WO2017142238A1 - 에어로겔 시트의 제조방법 및 장치 - Google Patents

에어로겔 시트의 제조방법 및 장치 Download PDF

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김예훈
이제균
오경실
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for manufacturing an airgel sheet, and more particularly, to a method and apparatus for manufacturing an airgel sheet having excellent heat insulation and durability and uniform thickness.
  • aerogel is a highly porous material having a high porosity of 90% or more and up to 99% of the solids known to date.
  • the gel is prepared by sol-gel polymerization of a silica precursor solution and then dried under supercritical or atmospheric conditions. Can be obtained. That is, the airgel has a pore structure filled with air.
  • Such aerogels are light and have thermal insulation and sound absorption properties due to the unique pore structure in which 90-99% of the interior space is empty. It is a high thermal insulation with a significantly lower thermal conductivity of less than 30 mW / mk.
  • the airgel according to the prior art has a problem that the thickness of the sheet is not uniform and the insulation and durability are inferior.
  • an object of the present invention is to provide a method and apparatus for producing an airgel sheet having excellent heat insulation and durability, in particular having a uniform thickness.
  • Method for producing an airgel sheet according to the present invention for achieving the above object is (a) acid-washing treatment by impregnating the acid solution in the fiber sheet, and impregnated with a binder solution in the acid-treated fiber sheet to pre-treated fiber sheet Manufacturing step; (b) impregnating the silica precursor into the pretreated fibrous sheet; And (c) gelling the silica precursor by impregnating a gelation catalyst on the fiber sheet impregnated with the silica precursor.
  • the fiber sheet may be acid washed while dipping the acid solution into the washing container, and the acid washed fiber sheet may be prepared by dipping the fiber sheet into the binder impregnation container in which the binder solution is stored.
  • the binder solution may be an organic impregnation solution of polyvinyl alcohol (PVA) and an organic impregnation solution of polyvinyl butyral (PVB) or an inorganic impregnation solution of silica sol.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • PVB polyvinyl butyral
  • the step (a) may further comprise the step of drying the fiber sheet impregnated with the binder solution.
  • the silica precursor may be prepared by mixing TEOS (tetraethly orthosilicate) with ethanol.
  • TEOS tetraethly orthosilicate
  • the gelling catalyst may be prepared by mixing ethanol and ammonia water (NH 4 OH).
  • Step (b) may be impregnated by dipping the pretreated fiber sheet in a silica precursor impregnation container in which the silica precursor is stored.
  • the step (c) may be made in the conveyor belt for transferring the fiber sheet impregnated with the silica precursor from one side to the other side.
  • the conveyor belt includes a first scraper for adjusting the thickness of the silica precursor sprayed on the surface of the pretreated fiber sheet, and a second scraper for adjusting the thickness of the gelling catalyst sprayed on the surface of the fiber sheet impregnated with the silica precursor.
  • a scraper may be included.
  • the gelling catalyst may be injected onto the surface of the fiber sheet impregnated with the silica precursor at a rate of 0.035 to 0.012 L / min, and left for 8 to 12 minutes to gel the silica precursor.
  • the silica precursor may further comprise the step of aging the gelatinized fibrous sheet.
  • the silica precursor is gelled can be aged 50 minutes at a high temperature of 70 °C.
  • the silica precursor is gelled, and the fiber sheet may be left at room temperature for 10 minutes before aging.
  • step (e) may further comprise the step of modifying the surface by inputting the coating liquid to the aged fiber sheet.
  • step (e) may further comprise the step of drying the fiber sheet is modified surface.
  • the step (f) is a first drying step of drying the surface-modified fiber sheet by injecting carbon dioxide at a rate of 70 L / min for 10 minutes in an environment of 28 °C and 70 bar, the second drying to increase the temperature to 50 °C for 1 minute 20 minutes
  • the third drying step may recover ethanol generated from the fiber sheet as the surface is modified while injecting carbon dioxide.
  • the step (f) may further include a discharge step of discharging carbon dioxide for 2 hours after the fourth drying step.
  • the manufacturing apparatus for performing the airgel sheet manufacturing method according to the present invention is a feed roller in which the fiber sheet is wound in a roll form; A washing container in which an acid solution to be acid washed while the fiber sheet supplied from the feed roller is dipped; A binder impregnation container in which the binder solution is stored, while dipping the acid-treated fiber sheet to increase the adsorption force of the fiber sheet; A drying member for drying the fiber sheet impregnated with the binder solution; A silica impregnation container in which a silica precursor in which a silica precursor is impregnated is stored while the dried fiber sheet is dipped; A conveyor belt for transporting the fiber sheet impregnated with the silica precursor from one side to the other side; A catalyst supply member for impregnating by spraying a gelation catalyst on the surface of the fiber sheet located on the conveyor belt; A recovery roller which winds and recovers the fiber sheet transferred to the other side by the conveyor belt in a roll form; And it may include a reaction container
  • the present invention has the following effects.
  • the present invention is impregnated with an acid solution and a binder in the fiber sheet and then subjected to a pretreatment process to impregnate the silica precursor and the gelling catalyst to excellent heat insulation and durability, in particular to produce a uniform airgel sheet thickness.
  • the present invention can obtain a high quality silica precursor by mixing tetraethly orthosilicate (TEOS) with ethanol.
  • TEOS tetraethly orthosilicate
  • the present invention can obtain high quality silica precursor by using hydrolyzed TEOS.
  • a high quality gelling catalyst can be obtained by mixing ethanol and aqueous ammonia (NH 4 OH).
  • the thickness of the silica precursor and the catalyst for gelation can be uniformly controlled by including the scraper.
  • a high-quality airgel sheet can be obtained by aging a fiber sheet in which a silica precursor is gelled, surface modified and dried.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a method of manufacturing an airgel sheet according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an apparatus for producing an airgel sheet according to the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a reaction vessel provided in the apparatus for producing an airgel sheet according to the present invention.
  • Figure 4 is a table comparing the experiment of the embodiment according to the present invention and the comparative example according to the prior art.
  • Method for producing an airgel sheet according to the present invention as shown in Figure 1, (a) pre-treating the fiber sheet, (b) impregnated silica precursor impregnated silica precursor in the pre-treated fiber sheet, (c) A silica precursor gelling step of gelling a silica precursor by impregnating a silica sheet with a gel precursor impregnated with a silica precursor, (d) an aging step of aging the fibrous sheet into which the silica precursor is gelled, and (e) a coating solution on the aged fiber sheet. A surface modification step of inputting and modifying the surface, and (f) a drying step of drying the surface-modified fibrous sheet.
  • Figure 2 is a view showing an apparatus for producing an airgel sheet (a) pre-treating the fiber sheet, (b) silica precursor impregnation step, and (c) silica precursor gelling step of the present invention.
  • the airgel manufacturing apparatus 100 while the fiber sheet 10, the fiber sheet 10 is wound in a roll form, the fiber sheet 10 supplied from the supply roller 110 is dipped Binder impregnation container (130), Binder impregnation container (140) impregnated with a binder (30), while the acid solution is impregnated with the acid container (20) in which the acid solution (20) is stored, the fiber sheet (10) passing through the washing container (120) is dipped.
  • the acid solution washing container 120 has a water tank shape, and an acid solution 20 having a constant pH is stored therein. That is, the acid solution washing container 120 is acid washed while the fiber sheet 10 is dipped in the acid solution.
  • the acid-washed fibrous sheet 10 induces surface etching to activate the surface, increase air sharing, and increase surface roughness to increase the adhesion performance of the silica precursor.
  • the binder impregnation container 130 has a water tank shape, and the binder solution 30 is stored therein. That is, the binder impregnation container 130 further increases the adhesion performance of the silica precursor while the acid washed fiber sheet 10 is dipped in the binder solution 30.
  • Drying member 140 is to dry the fiber sheet impregnated with the binder solution to complete the pre-treated fiber sheet, the drying container is passed through the fiber sheet 10 impregnated with the binder solution, and provided inside the drying container and heat It is provided with a heating unit for drying the fiber sheet 10 impregnated with a binder solution passing through the inside of the drying vessel.
  • the silica precursor impregnation container 150 has a water tank shape, and the silica precursor 40 is stored therein. That is, the silica precursor impregnation container 150 is impregnated with the silica precursor 40 on the surface of the fiber sheet 10 while the pretreated fiber sheet 10 is dipped into the silica precursor 40.
  • the conveyor belt 160 transfers the fiber sheet 10 passed through the silica precursor impregnation container 150 to the recovery roller 190.
  • the conveyor belt 160 includes a scraper 180 to uniformly adjust the thickness of the silica precursor 40 and the gelation catalyst 50 impregnated in the fiber sheet 10, the scraper 180 is a fiber sheet ( The first scraper 181 for adjusting the thickness of the silica precursor 40 impregnated on the surface of 10), and the second scraper for adjusting the thickness of the gelation catalyst 50 sprayed on the surface of the fiber sheet 10 ( 182).
  • the catalyst supply member 170 gels the silica precursor 40 by injecting a gelation catalyst into the fiber sheet 10 passing through the conveyor belt 160.
  • the catalyst supply member 170 is provided in the conveyor belt 160 and has a gelation catalyst therein.
  • a catalyst storage container 50 is stored, an injection nozzle for injecting the gelling catalyst stored in the catalyst storage container into the fiber sheet 10, and a pump for controlling the injection amount of the gelling catalyst injected into the injection nozzle.
  • pretreatment of the fibrous sheet is to prepare a pretreated fibrous sheet, comprising (a-1) an acid washing treatment step, (a-2) binder impregnation step, and (a-3) binder drying step .
  • step (a-1) the fiber sheet 10 supplied from the supply roller 110 is dipped into the washing container 120 in which the acid solution 20 is stored. Then, the acid solution 20 is impregnated into the fiber sheet 10 to induce the etching of the surface of the fiber sheet 10 to activate the surface, increase the porosity, thereby increasing the adhesion performance of the silica precursor.
  • the acid solution uses a constant acidity (ph), thereby uniformly washing the entire fiber sheet 10.
  • step (a-2) the acid washed fiber sheet 10 is dipped into the binder impregnation container 130 in which the binder solution 30 is stored. Then, as the binder solution 30 is impregnated into the fiber sheet 10, the adsorption force of the fiber sheet 10 is improved, and the impregnation force of the silica precursor 10 may be further increased through the adsorption force of the fiber sheet 10.
  • the binder solution 30 may be an organic impregnation solution of polyvinyl alcohol (PVA) and an organic impregnation solution of polyvinyl butyral (PVB) or an inorganic impregnation solution of silica sol.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • PVB polyvinyl butyral
  • Step (a-3) is for drying the fiber sheet impregnated with the binder solution, and the fiber sheet 10 impregnated with the binder solution is dried by high temperature heat while passing through the drying member 140.
  • the pretreated fiber sheet 10 is dipped into the silica precursor impregnation container 150 in which the silica precursor 40 is stored to impregnate the silica precursor 40 on the surface of the fiber sheet 10.
  • the silica precursor 40 is prepared by mixing tetraethly orthosilicate (TEOS) with ethanol. That is, the silica precursor 40 is prepared by including 1.2 kg of TEOS and 2.7 kg of ethanol in a reactor (not shown).
  • TEOS tetraethly orthosilicate
  • TEOS is a solvent having excellent reactivity with water, using a hydrolyzed, it can further increase the reactivity. That is, by mixing the hydrolyzed TEOS and ethanol it can be obtained a silica sol excellent in reactivity.
  • the silica precursor gelling step is to gel the silica precursor by spraying the gelling catalyst 50 to the surface of the fiber sheet 10 impregnated with the silica precursor transported by the conveyor belt (160).
  • the gel catalyst 50 is prepared by mixing ethanol and ammonia water (NH 4 OH). That is, the gel catalyst 50 is prepared by mixing 0.5 kg of ethanol and 30 ml of ammonia water (NH 4 OH) in a reaction tank (not shown).
  • the (c) silica precursor gelation step is injected by the prepared gelation catalyst 50 to the catalyst supply member 170 and stored. Then, when the fiber sheet 10 is transferred to the lower portion of the catalyst supply member 170 by the conveyor belt 160, the gelation catalyst 50 on the surface of the fiber sheet 10 through the catalyst supply member 170. By spraying, the silica precursor can be gradually gelled by the gelation catalyst 50.
  • the catalyst supply member 170 is sprayed at a set speed of the stored gelling catalyst 50 and left for a set time to gel the silica precursor. That is, the catalyst supply member 170 sprays the gelling catalyst on the surface of the fiber sheet 10 at a rate of 0.035 to 0.012 L / min, and is allowed to stand for 8 to 12 minutes to gel the silica precursor.
  • the catalyst supply member 170 may uniformly control the gelation of the silica precursor by varying the injection speed of the gelling catalyst 50 according to the density of the silica precursor 40 impregnated in the fiber sheet 10. That is, as the density of the silica precursor increases, the spray rate of the gelling catalyst may be reduced to induce stable gelation of the silica precursor.
  • the silica precursor gelled fiber sheet 10 is recovered while being wound in a roll form by the recovery roller 190, the recovered fiber sheet 10 is subjected to an aging step, surface modification step and drying step aerogel sheet Is completed. At this time, the reaction vessel 200 is used.
  • FIG 3 is a view showing a reaction vessel 200 according to the present invention.
  • the reaction vessel 200 has a receiving space 201 for hermetically receiving the fiber sheet 10 recovered in the form of a roll, the inlet 202 is provided at one end and connected to the receiving space 201, and the other end The outlet 203 is provided and connected to the receiving space 201 is formed.
  • the fiber sheet aging step ages the fiber sheet 10 in which the silica precursor is gelled. That is, after receiving the fiber sheet 10 recovered in the form of a roll in the step (c) in the receiving space 201 of the reaction vessel 200, the reaction vessel 200 is heated to 70 °C aging for 50 minutes To uniformize the structure of the fibrous sheet 10.
  • the fiber sheet aging step is left for 10 minutes at room temperature (or 25 °C) before aging in the reaction vessel (200). That is, in the (d) fiber sheet aging step, the fiber sheet 10 is left for 10 minutes to induce stable gelation of the silica precursor, followed by aging, and thus the structure of the fiber sheet 10 can be more uniform.
  • the fiber sheet surface modification step is to modify the surface by spraying the coating solution on the aged fiber sheet (10). That is, (e) the fiber sheet surface modification step to prepare a coating solution by mixing ethanol and ammonia water (NH 4 OH). Then, the coating liquid is injected into the accommodation space 201 through the injection hole 202 of the reaction vessel 200 into which the fiber sheet 10 is inserted to modify the surface of the fiber sheet 10. At this time, the coating solution is sprayed 1.6 times of the silica precursor impregnated on the surface of the fiber sheet in step (b), the reaction vessel 200 is aged for 1 hour at a high temperature of 70 °C and HMDS (Hexamethyldisilazane) fiber sheet 10 Modifies the surface of the.
  • HMDS Hexamethyldisilazane
  • the silica gel sheet is completed by drying the modified fiber sheet.
  • the fiber sheet drying step is supercritical drying is carried out in the state accommodated in the reaction vessel (200). That is, (f) the fiber sheet drying step is a first drying step of drying the surface-modified fiber sheet 10 by injecting carbon dioxide at a rate of 70 L / min for 10 minutes in an environment of 28 °C and 70 bar, 50 °C for 1 minute 20 minutes The secondary drying step of heating and drying to a furnace, and the third drying step of drying by injecting carbon dioxide at a rate of 0.7 L / min for 20 minutes at 50 ° C. and 150 bar, and 0.7 L / min for 20 minutes after 20 minutes of rest. And a fourth drying step of drying by injecting at a speed. As the drying step is performed, the drying rate of the fiber sheet 10 may be increased.
  • the third drying of the fiber sheet drying step may be generated ethanol in the reaction vessel 200 by the chemical reaction of carbon dioxide and the fiber sheet 10, the ethanol generated in the reaction vessel 200 is an outlet Discharge through 203 to recover.
  • the fiber sheet drying step includes a discharge step of discharging carbon dioxide for 2 hours after the fourth drying, thereby inducing a gentle environmental change in the fiber sheet 10 to equalize the structure of the fiber sheet 10 do.
  • Figure 4 compares the embodiment of the present invention and the comparative example of the prior art.
  • the examples and the comparative examples can be confirmed that the airgel content, the thermal conductivity, and the weight are significantly reduced compared to the comparative example without the pretreatment.
  • the method of manufacturing an airgel sheet according to the present invention having the above-described manufacturing method can obtain an airgel sheet having a uniform structure, high heat insulation and durability, and a uniform thickness.

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Abstract

본 발명은 에어로겔 시트의 제조방법에 관한 것으로서, (a) 섬유시트에 산액을 함침시켜서 산 세척처리하고, 상기 산 세척처리된 섬유시트에 바인더 용액을 함침시켜서 전처리 섬유시트를 제조하는 단계; (b) 상기 전처리 섬유시트에 실리카 전구체를 함침시키는 단계; 및 (c) 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트에 겔화용 촉매를 함침시켜서 실리카 전구체를 겔화시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

에어로겔 시트의 제조방법 및 장치
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2016년 02월 16일자 한국특허출원 제10-2016-0017998호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 에어로겔 시트의 제조방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 단열성과 내구성이 우수하고, 두께가 균일한 에어로겔 시트의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 에어로겔은 현재까지 알려진 고체 중에서 90%이상, 최대 99% 정도의 높은 기공율을 갖는 고다공성 물질로서, 실리카 전구체 용액을 졸-겔 중합반응시켜 겔을 만든 후, 초임계조건 혹은 상압조건 하에서 건조함에 따라 얻을 수 있다. 즉, 에어로겔은 공기가 가득차 있는 기공 구조를 가지고 있다.
이와 같은 에어로겔은 내부 공간의 90~99%가 비어있는 독특한 기공구조로 인하여 가벼우면서도 단열성, 흡음성 등의 물성을 가지며, 그 중에서도 가장 큰 장점은 종래 스티로폼 등의 유기 단열재의 열전도도인 36mW/m.k보다 현저히 낮은 30mW/m.k 이하의 열전도율을 보이는 고단열성이다.
종래기술에 따른 에어로겔은 시트의 두께가 균일하지 못하고, 단열성과 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단열성과 내구성이 우수하고, 특히 균일한 두께를 가지는 에어로겔 시트의 제조방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에어로겔 시트의 제조방법은 (a) 섬유시트에 산액을 함침시켜서 산 세척처리하고, 상기 산 세척처리된 섬유시트에 바인더 용액을 함침시켜서 전처리 섬유시트를 제조하는 단계; (b) 상기 전처리 섬유시트에 실리카 전구체를 함침시키는 단계; 및 (c) 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트에 겔화용 촉매를 함침시켜서 실리카 전구체를 겔화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계는 섬유시트를 산액이 저장된 세척용기에 디핑하면서 산 세척처리하고, 상기 산 세척처리된 섬유시트를 바인더 용액이 저장된 바인더 함침용기에 디핑하면서 전처리 섬유시트를 제조할 수 있다.
상기 바인더 용액은 폴리비닐알콜(PVA:Poly Vinyl Alcohol) 및 폴리비닐부티랄(PVB: Poly vinyl Butyral)인 유기 함침액 또는 실리카졸인 무기 함침액을 사용할 수 있다.
상기 (a) 단계는 바인더 용액이 함침된 섬유시트를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 실리카 전구체는 TEOS(tetraethly orthosilicate)와 에탄올을 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 TEOS(tetraethly orthosilicate)는 가수분해된 것을 사용할 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 겔화용 촉매는 에탄올과 암모니아수(NH4OH)를 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 (b) 단계는 전처리 섬유시트를 실리카 전구체가 저장된 실리카 전구체 함침용기에 디핑시켜서 함침시킬 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트를 일측에서 타측으로 이송하는 컨베이어벨트 내에서 이루어질 수 있다.
상기 컨베이어벨트에는 상기 전처리 섬유시트의 표면에 분사된 실리카 전구체의 두께를 조절하는 제1 스크래퍼와, 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트의 표면에 분사된 겔화용 촉매의 두께를 조절하는 제2 스크래퍼로 마련된 스크래퍼가 포함될 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트의 표면에 상기 겔화용 촉매를 0.035~0.012L/min 속도로 분사하고, 8~12분 동안 방치하여 실리카 전구체를 겔화시킬 수 있다.
상기 (c) 단계 후, (d) 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트를 에이징하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (d) 단계는 상기 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트를 70℃의 고온에서 50분간 에이징할 수 있다.
상기 (d) 단계는 상기 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트를 상온에서 10분간 방치한 후 에이징을 진행할 수 있다.
상기 (d) 단계 후, (e) 에이징된 섬유시트에 코팅액을 투입하여 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (e) 단계 후, (f) 표면이 개질된 섬유시트를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (f) 단계는 표면 개질된 섬유시트를 28℃ 및 70bar의 환경에서 이산화탄소를 10분간 70L/min속도로 주입하여 건조하는 1차 건조단계, 1분 20분간 50℃까지 승온시켜서 건조하는 2차 건조단계, 다시 50℃ 및 150bar의 환경에서 이산화탄소를 20분간 0.7L/min속도로 주입하여 건조하는 3차 건조단계, 및 20분간 휴식 후 20분간 이산화탄소를 0.7L/min속도로 주입하여 건조하는 4차 건조단계를 포함할 수 있다.
상기 (f) 단계에서 3차 건조단계는 이산화탄소를 주입함과 동시에 표면이 개질됨에 따라 섬유시트로부터 발생한 에탄올을 회수할 수 있다.
상기 (f) 단계는 4차 건조단계 이후, 2시간 동안 이산화탄소를 배출하는 배출단계를 더 포함할 수 있다.
*이와 같은 본 발명에 따른 에어로겔 시트의 제조방법을 수행하기 위한 제조장치는 섬유시트가 롤 형태로 권취된 공급롤러; 상기 공급롤러로부터 공급된 섬유시트가 디핑되면서 산 세척처리되는 산액이 저장된 세척용기; 상기 산 세척처리된 섬유시트가 디핑되면서 섬유시트의 흡착력을 높이는 바인더용액이 저장된 바인더 함침용기; 상기 바인더용액이 함침된 섬유시트를 건조하는 건조부재; 상기 건조된 섬유시트가 디핑되면서 실리카 전구체가 함침되는 실리카 전구체가 저장된 실리카 함침용기; 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트를 일측에서 타측으로 이송하는 컨베이어벨트; 상기 컨베이어벨트에 위치한 상기 섬유시트의 표면에 겔화용 촉매를 분사하여 함침시키는 촉매 공급부재; 상기 컨베이어벨트에 의해 타측까지 이송된 상기 섬유시트를 롤 형태로 권취하여 회수하는 회수롤러; 및 상기 회수롤러에 의해 회수된 롤 형태의 섬유시트를 수용하고, 수용한 섬유시트를 에이징, 표면 개질, 및 고온으로 건조하는 반응용기를 포함할 수 있다.
본 발명은 하기와 같은 효과가 있다.
첫째: 본 발명은 섬유시트에 산액과 바인더를 함침시켜서 전처리공정을 진행한 후 실리카 전구체와 겔화용 촉매를 함침시킴으로써 단열성과 내구성이 우수하고, 특히 두께가 균일한 에어로겔 시트를 제조할 수 있다.
둘째: 본 발명은 TEOS(tetraethly orthosilicate)와 에탄올을 혼합함으로써 고품질의 실리카 전구체를 얻을 수 있다.
셋째: 본 발명은 가수분해된 TEOS를 사용함으로써 고품질의 실리카 전구체를 얻을 수 있다.
넷째: 본 발명은 에탄올과 암모니아수(NH4OH)를 혼합함으로써 고품질의 겔화용 촉매를 얻을 수 있다.
다섯째: 본 발명은 섬유시트를 일측에서 타측으로 이송하는 컨베이어벨트를 사용함으로써 작업의 연속성과 공정의 단순화를 얻을 수 있다.
여섯째: 본 발명은 스크래퍼를 포함함으로써 실리카 전구체 및 겔화용 촉매의 두께를 균일하게 조절할 수 있다.
일곱째: 본 발명은 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트를 에이징하고, 표면 개질한 후 건조함으로써 고품질의 에어로겔 시트를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에어로겔 시트의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 에어로겔 시트의 제조장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 에어로겔 시트의 제조장치에 마련된 반응용기를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 실시예와 종래기술에 따른 비교예의 실험을 비교한 표.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명에 따른 에어로겔 시트의 제조방법은 도 1에 도시되어 있는 것과 같이, (a) 섬유시트를 전처리하는 단계, (b) 전처리된 섬유시트에 실리카 전구체를 함침시키는 실리카 전구체 함침단계, (c) 실리카 전구체가 함침된 섬유시트에 겔화용 촉매를 함침시켜서 실리카 전구체를 겔화시키는 실리카 전구체 겔화단계, (d) 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트를 에이징하는 에이징단계, (e) 에이징된 섬유시트에 코팅액을 투입하여 표면을 개질하는 표면개질단계, 및 (f) 표면이 개질된 섬유시트를 건조하는 건조단계를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 에어로겔 시트의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
한편, 도 2는 본 발명의 (a) 섬유시트를 전처리하는 단계, (b) 실리카 전구체 함침단계, 및 (c) 실리카 전구체 겔화단계를 수행하는 에어로겔 시트의 제조장치를 도시한 도면이다.
즉, 에어로겔 제조장치(100)는 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 섬유시트(10)가 롤 형태로 권취된 공급롤러(110), 공급롤러(110)로부터 공급된 섬유시트(10)가 디핑되면서 산액이 함침되는 산액(20)이 저장된 세척용기(120), 세척용기(120)를 통과한 섬유시트(10)가 디핑되면서 바인더(30)가 함침되는 바인더 함침용기(130), 바인더 함침용기(130)를 통과한 섬유시트(10)를 건조하여 전처리 섬유시트(10)를 제조하는 건조부재(140), 전처리 섬유시트(10)가 디핑되면서 실리카 전구체(40)가 함침되는 실리카 전구체 함침용기(150), 실리카 전구체 함침용기(150)를 통과한 섬유시트(10)를 일측에서 타측으로 이송하는 컨베이어벨트(160), 컨베이어벨트(160)에 위치한 실리카 전구체가 함침된 섬유시트(10)의 표면에 겔화용 촉매(50)를 분사하여 실리카 전구체를 겔화시키는 촉매 공급부재(170), 및 컨베이어벨트(160)에 의해 타측까지 이송된 섬유시트(10)을 롤 형태로 권취하여 회수하는 회수롤러(190)를 포함한다.
여기서 산액 세척용기(120)는 수조 형태를 가지며, 내부에 산도(ph)가 일정한 산액(20)이 저장된다. 즉, 산액 세척용기(120)는 섬유시트(10)가 산액에 디핑되면서산 세척처리된다. 한편, 산 세척된 섬유시트(10)는 표면의 식각을 유도하여 표면을 활성화시키고, 기공유을 증대시키며, 표면 거칠기를 증대시켜 실리카 전구체의 부착성능을 증대시킨다.
바인더 함침용기(130)는 수조 형태를 가지며, 내부에 바인더 용액(30)이 저장된다. 즉, 바인더 함침용기(130)는 산 세척된 섬유시트(10)가 바인더 용액(30)에 디핑되면서 실리카 전구체의 부착성능을 더욱 증대시킨다.
건조부재(140)는 바인더 용액이 함침된 섬유시트를 건조하여 전처리된 섬유시트를 완성하는 것으로, 바인더 용액이 함침된 섬유시트(10)가 통과하는 건조용기와, 상기 건조용기 내부에 구비되고 열을 발생시켜 상기 건조용기 내부를 통과하는 바인더 용액이 함침된 섬유시트(10)를 건조하는 가열부로 마련된다.
실리카 전구체 함침용기(150)는 수조 형태를 가지며, 내부에 실리카 전구체(40)가 저장된다. 즉, 실리카 전구체 함침용기(150)는 전처리된 섬유시트(10)가 실리카 전구체(40)에 디핑되면서 섬유시트(10)의 표면에 실리카 전구체(40)가 함침된다.
컨베이어벨트(160)는 실리카 전구체 함침용기(150)를 통과한 섬유시트(10)를 회수롤러(190)까지 이송한다. 여기서 컨베이어벨트(160)는 섬유시트(10)에 함침된 실리카 전구체(40) 및 겔화용 촉매(50)의 두께를 균일하게 조절하는 스크래퍼(180)가 포함되며, 스크래퍼(180)는 섬유시트(10)의 표면에 함침된 실리카 전구체(40)의 두께를 조절하는 제1 스크래퍼(181)와, 섬유시트(10)의 표면에 분사된 겔화용 촉매(50)의 두께를 조절하는 제2 스크래퍼(182)를 포함한다.
촉매 공급부재(170)는 컨베이어벨트(160)를 통과하는 섬유시트(10)에 겔화용 촉매를 분사하여 실리카 전구체(40)를 겔화시키는 것으로, 컨베이어벨트(160) 내에 구비되고 내부에 겔화용 촉매(50)가 저장되는 촉매 저장용기와, 촉매 저장용기에 저장된 겔화용 촉매를 섬유시트(10)에 분사하는 분사노즐, 및 분사노즐로 분사되는 겔화용 촉매의 분사량을 조절하는 펌프를 포함한다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 에어로겔 제조장치(100)를 통한 (a) 섬유시트를 전처리하는 단계, (b) 실리카 전구체 함침단계, 및 (c) 실리카 전구체 겔화단계를 자세히 설명한다.
(a) 섬유시트를 전처리하는 단계
(a) 섬유시트를 전처리하는 단계는 전처리된 섬유시트를 준비하기 위한 것으로, (a-1) 산 세척처리단계, (a-2) 바인더 함침단계, 및 (a-3) 바인더 건조단계로 이루어진다.
(a-1) 단계는 공급롤러(110)로부터 공급된 섬유시트(10)를 산액(20)이 저장된 세척용기(120)에 디핑시킨다. 그러면 산액(20)이 섬유시트(10)에 함침되면서 섬유시트(10) 표면의 식각을 유도하여 표면을 활성화시키고, 기공율을 증대시키며, 이에 실리카 전구체의 부착성능을 증대시킬 수 있다.
여기서 산액은 산도(ph)가 일정한 것을 사용하며, 이에 섬유시트(10) 전체를 균일하게 산세척할 수 있다.
(a-2) 단계는 산 세척처리된 섬유시트(10)를 바인더 용액(30)이 저장된 바인더 함침용기(130)에 디핑시킨다. 그러면 바인더 용액(30)이 섬유시트(10)에 함침되면서 섬유시트(10)의 흡착력을 향상시키며, 이 섬유시트(10)의 흡착력을 통해 실리카 전구체(10)의 함침력을 더욱 높일 수 있다.
여기서 바인더 용액(30)은 폴리비닐알콜(PVA:Poly Vinyl Alcohol) 및 폴리비닐부티랄(PVB: Poly vinyl Butyral)인 유기 함침액 또는 실리카졸인 무기 함침액을 사용할 수 있다.
(a-3) 단계는 바인더 용액이 함침된 섬유시트를 건조하기 위한 것으로, 바인더 용액이 함침된 섬유시트(10)가 건조부재(140)를 통과하면서 고온의 열에 의해 건조된다.
이와 같은 단계가 완료되면 전처리된 섬유시트를 준비할 수 있다.
(b) 실리카 전구체 함침단계
(b) 실리카 전구체 함침단계는 전처리된 섬유시트(10)를 실리카 전구체(40)가 저장된 실리카 전구체 함침용기(150)에 디핑시켜서 섬유시트(10)의 표면에 실리카 전구체(40)를 함침시킨다.
여기서 실리카 전구체(40)는 TEOS(tetraethly orthosilicate)와 에탄올을 혼합하여 제조한다. 즉, 실리카 전구체(40)는 반응조(미도시)에 TEOS 1.2kg과 에탄올 2.7kg을 포함하여 제조한다.
한편, TEOS는 물과의 반응성이 뛰어난 용매로, 가수분해된 것을 사용하며, 이에 반응성을 더욱 높일 수 있다. 즉, 가수분해된 TEOS와 에탄올을 혼합함에 따라 반응성이 우수한 실리카 졸을 얻을 수 있다.
(c) 실리카 전구체 겔화단계
(c) 실리카 전구체 겔화단계는 컨베이어벨트(160)에 의해 이송된 실리카 전구체가 함침된 섬유시트(10)의 표면에 겔화용 촉매(50)를 분사하여 실리카 전구체를 겔화시킨다. 여기서 겔화용 촉매(50)는 에탄올과 암모니아수(NH4OH)를 혼합하여 제조한다. 즉, 겔화용 촉매(50)는 반응조(미도시)에 에탄올 0.5kg과 암모니아수(NH4OH) 30ml를 혼합하여 제조한다.
이에, (c) 실리카 전구체 겔화단계는 제조한 겔화용 촉매(50)를 촉매 공급부재(170)에 주입하여 저장한다. 그럼 다음, 컨베이어벨트(160)에 의해 촉매 공급부재(170)의 하부까지 섬유시트(10)가 이송되면 촉매 공급부재(170)를 통해 겔화용 촉매(50)를 섬유시트(10)의 표면에 분사하며, 이에 겔화용 촉매(50)에 의해 실리카 전구체를 점차 겔화시킬 수 있다.
여기서 촉매 공급부재(170)는 저장된 겔화용 촉매(50)의 설정된 속도로 분사하고, 설정된 시간 동안 방치하여 실리카 전구체를 겔화시킨다. 즉, 촉매 공급부재(170)는 섬유시트(10)의 표면에 겔화용 촉매를 0.035~0.012L/min 속도로 분사하고, 8~12분 동안 방치하여 실리카 전구체를 겔화시킨다.
특히, 촉매 공급부재(170)는 섬유시트(10)에 함침된 실리카 전구체(40)의 밀도에 따라 겔화용 촉매(50)의 분사속도를 달리하여 실리카 전구체의 겔화를 균일하게 조절할 수 있다. 즉, 실리카 전구체의 밀도가 증가할수록 겔화용 촉매의 분사속도를 감소시켜서 실리카 전구체의 안정된 겔화를 유도할 수 있다.
한편, 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트(10)는 회수롤러(190)에 의해 롤 형태로 권취되면서 회수되고, 회수된 섬유시트(10)는 에이징 단계, 표면개질 단계 및 건조단계를 거치면서 에어로겔 시트가 완성된다. 이때 반응용기(200)를 이용한다.
도 3은 본 발명에 따른 반응용기(200)를 도시한 도면이다.
즉, 반응용기(200)는 롤 형태로 회수된 섬유시트(10)를 밀폐되게 수용하는 수용공간(201)을 가지며, 일단에 구비되고 수용공간(201)와 연결되는 주입구(202)와, 타단에 구비되고 수용공간(201)와 연결되는 배출구(203)가 형성된다.
이하, 반응용기(200)를 이용한 (d) 섬유시트 에이징단계, (e) 섬유시트 표면개질단계, 및 (f) 섬유시트 건조단계를 설명한다.
(d) 섬유시트 에이징단계
(d) 섬유시트 에이징단계는 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트(10)를 에이징한다. 즉, 반응용기(200)의 수용공간(201)에 (c) 단계에서 롤 형태로 회수된 섬유시트(10)를 수용한 다음, 반응용기(200)를 70℃까지 가열한 상태로 50분간 에이징하여 섬유시트(10)의 조직을 균일화시킨다.
여기서 (d) 섬유시트 에이징단계는 반응용기(200)에서 에이징 하기 전에 상온(또는 25℃)에서 10분간 방치한다. 즉, (d) 섬유시트 에이징단계는 섬유시트(10)를 10분간 방치하여 실리카 전구체의 안정된 겔화를 유도한 후, 에이징을 진행하며, 이에 섬유시트(10)의 조직을 보다 균일화할 수 있다.
(e) 섬유시트 표면개질단계
(e) 섬유시트 표면개질단계는 에이징된 섬유시트(10)에 코팅액을 분사하여 표면을 개질한다. 즉, (e) 섬유시트 표면개질단계는 에탄올과 암모니아수(NH4OH)을 혼합하여 코팅액을 제조한다. 그런 다음 섬유시트(10)가 삽입된 반응용기(200)의 주입구(202)를 통해 코팅액을 수용공간(201)에 주입하여 섬유시트(10)의 표면을 개질한다. 이때 코팅액은 (b) 단계에서 섬유시트의 표면에 함침된 실리카 전구체의 1.6배를 분사하고, 반응용기(200)는 70℃의 고온에서 1시간 동안 에이징과 HMDS(Hexamethyldisilazane)하여 섬유시트(10)의 표면을 개질한다.
(f) 섬유시트 건조단계
(f) 섬유시트 건조단계는 표면이 개질된 섬유시트를 건조하여 실리카 겔 시트를 완성한다. 이때 (f) 섬유시트 건조단계는 반응용기(200)에 수용된 상태에서 초임계 건조가 이루어진다. 즉, (f) 섬유시트 건조단계는 표면 개질된 섬유시트(10)를 28℃ 및 70bar의 환경에서 이산화탄소를 10분간 70L/min속도로 주입하여 건조하는 1차 건조단계, 1분 20분간 50℃로까지 승온시켜서 건조하는 2차 건조단계, 다시 50℃ 및 150bar의 환경에서 이산화탄소를 20분간 0.7L/min속도로 주입하여 건조하는 3차 건조단계, 및 20분간 휴식 후 20분간 이산화탄소를 0.7L/min속도로 주입하여 건조하는 4차 건조단계를 포함한다. 이와 같은 건조단계를 수행함에 따라 섬유시트(10)의 건조률을 높일 수 있다.
한편, (f) 섬유시트 건조단계의 3차 건조는 이산화탄소와 섬유시트(10)의 화학반응에 의해 반응용기(200) 내에 에탄올이 발생될 수 있으며, 이 반응용기(200)에 발생한 에탄올은 배출구(203)를 통해 배출시켜서 회수한다.
그리고 (f) 섬유시트 건조단계는 4차 건조 후, 2시간 동안 이산화탄소를 배출하는 배출단계를 포함하며, 이에 섬유시트(10)에 완만한 환경변화를 유도하여 섬유시트(10)의 조직을 균일화한다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예와 종래기술의 비교예를 비교한 것이다.
즉, 실시예와 비교예는 도 4를 참조하면, 전처리를 진행한 실시예가 전처리를 징행하지 않은 비교예 보다 에어로겔 함량, 열전도도 및 무게가 크게 감소됨을 확인할 수 있다.
따라서 상기와 같은 제조방법을 가진 본 발명에 따른 에어로겔 시트의 제조방법은 조직이 균일하고, 단열성과 내구성이 높으며, 균일한 두께를 가진 에어로겔 시트를 얻을 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 가능하다.

Claims (20)

  1. (a) 섬유시트에 산액을 함침시켜서 산 세척처리하고, 상기 산 세척처리된 섬유시트에 바인더 용액을 함침시켜서 전처리 섬유시트를 제조하는 단계;
    (b) 상기 전처리 섬유시트에 실리카 전구체를 함침시키는 단계; 및
    (c) 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트에 겔화용 촉매를 함침시켜서 실리카 전구체를 겔화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계는 섬유시트를 산액이 저장된 세척용기에 디핑하면서 산 세척처리하고, 상기 산 세척처리된 섬유시트를 바인더 용액이 저장된 바인더 함침용기에 디핑하면서 전처리 섬유시트를 제조하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 바인더 용액은 폴리비닐알콜(PVA:Poly Vinyl Alcohol) 및 폴리비닐부티랄(PVB: Poly vinyl Butyral)인 유기 함침액 또는 실리카졸인 무기 함침액을 사용하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계는 바인더 용액이 함침된 섬유시트를 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 실리카 전구체는 TEOS(tetraethly orthosilicate)와 에탄올을 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 TEOS(tetraethly orthosilicate)는 가수분해된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 겔화용 촉매는 에탄올과 암모니아수(NH4OH)를 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b) 단계는 전처리 섬유시트를 실리카 전구체가 저장된 실리카 전구체 함침용기에 디핑시켜서 함침시키는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트를 일측에서 타측으로 이송하는 컨베이어벨트 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 컨베이어벨트에는 상기 전처리 섬유시트의 표면에 분사된 실리카 전구체의 두께를 조절하는 제1 스크래퍼와, 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트의 표면에 분사된 겔화용 촉매의 두께를 조절하는 제2 스크래퍼로 마련된 스크래퍼가 포함되는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트의 표면에 상기 겔화용 촉매를 0.035~0.012L/min 속도로 분사하고, 8~12분 동안 방치하여 실리카 전구체를 겔화시키는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계 후, (d) 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트를 에이징하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트를 70℃의 고온에서 50분간 에이징하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 실리카 전구체가 겔화된 섬유시트를 상온에서 10분간 방치한 후 에이징을 진행하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 (d) 단계 후, (e) 에이징된 섬유시트에 코팅액을 투입하여 표면을 개질하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 (e) 단계 후, (f) 표면이 개질된 섬유시트를 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 (f) 단계는 표면 개질된 섬유시트를 28℃ 및 70bar의 환경에서 이산화탄소를 10분간 70L/min속도로 주입하여 건조하는 1차 건조단계, 1분 20분간 50℃까지 승온시켜서 건조하는 2차 건조단계, 다시 50℃ 및 150bar의 환경에서 이산화탄소를 20분간 0.7L/min속도로 주입하여 건조하는 3차 건조단계, 및 20분간 휴식 후 20분간 이산화탄소를 0.7L/min속도로 주입하여 건조하는 4차 건조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 3차 건조단계는 이산화탄소를 주입함과 동시에 표면이 개질됨에 따라 섬유시트로부터 발생한 에탄올을 회수하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 (f) 단계는 4차 건조단계 이후, 2시간 동안 이산화탄소를 배출하는 배출단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조방법.
  20. 섬유시트가 롤 형태로 권취된 공급롤러;
    상기 공급롤러로부터 공급된 섬유시트가 디핑되면서 산 세척처리되는 산액이 저장된 세척용기;
    상기 산 세척처리된 섬유시트가 디핑되면서 섬유시트의 흡착력을 높이는 바인더용액이 저장된 바인더 함침용기;
    상기 바인더용액이 함침된 섬유시트를 건조하는 건조부재;
    상기 건조된 섬유시트가 디핑되면서 실리카 전구체가 함침되는 실리카 전구체가 저장된 실리카 함침용기;
    상기 실리카 전구체가 함침된 섬유시트를 일측에서 타측으로 이송하는 컨베이어벨트;
    상기 컨베이어벨트에 위치한 상기 섬유시트의 표면에 겔화용 촉매를 분사하여 함침시키는 촉매 공급부재;
    상기 컨베이어벨트에 의해 타측까지 이송된 상기 섬유시트를 롤 형태로 권취하여 회수하는 회수롤러; 및
    상기 회수롤러에 의해 회수된 롤 형태의 섬유시트를 수용하고, 수용한 섬유시트를 에이징, 표면 개질, 및 고온으로 건조하는 반응용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로겔 시트의 제조장치.
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