) 밖으로, 유리 섬유 (130) 의 탄성으로 인해 섬유질 팩 (140) 이 수직으로 팽창하는 전달 구역 (155) 으로 전달된다. 그리고, 팽창된 섬유질 팩 (140) 은 예를 들어 섬유질 팩 (140) 을 경화 오븐 (160) 을 통해 운반함으로써 가열되고, 여기서 가열된 공기는 섬유질 팩 (140) 을 통해 송풍되어 바인더 조성물 내의 임의의 잔류 물을 증발시키고, 바인더 조성물을 경화시키고, 유리 섬유 (130) 를 함께 견고하게 본딩시킨다. 경화 오븐 (160) 은 유공성 상부 오븐 컨베이어 (165) 및 유공성 하부 오븐 컨베이어 (170) 를 포함하며, 이들 사이에서 섬유질 팩 (140) 이 드로잉된다. 가열된 공기는 팬 (175) 에 의해 하부 오븐 컨베이어 (170), 섬유질 팩 (140) 및 상부 오븐 컨베이어 (165) 를 통해 강제된다. 가열된 공기는 배기 장치 (180) 를 통해 경화 오븐 (160) 을 빠져나간다.

또한, 경화 오븐 (160) 에서, 상부 및 하부 유공성 오븐 컨베이어 (165, 170) 에 의해 섬유질 팩 (140) 이 압축되어 섬유질 단열 제품 (100) 의 단열 층 (102) 을 형성할 수 있다. 상부 및 하부 오븐 컨베이어 (165, 170) 사이의 거리는 단열 층 (102) 에 그 미리 결정된 두께 T₁ 을 제공하도록 섬유질 팩 (140) 을 압축하는 데 사용될 수 있다. 도 2 가 컨베이어들 (165, 170) 이 실질적으로 평행한 배향에 있는 것으로 도시하지만, 이들이 대안적으로 서로에 대해 비스듬히 위치설정될 수도 있다 (도시되지 않음) 는 것을 이해하여야 한다.

경화된 바인더 조성물은 단열 층 (102) 에 강도 및 탄성을 부여한다. 바인더 조성물의 건조 및 경화가 하나 또는 2개의 상이한 단계로 수행될 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 2스테이지 (2-단계) 프로세스는 일반적으로 B-스테이징으로 알려져 있다. 경화 오븐(160)은 100℃ 내지 325℃, 또는 250℃ 내지 300℃ 의 온도에서 작동될 수 있다. 섬유질 팩 (140) 은 바인더 조성물을 가교결합(경화)시키고 단열 층(102) 을 형성하기에 충분한 시간 기간 동안 경화 오븐(160) 내에 남아 있을 수 있다.

단열 층 (102) 이 경화 오븐 (160) 을 빠져나가면, 페이싱 재료 (193) 가 단열 층 (102) 상에 배치되어 페이싱 층 (104) 을 형성할 수 있다. 페이싱 재료 (193) 는 섬유질 단열 제품 (100) 을 형성하기 위해 본딩제 (도시되지 않음) 또는 일부 다른 수단 (예를 들어, 스티칭, 기계적 얽힘) 에 의해 단열 층 (102) 의 제 1 면 (114), 제 2 면 (116), 또는 양 면에 부착될 수 있다. 적합한 본딩제는 페이싱 재료 (193) 에 코팅 또는 다르게 적용될 수 있는 접착제, 폴리머 수지, 아스팔트 및 역청 재료를 포함한다. 섬유질 단열 제품 (100) 은 이후에 보관 및/또는 운송을 위해 롤링되거나, 절단 디바이스 (미도시) 에 의해 미리 결정된 길이로 절단될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 경화 오븐 (160) 으로부터 나오는 단열 층 (102) 이 테이크업 롤 상에서 롤링되거나 원하는 길이를 갖는 섹션으로 절단되고 페이싱 재료 (193) 로 페이싱되지 않는다는 것을 인식하여야 한다.

놀랍게도, 원하는 열 및 재료 효율을 갖는 섬유질 단열 제품이, 예상된 제품 중량 및 두께보다 더 낮은, 3.81 미크론 또는 15 HT 미만의 직경을 갖는 미세 유리 섬유를 이용하여 제조될 수 있다는 것이 발견되었다. 15 HT 미만의 평균 직경의 섬유로 형성된 단열 제품은 이하에서 "미세 섬유" 단열 제품 또는 "본 발명의" 섬유질 단열 제품으로 상호 교환적으로 지칭될 수 있다.

이론에 구속되는 것을 원하지 않는다면, 얇은 서브-15 HT 직경 섬유, 저점도 포름알데히드-무함유 바인더 조성물, 및 특정 프로세싱 파라미터의 독특한 조합은 특정 정도 내에서 형성 사슬(본 명세서에서 L₁방향 또는 기계 방향으로 지칭됨)에 일반적으로 평행한 평면을 따라 더 많은 섬유 (또는 섬유 세그먼트) 의 배향을 용이하게 하는 것으로 여겨진다. 따라서, 이로부터 제조된 본 발명의 섬유질 단열 제품은 15 HT 초과의 평균 섬유 직경을 갖는 섬유로 형성된 다른 유사한 단열 제품에서 보여지는 것보다 L₁ 방향을 따라 더 정렬된 섬유 배향을 갖는다. 따라서, 본 발명의 섬유질 단열 제품이 벽 공동, 천장, 플로어 또는 유사한 건축 구조체에 설치될 때, 배향된 섬유는 열 유동의 방향에 보다 수직인 평면에서 정렬되어, 그럼으로써 재료의 두께를 통해 열을 전도하는 제품의 능력을 감소시킨다.

도 3 은 L₁ 방향의 평면에 대해 일반적으로 보다 평행한 평면을 따른 섬유 (또는 섬유 섹션) 의 전술한 배향을 예시하는 SEM 이미지이다. SEM 이미지는 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유 및 단량체성 폴리올 및 폴리카르복실산 가교결합제를 포함하는 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함하는, 22 의 R-값을 갖는 미세 섬유 단열 제품 (200) 으로부터 획득되었다. 도 3 의 SEM 이미지는 2.5 mm x 1.5 mm 제품 샘플을 예시하고, 국소화된 섬유 벡터 (특정 평면에서의 섬유 섹션) 를 측정한다.

도 4 및 도 5 는 섬유질 단열 제품 샘플을 추가로 예시하는 SEM 이미지이며, 도 4 의 제품 샘플은 14.5 HT 의 평균 섬유 직경 및 22 의 R-값을 갖는 유리 섬유를 포함하고 (이하 샘플 A 로 지칭됨); 도 5 의 제품 샘플은 16.7 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유를 포함하고, 제품 샘플은 R21 의 단열 값을 갖는다 (이하 샘플 B 로 지칭됨). 샘플 A 및 B 의 SEM 이미지는 Thermo Scientific Prisma SEM 을 사용하여 획득하였고, 이미지는 Thermo Scientific MAPS 소프트웨어를 사용하여 스티칭하였다. 샘플을 기계 방향 단면으로 절단하고, 탄소 글루 및 탄소 페이스트를 사용하여 SEM 스터브 상에 장착하고, Au 로 스퍼터 코팅하였다. 섬유 배향 측정 및 정량화는 Image J 소프트웨어로부터의 Orientation J 플러그인을 사용하여 액세스하였다. 가우시안 윈도우 시그마는 1 pix 로 설정되었고, 가우시안 그래디언트는 구조 텐서 (Structure Tensor) 에 대해 선택되었다.

기계 방향에서 샘플 A 및 샘플 B 각각에 대한 표면적 (5.24 mm x 3.14 mm) 을 이미징하고 배향 분포에 대해 분석하였다. 배향 분포를 분석하기 위해, 국소화된 유리 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 이들의 섹션)가 측정되었다. 배향 빈도 (정규화) 대 배향 (도) 을 각각의 샘플에 플롯팅하여 제공하였다. 도 6 내지 도 8 은 제품 길이 L₁ 에 수평인 공통 평면(0°)으로부터 +/- 50°, +/- 30°, 및 +/- 15° 의 범위 내의 샘플 A 에서의 섬유들(또는 섬유 벡터들 또는 이들의 섹션들) 의 중량% 를 예시한다.

놀랍게도, 동일한 R-값을 갖지만 15 HT 초과의 평균 직경을 갖는 유리 섬유를 갖는 단열 제품과 비교하여, 증가된 비율의 유리 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 가 공통 평면을 따라 배향되는 것이 발견되었다. 특히, 임의의 예시적인 실시예에서, 미세 섬유 단열 제품 내의 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 적어도 30 중량% 는 공통 평면의 +/- 15° 내에서 배향될 수 있다. 도 6 은 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유를 포함하는 본 발명의 섬유질 단열 제품에서 공통 평면의 +/- 15° 내의 예시적인 섬유 배향 분포를 개략적으로 나타내는 그래프를 도시한다. 그러한 실시예에서, 미세 섬유 단열 제품은 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 적어도 35 중량%, 적어도 40 중량%, 및 적어도 44 중량% 가 공통 평면의 +/- 15° 내에서 배향되는 섬유를 포함하거나 그로 이루어질 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 공통 평면은 단열 제품의 길이 및 폭에 평행한 평면일 수 있다.

임의의 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품 내의 유리 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 적어도 50 중량%, 또는 적어도 55 중량% 가 공통 평면의 +/- 30° 내에서 배향될 수 있다는 것이 추가로 발견되었다. 도 7 은 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유를 포함하는 본 발명의 섬유질 단열 제품 내에서 공통 평면의 +/- 30° 내의 예시적인 섬유 배향 분포를 나타내는 그래프를 예시한다. 그러한 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 적어도 57 중량%, 적어도 60 중량%, 적어도 65 중량%, 및 적어도 69 중량% 가 공통 평면의 +/- 30° 내에서 배향되는 섬유를 포함하거나 그로 이루어질 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 공통 평면은 단열 제품의 길이 및 폭에 평행한 평면일 수 있다.

또 다른 예시적인 실시예에서, 미세 섬유 단열 제품 내의 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 이들의 섹션) 의 적어도 75 중량% 는 공통 평면의 +/- 50° 내에서 배향된다. 도 8 은 14.5 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유를 포함하는 본 발명의 섬유질 단열 제품 내에서 공통 평면의 +/- 50° 내의 예시적인 섬유 배향 분포를 개략적으로 나타내는 그래프를 예시한다. 그러한 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 적어도 78 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 82 중량%, 및 적어도 85 중량% 가 공통 평면의 +/- 50° 내에서 배향되는 섬유를 포함하거나 그로 이루어질 수 있다. 임의의 예시적인 실시예에서, 공통 평면은 단열 제품의 길이 및 폭에 평행한 평면일 수 있다.

도 9 의 (a) 는 본 발명에 따라 형성된, 예시적인 미세 섬유 단열 제품 (본 명세서에서 샘플 C 로 지칭됨) 의 확대된 샘플 크기 영역 (24 mm x 16 mm) 의 섬유 배향을 예시하는 SEM 이미지이다. 샘플 C 는 22 의 R-값을 갖고, 약 14 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유, 및 60% 내지 65% 고형물에서 약 2,000 내지 3,000 cps 의 점도를 갖는, 약 25 내지 30 중량% 의 소르비톨 및 약 65 내지 70 중량% 의 폴리아크릴산 가교결합제를 포함하는 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함한다. 샘플 C 의 수성의 바인더 조성물은 74.5% 의 고형분 함량에서 12,000 cps 미만의 점도, 및 70% 고형분 이하에서 6,000 cps 미만의 점도를 갖는다.

도 9 의 (a) 의 SEM 이미지를 사용하여 국소화된 바인더 조성물의 섬유 벡터 배향 (특정 평면에서의 섬유 섹션) 을 측정하였다.

비교적으로, 그러나 또한 본 발명의 개념 내에서, 도 10 의 (a) 는 약 14 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유, 및 60% 내지 65% 고형물에서 2,000 cps 미만의 점도를 갖는, 약 35 내지 45 중량% 의 소르비톨 및 약 35 내지 45 중량% 의 폴리아크릴산 가교결합제를 포함하는 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함하는, 22 의 R-값을 갖는 미세 섬유 단열 제품 (이하 샘플 D로 지칭됨) 의 섬유 배향을 예시하는 SEM 이미지이다. 샘플 D 의 수성의 바인더 조성물은 74.5% 의 고형분 함량에서 12,000 cps 미만의 점도, 및 70% 고형분 이하에서 6,000 cps 미만의 점도를 갖는다.

샘플 C 및 D 의 SEM 이미지는 Thermo Scientific Prisma SEM 을 사용하여 획득하였고, 이미지는 Thermo Scientific MAPS 소프트웨어를 사용하여 스티칭하였다. 샘플을 기계 방향 단면으로 절단하고, 탄소 글루 및 탄소 페이스트를 사용하여 SEM 스터브 상에 장착하고, Au 로 스퍼터 코팅하였다. 섬유 배향 측정 및 정량화는 Image J 소프트웨어로부터의 Orientation J 플러그인을 사용하여 액세스하였다. 가우시안 윈도우 시그마는 1 pix 로 설정되었고, 가우시안 그래디언트는 구조 텐서에 대해 선택되었다.

기계 방향에서 샘플 C 및 샘플 D 각각에 대한 표면적 (24 mm * 16 mm) 을 이미징하고 배향 분포에 대해 분석하였다. 샘플 A 및 D 에서와 같이, 샘플 C 및 D 로부터의 국소화된 유리 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 를 배향 분포에 대해 측정하고 분석하였다. 배향 빈도 (정규화) 대 배향 (도) 을 각각의 샘플에 플롯팅하여 제공하였다. 도 9 의 (b) 및 도 10 의 (b) 는 제품 길이 L₁ 에 수평인 공통 평면 (0°) 으로부터 +/- 50°, +/- 30°, 및 +/- 15° 의 범위 내의, 각각 샘플 C 및 D 에서의 섬유들(또는 섬유 벡터들 또는 이들의 섹션들) 의 중량% 를 예시한다.

놀랍게도, 샘플 D 를 형성하는 데 사용되는 바인더 점도를 감소시키는 것이 공통 평면을 따라 배향된 유리 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 비율을 증가시킨다는 것을 발견하였다. 구체적으로, 도 9 의 (b) 및 하기 표 2 에 나타낸 바와 같이, 샘플 C 의 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 이들의 섹션) 의 32.94 중량% 는 공통 평면의 +/- 15° 내에 배향되었고, 57.07 중량% 는 공통 평면의 +/- 30° 내에 배향되었고, 78.87 중량% 는 공통 평면의 +/- 50° 내에 배향되었다. 도 10 의 (b) 및 하기 표 2 에 추가로 예시된 바와 같이, 샘플 D 의 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 45.14 중량% 는 공통 평면의 +/- 15° 내에 배향되었고, 66.23 중량% 는 공통 평면의 +/- 30° 내에 배향되었고, 84.03 중량% 는 공통 평면의 +/- 50° 내에 배향되었다. 상술한 바와 같이, 공통 평면은 단열 제품의 길이 및 폭과 평행한 평면일 수 있다.

표 2

또한, 섬유질 단열 제품 내의 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 적어도 일부가 형성 체인 또는 "L₁방향"에 일반적으로 평행한 평면을 따라 배향되지만, 섬유질 단열 제품은 L₁방향에 일반적으로 수직인 평면을 따라 배향된 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 일부를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 "이중 배향" 섬유질 단열 제품은 우수한 열적 특성을 나타내는 한편, 또한 압축력에 대한 개선된 회복 및/또는 저항성을 나타낸다. 이중 배향 섬유질 단열 제품은 적어도 15 중량%, 적어도 18 중량%, 적어도 20 중량%, 적어도 25 중량%, 적어도 28 중량%, 및 적어도 30 중량%의 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 를 포함하는, L₁ 방향에 일반적으로 수직인 평면을 따라 배향된 적어도 10 중량% 의 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 를 포함할 수 있다.

일부 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 실질적으로 평행한 방향으로 배향되고 섬유의 길이를 따라 하나 이상의 지점에서 서로 바인딩된 적어도 2개의 섬유를 포함하는, 평행 섬유 번들 (202) 의 증가된 존재를 갖는다. 도 11 의 (a) 내지 도 11 의 (c) 의 확대된 SEM 이미지는 섬유질 단열 제품에 존재하는 평행 섬유 번들을 도시한다. 도 12 의 (a) 내지 도 12 의 (c) 는 평행 섬유 번들의 널리 퍼짐 (prevalence) 을 추가로 예시하는, 도 3 에 도시된 섬유질 단열 제품의 추가의 확대된 SEM 이미지를 제공한다. 평행 섬유 번들들 (202) 은 단일 섬유 (204) 또는 다른 평행 섬유 번들들 (202) 과 접합부들을 형성할 수 있다.

임의의 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품 (200) 내의 섬유의 적어도 15 중량% 는 평행 섬유 번들에 적어도 부분적으로 포함될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품 내의 섬유의 적어도 25 중량%, 적어도 28 중량%, 적어도 30 중량%, 적어도 35 중량%, 적어도 40 중량%, 적어도 45 중량%, 및 적어도 50 중량% 를 포함하는, 섬유질 단열 제품 내의 섬유의 적어도 20 중량% 는, 평행 섬유 번들에 적어도 부분적으로 포함된다.

본 명세서에 개시된 예시적인 실시예들 중 임의의 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 적어도 2개의 섬유들 사이에서 연장되는 바인더 거싯들의 감소된 존재를 가질 수 있다는 것이 추가로 밝혀졌다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, 바인더 "거싯"은 각진 브래킷과 유사한, 일반적으로 삼각형 또는 마름모꼴 형상으로 적어도 2개의 섬유 사이에서 연장되는 경화된 바인더 조성물의 일부를 의미한다. 바인더 거싯은 현미경(예를 들어, 광학 현미경 또는 주사 전자 현미경) 에 의해 측정된다. 광학 현미경의 경우, 유리 섬유를 "숨기기(hide)" 위한 굴절률 용액 (index solution) 의 사용은 바인더-섬유 접합부 및 거싯의 식별을 용이하게 한다. 예시적인 바인더 거싯을 예시하는 SEM 이미지가 도 13 의 (a) 및 도 13 의 (b) 에 제공된다.

바인더 거싯들은 비-평행 섬유들 사이에 형성되며, 이는 섬유들이 별개의 평면들로 배향됨을 나타낸다. 이론에 구속되는 것을 원하지 않는다면, 바인더 거싯을 최소화하고 섬유의 길이를 따라 바인더 조성물의 존재를 증가시키는 것은 균일한 배향을 개선하는 것 및 또한 평행 섬유 번들의 존재를 증가시키는 것 둘 모두에 유리한 것으로 여겨진다.

섬유 배향의 증가된 균일성으로 인해, 일부 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품에 존재하는 바인더 조성물의 40 중량% 이하가 바인더 거싯 내에 위치된다. 임의의 예시적인 실시예에서, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 10 중량% 이하, 및 5 중량% 이하를 포함하는, 바인더 조성물의 35 중량% 이하는 바인더 거싯 내에 위치된다.

또한, 섬유 배향에서의 증가된 균일성으로 인해, 바인더의 75 중량% 이하가 바인더 노드 내에 위치되며, 이는 2개 이상의 교차된 (crossed) 섬유 사이의 교차부에 분포된 바인더 조성물의 일부이다. 일부 예시적인 실시예에서, 바인더 노드 내에 위치된 바인더의 양은 50 중량% 이하, 45 중량% 이하, 및 40 중량% 이하를 포함하는 60 중량% 이하로 제한된다.

전술된 바와 같이, 다양한 제품 및 제품 파라미터가 미세 섬유 단열 제품에서의 섬유의 배향에 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 이론에 구속되는 것을 원하지 않는다면, L₁ 방향에 일반적으로 평행한 평면 내에 배향된 섬유 (또는 섬유 벡터 또는 그의 섹션) 의 증가된 존재는 적어도 부분적으로 소직경 유리 섬유 (즉, 3.81 미크론 (또는 15 HT) 이하의 평균 섬유 직경) 와 저점도 포름알데히드-무함유 바인더 조성물의 상승적 조합에서 기인하는 것으로 여겨진다. 특히, 25℃ 의 온도에서, 바인더 조성물은 25℃ 및 65 중량% 내지 70 중량% 의 고형분 농도에서 50,000 cP 이하, 25,000 cP 이하, 15,000 cP 이하, 10,000 cP 이하, 4,000 cP 이하의 점도를 포함하는, 65 중량% 내지 70 중량% 의 고형분 농도에서 90,000 cP 이하의 점도를 갖는다.

섬유 배향에 영향을 주는 것에 더하여, 바인더 조성물의 낮은 점도는 팩이 형성 챔버로부터 경화 오븐 내로 이동할 때 "램프" 상의 섬유 팩 수분의 감소를 허용한다. 제품이 팩의 전체 두께에 걸쳐 완전히 그리고 일관적으로 경화하기 위해 섬유 팩이 경화 오븐에 진입할 때 램프 수분 (ramp moisture) 은 충분히 낮은 것이 중요하다. 일부 예시적인 실시예에서, 바인더 조성물의 점도는 5% 이하, 3% 이하, 및 2% 이하를 포함하는, 7% 이하의 램프 수분 레벨을 보장하도록 조절된다.

섬유질 단열 제품은 섬유질 단열 제품의 10 중량% 이하, 또는 섬유질 단열 제품의 8.0 중량% 이하, 또는 섬유질 단열 제품의 6.0 중량% 이하, 또는 섬유 단열 팩의 3.0 중량% 이하의 바인더 함량 (LOI) 을 갖는다. 임의의 예시적인 실시예에서, 단열 제품은 2.0 중량% 내지 8.0 중량%, 2.5 중량% 내지 6.0 중량%, 또는 3.0 중량% 내지 5.0 중량% 를 포함하는, 섬유질 단열 제품의 1.0 중량% 내지 10.0 중량% 의 바인더 함량 (LOI) 을 갖는다. 비교적 적은 양의 바인더는 최종 단열 제품의 유연성에 기여한다. 임의의 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 4.2% 미만, 4.0% 미만, 3.8% 미만, 및 3.5% 미만을 포함하는, 4.5% 미만의 LOI 를 갖는다.

이론에 구속되는 것을 원하지 않는다면, 일반적으로 L₁ (또는 기계) 방향 평면에 더 평행한 평면 내의 미세 직경 섬유 (즉, 15 HT 또는 3.81 미크론 이하의 평균 섬유 직경을 갖는 섬유) 의 배향은 놀랍게도 개선된 열 성능 및 전체 재료 효율을 갖는 섬유질 단열 제품의 형성을 초래하였다. 유리섬유 단열 제품의 열 성능은 유리섬유 단열 제품의 R-값을 기준으로 하며 이는 열 유동에 대한 제품의 저항의 측정치이다. R-값은 등식 1 에 의해 정의된다.

등식 (1): R = T₁/k (1)

여기서, "T₁"은 인치 (inch) 로서 표현된 단열 제품의 두께이고, "k"는 BTU·in/hr·ft²·℉ 로서 표현된 단열 제품의 열 전도도이고, "R"은 hr·ft²·℉/BTU 로서 표현된 단열부의 R-값이다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단열 제품의 두께 (T₁) 는 ASTM C167-18 에 따라 결정될 수 있고, k-값 및 면적 중량 (lb/ft²) 둘 모두는 ASTM C518-17 또는 ASTM C177-19 에 따라 결정될 수 있다.

단열 제품의 R-값, 열 전도도 및 재료 효율은 단열 제품의 열 성능의 표시를 제공하는 매개변수이다.

ME 는 등식 (2) 에 의해 정의될 수 있다.

식 (2): ME= R-값/W,

R·ft²/lb 로서 표현되며, 여기서 "R"은 단열 제품의 R-값이고 "W"는 단열 제품의 면적 중량 (lb/ft²) 이다. ME 는 단열 제품이 얼마나 효율적으로 열 유동에 저항하는지를 측정하며, 유리 섬유 단열 배트의 성능을 정량화하는 데 사용될 수 있는 메트릭이다. 　R·ft² 의 더 큰 값을 달성하기 위해, 단열부 공급자는 일반적으로 단열 재료의 양 (파운드-질량 (lb)) 을 증가시킨다. 따라서, 재료의 파운드 당 더 높은 R·ft² 를 제공하는 단열부가 바람직하고, 이는 ME 에 의해 측정된다 (즉, 제품의 열 단열 이점을 열 단열 이점을 제공하는 데 사용되는 재료의 양으로 나눈 것).　

열 전도도

본 발명의 미세 섬유 단열 제품은 예상된 것보다 소정 밀도에 대해 놀랍게도 더 큰 열 전도도 감소를 입증하였다. 예를 들어, a 1995 publication by Saint Gobain (Langlais, C., Guilbert, G., Banner, D., and Klarsfeld, S (1995). Influence of the Chemical Composition of Glass on Heat Transfer through Glass Fiber Insulations in Relation to Their Morphology and Temperature. J. Thermal Insulation and Building Envs., 18, 350-376)(이하 "SG 공보"라 함) 는 섬유질 단열물의 열적 성능을 예측하기 위한 이론적 접근법을 상세히 설명한다. SG 공보는 온도 및 밀도와 별도로, 섬유의 평균 직경이 열 전도도를 감소시키기 위한 수단으로서 발견되었음을 나타내고, 열 전도도에 대한 섬유 직경의 영향을 예시하는 데이터를 제공한다. 출원인은 SG 공보에 도시된 바와 같이 거의 동일한 곡선을 예측하는, SG 공보와 독립적인, 독점적 모델링 교시 (proprietary modeling teaching) 를 개발하였다. 따라서, SG 공보에 제시된 데이터 (이하 "예상된 결과") 는 다양한 밀도 및 섬유 직경에서 유리 섬유 단열부의 예상 열 성능을 나타내는 것으로 간주된다.

그러나, 0.2 pcf 과 1.6 pcf 사이의 밀도 범위에 걸쳐 3.6 미크론의 평균 섬유 직경을 갖는 본 발명의 유리섬유 단열 제품의 열 전도도 값은 예상된 결과에 기초하여, 예측된 열 전도도 값보다 예상치 못하게 더 낮다. 도 14 는 (3 미크론의 평균 섬유 직경을 갖는 유리섬유 단열 제품을 기초로 하는) 예상된 결과와 본 발명의 3.6 미크론의 유리섬유 단열 제품의 측정된 열 전도도 사이의 차이를 도시한다. 예시된 바와 같이, 예상된 결과들에 의해 확립된 열 전도도 값들은 식 (I) 에 대응한다:

식 (I) y = 0.116x² - 0.3002x + 0.4319.

여기서, y 는 BTU-in/(hr·ft²·℉) 로서 표현되는 열 전도도 (k-값) 이고, x는 lb/ft³ (“pcf”) 으로서 표현되는 제품 밀도이다. 식 (I) 은 등식에서 높은 정도의 정확도를 표시하는 R² = 0.9804 을 갖는다. 대조적으로, 본 발명의 3.6 미크론 단열 제품에 대한 측정된 열 전도도 값은 식 (II) 를 생성하였다:

식 (II) y = 0.1013x² - 0.2438x + 0.3763.

여기서, y 는 BTU-in/(hr·ft²·℉) 로서 표현된 열 전도도 (k-값) 이고, x 는 lb/ft³또는 pcf 로서 표현된 제품 밀도이다. 식 (II) 은 등식에서 높은 정도의 정확도를 표시하는 R² = 0.9803 을 갖는다.

따라서, 주어진 밀도에서, 본 발명의 3.6 미크론 단열 제품은, 심지어 더 작은 섬유 평균 섬유 직경 (3.0 미크론 대 3.6 미크론) 을 갖는 단열 제품에 기초하여, 예상되는 것보다 상당히 더 낮은 열 전도도를 나타냈다. 예를 들어, 0.8 pcf 의 밀도에서, 식 (I) 은 0.2660 BTU-in/(hr·ft²·℉) 의 열 전도도 예측을 출력하는 반면, 본 발명의 3.6 미크론 섬유유리 단열 제품은 0.2461 BTU-in/(hr·ft²·℉) 의 더 낮은 측정된 열 전도도 (k 값) 을 나타내었다. 0.0199 의 k-값 감소는 통계적으로 상당한 감소이다.

일부 실시예에서, 본 개시의 섬유질 단열 제품은 적어도 0.015, 적어도 0.03, 적어도 0.05, 적어도 0.075, 적어도 0.1, 적어도 0.15, 적어도 0.2, 및 적어도 0.23 BTU-in/(hr·ft²·℉) 의 k-값의 감소를 포함하는, 0.2 pcf 과 1.35 pcf 사이의 밀도 범위에 걸쳐 예상된 결과와 비교하여 적어도 0.01 BTU-in/(hr·ft²·℉) 의 k-값의 감소를 나타낸다.

본 명세서에 제공된 임의의 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 다음의 식 (III) 을 만족하는 것 이하의 BTU-in/(hr·ft²·℉) 로서 표현되는 열 전도도 (k-값 (y)) 을 가질 수 있다:

식 (III): y = 0.116x² - 0.3002x + 0.4219.

여기서, x 는 0.2 pcf 내지 1.6 pcf 범위 내의 제품 밀도이다. 식 (III) 은 식 (I) 을 기초로 하지만, 예상된 결과에 비해 충분한 분리를 보장하기 위해 0.01 만큼 감소된다. 이들 또는 다른 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 다음의 식 (IV) 을 만족하는 값 (y) 의 10% 이내, 또는 적어도 5% 내에서 BTU-in/(hr·ft²·℉) 로서 표현되는 열 전도도 (k-값 (y)) 을 가질 수 있다:

식 (IV): y = 0.1013x² - 0.2438x + 0.3763.

여기서, x 는 0.2 pcf 내지 1.6 pcf 범위 내의 제품 밀도이다.

특별한 이점이 저밀도 단열 제품 (즉, 1.6 pcf 미만) 에서 예시될 수 있지만, 섬유질 단열 제품의 밀도는 상이한 실시예에서 변할 수 있다. 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 섬유질 단열 제품의 밀도는, 바인더 조성물이 경화되고 경화된 제품이 자유 상태 (즉, 압축되거나 연신되지 않은 상태) 에 있는 후의 제품의 밀도이다. 다양한 실시예에서, 섬유질 단열 제품의 밀도는 0.2 pcf 내지 2.7 pcf 이다. 표 3 은 2.03 ㎛ (8.0 HT) 내지 3.81 ㎛ (15 HT) 의 미세 섬유를 갖는 섬유질 단열 제품의 다양한 예시적인 실시예에 대한 원래 밀도 (단위: pcf) 를 열거한다. 표 3 에서, 섬유 직경은 전술한 공기 유동 저항 방법에 의해 측정된 바와 같이, 바인더 조성물의 도포 전의 평균 섬유 직경을 지칭한다. 두께 및 원래 밀도는, 바인더 조성물이 경화되고 경화된 제품이 자유 상태 (즉, 압축되거나 연신되지 않은 상태) 에 있는 후의 제품의 두께 및 밀도를 지칭한다.

표 3

표 3 의 데이터는 15 HT 이하의 평균 섬유 직경, 0.371 pcf 내지 1.214 pcf 의 원래 밀도, 및 6 중량% 이하의 바인더 조성물로 생성된 11 내지 49 의 R-값을 갖는 섬유질 단열 제품을 나타낸다.

재료 효율

상기 언급된 바와 같이, 재료 효율은 단열 재료의 파운드당 제품의 단열 값 (R·ft²) 을 측정한 값이고 R·ft²/lb 로서 표현된다. 재료의 효율을 최대화함으로써 단열 제품은 가능한 한 적은 중량으로 높은 단열 성능을 제공할 수 있다. 달리 말하면, 그 개선된 재료 효율 때문에, 본 발명의 단열 제품은 더 낮은 중량/밀도에서 동등한 단열 성능을 달성할 수 있다. 제품 중량을 낮추는 것은 필요한 섬유유리 및 바인더 재료의 양의 감소를 허용하고, 따라서 전체 비용(예를 들어, 제조, 저장, 운송, 및/또는 폐기 비용) 을 감소시킨다. 또한, 더 낮은 밀도의 제품은 더 경량이며, 제품 백의 동일한 제곱 푸티지 (footage) 에 대해 더 높은 밀도의 제품을 취급하기가 더 쉽다.

예상외로, 본 개시의 섬유질 단열 제품은 예상된 결과에 기초하여, 예상될 것과 비교하여 재료 효율의 놀라운 증가를 입증한다는 것이 밝혀졌다. 더 높은 재료 효율에서, 본 발명의 섬유질 단열 제품은 예측된 면적 중량보다 더 낮은 면적 중량에서 원하는 단열 성능 (R-값) 을 제공할 수 있다.

도 15 는 3 미크론의 평균 섬유 직경 및 5.5 인치의 두께를 갖는 섬유유리 단열 제품에 기초한, 예상된 결과의 출력과 5.5 인치의 두께에서의 본 발명의 3.6 미크론 단열 제품의 실제 재료 효율 사이의 재료 효율 차이를 예시한다. 도 15 에 예시된 바와 같이, 예상된 결과에 의해 결정된 섬유질 단열 제품의 예측된 재료 효율은 다음의 식 (V) 에 대응한다:

식 (V) y = 35.7480145x² - 112.2450311x + 123.2764898.

여기서, y 는 R·ft²/lb 로서 표현되는 재료 효율이고, x 는 약 0.5 pcf 내지 약 1.5 pcf 의 밀도 범위에 걸친 제품 밀도이다. 식 (V) 은 모델에서 높은 정도의 정확도를 표시하는 R² = 0.9980374 을 갖는다. 대조적으로, 본 발명의 3.6 미크론 단열 제품의 실제 재료 효율은 식 (VI) 에 대응한다:

식 (VI): y = 40.1916068x² - 120.5813540x + 131.7360668.

여기서 y 는 약 0.7 pcf 내지 약 1.35 pcf 의 밀도 범위에 걸쳐 R·ft²/lb 로서 표현되는 재료 효율이고, x 는 제품 밀도이다. 식 (V) 은 등식에서 높은 정도의 정확도를 표시하는 R² = 0.9980374 을 갖는다.

주어진 밀도에서, 본 발명의 3.6 미크론 단열 제품은 심지어 더 작은 섬유 평균 섬유 직경 (3.6 미크론 대 3.0 미크론) 을 갖는 단열 제품에 기초하여, 예측된 것보다 더 높은 재료 효율을 나타낸다. 예를 들어, 0.8 pcf 의 밀도에서, 식 (V) 는 56.36 R·ft²/lb 의 재료 효율을 예측하는 반면, 본 발명의 3.6 미크론 섬유유리 단열 제품은 4 단위 초과의 증가인 60.99 R·ft²/lb 의 실제 재료 효율을 나타낸다. 유사하게, 0.6 pcf 의 밀도에서, 식 (V) 는 68.80 R·ft²/lb 의 재료 효율을 예측하는 반면, 본 발명의 3.6 미크론 섬유유리 단열 제품은 5 단위 초과의 증가인 73.86 R·ft²/lb 의 실제 재료 효율을 나타낸다.

따라서, 본 개시의 섬유질 단열 제품은 0.2 pcf 과 1.6 pcf 사이의 밀도 범위에 걸쳐, 예상된 것과 비교하여 적어도 4.0 단위, 및 일부 경우에 적어도 5.0 단위, 적어도 5.5 단위, 적어도 5.8 단위, 및 적어도 6.0 단위의 증가된 재료 효율을 나타낸다.

본원에 제공된 임의의 예시적인 실시예에서, 19 내지 24 의 R-값, 0.3 lb/ft²내지 0.5 lb/ft²의 면적 중량, 및 0.7 pcf 와 1.35 pcf 사이의 밀도에서, 섬유질 단열 제품은 적어도 50, 예를 들어 적어도 55, 적어도 58, 적어도 60, 적어도 63, 적어도 65, 적어도 68, 적어도 70, 적어도 75, 및 적어도 80 의 식 ME = R-값/면적 중량 (W) 에 따른 재료 효율을 가질 수 있다.

개별 단열 제품이 제품 자체 내에 특정 정도의 변동을 포함할 수 있기 때문에, 상기 제공된 열 성능 값들은 이러한 자연 변동을 고려하지 않는 평균 예측 값들이라는 것이 인식되어야 한다. 따라서, 자연 제품 변동을 고려하기 위해, 상기 식 (VI) 은 95% 신뢰 레벨에서 2.1076693 으로서 계산된 변동 값에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 이러한 변동 값을 고려하여, 본 발명의 단열 제품의 조절된 재료 효율은 다음의 식 (VII) 에 대응한다:

식 (VII): y = 40.1916068x² - 120.5813540x + 129.628397.

여기서, y 는 R·ft²/lb 로서 표현되는 조절된 재료 효율이고, x 는 약 0.5 pcf 내지 약 1.5 pcf 의 밀도 범위에 걸친 제품 밀도이다.

도 16 은 3 미크론의 평균 섬유 직경 및 5.5 인치의 두께를 갖는 섬유유리 단열 제품에 기초한, 예상된 결과의 출력과 5.5 인치의 두께에서 그리고 변동 변수를 포함하는 본 발명의 3.6 미크론 단열 제품의 조절된 재료 효율 사이의 재료 효율 차이를 예시한다.

도 16 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 3.6 미크론 단열 제품의 조절된 재료 효율은, 심지어 더 작은 섬유 평균 섬유 직경 (3.0 미크론 대 3.6 미크론) 을 갖는 단열 제품에 기초하여, 예상된 결과보다 더 높은 재료 효율을 나타낸다. 예를 들어, 0.8 pcf 의 밀도에서, 식 (V)(예상된 결과) 는 56.36 R·ft²/lb 의 재료 효율을 예측하는 반면, 본 발명의 3.6 미크론 섬유유리 단열 제품은 2 단위 초과의 증가인 58.89 R·ft²/lb 의 조절된 재료 효율을 입증한다. 유사하게, 0.6 pcf 의 밀도에서, 식 (V) 는 68.80 R·ft²/lb 의 재료 효율을 예측하는 반면, 본 발명의 3.6 미크론 섬유유리 단열 제품은 거의 3 단위의 증가인 71.75 R·ft²/lb 의 조절된 재료 효율을 나타낸다.

다양한 면적 중량을 갖는 제품에서 특정 이점이 예시될 수 있지만, 바람직한 열적 특성을 유지하면서 비교적 낮은 영역 중량에서 특정 이점이 캡처될 수 있다. 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 섬유질 단열 제품의 면적 중량은 바인더 조성물이 제곱 피트당 경화된 후의 단열 제품의 중량 (lb/ft²) 이다. 다양한 실시예에서, 섬유질 단열 제품의 면적 중량은 0.2 lb/ft²내지 1.8 lb/ft², 0.25 lb/ft² 내지 1.5 lb/ft², 0.3 lb/ft² 내지 1.2 lb/ft², 0.35 lb/ft² 내지 1.0 lb/ft², 그리고 0.38 lb/ft²내지 0.6 lb/ft² 를 포함하는, 0.1 lb/ft² 내지 2.0 lb/ft² 의 범위이다. 임의의 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품의 면적 중량은 0.5 lb/ft² 미만, 0.48 lb/ft² 미만, 0.45 lb/ft² 미만, 및 0.42 lb/ft² 미만을 포함하는, 0.55 lb/ft² 미만일 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 개선된 열 및 재료 효율 이점들은 임의의 단열 제품 두께들에서 캡처될 수 있고, 특정 이점들은 비교적 낮은 제품 두께들에서 보여질 수 있다. 일반적으로, 단열 제품의 R-값은 단열 제품의 두께 (T₁) 를 증가시킴으로써 개선될 수 있으며, 이는 결국 제품의 밀도를 낮출 수 있다 (제품에 대한 다른 변화가 없다고 가정함). 그러나, 제품 두께를 증가시키는 것은 제한된 제품 (즉, 고정된 두께 벽 공동 내에 설치된 제품) 에 대해서는 가능하지 않다. 따라서 단열 제품이 벽 개구의 두께까지만 팽창할 수 있기 때문에, 제품을 벽 공동의 두께보다 두껍게 제조함으로써 얻어지는 R-value 장점은 없다. 임의의 예시적인 실시예에서, 섬유질 단열 제품 두께 (T₁) 는 18 인치 이하, 15 인치 이하, 12 인치 이하, 10 인치 이하, 8 인치 이하, 7 인치 이하, 6.5 인치 이하, 및 6 인치 이하의 두께를 포함하는, 약 20 인치 미만일 수 있다. 예를 들어, 일부 두께-제한된 제품들에서, 섬유질 단열 제품은 6.5 인치 미만, 6 인치 미만, 5.5 인치 미만, 5 인치 미만, 4.5 인치 미만, 및 4 인치 미만을 포함하는, 7 인치 미만의 두께를 가질 수 있다. 이들 또는 다른 실시예에서, 섬유질 단열 제품은 0.75 인치 내지 7.5 인치, 0.9 인치 내지 7.0 인치, 1.0 인치 내지 6.8 인치, 1.5 인치 내지 6.3 인치, 및 2.0 인치 내지 6.0 인치를 포함하는, 예를 들어 0.5 인치 내지 8 인치의 두께를 가질 수 있다.

표 4 는 각각 14.5 및 14.4 HT 의 평균 섬유 직경을 갖는 섬유로 형성된 2개의 예시적인 섬유질 단열 제품 (예 1 및 2) 에 대한 구조적 및 열 특성을 도시한다. 예 1 및 2 의 제품 각각을 단량체성 폴리올 및 폴리머성 폴리카르복실산 가교결합제를 포함하는 포름알데히드-무함유 바인더 조성물로 형성하였다. 예 1 및 2 는 5.5 인치의 두께 및 R-22 의 단열 값을 가졌다. 다음의 표 4 에 나타낸 바와 같이, 0.25 BTU·in/hr·ft²·℉ 의 k-값에서 예 1 및 2 는 4% 미만의 LOI 값을 갖는, 각각 0.746 lb/ft³및 0.759 lb/ft³ 의 낮은 밀도를 나타냈다. 대조적으로, 비교예 1 은 15.9 HT 유리 섬유 및 폴리머성 폴리올 및 단량체성 폴리카르복실산 가교결합제를 포함하는 바인더 조성물로 형성되었다. 5.5 인치의 두께 및 0.25 BTU·in/hr·ft²·℉ 의 k-값에서, 비교예 1 의 제품은 0.830 lb/ft³ 의 밀도를 나타내었으며, 이는 예 1 및 2 의 밀도보다 적어도 7%, 특히 적어도 9% 더 높다.

또한 놀랍게도, 비교예 2 는 14.3 HT 유리 섬유 (이에 의해 본 명세서에 정의된 바와 같은 "미세 섬유"로 간주됨) 및 폴리머성 폴리올 및 단량체성 폴리카르복실산 가교결합제를 포함하는 바인더 조성물로 형성되었다. 5.5 인치의 두께 및 0.23 BTU·in/hr·ft²·℉ 의 k-값에서, 비교예 2 의 제품은 예 1 및 2 의 밀도보다 적어도 39% 더 높은, 1.25 lb/ft³ 의 밀도를 나타내었다.

표 4

또한, 동일한 두께 및 대략 동일한 R-값에서, 예 1 및 2 는 비교예 1 및 2 의 제품과 비교하여 5 단위 초과만큼 재료 효율을 증가시켰다. 이러한 차이는 적어도 예 1 및 2 의 것에 필적하는 k-값을 달성하기 위해 비교예 1 및 2 에서 요구되는 면적 중량의 증가에 기인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 섬유질 단열 제품은 감소된 면적 중량에서 향상된 열 특성을 제공할 수 있어 전체적으로 제품의 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 섬유유리 단열 재료는 본 명세서에 개시된 특성들 및 개시된 특성들에 대한 범위들의 임의의 조합 또는 하위조합을 가질 수 있다. 본 발명이 그 실시예들의 설명에 의해 예시되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 그러한 상세로 제한하거나 어떠한 방식으로도 한정하는 것은 본 출원인의 의도가 아니다. 추가적인 이점 및 수정이 당업자에게 용이하게 인식될 것이다. 섬유질 단열 제품이 본 명세서에서 가요성 배트 또는 블랭킷으로서 예시되었지만, 다른 구성 및 지오메트리가 사용될 수 있다. 또한, 섬유질 단열 제품은 다양한 방식으로 사용될 수 있으며, 임의의 특정 적용으로 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 그의 더 넓은 양태에서, 제시되고 설명된 특정 상세, 대표적인 장치 및 예시적인 예들로 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명 개념의 사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 그러한 상세로부터 출발할 수 있다.

Claims

개선된 재료 효율을 갖는 단열 제품으로서,
복수의 유리 섬유들, 및
상기 유리 섬유들을 적어도 부분적으로 코팅하는 가교결합된 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함하고;
상기 유리 섬유들은 8 HT (2.03 ㎛) 내지 15 HT (3.81 ㎛) 범위 내의 평균 섬유 직경을 갖고;
상기 단열 제품은 8중량% 이하의 바인더 함량 (LOI) 을 갖고;
0.2 pcf 와 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 에서, 상기 단열 제품은 다음의 식 (VII) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는 R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성하는, 단열 제품:
식 (VII) y = 40.1916068x² - 120.5813540x + 129.628397.
제 1 항에 있어서,
상기 단열 제품은 0.5 pcf 와 1.35 pcf 사이의 밀도 (x) 를 갖는, 단열 제품.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 단열 제품은 적어도 55 R·ft² /lb 의 재료 효율 (y) 을 갖는, 단열 제품.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 제품은 길이, 폭 및 두께를 포함하고, 상기 길이는 상기 폭 및 상기 두께 각각보다 더 크고, 상기 유리 섬유들의 적어도 30 중량% 는 상기 단열 제품의 길이에 평행한 평면의 +/- 15° 내에 배향되는, 단열 제품.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 제품에서의 상기 유리 섬유들의 적어도 15 중량% 가 상기 단열 제품에서의 적어도 하나의 다른 유리 섬유와 실질적으로 평행한 배향으로 적어도 부분적으로 바인딩되는, 단열 제품.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 섬유들의 적어도 40 중량% 가 상기 단열 제품의 길이에 평행한 평면의 +/- 15° 내에 배향되는, 단열 제품.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 섬유들의 평균 섬유 직경은 12 HT (3.05 ㎛) 내지 14.5 HT (3.68 ㎛) 의 범위인, 단열 제품.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
가교결합 전에, 상기 포름알데히드-무함유 바인더 조성물이 상기 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 적어도 45 중량% 의 조합된 양으로 적어도 하나의 단량체성 폴리올 및 폴리카르복실 산을 포함하는, 단열 제품.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
가교결합 전에, 상기 포름알데히드-무함유 바인더 조성물은 2 내지 5 의 범위의 pH 를 갖는, 단열 제품.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 제품은 4중량% 이하의 바인더 함량 (LOI) 을 갖는, 단열 제품.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
0.2 pcf 와 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 에서, 상기 단열 제품은 다음의 식 (VI) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는 R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성하는, 단열 제품:
식 (VI) y = 40.1916068x2 - 120.5813540x + 131.7360668.
경량 단열 제품으로서,
15 HT (3.81 ㎛) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 유리 섬유들; 및
상기 유리 섬유들을 적어도 부분적으로 코팅하는 가교결합된 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함하고,
상기 단열 제품은 19 내지 24 의 범위의 R-값, 0.3 lb/ft²와 0.5 lb/ft² 사이의 면적 중량 (W), 및 0.7 lb/ft³ 와 1.0 lb/ft³ 의 밀도를 갖고,
상기 단열 제품은 다음의 등식 (2) 에 의해 정의되는 재료 효율 (ME) 을 갖는, 경량 단열 제품:
등식 (2): ME = R-값/W 이고, 여기서 ME 는 R·ft²/lb 로서 표현되고, W 는 lb/ft² 로서 표현된 제품 면적 중량이고, 여기서 ME 는 적어도 28 R·ft²/lb 인, 경량 단열 제품.
제 12 항에 있어서,
상기 단열 제품은 적어도 50 R·ft²/lb 의 재료 효율을 갖는, 경량 단열 제품.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 단열 제품은 0.5 인치와 8.0 인치 사이의 두께 (T₁) 를 갖는, 경량 단열 제품.
제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 제품은 0.55 BTU-in/(hr·ft²·℉) 이하의 열 전도도 (k-값) 를 달성하는, 경량 단열 제품.
제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 제품은 길이, 폭 및 두께를 포함하고, 상기 길이는 상기 폭 및 상기 두께 각각보다 더 크고, 상기 유리 섬유들의 적어도 30 중량% 는 상기 단열 제품의 상기 길이 및 상기 폭에 평행한 평면의 +/- 15° 내에 배향되는, 경량 단열 제품.
제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 제품에서의 상기 유리 섬유들의 적어도 15 중량% 가 상기 단열 제품에서의 적어도 하나의 다른 유리 섬유와 실질적으로 평행한 배향으로 적어도 부분적으로 바인딩되는, 경량 단열 제품.
제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
가교결합 전에, 상기 포름알데히드-무함유 바인더 조성물이 상기 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 적어도 45 중량% 의 조합된 양으로 적어도 하나의 단량체성 폴리올 및 폴리카르복실 산을 포함하는, 경량 단열 제품.
단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법으로서,
복수의 유리 섬유들로 용융된 유리를 섬유화하는 단계;
수성의, 포름알데히드-무함유 바인더 조성물로 상기 유리 섬유들을 코팅하는 단계;
이동하는 컨베이어 상에 유리 섬유를 무작위로 디포짓팅 (depositing) 하여, 경화되지 않은 섬유유리 블랭킷을 형성하는 단계; 및
경화 오븐을 통해 상기 경화되지 않은 섬유유리 블랭킷을 통과시켜 상기 바인더 조성물을 가교결합하고 섬유성 단열 제품을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 유리 섬유들은 8 HT (2.03 ㎛) 내지 15 HT (3.81 ㎛) 의 범위의 평균 섬유 직경을 갖고;
상기 단열 제품은 길이, 폭 및 두께를 가지며, 상기 길이는 상기 폭 및 상기 두께 각각보다 크고;
상기 단열 제품에서 상기 유리 섬유들의 적어도 30 중량% 는 상기 단열 제품의 상기 길이 및 상기 폭에 의해 정의된 공통 평면의 +/- 15° 내에서 배향되고,
0.2 pcf 와 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 에서, 상기 단열 제품은 다음의 식 (VII) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는 R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성하는, 단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법:
식 (VII) y = 40.1916068x2 - 120.5813540x + 129.628397.
제 19 항에 있어서,
상기 단열 제품은 0.5 pcf 와 1.35 pcf 사이의 밀도 (x) 를 갖는, 단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 단열 제품은 적어도 55 R·ft² /lb 의 재료 효율 (y) 을 갖는, 단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법.
제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단열 제품은 0.3 lb/ft² 과 0.5 lb/ft²사이의 면적 중량 (W) 을 갖는, 단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법.
제 19 항 또는 제 22 항에 있어서,
상기 단열 제품은 0.5 인치와 8.0 인치 사이의 두께 (T₁) 를 갖는, 단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법.
제 19 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 섬유들의 평균 섬유 직경은 12 HT (3.05 ㎛) 내지 14.5 HT (3.68 ㎛) 의 범위인, 단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법.
제 19 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
가교결합 전에, 상기 포름알데히드-무함유 바인더 조성물이 상기 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 적어도 45 중량% 의 조합된 양으로 적어도 하나의 단량체성 폴리올 및 폴리카복실산을 포함하는, 단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법.
제 19 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
0.2 pcf 와 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 에서, 상기 단열 제품은 다음의 식 (VI) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는 R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성하는, 단열 제품의 재료 효율을 개선하는 방법.
식 (VI) y = 40.1916068x2 - 120.5813540x + 131.7360668.
개선된 재료 효율을 갖는 단열 제품으로서,
복수의 유리 섬유들, 및
상기 유리 섬유들을 적어도 부분적으로 코팅하는 가교결합된 포름알데히드-무함유 바인더 조성물을 포함하고;
상기 유리 섬유들은 8 HT (2.03 ㎛) 내지 15 HT (3.81 ㎛) 범위 내의 평균 섬유 직경을 갖고;
상기 단열 제품은 8중량% 이하의 바인더 함량 (LOI) 을 갖고;
0.2 pcf 와 1.6 pcf 사이의 밀도 (x) 에서, 상기 단열 제품은 다음의 식 (VII) 을 만족하는 값 (y) 을 충족하거나 초과하는 R·ft²/lb 로서 표현되는, 재료 효율 (y) 을 달성하는, 개선된 재료 효율을 갖는 단열 제품:
식 (VI) y = 40.1916068x2 - 120.5813540x + 131.7360668.