WO2011108859A2 - 저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트 - Google Patents

저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트 Download PDF

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WO2011108859A2
WO2011108859A2 PCT/KR2011/001460 KR2011001460W WO2011108859A2 WO 2011108859 A2 WO2011108859 A2 WO 2011108859A2 KR 2011001460 W KR2011001460 W KR 2011001460W WO 2011108859 A2 WO2011108859 A2 WO 2011108859A2
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perlite
particles
expanded perlite
low temperature
weight
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백범규
남대우
이기진
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주식회사 경동세라텍
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/04—Silica-rich materials; Silicates
    • C04B14/14—Minerals of vulcanic origin
    • C04B14/18—Perlite
    • C04B14/185—Perlite expanded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
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    • C04B20/00—Use of materials as fillers for mortars, concrete or artificial stone according to more than one of groups C04B14/00 - C04B18/00 and characterised by shape or grain distribution; Treatment of materials according to more than one of the groups C04B14/00 - C04B18/00 specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone; Expanding or defibrillating materials
    • C04B20/02—Treatment
    • C04B20/04—Heat treatment
    • C04B20/06—Expanding clay, perlite, vermiculite or like granular materials
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    • C04B20/10—Coating or impregnating
    • C04B20/1051—Organo-metallic compounds; Organo-silicon compounds, e.g. bentone

Definitions

  • the present invention relates to an expansion perlite for low-temperature cold insulation insulation, and in particular to an expansion perlite that can be used for insulation of LNG carriers, low-temperature tanks, containers and air separation devices by using expansion perlite having a closed cell shape as an active ingredient. It is about.
  • gases present in the gaseous state at room temperature are liquefied above -40 °C, but helium, hydrogen, neon, nitrogen, oxygen, argon, methane, etc. are liquefied below -150 °C.
  • the volume is reduced to a few hundredths, the storage capacity can be increased several times as compared to storing with compressed gas, and the filling pressure can be kept low, thereby improving safety.
  • the storage tank of liquefied gas buried in the ground or underground has a double structure having an inner tank and an outer tank, and stores the liquefied gas inside and insulates the outer structure to protect the liquefied gas.
  • Insulation material is also sometimes used for polyurethane or composite insulation structure, but as the storage tank is enlarged, the expansion perlite is filled in the insulation portion or the vacuum is in the insulation space to improve the insulation effect.
  • LNG carriers are designed to transport ultra low temperature liquefied natural gas, among which insulation technology is one of the most important technical fields along with tank structural analysis and assembly technology.
  • This function insulates the temperature difference between the outside and the inside of the tank, and it prevents the loss caused by the generation of BOG (Boil-off gas) during the transportation of LNG due to the characteristics of the insulation wall, and the temperature transition of the cryogenic temperature to the hull. By preventing the role, it serves to ensure the safety of the LNG vessel.
  • BOG Bit-off gas
  • the membrane type is divided into NO96 type and Mark III type, and the insulating structure is used as various insulating structures such as expanded perlite boxes or polyurethane foam panels.
  • the expanded perlite box-type structure is cheaper to install than polyurethane foam panels, but the thermal conductivity is high, resulting in a thicker insulating thickness, resulting in a loss of cargo capacity.
  • the conventional LNG carrier ship's expansion perlite has an open cell structure and a lot of particles on the needle surface. Since the needle on the surface of the expanded perlite is structurally fragile, the perlite charged and shredded over time due to the impact vibration and thermal shock during transportation of the LNG carrier has a problem.
  • Japanese Patent Application No. 2007-320805 Hard Foamed Perlite and Manufacturing Method thereof discloses the production of fine spherical high strength hard foamed perlite by adjusting the firing conditions for each compressive strength of the expanded perlite.
  • U.S. Patent No. 5,005,696 Round baler discloses the production of spherical expanded perlite using an indirect thermal expansion kiln.
  • the above inventions have a high specific gravity of the expanded perlite because the main purpose is to provide high strength and light weight to paints and building materials, and to be less absorbed or absorbed when used with liquid resins, but only for spherical non-porous.
  • the walls between the cells become thicker and have an adverse effect on the thermal conductivity.
  • Patent Document 1 Korean Utility Model Publication No. 20-2007-0009313 "Insulation Structure of LNG Carrier Using Aerogel Powder
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application No. 2007-320805 "Hard foaming pearlite and its manufacturing method"
  • Patent Document 3 US Patent US 5,005,696 "Roundbaler"
  • the present invention is to solve the above problems, to make the shape of the expanded perlite to be a hollow closed cell having no needle-like structure on the surface, to configure the appropriate particle size distribution, to minimize the surface tension between particles It is to improve the flow.
  • Expanded perlite for low-temperature cold insulation insulation of the present invention for achieving the above object is a hollow form by drying and expanding the perlite ore, the surface is characterized in that the surface comprises particles having a closed cell (Closed Cell) shape as an active ingredient to be.
  • a closed cell Click Cell
  • a coating film may be further formed on the surface, wherein one selected from an organic silane coupling agent, a tinate coupling agent, a gyroconate coupling agent, and a silicone water repellent agent is used as the coating film.
  • the expanded perlite is based on the total weight of 10 ⁇ 10% by weight over 400 ⁇ m particles, 40 ⁇ 15% by weight of 400 ⁇ 250 ⁇ m particles, 20 ⁇ 10% by weight of 250 ⁇ 160 ⁇ m particles, 40 ⁇ 15% by weight less than 160 ⁇ m It is composed of a particle size distribution of, the expanded perlite thus prepared is characterized by having a bulk density (Bulk Density) 20 ⁇ 40 g / l.
  • the present invention is to close the hollow spaced cell expanded perlite as close as possible to minimize the air gap between the particles, as well as to prevent additional settlement phenomenon caused by the durability to improve the thermal insulation performance. By maximizing, there is an effect that can improve the loading capacity of the target.
  • 1 is a view showing an expansion perlite for conventional LNG.
  • FIG. 2 is a view showing an expanded perlite of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing a state of charge of the expanded perlite.
  • FIG. 4 is a view showing a polyurethane insulation mixed with the expanded perlite of the present invention.
  • perlite is classified as natural minerals such as pearl rock, pine rock, obsidian, and pumice, and also includes pumice with similar performance (hereinafter referred to as ore).
  • Ores vary in water content depending on the type, but contain moisture called crystal water.
  • the ore is pulverized to have an appropriate particle size distribution, which is selected according to the desired particle size of the expanded perlite.
  • the specific gravity of the unit particles should be reduced as much as possible under the condition that the particles are not broken during the filling operation and operation. Rather, the weight is heavy.
  • the expanded perlite which is an open cell, is not only weakened in strength, but also has a large internal cell size, and the surface acicular structure leads to a larger gap between the expanded perlite particles, which in turn causes heat transfer by convection and radiation. It will fall out and the performance as a charging insulation material will fall.
  • the particle size of the expanded perlite is widely distributed from particles larger than 800 ⁇ m to particles smaller than 63 ⁇ m, and based on the degree of voids generated according to the particle size distribution, the first type is 250 for TYPE A. Particles larger than 55 ⁇ m accounted for 55%, and intermediate particles ranging from 250 ⁇ m to 160 ⁇ m were 20%. Particles ranging from 160 ⁇ m to 63 ⁇ m were 20%, but particles having less than 63 ⁇ m also existed about 5%.
  • the ratio of open cells by particle size is approximately 90% or more for particles larger than 800 ⁇ m, 70% or more for 800 to 500 ⁇ m, 60% or more for 500 to 400 ⁇ m, and 50% or more for 400 to 250 ⁇ m.
  • 250-160 micrometer has 80% or more, and 160 micrometer or less has 90% or more.
  • crushed powders generated when expanded from 400 ⁇ m or less appear, and 250 to 160 ⁇ m are crushed at least half, and less than 160 ⁇ m are formed at 80% or more.
  • grains are mixed in considerable part by the particle
  • TYPE B which is widely used as a cold insulation material such as low temperature tank, occupies 70% of alleles of 250 ⁇ m or more, and only 10% of particles of 160 ⁇ m to 63 ⁇ m are fine. It is about 5% same as A.
  • TYPE A when manufacturing expanded perlite, TYPE A generally uses less than 45 mesh perlite crystal grains, and TYPE B uses less than 35 mesh crystallite grains, which are commonly used to prepare expanded perlite for low temperature cold insulation.
  • the perlite crystallization particles of 200 mesh or less are removed because the primary or secondary air of the burner is lower than This is because the particles become less than 63 ⁇ m unexpanded during expansion, or extremely low expansion.
  • the thermal conductivity is very high due to excessive expansion crushed powder and unexpanded powder in terms of conduction. In spite of the high filling density of 50 to 65 g / l is also more undesirable.
  • the bulk density is maintained at 42g / l based on the 57.5g / l, which is the middle point of the filling density.
  • the reason why the density of the existing expanded perlite cannot be lowered to lower the thermal conductivity is that the specific gravity Apart from the fact that there are many particles of less than 63 ⁇ m in height, overexpansion of the expanded perlite does not have the proper strength, and it is not only crushed in the expansion process or the filling and conveying process, This is because an additional settling phenomenon caused by thermal shock of the process results in a higher thermal conductivity and a lower thermal insulation performance.
  • the present invention is described in detail with respect to the present invention to improve the above problems and at the same time maximize the thermal insulation performance.
  • the present invention minimizes the generation of open cells while reducing the specific gravity of the expanded perlite as much as possible to lower the thermal conductivity, thereby making the shape of the hollow closed cell having no needle-like structure and strong particle strength on the surface of most expanded perlites.
  • the expansion should be adjusted by adjusting the weight percent of the crystallized water to the total weight of the ferrite.
  • the degree of control of the crystallization is different depending on the amount and characteristics of the crystallization of the ferrite ore, so it cannot be determined uniformly, but it can be confirmed through direct experiments depending on the type of ore.
  • the particles smaller than 63 ⁇ m should be removed in advance from the perlite crystallization so as not to occur in the firing process at all, or to reduce the large particles in the overall particle size distribution and to design the appropriately narrow particle size distribution to expand.
  • the shape of the hollow shape is much smaller than that of the conventional particles of less than 63 ⁇ m, which is significantly different in thermal conductivity or particle strength. Particles having sufficient thermal insulation performance are very helpful in filling the voids between the particles. Rather, it will play a desirable role.
  • the expansion method generally used is a direct flame method (the flame directly touches the raw material) or an indirect flame method (the flame does not touch the raw material), and the method of expanding the desired particle size distribution range at once. There is also a method to expand by each particle size, and to mix it to the desired particle size distribution range.
  • the expanded perlite When the expanded perlite is manufactured by this method, most expanded perlites are formed in the form of several cells with small particle size, and as the size of the perlite particle increases, the hollow closed cell with a strong particle strength becomes a large number of cell aggregates. It will have the shape of and it will be able to expand the specific gravity more lightly.
  • the particles Due to the characteristics of the vertical and horizontal expansion furnaces that are generally used, about 10 to 20% of the particles may have some open cells, and expanded perlite made of closed cells may also be used during the expansion process or air transfer. Because of the impact, part of the surface may be an open cell, so about 70 to 80% of the cells are closed cells.
  • the range of the closed cell is not necessarily assumed to be applied by using a limited numerical value as described above. This is not only because there are differences depending on the type of ore and equipment conditions, but even if the closed cell is about 50%, the effect is significantly better than the existing expanded perlite.
  • FIG. 1 is a view showing a scanning electron micrograph of the conventional expanded LNG perlite
  • Figure 2 is a view showing a scanning electron microscope photograph of the expanded perlite of the present invention.
  • the existing expansion perlite for LNG not only shows the shape of the cell open particles, but many needles are formed on the surface, (E) from 250 ⁇ m or less includes fragments broken by over-expansion, (F In the case of 160 ⁇ m or less, the shredded pieces increased by more than half, and (G) below 63 ⁇ m, most of the crushed powders did not even have a cell and were composed of some expanded and unexpanded particles.
  • Figure 2 shows the expanded perlite of the present invention partially open cells are partially seen by the large particles of about 400 ⁇ m, which is actually limited to the surface, and the inner cells have individual independent cells, and almost no overexpansion crushed powder is included. Do not.
  • particles smaller than 63 mu m have mostly hollows.
  • the existing LNG expanded perlite has a large number of particles between 400 ⁇ m and 800 ⁇ m and even a large amount of particles larger than 800 ⁇ m, resulting in an increase in the size of cells inside the expanded perlite as a whole. Much less, the heat dissipation is inevitably worse due to the excessive amount of crushed powder (broken swelled perlite and crushed powder with few cells).
  • the large particle size of 400 ⁇ m or more should be reduced in order to hinder the compaction filling and minimize the open cell-shaped expanded perlite having a large needle-like structure on the surface.
  • the particle size distribution as described above is not necessarily to be used by applying a limited number.
  • a partially open cell is generated even if sufficient control is applied during perlite expansion.
  • the ferrite is a natural resource
  • the number of crystals and hardness of the ore varies depending on the production process of the ore, and also the strength and size of the expanded perlite depends on the manufactured crystallization, preheating degree, and the type of expansion furnace. It is difficult to set the standard uniformly because of the different characteristics such as the occurrence rate of open cells.
  • the smaller the particle size in the crushing process the more the fineness of 200 mesh or less is generated. Therefore, it is not practical to maintain a constant particle size distribution ratio or to adjust the crushed particle size and discard the rest. It may be desirable to raise.
  • it can be produced by one or more methods selected from the method of expanding at a time according to the desired particle size distribution range or a method of producing each particle size and mixing them to make the desired particle size distribution range.
  • FIG. 3 is a view showing a state of charge of the expanded perlite.
  • the particle size distribution ratio is excessively biased into alleles, so that the intergranular pores are large and there are few small particles that can fill them.
  • FIG. 3C it can be seen that there are few large particles of 400 ⁇ m or more and also moderate particles and small particles to fill voids.
  • the total particle size becomes much smaller than before, so that the individual particle strength is much stronger and additionally, the specific gravity of the expanded perlite particles can be further lowered to maximize the effect of the insulation. You can do it.
  • the storage tank is filled with the expansion perlite of TYPE B of Table 1 or similar form in the adiabatic space.
  • the expanded perlite of the present invention and the type of particles of the conventional TYPE B perlite, and the shape of the filling of the lump is the same as the form that occurs in the insulation space of the LNG vessel.
  • the perlite crystallization After preparing the perlite crystallization, it is dried and then expanded through a direct flame method (a method in which the flame is directly in contact with the raw material), but it is 400 ⁇ m over-particles based on the total weight of-5 wt%, 400-250 ⁇ m particles-35 Particles were prepared by adjusting the particle size distribution by weight%, 250 ⁇ 160 ⁇ m particles-20% by weight, less than 160 ⁇ m particles-40% by weight, and then expanded at once.
  • a direct flame method a method in which the flame is directly in contact with the raw material
  • the expanded perlite 1 containing 70 wt% of the particles having a closed cell shape with respect to the total weight was prepared.
  • the perlite crystallization After preparing the perlite crystallization, it is dried and then expanded through a direct flame method (a method in which the flame is directly in contact with the raw material), but it is more than 400 ⁇ m particles-10% by weight, 400-250 ⁇ m particles-35 based on the total weight. Particles were prepared by adjusting the particle size distribution by weight%, 250 ⁇ 160 ⁇ m particles-20% by weight, less than 160 ⁇ m particles-35% by weight, and then expanded at once.
  • a direct flame method a method in which the flame is directly in contact with the raw material
  • the expanded perlite 2 containing 70% by weight of the particles having a closed cell shape with respect to the total weight was prepared.
  • the perlite crystallization After preparing the perlite crystallization, it is dried and then expanded through a direct flame method (a method in which the flame does not touch the raw material), but based on the total weight, particles larger than 400 ⁇ m-0 wt%, 400-250 ⁇ m particles-35 weight %, 250 ⁇ 160 ⁇ m particles-20% by weight, less than 160 ⁇ m particles-45% by weight for each particle size distribution, and then expanded to mix the particles were prepared.
  • a direct flame method a method in which the flame does not touch the raw material
  • expanded perlite 3 containing 70 wt% of the particles having a closed cell shape with respect to the total weight was prepared.
  • expanded perlite 4 was prepared, in which particles having a closed cell shape contained 60 wt% of the total weight.
  • expanded perlite 5 was prepared in which particles having a closed cell shape contained 90% by weight relative to the total weight.
  • Expanded perlite 6 was prepared under the same conditions as in Example 1 through an indirect flame method (a method in which the flame did not touch the raw material).
  • the perlite crystallization After preparing the perlite crystallization, it is dried and then expanded through a direct flame method, and based on the total weight, particles larger than 800 ⁇ m-5% by weight, 800-500 ⁇ m particles-20% by weight, 500-250 ⁇ m particles-30 Particles were prepared by adjusting the particle size distribution of the weight%, 250 ⁇ 160 ⁇ m particles-20% by weight, 160 ⁇ m ⁇ 63 ⁇ m particles-20% by weight, particles less than 63 ⁇ m-5% by weight, and then expanded at once.
  • the percentage change is expressed as% by dividing the tap weight by the bulk weight and multiplying by 100.
  • the water repellency was measured according to the standard PI 303-85 of the Perlite Institute, INC.
  • the shocking test (Shocking test) is a GTT standard that measures the depth of sinking by dropping a wooden box 5 times from the ground at 40mm height.
  • Thermal conductivity was measured at minus 159 ° C, minus 120 ° C, minus 80 ° C, minus 40 ° C, minus 20 ° C and image 20 ° C using a GHP 456 Titan instrument capable of measuring ultra low temperature thermal conductivity of Netzsch.
  • the bulk specific gravity is the specific gravity of the expanded perlite without filling, and the specific gravity of the tap is filled, that is, the specific gravity in the wooden box.
  • the expanded perlite of the present invention is mostly formed of a hollow closed cell, so that the needle-like structure is much smaller than that of the conventional LNG carrier insulation expansion perlite, and there is almost no expansion perlite that is broken. This small and high filling rate means that the pore change is small even after bulk or tap.
  • the thermal conductivity of the expanded perlite of the present invention is lower than the thermal conductivity of the conventional expanded perlite as a whole.
  • Example 3 compared with Examples 1 and 2, the particle size of 160 ⁇ m or less reached 45% by weight and there was no grain size of 400 ⁇ m or more. As the influence of the thermal conductivity increases, the thermal conductivity was found to slightly increase.
  • Example 4 as the open cell% is higher than that of Example 1, the thermal conductivity is increased, and in Example 5, the open cell% is lower than that of Example 1, and thus the performance is further improved.
  • Example 6 only the firing conditions are different, and the difference is almost insignificant by preparing under the same conditions as in Example 1.
  • the shocking test gives two meanings: first, it can be expected that dense filling is formed inside the wooden box and the strength of the expanded perlite, ie durability.
  • the impact test measures the depth of settlement by dropping the wooden box five times at a height of 40mm from the ground surface according to the GTT standard.
  • This value is smaller as the expanded perlite is densely packed, and smaller as the intensity is increased.
  • Example 1 and Example 2 were found to be little or smaller than that of Comparative Example 1, which indicates that the expanded perlite of the present invention is well packed with a high density and the strength of the particles is also strong.
  • the present invention has the advantage that the effect of maintaining the effect of the high body-thickness filling rate and the strength of the particles by the above-described function, so that no additional settlement occurs in any shock and vibration.
  • the liquefied storage temperature of the cryogenic gas is shown in Table 3 below.
  • the liquefied storage temperature of the cryogenic gas is lower than that of the LNG of the embodiment, and the expanded perlite of the present invention has a significantly lower thermal conductivity than the conventional perlite, the thickness of the insulation system will be relatively reduced.
  • the expansion perlite for the existing LNG carrier insulation is coated with a silicone-based water repellent. This is to prevent the expanded perlite from having moisture even if it has moisture, and the thermal conductivity rapidly increases.
  • the perlite since the expansion perlite itself is light and the surface is rough, the original flowability (the flowability expressed here means that the effect of the frictional force and the angle of repose of particles and particles is low, so that the position movement is easy) is not very good. 1 and 2, the perlite has better flowability because the surface is smoother and more spherical than the conventional expanded perlite, but the better the flowability, the better the body filling.
  • the conventional silicone-based water repellent is not reactive to the surface of the perlite, but is simply bonded to the silicon in the form of the siloxane oligomer, and serves only as a water repellent but does not improve flowability.
  • the coating using the silane monomo to improve the water repellency and flowability at the same time. More specifically, the coating is performed using an organosilane having an alkoxy group which has alkoxy to induce a chemical bond with the perlite and the tail has an alkyl group exhibiting water repellent properties.
  • a titanate-based or zirconate-based compound capable of reinforcing strength may be used as well as organic silane, and more specifically, isooctyltrimethoxysilane (i-Octyltrimethoxysilane ), Methyltrimethoxysilane, octyltrietoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-glycidyloxytriethoxysilane , 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltri (2-methoxy-ethoxy) silane [vinyltri ( Organosilane coupling agent including 2-methoxy-ethoxy) silane and neopentyl (diallyl) oxy, trineodecanoyl titanate [neopentyl (diallyl) oxy, trineodecanoyl titanate [neopen
  • thermal conductivity of the present invention is lower than that of the existing LNG carriers, low temperature tanks, vessels and air separation devices, and expanded perlite for insulation such as floating crude oil production and storage facilities, FPSO (Floating, Production, Storage and Offloading).
  • FPSO Floating, Production, Storage and Offloading
  • Examples 1, 2, and 3 are much better than Comparative Example 1, that is, the existing expanded perlite, based on the thermal conductivity measured values and the prediction of the insulation thickness. .
  • urethane heat insulating material or an airgel can be mentioned as an example.
  • Insulation effect is good, but safety against fire or material price is too high to be practically difficult to apply, or use a mixture of each insulation can be seen the effect.
  • the expanded perlite of the present invention has a lower thermal conductivity in the low temperature region than the normal temperature region, so that it is more effective to use the expanded perlite in contact with the low temperature gas.
  • the first metal panel 10 serving as an insulator and a support as a primary barrier by directly contacting the polyurethane used in the expanded perlite and LNGC used in Example 1 having physical properties as shown in Table 4 with LNG as shown in FIG. 4.
  • the second metal panel 11 maintains a predetermined distance from the first metal panel, the primary wooden box 12 in which the first metal panel and the second metal panel expansion perlite 14 are filled, and the second metal panel 11.
  • A) consisting of a wooden board 17 attached to the bottom and the polyurethane (16) sequentially formed.
  • the minimum expected thickness was calculated using a program assumed to be a one-dimensional steady-state temperature distribution.
  • the expanded perlite of Example 1 was designed to be 362 mm, and the LNGC polyurethane was designed to be 250 mm. Appeared about 200 mm.
  • the temperature distribution line 18 showing the temperature distribution in the steady state of FIG. 4, wherein the expanded perlite in contact with minus 159 ° C. is formed in a temperature range of about minus 70 ° C. to minus 159 ° C.
  • the urethane was found to be formed in a temperature range of 20 °C to minus 70 °C.
  • the overall thickness may change, which may be determined in consideration of the required insulation thickness and material cost.
  • the airgel presented in the prior art document may be lower than the thermal conductivity of the expanded perlite of some of the present invention in the low temperature section, but the expanded perlite of the present invention is used in the low temperature section because the price of the airgel is very high. If you can get the proper thickness and effective price, the effect will be sufficient even when combined with aerogels.

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Abstract

본 발명은 저온 보냉단열용 팽창 퍼라이트에 관한 것이다. 본 발명인 저온 보냉단열용 팽창 퍼라이트는 퍼라이트 원광을 건조시킨 후 팽창시켜 표면은 닫힌셀(Closed Cell)형상을 갖는 입자들을 유효성분으로 포함하여 이루어진 것이 특징이다. 본 발명에 의해, 팽창 퍼라이트 입자간의 공극과 공극률을 최소화하여 열전도율을 낮추고, 액화 LNG 등의 BOG(Boil-off gas)도 낮추어 단열구조의 두께를 얇게 함으로써, 액화가스의 적재 용량을 늘릴 수 있는 저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트가 제공된다.

Description

저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트
본 발명은 저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트에 관한 것으로, 특히 Closed Cell 형상을 유효성분으로 갖는 팽창 퍼라이트를 이용하여 LNG 운반선이나 저온탱크 및 용기와 공기분리장치 등의 단열재용으로 사용할 수 있도록 한 팽창 퍼라이트에 관한 것이다.
상온에서 기체상태로 존재하는 대부분의 가스들은 -40 ℃ 이상에서 액화되지만, 헬륨, 수소, 네온, 질소, 산소, 아르곤, 메탄 등은 -150 ℃ 이하에서 액화가 된다.
또한, 액화된 후에는 체적이 수백분의 1로 감소되면서, 압축가스로 저장하는 것에 비해 저장능력을 수배로 증가시킬수 있는 동시에 충전 압력은 낮게 유지할 수 있어 안전성이 향상되는 이점이 있다.
현재 지상 또는 지하에 매설되는 액화가스의 저장탱크는 내조와 외조를 갖는 2중 구조를 갖고 내부에는 액화가스를 저장하고 외부 구조에 단열을 하여 액화가스를 보호하도록 되어 있다.
단열재의 재질은 폴리우레탄계나 복합의 단열구조도 간혹 사용되나, 저장 탱크의 대형화에 따라 단열부위에 팽창 퍼라이트를 충전하거나, 단열공간에 진공을 갖도록하여 단열효과를 향상시킨다.
그러나 종래에 사용되는 팽창 퍼라이트의 경우 충전비용은 저렴하나, 열전도율이 높아 단열두께가 두꺼워지고, 이는 저장탱크 구조 및 설비 플랜트가 커져, 과다한 설비 투자비가 요구된다.
특히 이송시 팽창 퍼라이트의 파쇄로 인해 단열성능이 저하되고, 시간이 경과하면서 구조적 진동 등에 의해 부피감소가 발생하여 재충전이 필요하게 되는 문제점이 있다.
또한, LNG 운반선은 초저온의 액화천연가스를 운송할 수 있게 설계되어 있는데, 그 중에서 단열 기술은 탱크의 구조 해석 및 조립 기술과 더불어 가장 핵심이 되는 기술 분야 중의 하나이다.
이는 탱크의 외부와 내부의 온도차를 절연하는 기능을 하는 것으로서 단열벽의 특성에 의하여 LNG의 운반 중에 BOG(Boil-off gas) 발생에 의한 손실을 방지할 뿐만 아니라, 선체에 초저온의 온도 전이가 되는 것을 막음으로써, LNG선박의 안전성을 보장하는 역할을 한다.
현재 상업적으로 개발되어 적용되고 있는 단열방법에는 화물창 구조 형식에 따라 크게 멤브레인형과 모스형으로 나뉘어지며, 최근에 많이 건조되고 있는 멤브레인형의 경우는 미국의 맥도널 더글라스사의 중간 방벽 구조를 기초로 2중 방벽 구조를 가지는 프랑스의 GTT사의 멤브레인형의 단열 용기가 알려져 있다.
현재 멤브레인형의 경우 NO96 타입과 Mark Ⅲ 타입으로 나뉘어지는데, 단열 구조는 팽창 퍼라이트 박스나 폴리우레탄폼 패널 등 다양한 형태의 절연 구조로 사용되고 있다.
그 중에서도 팽창 퍼라이트 박스 형태의 구조는 폴리우레탄폼 패널에 비해 설치비용은 저렴하나, 열전도율이 높아 단열 두께가 두꺼워져 화물창의 적재 용량의 손실이 발생한다.
보다 자세히 설명하면, 기존에 사용되는 LNG 운반선의 팽창 퍼라이트는 열린셀(Open Cell)의 구조 및 침상 표면의 입자가 많기 때문에 단열박스에 충전시킬 때 체밀 충전이 될 수가 없어 공극에 의한 열전도율이 높아지고, 팽창 퍼라이트 표면의 침상은 구조적으로 취약하기 때문에 LNG운반선의 운송 중의 충격진동과 열충격으로 인하여 시간이 경과하면서 파쇄되어 충전된 퍼라이트가 침하되는 문제점을 안고 있다
이러한 부분을 개선하기 위해 최근에는 한국 공개실용신안공보 제20-2007-0009313호 "에어로젤 분말을 이용한 LNG 운반선의 절연 구조"에서 공지된 바와 같이, 에어로젤 분말을 이용하여 LNG 운반선의 절연구조 방식을 제안하고 있으며, 이 에어로젤의 경우 열전도율이 낮아 단열두께의 절감 효과를 갖고 있음을 알 수 있다.
그러나, 그 자체의 제조비용이 높아 고가의 가격에 의해 LNG 선박의 단열구조 자체의 비용이 커져 화물칸의 용량 증대에 비해 기대 효과가 높지 않을 뿐만 아니라, 에어로젤 자체의 강도가 워낙 낮아 파쇄 또는 침하가 발생되는 것과 같은 문제는 해결할 수가 없다.
또한, 팽창 퍼라이트의 경우, 구상의 형태들도 개발이 되었지만, 이는 열전도율에 대한 개선보다는 기존에 사용되는 필러나, 기존 팽창 퍼라이트 보다 건축, 경량 등의 목적을 위해 강도를 향상시키는 것이 대부분이다.
예컨대, 일본특허 "특원2007-320805 경질 발포 펄라이트 및 그 제조 방법"에는 팽창 퍼라이트의 압축강도별로 소성의 조건을 조정하여 미세한 구상의 고강도 경질 발포 퍼라이트를 제조하는 것이 공개되어 있다.
미국특허 "US 5,005,696 Round baler"에는 간접열의 팽창 소성로를 이용하여 구상의 팽창 퍼라이트를 제조하는 것이 공개되어 있다.
상기 발명들은 도료, 건축 자재등에 고강도의 경량을 목적과 액체 수지와의 사용시 흡수나 흡유가 덜 되도록 하는 것이 주 목적이나, 구상의 비 다공성만을 목적으로 하기때문에 팽창 퍼라이트의 비중이 높고, 내부 셀(cell)간의 벽체가 두꺼워져 열전도율에 대해서는 오히려 역효과를 갖게 된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국공개실용신안공보제20-2007-0009313호"에어로젤분말을이용한LNG운반선의절연구조
(특허문헌 2) 일본특허특원2007-320805"경질발포펄라이트및그제조방법"
(특허문헌 3) 미국특허US5,005,696"Roundbaler"
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 팽창 퍼라이트의 형상을 표면에 침상구조가 없는 중공형 닫힌 셀(Closed Cell)이 되도록 하며, 적절한 입도분포를 구성하고, 입자간 표면장력을 최소화하여 흐름성을 좋게 하는 것이다.
이를 통해 단열공간에 중공형 닫힌 셀(Closed Cell)의 팽창 퍼라이트를 최대한 체밀 충전시켜 입자간의 공극을 최소화함은 물론, 내구성에 의해 발생되는 추가적인 침하현상도 방지하여 단열성능을 극대화함으로써 목적물의 적재량 증가 및 경제성을 향상시킬 수 있는 저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트는 퍼라이트 원광을 건조시킨 후 팽창시켜 중공형을 이루며, 표면은 닫힌셀(Closed Cell)형상을 갖는 입자들을 유효성분으로 포함하여 이루어진 것이 특징이다.
또한, 상기 표면에 코팅막이 더 구성되기도 하는데, 이때, 코팅막으로 유기 실란계 커플링제, 티네테이트계 커플링제, 지로코네이트계 커플링제, 실리콘계 발수제 중 선택된 1종이 사용된다.
상기 팽창 퍼라이트는 전체중량을 기준으로 400 ㎛초과입자 10±10 중량%, 400 ~ 250㎛입자 40±15중량%, 250 ~ 160㎛입자 20±10중량%, 160㎛미만입자 40±15 중량%의 입도분포로 구성되고, 이와 같이 제조된 팽창 퍼라이트는 벌크비중(Bulk Density) 20 ~ 40 g/ℓ를 갖는 것이 특징이다.
상기 해결 수단에 의해, 본 발명은 단열공간에 중공형 닫힌 셀(Closed Cell) 팽창 퍼라이트를 최대한 체밀 충전시켜 입자간의 공극을 최소화함은 물론, 내구성에 의해 발생되는 추가적인 침하현상도 방지하여 단열성능을 극대화함으로써 목적물의 적재 용량을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 기존 LNG용 팽창 퍼라이트를 나타낸 도면.
(A) : 800㎛ 초과 (30배율) (B) : 800~500㎛ (32배율)
(C) : 500~400㎛ (32배율) (D) : 400~250㎛ (48배율)
(E) : 250~160㎛ (84배율) (F) : 160~63㎛ (100배율)
(G) : 63㎛ (100배율)
도 2는 본 발명의 팽창 퍼라이트를 나타낸 도면.
(A) : 400㎛ 초과 (32배율) (B) : 400~250㎛ (48배율)
(C) : 250~160㎛ (84배율) (D) : 160~63㎛ (100배율)
(E) : 63㎛ (100배율)
도 3은 팽창 퍼라이트의 충전상태를 나타낸 도면.
(A) 각 입도크기를 약 30배 정도 확대하여 표현한 도면.
(B) 기존 LNG용 팽창 퍼라이트의 충전상태
(C) 본 발명의 팽창 퍼라이트의 충전상태
도 4는 본 발명의 팽창 퍼라이트와 혼용한 폴리우레탄 단열재를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기존의 열린 셀(Open cell) 형태의 팽창 퍼라이트 제조 공법과 특성을 간략히 설명하면 다음과 같다.
통상적으로 퍼라이트는 진주암, 송지암, 흑요석, 경석 등의 천연 광물로 분류되고 그 외에 유사한 성능을 갖고 있는 경석도 포함된다(이하, 원광이라고 한다).
원광은 종류에 따라 함수량의 차이는 있지만, 내부에 결정수라 불리는 수분을 포함하고 있다.
이러한 원광을 분쇄하여, 적절한 입도분포를 갖도록 하는데 이는 팽창 퍼라이트의 목적하는 입자크기에 맞게 선정한다.
이렇게 준비된 원광을 건조를 통해 내부 결정수를 조정하여 소성공정에서 고온의 화염을 맞으면 표면은 유리질화 되고 내부의 수분이 증기화 하여 팽창 퍼라이트가 제조된다.
팽창 퍼라이트의 열전달 특성 중 가장 큰 영향을 미치는 요소 중 첫째가 전도이다.
팽창 퍼라이트의 열전도율을 낮추기 위해서는 충전작업 및 운전 중에 입자가 파쇄 되지 않는 조건 하에 최대한 단위 입자의 비중을 가볍게 하여야 하나, 가벼운 것만을 목표로 팽창시키면 과팽창에 의해 퍼라이트의 입자 표면이 터져 박리된 조각 때문에 오히려 비중이 무거워지게 된다.
그리고 열전달의 두 번째 요소는 대류와 복사다.
표면이 열린 셀인 팽창 퍼라이트는 이로 인해 강도가 약해질 뿐만 아니라 입자 내부 셀의 크기도 크고, 표면의 침상구조로 인해 팽창 퍼라이트 입자간 공극이 더 커지게 되기 때문에 이는 다시 대류와 복사에 의한 열전달을 나빠지게 하여 충전단열재로서의 성능이 저하된다.
구체적으로 설명하면, 세계적인 LNG 운반선 엔지니어링사인 프랑스의 GAZTRANSPORT & TECHNIGAZ사(이하 GTT라 칭함)의 LNG 운반선용 팽창 퍼라이트의 주요 규격사양(아래의 표1, 수식1, 수식2)은 다음과 같다.
이때, 지상의 보냉 저장 탱크의 규격은 그 업체에 따라 조금씩 차이가 있으나, GTT의 LNG 규격과 거의 유사함을 명시한다.
표 1
입도크기GRAIN SIZE(㎛) 퍼라이트 타입APERLITE TYPE A(중량 %) 퍼라이트 타입BPERLITE TYPE B(중량%)
800 초과 5 중량 % ±10 20 중량 % ±10
800 ~ 500 20 중량 % ±10 20 중량 % ±10
500 ~ 250 30 중량 % ±10 30 중량 % ±10
250 ~ 160 20 중량 % ±10 20 중량 % ±10
160 ~ 63 20 중량 % ±10 10 중량 % ±10
63 미만 5 중량 % ±5 5 중량 % ±5
<수식 1> 충전밀도
50g/l <
Figure PCTKR2011001460-appb-I000001
< 65g/l
<수식 2> 열전도율값
K < [(1.11 ×10-4 +2.2 ×10-7 t)(d+400)]-1.674×10-2
상기 표 1을 보면, 800㎛보다 큰 입자로부터 63㎛보다 작은 입자까지 팽창 퍼라이트의 입도가 상당히 넓게 분포되어 있고, 입도 분포에 따라 발생하는 공극의 정도를 기준으로 분석해 보면, 첫째 TYPE A의 경우 250㎛이상의 대립자가 55%를 차지하고 250㎛에서 160㎛의 중간입자는 20%이며, 160㎛에서 63㎛까지의 소립자가 20%이나 63㎛미만의 미립자도 5%정도 존재하고 있다.
또한, 입도별로 열린 셀(Open cell)의 비율이 대략적으로 800㎛ 초과 입자들은 90% 이상, 800~500㎛은 70% 이상, 500~400㎛는 60% 이상, 400~250㎛는 50% 이상, 250~160㎛는 80% 이상, 160㎛ 이하는 90% 이상 갖고 있다.
특히 400㎛ 이하 부터 팽창시 발생된 파쇄분 들이 나타나며, 250~160㎛는 절반이상이 파쇄분이고, 160㎛ 이하는 80%이상이 파쇄분 들로 형성되어 있다.
특히 63㎛ 이하의 입자에는 미팽창 입자가 상당 부분 혼용되어 있다.
또한, 저온탱크 등 보냉단열재로도 널리 쓰이는 입도인 TYPE B의 경우는 250㎛이상의 대립자가 무려 70%를 차지하고 있으며 160㎛에서 63㎛의 소립자가 10%밖에 되지 않는 반면 63㎛미만의 미립자는 TYPE A와 동일한 5%정도 존재하고 있다.
한편 팽창 퍼라이트를 제조시에는 일반적으로 TYPE A는 45메쉬(mesh) 이하의 퍼라이트 정석입자로, 또한 TYPE B는 35메쉬 이하의 정석입자를 사용하는데, 저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트를 제조하기 위해 보편적으로 사용하고 있는 소성로의 운전조건에서 상기와 같은 퍼라이트 정석의 입도를 사용하는 경우, 일반적으로 200 메쉬이하의 퍼라이트 정석입자를 제거하고 있는데 그 이유는 연소시 버너의 1~2차 공기로 인해 그 이하의 입자는 팽창 과정에서 63㎛ 미만의 미팽창분이 되거나 팽창이 극히 저조하게 되기 때문이다.
상기의 기존 입도분포를 가지고 열전달 관점에서 구체적으로 분석해보면 첫째, 전도 측면에서는 과다한 팽창 파쇄분과 미팽창분 등으로 인해 열전도율이 매우 높다 할 것이며, 전도는 충전물의 비중을 낮추면 낮출수록 유리한데 공극률이 상당히 높음에도 불구하고 충전밀도가 50~65g/l이나 된다는 것 또한 더욱 바람직하지 못하다 할 것이다.
이때 일반적으로 팽창공정에서는 충전밀도의 중간점인 57.5g/ℓ기준하여 벌크비중(bulk density)을 42g/ℓ 수준으로 유지하는데, 열전도율을 낮추기 위해 기존 팽창 퍼라이트의 밀도를 더 낮추지 못하는 이유는 비중이 높은 63㎛ 미만의 입자가 많다는 점과는 별개로, 팽창 퍼라이트가 적정한 강도를 갖추지 못한 상태에서 과팽창을 시키게 되면 팽창공정 또는 충전작업 및 이송과정에서 파쇄될 뿐만 아니라 목적물을 사용 중에도 액화가스의 입출고 과정의 열충격 등에 의해 발생되는 추가적인 침하현상으로 오히려 열전도율이 높아져 단열성능이 저하되기 때문이다.
그리고 복사와 대류 측면에서는 전체 입자의 70% 이상이 열린 셀로 구성되어 있고, 파쇄된 셀의 영향과 별개로 팽창 퍼라이트가 대립과, 중립, 그리고 소립 또는 미립자의 입도분포가 지나치게 대립자로 치우쳐져 있는 반면 입자간 공극을 메워줄 수 있는 소립자는 극히 적어서 입자간의 공극의 크기가 크고 전체 공극률이 높아져 열손실이 대단히 많다고 할 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선함과 동시에 단열성능을 극대화시킨 본 발명에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 열전도율을 낮추기 위해 팽창 퍼라이트의 비중을 최대한 가볍게 하면서도 열린 셀의 발생을 최소화하여 대부분의 팽창 퍼라이트의 표면에 침상구조가 없고 입자강도가 강한 중공형 닫힌 셀의 형상을 만드는 것이다.
우선 표면에 침상구조가 없는 중공형 닫힌 셀 형상의 팽창 퍼라이트를 만들기 위해서는 건조를 시켜 내부 결정수 양의 조절을 통해 과팽창을 억제하면 팽창 퍼라이트의 형상을 표면에 침상구조가 없는 중공형 형태의 닫힌 셀이 되도록 제조할 수 있다.
반면, 결정수의 양을 너무 적게 하면 팽창이 안되거나 팽창성이 떨어져 입자의 비중이 올라가기 때문에 전체 퍼라이트 중량대비 결정수의 중량%를 조절하여 팽창을 시켜야 한다.
그리고 결정수의 조절 정도는 퍼라이트 원광의 결정수 양과 특성에 따라 차이가 있어 획일적으로 정할 수는 없지만 원광의 종류에 따라 직접 실험을 통해 확인할 수 있다.
그러나 결정수의 중량%를 일정하게 조절하더라도 일반적으로 퍼라이트의 입도가 400㎛이상 커지게 되면 커질수록 결정수의 절대량이 많아짐으로, 결정수가 기체화하여 퍼라이트를 팽창시킬 때 압력이 높아져 표면을 파괴하여 열린 셀이 많이 발생한다.
따라서 제조공정상 퍼라이트 정석의 입도분포가 넓을수록 상위의 큰 입자를 닫힌 셀로 만들기가 어려워진다.
또한, 63㎛미만의 입자는 아예 소성과정에서 발생되지 않도록 퍼라이트 정석에서부터 미리 제거하거나 전체 입도분포에 있어서 큰 입자를 줄이고 입도분포를 적절히 좁게 설계하여 팽창시켜야 한다.
그렇게 하면 소량 포함되더라도 기존 방식의 63㎛미만의 입자에 비해 대부분 중공 형태의 모양을 갖추게 되어 열전도나 입자강도에 있어서는 확연히 다르며, 단열성능이 확보된 미립자는 입자사이의 공극을 메워주는데 상당한 도움이 되기 때문에 오히려 바람직한 역할을 한다 할 것이다.
이때 사용되는 팽창방법으로는 일반적으로 직접화염법(화염이 원료에 직접적으로 닿는 방법) 또는 간접화염법(화염이 원료에 닿지 않는 방법)등이 있으며, 목적하고자 하는 입도 분포 범위를 한번에 팽창하는 방법과 각각 입도별로 팽창하여, 이를 혼합하여 목적하고자 하는 입도 분포 범위로 만드는 방법도 있다.
이러한 방법을 통해 팽창 퍼라이트를 제조하면, 대부분의 팽창 퍼라이트는 입자 크기가 작은 것은 몇 개의 셀(Cell) 형태로 형성되며 퍼라이트 입자 크기가 커질수록 많은 수의 셀 집합체로써 입자강도가 강한 중공형 닫힌 셀의 형상을 갖게 되고 비중을 보다 더 가볍게 팽창할 수 있게 된다.
그러나 이러한 방법을 동원한다고 하더라도 팽창 퍼라이트 모두를 완전하게 중공형 닫힌 셀의 형상으로 만들 수는 없다.
일반적으로 사용되고 있는 수직 및 수평팽창로의 특성상 입자크기의 구간에 따라 약 10~20%의 입자는 열린 셀의 형태도 일부 가지며, 또한 닫힌 셀의 형상으로 만들어진 팽창 퍼라이트도 팽창 공정중 또는 공기이송 중에 부딪침으로 인해 표면의 일부가 열린 셀이 되기도 하기 때문에 보편적으로 약 70 ~ 80% 정도가 닫힌 셀이 된다.
그렇다고 해서 본 발명에서 닫힌 셀의 범위를 상기와 같이 반드시 한정된 수치대로 적용하여 사용하는 것을 전제로 하지는 않는다. 이는 원광의 종류와 설비조건에 따라 차이가 있을 뿐만 아니라 닫힌 셀이 50% 정도만 되어도 기존 팽창 퍼라이트 보다 그 효과가 상당히 좋아 지기 때문이다.
상기 설명한 본 발명의 특성을 도 1,2를 통해 자세히 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 1은 기존 LNG용 팽창 퍼라이트의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명의 팽창 퍼라이트의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 1을 보면 전체적으로 기존 LNG용 팽창 퍼라이트는 대부분 입자가 열린 셀의 형태를 보일 뿐만 아니라 표면에 많은 침상이 형성되어 있으며, (E)250㎛ 이하부터는 과팽창에 의해 부서진 조각들이 포함되고, (F)160㎛ 이하에서는 파쇄 조각이 절반이상으로 증가되고, (G)63㎛ 미만은 셀 조차 갖고 있지 않는 파쇄분이 대부분이고 일부 팽창 입자와 미팽창 입자로 구성되었음을 확인할 수 있다
이와 반대로 도 2는 본 발명의 팽창 퍼라이트로서 400㎛ 정도의 큰 입자에 의해 부분적으로 일부 열린 셀이 보이지만 이는 실제로 표면에만 국한된 형태며 내부 셀은 개별적인 독립 셀을 가지고, 과팽창 파쇄분이 거의 포함되어 있지 않는다.
특히 63㎛ 미만의 입자는 대부분 중공을 갖고 있다.
따라서, 기존 LNG용 팽창 퍼라이트는 400㎛ 이상 800㎛ 사이의 입자가 많고 심지어 800㎛ 이상의 입자도 상당량이 있어 전체적으로 팽창 퍼라이트 내부 셀의 크기도 커져 동일한 부피에서 갖는 셀의 수가 본 발명의 팽창 퍼라이트에 비해 훨씬 적고, 과량의 파쇄분(부서진 팽창 퍼라이트와, 셀을 거의 갖지 않는 파쇄분) 때문에 열전달은 더 나빠질 수밖에 없다.
그러나 본 발명에서는 열린 셀의 발생을 최소화하여 대부분의 팽창 퍼라이트를 입자 강도가 강한 중공형 닫힌 셀 형상으로 팽창 퍼라이트의 비중을 최대한 가볍게 제조함으로써 열전달에 있어 가장 큰 영향을 주는 열전도율을 낮출 수 있는 것이다.
둘째, 열대류와 열복사를 낮추기 위해 대립자와 중간입자, 그리고 소립자의 입도분포를 적절하게 조절하여 입자와 입자의 공극 사이가 최대한 메워질 수 있도록 하는 체밀 충전의 기술이다.
전체 입자간의 공극을 최대한 줄이고 충전율을 높이기 위해서는 앞서 설명했듯이 먼저 체밀 충전을 방해하고, 표면에 침상구조가 많은 열린 셀 형상의 팽창 퍼라이트를 최소화하기 위해 400㎛이상의 큰 입자부터 줄여야 한다.
그러나 침상구조가 없는 중공형 닫힌 셀의 형상을 만든다고 해서 완전히 해결되는 것은 아니며, 결국은 대립자와 중간입자, 그리고 소립자가 적절한 입도분포가 이루어져야 입자와 입자간의 공극 사이가 메워져 체밀 충전이 될 수 있다.
따라서, 분쇄과정에서의 자연 발생적인 입도분포 비율을 감안하고, 침상구조가 없는 중공형 닫힌 셀 형상의 입자들로 이루어진 팽창 퍼라이트를 제조한다는 전제하에서는 전체중량을 기준으로 400 ㎛초과입자 10± 10 중량%, 400 ~ 250㎛입자 40± 15 중량%, 250 ~ 160㎛입자 20± 10 중량%, 160㎛미만입자 40± 15 중량%의 입도분포로 구성하는 것이 바람직하다.
그렇다고 해서 본 발명에서 상기와 같이 입도분포를 반드시 한정된 수치대로 적용하여 사용하는 것을 전제로 하지는 않는다.
본 발명에 있어 400㎛ 정도의 입도 크기부터는 퍼라이트 팽창시 충분한 제어를 가하더라도 부분적으로 열린 셀이 발생되는데, 결정수와 예열정도에 따라서는 500㎛를 기준으로 하는 것이 더 나을 수도 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 퍼라이트가 천연자원이므로 원광의 생성과정에 따라 원석의 결정수와 경도가 다르며, 또한 제조된 정석과 예열정도 그리고 팽창로의 종류에 따라 팽창 퍼라이트의 강도와 입도크기는 물론 열린 셀의 발생비율 등, 결과가 달라지는 특징 때문에 획일적으로 기준을 정하기는 어렵다.
뿐만 아니라 원석의 분쇄과정에서 입도를 작게 할수록 200메쉬 이하의 미분 발생이 많아지기 때문에 일정한 입도분포 비율의 유지나 분쇄된 입도를 일정하게 조절하고 나머지를 폐기한다는 것은 현실성이 없어, 가능한 범위 내에서는 오히려 입자를 키우는 것이 바람직하다 할 수도 있을 것이다.
또한, 목적하고자 하는 입도 분포 범위에 맞게 한번에 팽창하는 방법 또는 각각 입도별로 생산하여 이를 혼합하여 목적하고자 하는 입도 분포 범위로 만드는 방법 중 선택된 1종 이상의 방법으로 제조가능하다.
상기 설명한 본 발명의 특성을 도 3을 통해 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 팽창 퍼라이트의 충전상태를 나타낸 도면이다.
도 3B를 보면, 표면에 침상이 많은 것을 고려하지 않더라도, 입도분포 비율이 지나치게 대립자로 치우쳐져 입자간 공극이 크고 이를 메워줄 수 있는 소립자는 적음을 확인할 수 있다.
반면 도 3C를 보면, 400㎛이상의 큰 입자가 적고 또한 공극을 메워줄 중간입자와 소립자가 적당히 있음을 확인할 수 있다.
비록 목적물의 충전시 일정한 진동을 준다고 하지만 도 3B와 같은 팽창 퍼라이트의 특성으로는 그 효율이 떨어지게 되고 체밀 충전이 될 수가 없다.
따라서 본 발명과 같이 입도분포를 적절하게 조절한 체밀 충전을 통해 전체적으로 공극의 크기가 작아지고 공극률을 낮추게 되면 열전달의 두 번째 요소인 대류와 복사를 줄일 수 있다.
또한, 상기와 같은 방법들을 통해서 팽창 퍼라이트를 제조하게 되면 전체 입자크기가 기존보다 아주 작아지기 때문에 개별 입자강도가 훨씬 강하게 되고 부가적으로 팽창 퍼라이트 입자의 비중을 더 낮출 수 있게 되어 단열재의 효과를 극대화할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 효과를 LNG선박용으로만 설명을 하였으나, 기타 초저온 액상 가스의 저장 탱크나, 공기분리장치와 저장 용기, 현재 개발 및 적용되고 있는 부유식 원유 생산 저장설비인 FPSO (Floating, Production, Storage and Offloading)에서 초저온의 LNG 저장시설 등에서도 사용된다.
이는 모두 퍼라이트를 내부에 충전하여 사용하기 때문에 동일한 개선 효과를 볼 수 있음은 자명한 사실이다.
실예로 질소 저장탱크의 경우를 비교 설명하면, 저장 탱크에 표 1의 TYPE B나, 그와 유사한 형태의 팽창 퍼라이트를 단열공간에 충전한다.
이때 본 발명의 팽창 퍼라이트와 기존의 TYPE B 퍼라이트의 입자의 형태, 그리고 체밀 충전의 형태는 LNG선박의 단열 공간에서 벌어지는 형태와 같음을 알 수 있다.
또한 저장탱크에 퍼라이트를 체밀 충전하기 위해 현재 두가지 방법을 사용하는데 첫째, 팽창 퍼라이트 충전시 내부나 외부에서 인위적으로 바이브레이션을 가해 체밀 충전하는 방법과 둘째, 팽창 퍼라이트를 충전한 후에 저장탱크를 무부하 가동하여, 설비에 의한 진동으로 체밀 충전하고 다시 팽창 퍼라이트를 보충하는 방법을 사용하는데도 불구하고, 시간이 경과하면 침하가 일어난다.
그러나, 본 발명의 팽창 퍼라이트를 사용하면 침하가 없고, 열전도율을 낮춤에 따른 단열효과를 극대화 할 수 있음을 알 수 있다.
상기 언급한 내용의 근거로 보다 더 자세히 설명하기 위해, 아래와 같이 실시예와 실험예를 통해 상세히 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
<실시예 1> 본 발명의 팽창 퍼라이트1 제조
퍼라이트 정석을 준비한 후, 건조시킨 다음, 이를 직접화염법(화염이 원료에 직접적으로 닿는 방법)을 통해 팽창시키되, 전체중량을 기준으로 400㎛초과입자- 5 중량%, 400~250㎛입자- 35중량%, 250~160㎛입자- 20 중량%, 160㎛미만입자- 40 중량%의 입도분포를 갖도록 맞춘 후, 한꺼번에 팽창시켜 입자들을 제조하였다.
이때, 표면이 닫힌 셀 형상을 갖는 입자들이 전체중량대비 70 중량%가 함유된 팽창 퍼라이트1이 제조되었다.
<실시예 2> 본 발명의 팽창 퍼라이트2 제조
퍼라이트 정석을 준비한 후, 건조시킨 다음, 이를 직접화염법(화염이 원료에 직접적으로 닿는 방법)을 통해 팽창시키되, 전체중량을 기준으로 400㎛ 초과입자- 10 중량%, 400~250㎛입자- 35 중량%, 250~160㎛입자- 20 중량%, 160㎛미만입자- 35 중량%의 입도분포를 갖도록 맞춘 후, 한꺼번에 팽창시켜 입자들을 제조하였다.
이때, 표면이 닫힌 셀 형상을 갖는 입자들이 전체중량대비 70 중량%가 함유된 팽창 퍼라이트2가 제조되었다.
<실시예 3> 본 발명의 팽창 퍼라이트3 제조
퍼라이트 정석을 준비한 후, 건조시킨 다음, 이를 직접화염법(화염이 원료에 닿지 않는 방법)을 통해 팽창시키되, 전체중량을 기준으로 400㎛ 초과입자- 0 중량%, 400~250㎛입자- 35 중량%, 250~160㎛입자- 20 중량%, 160㎛미만입자- 45중량%의 입도분포별로 각각 팽창시킨 후 혼합하여 입자들을 제조하였다.
이때, 표면이 닫힌 셀 형상을 갖는 입자들이 전체중량대비 70 중량%가 함유된 팽창 퍼라이트3이 제조되었다.
<실시예 4> 본 발명의 팽창 퍼라이트4 제조
실시예 1과 동일한 조건하에서 표면이 닫힌 셀 형상을 갖는 입자들이 전체중량대비 60 중량%가 함유된 팽창 퍼라이트4를 제조하였다.
<실시예 5> 본 발명의 팽창 퍼라이트5 제조
실시예 1과 동일한 조건하에서 표면이 닫힌 셀 형상을 갖는 입자들이 전체중량대비 90 중량%가 함유된 팽창 퍼라이트5를 제조하였다.
<실시예 6> 본 발명의 팽창 퍼라이트6 제조
간접화염법(화염이 원료에 닿지 않는 방법)을 통해 실시예 1과 동일한 조건의 팽창 퍼라이트6을 제조하였다.
<비교예 1> 열린 셀 형상의 팽창 퍼라이트 제조
퍼라이트 정석을 준비한 후, 건조시킨 다음, 이를 직접화염법을 통해 팽창시키되, 전체중량을 기준으로 800㎛ 초과입자- 5 중량%, 800~500㎛입자- 20 중량%, 500~250㎛입자- 30 중량%, 250~160㎛입자- 20 중량%, 160㎛~63㎛입자- 20 중량%, 63㎛ 미만입자- 5 중량%의 입도분포를 갖도록 맞춘 후, 한꺼번에 팽창시켜 입자들을 제조하였다.
이때, 표면이 열린 셀 형상을 갖는 입자들이 전체중량대비 70중량%로 함유된 팽창 퍼라이트가 제조되었다.
<실험예 1> 성능비교
상기 실시예 1 내지 6과 비교예 1의 성능비교를 위해 벌크(Bulk) 비중은 KS F 3701의 규격에 의거하여 측정하고, 탭(Tap) 비중은 호소카와미크론 PT-S를 이용하여 180회의 탭을 사용하여 측정하였는데, 이는 실제 팽창 퍼라이트를 나무박스에 충전시 나타나는 침하(Sinking) 비중을 알기 위함이다.
또한 여기서 비중 증감 %는 탭 비중을 벌크 비중으로 나누고 100을 곱해 %로 나타낸 것이다.
발수율은 Perlite Institute, INC의 규격 PI 303-85에 의거하여 측정 되었으며, 충격테스트(Shocking test)는 GTT 규격으로 지표면으로부터 40mm 높이에서 5회간 나무박스를 낙하하여 침하되는 깊이를 측정한 것이다.
열전도율은 Netzsch사의 초저온 열전도율 측정이 가능한 GHP 456 Titan 장비를 이용하여, 영하 159℃, 영하 120℃, 영하 80℃, 영하 40℃, 영하 20℃, 영상 20℃에서 측정하였다.
LNG 운반선용 예상 단열두께의 계산은 LNG 운반선 단열재의 1차원 정상상태의 온도분포로 가정된 프로그램을 이용하여 비교예 1을 기준으로 하여 계산되었다(팽창퍼라이트 소요 두께만 표현함).
상기 실험결과를 아래 표 2에 나타내었다.
표 2
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1
Bulk 비중(kg/m2) 30.5 29.7 32.8 30.1 30.3 30.4 44.3
Tap 비중(kg/m2)(In-Box) 37.0 37.4 40.1 36.6 36.7 36.9 59.3
비중 증감 % 121.3 125.9 122.3 121.7 121 121.5 133.9
발수율 % 98.6 98.1 98 98.2 98.9 98.5 97
Shocking Test(mm) 측정불가 0.2 0.18 0.1 측정불가 측정불가 1.1
열전도율(W/mK) -159℃ 0.0109 0.0116 0.0147 0.0115 0.0101 0.0110 0.0211
-120℃ 0.0160 0.0168 0.0191 0.0187 0.0158 0.0161 0.0257
-80℃ 0.0203 0.0215 0.0232 0.0229 0.0202 0.0201 0.0301
-40℃ 0.0266 0.0268 0.0284 0.0280 0.0264 0.0267 0.0351
-20℃ 0.0281 0.0300 0.0312 0.0309 0.0280 0.0279 0.0375
20℃ 0.0322 0.0352 0.0371 0.0368 0.0321 0.0323 0.0421
LNG 운반선용예상 단열두께(mm) 362.8 382.7 414.1 403.3 359.1 362.5 490.5
상기 표 2에 나타나있듯이, 벌크 비중과 탭 비중의 차이를 보면 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3은 그 증가율이 121.3%, 125.9%, 122.3%이고, 비교예 1은 133.9%를 나타내었다.
여기서 벌크 비중의 의미는 충전이 없는 팽창 퍼라이트의 비중이고, 탭 비중은 충전된 즉, 나무박스에서의 비중이라 보면 된다.
이것은 본 발명의 팽창 퍼라이트가 대부분 중공형의 닫힌 셀로 형성되어 기존의 LNG 운반선 단열재용 팽창 퍼라이트보다 침상구조가 극히 적어서 부서지는 팽창 퍼라이트가 거의 없을 뿐만 아니라, 체밀 충전에 적합한 입도분포로 인해 입자간의 공극이 작고 충전율이 높게 형성되어져 벌크 상태나 탭 이후에도 공극변화가 작게 나타남을 의미한다.
즉, 기존 팽창 퍼라이트의 열전도율보다 본 발명의 팽창 퍼라이트의 열전도율이 전체적으로 낮아짐을 확인하였다.
다만 실시예 3의 경우, 실시예 1, 실시예 2에 비해 낮은 입도인 160㎛ 이하가 45 중량%에 달하고 400㎛ 이상의 입도가 전혀 없어, 충전율은 실시예 2에 비해서 조금 향상되었지만, 밀도 상승에 따른 열전도의 영향이 높아짐에 따라, 열전도율이 약간 높아짐을 알 수 있었다.
실시예 4는 실시예 1보다 열린 셀 %가 높아짐에 따라 열전도율이 높아졌고, 실시예 5는 실시예 1보다 열린 셀 %가 낮아짐으로써, 성능이 더 향상됨을 알 수 있다.
이는 열린 셀에 의한 열전도율의 영향이 있음을 나타내고 있다.
또한 실시예 6은 소성조건만 틀릴뿐 실시예 1과 거의 동일 조건으로 제조함으로써 그 차이는 거의 미비함을 알 수 있다.
충격테스트(Shocking Test)는 두 가지의 의미를 부여하는데 첫째는 나무박스 내부에 체밀 충전이 치밀하게 형성되는지와 팽창 퍼라이트의 강도, 즉 내구성을 예상할 수 있다.
충격테스트는 GTT 규격으로 지표면으로부터 40mm 높이에서 5회간 나무박스를 낙하하여 침하되는 깊이를 측정한 것이다.
이것은 팽창 퍼라이트가 치밀하게 충전되어 있을수록 값이 작으며, 강도가 클수록 값이 작게 나타난다.
즉, 비교예 1보다 실시예 1, 실시예 2의 값이 거의 없거나 작게 나타났으며, 이것은 본 발명의 팽창 퍼라이트가 체밀 충전이 잘 되어 있으며, 입자의 강도도 강하다는 것을 알 수 있었다.
그리고 이러한 특성들은 LNG 운반선의 단열재의 내구성에 따른 단열성능의 지속성과도 밀접한 관계를 나타낸다.
왜냐하면 LNG 운반선은 항해시의 LNG 슬로싱(Sloshing)충격과 상하선시의 열충격이 단열재 구조로 전해지고 진동이 발생하는데, 이러한 영향으로 추가적인 침하가 발생할 수 있어 이로 인한 박스 안에 빈 공간이 생겨 단열효과가 떨어질 수 있기 때문이다.
즉, 앞서 선행기술문헌으로 언급한 에어로겔의 경우도 강도가 매우 약하기 때문에 상기와 같은 문제점을 해결하기 어렵다.
그러나 본 발명은 상기 설명된 기능에 의해 체밀 충전율이 높고 입자의 강도가 강해 어떠한 충격과 진동에도 추가적인 침하가 발생하지 않기 때문에 그 효과를 지속적으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
상기의 효과들로 인해 다른 초저온 가스의 저장 탱크나 용기에서도 동일한 효과를 볼 수 있음을 예측할 수 있다.
일반적으로 초저온 가스의 액화 저장온도는 아래의 표 3과 같다.
표 3
compound Formula boiling point ℃
에틸렌 C2H4 -103.8
메탄 CH4 -161.4
산소 O2 -183.0
아르곤 Ar -185.8
질소 N2 -195.8
수소 H2 -252.7
헬륨 He -269.9
초저온 가스의 액화 저장온는 실시예의 LNG보다 낮고, 본 발명의 팽창 퍼라이트는 기존 퍼라이트에 비해 열전도율이 급격히 낮아지기 때문에, 단열시스템의 두께가 상대적으로 많이 감소될 것이다.
또한 기존 LNG 운반선 단열재용 팽창 퍼라이트는 실리콘계 발수제로 코팅을 한다. 이는 수분을 갖게 되면 열전도율이 급격히 높아지기 때문에 수분 흡수나 온도 변화에 의한 결로가 발생되어도 팽창 퍼라이트가 수분을 갖지 않도록 하기 위해서다.
한편, 팽창 퍼라이트 자체가 가볍고 표면이 거칠기 때문에 원래 흐름성(여기서 표현하는 흐름성이란 입자와 입자의 마찰력 및 안식각의 영향이 낮아, 위치 이동이 쉽게 이루어짐을 말한다)이 별로 좋지 않은데, 본 발명의 팽창 퍼라이트는 도 1과 도2를 보면 기존 팽창 퍼라이트에 비해 표면이 침상이 없어 표면이 매끄럽고 구형에 가깝기 때문에 흐름성이 더 좋지만, 흐름성이 좋으면 좋을수록 체밀 충전이 잘된다.
그러나 기존 방식의 실리콘계 발수제는 퍼라이트 표면에 반응성을 갖고 있는 것이 아니라, 실록산 올리고머 형태의 실리콘이 단순 접착하는 형태로, 발수제 역할만 할 뿐이지 흐름성을 향상시키지 못한다.
본 발명에서는 발수성과 흐름성을 동시에 향상시킬 수 있도록 실란계 모노모를 이용한 코팅을 하였다. 좀더 구체적으로 설명하면 말단에 퍼라이트와 화학적 결합을 유도하는 알콕시를 갖고 꼬리는 발수 특성을 나타내는 알킬기가 있는 유기 실란을 사용하여 코팅처리를 한다.
이렇게 하면 실란이 퍼라이트 표면 전체에서 나뭇가지나, 털송이처럼 외부로 벋어나와 하나의 층을 형성하게 되어 표면의 마찰저항을 낮추게 되어, 흐름성이 향상되어 본 발명의 팽창 퍼라이트가 체밀 충전이 더 잘되게 된다.
또한 이는 팽창 퍼라이트와 화학적 반응을 통해 결합함으로써 기존방식의 실리콘계와는 달리 발수특성을 영구적으로 갖게 하는 효과가 있다.
본 발명에서는 발수성능을 나타내는 목적인 표면코팅제로 유기 실란 뿐 아니라 목적에 따라 강도를 보강할 수 있는 티타네이트계, 지르코네이트계를 사용할 수 있는데, 보다 상세하게는 이소옥틸트리메톡시실란 (i-Octyltrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란 (Methyltrimethoxysilane), 옥틸트리에톡시실란 (Octyltrietoxysilane), 3-아미노프로필트리에톡시실란 (3-aminopropyltriethoxysilane), 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란 (3-glycidyloxytriethoxysilane), 3-메타크릴옥시프로필트리메특시실란 (3-methacryloxypropyltrimethoxysilane),비닐트리에톡시실란(vinyltriethoxysilane), 비닐트리메톡시실란 (vinyltrimethoxysilane), 비닐트리(2-메톡시-에톡시)실란 [vinyltri(2-methoxy-ethoxy)silane 등을 포함하는 유기 실란계 커플링제와 네오펜틸(디알릴)옥시,트리네오데카노닐티타네이트 [neopentyl(diallyl)oxy,trineodecano titanate],네오페닐(디알릴)옥시,트릴(도데실)벤젠-술포닐티타네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(dodecyl)benzene-sulfonyl titanate], 네오페닐(디알릴)옥시,트리(디옥틸)포스페이토티타네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)phosphate titanate],네오페닐(디알릴)옥시,트리(디옥틸)피로-포스페이토티타네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)pyro-phosphato titanate], 네오펜틸디알릴옥시,트리(N-에틸렌디아미노)에틸티타네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(N-ethylenediamino)ethyl titanate], 네오펜틸디알릴옥시,트리(m-아미노)페닐티타네이트 [neopentyl(diallyl)oxy,tri(m-amino)phenyl titanate] 등을 포함하는 티네테이트계 커플링제와 네오펜틸(디알릴)옥시,트리네오데카노닐지르코네이트 [neopentyl(diallyl)oxy,trineodecano zirconate], 네오페닐(디알릴)옥시,트릴(도데실)벤젠-술포닐지르코네이트 [neopentyl(diallyl)oxy,tri(dodecyl)benzene-sulfonyl zirconate], 네오페닐(디알릴)옥시,트리(디옥틸)포스페이토지로코네이트 [neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)phosphate zirconate], 네오페닐(디알릴)옥시,트리(디옥틸)피로-포스페이토지로코네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)pyro-phosphato zirconate], 네오펜틸디알릴옥시,트리(N-에틸렌디아미노)에틸지로코네이트 [neopentyl(diallyl)oxy,tri(N-ethylenediamino)ethyl zirconate], 네오펜틸디알릴옥시,트리(m-아미노)페닐지르코네이트[neopentyl(diallyl)oxy,tri(m-amino)phenyl zirconate] 등을 포함하는 지로코네이트계 커플링제등을 포함한다.
다만, 이는 요구 물성을 더욱 향상기키기 위함이고, 조건에 따라 기존 방법의 발수제 사용도 가능하다.
최종적으로 본 발명이 목적하는 기존 LNG 운반선이나 저온탱크 및 용기와 공기분리장치, 부유식 원유 생산 저장설비인 FPSO (Floating, Production, Storage and Offloading) 등의 단열재용 팽창 퍼라이트보다 열전도율의 낮아지는 정도와 단열두께의 축소 가능성은 상기 표 1의 열전도율 측정값과 단열두께의 프로그램을 통한 예측으로 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3이, 비교예 1, 즉 기존 팽창 퍼라이트보다 월등히 좋음을 알 수 있다.
<실험예 2> 본 발명의 팽창 퍼라이트와 현재 LNG 운반선에 사용되는 폴리우레탄 단열재 비교실험
본 발명에 있어서 추가적인 제안을 더 할 수 있다.
그것은 다른 단열재와 혼용하여 사용하는 것으로 이는 양쪽 모두에게 이득을 줄 수 있다.
예를 들자면, 우레탄 단열재나 에어로겔을 실예로 들수 있다.
단열효과는 좋지만 화재에 대한 안전성이나, 재료 가격이 너무 높아 실질적으로 적용하기에 무리가 있는 경우 혼용하거나, 각각의 단열재를 겹쳐서 사용시 그 효과를 볼 수 있다.
각각 겹쳐서 사용하는 경우는 본 발명의 팽창 퍼라이트는 상온 구간보다 저온 구간에서 열전도율이 낮기 때문에 저온 가스에 접하는 면에 사용하는 것이 보다 효과적이다.
본 발명의 팽창 퍼라이트와 현재 LNG 운반선에 사용되는 폴리우레탄 단열재를 예를 들어 비교하면 다음과 같다.
표 4
구분 20 ℃ -20 ℃ -40 ℃ -80 ℃ -120 ℃ -159 ℃
폴리우레탄 열전도율(W/mK) 0.0262 0.0227 0.0217 0.0214 0.0209 0.0194
실시예 1의 열전도율(W/mk) 0.0321 0.0280 0.0264 0.0202 0.0158 0.0099
상기 표 4와 같은 물성을 갖는 실시예 1에 사용된 팽창 퍼라이트와 LNGC에 사용되는 폴리우레탄을 도 4와 같이 LNG와 직접 접촉하여 1차 방벽으로서 절연체와 지지대 역할을 하는 제 1금속패널(10), 제 1금속패널과 일정간격을 유지하는 제 2금속패널(11), 상기 1금속패널과 2금속패널 팽창 퍼라이트(14)가 충전되어 있는 1차 나무박스(12), 상기 2금속패널(11) 하부와 폴리우레탄(16) 뒤로 나무판(17) 붙어 순차적으로 이루어진 형태로 구성하였다.
이때, 1차원 정상상태의 온도분포로 가정된 프로그램을 이용하여 최소 예상두께를 산출한 결과 실시예 1의 팽창 퍼라이트는 362mm, LNGC 폴리우레탄은 250mm로 설계된 반면, 상기 실험예 2의 구조에서는 그 두께가 200mm 정도로 나타났다.
이것은 도 4의 정상상태에서 온도분포를 나타내는 온도분포선(18)로 쉽게 설명할 수 있는데, 영하 159℃에 접촉한 팽창 퍼라이트는 대략 영하 70℃에서 영하 159℃의 온도 구간으로 형성되어 있고, 폴리우레탄은 20℃에서 영하 70℃의 온도 구간으로 형성되어 있음을 알 수 있었다.
따라서, 상기 표 4를 통해서 보면 저온 온도에서는 팽창 퍼라이트의 열전도율을 그 이상의 온도에서는 폴리우레탄의 열전도율의 영향을 받기 때문으로 판단된다.
다만, 팽창 퍼라이트와 폴리우레탄의 단열두께를 각각 얼마로 결정하느냐에 따라 온도분포가 달라지기 때문에 전체의 두께가 변할 수 있는데, 이것은 요구되는 단열두께와 재료비 등을 고려하여 결정할 수 있다.
또한, 상기 실험예 2를 통해서 알수 있듯이 선행기술문헌에 제시된 에어로겔의 경우 저온구간에서 일부 본 발명의 팽창 퍼라이트 열전도율보다 낮을 수 있으나, 에어로겔의 가격이 매우 높기 때문에 저온구간에서 본 발명의 팽창 퍼라이트를 사용한다면 적절한 두께와 유효한 가격을 얻을 수도 있어 에어로겔과의 복합 사용시에도 그 효과는 충분히 있다 할 것이다.
또한, 분말상의 에어로겔과 혼합하여 사용하는 방법도 가능하다.
상기 실시예 및 실험예, 특히 구조적 형태 등이 설명되었으나, 이는 이들의 범위를 제안하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면, 본 발명의 원칙을 벗어나지 않는 범위에서 변형 가능함을 알 수 있다.
**도면의 주요부호에 대한 설명**
10 : 제1금속패널
11 : 제2금속패널
12 : 1차 나무박스
14 : 팽창 퍼라이트
16 : 폴리우레탄
17 : 나무판

Claims (9)

  1. 퍼라이트 원광을 건조시킨 후 팽창시켜 표면은 닫힌셀(Closed Cell)형상을 갖는 입자들을 유효성분으로 포함하여 이루어진,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트.
  2. 제1항에 있어서,
    20 ~ 40 g/ℓ 범위의 벌크비중(Bulk Density)을 갖는 것을 특징으로 하는,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유효성분은 팽창 퍼라이트 전체 중량대비 50 중량 %이상 포함됨을 특징으로 하는,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트.
  4. 제1항에 있어서,
    전체중량을 기준으로 400 ㎛초과입자 10±10 중량%, 400 ~ 250㎛입자 40±15중량%, 250 ~ 160㎛입자 20±10중량%, 160㎛미만입자 40±15 중량%의 입도분포로 구성됨을 특징으로 하는,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 표면에 코팅막이 더 구성됨을 특징으로 하는,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코팅막은 유기 실란계 커플링제, 티네테이트계 커플링제, 지로코네이트계 커플링제, 실리콘계 발수제 중 선택된 1종인 것이 특징인,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 퍼라이트 원광은 진주암, 흑요석, 송지암, 경석 중 선택된 1종인 것이 특징인,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트.
  8. 퍼라이트 원광을 준비한 후, 이를 건조시키는 제1단계; 및
    상기 건조된 퍼라이트 원광을 직접화염법 또는 간접화염법 중 선택된 1종으로 팽창시키되, 표면은 닫힌셀(Closed Cell)형상을 갖는 입자들이 일정한 입도분포로 이루어지도록 팽창시켜 팽창 퍼라이트를 제조하는 제2단계로 구성된,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2단계에서 팽창 퍼라이트 제조시, 일정한 입도분포범위에 맞춰 한번에 팽창시켜 제조하는 방법 또는 입자크기별로 따로 팽창시킨 후 이를 혼합하여 제조하는 방법 중 선택된 1종으로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    저온 보냉단열재용 팽창 퍼라이트의 제조방법.
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