WO2018056626A1 - 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷, 이의 제조방법 및 이의 시공방법 - Google Patents

초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷, 이의 제조방법 및 이의 시공방법 Download PDF

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WO2018056626A1
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silica airgel
silica
blanket
airgel blanket
present
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김미리
이제균
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주식회사 엘지화학
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/14—Arrangements for the insulation of pipes or pipe systems
    • F16L59/147—Arrangements for the insulation of pipes or pipe systems the insulation being located inwardly of the outer surface of the pipe

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a ultra-high temperature silica airgel blanket comprising the step of preparing a hydrophobic silica airgel blanket, and then heat-treating, the ultra-high temperature silica airgel blanket and thereby a construction method.
  • Aerogel is an ultra-porous, high specific surface area ( ⁇ 500 m 2 / g) material with a porosity of about 90 to 99.9% and a pore size in the range of 1 to 100 nm, and is characterized by excellent ultralight / ultra insulation / ultra low dielectric properties.
  • ⁇ 500 m 2 / g high specific surface area
  • pore size in the range of 1 to 100 nm
  • airgel has super-insulation that shows lower thermal conductivity of 0.300 W / mK or lower than organic insulation such as styrofoam, and fire vulnerability and fatal weakness of organic insulation are generated. It can be solved.
  • aerogels are prepared by preparing hydrogels from silica precursors such as water glass and TEOS, and removing liquid components inside the hydrogels without destroying microstructures.
  • silica airgel forms can be divided into three types: powder, granule, and monolith, and are generally prepared in the form of powder.
  • the powder it is possible to produce a product in a form such as an airgel blanket or airgel sheet by complexing with a fiber, and in the case of a blanket or a sheet, it has flexibility, so that it can be bent, folded or cut into any size or shape.
  • the present invention can be applied not only to industrial applications such as insulation panels of LNG ships, industrial insulation materials and space suits, transportation and vehicles, and power generation insulation materials, but also to household goods such as jackets and sneakers.
  • the use of silica airgel in the fire door as well as the roof or floor in a house such as an apartment has a great effect on fire prevention.
  • the surface of the silica airgel was hydrophobized by surface modification.
  • the hydrophobic silica airgel blanket may be immediately applied to a high temperature pipe of 500 ° C. or higher. In this case, there is a problem that causes a severe odor caused by volatile organic compounds (VOC) and the like, causing workers' pain.
  • VOC volatile organic compounds
  • the present inventors to develop a method for producing a ultra-high temperature silica airgel blanket that can prevent the occurrence of odor during construction, and also prevent the loss of thermal insulation performance due to moisture in the air, the ultra-high temperature silica airgel blanket prepared thereby and its construction method It became.
  • Patent Document 1 Korean Registered Patent Publication No. 10-0710887 (announced April 27, 2007)
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art, the problem to be solved by the present invention comprises the step of preparing a hydrophobic silica airgel blanket, heat treatment, by removing VOC (volatile organic compound) during construction It is to provide a silica airgel blanket production method that can suppress the occurrence of odor and ultra-high temperature silica airgel blanket produced thereby.
  • Another problem to be solved by the present invention is the ultra-high temperature silica airgel which prevents the occurrence of odor during construction in ultra-high temperature piping equipment by using the silica airgel blanket prepared by the above method and prevents the loss of thermal insulation performance by moisture in the air. It is to provide a construction method of the blanket.
  • the present invention is to solve the above problems
  • silica sol 1) preparing a silica sol by mixing a silica precursor, an alcohol and an acidic aqueous solution; 2) preparing a silica gel composite by adding a base catalyst to the silica sol and then depositing it on a blanket substrate; 3) aging, surface modification and drying the silica gel composite to prepare a hydrophobic silica airgel; And 4) provides a silica airgel blanket manufacturing method comprising the step of heat-treating the hydrophobic silica airgel.
  • the present invention provides a silica airgel blanket prepared by the above production method, and has a carbon content of 1 wt% or less relative to the weight of silica airgel.
  • the present invention comprises the steps of: 1) constructing at least one layer of the silica airgel blanket of the present invention on the surface of the piping equipment; And 2) constructing at least one hydrophobic silica airgel blanket on the silica airgel blanket.
  • Silica airgel blanket manufacturing method and a silica airgel blanket prepared by the present invention comprises the step of preparing a hydrophobic silica airgel blanket, followed by heat treatment, by removing the volatile organic compound (VOC) odor during construction in ultra-high temperature piping equipment There is an effect that can suppress the occurrence of.
  • VOC volatile organic compound
  • the construction method of the silica airgel blanket of the present invention comprises the step of constructing at least one layer of the silica airgel blanket of the present invention on the surface of the ultra-high temperature piping equipment, and at least one layer of hydrophobic silica airgel blanket on the silica airgel blanket.
  • FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a silica airgel blanket construction method according to the prior art and an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a TGA graph showing the weight change of the silica airgel according to the heat treatment temperature of the present invention.
  • Figure 3 is a photograph showing the flame retardancy test results of the silica airgel according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the thermal conductivity of the silica airgel according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
  • Silica aerogel blanket refers to a composite made of a silica airgel material as a mattress or sheet form of the composite material, such as a blanket substrate, and has the feature of being flexible, bent, folded or cut. Silica airgel imparts thermal insulation properties due to porosity, and the substrate for the blanket such as fiber serves to enhance the flexibility and mechanical strength of the silica airgel blanket.
  • the silica airgel blanket is a new material having excellent heat resistance and heat insulation property than polystyrene foam or polyurethane foam, which is a conventional polymer heat insulating material, and is attracting attention as an advanced material capable of solving energy saving and environmental problems in the future. It is usefully used as thermal insulation materials, insulation materials, or non-combustible materials for aircraft, ships, automobiles, building structures and the like, as well as thermal insulation cold storage plant facilities such as industrial equipment piping and industrial furnaces.
  • hydrophilic silica airgel blanket is manufactured without hydrophobization modification to reduce odor caused by VOC of silica airgel, the thermal conductivity is gradually increased due to absorption of water in the air due to the hydrophilicity of silanol groups (Si-OH) on the silica surface.
  • Si-OH silanol groups
  • the present invention includes preparing a hydrophobic silica airgel blanket as described above, followed by heat treatment, thereby removing a volatile organic compound (VOC) to solve a problem of occurrence of odor during construction, and thus preparing a silica airgel blanket.
  • VOC volatile organic compound
  • Silica airgel blanket manufacturing method 1) preparing a silica sol by mixing a silica precursor, an alcohol and an acidic aqueous solution; 2) preparing a silica gel composite by adding a base catalyst to the silica sol and then depositing it on a blanket substrate; 3) aging, surface modification and drying the silica gel composite to prepare a hydrophobic silica airgel; And 4) heat treating the hydrophobic silica airgel.
  • silica airgel blanket manufacturing method of the present invention will be described in detail for each step.
  • Step 1) is a step for preparing a silica sol, characterized in that prepared by mixing a silica precursor, an alcohol and an acidic aqueous solution.
  • the silica precursor that can be used to prepare the silica sol may be a silicon-containing alkoxide-based compound, specifically, tetramethyl orthosilicate (TMOS), tetraethyl orthosilicate (TEOS), methyltriethyl Orthosilicate (methyl triethyl orthosilicate), dimethyl diethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate, tetraisopropyl orthosilicate, tetrabutyl orthosilicate ), Tetra secondary butyl orthosilicate, tetra tertiary butyl orthosilicate, tetrahexyl orthosilicate, tetracyclohexyl orthosilicate tetraalkyl silicates such as licate, tetradodecyl orthosilicate, and the like. More specifically, in the case of the present invention, the silica precursor may be tetramethyl orthosilicate (TMOS),
  • the silica precursor may be used in an amount such that the content of silica (SiO 2 ) included in the silica sol is 0.1 wt% to 30 wt%. If the content of the silica is less than 0.1% by weight, there is a problem that the content of the silica airgel in the finished blanket is too low to expect the desired level of thermal insulation effect, and if it exceeds 30% by weight, excessive silica airgel is formed. There is a fear that the mechanical properties of the blanket, in particular, the flexibility is lowered.
  • alcohols usable in the preparation of the silica sol of the present invention are specifically monohydric alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, butanol and the like; Or polyhydric alcohols such as glycerol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, sorbitol, and the like, and any one or a mixture of two or more thereof may be used.
  • it may be a monohydric alcohol having 1 to 6 carbon atoms such as methanol, ethanol, isopropanol, butanol and the like.
  • the alcohol (polar organic solvent) as described above may be used in an appropriate amount in consideration of the degree of hydrophobicity in the silica aerogel prepared at the same time to promote the surface modification reaction.
  • the acidic aqueous solution usable in the preparation of the silica sol of the present invention may then promote gelation of the silica sol.
  • the acid catalyst included in the acidic aqueous solution may include at least one inorganic acid such as nitric acid, hydrochloric acid, acetic acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, and the like, and may be used in an amount to promote gelation of the silica sol.
  • Step 2) is for preparing a silica gel composite, and may be performed by adding a base catalyst to the silica sol and then depositing it on a blanket substrate.
  • the base catalyst that can be used to prepare the silica gel of the present invention serves to promote gelation by increasing the pH of the silica sol.
  • Inorganic bases such as sodium hydroxide and potassium hydroxide; Or an organic base such as ammonium hydroxide.
  • an organic base may be preferable since metal ions included in the compound may be coordinated with the Si-OH compound.
  • the organic base is ammonium hydroxide (NH 4 OH), tetramethylammonium hydroxide (TMAH), tetraethylammonium hydroxide (TEAH), tetrapropylammonium hydroxide (TPAH), tetrabutylammonium hydroxide (TBAH), methylamine, ethylamine, isopropylamine, monoisopropylamine, diethylamine, diisopropylamine, dibutylamine, trimethylamine, triethylamine, triisopropylamine, tributylamine, choline, Monoethanolamine, diethanolamine, 2-aminoethanol, 2- (ethyl amino) ethanol, 2- (methyl amino) ethanol, N-methyl diethanolamine, dimethylaminoethanol, diethylaminoethanol, nitrilotriethanol, 2 -(2-aminoethoxy) ethanol, 1-amino-2-propanol, triethanolamine
  • the base catalyst may be included in an amount such that the pH of the silica sol is 4 to 8. If the pH of the silica sol is out of the above range gelation is not easy, or the gelation rate is too slow, there is a fear that the processability is lowered. In addition, since the base may be precipitated when added to a solid phase, it may be preferable to be added in a solution phase diluted with the alcohol (polar organic solvent).
  • the gelation of the silica airgel blanket manufacturing method according to an embodiment of the present invention may be to form a network structure from the silica precursor material, the network structure (network structure) is any kind of atomic arrangement of one or more kinds. It may represent a structure that forms a three-dimensional skeletal structure by sharing the vertices, edges, faces, etc. of a planar net-shaped structure connected to a specific polygon or a specific polyhedron.
  • gelling of the silica sol may occur in a state in which the silica sol is deposited on the blanket substrate.
  • the deposition may be performed in a reaction vessel capable of accommodating a substrate for blankets, and may be deposited by pouring silica sol into the reaction vessel or by putting a blanket substrate in a reaction vessel containing silica sol and wetting. have.
  • the blanket substrate in order to improve the bonding between the blanket substrate and the silica sol, the blanket substrate may be pressed lightly so as to be sufficiently deposited. Thereafter, the blanket substrate may be pressed to a certain thickness at a constant pressure to remove excess silica sol, thereby reducing subsequent drying time.
  • the blanket substrate usable in the present invention may be a film, a sheet, a net, a fiber, a porous body, a foam, a nonwoven fabric, or a laminate of two or more thereof.
  • the surface roughness may be formed or patterned.
  • the blanket substrate may be a fiber capable of further improving the thermal insulation performance by including a space or a space in which the silica aerogel is easily inserted into the blanket substrate.
  • the blanket base material may have a low thermal conductivity.
  • the blanket base material may be polyamide, polybenzimidazole, polyaramid, acrylic resin, phenol resin, polyester, polyether ether ketone (PEEK), polyolefin (for example, polyethylene, polypropylene, or copolymers thereof). Etc.), cellulose, carbon, cotton, wool, hemp, nonwoven fabric, glass fiber or ceramic wool, and more specifically, the blanket substrate may include glass fiber or polyethylene.
  • step 3) is to prepare a hydrophobic silica airgel, it may be performed by aging, surface modification and drying the prepared silica gel composite.
  • the aging is a process for completely chemical change by leaving the silica gel at a suitable temperature, 50 to 90 °C in a solution in which a basic catalyst such as an organic solvent or ammonia diluted to 1 to 10% concentration in an organic solvent It may be performed by leaving it for 1 to 10 hours at a temperature of.
  • a basic catalyst such as an organic solvent or ammonia diluted to 1 to 10% concentration in an organic solvent It may be performed by leaving it for 1 to 10 hours at a temperature of.
  • the formed network structure can be more firmly formed, thereby enhancing mechanical stability.
  • the dried silica airgel maintains a low thermal conductivity immediately after drying.
  • the dried silica airgel absorbs water in the air due to the hydrophilicity of the silanol group (Si-OH) on the surface of the silica, thereby increasing the thermal conductivity gradually.
  • the surface modification of the present invention is trimethylchlorosilane (TMCS), hexamethyldisilazane (HMDS), methyltrimeth Add one or more surface modifiers selected from the group consisting of methoxysilane (methyltrimethoxysilane), trimethylethoxysilane, ethyltriethoxysilane, phenyltriethoxysilane and polydimethylsiloxane. It may be performed by, and more specifically, it may be carried out by adding hexamethyldisilazane (HMDS).
  • HMDS hexamethyldisilazane
  • the hydrophobic silica airgel may be prepared through a drying process of removing the solvent while maintaining the pore structure of the surface-modified hydrophobic silica gel.
  • the drying process may be an atmospheric pressure drying or a supercritical drying process, but the silica airgel blanket manufacturing method according to an embodiment of the present invention may be particularly performed by a supercritical drying process using supercritical carbon dioxide.
  • the atmospheric drying process does not require high pressure reaction conditions and special high pressure equipment for supercritical drying, so the process is simple and economical, but as water or organic solvent evaporates at high temperature, There may be a problem that the breakdown of the internal pore structure occurs and the thermal insulation performance is sharply lowered. In addition, the problem may be further exacerbated when directly dried without substitution with an organic solvent having a low surface tension.
  • the drying of the present invention can maximize the porosity by supercritical drying, it may be superior to the thermal insulation performance compared to the silica airgel by atmospheric pressure drying.
  • the present invention is to manufacture a silica airgel blanket mainly used for the construction of ultra-high temperature plumbing equipment, because it is essential that the insulation performance must be superior to the silica airgel blanket used for other purposes in addition to the normal insulation or insulation. to be.
  • an atmospheric pressure drying process may be optionally performed. It may also be performed additionally.
  • the additionally performed atmospheric pressure drying process is not an essential process, and since the breakage of the pore structure is not large, it differs from the drying process of the present application in view of the purpose and effect from the atmospheric pressure drying process in which the entire solvent is removed by atmospheric pressure drying. There are different aspects.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) is a gaseous state at room temperature and atmospheric pressure, but if it exceeds a certain temperature and high pressure limit called the supercritical point, the evaporation process does not occur, so it becomes a critical state in which gas and liquid cannot be distinguished. Carbon dioxide in the state is called supercritical carbon dioxide.
  • Supercritical carbon dioxide has a molecular density close to a liquid, but has a low viscosity, close to a gas, high diffusion efficiency, high drying efficiency, and short drying time.
  • the aged silica gel is placed in a supercritical drying reactor, and then a solvent replacement process is performed in which a liquid CO 2 is filled and the alcohol solvent inside the silica aerogel is replaced with CO 2 . Thereafter, the temperature is raised to 40 to 50 ° C. at a constant temperature increase rate, specifically 0.1 ° C./min to 1 ° C./min, and then the pressure or more at which carbon dioxide becomes a supercritical state, specifically, 100 bar to 150 bar.
  • the pressure of the carbon dioxide supercritical state specifically for 20 minutes to 1 hour.
  • carbon dioxide is supercritical at a temperature of 31 ° C. and a pressure of 73.8 bar.
  • the hydrophobic silica airgel was prepared by maintaining the carbon dioxide in a supercritical state at a constant temperature and a constant pressure for 2 to 12 hours, more specifically 2 to 6 hours, and then gradually removing the pressure to complete the supercritical drying process. can do.
  • the manufacturing method according to an embodiment of the present invention may further perform the step of washing before drying.
  • the washing removes impurities (sodium ions, unreacted products, by-products, etc.) generated during the reaction and residual ammonia that may react with CO 2 during supercritical drying to generate ammonium carbonate salts, thereby obtaining a high purity hydrophobic silica airgel. It can be carried out by a dilution process or an exchange process using a non-polar organic solvent.
  • Step 4) may be performed by heat treating the hydrophobic silica airgel for a specific temperature and for a specific time.
  • VOC volatile organic compounds
  • the present invention is characterized in that after manufacturing the hydrophobic silica airgel, the silica airgel blanket is removed by heat treatment to remove the hydrophobizer.
  • the heat treatment of step 4) can be carried out at a temperature sufficient to lower the VOC, specifically 500 to 800 °C, more specifically at a temperature of 0 to 50 °C higher than the temperature of the piping equipment to be applied actually It may be. If the heat treatment temperature is lower than the actual temperature of the piping equipment to be applied, there may be a problem that the workers may suffer in the construction stage because the VOC, which is the source of the odor, may not be sufficiently removed, and the heat treatment temperature is excessively high, such as exceeding 800 °C. In this case, there may be a problem that energy waste and collapse of the pore structure of the silica airgel occur.
  • the heat treatment of step 4) may be performed for a sufficient time to lower the VOC, specifically 5 to 1500 minutes, more specifically may be performed for 5 to 60 minutes. If the heat treatment time is less than 5 minutes, there may be a problem that can not sufficiently remove the VOC source of odor, if the heat treatment time exceeds 1500 minutes energy waste and collapse of the pore structure of the silica airgel There may be.
  • the present invention provides a silica airgel blanket prepared by the production method of the present invention, more specifically, it is possible to provide a silica airgel blanket having a carbon content of 1 wt% or less relative to the weight of the silica airgel.
  • the degree of hydrophobicity or degree of hydrophobicity can be confirmed by the carbon content contained in the silica airgel, and the carbon content contained in the silica airgel can be measured using a carbon analyzer.
  • the silica airgel blanket of the present invention has a carbon content relative to the weight of silica airgel It is characterized by being 1 wt% or less.
  • the odor generation is suppressed more than the silica airgel blanket having a carbon content of more than 1 wt% during construction in ultra-high temperature piping.
  • the thermal insulation of the silica airgel blanket increases as the content of the silica airgel in the blanket increases.
  • the content of the silica airgel included in the blanket may be appropriately considered in consideration of the use of the blanket.
  • the silica airgel may be included in an amount of 20% to 80% by weight based on the total weight of the silica airgel blanket.
  • the present invention comprises the steps of 1) constructing at least one layer of the silica airgel blanket of the present invention on the surface of the piping equipment; And 2) constructing at least one layer of hydrophobic silica airgel blanket on the silica airgel blanket, and specifically, the piping equipment may be ultra-high temperature piping equipment of 500 ° C. or more.
  • the outermost layer contacting the air is constructed with a hydrophobic silica airgel, The effect of preventing the increase in the thermal conductivity due to the absorption of moisture in the air can be obtained.
  • the hydrophobic silica airgel blanket is not directly installed on the surface of the ultra-high temperature piping equipment, it is installed on the silica airgel blanket of the present invention, the heat conducting in the piping is large As a result, the problem of odor occurrence may not occur.
  • silica airgel blanket construction method of the present invention when used, it is possible to obtain an effect of suppressing odor generation and preventing loss of thermal insulation performance due to moisture in the air.
  • a glass cloth was deposited on the prepared silica sol, and gelled by adding an ammonia catalyst in an amount of 0.5% by volume to prepare a silica wet gel composite.
  • the prepared silica wet gel composite was aged by standing for 1 hour at a temperature of 70 °C in ethanol solution.
  • a surface modifier solution prepared by mixing hexamethyldisilazane and ethanol at a volume ratio of 1:19 was added at 90% by volume with respect to the wet gel, and surface modified at 70 ° C. for 4 hours to prepare a hydrophobic silica wet gel composite.
  • the hydrophobic silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO 2 was injected. Thereafter, the temperature in the extractor was raised to 60 ° C. over 1 hour, and supercritical drying was performed at 50 ° C. and 100 bar. At this time, ethanol was recovered through the bottom of the separator. Thereafter, CO 2 was vented over 2 hours, and further atmospheric pressure dried in an oven at 150 ° C. to prepare a hydrophobic silica airgel blanket. Thereafter, heat treatment was performed for 10 minutes in a reactor at 500 ° C. to prepare a silica airgel blanket.
  • a silica airgel blanket was prepared in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was performed for 1 hour in Example 1.
  • a silica airgel blanket was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment was performed in Example 1 for 24 hours.
  • a silica airgel blanket was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment was performed at 600 ° C. in Example 1.
  • a silica airgel blanket was prepared in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was performed at 700 ° C. in Example 1.
  • a silica airgel blanket was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment was performed at 800 ° C. in Example 1.
  • a silica airgel blanket was prepared in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was not performed in Example 1.
  • a silica airgel blanket was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment was performed at 850 ° C. in Example 1.
  • a silica airgel blanket was prepared in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was performed at 900 ° C. in Example 1.
  • the hydrophobic silica airgel blanket prepared before the heat treatment of Example 1 was heat-treated at different temperatures by using STA 449 F5 equipment of NETZSCH, and the weight change of the silica airgel was measured, and the results are shown in FIG. 2. .
  • Example 1 Heat treatment temperature (°C) Heat treatment time (minutes) Carbon content (wt%)
  • Example 2 500 60 (1 hour) 0.2502
  • Example 3 500 1440 (24 hours) 0.1044
  • Example 4 600 10 0.3761
  • Example 5 700 10 0.2155
  • Example 6 800 10 0.1064 Comparative Example 1 - - 6.9079 Comparative Example 2 850 10 0.1061 Comparative Example 3 900 10 0.1056
  • the silica airgel blanket of the present invention can be expected to suppress most of the volatile organic compounds (VOCs) even when applied to high-temperature piping by removing only a short time of heat treatment at a suitable temperature of 500 to 800 °C.
  • VOCs volatile organic compounds
  • Example 2 The VOC of the silica airgel blanket prepared in Example 2 and Comparative Example 1 was analyzed using a Purge & Trap sampler-GS / MSD system, and the results are shown in Table 2.
  • the sample was placed in a tube furnace, air was injected at a flow rate of 4 cc / min, and gas generated between 300 ° C. and 500 ° C. was collected in a tedlar bag, and this was obtained using a GS / MSD device (EQC-0176).
  • the component was analyzed.
  • the silica airgel blanket prepared by Example 2 of the present invention subjected to the heat treatment is trimethylsilanol, ethoxytrimethylsilane or hexa compared to the silica airgel blanket of Comparative Example 1, which is not subjected to heat treatment. It was confirmed that most of the VOC such as methyl disiloxane was removed.
  • the silica airgel blanket of the present invention can be expected that most of the volatile organic compound (VOC) is removed to prevent the generation of odor during construction on high-temperature piping.
  • VOC volatile organic compound
  • the silica airgel blanket prepared by Example 2 of the present invention did not produce soot even when contacting the Glow wire at 1050 ° C., but the silica of Comparative Example 1 that was not heat-treated The airgel blanket was able to confirm that smoke, odor and soot occurred and sparks appeared.
  • the silica airgel blanket of the present invention can be seen that most of the volatile organic compound (VOC) is removed through heat treatment can be suppressed odor generation during construction in high-temperature piping.
  • VOC volatile organic compound
  • Example 2 The silica airgel blankets prepared in Example 2 and Comparative Example 1 were measured using a GHP 456 device manufactured by NETZSCH Co., Ltd. to measure GHP (Guarded Hot Plate) high temperature thermal conductivity, and the results are shown in FIG. 4.
  • GHP Guarded Hot Plate
  • silica airgel blankets prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were measured at room temperature (25 ° C) thermal conductivity using GHP 456 equipment of NETZSCH, and the results are shown in Table 3 below. Indicated.
  • the silica airgel blanket prepared by Examples 1 to 6 of the present invention which had undergone heat treatment, slightly increased its thermal conductivity as compared to the silica airgel blanket of Comparative Example 1, which was not subjected to heat treatment. It was confirmed that there was almost no deterioration of the thermal insulation performance at a temperature higher than or equal to the comparative example and the same level.
  • the silica airgel blanket subjected to the heat treatment of the present invention when used in an ultra-high temperature piping facility of 500 ° C. or more, it can be seen that it can have excellent thermal insulation performance while preventing odor generation during construction.
  • Example 1 10.2 19.2 Example 2 10.2 19.5 Example 3 10.2 19.8 Example 4 10.1 19.9 Example 5 10.1 19.8 Example 6 10.0 20.0 Comparative Example 1 10.3 18.0 Comparative Example 2 9.3 22.9 Comparative Example 3 9.0 24.7
  • the silica airgel blanket prepared by Examples 1 to 6 with a heat treatment temperature of 500 to 800 ° C in relation to the heat treatment temperature has low thermal conductivity and excellent thermal insulation performance, while the heat treatment temperature exceeds 800 ° C.
  • Comparative Example 1 is excellent in thermal insulation performance, as shown in Experiment 2 it can be seen that the occurrence of odor during construction in high-temperature piping is not suitable for construction in high-temperature piping.
  • the silica airgel blanket of the present invention can be expected to suppress most of the volatile organic compounds (VOCs) even when applied to high-temperature piping by removing only a short time of heat treatment at a suitable temperature of 500 to 800 °C.
  • VOCs volatile organic compounds

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Abstract

본 발명은 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷, 이의 제조방법 및 이의 시공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조한 후, 열처리하는 단계를 포함함으로써, VOC(volatile organic compound) 제거하여 시공 중 악취의 발생을 억제할 수 있는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷을 제공하고, 상기 실리카 에어로겔 블랭킷을 이용하여 초고온 배관 설비에의 시공 중 악취 발생 억제와 동시에 공기 중 수분에 의한 단열 성능의 손실을 방지할 수 있는 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷의 시공방법을 제공한다.

Description

초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷, 이의 제조방법 및 이의 시공방법
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2016년 09월 23일자 한국 특허 출원 제10-2016-0122458호 및 2017년 9월 11일자 한국 특허 출원 제10-2017-0115903호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조한 후, 열처리하는 단계를 포함하는 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷의 제조방법, 이에 의해 제조된 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷 및 이의 시공방법에 관한 것이다.
에어로겔(aerogel)은 90~99.9% 정도의 기공율과 1~100 nm 범위의 기공크기를 갖는 초다공성의 고비표면적(≥500 m2/g) 물질로서, 뛰어난 초경량/초단열/초저유전 등의 특성을 갖는 재료이기 때문에 에어로겔 소재 개발연구는 물론 투명단열재 및 환경 친화적 고온형 단열재, 고집적 소자용 극저유전 박막, 촉매 및 촉매 담체, 슈퍼 커패시터용 전극, 해수 담수화용 전극 재료로서의 응용연구도 활발히 진행되고 있다.
에어로겔의 가장 큰 장점은 종래 스티로폼 등의 유기 단열재보다 낮은 0.300 W/m·K 이하의 열전도율을 보이는 슈퍼단열성(super-insulation)인 점과 유기 단열재의 치명적인 약점인 화재 취약성과 화재시 유해가스 발생을 해결할 수 있다는 점이다.
일반적으로 에어로겔은 물유리, TEOS 등의 실리카 전구체로부터 하이드로겔을 제조하고, 하이드로겔 내부의 액체성분을 미세구조 파괴 없이 제거하여 제조된다. 대표적인 실리카 에어로겔의 형태는 분말, 과립, 모노리스의 세 가지로 나눌 수 있으며, 일반적으로는 분말의 형태로 제조된다.
상기 분말의 경우 섬유와 복합화하여 에어로겔 블랭킷(blanket) 또는 에어로겔 시트(sheet) 등과 같은 형태로의 제품화가 가능하며, 블랭킷 또는 시트의 경우 유연성을 가지고 있어 임의의 크기나 형태로 굽히거나, 접거나 자를 수 있다. 이에, LNG 선의 단열패널, 공업용 단열재와 우주복, 교통 및 차량, 전력생산용 단열재 등과 같은 공업용으로의 응용뿐 아니라 재킷이나 운동화류 등과 같은 생활용품에도 적용이 가능하다. 또한, 아파트와 같은 주택에서 지붕이나 바닥뿐만 아니라 방화문에서 실리카 에어로겔을 사용할 경우 화재 예방에 큰 효과가 있다.
그러나, 상기 실리카 에어로겔 블랭킷의 공기 중 수분 흡수에 의한 단열 성능의 손실을 방지하기 위하여 표면개질을 통해 실리카 에어로겔의 표면을 소수화시켜 사용하였으나, 이러한 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 500 ℃ 이상의 고온 배관에 곧바로 시공할 경우, VOC(volatile organic compound) 등에 의해 심각한 악취가 발생하여 작업자들의 고통을 유발하는 문제가 있었다.
이에, 본 발명자들은 시공 중 악취 유발을 막고, 공기 중 수분에 의한 단열 성능 손실도 방지할 수 있는 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷의 제조방법, 이에 의해 제조된 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷 및 이의 시공방법을 개발하게 되었다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 한국등록특허공보 제10-0710887호 (2007.04.27 공고)
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조한 후, 열처리하는 단계를 포함함으로써, VOC(volatile organic compound) 제거하여 시공 중 악취의 발생을 억제할 수 있는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법 및 이에 의해 제조된 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 상기의 제조방법으로 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷을 이용하여 초고온 배관 설비에의 시공 중 악취 발생 억제와 동시에 공기 중 수분에 의한 단열 성능의 손실을 방지한 초고온용 실리카 에어로겔 블랭킷의 시공방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로서,
1) 실리카 전구체, 알코올 및 산성 수용액을 혼합하여 실리카 졸을 준비하는 단계; 2) 상기 실리카 졸에 염기 촉매를 첨가 후 블랭킷용 기재에 침적시켜 실리카 겔 복합체를 제조하는 단계; 3) 상기 실리카 겔 복합체를 숙성, 표면개질 및 건조시켜 소수성 실리카 에어로겔을 제조하는 단계; 및 4) 상기 소수성 실리카 에어로겔을 열처리하는 단계를 포함하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되고, 실리카 에어로겔 중량 대비 탄소 함량이 1 wt% 이하인 실리카 에어로겔 블랭킷을 제공한다.
또한, 본 발명은 1) 배관 설비의 표면에 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하는 단계; 및 2) 상기 실리카 에어로겔 블랭킷 상에 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하는 단계를 포함하는 실리카 에어로겔 블랭킷 시공방법을 제공한다.
본 발명에 따른 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷은 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조한 후, 열처리하는 단계를 포함함으로써, VOC(volatile organic compound) 제거하여 초고온 배관 설비에의 시공 중 악취의 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷의 시공방법은 초고온 배관 설비의 표면에 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하고, 상기 실리카 에어로겔 블랭킷 상에 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하는 단계를 포함함으로써, 초고온 배관 설비에의 시공 중 악취 발생 억제와 동시에 공기 중 수분에 의한 단열 성능 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 구체적인 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 및 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 에어로겔 블랭킷 시공방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 열처리 온도에 따른 실리카 에어로겔의 무게 변화를 나타내는 TGA 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 실리카 에어로겔의 난연성 테스트 결과를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 실리카 에어로겔의 열전도도를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
실리카 에어로겔 블랭킷(silica aerogel blanket)은 실리카 에어로겔 소재를 블랭킷용 기재로서 섬유 등과 복합화하여 매트리스나 시트 형태로 만든 것을 나타내는 것으로, 유연성이 있어 굽히거나 접거나 또는 자를 수 있는 특징을 가지고 있다. 실리카 에어로겔은 다공성으로 인한 단열 특성을 부여하며, 섬유 등과 같은 블랭킷용 기재는 실리카 에어로겔 블랭킷의 유연성과 기계적인 강도를 강화하는 역할을 한다.
이러한, 실리카 에어로겔 블랭킷은 기존의 폴리머 단열재인 폴리스티로폼이나 폴리 우레탄폼 보다 내열성 및 단열성이 우수한 신소재로서, 향후 전개되는 에너지 절약 및 환경문제를 해결할 수 있는 첨단소재로 주목을 받고 있으며, 이에 따라, 각종 산업용 설비의 배관이나 공업용로와 같은 보온보냉용 플랜트 시설은 물론, 항공기, 선박, 자동차, 건축 구조물 등의 단열재, 보온재, 또는 불연재로서 유용하게 사용되고 있다.
그러나, 실리카 에어로겔 블랭킷은 500 ℃ 이상의 초고온 배관에 곧바로 시공할 경우, 상기 섬유의 윤활제나, 소수화된 실리카 에어로겔로부터 발생된 VOC(volatile organic compound)에 의해 심각한 악취가 유발되는 문제가 있다.
만약 실리카 에어로겔의 VOC에 의한 악취를 줄이기 위해 소수화 개질을 하지 않고 친수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조할 경우에는 실리카 표면의 실라놀기(Si-OH)의 친수성 때문에 공기 중의 물을 흡수하게 되어 열전도율이 점차 높아지는 단점이 있으며, 건조 공정에서 기공 붕괴가 심화되어 스프링 백(spring back) 현상을 기대하기 어려워 메조 포어(meso pore)를 갖는 초 단열 제품을 제조하기 어려운 문제가 있다.
따라서, 공기 중의 수분 흡수를 억제시켜 낮은 열전도율을 유지하기 위해서는 실리카 에어로겔 표면을 소수성으로 개질하는 단계가 필수적으로 필요하다.
이에 본 발명은 상기 설명한 바와 같이 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조한 후, 열처리하는 단계를 포함함으로써, VOC(volatile organic compound) 제거하여 시공 중 악취의 발생 문제를 해결할 수 있는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷을 제공하고, 상기 실리카 에어로겔 블랭킷을 이용하여 초고온 배관 설비에의 시공 중 발생하는 악취를 억제함과 동시에 공기 중 수분에 의한 단열 성능의 손실을 방지할 수 있는 실리카 에어로겔 블랭킷의 시공방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법은, 1) 실리카 전구체, 알코올 및 산성 수용액을 혼합하여 실리카 졸을 준비하는 단계; 2) 상기 실리카 졸에 염기 촉매를 첨가 후 블랭킷용 기재에 침적시켜 실리카 겔 복합체를 제조하는 단계; 3) 상기 실리카 겔 복합체를 숙성, 표면개질 및 건조시켜 소수성 실리카 에어로겔을 제조하는 단계; 및 4) 상기 소수성 실리카 에어로겔을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 상기 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 단계 1)은, 실리카 졸을 준비하기 위한 단계로서, 실리카 전구체, 알코올 및 산성 수용액을 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 실리카 졸의 제조에 사용 가능한 실리카 전구체는 실리콘 함유 알콕사이드계 화합물일 수 있으며, 구체적으로는 테트라메틸 오르소실리케이트(tetramethyl orthosilicate; TMOS), 테트라에틸 오르소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS), 메틸트리에틸 오르소실리케이트(methyl triethyl orthosilicate), 디메틸디에틸 오르소실리케이트(dimethyl diethyl orthosilicate), 테트라프로필 오르소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate), 테트라이소프로필 오르소실리케이트(tetraisopropyl orthosilicate), 테트라부틸 오르소실리케이트 (tetrabutyl orthosilicate), 테트라세컨드리부틸 오르소실리케이트(tetra secondary butyl orthosilicate), 테트라터셔리부틸 오르소실리케이트 (tetra tertiary butyl orthosilicate), 테트라헥실오르소실리케이트(tetrahexyl orthosilicate), 테트라시클로헥실 오르소실리케이트(tetracyclohexyl orthosilicate), 테트라도데실 오르소실리케이트(tetradodecyl orthosilicate) 등과 같은 테트라알킬 실리케이트일 수 있다. 이 중에서도 보다 구체적으로 본 발명의 경우 상기 실리카 전구체는 테트라메틸 오르소실리케이트(TMOS), 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 실리카 전구체는 실리카 졸 내 포함되는 실리카(SiO2)의 함량이 0.1 중량% 내지 30 중량%가 되도록 하는 양으로 사용될 수 있다. 상기 실리카의 함량이 0.1 중량% 미만이면 최종 제조되는 블랭킷에서의 실리카 에어로겔의 함량이 지나치게 낮아 목적하는 수준의 단열 효과를 기대할 수 없는 문제가 있으며, 30 중량%를 초과할 경우 과도한 실리카 에어로겔의 형성으로 블랭킷의 기계적 물성, 특히 유연성이 저하될 우려가 있다.
또한, 본 발명의 실리카 졸의 제조에 사용 가능한 알코올은 구체적으로 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 등과 같은 1가 알코올; 또는 글리세롤, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 및 솔비톨 등과 같은 다가 알코올일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이 중에서도 물 및 에어로겔과의 혼화성을 고려할 때 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 등과 같은 탄소수 1 내지 6의 1가 알코올일 수 있다.
상기와 같은 알코올(극성 유기 용매)은 표면개질 반응을 촉진시키는 동시에 최종 제조되는 실리카 에어로겔에서의 소수화도를 고려하여 적절한 함량으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실리카 졸의 제조에 사용 가능한 산성 수용액은 이후 실리카 졸의 겔화를 촉진시킬 수 있다. 상기 산성 수용액에 포함되는 산 촉매는 구체적으로 질산, 염산, 아세트산, 황산 및 불산 등과 같은 1 종 이상의 무기산을 포함할 수 있으며, 이후 실리카 졸의 겔화를 촉진시킬 수 있도록 하는 함량으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단계 2)는 실리카 겔 복합체를 제조하기 위한 것으로서, 상기 실리카 졸에 염기 촉매를 첨가한 후 블랭킷용 기재에 침적시켜 수행될 수 있다.
본 발명의 실리카 겔을 제조하기 위하여 사용 가능한 상기 염기 촉매는 실리카 졸의 pH를 증가시켜 겔화를 촉진하는 역할을 한다.
상기 염기 촉매로는 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 무기 염기; 또는 수산화암모늄과 같은 유기 염기를 들 수 있으나, 무기 염기의 경우 화합물 내 포함된 금속 이온이 Si-OH 화합물에 배위(coordination)될 우려가 있으므로, 유기 염기가 바람직할 수 있다. 구체적으로 상기 유기 염기는 수산화암모늄(NH4OH), 테트라메틸암모늄 히드록시드(TMAH), 테트라에틸암모늄 히드록시드(TEAH), 테트라프로필암모늄 히드록시드(TPAH), 테트라부틸암모늄 히드록시드(TBAH), 메틸아민, 에틸아민, 이소프로필아민, 모노이소프로필아민, 디에틸아민, 디이소프로필아민, 디부틸아민, 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리이소프로필아민, 트리부틸아민, 콜린, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 2-아미노에탄올, 2-(에틸 아미노)에탄올, 2-(메틸 아미노)에탄올, N-메틸 디에탄올아민, 디메틸아미노에탄올, 디에틸아미노에탄올, 니트릴로트리에탄올, 2-(2-아미노에톡시)에탄올, 1-아미노-2-프로판올, 트리에탄올아민, 모노프로판올아민, 또는 디부탄올아민 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명의 경우 상기 염기는 수산화암모늄(NH4OH)일 수 있다.
상기 염기 촉매는 실리카 졸의 pH가 4 내지 8 이 되도록 하는 양으로 포함될 수 있다. 상기 실리카 졸의 pH가 상기 범위를 벗어날 경우 겔화가 용이하지 않거나, 겔화 속도가 지나치게 느려져 공정성이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 염기는 고체상으로 투입시 석출될 우려가 있으므로, 상기한 알코올(극성 유기 용매)에 의해 희석된 용액상으로 첨가되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법의 겔화는 실리카 전구체 물질로부터 망상 구조를 형성시키는 것일 수 있으며, 상기 망상 구조(network structure)는 원자 배열이 1 종 혹은 그 이상의 종류로 되어 있는 어떤 특정한 다각형이 이어진 평면 그물 모양의 구조 또는 특정 다면체의 정점, 모서리, 면 등을 공유하여 3 차원 골격구조를 형성하고 있는 구조를 나타내는 것일 수 있다.
한편, 상기 실리카 졸의 겔화는 블랭킷용 기재에 실리카 졸이 침적된 상태에서 일어날 수 있다.
구체적으로 상기 침적은 블랭킷용 기재를 수용할 수 있는 반응 용기 내에서 이루어질 수 있으며, 상기 반응 용기에 실리카 졸을 붓거나, 실리카 졸이 담긴 반응 용기 내에 블랭킷용 기재를 넣어 적시는 방법으로 침적시킬 수 있다. 이때 블랭킷용 기재와 실리카 졸의 결합을 좋게 하기 위해 블랭킷용 기재를 가볍게 눌러 충분히 침적되도록 할 수 있다. 이후 일정한 압력으로 블랭킷용 기재를 일정 두께로 가압하여 잉여의 실리카 졸을 제거하여 이후의 건조 시간을 줄일 수도 있다.
상기 본 발명에서 사용 가능한 블랭킷용 기재로는 필름, 시트, 네트, 섬유, 다공질체, 발포체, 부직포체 또는 이들의 2층 이상의 적층체일 수 있다. 또한, 용도에 따라 그 표면에 표면조도가 형성되거나 패턴화된 것일 수도 있다. 보다 구체적으로는 상기 블랭킷용 기재는 블랭킷용 기재 내로 실리카 에어로 겔의 삽입이 용이한 공간 또는 공극을 포함함으로써 단열 성능을 보다 향상시킬 수 있는 섬유일 수 있다. 또, 상기 블랭킷용 기재는 낮은 열전도도를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
구체적으로 상기 블랭킷용 기재는 폴리아미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아라미드, 아크릴수지, 페놀수지, 폴리에스테르, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리올레핀(예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 공중합체 등), 셀룰로오스, 카본, 면, 모, 마, 부직포, 유리섬유 또는 세라믹울 등일 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 블랭킷용 기재는 유리섬유 또는 폴리에틸렌을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단계 3)은 소수성 실리카 에어로겔을 제조하기 위한 것으로서, 상기 제조한 실리카 겔 복합체를 숙성, 표면개질 및 건조 시켜 수행하는 것일 수 있다.
상기 숙성은 상기 실리카 겔을 적당한 온도에서 방치하여 화학적 변화가 완전히 이루어지도록 하기 위한 공정으로서, 유기 용매 또는 암모니아 등의 염기성 촉매를 유기 용매에 1 내지 10 % 농도로 희석시킨 용액 내에서 50 내지 90 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 방치시켜 수행하는 것일 수 있다. 본 발명은 상기 숙성 단계를 거침으로써, 상기 형성된 망상구조를 더 견고하게 형성시킬 수 있어, 기계적 안정성을 강화시킬 수 있다.
또한, 건조된 실리카 에어로겔은 건조 직후에는 낮은 열전도율을 유지하나, 실리카 표면의 실라놀기(Si-OH)의 친수성 때문에 공기 중의 물을 흡수하게 되어 열전도율이 점차 높아지는 단점이 있다. 따라서, 낮은 열전도율을 유지하기 위해서는 실리카 에어로겔 표면을 소수성으로 개질할 필요성이 있으며, 본 발명의 상기 표면개질은 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane, TMCS), 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane, HMDS), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 트리메틸에톡시실란(trimethylethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 표면개질제를 첨가하여 수행하는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane, HMDS)을 첨가하여 수행하는 것일 수 있다.
이후 표면개질된 소수성 실리카 겔의 기공구조를 그대로 유지하면서 용매를 제거하는 건조 공정을 통해 소수성 실리카 에어로겔을 제조할 수 있다. 건조 공정으로는 상압 건조 또는 초임계 건조 공정에 의할 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법은 특히, 초임계 이산화탄소를 이용한 초임계 건조 공정에 의해 수행할 수 있다.
상압 건조 공정은 고압의 반응 조건 및 초임계 건조를 위한 특수한 고압 설비 등이 필요하지 않아, 공정이 간단하고 경제적인 측면이 있지만, 물 또는 유기용매가 고온에서 증발함에 따라, 초임계 건조 대비 겔의 내부 기공 구조의 무너짐이 발생하여 단열성능이 급격히 저하되는 문제가 있을 수 있다. 또한 상기 문제는 표면장력이 낮은 유기 용매로의 치환 없이 바로 건조하는 경우에는 더욱 심화될 수 있다.
이에 비해, 본 발명의 건조는 초임계 건조에 의하여 기공률을 극대화시킬 수 있는 바, 상압 건조에 의하는 실리카 에어로겔에 비하여 단열 성능이 월등히 우수할 수 있다. 본 발명은 초고온의 배관 설비의 시공에 주로 사용되는 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하기 위한 것으로서, 보통의 단열재 또는 단열재 외에 기타 용도로 사용되는 실리카 에어로겔 블랭킷보다 단열 성능이 더 우수하여야 할 것이 필수적으로 요구되기 때문이다.
다만, 상기 초임계 건조 후 초임계 건조 단계에서 완전히 제거되지 않은 소량의 용매 및 초임계 건조 중 겔 내부의 암모니아와 CO2 가 만나 발생할 수 있는 친수성 염을 제거하기 위한 과정으로서 임의적으로 상압 건조 공정을 추가적으로 수행할 수도 있다.
상기 추가적으로 수행하는 상압 건조 공정은 필수적인 공정이 아니라는 점 및 기공 구조의 파괴가 크지 않다는 점에서, 용매 전체를 상압 건조에 의해 제거하는 상압 건조 공정과는 목적 및 효과의 측면에서 본원의 건조 공정과는 상이한 면이 있다.
이산화탄소(CO2)는 상온 및 상압에서는 기체 상태이지만 임계점(supercritical point)이라고 불리는 일정한 온도 및 고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는, 임계 상태가 되며, 이 임계 상태에 있는 이산화탄소를 초임계 이산화탄소라고 한다. 초임계 이산화탄소는 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가지며, 확산이 빠르고 열전도성이 높아 건조 효율이 높고, 건조 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 초임계 건조 공정은 초임계 건조 반응기 안에 숙성된 실리카 겔을 넣은 다음, 액체 상태의 CO2 를 채우고 실리카 에어로겔 내부의 알코올 용매를 CO2 로 치환하는 용매치환 공정을 수행한다. 그 후에 일정 승온 속도, 구체적으로는 0.1 ℃/min 내지 1 ℃/min의 속도로, 40 내지 50 ℃로 승온시킨 후, 이산화탄소가 초임계 상태가 되는 압력 이상의 압력, 구체적으로는 100 bar 내지 150 bar의 압력을 유지하여 이산화탄소의 초임계 상태에서 일정 시간, 구체적으로는 20 분 내지 1 시간 동안 유지한다. 일반적으로 이산화탄소는 31 ℃의 온도, 73.8 bar의 압력에서 초임계 상태가 된다. 이산화탄소가 초임계 상태가 되는 일정 온도 및 일정 압력에서 2 시간 내지 12 시간, 보다 구체적으로는 2 시간 내지 6 시간 동안 유지한 다음, 서서히 압력을 제거하여 초임계 건조 공정을 완료하여 소수성 실리카 에어로겔을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 건조 전 세척하는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 세척은 반응 중 발생된 불순물(나트륨 이온, 미반응물, 부산물 등) 및 초임계 건조 중 CO2 와 반응하여 탄산암모늄 염을 발생할 수 있는 잔류 암모니아 등을 제거하여, 고순도의 소수성의 실리카 에어로겔을 얻기 위한 것으로 비극성 유기용매를 이용한 희석공정 또는 교환공정으로 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단계 4)는 소수성 실리카 에어로겔을 특정 온도 및 특정 시간 동안 열처리하여 수행하는 것일 수 있다.
실리카 에어로겔 블랭킷을 고온 배관의 단열재로 사용하는 경우, 특히 500 ℃ 이상의 초고온용 배관의 단열재로 사용하는 경우에는 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷으로부터 발생된 VOC(volatile organic compound)에 의해 심각한 악취가 유발되는 문제가 있으며, 상기 악취의 원인인 VOC는 실라놀기(Si-OH)의 친수성 때문에 공기 중의 수분을 흡수하여 열전도율이 점차 높아지는 문제를 방지하기 위해 표면개질 반응에 의해 도입된 소수화기에 의한 것이다.
다만, 상기 악취를 감소시키고자 표면개질하지 아니하고 곧바로 친수성의 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하는 경우, 건조 공정에서 기공 붕괴가 심화되고, 적절한 수준의 스프링백 현상을 기대하기 어려워 원하는 초단열 성능 제품을 제조할 수 없는 문제가 있는 바, 본 발명은 소수성 실리카 에어로겔을 제조한 이후, 이를 열처리하여 소수화기를 제거한 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 단계 4)의 열처리는 상기 VOC 를 저하시키는 데 충분한 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로는 500 내지 800 ℃, 보다 구체적으로는 실제 적용될 배관 설비의 온도보다 0 내지 50 ℃ 높은 온도에서 수행되는 것일 수 있다. 열처리 온도가 실제 적용될 배관 설비의 온도 미만인 경우에는 악취의 근원인 VOC 를 충분히 제거할 수 없어 시공 단계에서 작업자들의 고통을 유발하는 문제가 있을 수 있으며, 열처리 온도가 800 ℃를 초과하는 등 지나치게 고온인 경우에는 에너지 낭비 및 실리카 에어로겔의 기공 구조의 붕괴가 일어나는 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 단계 4)의 열처리는 상기 VOC 를 저하시키는 데 충분한 시간 동안 수행될 수 있으며, 구체적으로는 5 내지 1500 분, 보다 구체적으로는 5 내지 60 분 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 열처리 시간이 5 분 미만인 경우에는 악취의 근원인 VOC 를 충분히 제거할 수 없는 문제가 있을 수 있으며, 열처리 시간이 1500 분을 초과하는 경우에는 에너지 낭비 및 실리카 에어로겔의 기공 구조의 붕괴가 일어나는 문제가 있을 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷을 제공하며, 보다 구체적으로, 실리카 에어로겔 중량 대비 탄소 함량이 1 wt% 이하인 실리카 에어로겔 블랭킷을 제공할 수 있다.
통상 실리카 에어로겔에 있어서, 소수화도 또는 소수성 정도는 실리카 에어로겔에 포함된 탄소 함량으로 확인할 수 있으며, 상기 실리카 에어로겔에 포함된 탄소 함량은 탄소분석기를 이용하여 측정할 수 있다.
본 발명의 경우, 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷 제조 후, 특정 온도 및 시간 동안 열처리를 통해 실리카 에어로겔의 표면에 있는 소수화기를 제거하는 공정을 수행한 바, 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷은 실리카 에어로겔 중량 대비 탄소 함량이 1 wt% 이하인 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 초고온 배관에의 시공 시, 탄소 함량이 1 wt% 를 초과하는 실리카 에어로겔 블랭킷보다 악취 발생이 억제되는 것을 예상할 수 있다.
한편, 실리카 에어로겔 블랭킷의 단열성은 상기 블랭킷 내 실리카 에어로겔의 함량이 높을수록 증가한다. 그러나, 그 함량이 지나치게 높을 경우 오히려 실리카 에어로겔 자체의 낮은 강도 및 부착력으로 인해 이후 블랭킷 제조시 강도 및 부착력이 저하될 우려가 있으므로, 블랭킷의 용도 등을 고려하여 블랭킷 내 포함되는 실리카 에어로겔의 함량을 적절히 조절하는 것이 바람직하며, 구체적으로, 본 발명의 경우 상기 실리카 에어로겔은 실리카 에어로겔 블랭킷의 총 중량에 대하여 20 중량% 내지 80 중량%로 포함될 수 있다.
또한, 도 1의 모식도에서 보는 바와 같이, 본 발명은 1) 배관 설비의 표면에 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하는 단계; 및 2) 상기 실리카 에어로겔 블랭킷 상에 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하는 단계를 포함하는 실리카 에어로겔 블랭킷 시공방법을 제공하며, 구체적으로 상기 배관 설비는 500 ℃ 이상의 초고온 배관 설비인 것일 수 있다.
종래와 같이 소수성의 실리카 에어로겔 블랭킷을 500 ℃ 이상의 초고온의 배관 설비에 시공하는 경우, 배관에서 전도되는 열에 의해 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷에서 악취가 발생할 수 있다.
그러나 이 경우, 상기 본 발명의 제조방법에 의해 VOC가 제거된 실리카 에어로겔 블랭킷을 배관 설비의 표면에 적어도 1층 이상 시공한다면, VOC가 발생하지 않아, 악취 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상기 단계 2)와 같이 배관 설비의 표면에 시공된 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷 상에 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하는 경우, 공기와 맞닿는 최외각 층은 소수성 실리카 에어로겔이 시공되어, 공기 중의 수분 흡수에 따른 열전도율의 증가를 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 이 경우 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 사용함에도 불구하고 상기 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷은 초고온의 배관 설비의 표면에 곧바로 시공되지 아니하고, 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷 상에 시공되므로, 배관에서 전도되는 열이 큰 폭으로 감소하여 악취 발생 문제는 발생하지 않을 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷 시공방법에 의하는 경우, 악취 발생 억제와 동시에 공기 중 수분에 의한 단열 성능의 손실을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1
테트라에틸오르소실리케이트와 에탄올을 중량비 3:1로 혼합하여 제조한 혼합용액(실리카 함량 = 4 중량%)에, 물에 희석한 염산 용액(농도 = 0.15 %)을 상기혼합용액의 pH가 1이 되도록 첨가한 후 혼합하여 알콕사이드 실리카 졸을 제조하였다. 제조한 실리카 졸에 유리섬유를 침적하고, 암모니아 촉매를 0.5 부피%의 함량으로 첨가하여 겔화시켜 실리카 습윤겔 복합체를 제조하였다. 제조한 실리카 습윤겔 복합체를, 에탄올 용액 중에 70℃의 온도에서 1시간 동안 방치하여 숙성시켰다. 이후, 헥사메틸디실라잔과 에탄올을 1:19의 부피비로 혼합하여 제조한 표면개질제 용액을 습윤겔에 대하여 90부피%로 첨가하고 70 ℃ 에서 4 시간 동안 표면개질시켜 소수성의 실리카 습윤겔 복합체를 제조하였다. 상기 소수성 실리카 습윤겔 복합체를 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 넣고 CO2 를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간에 걸쳐 60 ℃로 승온하고, 50 ℃, 100 bar 에서 초임계 건조하였다. 이때 분리기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2 를 배출(venting) 하고, 150 ℃의 오븐에서 추가로 상압 건조하여 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다. 이후, 500 ℃의 반응로에서 10 분 동안 열처리를 수행하여 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 1 시간 동안 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 24 시간 동안 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 600 ℃ 에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 700 ℃ 에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 800 ℃ 에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 열처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 850 ℃ 에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1에서 900 ℃ 에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하였다.
실험예 1: TGA 실험
상기 실시예 1의 제조된 열처리 하기 전의 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷에 대해 NETZSCH社의 STA 449 F5 장비를 이용하여 온도를 달리하면서 열처리하여, 실리카 에어로겔의 무게 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
본 실험은 열처리 온도에 따른 VOC 제거 효과를 나타내는 것으로서, 도 2에서 보는 바와 같이, 열처리 온도가 약 300 ℃ 미만인 경우, 실리카 에어로겔의 무게 변화가 거의 없으나, 그 이상의 온도부터는 급격한 무게 변화가 있는 것을 확인할 수 있다.
이로부터 열처리 공정을 수행한다고 하더라도 약 300 ℃ 부근의 저온에서 열처리하는 경우에는 VOC 가 거의 제거되지 않아 악취 발생의 문제가 남아 있을 수 있음을 알 수 있으며, 본 발명의 실시예와 같이 500 ℃ 부근에서 열처리 하는 경우에는 무게 변화가 현저한 것으로 보아 악취의 근원이 되는 물질인 VOC 가 대부분 제거되어 작업자들이 시공 중 고통을 받을 정도로 심한 악취 발생 가능성은 현저히 감소되는 것을 알 수 있다.
한편, 열처리 온도가 800 ℃ 초과인 경우에는 무게 변화가 완만해지는 것으로 보아 열처리 온도가 지나치게 고온인 경우에는 악취 저감 효과는 미미하여 에너지 낭비의 문제점이 있어 적절하지 않음을 알 수 있다.
상기 실험을 통해, VOC 를 저감시키는 데 충분하고 에너지 낭비가 없으면서도, 단열 성능이 유지될 수 있는 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하기 위한 적절한 온도 범위를 확인할 수 있다.
실험예 2: 탄소 함량 측정
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조한 실리카 에어로겔 블랭킷의 실리카 에어로겔만을 회수한 후 탄소 분석기를 이용하여 탄소 함량을 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
열처리 온도(℃) 열처리 시간(분) 탄소 함량(wt%)
실시예 1 500 10 0.7471
실시예 2 500 60(1 시간) 0.2502
실시예 3 500 1440(24 시간) 0.1044
실시예 4 600 10 0.3761
실시예 5 700 10 0.2155
실시예 6 800 10 0.1064
비교예 1 - - 6.9079
비교예 2 850 10 0.1061
비교예 3 900 10 0.1056
분석 결과 열처리를 수행한 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷은 1 시간이하의 단 시간의 열처리로도 대부분의 소수화기가 제거된 것을 확인할 수 있었다. 반면, 열처리를 수행하지 않은 비교예 1의 실리카 에어로겔 블랭킷은 다량의 탄소를 함유하고 있는 것을 확인할 수 있었는 바, 고온 배관에의 시공 시 악취 발생이 현저할 것으로 예상되었다.
또한, 열처리 온도와 관련하여 열처리 온도가 500 내지 800 ℃ 인 경우에는 탄소 함량의 감소가 현저한 반면, 열처리 온도가 800 ℃ 를 초과한 비교예 2 및 3은 탄소 함량의 감소량이 크지 않았는 바, 악취 저감 효과는 미미한 채 에너지만이 낭비되어 적절하지 않음을 알 수 있었다.
이로써, 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷은 500 내지 800 ℃ 의 적절한 온도에서 단 시간의 열처리만으로도 VOC(volatile organic compound)가 대부분 제거되어 고온 배관에의 시공 시 악취 발생이 억제될 것을 예상할 수 있다.
실험예 3: GS / MSD 측정
Purge & Trap sampler - GS/MSD system을 이용하여 상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조한 실리카 에어로겔 블랭킷의 VOC 를 분석하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
구체적으로, Tube furnace에 샘플을 넣고 air를 4 cc/min의 유량으로 주입하며 300 ℃ 내지 500 ℃ 사이에서 발생하는 가스를 tedlar bag에 포집하였고, 이를 GS/MSD 장비(EQC-0176)를 이용하여 그 성분을 분석하였다.
Rt(min) Compound 0.5 L Sampling (㎍/L)
비교예 1 실시예 2
2.0 Butene - 2.5
2.6 Fluorotrimethylsilane 36.6 -
2.7 EtOH 260.0 0.4
2.8 Acetone 69.8 0.5
2.9 Methoxytrimethylsilane 34.6 -
3.0 Trimethylsilanol 248.7 -
3.1 MEK 32.6 -
3.2 Ethoxytrimethylsilane 196.0 -
3.6 Benzene 42.9 0.1
3.7 Hexamethyldisioxane 111.5 -
4.4 1,1-Diethoxysilane 7.7 -
5.1 Toluene 12.3 0.1
5.6 Dimethyldiethoxysilane 4.4 -
7.6 Xylene 2.0 -
2.5 ~ 22 Others - 0.7
Sum 1059.1 4.6
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 열처리를 수행한 본 발명의 실시예 2에 의해 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷은 열처리를 수행하지 않은 비교예 1의 실리카 에어로겔 블랭킷에 비하여 트리메틸실라놀, 에톡시트리메틸실란 또는 헥사메틸디실록산 등의 VOC 가 대부분 제거된 것을 확인할 수 있었다.
이로써, 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷은 VOC(volatile organic compound)가 대부분 제거되어 고온 배관에의 시공 시 악취 발생이 억제될 것을 예상할 수 있다.
실험예 4: 난연성 측정
상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조한 실리카 에어로겔 블랭킷 샘플에 wire를 접촉시킨 후 wire를 1050 ℃까지 가열하며 연기, 악취 및 그을음 발생 여부를 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에서 보는 바와 같이, 열처리를 수행한 본 발명의 실시예 2에 의해 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷은 1050 ℃ 의 Glow wire를 접촉하여도 그을음이 발생하지 않았으나, 열처리를 수행하지 않은 비교예 1의 실리카 에어로겔 블랭킷은 연기, 악취 및 그을음이 발생하고 불꽃이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
이를 통해 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷은 열처리를 통해VOC(volatile organic compound)가 대부분 제거되어 고온 배관에의 시공 시 악취 발생이 억제될 수 있음을 알 수 있다.
실험예 5: 열전도도 측정
1) 상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조한 실리카 에어로겔 블랭킷을 NETZSCH社의 GHP 456장비를 이용하여 GHP(Guarded Hot Plate) 고온 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
2) 또한, 상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 실리카 에어로겔 블랭킷을 NETZSCH社의 GHP 456장비를 이용하여 상온(25℃) 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
(고온 열전도도)
도 4에서 보는 바와 같이, 열처리를 수행한 본 발명의 실시예 1 내지 6에 의해 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷은 열처리를 수행하지 않은 비교예 1의 실리카 에어로겔 블랭킷에 비하여 열전도도가 전체적으로 소폭 상승하였지만, 500 ℃ 이상에서는 비교예와 동등 또는 그와 유사한 수준인 것으로 단열 성능의 저하가 거의 없음을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 열처리를 수행한 실리카 에어로겔 블랭킷은 500 ℃ 이상의 초고온용 배관 설비에 사용되는 경우, 시공 중 악취 발생 억제와 동시에 우수한 단열 성능을 가질 수 있음을 알 수 있었다.
두께(mm) 열전도도(mW/mK)
실시예 1 10.2 19.2
실시예 2 10.2 19.5
실시예 3 10.2 19.8
실시예 4 10.1 19.9
실시예 5 10.1 19.8
실시예 6 10.0 20.0
비교예 1 10.3 18.0
비교예 2 9.3 22.9
비교예 3 9.0 24.7
(상온 열전도도)
표 3에서 보는 바와 같이, 열처리 온도와 관련하여 열처리 온도가 500 내지 800 ℃ 인 실시예 1 내지 6에 의해 제조된 실리카 에어로겔 블랭킷은 열전도도가 낮아 단열 성능이 우수한 반면, 열처리 온도가 800 ℃ 를 초과한 비교예 2 및 3은 실험예 2에서 본 바와 같이 탄소 함량의 감소량이 크지 않았는 바, 악취 저감 효과는 미미한 채 에너지만이 낭비되고, 오히려 실리카 에어로겔의 기공 구조의 붕괴가 일어나 단열 성능을 떨어뜨려 단열용 실리카 에어로겔 블랭킷을 제조하는 데에는 적절하지 않음을 알 수 있었다.
한편, 비교예 1은 단열성능은 우수하나, 실험예 2에서 본 바와 같이 고온 배관에의 시공 시 악취 발생이 현저하여 고온 배관에의 시공에 적절하지 않음을 알 수 있다.
이로써, 본 발명의 실리카 에어로겔 블랭킷은 500 내지 800 ℃ 의 적절한 온도에서 단 시간의 열처리만으로도 VOC(volatile organic compound)가 대부분 제거되어 고온 배관에의 시공 시 악취 발생이 억제될 것을 예상할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (12)

1) 실리카 전구체, 알코올 및 산성 수용액을 혼합하여 실리카 졸을 준비하는 단계;
2) 상기 실리카 졸에 염기 촉매를 첨가 후 블랭킷용 기재에 침적시켜 실리카 겔 복합체를 제조하는 단계;
3) 상기 실리카 겔 복합체를 숙성, 표면개질 및 건조시켜 소수성 실리카 에어로겔을 제조하는 단계; 및
4) 상기 소수성 실리카 에어로겔을 열처리하는 단계를 포함하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1)의 산성 수용액은 질산, 염산, 아세트산, 황산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 산 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2)의 염기 촉매는 수산화암모늄(NH4OH), 테트라메틸암모늄 히드록시드(TMAH), 테트라에틸암모늄 히드록시드(TEAH), 테트라프로필암모늄 히드록시드(TPAH), 테트라부틸암모늄 히드록시드(TBAH), 메틸아민, 에틸아민, 이소프로필아민, 모노이소프로필아민, 디에틸아민, 디이소프로필아민, 디부틸아민, 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리이소프로필아민, 트리부틸아민, 콜린, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 2-아미노에탄올, 2-(에틸 아미노)에탄올, 2-(메틸 아미노)에탄올, N-메틸 디에탄올아민, 디메틸아미노에탄올, 디에틸아미노에탄올, 니트릴로트리에탄올, 2-(2-아미노에톡시)에탄올, 1-아미노-2-프로판올, 트리에탄올아민, 모노프로판올아민 및 디부탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2)의 블랭킷용 기재는 필름, 시트, 네트, 섬유, 다공질체, 발포체, 부직포체 또는 이들의 2층 이상의 적층체인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3)의 표면개질은 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane, TMCS), 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane, HMDS), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 트리메틸에톡시실란(trimethylethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 표면개질제를 첨가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3)의 건조는 초임계 건조 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 4)의 열처리는 500 내지 800 ℃ 의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 4)의 열처리는 5 내지 1500 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷 제조방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되고,
실리카 에어로겔 중량 대비 탄소 함량이 1 wt% 이하인 실리카 에어로겔 블랭킷.
제9항에 있어서,
상기 실리카 에어로겔 블랭킷은 500 ℃ 이상의 초고온용인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷.
1) 배관 설비의 표면에 상기 제9항의 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하는 단계; 및
2) 상기 실리카 에어로겔 블랭킷 상에 소수성 실리카 에어로겔 블랭킷을 적어도 1층 이상 시공하는 단계를 포함하는 실리카 에어로겔 블랭킷 시공방법.
제11항에 있어서,
상기 배관 설비는 500 ℃ 이상의 초고온 배관 설비인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 블랭킷 시공방법.
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