WO2025239703A1 - 에어로겔 복합체 - Google Patents

에어로겔 복합체

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WO2025239703A1
WO2025239703A1 PCT/KR2025/006641 KR2025006641W WO2025239703A1 WO 2025239703 A1 WO2025239703 A1 WO 2025239703A1 KR 2025006641 W KR2025006641 W KR 2025006641W WO 2025239703 A1 WO2025239703 A1 WO 2025239703A1
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aerogel
silica
aerogel composite
composite
weight
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PCT/KR2025/006641
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이경현
오경실
김미리
박새보미
배용진
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LG Chem Ltd
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LG Chem Ltd
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Publication date
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to aerogel, aerogel composite and its application as an insulating material.
  • Aerogel is an ultraporous, high-surface-area material ( ⁇ 500 m 2 /g) with a porosity of approximately 90.0% to 99.9% and a pore size ranging from 1 nm to 100 nm. It possesses excellent properties such as ultra-lightness, ultra-insulation, and ultra-low dielectric constant. Accordingly, active research is being conducted on the development of aerogel materials as well as on their application as transparent and environmentally friendly high-temperature insulators, ultra-low-dielectric thin films for highly integrated devices, catalysts and catalyst carriers, electrodes for supercapacitors, and electrode materials for seawater desalination.
  • aerogel is a super-insulator with a thermal conductivity of less than 0.300 W/m ⁇ K, which is lower than that of conventional organic insulation materials such as Styrofoam, and that it can solve the fatal weakness of organic insulation materials, such as vulnerability to fire and the generation of harmful gases in case of fire.
  • Aerogel blankets which are formed by forming aerogel on fibers, are widely used in construction and industrial sites as functional insulating materials, and can also be useful as insulation, heat preservation, or fire-retardant materials in aircraft, ships, automobiles, batteries, etc.
  • these aerogel blankets are manufactured by manufacturing silica sol from silica precursors such as water glass and alkoxysilane series (TEOS, TMOS, MTMS, etc.), mixing fibers into the sol, gelling, and then maturing, surface modification, and drying.
  • silica precursors such as water glass and alkoxysilane series (TEOS, TMOS, MTMS, etc.
  • hydrophobic groups on the surface of the aerogel or inside the pores such as methyl or ethyl groups, are burned during atmospheric drying, causing the aerogel to lose its hydrophobicity, resulting in a decrease in insulation performance due to moisture penetration, and in addition, the pore structure collapses due to shrinkage during the evaporation of the penetrated moisture, resulting in a permanent loss of insulation performance.
  • an aerogel blanket as an insulating material, it is important to maintain high hydrophobicity by stably having hydrophobic groups not only on the surface of the aerogel blanket but also in the pores inside the blanket to prevent deterioration of the insulating performance.
  • One object of the present invention is to provide an aerogel composite or an insulating member including the same, which can maintain high hydrophobicity by stably maintaining hydrophobic groups inside the pores of the aerogel composite even when the aerogel composite is exposed to a high-temperature environment such as atmospheric pressure drying.
  • an aerogel composite comprising a fiber substrate; and an aerogel including a plurality of open pores, wherein the aerogel includes a plurality of silica aerogel particles, and when NMR analysis is performed on the aerogel particles using water (H 2 O) as a saturation fluid, the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time (T 1 /T 2 ) may be 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , or 0.4 X 10 3 to 0.9 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time can be 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 /T 2 after heat treatment of the aerogel particles separated from the aerogel composite at a temperature of 200°C for 1 hour may be 0.8 to 1.2 times, or 0.85 to 1.1 times, compared to the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles before heat treatment.
  • the above aerogel may contain pores having a pore diameter of 5 to 20 nm or less, which account for 25% or less, or 10% or more and 25% or less, of the pore volume of the skeletal structure.
  • the above aerogel composite may have a moisture impregnation rate (weight %) of 4 weight % or less, as expressed by the following formula 1.
  • weight % 4 weight % or less
  • the weight of the specimen after impregnation means the weight of the aerogel composite specimen after being impregnated in distilled water at 21 ⁇ 2°C for 15 minutes, and at this time, the specimen has a size of 100 mm X 100 mm in width X length.
  • Moisture Impregnation Rate (wt%) ⁇ (Weight of specimen after impregnation - Weight of specimen before impregnation) / (Weight of specimen before impregnation) ⁇ X 100
  • the moisture impregnation rate (weight%) of the aerogel composite may be 3 weight% or less.
  • the moisture impregnation rate (weight%) expressed by the above formula 1 after heat treatment at a temperature of 200°C for 1 hour for the above aerogel composite may be 10 weight% or less.
  • the above aerogel composite may have a water vapor absorption rate of 2.5 wt% or less according to the ASTM C1104 test method.
  • the above aerogel may include at least one selected from the group consisting of silica, methylsilylated silica, dimethylsilylated silica, and trimethylsilylated silica.
  • the above plurality of aerogel particles may include particles in which a plurality of aerogel particles having a particle size of greater than 0 and less than or equal to 5 nm are aggregated or bonded.
  • the average particle size of the aggregated or bonded aerogel particles may be 5 to 2,000 nm.
  • the thickness of the above aerogel composite may be 0.1 to 20 mm.
  • the density of the above aerogel composite may be 0.05 to 0.50 g/cm 3 .
  • the above aerogel composite may have a compressive strength of 20 kPa to 80 kPa at 10% strain and a tensile strength of 30 N/cm 2 to 60 N/cm 2 .
  • an aerogel comprising a plurality of open pores and a plurality of silica aerogel particles, wherein when NMR analysis is performed on the aerogel particles using water (H 2 O) as a saturation fluid, the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time (T 1 /T 2 ) may be 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 or 0.4 X 10 3 to 0.9 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time can be 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 /T 2 after heat treatment of the aerogel particles at a temperature of 200°C for 1 hour may be 0.8 to 1.2 times, or 0.85 to 1.1 times, compared to the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles before heat treatment.
  • the present invention relates to an insulating member comprising the aerogel composite.
  • the above insulating member may further include a support member positioned on at least one of the upper and lower surfaces of the aerogel composite.
  • the aerogel composite provided in the present invention has a high degree of hydrophobicity even within the pores of the aerogel matrix, and also has excellent pore strength, so that even when an atmospheric pressure drying process is performed during the manufacturing process of the aerogel composite or the manufactured aerogel composite is exposed to a high temperature environment, pore shrinkage is minimized and high insulation properties can be maintained.
  • an aerogel composite comprising a substrate; and an aerogel including a plurality of open pores, wherein the aerogel includes a plurality of silica aerogel particles, and when NMR analysis is performed on the silica aerogel particles using water (H 2 O) as a saturation fluid, the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time (T 1 /T 2 ) is 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time can be 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 /T 2 after heat treatment of the aerogel particles separated from the aerogel composite at a temperature of 200°C for 1 hour may be 0.8 to 1.2 times, or 0.85 to 1.1 times, compared to the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles before heat treatment.
  • the above aerogel may contain pores having a pore diameter of 5 to 20 nm or less, which account for 25% or less, or 10% or more and 25% or less, of the pore volume of the skeletal structure.
  • the above aerogel composite may have a moisture impregnation rate (weight %) of 4 weight % or less, as expressed by the following formula 1.
  • weight % 4 weight % or less
  • the weight of the specimen after impregnation means the weight of the aerogel composite specimen after being impregnated in distilled water at 21 ⁇ 2°C for 15 minutes, and at this time, the specimen has a size of 100 mm X 100 mm in width X length.
  • Moisture Impregnation Rate (wt%) ⁇ (Weight of specimen after impregnation - Weight of specimen before impregnation) / (Weight of specimen before impregnation) ⁇ X 100
  • the moisture impregnation rate (weight%) of the aerogel composite may be 3 weight% or less.
  • the moisture impregnation rate (weight%) expressed by the above formula 1 after heat treatment at a temperature of 200°C for 1 hour for the above aerogel composite may be 10 weight% or less.
  • the above aerogel composite may have a water vapor absorption rate of 2.5 wt% or less according to the ASTM C1104 test method.
  • the above aerogel may include at least one selected from the group consisting of silica, methylsilylated silica, dimethylsilylated silica, and trimethylsilylated silica.
  • the above plurality of aerogel particles may include particles in which a plurality of aerogel particles having a particle size of greater than 0 and less than or equal to 5 nm are aggregated or bonded.
  • the average particle size of the aggregated or bonded aerogel particles may be 5 to 2,000 nm.
  • the thickness of the above aerogel composite may be 0.1 to 20 mm.
  • the density of the above aerogel composite may be 0.05 to 0.50 g/cm 3 .
  • the above aerogel composite may have a compressive strength of 20 kPa to 80 kPa at 10% strain and a tensile strength of 30 N/cm 2 to 60 N/cm 2 .
  • an aerogel comprising a plurality of open pores and a plurality of silica aerogel particles, wherein when NMR analysis is performed on the aerogel particles using water (H 2 O) as a saturation fluid, the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time (T 1 /T 2 ) may be 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 or 0.4 X 10 3 to 0.9 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time can be 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 /T 2 after heat treatment of the aerogel particles at a temperature of 200°C for 1 hour may be 0.8 to 1.2 times, or 0.85 to 1.1 times, compared to the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles before heat treatment.
  • the present invention relates to an insulating member comprising the aerogel composite.
  • the above insulating member may further include a support member positioned on at least one of the upper and lower surfaces of the aerogel composite.
  • a battery module comprising a module case including an internal space and one or more battery cells positioned in the internal space, wherein the aerogel composite described above can be positioned in the internal space.
  • a battery pack including the above-described battery module.
  • an aerogel composite comprising a fiber substrate; and an aerogel comprising a plurality of open pores.
  • the above “aerogel” includes a plurality of primary aerogel particles having a size of approximately 0 to 10 nm or more and 0 to 5 nm or less, and secondary aerogel particles formed by agglomeration or bonding of these primary aerogel particles, and a plurality of open pores are formed between the primary aerogel particles and between the secondary aerogel particles to form aggregates, thereby forming a three-dimensional network structure of the aerogel.
  • the aerogel may be an inorganic silica aerogel formed from a silicon alkoxide compound or water glass as a precursor.
  • the aerogel may be composed of silica, methylsilylated silica, dimethylsilylated silica, trimethylsilylated silica, or a mixture thereof.
  • the aerogel may have at least a portion of the SiO 2 on the surface of the SiO 2 network having a bonding structure of Si-O-SiO 2 (CH 3 ), Si-O-SiO(CH 3 ) 2 , or Si-O-Si(CH 3 ) 3 .
  • a specific silica aerogel manufacturing process is described in detail below.
  • Aerogel particles may be positioned on the fiber substrate and in the gaps between adjacent fiber substrates.
  • the "aerogel particles” are individual solid unit particles forming an aerogel, and may include both primary aerogel particles having a size of approximately 0 to 10 nm or less, or approximately 0 to 5 nm or less, or approximately 1 nm, and secondary aerogel particles formed by agglomeration of these particles.
  • the aerogel in the aerogel composite is mostly secondary aerogel particles or a form in which these are agglomerated and combined, and a trace amount of primary aerogel particles that do not form secondary aerogel particles may be mixed in.
  • the secondary aerogel particles may have an average particle diameter of approximately 5 to 2,000 nm, 5 to 1,000 nm, 5 to 500 nm, 5 to 100 nm, or 5 to 50 nm, but is not limited thereto.
  • the above average particle size may be measured by any means known to those skilled in the art, including, but not limited to, scanning electron microscopy, dynamic light scattering, optical microscopy, or size exclusion methods.
  • the aerogel may have a matrix skeletal structure including mesopores, and may also include micropores or macropores in addition to the mesopores.
  • mesopores are pores having an average pore diameter in a range of about 2 nm to about 50 nm
  • the "macropores” are pores having an average pore diameter in a range exceeding about 50 nm
  • the "micropores” are pores having an average pore diameter in a range less than about 2 nm.
  • the aerogel may include mesopores in an amount of at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 90%, at least 95%, at least 96%, at least 97%, at least 98%, at least 99%, or 100% of the pore volume of the skeletal structure.
  • the aerogel may include mesopores.
  • the aerogel may include mesopores and micropores.
  • the pore size may be measured by any means known to those skilled in the art, such as, but not limited to, gas adsorption experiments, mercury intrusion, capillary flow porometry, or positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS).
  • the above aerogel composite has a structure in which at least some of a plurality of aerogel particles are dispersed, preferably bonded, on the surface of a substrate including fibers, and at the same time, at least some of the plurality of aerogel particles are dispersed, preferably positioned, in the empty spaces between the fibers within the substrate.
  • the substrate may include discrete fibers, films, sheets, nets, fibers, porous bodies, foams, non-woven fabrics, or laminates of two or more layers thereof.
  • the surface may be formed with surface roughness or patterned.
  • the above fiber substrate is selected from the group consisting of polyester, polyolefin terephthalate, poly(ethylene) naphthalate, polycarbonate (e.g., rayon, nylon), cotton (e.g., Lycra from DuPont), carbon (e.g., graphite), polyacrylonitrile (PAN), oxidized PAN, non-carbonized heat-treated PAN (e.g., from SGL Carbon), glass fiber-based materials (S-glass, 901 glass, 902 glass, 475 glass, E-glass, etc.), silica-based fibers such as quartz (e.g., Quartzel from Saint-Gobain), Q-felt (from Johns Manville), Saffil (from Saffil), Durablanket (from Unifrax) or other silica fibers, Duraback (from carborundum), polyaramid fibers such as Kevlar, Nomex, or Sontera (all from DuPont), Conex (from Tyjin), polyolefins such as
  • the fiber substrate may include glass fiber, basalt fiber or ceramic paper.
  • the thickness of the above fiber substrate may be, but is not limited to, 0.1 to 20 mm.
  • the thickness of the aerogel composite may be, but is not limited to, 0.1 to 20 mm.
  • a surface modification process is used to manufacture aerogel composites to impart hydrophobicity to the composite, preventing degradation of insulation performance due to moisture infiltration when applied as an insulating material.
  • sufficient hydrophobicity must be achieved not only on the surface of the aerogel composite but also within the pores within the aerogel matrix, and these pores must have excellent elasticity and strength. This is essential for maintaining high hydrophobicity and, therefore, excellent insulation performance, even when exposed to high temperatures.
  • nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) analysis was performed to analyze the structural characteristics of the pores included in the aerogel composite of the present invention, particularly the aerogel matrix, and the degree of hydrophobicity inside the pores.
  • the NMR analysis described above is performed by detecting hydrogen atoms ( 1 H) with a non-zero magnetic moment using 600 MHz NMR, and by spectroscopy measurement, relaxation measurement, diffusion measurement, or imaging measurement.
  • the NMR signals of the fluid within the pores of the sample and the fluid outside the sample can be detected.
  • the T 1 relaxation time and the T 2 relaxation time were obtained through NMR analysis.
  • the "T 1 relaxation time” is also called the “longitudinal relaxation time” or the “spin-lattice relaxation time.”
  • the T 1 relaxation time can be obtained by the “inversion recovery method”, which squelches or actually reverses the magnetization by appropriately applying a sufficiently strong RF pulse.
  • the "T 2 relaxation time”, also called the transverse relaxation time or spin-spin relaxation time, is determined by the interaction between the molecular properties of the saturated fluid within the pores of the sample and the pore network structure.
  • the T 2 relaxation time can be obtained using the Car-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) echo sequence.
  • CPMG Car-Purcell-Meiboom-Gill
  • the fluid saturated within the pores of the sample has more restricted movement than the general bulk fluid molecules due to structural and chemical interactions in the limited space within the pores, which causes the T 1 relaxation time and T 2 relaxation time to decrease.
  • the T 2 relaxation time is greatly affected by the interaction between the molecular properties of the saturated fluid within the pores and the pore network structure.
  • the values of T 1 relaxation time and T 2 relaxation time are greatly reduced, but the 1 HT 1 /T 2 ratio at this time is maintained at a similar value regardless of the concentration of the paramagnetic material included (RSC Adv., 2017, 7, 36163-36167 literature).
  • the T 1 /T 2 ratio reflects only the information inside the pores excluding the paramagnetic effect
  • information on the pores was obtained from the value of the 1 HT 1 /T 2 ratio in order to determine the characteristics of the pores regardless of the presence or absence of the paramagnetic material in the aerogel sample.
  • water (H 2 O) fluid was used as a saturation fluid in order to determine the degree of hydrophobicity inside the pores as well as the structural characteristics (size, complexity, etc. ) inside the pores during NMR analysis.
  • the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time was 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.4 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.4 X 10 3 to 0.9 X 10 3 , 0.45 X 10 3 It is characterized by being 0.9 X 10 3 , or 0.5 X 10 3 to 0.9 X 10 3 .
  • the above NMR analysis was performed on aerogel powder (aerogel particles) detached from an aerogel composite.
  • the aerogel powder may be obtained from a specimen piece obtained by cutting a portion of an aerogel composite manufactured in a rectangular shape (for example, a size of 60 cm X 12 cm in width X length, but is not limited thereto) or a portion thereof.
  • the aerogel powder used for analysis in the present invention can be prepared through the following process: An aerogel composite measuring 60 cm X 12 cm in length X width was placed in a sealed container, and then repeatedly shaken up and down to induce the detachment of the aerogel powder. To remove the fiber substrate mixed in the detached aerogel powder, the fiber substrate that was visible to the naked eye was first removed using tweezers. Thereafter, the aerogel powder was placed in a 100 ml vial, and distilled water was added at a weight ratio of approximately 1:130 (powder:distilled water), and then the vial was shaken vigorously 50 times.
  • the final obtained aerogel powder sample needs to be at least 150 mg.
  • the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles after the heat treatment is maintained at a level equivalent to the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles before the heat treatment.
  • the ratio of the T 1 relaxation time to the T 2 relaxation time (T 1 /T 2 ) in NMR analysis of the aerogel particles detached from the aerogel composite after heat treatment at a temperature of 200 °C ( ⁇ 5 °C ) for 1 hour using a water solvent is 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.55 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.6 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.4 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.55 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.6 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.4 X 10 3 to 0.9 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 0.9 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to
  • the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles may be 0.8 to 1.2 times, 0.85 to 1.2 times, 0.8 to 1.15 times, 0.85 to 1.15 times, 0.8 to 1.1 times, or 0.85 to 1.1 times the ratio of T 1 / T 2 for the aerogel particles before the heat treatment.
  • the temperature (or temperature range) described in this specification in relation to heat treatment, etc. has an error range of approximately ⁇ 5 °C.
  • the aerogel composite according to the present invention contains a limited proportion of pores having a small diameter size, has excellent pore strength, and sufficient hydrophobicity occurs not only on the surface of the aerogel composite but also within the aerogel matrix, particularly within the pores, so that even when heated at high temperatures, the degree of pore shrinkage is very low, and accordingly, high thermal insulation can be maintained even when exposed to a high temperature environment.
  • the small pore size necessitates surface modification with a high concentration of hydrophobic agent for a long period of time to ensure sufficient diffusion of the hydrophobic agent within the pores and sufficient hydrophobicity. Accordingly, the present invention limits the inclusion of pores with diameters of 5 to 20 nm within the aerogel to a limited proportion.
  • the above aerogel may contain pores having a pore diameter of 5 to 20 nm, which may be 25% or less, or 10% or more and 25% or less, of the pore volume of the skeletal structure, but is not limited thereto.
  • the moisture impregnation rate (weight%) expressed by the following equation 1 may be 4 weight% or less.
  • Moisture Impregnation Rate (wt%) ⁇ (Weight of specimen after impregnation - Weight of specimen before impregnation) / (Weight of specimen before impregnation) ⁇ X 100
  • the moisture impregnation rate can be calculated by floating a 100 mm x 100 mm sized aerogel composite specimen on distilled water at 21 ⁇ 2°C, placing a 6.4 mm mesh screen on the specimen, submerging it to 127 mm below the water surface, removing the mesh screen after 15 minutes, and when the specimen floats, picking up the specimen with a clamp and hanging it vertically for 60 ⁇ 5 seconds, and then measuring the weight before and after impregnation, respectively, to measure the weight increase rate.
  • a lower moisture impregnation rate indicates a higher degree of hydrophobicity of the aerogel composite.
  • the surface water repellency and cross-sectional water repellency for evaluating the degree of hydrophobicity on the surface and the degree of hydrophobicity inside the aerogel composite, respectively can both be measured using the above Equation 1, and can be measured by changing the specimen used at this time.
  • the moisture impregnation rate measured using a relatively large aerogel composite specimen of 100 mm X 100 mm in size, similar to the size of a commercially used aerogel composite refers to the water repellency on the surface of the aerogel composite.
  • a small surface water impregnation rate means a high degree of hydrophobicity on the surface of the aerogel composite.
  • the surface water repellency of the aerogel composite calculated through the above Equation 1 may be 4 wt% or less, or 3.5 wt% or less.
  • the moisture saturation rate measured using aerogel composite specimens cut into relatively small pieces refers to the water repellency at the cross-section of the aerogel composite.
  • a small cross-section moisture saturation rate means that the hydrophobicity is high not only on the surface but also on the inside of the aerogel composite.
  • the cross-section water repellency of the aerogel composite calculated through the above equation 1 may be 4 wt% or less, or 3 wt% or less, or 2 wt% or less.
  • the aerogel composite may have high hydrophobicity even when heated at a high temperature of 200°C.
  • the surface water repellency measured according to Equation 1 may be 10 wt% or less, or 5 wt% or less.
  • the aerogel composite may have high hydrophobicity even when heated at a high temperature of 200°C.
  • the cross-sectional water repellency measured according to Equation 1 may be 10 wt% or less, or 5 wt% or less.
  • the aerogel composite may have a water vapor absorption rate of 2.5 wt% or less, as expressed by Equation 2 below.
  • the water vapor absorption rate is the amount of water absorbed by the aerogel composite or remaining in the aerogel composite after exposing the aerogel composite to water vapor under specific measurement conditions, expressed as wt%.
  • the water vapor absorption rate can be measured by a known method of ASTM C1104.
  • Water vapor absorption rate (weight %) ⁇ (weight of specimen after experiment - weight of specimen before experiment) / (weight of specimen before experiment) ⁇ X 100
  • the aerogel composite may have a thermal conductivity at room temperature (23 ⁇ 2 °C) of 30.0 mW/mK or less, 25.0 mW/mK or less, or 20.0 mW/mK or less, and has the effect of maximizing the insulation properties of the aerogel composite within this range.
  • the above aerogel composite may have a high temperature (150°C) thermal conductivity of 35.0 mW/mK or less, 30.0 mW/mK or less, or 25.0 mW/mK or less, and has the effect of maximizing the thermal insulation properties of the aerogel composite within this range.
  • the above aerogel composite may have excellent mechanical strength, with a compressive strength at 10% strain of 20 kPa to 80 kPA, 20 kPa to 70 kPA, 30 kPa to 80 KPa, 30 kPa to 70 kPA, 35 kPa to 80 kPA, or 35 kPa to 70 kPA.
  • the compressive strength may be measured by manufacturing a specimen according to the ASTM C165 standard.
  • the above aerogel composite may have excellent flexibility, with a tensile strength of 30 N/cm 2 to 60 N/cm 2 , 40 N/cm 2 to 55 N/cm 2 , or 45 N/cm 2 to 55 N/cm 2 .
  • the tensile strength may be measured by manufacturing a specimen according to the ASTM D638 standard.
  • the density of the aerogel composite may be, but is not limited to , 0.05 to 0.50 g/cm 3 , 0.05 to 0.35 g/cm 3 , 0.05 to 0.30 g/cm 3 , 0.10 to 0.35 g/cm 3 , 0.10 to 0.30 g/cm 3 , 0.15 to 0.35 g/cm 3 or 0.15 to 0.30 g/cm 3 .
  • the aerogel composite can be formed by a step of preparing a silica sol; a gelation step after impregnating a fiber substrate with the silica sol; a maturation step; a surface modification step; and a drying step.
  • a step of preparing a silica sol a gelation step after impregnating a fiber substrate with the silica sol
  • a maturation step a surface modification step
  • a drying step a drying step.
  • a silica sol can be prepared by mixing a silica precursor composition and a catalyst composition.
  • the above silica precursor composition may include water and/or a polar organic solvent in the silica precursor.
  • the above silica precursor can be any precursor that can be used to form a silica aerogel without limitation, and may be, for example, a silicon-containing alkoxide compound.
  • TMOS tetramethyl orthosilicate
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • methyl triethyl orthosilicate dimethyl diethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate, tetraisopropyl orthosilicate, tetrabutyl orthosilicate, tetra secondary butyl orthosilicate, tetra tertiary butyl orthosilicate, tetrahexyl orthosilicate, and tetracyclohexyl orthosilicate.
  • the silica precursor may be tetramethyl orthosilicate (TMOS), tetraethyl orthosilicate (TEOS), or a mixture thereof.
  • TMOS tetramethyl orthosilicate
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • the silica precursor may be a water glass solution.
  • the water glass solution may refer to a diluted solution obtained by adding distilled water to water glass and mixing it, and the water glass may be sodium silicate (Na 2 SiO 3 ), which is an alkaline silicate obtained by dissolving silicon dioxide (SiO 2 ) and an alkali.
  • the silica precursor may include pre-hydrolyzed TEOS (HTEOS).
  • HTEOS is an ethyl silicate oligomer material having a wide molecular weight distribution. Since the properties such as gelation time can be controlled when synthesizing it in the form of an oligomer from a TEOS monomer, it can be easily applied according to the user's reaction conditions. In addition, it has the advantage of producing reproducible properties of the final product.
  • the HTEOS may be synthesized by a condensation reaction of TEOS that has undergone a partial hydration step under acidic conditions. That is, the HTEOS may be in the form of an oligomer manufactured by condensing TEOS, and the oligomer may be a partially hydrated form.
  • the above silica precursor composition can increase pore strength by imparting elasticity to the aerogel structure by further including a silicate containing a hydrophobic group, and can also induce hydrophobicity within the aerogel matrix.
  • the silicate containing the hydrophobic group is not limited in type as long as it is an alkyl silane compound containing an alkyl group that induces hydrophobicity and a silane functional group that can react with the -Si-O- functional group of the wet gel.
  • MTES methyltriethoxysilane
  • TMES trimethylethoxysilane
  • TMS trimethylsilanol
  • MTMS methyltrimethoxysilane
  • DMDEOS dimethyldiethoxysilane
  • ETES ethyltriethoxysilane
  • PTES phenyltriethoxysilane
  • the silica precursor composition includes a silicate containing the hydrophobic group
  • it may be included in a molar ratio of 2:98 to 98:2 with the tetraalkyl silicate (molar ratio of the hydrophobic group-containing silicate: tetraalkyl silicate).
  • molar ratio of the hydrophobic group-containing silicate: tetraalkyl silicate molar ratio of the hydrophobic group-containing silicate: tetraalkyl silicate.
  • the silica concentration of the above silica precursor composition may be, but is not limited to, 10 kg/m 3 to 100 kg /m 3 , 20 kg/m 3 to 80 kg/m 3 , 30 kg/m 3 to 70 kg/m 3 , 30 kg/m 3 to 60 kg/m 3 , or 35 kg/m 3 to 45 kg/m 3 .
  • the silica concentration is the concentration of silica contained in the silica precursor for the silica precursor composition, and can be appropriately adjusted by varying the contents of the silica precursor, organic solvent, and water.
  • the above silica precursor may be used in an amount such that the silica content contained in the silica sol is 0.1 wt% to 30 wt%, but is not limited thereto.
  • the silica content satisfies the above range, the mechanical properties of the aerogel composite, particularly flexibility, can be secured at an excellent level while also having an improved insulating effect.
  • the polar organic solvent may include an alcohol, and specific examples thereof include monohydric alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, or butanol; polyhydric alcohols such as glycerol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, or sorbitol; or combinations thereof; but other solvents known to those skilled in the art may also be used without limitation.
  • the polar organic solvent may be a monohydric alcohol having 1 to 6 carbon atoms, such as methanol, ethanol, isopropanol, or butanol, considering miscibility with water and aerogel, for example, ethanol.
  • the above polar organic solvent can be used in an appropriate amount by a person skilled in the art, taking into account the degree of hydrophobicity in the final aerogel composite to be manufactured while promoting the surface modification reaction.
  • the silica precursor and the organic solvent may be mixed in a weight ratio of 1:0.1 to 5, or 1:0.5 to 3, but the present invention is not limited thereto.
  • the silica precursor composition includes a silicate having a hydrophobic group
  • a mixture of the silicate having a hydrophobic group and the tetraalkyl silicate and the organic solvent may be mixed in the weight ratio described above.
  • the silica precursor and water may be mixed in a molar ratio of 1:0.5 to 10, 1:1 to 8, or 1:3 to 6, but the present invention is not limited thereto.
  • the silica precursor composition includes a silicate having a hydrophobic group
  • a mixture of the silicate having a hydrophobic group and tetraalkyl silicate and water may be mixed in the molar ratio.
  • the above silica precursor composition may further comprise an acid catalyst, and specifically, when an alkoxy silane compound other than a hydrolyzate is used as a precursor, an acid catalyst may be further comprised.
  • the acid catalyst may be used without limitation as long as it makes the pH 3 or lower, and examples thereof include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, oxalic acid, or acetic acid.
  • the acid catalyst may be added in an amount such that the pH of the sol becomes 3 or lower, and may be added in the form of an aqueous solution dissolved in an aqueous solvent.
  • the above catalyst composition may include an inorganic base such as sodium hydroxide or potassium hydroxide as a base catalyst; or an organic base such as ammonium hydroxide.
  • an inorganic base such as sodium hydroxide or potassium hydroxide as a base catalyst
  • an organic base such as ammonium hydroxide.
  • Specific examples include sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), ammonia (NH 3 ), ammonium hydroxide (NH 4 OH; ammonia water), tetramethylammonium hydroxide (TMAH), tetraethylammonium hydroxide (TEAH), tetrapropylammonium hydroxide (TPAH), tetrabutylammonium hydroxide (TBAH), methylamine, ethylamine, isopropylamine, monoisopropylamine, diethylamine, diisopropylamine, dibutylamine, trimethylamine
  • the above-mentioned base catalyst may be included in an amount such that the pH of the sol is 5 to 9. If the pH of the sol is outside the above range, gelation may not be easy or the gelation speed may be excessively slow, which may deteriorate the processability.
  • the base since the base may precipitate when introduced in a solid state, it may be added in the form of a solution diluted with an aqueous solvent or the above-mentioned organic solvent.
  • the dilution ratio of the base catalyst and the organic solvent, specifically, alcohol may be 1:4 to 1:100 by volume, but is not limited thereto.
  • the silica precursor composition and the catalyst composition may be mixed in a volume ratio of 1:0.01 to 10.0, 1:0.01 to 5.0, or 1:0.01 to 2.0, but is not limited thereto.
  • Additives may be further added to the silica sol as needed. Any known additives that can be added during the manufacture of aerogels may be used, including, for example, opacifiers and flame retardants.
  • the above additive may be added in an amount of 0.1 wt% to 10 wt%, 0.1 wt% to 7 wt%, 0.5 wt% to 7 wt%, or 0.5 wt% to 5 wt% relative to the silica content of the aerogel, but is not limited thereto.
  • the silica sol can be gelated after impregnating the substrate with the silica sol.
  • the above impregnation process is a process for allowing the catalyzed silica sol to penetrate the internal pores of the substrate, and can be performed by placing the catalyzed silica sol and the substrate into a reaction vessel, or by spraying the catalyzed silica sol onto the substrate moving on a conveyor belt according to a roll-to-roll process.
  • the substrate can be lightly pressed to ensure sufficient impregnation to improve the bonding between the substrate and the silica sol.
  • the material can be pressed to a certain thickness at a certain pressure to remove excess silica sol, thereby reducing the drying time.
  • the temperature of the silica sol in the reaction vessel may be 1 to 40° C., 20 to 40° C., 25 to 40° C., 30 to 40° C., or 35 to 45° C.
  • the temperature of the silica sol in the reaction vessel satisfies the above range, the above-mentioned viscosity range of the catalyzed sol can be more easily achieved, and the desired viscosity range can be satisfied even with a relatively short residence time.
  • the above catalyzed silica sol can be impregnated into the substrate at a volume ratio of 0.1 to 10:1 (catalyzed silica sol:substrate), 0.1 to 1:1, 0.3 to 1:1, 0.5 to 1:1, or 0.6 to 1:1, but is not limited thereto.
  • the density ratio of the fiber substrate and the aerogel within the aerogel composite can be controlled. Setting the density ratio of the fiber substrate and the aerogel to 1:0.6 to 1 can increase the strength of the aerogel composite.
  • the silica sol impregnated into the substrate can be gelled simultaneously with the impregnation process of the above silica sol or sequentially after the impregnation process.
  • the above catalyzed sol-impregnated substrate can be gelled on a moving element such as a conveyor belt.
  • the above “gelation” may refer to a sol-gel reaction, and the above “sol-gel reaction” may refer to forming a network structure from a silicon unit precursor material.
  • the network structure may refer to a planar net-shaped structure in which a specific polygon having one or more types of atomic arrangements is connected, or a structure in which a three-dimensional skeletal structure is formed by sharing vertices, edges, faces, etc. of a specific polyhedron.
  • the above gelation can be performed under an ambient temperature of 20 to 40°C, 20 to 30°C, 25 to 40°C, 30 to 40°C or 35 to 40°C, for example, but not limited to, performing the gelation under an ambient temperature of 30 to 40°C or 35 to 40°C can increase the strength of the pores in the aerogel composite.
  • the above gelation may be performed for 1 to 120 minutes, 1 to 100 minutes, 1 to 60 minutes, 5 to 60 minutes, 5 to 40 minutes, 10 to 40 minutes, 10 to 30 minutes, or 10 to 20 minutes, but may be appropriately adjusted by considering the gelation temperature, the amount of silica sol, etc.
  • the present invention may further include, if necessary, a maturation step in which the wet gel composite obtained through gelation as described above is left at an appropriate temperature to ensure complete chemical change.
  • the maturation step further strengthens the network structure formed through gelation, thereby enhancing the mechanical stability of the aerogel composite.
  • the above maturation step can be performed by leaving the gelled wet gel complex at an appropriate temperature as is or by adding a cross-linking promoting compound.
  • a solution of a base catalyst such as sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), triethylamine, or pyridine diluted in an organic solvent at a concentration of 1 to 10% may be added.
  • a base catalyst such as sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), triethylamine, or pyridine diluted in an organic solvent at a concentration of 1 to 10%
  • the organic solvent may be the aforementioned alcohol, and specifically, may include ethanol.
  • the alkoxy silane compound may be included in an amount of 0.5 parts by weight to 9.5 parts by weight, 1.0 parts by weight to 9.5 parts by weight, or 1.5 parts by weight to 9.5 parts by weight relative to 100 parts by weight of the total maturation solution.
  • the above alkoxy silane compounds include tetramethyl orthosilicate (TMOS), tetraethyl orthosilicate (TEOS), methyl triethyl orthosilicate, dimethyl diethyl orthosilicate, tetrapropyl orthosilicate, tetraisopropyl orthosilicate, tetrabutyl orthosilicate, tetra secondary butyl orthosilicate, tetra tertiary butyl orthosilicate, tetrahexyl orthosilicate, and tetracyclohexyl.
  • TMOS tetramethyl orthosilicate
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • methyl triethyl orthosilicate dimethyl diethyl orthosilicate
  • tetrapropyl orthosilicate tetraisopropyl orthosilicate
  • tetrabutyl orthosilicate tetra secondary buty
  • It may include at least one selected from the group consisting of tetracyclohexyl orthosilicate, tetradodecyl orthosilicate, methyltrimethoxysilane (MTMS), methyltriethoxysilane (MTES), trimethylethoxysilane (TMES), trimethylsilanol (TMS), trimethylchlorosilane (TMCS), ethyltriethoxysilane (ETES), dimethyldiethoxysilane (DMDEOS), and phenyltriethoxysilane.
  • MTMS methyltrimethoxysilane
  • MTES methyltriethoxysilane
  • TMES trimethylethoxysilane
  • TMS trimethylsilanol
  • TMCS trimethylchlorosilane
  • ETES ethyltriethoxysilane
  • DMDEOS dimethyldiethoxysilane
  • phenyltriethoxysilane phen
  • the alcohol may be a monohydric alcohol such as methanol, ethanol, isopropanol, or butanol; or a polyhydric alcohol such as glycerol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, or sorbitol; and may be, for example, a monohydric alcohol having 1 to 6 carbon atoms such as methanol, ethanol, isopropanol, or butanol, for example, ethanol, but is not limited thereto.
  • the above maturation step can be performed at a temperature of 30°C to 80°C, 40°C to 80°C, or 50°C to 80°C for 0.1 to 20 hours, 0.5 to 15 hours, 0.5 to 10 hours, 0.5 to 7 hours, or 1 to 5 hours to strengthen the pore structure, and within this range, a decrease in productivity can be prevented while preventing loss of solvent due to evaporation, thereby preventing an increase in production cost.
  • the above maturation step may be performed firstly by leaving the mixture at 30°C to 80°C for 0.1 to 5 hours to strengthen the pore structure, and then a solution of the above-mentioned base catalyst diluted in an organic solvent may be added to perform second maturation at 30°C to 80°C for 0.1 to 20 hours, 0.5 to 15 hours, 0.5 to 10 hours, 0.5 to 7 hours, or 1 to 5 hours.
  • the maturation step may be performed first as described above to strengthen the pore structure as well as hydrophobize the inside of the pores, and then a mixed solution of an alkoxy silane compound and alcohol may be added to perform second maturation at 30°C to 80°C for 0.1 to 20 hours, 0.5 to 15 hours, 0.5 to 10 hours, 0.5 to 7 hours, or 1 to 5 hours.
  • the above maturation step may be performed in a separate reaction vessel after recovering the gelled wet gel composite, or may be performed inside the reaction vessel in which the gelling step was performed.
  • a surface modification step may be further included to hydrophobize the surface of the wet gel composite obtained by gelation as described above or the matured wet gel composite in the presence of a surface modifier.
  • the surface modifier may be any compound that hydrophobicizes the surface of the wet gel without limitation, and may be, for example, a silane-based compound, a siloxane-based compound, a silanol-based compound, a silazane-based compound, or a combination thereof.
  • silane compounds including trimethylchlorosilane (TMCS), dimethyldimethoxysilane, dimethyl diethoxysilane, methyltrimethoxysilane (MTMS), methyltriethoxysilane (MTES), trimethylethoxysilane (TMES), vinyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, phenyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, tetraethoxysilane, dimethyldichlorosilane, or 3-aminopropyltriethoxysilane; siloxane compounds including polydimethyl siloxane, polydiethyl siloxane, or octamethyl cyclotetrasiloxane; Silanol compounds including trimethylsilanol, triethylsilanol, triphenylsilanol, and t-butyldimethylsilanol; Sila
  • the above surface modifier may be used in the form of a solution diluted in an organic solvent.
  • the organic solvent may be alcohol (organic solvent), and the surface modifier may be diluted to 1 to 15% by volume based on the total volume of the diluted solution.
  • the surface modifier may be added in an amount of 0.01 to 90 volume% to the wet gel composite to achieve a sufficient surface modification effect, but is not limited thereto.
  • the above surface modification step may be performed at a temperature of 50 to 90°C or 50 to 80°C for 1 to 24 hours, or 6 to 12 hours, but is not limited thereto.
  • the present invention may include a drying step of drying the surface-modified wet gel composite to obtain an aerogel composite.
  • the above drying is performed by a process of removing only the solvent while maintaining the pore structure of the matured gel, and can be performed by, for example, supercritical drying or atmospheric pressure drying.
  • the above supercritical drying process is performed using supercritical carbon dioxide.
  • a matured wet gel composite is placed in a supercritical drying reactor, then liquid CO2 is filled, and a solvent replacement process is performed to replace the alcohol solvent inside the wet gel with CO2.
  • the temperature is increased to a temperature of 40 to 70°C at a constant temperature increase rate, for example, 0.1 to 1°C/min, and then a pressure higher than the pressure at which carbon dioxide becomes supercritical, for example, a pressure of 100 to 150 bar, is maintained so that the carbon dioxide can be maintained in the supercritical state for a certain period of time, specifically, 20 minutes to 1 hour.
  • carbon dioxide becomes supercritical at a temperature of 31°C and a pressure of 73.8 bar.
  • An aerogel composite can be manufactured by maintaining the carbon dioxide at a certain temperature and pressure at which it becomes supercritical for 2 to 12 hours, more specifically, 2 to 6 hours, and then gradually removing the pressure to complete the supercritical drying process, but is not limited thereto.
  • the above atmospheric pressure drying process can be performed for 30 minutes to 4 hours using a conventional method such as hot air drying or IR drying at a temperature of 70 to 200°C and atmospheric pressure (1 ⁇ 0.3 atm), but is not limited thereto.
  • the present invention also includes acidification of a basic metal oxide precursor (e.g., sodium silicate) in water to prepare a hydrogel.
  • Salt byproducts can be removed from the silicate precursor by ion exchange and/or by subsequent washing of the formed gel with water. Removal of water from the pores of the gel can be accomplished by exchange with a polar organic solvent, such as ethanol, methanol, or acetone.
  • a polar organic solvent such as ethanol, methanol, or acetone.
  • the liquid phase within the gel is then at least partially extracted using innovative processing and extraction techniques.
  • the present invention includes reducing damaging capillary forces at the solvent/pore interface by chemically modifying the matrix material in a wet gel state through conversion of surface hydroxyl groups into hydrophobic trimethylsilyl ether, thereby enabling liquid phase extraction from the gel material at a temperature and pressure below the critical point of the solvent.
  • the present invention allows the liquid (solvent) within the gel material to be frozen at a lower temperature, followed by a sublimation process to remove the solvent from the gel material.
  • a sublimation process to remove the solvent from the gel material.
  • the aerogel composite provided by the present invention can be usefully used as an insulating material, heat-insulating material, or fire-retardant material for various industrial facilities, such as pipes or industrial furnaces, as well as for heat-insulating plant facilities, such as aircraft, ships, automobiles, electronic devices, and batteries.
  • an aerogel comprising a plurality of open pores and a plurality of silica aerogel particles.
  • the above aerogel may be detached from the aerogel composite provided in the present invention.
  • the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time was 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.4 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.4 X 10 3 to 0.9 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 0.9 X 10 3 10 3 , or 0.5 X 10 3 to 0.9 X 10 3 .
  • the ratio of T 1 relaxation time to T 2 relaxation time (T 1 /T 2 ) in NMR analysis using water solvent for the aerogel particles after heat treatment at a temperature of 200 °C ( ⁇ 5 °C) for 1 hour is 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.55 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.6 X 10 3 to 1.0 X 10 3 , 0.4 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.55 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.6 X 10 3 to 0.95 X 10 3 , 0.4 X 10 3 to 0.9 X 10 3 , 0.45 X 10 3 to 0.9 X 10 3 , 0.5 X 10 3 to 0.9 X 10 3 , 0.0
  • the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles may be 0.8 to 1.2 times, 0.85 to 1.2 times, 0.8 to 1.15 times, 0.85 to 1.15 times, 0.8 to 1.1 times, or 0.85 to 1.1 times the ratio of T 1 /T 2 for the aerogel particles before the heat treatment.
  • the above aerogel may contain pores having a pore diameter of 5 to 20 nm, which may be 25% or less, or 10% or more and 25% or less, of the pore volume of the skeletal structure, but is not limited thereto.
  • an insulating member comprising an aerogel composite provided by the present invention.
  • the above insulating member may include the above-described aerogel composite and a support member positioned on at least one of the upper and lower surfaces of the aerogel composite.
  • Examples of the above-mentioned support member include a film-like support member, a sheet-like support member, a thin support member, a porous support member, and the like.
  • the above film-shaped support member is formed into a thin film from a polymer raw material, and examples thereof include organic films such as PET and polyimide, glass films, etc. (including metal deposition films).
  • the above sheet-like support member is formed from a fiber-like raw material of organic, inorganic or metallic origin, and may include paper, non-woven fabric (including glass mat), organic fiber fabric, glass cloth, etc.
  • the above-mentioned thin support member is formed by forming a metal raw material into a thin film, and examples thereof include aluminum foil or copper foil.
  • the above porous support member has a porous structure made of organic, inorganic or metal raw materials, and may be a porous organic material (e.g., polyurethane foam), a porous inorganic material (e.g., zeolite sheet), or a porous metal material (e.g., porous metal sheet, porous aluminum sheet).
  • a porous organic material e.g., polyurethane foam
  • a porous inorganic material e.g., zeolite sheet
  • a porous metal material e.g., porous metal sheet, porous aluminum sheet.
  • the thickness of the above-mentioned support member is not particularly limited and may be, for example, 0.1 to 100 ⁇ m, or 1 to 50 ⁇ m.
  • the above insulating material can also be applied as an insulating material, heat-insulating material, or fire-retardant material in the fields of construction, aviation, automobiles, batteries, home appliances, semiconductors, and industrial equipment.
  • a battery module or battery pack comprising an aerogel composite according to the present invention.
  • the battery module may include a module case having an internal space and one or more battery cells located within the internal space.
  • the number of battery cells accommodated in the module case is not particularly limited and may be adjusted according to the purpose of the battery module.
  • the battery cells accommodated in the module case may be electrically connected to each other.
  • the type of battery cells accommodated in the module case is not limited, but for example, the battery module may include cylindrical, square, or pouch-shaped case battery cells.
  • the battery module may include an aerogel composite according to the present disclosure within a module case of the battery module.
  • the aerogel composite may be positioned between battery cells accommodated within the module case.
  • the aerogel composite may be positioned between the module case and a plurality of battery cells, i.e., at the periphery of the module case.
  • the aerogel composite positioned within the module case may act as an insulator, thereby reducing heat transfer within the battery module and enhancing the safety of the battery module.
  • the battery pack may include one or more of the battery modules.
  • the battery modules may be electrically connected to each other.
  • the battery pack may include an aerogel composite according to the present disclosure.
  • the aerogel composite may be positioned between the battery modules of the battery pack.
  • the aerogel composite may also at least partially surround a plurality of battery modules within the battery pack.
  • the aerogel composite may act as an insulating material within the battery pack, thereby reducing heat transfer and enhancing the safety of the battery pack.
  • a silica precursor composition was prepared by mixing methyltriethoxysilane (MTES) and TEOS in a molar ratio of 1:1.
  • the silica precursor composition and water were mixed in a molar ratio of 1:5, and ethanol was added in a weight ratio of 1:2 to the silica precursor composition to prepare a silica sol.
  • Hydrochloric acid was added so that the pH of the silica sol was 3 or lower to promote hydrolysis.
  • a catalyzed silica sol was prepared by adding the silica sol and a base catalyst solution (10 wt% NaOH aqueous solution) in a volume ratio of 99:1.
  • a fiber glass fiber mat, 3 mm
  • the fiber which had passed through the impregnation tank and was infiltrated with the catalyzed sol, passed on a conveyor belt at a constant speed and was gelled. At this time, the ambient temperature on the conveyor belt was maintained at 25°C.
  • TEOS tetraethylorthosilicate
  • the temperature inside the extractor was increased to 70 °C over 1 hour and 20 minutes, and when 70 °C and 150 bar were reached, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. Thereafter, CO2 was vented over 2 hours to manufacture a hydrophobic silica aerogel composite.
  • a silica precursor composition was prepared by mixing methyltriethoxysilane (MTES) and TEOS in a molar ratio of 7:3.
  • the silica precursor composition and water were mixed in a molar ratio of 1:5, and ethanol was added in a weight ratio of 1:2 to the silica precursor composition to prepare a silica sol.
  • Hydrochloric acid was added so that the pH of the silica sol was 3 or lower to promote hydrolysis.
  • a catalyzed silica sol was prepared by adding the silica sol and a base catalyst solution (10 wt% NaOH aqueous solution) in a volume ratio of 99:1.
  • a fiber glass fiber mat, 3 mm
  • the fiber which had passed through the impregnation tank and was infiltrated with the catalyzed sol, passed on a conveyor belt at a constant speed and was gelled. At this time, the ambient temperature on the conveyor belt was maintained at 35 °C.
  • TEOS tetraethylorthosilicate
  • a solution (10 vol.%) of trimethylethoxysilane (TMES) diluted in ethanol as a surface modifier was added to the wet gel composite in an amount of 90 vol.% based on the volume of the wet gel composite, and then surface modification was performed at a temperature of 75 °C. 8 hours It was performed during.
  • a silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO2 was injected. The temperature inside the extractor was then raised to 70 °C over 1 hour and 20 minutes, and when it reached 70 °C and 150 bar, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. Thereafter, CO2 was vented over 2 hours to manufacture a hydrophobic silica aerogel composite.
  • TMES trimethylethoxysilane
  • a silica precursor composition was prepared by mixing methyltriethoxysilane (MTES) and TEOS in a molar ratio of 7:3.
  • the silica precursor composition and water were mixed in a molar ratio of 1:5, and ethanol was added in a weight ratio of 1:2 to the silica precursor composition to prepare a silica sol.
  • Hydrochloric acid was added so that the pH of the silica sol was 3 or lower to promote hydrolysis.
  • a catalyzed silica sol was prepared by adding the silica sol and a base catalyst solution (10 wt% NaOH aqueous solution) in a volume ratio of 99:1.
  • a fiber glass fiber mat, 3 mm
  • the fiber which had passed through the impregnation tank and was infiltrated with the catalyzed sol, passed on a conveyor belt at a constant speed and was gelled. At this time, the ambient temperature on the conveyor belt was maintained at 25 °C.
  • the silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO2 was injected. Afterwards, the temperature inside the extractor was increased to 70 °C over 1 hour and 20 minutes, and when 70 °C and 150 bar were reached, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. Thereafter, CO2 was vented over 2 hours to manufacture a hydrophobic silica aerogel composite.
  • a silica precursor composition was prepared by mixing methyltriethoxysilane (MTES) and TEOS in a molar ratio of 7:3.
  • the silica precursor composition and water were mixed in a molar ratio of 1:5, and ethanol was added in a weight ratio of 1:2 to the silica precursor composition to prepare a silica sol.
  • Hydrochloric acid was added so that the pH of the silica sol was 3 or lower to promote hydrolysis.
  • a catalyzed silica sol was prepared by adding the silica sol and a base catalyst solution (10 wt% NaOH aqueous solution) in a volume ratio of 99:1.
  • a fiber glass fiber mat, 3 mm
  • the fiber which had passed through the impregnation tank and was infiltrated with the catalyzed sol, passed on a conveyor belt at a constant speed and was gelled. At this time, the ambient temperature on the conveyor belt was maintained at 35 °C.
  • a solution (10 vol.%) of trimethylethoxysilane (TMES) diluted in ethanol as a surface modifier was added to the wet gel composite in an amount of 90 vol.% based on the volume of the wet gel composite, and then surface modification was performed at a temperature of 75 °C for 10 hours.
  • the silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO2 was injected. Afterwards, the temperature inside the extractor was increased to 70 °C over 1 hour and 20 minutes, and when 70 °C and 150 bar were reached, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. Thereafter, CO2 was vented over 2 hours to manufacture a hydrophobic silica aerogel composite.
  • TMES trimethylethoxysilane
  • a silica precursor composition was prepared by mixing methyltriethoxysilane (MTES) and TEOS in a molar ratio of 7:3.
  • the silica precursor composition and water were mixed in a molar ratio of 1:5, and ethanol was added in a weight ratio of 1:2 to the silica precursor composition to prepare a silica sol.
  • Hydrochloric acid was added so that the pH of the silica sol was 3 or lower to promote hydrolysis.
  • a catalyzed silica sol was prepared by adding the silica sol and a base catalyst solution (10 wt% NaOH aqueous solution) in a volume ratio of 99:1.
  • a fiber glass fiber mat, 3 mm
  • the fiber which had passed through the impregnation tank and was infiltrated with the catalyzed sol, passed on a conveyor belt at a constant speed and was gelled. At this time, the ambient temperature on the conveyor belt was maintained at 25 °C.
  • TMES trimethylethoxysilane
  • the silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO2 was injected. Afterwards, the temperature inside the extractor was increased to 70 °C over 1 hour and 20 minutes, and when 70 °C and 150 bar were reached, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. Thereafter, CO2 was vented over 2 hours to manufacture a hydrophobic silica aerogel composite.
  • a silica precursor composition was prepared by mixing methyltriethoxysilane (MTES) and TEOS in a molar ratio of 9:1.
  • the silica precursor composition and water were mixed in a molar ratio of 1:5, and ethanol was added in a weight ratio of 1:2 to the silica precursor composition to prepare a silica sol.
  • Hydrochloric acid was added so that the pH of the silica sol was 3 or lower to promote hydrolysis.
  • a catalyzed silica sol was prepared by adding the silica sol and a base catalyst solution (10 wt% NaOH aqueous solution) in a volume ratio of 99:1.
  • a fiber glass fiber mat, 3 mm
  • the fiber which had passed through the impregnation tank and was infiltrated with the catalyzed sol, passed on a conveyor belt at a constant speed and was gelled. At this time, the ambient temperature on the conveyor belt was maintained at 25 °C.
  • a silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO2 was injected. Thereafter, the temperature inside the extractor was increased to 70 °C over 1 hour and 20 minutes, and when 70 °C and 150 bar were reached, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. Thereafter, CO2 was vented over a period of 2 hours to manufacture a hydrophobic silica aerogel composite.
  • a silica precursor solution was prepared by mixing tetraethyl orthosilicate (TEOS) and ethanol at a weight ratio of 1:0.5 and adding water at a molar ratio of TEOS to 1:4.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • acid was added so that the pH of the silica precursor solution became 3 or lower, and the solution was stirred for more than 2 hours to prepare a hydrated TEOS solution.
  • a silica sol was prepared by adding ethanol at a weight ratio of 1:0.8 to the hydrated TEOS solution.
  • a catalyzed sol was prepared by adding a base catalyst solution (5 wt% NaOH aqueous solution) at a volume ratio of 99:1 to the silica sol.
  • a fiber (glass fiber mat, 3 mm) was passed through the substrate to infiltrate the fiber with the catalyzed sol, such that the catalyzed silica sol was impregnated into the fiber mat at a volume ratio of 1:1 (catalyzed silica sol: fiber).
  • TMES trimethylethoxysilane
  • ethanol a surface modifier
  • the silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO2 was injected. The temperature inside the extractor was then raised to 70°C over 1 hour and 20 minutes, and when it reached 70°C and 150 bar, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. A hydrophobic silica aerogel composite was manufactured by venting CO2 over the next 2 hours.
  • TMES trimethylethoxysilane
  • a silica precursor solution was prepared by mixing tetraethyl orthosilicate (TEOS) and ethanol at a weight ratio of 1:0.5 and adding water at a molar ratio of TEOS to 1:4.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • acid was added so that the pH of the silica precursor solution became 3 or lower, and the solution was stirred for more than 2 hours to prepare a hydrated TEOS solution.
  • a silica sol was prepared by adding ethanol at a weight ratio of 1:0.8 to the hydrated TEOS solution.
  • a catalyzed sol was prepared by adding a base catalyst solution (5 wt% NaOH aqueous solution) at a volume ratio of 99:1 to the silica sol.
  • a fiber (glass fiber mat, 3 mm) was passed through the substrate to infiltrate the fiber with the catalyzed sol, such that the catalyzed silica sol was impregnated into the fiber mat at a volume ratio of 1:1 (catalyzed silica sol: fiber).
  • TMES trimethylethoxysilane
  • ethanol a surface modifier
  • the silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO2 was injected. The temperature inside the extractor was then raised to 70°C over 1 hour and 20 minutes, and when it reached 70°C and 150 bar, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. A hydrophobic silica aerogel composite was manufactured by venting CO2 over the next 2 hours.
  • TMES trimethylethoxysilane
  • a silica precursor solution was prepared by mixing tetraethyl orthosilicate (TEOS) and ethanol at a weight ratio of 1:0.5 and adding water at a molar ratio of TEOS to 1:4.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • acid was added so that the pH of the silica precursor solution became 3 or lower, and the solution was stirred for more than 2 hours to prepare a hydrated TEOS solution.
  • a silica sol was prepared by adding ethanol at a weight ratio of 1:0.8 to the hydrated TEOS solution.
  • a catalyzed sol was prepared by adding a base catalyst solution (5 wt% NaOH aqueous solution) at a volume ratio of 99:1 to the silica sol.
  • a fiber (glass fiber mat, 3 mm) was passed through the substrate to infiltrate the fiber with the catalyzed sol, such that the catalyzed silica sol was impregnated into the fiber mat at a volume ratio of 1:1 (catalyzed silica sol: fiber).
  • TMES trimethylethoxysilane
  • ethanol a surface modifier
  • the silica wet gel composite was placed in a 7.2 L supercritical extractor and CO2 was injected. The temperature inside the extractor was then raised to 70°C over 1 hour and 20 minutes, and when it reached 70°C and 150 bar, CO2 was injected and discharged at a rate of 0.5 L/min for 20 minutes, and the CO2 injection was stopped for 20 minutes. This process was repeated 4 times. Ethanol was recovered through the bottom of the extractor during the CO2 injection and discharge. A hydrophobic silica aerogel composite was manufactured by venting CO2 over the next 2 hours.
  • TMES trimethylethoxysilane
  • a silica precursor solution was prepared by mixing tetraethyl orthosilicate (TEOS) and ethanol at a weight ratio of 1:0.5 and adding water at a molar ratio of TEOS to 1:4.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • acid was added so that the pH of the silica precursor solution became 3 or lower, and the solution was stirred for more than 2 hours to prepare a hydrated TEOS solution.
  • a silica sol was prepared by adding ethanol at a weight ratio of 1:0.8 to the hydrated TEOS solution. Hydrochloric acid was added so that the pH of the silica sol became 3 or lower to promote hydrolysis.
  • a catalyzed silica sol was prepared by adding a base catalyst solution (10 wt% NaOH aqueous solution) at a volume ratio of 99:1 to the silica sol. After filling 33.3 L of the catalyzed sol into the impregnation tank, a fiber (Glass fiber mat, 3 mm) was passed through it as a substrate to infiltrate the catalyzed sol into the fiber, and the catalyzed silica sol was impregnated into the fiber mat at a volume ratio of 1:1 (catalyzed silica sol: fiber).
  • a base catalyst solution 10 wt% NaOH aqueous solution
  • the fiber which had passed through the impregnation tank and was infiltrated with the catalyzed sol, was gelated while passing on a conveyor belt at a constant speed. At this time, the ambient temperature on the conveyor belt was maintained at 25 °C.
  • a solution of 2.4 wt% ammonia water (NH 4 OH) diluted in ethanol with a moisture content of 10 wt% was added as a maturing solution in an amount of 109% based on the volume of the wet gel blanket, and maturing was performed at a temperature of 75 °C for 1 hour.
  • TMES trimethylethoxysilane
  • the aerogel powder was placed in a 100 ml vial, and distilled water was added so that the weight ratio of powder:distilled water was approximately 1:130, and the vial was vigorously shaken up and down 50 times. Thereafter, the fibrous substrate that had settled to the bottom of the vial was removed, and lumps formed by the agglomeration of the fibrous substrate and the aerogel powder were also removed. Only 150 mg of aerogel powder without forming aggregates was carefully obtained and dried in an oven (Samhong Energy Co., Ltd., SH-VDO-08NG) at 105°C for more than 24 hours.
  • the dried aerogel powder was stored in a constant temperature and humidity chamber (JEIO TECH, TH3-PE) at 25°C and 40% humidity for more than 5 hours to allow water to be adsorbed and saturated in the aerogel pores.
  • the aerogel powder with water saturated in the pores was transferred to a 5 mm NMR tube, sealed, and then NMR experiments were performed.
  • a 600 MHz NMR (Bruker, Avance Neo) and a diffusion probe were used as the NMR experimental instrument.
  • the T 1 relaxation time and T 2 relaxation time for each specimen obtained through this experiment and their ratio (T 1 /T 2 ) are shown in Table 4 below.
  • the results of T 1 and T 2 relaxation times in Table 4 below are expressed as the average values after three repeated experiments.
  • Example 1 1.463 2.8 0.52
  • Example 2 1.34 2.2 0.61
  • Example 3 1.482 2.19 0.68
  • Example 4 1.38 1.7 0.81
  • Example 5 1.29 1.43 0.90 Comparative Example 1 1.45 1.07 1.36 Comparative Example 2 1.3 0.922 1.41 Comparative Example 3 1.48 1.16 1.28 Comparative Example 4 1.22 0.8 1.53 Comparative Example 5 1.51 1.19 1.27 Bulk H 2 O 2.83 2.81
  • the ratio of T 1 /T 2 was confirmed to be 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3 as a result of NMR analysis using water solvent for the aerogel composites of Examples 1 to 5 according to the present invention.
  • T 1 relaxation time and T 2 relaxation time for each specimen were measured through NMR analysis, and their ratio (T 1 /T 2 ) was calculated and shown in Table 5 below.
  • the ratio of T 1 /T 2 obtained after heat treatment to the ratio of T 1 /T 2 obtained before heat treatment was calculated, and the results are shown in Table 5.
  • the aerogel composites of Examples 1 to 5 according to the present invention were heat-treated at a high temperature of 200°C, and the NMR analysis results using water as a solvent confirmed that the T 1 /T 2 ratio was also at the level of 0.4 X 10 3 to 1.0 X 10 3.
  • the T 1 /T 2 ratio after heat treatment was 0.8 to 1.2 times that before heat treatment, showing a similar T 1 /T 2 ratio to that before heat treatment even after heat treatment.
  • the aerogel composites of Comparative Examples 1 to 5 had a T 1 / T 2 ratio after heat treatment of 0.75 times that before heat treatment, and in most cases , it was less than 0.70 times , confirming that the T 1 /T 2 after heat treatment was significantly reduced compared to before heat treatment.
  • the aerogel composite according to the present invention has high pore strength and sufficient hydrophobicity within the pores, so that even when exposed to a high temperature environment, the pores can be prevented from shrinking and deforming, or the hydrophobicity on the surface and inside of the aerogel composite can be significantly reduced.
  • a lower surface repellency value indicates a better hydrophobicity of the silica aerogel composite surface.
  • the experimental results of the surface repellency in Table 6 below are expressed as the average value after performing the experiment three times repeatedly. At this time, the average value was rounded to the third decimal place and expressed to the second decimal place.
  • Moisture Impregnation Rate (wt%) ⁇ (Weight of specimen after impregnation - Weight of specimen before impregnation) / (Weight of specimen before impregnation) ⁇ X 100
  • the cross-sectional water repellency was measured using the same method as the surface water repellency by cutting a 10 cm X 10 cm specimen into a 1 cm X 1 cm specimen (with a thickness of approximately 3 mm). However, considering the size of the specimen, the cross-sectional water repellency was measured by preparing 5 specimens for each example or comparative example, repeating the same experiment 3 times for each specimen, and then expressing the average value. At this time, the average value was rounded to the third decimal place and expressed to the second decimal place.
  • the lower the cross-sectional water repellency value the better the hydrophobicity of the interior of the silica aerogel composite.
  • the surface water repellency of the aerogel composites (Examples 1 to 5) according to the present invention is low at approximately 4 wt% or less, and the cross-sectional water repellency is also very low at 1.5 wt% or less.
  • the aerogel composites according to the present invention have high surface and internal hydrophobicity and excellent water repellency.
  • the surface water repellency of the aerogel composites of Comparative Examples 1 to 5 is over 4 wt%, and the cross-sectional water repellency is very low at a minimum of 3.65 wt% and a maximum of 6.24 wt%, and it was found that the hydrophobicity is particularly low inside the aerogel composite.
  • each specimen manufactured in examples 1 to 5 and comparative examples 1 to 5 is dried at 200°C for an additional hour under normal pressure, and then floated on distilled water at 21 ⁇ 2°C as in 1-1 above, and whether it floats on the distilled water is evaluated, and the results are shown in Table 7 below.
  • O indicates a case where the specimen floats on the distilled water
  • ⁇ indicates a case where the specimen floats inside the distilled water
  • X indicates a case where the specimen sinks to the bottom of the water tank.
  • the specimens were stored in an environment of 49 ⁇ 2°C and a relative humidity of 95 ⁇ 3% for 96 hours, and the percentage of weight change of the specimens before and after water vapor absorption was measured as shown in Equation 2 below, and this was expressed as the water vapor absorption rate.
  • the water vapor absorption rate reflects the degree of internal hydrophobicity of the silica aerogel composite.
  • the experimental results of the water vapor absorption rate in Table 8 below are expressed as the average value after performing the experiment three times repeatedly. At this time, the average value was rounded to the second decimal place and expressed to the first decimal place.
  • Water vapor absorption rate (weight %) ⁇ (weight of specimen after experiment - weight of specimen before experiment) / (weight of specimen before experiment) ⁇ X 100
  • the water vapor absorption rates of the aerogel composites of Examples 1 to 5 were low, at approximately 2.5 wt% or less, whereas the water vapor absorption rates of the aerogel composites of Comparative Examples 1 to 5 were at least 2.8 wt% and mostly 3.5 wt% or more.
  • the aerogel composite according to the present invention had high surface and internal hydrophobicity and excellent water repellency.
  • the room temperature thermal conductivity of the aerogel composite manufactured according to the present invention was measured using the HFM436 equipment of Netzsch Corporation, and the results are shown in Table 9 below.
  • An insulating member was manufactured by attaching ALKYN-1505(C) product from ALKYNES, in which a 25 ⁇ m thick acrylic adhesive was applied to one side of a 25 ⁇ m thick PET film, to both sides of the aerogel composite manufactured in Examples 1 to 5 above.
  • An insulating member was manufactured by attaching ALKYN-4005 (FR) product from ALKYNES, to which a 25 ⁇ m thick acrylic adhesive was applied on one side of a 25 ⁇ m thick flame-retardant PET film, to both sides of the aerogel composite manufactured in Examples 1 to 5 above.
  • the present invention relates to an aerogel composite and its use as an insulating material.

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Abstract

본 발명은 고온의 환경에 노출된 경우에도 소수화도가 높게 유지되고, 단열성 또한 우수한 수준으로 유지되는 에어로겔 복합체에 관한 것으로, 기재 및 복수 개의 개방된 기공을 포함하는 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체로, 에어로겔은 복수 개의 실리카 에어로겔 입자를 포함하고, 실리카 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체로 물을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)이 0.4×103 내지 1.0×103인 에어로겔 복합체에 관한 것이다.

Description

에어로겔 복합체
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2024년 5월 16일자 한국특허출원 제10-2024-0064050호, 2024년 11월 14일자 미국특허출원 제18/947,900호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원들의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 에어로겔, 에어로겔 복합체 및 이의 단열재로의 적용 용도에 관한 것이다.
에어로겔(aerogel)은 90.0 % 내지 99.9 % 정도의 기공율과 1 nm 내지 100 nm 범위의 기공 크기를 갖는 초다공성의 고비표면적(≥500 m2/g) 물질로서, 뛰어난 초경량/초단열/초저유전 등의 특성을 갖는 재료이다. 이에, 에어로겔 소재 개발 연구는 물론, 투명 단열재 및 환경 친화적 고온형 단열재, 고집적 소자용 극저유전 박막, 촉매 및 촉매 담체, 슈퍼 커패시터용 전극, 해수 담수화용 전극 재료로서의 응용 연구도 활발히 진행되고 있다.
에어로겔의 가장 큰 장점은 종래 스티로폼 등의 유기 단열재보다 낮은 0.300 W/m·K 이하의 열전도도를 보이는 슈퍼단열성(super-insulation)인 점과 유기 단열재의 치명적인 약점인 화재 취약성과 화재 시 유해가스 발생을 해결할 수 있다는 점이다.
섬유에 에어로겔을 형성한 에어로겔 블랭킷은 기능성 단열 소재로서 건설 또는 산업 현장에서 광범위하게 사용되고 있으며, 그 외에도 항공기, 선박, 자동차, 배터리 등의 단열재, 보온재, 또는 불연재로서 유용하게 사용될 수 있다.
한편, 이러한 에어로겔 블랭킷은 물유리, 알콕시실란(alkoxysilane) 계열(TEOS, TMOS, MTMS 등) 등의 실리카 전구체로부터 실리카 졸을 제조한 뒤, 이러한 졸에 섬유를 혼합하여 겔화시킨 후, 숙성, 표면개질 및 건조를 통해 제조되고 있다.
상기한 공정 중 에어로겔 블랭킷 전체적으로 소수화가 충분히 이루어지지 않으면 상압 건조 시 에어로겔 표면이나 기공 내부의 소수화기, 예를 들면 메틸기 또는 에틸기 등이 연소되어 소수성을 잃게 되어, 수분 침투에 의해 단열 성능이 저하될 뿐 아니라 침투된 수분의 증발 과정에서 수축에 의해 기공구조가 무너져 영구적으로 단열 성능을 잃게 된다.
따라서, 에어로겔 블랭킷을 단열재 등에 이용하기 위해서는 에어로겔 블랭킷 표면뿐만 아니라 내부에 존재하는 기공에도 소수화기가 안정적으로 존재함으로써 높은 소수성을 유지해 단열 성능이 악화되는 것을 방지하는 것이 중요하다.
본 발명의 일 목적은 에어로겔 복합체가 상압 건조와 같은 고온의 환경에 노출된 경우에도 에어로겔 복합체의 기공 내부 소수화기가 안정적으로 존재하여 소수성이 높게 유지될 수 있는 에어로겔 복합체 또는 이를 포함하는 단열 부재를 제공하고자 한다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 섬유 기재; 및 복수 개의 개방된 기공을 포함하는 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체로, 상기 에어로겔은 복수 개의 실리카 에어로겔 입자를 포함하고, 상기 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103이거나, 0.4 X 103 내지 0.9 X 103일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체로부터 분리된 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 복합체로부터 분리된 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 T1/T2의 비율은 열처리 전 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율 대비 0.8 내지 1.2 배, 또는 0.85 내지 1.1 배일 수 있다.
상기 에어로겔은 기공 직경이 5 내지 20 nm 이하인 기공을 골격 구조의 기공 부피의 25% 이하, 또는 10% 이상 25% 이하로 포함할 수 있다.
상기 에어로겔 복합체는 하기 식 1로 표시되는 수분 함침률(중량%)이 4 중량% 이하일 수 있다. 단, 하기 식에서 함침 후 시편의 무게는 에어로겔 복합체 시편을 21±2 ℃의 증류수에 15분 함침 후의 무게를 의미하고, 이때 시편은 가로 X 세로가 100 mm X 100 mm의 크기이다.
[식 1]
수분 함침률(중량%) = {(함침 후 시편의 무게 - 함침 전 시편의 무게)/(함침 전 시편의 무게)} X 100
다만, 상기 식 1에서 실험에 사용된 시편의 가로 X 세로가 10 mm X 10 mm인 경우, 에어로겔 복합체의 수분 함침률(중량%)은 3 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 복합체에 대하여 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 상기 식 1로 표시되는 수분 함침률(중량%)은 10 중량% 이하일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체는 ASTM C1104 시험 방법에 따른 수증기 흡수율이 2.5 중량% 이하일 수 있다.
상기 에어로겔은 실리카, 메틸실릴화된 실리카, 디메틸실릴화된 실리카, 및 트리메틸실릴화된 실리카로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 에어로겔 입자는 입경이 0 초과 5 nm 이하인 에어로겔 입자 복수 개가 응집 또는 결합된 입자를 포함할 수 있다. 이때 상기 응집 또는 결합된 에어로겔 입자의 평균 입경은 5 내지 2,000 nm일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체의 두께는 0.1 내지 20 mm일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체의 밀도는 0.05 내지 0.50g/cm3일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체는 10 % 변형에서의 압축 강도가 20 kPa 내지 80 kPA이고, 인장 강도가 30 N/cm2 내지 60 N/cm2일 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 복수 개의 개방된 기공과 복수 개의 실리카 에어로겔 입자를 포함하는 에어로겔에 관한 것으로서, 상기 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103이거나, 0.4 X 103 내지 0.9 X 103일 수 있다.
상기 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 T1/T2의 비율은 열처리 전 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율 대비 0.8 내지 1.2 배, 또는 0.85 내지 1.1 배일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체를 포함하는 단열 부재에 관한 것이다.
상기 단열 부재는 상기 에어로겔 복합체의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면 상에 위치하는 지지 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 에어로겔 복합체는 에어로겔 매트릭스의 기공 내부에까지 소수화도가 높고, 기공 강도 또한 우수하여, 에어로겔 복합체의 제조 공정 중 상압 건조 공정을 수행하거나, 혹은 제조된 에어로겔 복합체가 고온의 환경에 노출되어도 기공 수축이 최소화되고, 단열성이 높게 유지될 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 기재; 및 복수 개의 개방된 기공을 포함하는 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체로, 상기 에어로겔은 복수 개의 실리카 에어로겔 입자를 포함하고, 상기 실리카 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103인, 에어로겔 복합체에 관한 것이다.
상기 에어로겔 복합체로부터 분리된 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 복합체로부터 분리된 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 T1/T2의 비율은 열처리 전 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율 대비 0.8 내지 1.2 배, 또는 0.85 내지 1.1 배일 수 있다.
상기 에어로겔은 기공 직경이 5 내지 20 nm 이하인 기공을 골격 구조의 기공 부피의 25% 이하, 또는 10% 이상 25% 이하로 포함할 수 있다.
상기 에어로겔 복합체는 하기 식 1로 표시되는 수분 함침률(중량%)이 4 중량% 이하일 수 있다. 단, 하기 식에서 함침 후 시편의 무게는 에어로겔 복합체 시편을 21±2 ℃의 증류수에 15분 함침 후의 무게를 의미하고, 이때 시편은 가로 X 세로가 100 mm X 100 mm의 크기이다.
[식 1]
수분 함침률(중량%) = {(함침 후 시편의 무게 - 함침 전 시편의 무게)/(함침 전 시편의 무게)} X 100
다만, 상기 식 1에서 실험에 사용된 시편의 가로 X 세로가 10 mm X 10 mm인 경우, 에어로겔 복합체의 수분 함침률(중량%)은 3 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 복합체에 대하여 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 상기 식 1로 표시되는 수분 함침률(중량%)은 10 중량% 이하일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체는 ASTM C1104 시험 방법에 따른 수증기 흡수율이 2.5 중량% 이하일 수 있다.
상기 에어로겔은 실리카, 메틸실릴화된 실리카, 디메틸실릴화된 실리카, 및 트리메틸실릴화된 실리카로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 에어로겔 입자는 입경이 0 초과 5 nm 이하인 에어로겔 입자 복수 개가 응집 또는 결합된 입자를 포함할 수 있다. 이때 상기 응집 또는 결합된 에어로겔 입자의 평균 입경은 5 내지 2,000 nm일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체의 두께는 0.1 내지 20 mm일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체의 밀도는 0.05 내지 0.50g/cm3일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체는 10 % 변형에서의 압축 강도가 20 kPa 내지 80 kPA이고, 인장 강도가 30 N/cm2 내지 60 N/cm2일 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 복수 개의 개방된 기공과 복수 개의 실리카 에어로겔 입자를 포함하는 에어로겔에 관한 것으로서, 상기 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103이거나, 0.4 X 103 내지 0.9 X 103일 수 있다.
상기 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 T1/T2의 비율은 열처리 전 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율 대비 0.8 내지 1.2 배, 또는 0.85 내지 1.1 배일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체를 포함하는 단열 부재에 관한 것이다.
상기 단열 부재는 상기 에어로겔 복합체의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면 상에 위치하는 지지 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 내부 공간, 및 상기 내부 공간에 위치하는 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 상기 내부 공간에는 상기한 에어로겔 복합체가 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 상기한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
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.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 섬유 기재; 및 복수 개의 개방된 기공을 포함하는 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체에 관한 것이다.
상기 "에어로겔(aerogel)"은 대략 0 초과 10 nm 이하, 0 초과 5 nm 이하의 크기를 갖는 복수 개의 1차 에어로겔 입자와, 이러한 1차 에어로겔 입자가 응집 또는 결합되어 형성된 2차 에어로겔 입자를 포함하며, 상기한 1차 에어로겔 입자들 사이와, 2차 에어로겔 입자들 사이에서 복수 개의 개방된 기공이 형성되어 응집체를 형성함에 따라 에어로겔은 3차원 망목 구조를 이루게 된다.
상기 에어로겔은 전구체로 실리콘 알콕사이드계 화합물이나 물유리로부터 형성되는 무기 실리카 에어로겔일 수 있다. 일 예시로, 상기 에어로겔은 실리카, 메틸실릴화된 실리카, 디메틸실릴화된 실리카, 트리메틸실릴화된 실리카 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것일 수 있다. 다른 일 예시로, 상기 에어로겔은 SiO2 망상 구조(network)의 표면에 있는 SiO2의 적어도 일부가 Si-O-SiO2(CH3), Si-O-SiO(CH3)2 또는 Si-O-Si(CH3)3의 결합 구조를 갖는 것일 수 있다. 구체적인 실리카 에어로겔의 제조 공정에 관하여는 아래에 자세히 기재한다.
상기 섬유 기재 상에, 그리고 이웃하는 섬유 기재 사이의 공극에는 에어로겔 입자들이 위치할 수 있다. 상기 "에어로겔 입자"는 에어로겔을 이루는 개별 고체 단위 형태의 입자로서, 대략 0 초과 10 nm 이하, 또는 0 초과 5 nm 이하의 크기, 또는 1 nm 내외의 크기를 갖는 1차 에어로겔 입자와, 이들 입자가 응집되어 형성되는 2차 에어로겔 입자를 모두 포함할 수 있다. 단, 에어로겔 복합체 내 에어로겔은 대부분 2차 에어로겔 입자 혹은 이들이 응집 및 결합된 형태이고, 2차 에어로겔 입자를 형성하지 않는 1차 에어로겔 입자가 미량 혼재되어 있을 수도 있다. 상기 2차 에어로겔 입자는 평균 입경이 대략 5 내지 2,000 nm, 5 내지 1,000 nm, 5 내지 500 nm, 5 내지 100 nm, 또는 5 내지 50 nm일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 평균 입자 크기는 당업자에게 알려진 임의의 수단, 예컨대 주사 전자 현미경법, 동적 광산란, 광학적 현미경 검사, 또는 크기 배제 방법 등에 의해 측정될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 에어로겔은 메조 기공을 포함하는 매트릭스 골격 구조를 가질 수 있고, 상기 메조 기공 외에도 마이크로 기공 또는 매크로 기공을 포함할 수 있다. 여기서 상기 "메조 기공(mesopore)"은 평균 기공 직경이 약 2 nm 내지 약 50 nm의 범위에 있는 기공이고, "매크로 기공(macropore)"은 평균 기공 직경이 약 50 nm를 초과하는 범위에 있는 기공이며, "마이크로 기공(micropore)"은 평균 기공 직경이 약 2 nm를 미만하는 범위에 있는 기공이다. 상기 에어로겔은 골격 구조의 기공 부피의 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 적어도 98%, 적어도 99%, 또는 100% 메조 기공을 포함할 수 있다. 일 구체 예에서, 상기 에어로겔은 메조 기공을 포함할 수 있다. 일 구체 예에서, 상기 에어로겔은 메조 기공과 마이크로 기공을 포함할 수 있다. 상기 기공 크기는 당업자에게 알려진 임의의 수단, 예컨대 가스 흡착 실험, 수은 침투, 모세관 흐름 기공측정법(capillary flow porometry) 또는 양전자 소멸시간 분광학(PALS: positron annihilation lifetime spectroscopy) 등에 의해 측정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 에어로겔 복합체는 섬유를 포함하는 기재의 표면에 복수 개의 에어로겔 입자 중 적어도 일부가 분산, 바람직하게는 결합된 구조이고, 동시에 기재 내 이산된 섬유들 사이의 빈 공간에는 복수 개의 에어로겔 입자 중 적어도 일부가 분산, 바람직하게는 위치하는 구조를 가진다. 상기 기재의 예로는 이산 섬유, 필름, 시트, 네트, 섬유, 다공질체, 발포체, 부직포체 또는 이들의 2층 이상의 적층체일 수 있다. 또한, 용도에 따라 그 표면에 표면 조도가 형성되거나 패턴화된 것일 수도 있다.
상기 섬유 기재는 폴리에스테르, 폴리올레핀 테레프탈레이트, 폴리(에틸렌) 나프탈레이트, 폴리카보네이트 (예: 레이온, 나일론), 면화 (예: 듀퐁사 제 라이크라), 탄소 (예: 그래파이트), 폴리아크릴로니트릴 (PAN), 산화 PAN, 비탄화 열처리된 PAN (예: SGL 카본제의 것), 유리섬유계 물질 (S-유리, 901 유리, 902 유리, 475 유리, E-유리 등), 실리카계 섬유, 예컨대 석영 (예: 생고뱅 제 Quartzel), Q-펠트 (존스 맨빌 제), Saffil (사필 제), Durablanket (유니프랙스 제) 또는 기타 실리카 섬유, Duraback (카보런덤 제), 폴리아라미드 섬유, 예컨대 Kevlar, Nomex, 또는 Sontera (모두 듀퐁 제), Conex (타이진 제), 폴리올레핀, 예컨대 Tyvek (듀퐁 제), Dyneema (DSM 제), Spectra (허니웰 제), 기타 폴리프로필렌 섬유, 예컨대 Typar, Xavan (둘 다 듀퐁 제), 플루오로 폴리머, 예컨대 Teflon 상표명의 PTFE (듀퐁 제), Goretex (W.L. GORE 제), 실리콘 카바이드 섬유, 예컨대 Nicalcon (COI 세라믹스 제), 세라믹 섬유, 예컨대 Nextel (3M 제), 세라믹 페이퍼, 아크릴 폴리머, 양모, 실크, 대마, 피혁, 스웨이드 섬유, PBO-자일론 섬유 (툐보 제), 액정 물질, 예컨대 Vectan (획스트 제), 캠브렐 섬유 (듀퐁 제), 폴리우레탄, 폴리아마이드, 울 섬유, 현무암 섬유(basalt fiber), 붕소, 알루미늄, 철, 스테인레스 스틸 섬유 또는 PEEK, PES, PET, PEK, PPS 등의 다른 열가소성 수지를 포함하는 것일 수 있으나, 에어로겔의 삽입이 용이한 공간 또는 공극을 포함하여 단열 성능을 보다 향상시킬 수 있는 섬유라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 섬유 기재는 유리 섬유, 현무암 섬유 또는 세라믹 페이퍼를 포함하는 것일 수 있다.
상기 섬유 기재의 두께는 0.1 내지 20 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 에어로겔 복합체의 두께는 0.1 내지 20 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일반적으로 에어로겔 복합체를 제조함에 있어서 표면개질 공정을 통해 에어로겔 복합체에 소수성을 부여하여 에어로겔 복합체를 단열재로 적용할 때 수분 침투에 의한 단열 성능의 저하를 방지하고 있다. 그런데 에어로겔 복합체의 표면뿐만 아니라 에어로겔 매트릭스 내부에 존재하는 기공에도 소수화가 충분히 이루어지고, 기공의 탄력성과 강도가 우수하여야만, 에어로겔 복합체가 고온의 환경에 노출되어도 에어로겔 복합체가 소수성을 높게 유지할 수 있어 단열성 또한 우수한 수준으로 유지될 수 있다.
관련하여 본 발명의 에어로겔 복합체, 특히는 에어로겔 매트릭스에 포함된 기공의 구조적 특징과 기공 내부의 소수화 정도를 분석하기 위하여 핵자기 공명(Nuclear magnetic resonance spectroscopy; NMR) 분석을 수행하였다.
본 발명에서 상기한 NMR 분석은 600 MHz NMR을 이용하여 0이 아닌 자기 모멘트를 수소 원자(1H)를 검출하고, 분광학 측정, 완화법 측정, 확산 측정 또는 이미징 측정을 통해 수행된다. 시료의 기공 내 유체와 시료 외부 유체의 NMR 신호를 검출할 수 있다. 이때 본 발명에서는 에어로겔 복합체를 구성하는 에어로겔 매트릭스 또는 이를 이루는 에어로겔 입자 내 기공의 특성을 확인하고자, NMR 분석을 통해 T1 이완 시간(relaxation time)과 T2 이완 시간(relaxation time)을 얻었다. 여기서 상기 "T1 이완 시간(relaxation time)"은 "종축 이완 시간(longitudinal relaxation time)" 또는 "스핀 격자 이완 시간(spin-lattice relaxation time)"이라고도 불리운다. T1 이완 시간은 충분히 강한 RF 펄스를 적절하게 적용하여 스켈치하거나 실제로 자화를 반전시키는, "반전 복구 방법(inversion recovery method)"에 의해 얻어질 수 있다. "T2 이완 시간(relaxation time)"은 횡축 이완시간(transverse relaxation time), 스핀-스핀 이완시간(spin-spin relaxation time)이라고 불리우며, 샘플의 기공 내 포화 유체의 분자 특성과 기공 네트워크 구조의 상호 작용에 의해 결정된다. T2 이완 시간은 CPMG (Car-Purcell-Meiboom-Gill) echo sequence를 사용하여 얻어질 수 있다. 샘플의 기공 내에 포화되어 있는 유체는 기공 내부의 제한된 공간에서 구조적 및 화학적 상호 작용으로 인하여 일반적인 벌크 상태의 유체 분자 보다 움직임이 제한되며, 이로써 T1 이완 시간 및 T2 이완 시간이 감소하게 된다. 특히 T2 이완 시간이 기공 내부 포화 유체의 분자 특성과 기공 네트워크 구조의 상호 작용에 영향을 많이 받는다. 단, 샘플 내에 상자기성 성분(paramagnetic material)이 존재하는 경우 T1 이완 시간과, T2 이완 시간의 값이 크게 감소되지만, 이때의 1H T1/T2 비율은 상자기성 성분의 포함 농도와 관계없이 유사한 값으로 유지된다(RSC Adv., 2017, 7, 36163-36167 문헌). 즉, T1/T2 비율은 상자기성 효과를 제외한 기공 내부 정보만을 반영하므로, 본 발명에서는 에어로겔 샘플 내 상자성 성분(paramagnetic material)의 유무와 관계없이 기공에 관한 특성을 파악하고자 1H T1/T2 비율의 값으로 기공에 관한 정보를 얻었다. 또한, 본 발명에서는 NMR 분석 시 기공 내부 구조적 특성(사이즈, 복잡도 등) 뿐만 아니라, 기공 내부의 소수화 정도를 파악하기 위하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(water; H2O) 유체를 사용하였다.
본 발명의 에어로겔 복합체에 포함된 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(water; H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103, 0.45 X 103 내지 1.0 X 103, 0.5 X 103 내지 1.0 X 103, 0.4 X 103 내지 0.95 X 103, 0.45 X 103 내지 0.95 X 103, 0.5 X 103 내지 0.95 X 103, 0.4 X 103 내지 0.9 X 103, 0.45 X 103 내지 0.9 X 103, 또는 0.5 X 103 내지 0.9 X 103인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 NMR 분석은 에어로겔 복합체로부터 탈리된 에어로겔 분말(에어로겔 입자)에 대하여 수행한 것이다. 이때, 상기 에어로겔 분말은 직사각형 형상으로 제조된 에어로겔 복합체(예컨대, 가로 X 세로가 60cm X 12cm 크기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다) 또는 이의 일부분을 절단하여 얻어진 시편 조각으로부터 얻어진 것일 수 있다.
본 발명에서 분석에 사용되는 에어로겔 분말은 다음의 공정을 통해 준비될 수 있다: 가로 X 세로의 크기가 60cm X 12cm 크기인 에어로겔 복합체를 밀봉 용기에 넣은 뒤 상하로 반복적으로 흔들며 충격을 주어 에어로겔 분말의 탈리를 유도하였다. 탈리된 에어로겔 분말 내에 혼입된 섬유 기재를 제거하기 위하여, 우선 육안으로 식별 가능한 섬유 기재를 핀셋으로 1차 제거하였다. 이후, 에어로겔 분말을 100ml 바이알(vial)에 넣은 뒤 증류수를 대략 1:130의 무게비(분말:증류수)로 첨가한 후 50회 강하게 흔들어 주었다. 이로써 바이알의 바닥층에 가라 앉은 섬유 기재와, 섬유 기재와 에어로겔 분말이 뭉쳐 형성된 응집 덩어리를 제거하고, 증류수 상층부에 부유하는 에어로겔 분말만을 조심스럽게 수득하였다. 이때 충분한 분석을 위하여, 최종 수득된 에어로겔 분말 시료는 적어도 150 mg의 양이 필요하다.
또한, 본 발명에서는 에어로겔 복합체에 대하여 고온에서 열처리하여도 열처리 후 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율은 열처리 전 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율과 동등한 수준을 유지한다.
구체적으로, 상기 에어로겔 복합체로부터 탈리된 에어로겔 입자를 200 ℃(±5 ℃)의 온도로 1시간 동안 열처리 후 에어로겔 입자에 대하여 물 용매를 이용한 NMR 분석에서의 T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103, 0.45 X 103 내지 1.0 X 103, 0.5 X 103 내지 1.0 X 103, 0.55 X 103 내지 1.0 X 103, 0.6 X 103 내지 1.0 X 103, 0.4 X 103 내지 0.95 X 103, 0.45 X 103 내지 0.95 X 103, 0.5 X 103 내지 0.95 X 103, 0.55 X 103 내지 0.95 X 103, 0.6 X 103 내지 0.95 X 103, 0.4 X 103 내지 0.9 X 103, 0.45 X 103 내지 0.9 X 103, 0.5 X 103 내지 0.9 X 103, 0.55 X 103 내지 0.9 X 103, 0.6 X 103 내지 0.9 X 103, 0.4 X 103 내지 0.85 X 103, 0.45 X 103 내지 0.85 X 103, 0.5 X 103 내지 0.85 X 103, 0.55 X 103 내지 0.85 X 103, 0.6 X 103 내지 0.85 X 103, 0.4 X 103 내지 0.8 X 103, 0.45 X 103 내지 0.8 X 103, 0.5 X 103 내지 0.8 X 103, 0.55 X 103 내지 0.8 X 103, 또는 0.6 X 103 내지 0.8 X 103일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 복합체로부터 탈리된 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1시간 동안 열처리하여도 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율은 열처리 전 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율 대비 0.8 내지 1.2 배, 0.85 내지 1.2 배, 0.8 내지 1.15 배, 0.85 내지 1.15 배, 0.8 내지 1.1 배 또는 0.85 내지 1.1 배일 수 있다.
본 명세서에 열처리 등과 관련하여 기재된 온도(혹은 온도 범위)는 대략 ±5 ℃의 오차 범위를 수용한다.
본 발명에 따른 에어로겔 복합체는 작은 직경 크기를 갖는 기공을 제한된 비율로 포함하고, 기공의 강도가 우수하며, 에어로겔 복합체 표면뿐만 아니라, 에어로겔 매트릭스 내부, 특히는 기공 내부에까지 소수화가 충분히 일어나 고온에서 가열되어도 기공 수축 정도가 매우 낮고 이에 따라 고온의 환경에 노출되어도 높은 단열성을 유지할 수 있다.
에어로겔에서 기공 직경이 20 nm 이하인 경우, 기공 크기가 작아 표면 개질 시 기공 내부에도 소수화제가 충분히 확산되어 충분한 소수화가 일어나기 위해서는 고농도의 소수화 개질제로 장시간 표면개질 해야한다는 단점이 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 에어로겔 내 기공 직경이 5 ~ 20 nm인 기공을 제한된 비율로 포함되도록 하였다.
상기 에어로겔은 기공 직경이 5 ~ 20 nm인 기공을 골격 구조의 기공 부피의 25% 이하, 또는 10% 이상 25% 이하로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 에어로겔 복합체에서 하기 식 1로 표시되는 수분 함침률(중량%)은 4 중량% 이하일 수 있다.
[식 1]
수분 함침률(중량%) = {(함침 후 시편의 무게 - 함침 전 시편의 무게)/(함침 전 시편의 무게)} X 100
상기 식 1에서, 상기 수분 함침률은 21±2 ℃의 증류수 위에 100 mm x 100 mm 크기의 에어로겔 복합체의 시편을 띄우고 시편 위에 6.4 mm 메쉬 스크린(mesh screen)을 올려 수면 아래 127 mm까지 가라앉혀 함침시키고, 15분 후 메쉬 스크린을 제거하고 시편이 떠오르면 클램프로 시편을 집어 수직으로 60 ± 5초 동안 매달아 둔 뒤 함침 전 후의 무게를 각각 측정하여 무게 증가율을 측정하여 계산할 수 있다. 여기에서, 수분 함침률은 낮을수록 에어로겔 복합체의 소수화도가 높은 것을 나타낸다.
본 발명에서 에어로겔 복합체의 표면에서의 소수화도와 내부에서의 소수화도 각각을 평가하기 위한 표면 발수도 및 단면 발수도는 모두 상기 식 1을 이용하여 측정할 수 있고, 이때 사용되는 시편을 달리함으로써 측정될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서 상기 수분 함침률 측정 시 시편으로 크기가 상업적으로 사용되는 에어로겔 복합체의 크기와 유사하게, 상대적으로 큰 100 mm X 100 mm 크기의 에어로겔 복합체 시편을 이용하여 측정된 수분 함침률은 에어로겔 복합체의 표면에서의 발수도를 의미하는 것으로 한다. 이러한 표면 수분 함침률이 작다는 것은 에어로겔 복합체의 표면에서의 소수화도가 높은 것을 의미한다. 상기 식 1을 통해 계산된 에어로겔 복합체의 표면 발수도는 4 중량% 이하, 또는 3.5 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 수분 함침률 측정 시 시편으로 크기가 상대적으로 작게, 예를 들어, 10 mm X 10 mm 크기로 잘게 절단된 에어로겔 복합체 시편을 이용하여 측정된 수분 함침률은 에어로겔 복합체의 단면에서의 발수도를 의미하는 것으로 한다. 이러한 단면 수분 함침률이 작다는 것은 에어로겔 복합체의 표면뿐만 아니라 내부에서의 소수화도가 높은 것을 의미한다. 상기 식 1을 통해 계산된 에어로겔 복합체의 단면 발수도는 4 중량% 이하, 또는 3 중량% 이하, 또는 2 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 복합체는 200 ℃의 고온에서 가열하여도 높은 소수성을 가질 수 있다. 상기 에어로겔 복합체를 200 ℃에서 1시간 가열한 뒤 상기 식 1에 따라 측정된 표면 발수도는 10 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 복합체는 200 ℃의 고온에서 가열하여도 높은 소수성을 가질 수 있다. 상기 에어로겔 복합체를 200 ℃에서 1시간 가열한 뒤 상기 식 1에 따라 측정된 단면 발수도는 10 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 복합체는 하기 식 2로 표시되는 수증기 흡수율이 2.5 중량% 이하일 수 있다. 여기서, 상기 수증기 흡수율은 에어로겔 복합체를 특정의 측정 조건 하에 수증기에 노출시킨 뒤 에어로겔 복합체에 의해 흡수되거나 에어로겔 복합체에 잔존하게 되는 물의 양을 중량%로 나타낸 것이다. 본 발명에서 상기 수증기 흡수율은 ASTM C1104의 공지된 방법에 의해서 측정될 수 있다.
[식 2]
수증기 흡수율(중량%) = {(실험 후 시편의 무게 - 실험 전 시편의 무게)/(실험 전 시편의 무게)} X 100
또한, 상기 상기 에어로겔 복합체는 상온(23±2 ℃) 열전도도가 30.0 mW/mK 이하, 25.0 mW/mK 이하, 또는 20.0 mW/mK 이하인 것일 수 있고, 이 범위 내에서 에어로겔 복합체의 단열성을 최대한으로 확보할 수 있는 효과가 있다.
상기 에어로겔 복합체는 고온(150 ℃) 열전도도가 35.0 mW/mK 이하, 30.0 mW/mK 이하, 또는 25.0 mW/mK 이하인 것일 수 있고, 이 범위 내에서 에어로겔 복합체의 단열성을 최대한으로 확보할 수 있는 효과가 있다.
상기 에어로겔 복합체는 10 % 변형에서의 압축 강도가 20 kPa 내지 80 kPA, 20 kPa 내지 70 kPA, 30 kPa 내지 80 Kpa, 30 kPa 내지 70 kPA, 35 kPa 내지 80 kPA 또는 35 kPa 내지 70 kPA인 것으로, 기계적 강도가 우수한 것일 수 있다. 여기서, 상기 압축 강도는 ASTM C165 규격에 따른 시편을 제조하여 측정된 것일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체는 인장 강도가 30 N/cm2 내지 60 N/cm2, 40 N/cm2 내지 55 N/cm2, 또는 45 N/cm2 내지 55 N/cm2인 것으로, 유연성이 우수한 것일 수 있다. 여기서, 상기 인장 강도는 ASTM D638 규격에 따른 시편을 제조하여 측정된 것일 수 있다.
상기 에어로겔 복합체의 밀도는 0.05 내지 0.50g/cm3, 0.05 내지 0.35g/cm3, 0.05 내지 0.30g/cm3, 0.10 내지 0.35g/cm3, 0.10 내지 0.30g/cm3, 0.15 내지 0.35g/cm3일 또는 0.15 내지 0.30g/cm3일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 에어로겔 복합체는 실리카 졸의 제조 단계; 섬유 기재에 실리카 졸의 함침 후 겔화 단계; 숙성 단계; 표면 개질 단계; 및 건조 단계;에 의해 형성될 수 있다. 이하 각 단계를 설명한다. 하지만, 본 명세서에 기재된 구체적인 제조 공정이나 그 예시는 어떠한 특정의 유형의 에어로겔 복합체 또는 그 제조 방법으로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서는 본 기술분야에서의 통상의 기술자에게는 공지된 어떠한 연관된 제조 방법에 의해서 형성된 어떠한 에어로겔 복합체를 포함할 수 있다.
실리카 졸의 제조 단계
본 발명에서 실리카 전구체 조성물 및 촉매 조성물을 혼합하여 실리카 졸을 제조할 수 있다.
상기 실리카 전구체 조성물은 실리카 전구체에 물 및/또는 극성 유기 용매를 포함할 수 있다.
상기 실리카 전구체는 실리카 에어로겔을 형성하기 위해 사용가능한 전구체는 제한 없이 사용할 수 있고, 예컨대 실리콘 함유 알콕사이드계 화합물일 수 있다. 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), 또는 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.
또한, 상기 실리카 전구체는 물유리 용액일 수도 있다. 여기에서 물유리 용액은 물유리에 증류수를 첨가하고 혼합한 희석용액을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 물유리는 이산화규소(SiO2)와 알칼리를 융해해서 얻은 규산알칼리염인 소듐 실리케이트(Sodium silicate, Na2SiO3)일 수 있다.
또한, 상기 실리카 전구체는 전가수분해된 TEOS(pre-hydrolozed TEOS; HTEOS)를 포함하는 것일 수 있다. HTEOS는 넓은 분자량 분포를 가지는 에틸실리케이트 올리고머 물질로서, TEOS 단량체로부터 올리고머 형태로 합성할 때 겔화 시간 등의 물성을 조절해 줄 수 있기 때문에 사용자의 반응 조건에 맞춰 쉽게 적용될 수 있다. 또한, 최종 결과물의 재현성 있는 물성을 만들어 내는 장점이 있다. 상기 HTEOS는 일반적으로 산성 조건에서 부분 수화 단계를 거친 TEOS의 축합 반응으로 합성되는 것일 수 있다. 즉, 상기 HTEOS는 TEOS를 축합하여 제조된 올리고머의 형태로, 상기 올리고머가 부분 수화된 것일 수 있다.
상기 실리카 전구체 조성물은 소수화기를 포함하는 실리케이트를 더 포함함으로써 에어로겔 구조에 탄성을 부여하여 기공 강도를 높일 수 있고, 에어로겔 매트릭스 내부에도 소수화를 유도할 수 있다. 상기 소수화기를 포함하는 실리케이트는 소수화를 유도하는 알킬기와 습윤겔의 -Si-O-작용기와 반응할 수 있는 실란 작용기를 포함하는 알킬 실란 화합물이라면 그 종류가 제한되지 않으나, 구체적인 예를 들면, 메틸트리에톡시실란(MTES), 트리메틸에톡시실란(TMES), 트리메틸실라놀(TMS), 메틸트리메톡시실란(MTMS), 디메틸디에톡시실란(DMDEOS), 에틸트리에톡시실란(ETES) 및 페닐트리에톡시실란(PTES)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 실리카 전구체 조성물 내에서 상기 소수화기를 포함하는 실리케이트를 포함하는 경우, 이는 상기한 테트라알킬 실리케이트와 2:98 내지 98:2의 몰비(소수화기 포함 실리케이트 : 테트라알킬 실리케이트의 몰비)로 포함될 수 있다. 이 범위 내에서 에어로겔의 강도 및 단열 성능을 높은 효율로 확보하면서도, 고온 환경이 주어져도 구조가 붕괴되지 않아 단열 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기 실리카 전구체 조성물의 실리카 농도는 10 kg/m3 내지 100 kg/m3, 20 kg/m3 내지 80 kg/m3, 30 kg/m3 내지 70 kg/m3, 30 kg/m3 내지 60 kg/m3, 또는 35 kg/m3 내지 45 kg/m3일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실리카 농도는 실리카 전구체에 포함된 실리카의 실리카 전구체 조성물에 대한 농도로서, 실리카 전구체, 유기 용매 및 물의 함량을 달리하며 적절히 조절될 수 있다.
상기 실리카 전구체는 실리카 졸 내 포함되는 실리카의 함량이 0.1 중량% 내지 30 중량%가 되도록 하는 양으로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 실리카의 함량이 상기 범위를 충족하면 에어로겔 복합체의 기계적 물성, 특히 유연성을 우수한 수준으로 확보하면서도 개선된 단열 효과를 가질 수 있다.
상기 극성 유기 용매는 알코올을 포함할 수 있고, 구체적인 예를 들면, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 또는 부탄올 등과 같은 1가 알코올; 글리세롤, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 또는 솔비톨 등과 같은 다가 알코올; 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 본 기술분야에서의 통상의 기술자에게 공지된 바와 같은 다른 용매도 제한없이 사용될 수 있다. 상기 극성 유기 용매로는 이 중에서도 물 및 에어로겔과의 혼화성을 고려할 때 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 또는 부탄올 등과 같은 탄소수 1 내지 6의 1가 알코올, 예컨대 에탄올일 수 있다.
상기 극성 유기 용매는 표면개질 반응을 촉진시키는 동시에 최종 제조되는 에어로겔 복합체에서의 소수화도를 고려하여, 통상의 기술자가 적절한 양으로 사용할 수 있다.
상기한 실리카 전구체 조성물의 제조 시 상기 실리카 전구체 및 유기 용매를 1 : 0.1 내지 5, 또는 1 : 0.5 내지 3의 중량비로 혼합하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 단, 상기 실리카 전구체 조성물 내에서 상기 소수화기를 포함하는 실리케이트를 포함하는 경우, 소수화기를 포함하는 실리케이트 및 테트라알킬 실리케이트의 혼합물과 유기 용매가 상기의 중량비로 혼합될 수 있다.
또한, 상기 실리카 전구체 조성물의 제조 시 상기 실리카 전구체 및 물을 1 : 0.5 내지 10, 1 : 1 내지 8, 또는 1 : 3 내지 6의 몰비로 혼합하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 단, 상기 실리카 전구체 조성물 내에서 상기 소수화기를 포함하는 실리케이트를 포함하는 경우, 소수화기를 포함하는 실리케이트 및 테트라알킬 실리케이트의 혼합물과 물이 상기 몰비로 혼합될 수 있다.
상기 실리카 전구체 조성물은 산 촉매를 더 포함할 수 있으며, 구체적으로 가수분해물이 아닌 알콕시 실란계 화합물을 전구체로 적용할 때 산 촉매를 더 포함할 수 있다. 이 때 산 촉매는 pH를 3 이하가 되도록 하는 산 촉매라면 제한 없이 사용 가능하며 일례로 염산, 질산, 황산, 인산, 옥살산 또는 아세트산을 사용할 수 있다. 이 때 산 촉매는 졸의 pH가 3이하가 되도록 하는 양을 첨가하는 것일 수 있으며, 수용매에 용해시킨 수용액 상태로 첨가하는 것일 수 있다.
상기 촉매 조성물은 염기 촉매로 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 무기 염기; 또는 수산화암모늄과 같은 유기 염기를 포함할 수 있다. 구체적인 예로는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 암모니아(NH3), 수산화암모늄(NH4OH; 암모니아수), 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, 디부탄올아민, 피리딘 또는 이들의 조합 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 염기 촉매는 졸의 pH가 5 내지 9가 되도록 하는 양으로 포함될 수 있다. 상기 졸의 pH가 상기 범위를 벗어날 경우 겔화가 용이하지 않거나, 겔화 속도가 지나치게 느려져 공정성이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 염기는 고체상으로 투입 시 석출될 우려가 있으므로, 수용매 또는 상기한 유기용매에 의해 희석된 용액상으로 첨가될 수 있다. 이 때 상기 염기 촉매 및 유기용매, 구체적으로 알코올의 희석 비율은 부피 기준으로 1:4 내지 1:100일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 실리카 졸을 제조하기 위하여 상기 실리카 전구체 조성물 및 촉매 조성물을 1 : 0.01 내지 10.0, 1 : 0.01 내지 5.0, 또는 1 : 0.01 내지 2.0의 부피비로 혼합할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
필요에 따라 상기 실리카 졸에 첨가제를 더 첨가할 수 있다. 이 때 첨가제는 에어로겔을 제조할 때 첨가될 수 있는 공지의 첨가제가 모두 적용될 수 있고, 예컨대 불투명화제, 난연제 등의 첨가제를 사용할 수 있다.
상기 첨가제는 에어로겔의 실리카 함량에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량%, 0.1 중량% 내지 7 중량%, 0.5 중량% 내지 7 중량%, 0.5 중량% 내지 5 중량%의 양으로 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
실리카 졸의 겔화 단계
본 발명에서는 기재에 실리카 졸을 함침시킨 뒤 실리카 졸을 겔화(gelation)할 수 있다.
상기 함침 공정은 기재 내부 공극에 촉매화된 실리카 졸이 침투될 수 있도록 하는 공정으로, 반응 용기에 촉매화된 실리카 졸 및 기재를 투입하여 수행될 수 있고, 혹은 롤투롤 공정에 따라 컨베이어 벨트에서 이동하는 기재 상에 촉매화된 실리카 졸을 분사하여 수행될 수도 있다. 이때 기재와 실리카 졸의 결합을 좋게 하기 위해 기재를 가볍게 눌러 충분히 함침되도록 할 수 있다. 이후 일정한 압력으로 재를 일정 두께로 가압하여 잉여의 실리카 졸을 제거하여 건조 시간을 줄일 수도 있다.
상기 반응 용기 내 실리카 졸의 온도는 1 내지 40 ℃, 20 내지 40 ℃, 25 내지 40 ℃, 30 내지 40 ℃ 또는 35 내지 45 ℃일 수 있다. 반응 용기 내 실리카 졸의 온도가 상기 범위를 충족할 때, 촉매화된 졸의 전술한 점도 범위를 더욱 용이하게 달성할 수 있고, 비교적 짧은 체류시간을 가지더라도 목적하는 수준의 점도 범위를 충족할 수 있다.
상기 촉매화된 실리카 졸을 기재에 0.1 ~ 10 : 1의 부피비 (촉매화된 실리카 졸:기재), 0.1 ~ 1 : 1의 부피비, 0.3 ~ 1 : 1의 부피비, 0.5 ~ 1 : 1의 부피비 또는 0.6 ~ 1 : 1의 부피비로 함침시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 실리카 졸 제조 시 실리카 전구체 조성물과 유기 용매 및 물의 비율을 조절하고, 함침 단계에서 실리카 졸과 기재 사이의 부피비를 조절함으로써 에어로겔 복합체 내 섬유 기재와 에어로겔의 밀도 비를 조절할 수 있다. 상기 섬유 기재와 에어로겔의 밀도 비가 1 : 0.6 ~ 1가 되도록 하는 것이 에어로겔 복합체의 강도를 높일 수 있다.
상기 실리카 졸의 함침 공정과 동시에 혹은 함침 공정 후 순차적으로 기재에 함침된 실리카 졸을 겔화할 수 있다.
상기 촉매화된 졸이 함침된 기재는 컨베이어 벨트와 같은 이동요소 상에서 겔화될 수 있다.
상기 "겔화(gelation)"는 졸-겔 반응을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 "졸-겔(sol-gel)반응"은 실리콘 단위 전구체 물질로부터 망상구조를 형성시키는 것일 수 있다. 여기에서, 상기 망상구조(network structure)는 원자배열이 1종 혹은 그 이상의 종류로 되어 있는 어떤 특정한 다각형이 이어진 평면 그물 모양의 구조 또는 특정 다면체의 정점, 모서리, 면 등을 공유하여 3차원 골격구조를 형성하고 있는 구조를 나타내는 것일 수 있다.
상기 겔화는 20 내지 40 ℃, 20 내지 30 ℃, 25 내지 40 ℃, 30 내지 40 ℃ 또는 35 내지 40 ℃의 분위기 온도 하에서 수행될 수 있으며, 예를 들면 30 내지 40 ℃ 또는 35 내지 40 ℃의 분위기 온도 하에서 수행되는 것이 에어로겔 복합체에서 기공의 강도를 높일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 겔화는 1 내지 120 분, 1 내지 100 분, 1 내지 60 분, 5 분 내지 60분, 5 내지 40 분, 10 내지 40 분, 10 내지 30 분 또는 10 내지 20 분 동안 수행될 수 있으나, 겔화 온도, 실리카 졸의 양 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있다.
겔화된 습윤겔 복합체의 숙성 단계
본 발명에서는 필요에 따라서는 상기와 같이 겔화로 얻어진 습윤겔 복합체를 적정 온도에서 방치하여 화학적 변화가 완전히 이루어지도록 하기 위한 숙성 단계를 더 포함할 수 있다. 숙성 단계에서는 겔화에 의해 형성된 망상구조를 더욱 견고하게 형성시킬 수 있어, 에어로겔 복합체의 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 숙성 단계는 상기 겔화된 습윤겔 복합체를 그 자체로 적정 온도에서 방치하거나, 가교-연결 촉진 화합물을 첨가하며 수행될 수 있다.
상기 숙성 단계 시 상기 습윤겔 복합체의 존재 하에, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 트리에틸아민, 피리딘 등의 염기 촉매를 유기 용매에 1 내지 10 % 농도로 희석시킨 용액을 첨가하여 수행될 수 있다. 이러한 경우, 에어로겔 내에 Si-O-Si 결합을 최대한으로 유도하여 실리카겔의 망상 구조를 더욱 견고하게 만들어 이후 수행될 건조 공정에서 기공 구조의 유지를 더욱 용이하게 하는 효과가 있다. 이 때 유기 용매는 전술한 알코올일 수 있으며, 구체적으로는 에탄올을 포함할 수 있다.
또한, 상기 숙성 단계 시 알콕시 실란계 화합물 및 알코올의 혼합 용액을 첨가하여 미반응 졸뿐만 아니라 추가의 졸 전구체 소스를 제공하여 실리카겔 망상 구조에 추가적인 겔화를 유도하여 겔 구조를 더욱 강화할 수 있다. 이때 상기 알콕시 실란계 화합물은 숙성 용액 전체 100 중량부 대비 0.5 중량부 내지 9.5 중량부, 1.0 중량부 내지 9.5 중량부, 또는 1.5 중량부 내지 9.5 중량부의 양으로 포함될 수 있다.
상기 알콕시 실란계 화합물은 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), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane, MTMS), 메틸트리에톡시실란(methyltriethoxysilane, MTES), 트리메틸에톡시실란(trimethylethoxysilane, TMES), 트리메틸실라놀(trimethylsilanol, TMS), 트리메틸클로로실란(trimethylchlorosilane, TMCS), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane, ETES), 디메틸디에톡시실란(dimethyldiethoxysilane, DMDEOS), 및 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 알코올은 구체적으로 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 또는 부탄올 등과 같은 1가 알코올; 또는 글리세롤, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 또는 솔비톨 등과 같은 다가 알코올일 수 있으며, 예를 들면, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 또는 부탄올 등과 같은 탄소수 1 내지 6의 1가 알코올, 예컨대 에탄올일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 숙성 단계는 기공 구조 강화를 위해 30 ℃ 내지 80 ℃, 40 ℃ 내지 80 ℃ 또는 50 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 0.1 시간 내지 20 시간, 0.5 시간 내지 15 시간, 0.5 시간 내지 10 시간, 0.5 시간 내지 7 시간 또는 1 시간 내지 5 시간 동안 방치하며 수행될 수 있고, 이 범위 내에서 생산성의 저하를 방지하면서도, 증발에 의한 용매의 손실을 방지하여 생산 비용의 증가를 방지할 수 있다.
또한, 상기 숙성 단계는 기공 구조 강화를 위해 30 ℃ 내지 80 ℃에서 0.1 시간 내지 5 시간 동안 방치시키며 1차로 숙성을 수행한 뒤, 상기한 염기 촉매를 유기 용매에 희석시킨 용액을 첨가하여 30 ℃ 내지 80 ℃에서 0.1 시간 내지 20 시간, 0.5 시간 내지 15 시간, 0.5 시간 내지 10 시간, 0.5 시간 내지 7 시간 또는 1 시간 내지 5 시간 동안 2차로 숙성을 수행할 수 있다.
또한, 상기 숙성 단계는 기공 구조의 강화뿐만 아니라, 기공 내부 소수화를 위하여 상기와 같이 1차로 숙성을 수행한 뒤, 알콕시 실란계 화합물 및 알코올의 혼합 용액을 첨가하여 30 ℃ 내지 80 ℃에서 0.1 시간 내지 20 시간, 0.5 시간 내지 15 시간, 0.5 시간 내지 10 시간, 0.5 시간 내지 7 시간 또는 1 시간 내지 5 시간 동안 2차로 숙성을 수행할 수 있다.
상기 숙성 단계는 겔화된 습윤겔 복합체를 회수한 후 별도의 반응 용기에서 수행할 수도 있고, 또는 상기 겔화 단계가 실시된 반응 용기 내부에서 실시될 수 있다.
숙성된 습윤겔 복합체의 표면 개질 단계
본 발명에서는 필요에 따라서는 상기와 같이 겔화로 얻어진 습윤겔 복합체 또는 숙성된 습윤겔 복합체의 표면을 표면 개질제의 존재 하에서 소수화하는 표면 개질 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 표면 개질제는 습윤겔 표면을 소수화하는 화합물은 제한 없이 적용 가능하며, 예컨대 실란(silane)계 화합물, 실록산(siloxane)계 화합물, 실라놀(silanol)계 화합물, 실라잔(silazane)계 화합물 또는 이의 조합일 수 있다. 구체적인 예를 들면, 트리메틸클로로실란(trimethylchlorosilane, TMCS), 디메틸디메톡시실란, 디메틸 디에톡시실란, 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane, MTMS), 메틸트리에톡시실란(methyltriethoxysilane, MTES), 트리메틸에톡시실란(trimethylethoxysilane, TMES), 비닐트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane), 페닐트리메톡시실란, 테트라에톡시실란, 디메틸디클로로실란, 또는 3-아미노프로필트리에톡시실란 등을 포함하는 실란계 화합물; 폴리디메틸 실록산, 폴리디에틸 실록산, 또는 옥타메틸 시클로테트라 실록산 등을 포함하는 실록산계 화합물; 트리메틸실라놀, 트리에틸실라놀, 트리페닐실라놀 및 t-부틸디메틸실라놀 등을 포함하는 실라놀계 화합물; 1,2-디에틸디실라잔(1,2-diethyldisilazane), 1,1,2,2-테트라메틸디실라잔(1,1,2,2-tetramethyldisilazane), 1,1,3,3-테트라메틸디실라잔(1,1,3,3-tetramethyl disilazane), 1,1,1,2,2,2-헥사메틸디실라잔(1,1,1,2,2,2-hexamethyldisilazane, HMDS), 1,1,2,2-테트라에틸디실라잔(1,1,2,2-tetraethyldisilazane) 또는 1,2-디이소프로필디실라잔(1,2-diisopropyldisilazane) 등을 포함하는 실라잔계 화합물; 또는 이의 조합일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 표면 개질제로는 유기용매에 희석시킨 용액 상으로 사용될 수 있다. 여기서, 상기 유기용매는 알코올(유기용매)일 수 있고, 이 때 상기 표면 개질제는 전체 희석용액 부피 기준으로 1 내지 15 부피%로 희석될 수 있다.
또한, 상기 표면 개질제는 충분한 표면 개질 효과를 위하여 습윤겔 복합체에 대하여 0.01 내지 90 부피%의 양으로 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 표면 개질 단계는 50 내지 90 ℃ 또는 50 내지 80 ℃의 온도 하에서 1 내지 24 시간, 또는 6 내지 12 시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
건조 단계
본 발명에서는 표면 개질된 습윤겔 복합체를 건조시켜 에어로겔 복합체를 수득하는 건조 단계를 포함할 수 있다.
상기 건조는 숙성된 겔의 기공 구조는 그대로 유지하면서 용매만을 제거하는 공정으로 수행되며, 예를 들어, 초임계 건조 또는 상압 건조 등에 의해 수행될 수 있다.
상기 초임계 건조 공정은 초임계 이산화탄소를 이용하여 수행되는 것으로, 예를 들어, 초임계 건조 반응기 안에 숙성된 습윤겔 복합체를 넣은 다음, 액체 상태의 CO2를 채우고 습윤겔 내부의 알코올 용매를 CO2로 치환하는 용매 치환 공정을 수행한 후 일정 승온 속도, 예컨대 0.1 ℃/min 내지 1 ℃/min의 속도로, 40 내지 70 ℃의 온도까지 승온시킨 후, 이산화탄소가 초임계 상태가 되는 압력 이상의 압력, 예컨대 100 bar 내지 150 bar의 압력을 유지하여 이산화탄소의 초임계 상태에서 일정 시간, 구체적으로는 20 분 내지 1 시간 동안 유지할 수 있다. 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 완료하며 에어로겔 복합체를 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 상압 건조 공정은 70 내지 200 ℃ 온도 및 상압(1±0.3 atm) 하에서 열풍 건조 또는 IR 건조 등의 통상의 방법에 따라 30 분 내지 4 시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서는 상기한 공정 외에도 하이드로겔을 제조하기 위한 물 중의 염기성 금속 옥사이드 전구체(예컨대, 소듐 실리케이트)의 산성화 포함한다. 염 부산물이 이온교환에 의해서 및/또는 형성된 겔을 물로 후속 세척함으로써 규산 전구체로부터 제거될 수 있다. 겔의 기공으로부터 물을 제거하는 것은 극성 유기 용매, 예컨대, 에탄올, 메탄올, 또는 아세톤에 의한 교환을 통해서 수행될 수 있다. 이어서, 겔 중의 액체상은 혁신적인 가공 및 추출 기술을 사용하여 적어도 부분적으로 추출된다.
본 발명에서는 상기한 공정 외에도 소수성 트리메틸실릴에테르로의 표면 하이드록실기의 전환을 통한 습윤 겔 상태에서의 매트릭스 재료의 화학적 변형에 의해서 용매/기공 계면에서 손상성 모세관력을 감소시켜, 용매의 임계점 미만의 온도 및 압력에서 겔 재료로부터 액체상 추출을 가능하게 함을 포함한다.
본 발명에서는 상기한 공정 외에도 겔 재료 내의 액체(용매)는 더 낮은 온도에서 동결되고 이어서 승화 공정이 수행되어, 용매가 겔 재료로부터 제거될 수 있다. 겔 재료로부터의 용매의 그러한 제거 또는 건조는 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 이해된다. 그러한 제거는 겔 구조를 크게 보존하여, 독특한 특성을 갖는 에어로겔을 생성시킨다.
본 발명에서 제공하는 에어로겔 복합체는 각종 산업용 설비의 배관이나 공업용 로와 같은 보온보냉용 플랜트 시설은 물론, 항공기, 선박, 자동차, 전자기기, 배터리 등의 단열재, 보온재, 또는 불연재로서 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 복수 개의 개방된 기공을 포함하고 복수 개의 실리카 에어로겔 입자를 포함하는 에어로겔에 관한 것이다.
상기 에어로겔은 본 발명에서 제공하는 에어로겔 복합체로부터 탈리된 것일 수 있다.
상기 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(water; H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103, 0.45 X 103 내지 1.0 X 103, 0.5 X 103 내지 1.0 X 103, 0.4 X 103 내지 0.95 X 103, 0.45 X 103 내지 0.95 X 103, 0.5 X 103 내지 0.95 X 103, 0.4 X 103 내지 0.9 X 103, 0.45 X 103 내지 0.9 X 103, 또는 0.5 X 103 내지 0.9 X 103인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에어로겔 입자를 200 ℃(±5 ℃)의 온도로 1시간 동안 열처리 후 에어로겔 입자에 대하여 물 용매를 이용한 NMR 분석에서의 T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103, 0.45 X 103 내지 1.0 X 103, 0.5 X 103 내지 1.0 X 103, 0.55 X 103 내지 1.0 X 103, 0.6 X 103 내지 1.0 X 103, 0.4 X 103 내지 0.95 X 103, 0.45 X 103 내지 0.95 X 103, 0.5 X 103 내지 0.95 X 103, 0.55 X 103 내지 0.95 X 103, 0.6 X 103 내지 0.95 X 103, 0.4 X 103 내지 0.9 X 103, 0.45 X 103 내지 0.9 X 103, 0.5 X 103 내지 0.9 X 103, 0.55 X 103 내지 0.9 X 103, 0.6 X 103 내지 0.9 X 103, 0.4 X 103 내지 0.85 X 103, 0.45 X 103 내지 0.85 X 103, 0.5 X 103 내지 0.85 X 103, 0.55 X 103 내지 0.85 X 103, 0.6 X 103 내지 0.85 X 103, 0.4 X 103 내지 0.8 X 103, 0.45 X 103 내지 0.8 X 103, 0.5 X 103 내지 0.8 X 103, 0.55 X 103 내지 0.8 X 103, 또는 0.6 X 103 내지 0.8 X 103일 수 있다.
또한, 상기 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1시간 동안 열처리하여도 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율은 열처리 전 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율 대비 0.8 내지 1.2 배, 0.85 내지 1.2 배, 0.8 내지 1.15 배, 0.85 내지 1.15 배, 0.8 내지 1.1 배 또는 0.85 내지 1.1 배일 수 있다.
상기 에어로겔은 기공 직경이 5 ~ 20 nm인 기공을 골격 구조의 기공 부피의 25% 이하, 또는 10% 이상 25% 이하로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 본 발명에서 제공하는 에어로겔 복합체를 포함하는 단열 부재에 관한 것이다.
상기 단열 부재는 상기 기재한 에어로겔 복합체와, 상기 에어로겔 복합체의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면 상에 위치하는 지지 부재를 포함할 수 있다.
상기 지지 부재로서는, 예를 들어 필름상 지지 부재, 시트상 지지 부재, 박상 지지 부재, 다공질 지지 부재 등을 들 수 있다.
상기 필름상 지지 부재는, 고분자 원료를 얇은 막상으로 성형한 것이며, PET, 폴리이미드 등의 유기 필름, 유리 필름 등을 들 수 있다(금속 증착 필름도 포함한다).
상기 시트상 지지 부재는, 유기, 무기 또는 금속의 파이버상의 원료를 성형한 것이며, 종이, 부직포(유리 매트도 포함한다), 유기 섬유 직물, 유리 클로스 등을 들 수 있다.
상기 박상 지지 부재는 금속 원료를 얇은 막상으로 성형한 것이며, 알루미늄박, 또는 구리박 등을 들 수 있다.
상기 다공질 지지 부재는, 유기, 무기 또는 금속을 원료로 한 다공질 구조를 갖는 것이며, 다공질 유기 재료(예를 들어, 폴리우레탄 폼), 다공질 무기 재료(예를 들어, 제올라이트 시트), 또는 다공질 금속 재료(예를 들어, 다공성 금속 시트, 다공질 알루미늄 시트) 등을 들 수 있다.
상기 지지 부재의 두께는 특별히 제한하지 않으며, 예를 들면, 0.1 내지 100 ㎛, 또는 1 내지 50 ㎛일 수 있다.
상기 단열 부재 역시 건축 분야, 항공 분야, 자동차 분야, 배터리, 가전 제품, 반도체 분야, 산업용 설비 등에 있어서의 단열재, 보온재 또는 불연재로서의 용도 등에 적용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 본 발명에 따른 에어로겔 복합체를 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩에 관한 것이다.
상기 배터리 모듈은 내부 공간을 가지는 모듈 케이스와 내부 공간 내에 존재하는 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 상기 모듈 케이스에 수용되는 배터리 셀의 수는 특정 제한이 없으며 배터리 모듈의 용도에 따라 조정될 수 있다. 상기 모듈 케이스에 수용된 배터리 셀들은 상호 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 모듈 케이스에 수용되는 배터리 셀의 유형은 제한되지 않으나, 예를 들어, 배터리 모듈은 원통형, 각형 또는 파우치형 케이스 배터리 셀을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은 배터리 모듈의 모듈 케이스 내에 본 개시에 따른 에어로겔 복합체를 포함할 수 있다. 상기 에어로겔 복합체는 상기 모듈 케이스 내에 수용된 배터리 셀들 사이에 위치할 수 있다. 상기 에어로겔 복합체는 상기 모듈 케이스와 다수의 배터리 셀 사이, 즉 모듈 케이스의 주변에 배치될 수 있다. 모듈 케이스 내에 위치된 에어로겔 복합체는 절연체 역할을 하여 배터리 모듈 내 열 전파를 줄이고 배터리 모듈의 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 배터리 팩은 상기 배터리 모듈 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩에서는 상기 배터리 모듈들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 배터리 팩은 본 개시에 따른 에어로겔 복합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 에어로겔 복합체는 배터리 팩의 배터리 모듈들 사이에 위치할 수 있다. 상기 에어로겔 복합체는 또한 배터리 팩 내 다수의 배터리 모듈을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 상기 에어로겔 복합체는 배터리 팩 내 절연 재료로 작용하여 열 전파를 줄이고 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
[실시예 1] 에어로겔 복합체의 제조
메틸트리에톡시실란(MTES)와 TEOS를 1:1의 몰비로 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 조성물과 물을 1:5의 몰비로 혼합하고 실리카 전구체 조성물과 1:2의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 졸의 pH가 3 이하가 되도록 염산을 첨가하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(10중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 25 ℃가 유지되도록 하였다. 제조된 습윤겔 복합체에 숙성 용액으로 1.7 중량%의 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS) 용액(용매: 에탄올)을 제조하여 습윤겔 복합체 부피 기준 109% 첨가하여 75 ℃ 오븐에서 2시간 동안 숙성을 진행하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 12시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[실시예 2] 에어로겔 복합체의 제조
메틸트리에톡시실란(MTES)와 TEOS를 7:3의 몰비로 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 조성물과 물을 1:5의 몰비로 혼합하고 실리카 전구체 조성물과 1:2의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 졸의 pH가 3 이하가 되도록 염산을 첨가하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(10중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 35 ℃가 유지되도록 하였다. 겔화 완료 후 상온(25 ℃)에서 10분 간 안정화시킨 후, 70 ℃ 오븐에서 30분간 1차 숙성을 수행하였다. 이후 겔화된 습윤겔 복합체에 3.4 중량%의 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS) 용액(용매: 에탄올)을 제조하여 습윤겔 복합체 부피 기준 109% 첨가하여 75 ℃ 오븐에서 2시간 동안 2차 숙성을 진행하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 8시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[실시예 3] 에어로겔 복합체의 제조
메틸트리에톡시실란(MTES)와 TEOS를 7:3의 몰비로 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 조성물과 물을 1:5의 몰비로 혼합하고 실리카 전구체 조성물과 1:2의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 졸의 pH가 3 이하가 되도록 염산을 첨가하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(10중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 25 ℃가 유지되도록 하였다. 겔화 완료 후 상온(25 ℃)에서 10분 간 안정화시킨 후, 70 ℃ 오븐에서 30분간 1차 숙성을 수행하였다. 이후 겔화된 습윤겔 복합체에 에탄올과 암모니아수의 혼합물(98:2의 부피비)을 제조하여 실리카졸 부피의 1.6배의 양으로 첨가하고 70 ℃ 오븐에서 1시간 동안 2차 숙성을 진행하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 10시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[실시예 4] 에어로겔 복합체의 제조
메틸트리에톡시실란(MTES)와 TEOS를 7:3의 몰비로 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 조성물과 물을 1:5의 몰비로 혼합하고 실리카 전구체 조성물과 1:2의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 졸의 pH가 3 이하가 되도록 염산을 첨가하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(10중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 35 ℃가 유지되도록 하였다. 겔화 완료 후 상온(25 ℃)에서 10분 간 안정화시킨 후, 70 ℃ 오븐에서 30분간 1차 숙성을 수행하였다. 이후 겔화된 습윤겔 복합체에 메틸트리에톡시실란(MTES) 2.9 중량%를 함수율 10 중량%의 에탄올에 희석한 용액을 제조하여 습윤겔 복합체 부피 기준 109% 첨가하여 75 ℃ 오븐에서 2시간 동안 2차 숙성을 진행하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 10시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[실시예 5] 에어로겔 복합체의 제조
메틸트리에톡시실란(MTES)와 TEOS를 7:3의 몰비로 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 조성물과 물을 1:5의 몰비로 혼합하고 실리카 전구체 조성물과 1:2의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 졸의 pH가 3 이하가 되도록 염산을 첨가하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(10중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 25 ℃가 유지되도록 하였다. 겔화 완료 후 상온(25 ℃)에서 10분 간 안정화시킨 후, 70 ℃ 오븐에서 30분간 1차 숙성을 수행하였다. 이후 겔화된 습윤겔 복합체에 에탄올과 암모니아수의 혼합물(98:2의 부피비)을 제조하여 실리카졸 부피의 1.6배의 양으로 첨가하고 70 ℃ 오븐에서 1시간 동안 2차 숙성을 진행하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 8시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[비교예 1] 에어로겔 복합체의 제조
메틸트리에톡시실란(MTES)와 TEOS를 9:1의 몰비로 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 조성물과 물을 1:5의 몰비로 혼합하고 실리카 전구체 조성물과 1:2의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 졸의 pH가 3 이하가 되도록 염산을 첨가하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(10중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 25 ℃가 유지되도록 하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[비교예 2] 에어로겔 복합체의 제조
테트라에틸오르소실리케이트(TEOS)와 에탄올을 1:0.5의 중량비로 혼합하고 TEOS와 1:4의 몰비를 갖는 물을 첨가하여 실리카 전구체 용액을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 용액의 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 전구체 용액의 pH가 3 이하가 되도록 산을 첨가하고 2시간 이상 교반하여 수화된 TEOS 용액을 제조하였다. 수화된 TEOS 용액과 1:0.8의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(5중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 25 ℃가 유지되도록 하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 10시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[비교예 3] 에어로겔 복합체의 제조
테트라에틸오르소실리케이트(TEOS)와 에탄올을 1:0.5의 중량비로 혼합하고 TEOS와 1:4의 몰비를 갖는 물을 첨가하여 실리카 전구체 용액을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 용액의 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 전구체 용액의 pH가 3 이하가 되도록 산을 첨가하고 2시간 이상 교반하여 수화된 TEOS 용액을 제조하였다. 수화된 TEOS 용액과 1:0.8의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(5중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 35 ℃가 유지되도록 하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 4시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[비교예 4] 에어로겔 복합체의 제조
테트라에틸오르소실리케이트(TEOS)와 에탄올을 1:0.5의 중량비로 혼합하고 TEOS와 1:4의 몰비를 갖는 물을 첨가하여 실리카 전구체 용액을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 용액의 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 전구체 용액의 pH가 3 이하가 되도록 산을 첨가하고 2시간 이상 교반하여 수화된 TEOS 용액을 제조하였다. 수화된 TEOS 용액과 1:0.8의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(5중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 35 ℃가 유지되도록 하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 10시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[비교예 5] 에어로겔 복합체의 제조
테트라에틸오르소실리케이트(TEOS)와 에탄올을 1:0.5의 중량비로 혼합하고 TEOS와 1:4의 몰비를 갖는 물을 첨가하여 실리카 전구체 용액을 제조하였다. 상기 실리카 전구체 용액의 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 전구체 용액의 pH가 3 이하가 되도록 산을 첨가하고 2시간 이상 교반하여 수화된 TEOS 용액을 제조하였다. 수화된 TEOS 용액과 1:0.8의 중량비를 갖는 에탄올을 첨가하여 실리카 졸을 제조하였다. 가수분해를 촉진하기 위해 실리카 졸의 pH가 3 이하가 되도록 염산을 첨가하였다. 상기 실리카 졸과 99:1의 부피비를 갖는 염기 촉매 용액(10중량% NaOH 수용액)을 첨가하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하였다. 이 촉매화된 졸 33.3 L를 함침조 내에 채운 이후에, 기재로서 섬유(Glass fiber 섬유 매트, 3 mm)를 통과시켜 섬유에 촉매화된 졸을 침투시키되, 촉매화된 실리카 졸이 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸: 섬유)로 함침되도록 하였다. 함침조를 통과하여 촉매화된 졸이 침투된 섬유는 컨베이어 벨트 위를 일정한 속도로 지나며 겔화되었다. 이때 컨베이어 벨트 위에서의 주변 분위기 온도가 25 ℃가 유지되도록 하였다. 제조된 습윤겔 복합체에 숙성 용액으로 암모니아수(NH4OH) 2.4 중량%를 함수율 10 중량%의 에탄올에 희석한 용액을 습윤겔 블랭킷 부피 기준으로 109 % 첨가하여 75 ℃의 온도에서 1시간 동안 숙성을 진행하였다. 습윤겔 복합체에 표맨 개질제로 트리메틸에톡시실란(TMES)을 에탄올에 희석한 용액(10 부피%)을 습윤겔 복합체 부피 기준으로 90 부피% 첨가한 후 75 ℃의 온도에서 표면개질을 6시간 동안 수행하였다. 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 실리카 습윤겔 복합체를 넣고 CO2를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 1 시간 20 분에 걸쳐 70 ℃로 승온하고, 70 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 CO2를 주입 및 배출하고, 20 분간 CO2 주입을 멈춘 상태로 유지시키는 과정을 4 회 반복하였다. CO2 주입 및 배출 시에 추출기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이후 2 시간 동안에 걸쳐 CO2를 배출(venting)하여 소수성 실리카 에어로겔 복합체를 제조하였다.
[실험예 1] 밀도 및 기공 크기별 분포 측정
1. 밀도
각 실시예 및 비교예에서 제조한 각각의 실리카 에어로겔 복합체에 대하여 10 cm X 10 cm 크기의 시편을 5개씩 준비한 뒤 각각의 무게를 측정하고, NETZSCH社의 HFM436 장비로 시편의 두께를 측정하였다. 측정된 무게와 두께 및 크기로 밀도를 계산하여 시편 5개의 평균 밀도를 최종 밀도로 결정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
2. 기공 직경이 5~20 nm인 유효 기공의 부피 비율(%)
각 실시예 및 비교예에서 제조한 각각의 실리카 에어로겔 복합체에 대하여 Micrometrics 社의 ASAP 2010 장비로 부분압(0.11<p/p0<1)에 따른 질소의 흡/탈착량으로 분석하여, 비표면적, 기공 부피 및 기공 직경을 측정하였다. 측정된 기공 부피에서 기공 직경이 5~20 nm의 수치범위를 갖는 기공(유효 기공)의 부피 비율을 산출하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 밀도
(g/cc)		 유효기공 부피 비율
(%)
실시예1 0.211 17%
실시예2 0.221 20.1%
실시예3 0.199 24.5%
실시예4 0.218 16.4%
실시예5 0.205 14.5%
비교예1 0.215 28.3%
비교예2 0.189 28%
비교예3 0.199 30.1%
비교예4 0.195 28.8%
비교예5 0.211 32.2%
[실험예 2] 에어로겔 구조의 NMR 분석
1. 상온 NMR 분석
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 얻어진 에어로겔 복합체에 포함된 에어로겔 입자에 대하여 NMR 분석을 수행하기 위하여, 우선 가로 X 세로가 60cm X 12cm의 크기로 제작된 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5의 에어로겔 복합체를 준비하였다. 각 에어로겔 복합체를 밀봉 가능한 비닐 용기에 넣은 뒤 반복적으로 상하로 흔들며 충격을 주어 의도적으로 에어로겔 분말(에어로겔 입자)의 탈리를 유도하였다. 수득된 에어로겔 분말에 혼재되어 있으며 육안으로 식별 가능한 섬유 기재를 핀셋으로 제거하였다. 이후 보다 정밀한 분석을 위하여 상기 탈리된 분말 내에 미세하게 혼재된 섬유 기재를 추가로 제거하기 위하여, 100 ml 바이알에 에어로겔 분말을 넣은 뒤 증류수를 분말:증류수의 중량비가 대략 1:130이 되도록 첨가하고 50회 상하로 강하게 흔들어 주었다. 이후 바이알의 바닥층에 가라앉은 섬유 기재를 제거하고, 섬유 기재와 에어로겔 분말이 응집되어 형성된 덩어리 또한 제거하였다. 응집체를 형성하지 않은 에어로겔 분말 150 mg 만을 조심스럽게 수득하여 105 ℃의 조건 오븐(㈜삼홍에너지, SH-VDO-08NG) 에서 24 시간 이상 건조시켰다. 건조된 에어로겔 분말을 항온항습기(JEIO TECH, TH3-PE)를 이용하여 온도 25 ℃, 습도 40% 조건에서 5시간 이상 보관하여 에어로겔 기공 내 물이 흡착하여 포화되게 하였다. 기공 내에 물이 포화된 에어로겔 분말을 5 mm NMR 튜브에 옮겨 담고 밀봉을 한 후 NMR 실험을 수행하였다. NMR 실험 기기로는 600MHz NMR (Bruker, Avance Neo)와, 확산 프로브를 사용하였다. T1 이완 시간의 측정을 위한 실험 파라미터로는 펄스 시퀀스(Pulse sequence) : T1 반전 복구 방법(inversion recovery method) , d1=10 초, ns=8, vdlist는 아래 표 2와 같다. T2 이완 시간의 측정을 위한 실험 파라미터로는 펄스 시퀀스(Pulse sequence) : CPMG (Car-Purcell-Meiboom-Gill) 방법, d1=10 초, ns=8, ds=16, d20=0.000150 초, vclist 는 아래 표 3과 같다. 이와 같은 실험을 통해 얻어진 각 시편 별 T1 이완 시간 및 T2 이완 시간과, 이들의 비율(T1/T2)은 아래 표 4에 나타내었다. 하기 표 4에서 T1, T2 이완 시간의 결과 값은 3회 반복 실험 후 평균 값으로 나타낸 것이다.
vdlist 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
지연시간(Delay time) 0.01 0.04 0.09 0.16 0.25 0.49 1 2 4 9 16 25
vclist 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
루프 카운트(Loop count) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 14 16 32
T1 (sec) T2 (msec) T1/T2(*10^3)
실시예 1 1.463 2.8 0.52
실시예 2 1.34 2.2 0.61
실시예 3 1.482 2.19 0.68
실시예 4 1.38 1.7 0.81
실시예 5 1.29 1.43 0.90
비교예 1 1.45 1.07 1.36
비교예 2 1.3 0.922 1.41
비교예 3 1.48 1.16 1.28
비교예 4 1.22 0.8 1.53
비교예 5 1.51 1.19 1.27
Bulk H2O 2.83 2.81
상기 표 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5의 에어로겔 복합체에 대하여 물 용매를 이용한 NMR 분석 결과 T1/T2의 비율은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103인 것을 확인할 수 있었다.
2. 고온 NMR 분석
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 얻어진 에어로겔 복합체에 대하여 상압 건조와 유사한 고온 열처리를 수행하면, 기공 구조의 수축이 발생하거나 에어로겔 복합체의 표면 내지는 기공 내부 소수화도에 변화가 발생하는 지 확인하기 위하여 이하의 실험을 수행하였다. 구체적으로는 가로 X 세로가 60cm X 12cm의 크기로 제작된 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5의 에어로겔 복합체를 준비한 뒤 상기 1. 상온 NMR 분석과 동일한 방법으로 에어로겔 복합체로부터 에어로겔 분말을 수득하였다. 에어로겔 분말을 200 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리를 수행한 뒤 NMR 분석을 통해 각 시편 별 T1 이완 시간 및 T2 이완 시간을 측정한 뒤 이들의 비율(T1/T2)을 계산하여 아래 표 5에 나타내었다. 또한, 열처리 후 얻어진 T1/T2의 비율의 열처리 전 얻어진 T1/T2의 비율("열처리 후/열처리 전"으로 표기함)에 대한 비율을 계산하여 그 결과를 표 5에 함께 나타내었다.
T1/T2(*10^3) 열처리 후 /열처리 전
실시예 1 0.57 1.09
실시예 2 0.62 1.02
실시예 3 0.64 0.95
실시예 4 0.8 0.99
실시예 5 0.78 0.86
비교예 1 2.94 0.46
비교예 2 3.22 0.44
비교예 3 2.35 0.54
비교예 4 2.16 0.71
비교예 5 1.70 0.75
Bulk H2O 2.94
상기 표 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5의 에어로겔 복합체를 200 ℃ 고온에서 열처리한 뒤 물 용매를 이용한 NMR 분석 결과 T1/T2의 비율 역시 0.4 X 103 내지 1.0 X 103의 수준인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 열처리 전 T1/T2에 대한 열처리 후 T1/T2의 비율이 0.8 내지 1.2 배 정도로 열처리 후에도 열처리 전과 유사한 T1/T2 비율을 보였다. 반면, 비교예 1 내지 5의 에어로겔 복합체는 열처리 전 T1/T2에 대한 열처리 후 T1/T2의 비율이 최대 0.75 배이고, 대부분 0.70 배 미만으로 열처리 후 T1/T2가 열처리 전에 비하여 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
상기한 실험을 통해 본 발명에 따른 에어로겔 복합체는 기공 강도가 높고, 기공 내부에도 소수화도가 충분히 일어나 고온 환경에 노출되어도 기공이 수축되어 변형되거나 에어로겔 복합체 표면 및 내부에서 소수성이 현저히 저하되는 것을 방지할 수 있음을 알 수 있었다.
[실험예 3] 에어로겔 복합체의 소수성 평가(1)
1. 상온 소수성 평가
본 발명에 따라 제조된 에어로겔 복합체의 표면 및 내부 소수화도를 평가하기 위하여 아래의 실험을 수행하였다.
1-1. 표면 발수도 측정
먼저, 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5 각각의 에어로겔 복합체로부터 10 cm X 10 cm 크기의 시편(두께는 5 mm 내외)을 얻은 뒤 21±2 ℃ 온도의 증류수 위에 띄운 후, 6.4 mm 메쉬 스크린(mesh screen)을 수면 아래에 127㎜까지 가라 앉혔다(함침). 15분 뒤 상기 메쉬 스크린을 제거하고, 시편이 떠오르면 클램프(clamp)로 시편을 집어 수직으로 60±5 초 동안 매달아 두었다. 이후, 함침 전/후의 시편의 무게를 각각 측정하여 하기 식 1에 따라 계산하여 이를 표면 발수도로 나타내었다. 표면 발수도 값이 낮을수록 실리카 에어로겔 복합체 표면의 소수화도가 우수한 것을 나타낸다. 단, 하기 표 6에서 표면 발수도의 실험 결과는 3번 반복 실험을 수행한 뒤 평균 값으로 나타낸 것이다. 이때 평균 값은 소수점 셋째 자리에서 반올림하여 소수점 둘째 자리로 나타내었다.
[식 1]
수분 함침률(중량%) = {(함침 후 시편의 무게 - 함침 전 시편의 무게)/(함침 전 시편의 무게)} X 100
1-2. 단면 발수도 측정
단면 발수도는 10 cm X 10 cm 크기의 시편을 1 cm X 1 cm 크기(두께는 3 mm 내외)로 절단하여 상기 표면 발수도와 동일한 방법으로 측정하였다. 단, 시편의 크기를 고려하여 단면 발수도는 각 실시예 또는 비교예 별로 5개의 시편을 준비하여 각 시편 별로 동일 실험을 3회 반복 수행한 후 그 평균 값으로 나타내었다. 이때 평균 값은 소수점 셋째 자리에서 반올림하여 소수점 둘째 자리로 나타내었다. 여기서 단면 발수도 값이 낮을수록 실리카 에어로겔 복합체의 내부의 소수화도가 우수한 것을 나타낸다.
구분 표면 발수도
(중량%)		 단면 발수도
(중량%)
실시예1 1.86 1.12
실시예2 1.05 0.63
실시예3 2.13 1.08
실시예4 1.13 0.72
실시예5 3.14 1.21
비교예1 10.13 6.68
비교예2 5.64 5.52
비교예3 12.02 8.15
비교예4 4.71 4.29
비교예5 8.07 7.85
상기 표 6에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따르는 에어로겔 복합체(실시예 1 내지 5)의 표면 발수도는 대략 4 중량% 이하로 낮고, 단면 발수도 또한 1.5 중량% 이하로 매우 낮은 것을 볼 수 있다. 이를 통해 본 발명에 따른 에어로겔 복합체는 표면 및 내부 소수화도가 모두 높고 발수성이 뛰어난 것을 알 수 있었다. 반면 비교예 1 내지 5의 에어로겔 복합체의 표면 발수도는 4 중량% 초과하는 수준이고, 단면 발수도는 최소 3.65 중량%, 최대 6.24 중량%로 발수성이 매우 낮고, 특히 에어로겔 복합체 내부에서의 소수화도가 낮은 것을 알 수 있었다.
2. 고온 소수성 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 에어로겔 복합체 시편을 고온에서 열처리 하여도 소수성이 유지되는지 평가하기 위하여, 실시예 1 내지 5와 비교예 1 내지 5에서 제조된 각 시편을 200 ℃에서 1 시간 추가로 상압 건조한 뒤 상기 1-1.에서와 같이 21±2 ℃인 증류수 위에 띄운 뒤 증류수 상에 부유하는지 여부를 평가하여 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다. 단, 하기 표 7에서 O은 시편이 증류수 상에 부유하는 경우이고, △는 시편이 증류수 내부에 부유하는 경우이고, X는 시편이 수조 바닥까지 가라앉은 경우를 나타내었다.
구분 고온 소수성 평가
실시예1 O
실시예2 O
실시예3 O
실시예4 O
실시예5 O
비교예1 △
비교예2 △
비교예3 X
비교예4 △
비교예5 X
상기 표 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따르는 에어로겔 복합체(실시예 1 내지 5)는 고온에서 열처리한 후에도 시편이 모두 증류수 상에 부유하며 소수성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 3 및 5의 시편은 열처리 후 증류수에 부유하지 않고 모두 시험이 수행된 수조의 바닥까지 가라앉는 것을 확인할 수 있었다. 비교예 1, 2 및 4의 시편도 수조의 바닥까지 가라앉지는 않았으나, 증류수 표면으로부터 수조 깊이의 1/3 ~ 1/2 정도까지 가라앉아 증류수 내부에서 부유하였는 바, 열처리로 인하여 시편의 소수성이 유지되지 않고 떨어졌음을 알 수 있었다.
[실험예 4] 에어로겔 복합체의 소수성 평가(2)
본 발명에 따라 제조된 에어로겔 복합체의 표면 및 내부 소수화도를 평가하기 위하여 ASTM C1104의 규격에 따라 아래의 실험을 수행하였다. 먼저, 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5 각각의 에어로겔 복합체로부터 15 cm X 15 cm 크기의 시편(두께는 3 mm 내외)을 얻은 뒤 102 ~ 121 ℃의 공기 순환 오븐에 건조제로 염화칼슘을 함유한 데시케이터를 사용하여 시편을 건조하였다. 이후, 49±2 ℃, 상대 습도 95±3%의 환경에서 96 시간 동안 보관한 뒤, 아래 식 2와 같이 수증기 흡수 전, 후의 시편의 무게 변화의 백분율을 측정하여 수증기 흡수율로 나타내었다. 수증기 흡수율은 실리카 에어로겔 복합체의 내부 소수화도 정도를 반영한다. 단, 하기 표 8에서 수증기 흡수율의 실험 결과는 3번 반복 실험을 수행한 뒤 평균 값으로 나타낸 것이다. 이때 평균 값은 소수점 둘째 자리에서 반올림하여 소수점 첫째 자리로 나타내었다.
[식 2]
수증기 흡수율(중량%) = {(실험 후 시편의 무게 - 실험 전 시편의 무게)/(실험 전 시편의 무게)} X 100
구분 수증기 흡수율
(중량%)
실시예1 1.1
실시예2 1.8
실시예3 1.2
실시예4 1.1
실시예5 2.4
비교예1 3.8
비교예2 3.4
비교예3 3.9
비교예4 2.8
비교예5 3.7
상기 표 8에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 5의 에어로겔 복합체의 수증기 흡수율은 대략 2.5 중량% 이하로 낮은 반면, 비교예 1 내지 5의 에어로겔 복합체의 수증기 흡수율은 최소 2.8 중량%이고 대부분 3.5 중량% 이상인 것을 볼 수 있었다. 이를 통해 본 발명에 따른 에어로겔 복합체는 표면 및 내부 소수화도가 모두 높고 발수성이 뛰어난 것을 알 수 있었다.
[실험예 5] 에어로겔 복합체의 열전도도 평가
1. 상온 열전도도 측정
본 발명에 따라 제조된 에어로겔 복합체의 상온 열전도도를 평가하기 위하여, Netzsch社 HFM436 장비를 이용하여 각 실시예 및 비교예에서 제조된 60 cm X 12 cm 크기의 에어로겔 복합체의 상온 열전도도를 측정하여 그 결과를 하기 표 9에 나타내었다.
2. 고온 열전도도 측정
고온에서의 열전도도를 평가하기 위하여 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 에어로겔 복합체를 NETZSCH社의 GHP 456 장비를 이용하여 대략 150 ℃의 온도에서 GHP(Guarded Hot Plate) 고온 열전도도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 9에 함께 나타내었다.
구분 상온 열전도도(mW/mK) 고온 열전도도(mW/mK)
실시예1 19 21.9
실시예2 18.3 20.5
실시예3 18.8 20.9
실시예4 17.8 20.2
실시예5 19.1 21.5
비교예1 22.5 26.4
비교예2 19.5 24.8
비교예3 21.8 25.8
비교예4 20.2 25.3
비교예5 19.9 24.9
상기 표 9에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따르는 에어로겔 복합체(실시예 1 내지 5)는 비교예 1 내지 5의 에어로겔 복합체에 비하여 상온 및 고온에서 모두 열전도도가 낮고, 단열성이 우수한 것을 알 수 있었다.
[실시예 6] 단열 부재의 제조
상기 실시예 1 내지 5에서 제조된 에어로겔 복합체의 양면에, 25 ㎛ 두께의 아크릴 접착제가 25 ㎛ 두께의 PET 필름 일면에 도포된 ALKYNES社의 ALKYN-1505(C) 제품을 부착하여 단열 부재를 제조하였다.
[실시예 7] 단열 부재의 제조
상기 실시예 1 내지 5에서 제조된 에어로겔 복합체의 양면에, 25 ㎛ 두께의 아크릴 접착제가 25 ㎛ 두께의 난연 PET 필름의 일면에 도포된 ALKYNES社의 ALKYN-4005(FR)제품을 부착하여 단열 부재를 제조하였다.
[실시예 8] 단열 부재의 제조
상기 실시예 1 내지 5에서 제조된 에어로겔 복합체의 양면에, 7 ㎛ 두께의 폴리에스터 필름과 12 ㎛ 두께의 PET 필름이 순차로 적층되어 있으며, 폴리에스터 필름의 다른 이면에 25 ㎛ 두께의 아크릴 접착제가 도포된 ALKYNES社의 ALKYN-4004D(PS)제품을 부착하여 단열 부재를 제조하였다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
본 발명은 에어로겔 복합체 및 이의 단열재로의 적용 용도에 관한 것이다.

Claims (20)

  1. 기재; 및 복수 개의 개방된 기공을 포함하는 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합체로, 상기 에어로겔은 복수 개의 실리카 에어로겔 입자를 포함하고,
    상기 실리카 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103인, 에어로겔 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리카 에어로겔 입자에 대하여 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 0.9 X 103인, 에어로겔 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리카 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 포화 유체(saturation fluid)로 물(H2O)을 이용하여 NMR 분석을 수행한 결과, T2 이완 시간에 대한 T1 이완 시간의 비율(T1/T2)은 0.4 X 103 내지 1.0 X 103인, 에어로겔 복합체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실리카 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 상기 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율은, 상기 실리카 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리하기 전 실리카 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율 대비 0.8 내지 1.2 배인, 에어로겔 복합체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 실리카 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 상기 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율은 상기 실리카 에어로겔 입자를 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리하기 전 실리카 에어로겔 입자에 대한 T1/T2의 비율 대비 0.85 내지 1.1 배인, 에어로겔 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔은 기공 직경이 5 내지 20 nm 이하인 기공을 골격 구조의 기공 부피의 25% 이하로 포함하는, 에어로겔 복합체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 에어로겔은 기공 직경이 5 내지 20 nm 이하인 기공을 골격 구조의 기공 부피의 10% 이상 25% 이하로 포함하는, 에어로겔 복합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체는 하기 식 1로 표시되는 수분 함침률(중량%)이 4 중량% 이하인 것인, 에어로겔 복합체:
    [식 1]
    수분 함침률(중량%) = {(함침 후 시편의 무게 - 함침 전 시편의 무게)/(함침 전 시편의 무게)} X 100
    상기 식 1에서,
    상기 함침 후 시편의 무게는 에어로겔 복합체 시편을 21±2 ℃의 증류수에 15분 함침 후의 무게를 의미하고,
    상기 에어로겔 복합체 시편은 가로 X 세로가 100 mm X 100 mm의 크기이다.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체는 하기 식 1로 표시되는 수분 함침률(중량%)이 3 중량% 이하인 것인, 에어로겔 복합체:
    [식 1]
    수분 함침률(중량%) = {(함침 후 시편의 무게 - 함침 전 시편의 무게)/(함침 전 시편의 무게)} X 100
    상기 식 1에서, 상기 함침 후 시편의 무게는 에어로겔 복합체 시편을 21±2 ℃의 증류수에 15분 함침 후의 무게를 의미하고,
    상기 에어로겔 복합체 시편은 가로 X 세로가 10 mm X 10 mm의 크기이다.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체에 대하여 200 ℃의 온도로 1 시간 열처리 후 상기 식 1로 표시되는 수분 함침률(중량%)이 10 중량% 이하인 것인, 에어로겔 복합체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체는 ASTM C1104 시험 방법에 따른 수증기 흡수율이 2.5 중량% 이하인 것인, 에어로겔 복합체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔은 실리카, 메틸실릴화된 실리카, 디메틸실릴화된 실리카 및 트리메틸실릴화된 실리카로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 에어로겔 복합체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 실리카 에어로겔 입자는 입경이 0 초과 5 nm 이하인 에어로겔 입자 복수 개가 응집 또는 결합된 입자를 포함하는 것인, 에어로겔 복합체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 응집 또는 결합된 에어로겔 입자의 평균 입경은 5 내지 2,000 nm인, 에어로겔 복합체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체의 두께는 0.1 내지 20 mm인, 에어로겔 복합체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체의 밀도는 0.05 내지 0.50g/cm3인, 에어로겔 복합체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체는 10 % 변형에서의 압축 강도가 20 kPa 내지 80 kPA이고, 인장 강도가 30 N/cm2 내지 60 N/cm2인 것인, 에어로겔 복합체.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 에어로겔 복합체를 포함하는 단열 부재.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 단열 부재는 상기 에어로겔 복합체의 상면 및 하면 중 적어도 하나의 면 상에 위치하는 지지 부재를 더 포함하는, 단열 부재.
  20. 내부 공간을 가지는 모듈 케이스, 상기 내부 공간에 위치하는 하나 이상의 배터리 셀, 및 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 에어로겔 복합체를 포함하는 배터리 모듈.
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