KR101583651B1 - 단열재용 코어 및 그의 제조방법과 이를 이용한 슬림형 단열재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 3차원 구조의 나노웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여 박막이면서도 단열 성능이 우수한 단열재용 코어 및 그의 제조방법과 이를 이용한 슬림형 단열재에 관한 것이다.
본 발명의 단열재용 코어는 열전도율이 낮은 폴리머로 이루어지며, 방사되는 직경 1um 미만의 나노 섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공 구조를 갖는 다공성 나노웹으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

단열재용 코어 및 그의 제조방법과 이를 이용한 슬림형 단열재{Core for Heat Insulating Material, Method for Manufacturing the Same and Slim Type Heat Insulating Material Using the Same}
본 발명은 슬림형 단열재에 관한 것으로, 특히 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 3차원 구조의 나노웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여 박막이면서도 단열 성능이 우수한 단열재용 코어 및 그의 제조방법과 이를 이용한 슬림형 단열재에 관한 것이다.
우리나라 단열재 구성비는 65%가 발포폴리스티렌, 발포폴리우레탄, 압출발포폴리스티렌, 폴리에틸렌 등 유기단열재가 차지하고 있으며, 나머지 35%가 유리면(glass wool), 광질면(mineral wool) 등 무기 단열재가 차지하고 있다. VIP(Vacuum Insulating Panels), 에어로젤 같은 최신 단열재는 대형건설사 위주로 일부 건물에 활용되고 있으며, 아직 대중화되지 못한 상태이다.
하기 표 1에 각종 단열재의 열전도율(Thermal Conductivity)을 정리하면 다음과 같다.
종 류 열전도율(단위: mW/mK) 비고
광진면(mineral wool) 30~40
발포폴리스티렌(EPS) 30~40
압축발포폴리스티렌(XPS) 30~40
셀룰로오스 40~50
코르크 40~50
폴리우레탄 20~30
VIP 3~4
GFP 40
에어로젤 13~14
여기서, VIP(Vacuum Insulation Panels)는 흄드 실리카 등의 코어(심재)가 외피재로 감싸진 구조로서 내부가 진공 상태인 것이고, GFP는 VIPs 구조에서 진공 대신 공기보다 열전도율이 낮은 Ar, Kr, Xe와 같은 불활성 가스를 적용한 것이다.
상기한 바와 같이, 최근 각광받는 단열재로서 VIP와 에어로젤이며, 열전도율은 VIP가 4 mW/mK로 가장 낮으나, 수분 및 공기의 침투, 외피가 손상을 입을 경우 20 mW/mK 이상 증가될 수 있어, 건설현장에서 절단 및 활용될 수 없는 단점이 있다. 에어로젤은 13 mW/mK의 열전도율을 가지며, 시간에 흐름에 따라 증가하지 않으며, 천공에 대한 영향성이 낮고 공사현장 적용성이 VIP에 비해 높다. VIP 및 에어로젤은 아직 고가(高價)이나 VIP는 기존 단열재에 비해 주거면적을 크게 확대할 수 있어 경제성을 기대할 수 있다.
진공 단열재(VIP)는 심재(core), 상기 심재 중의 수분이나 가스 등을 흡착하는 게터재 및 심재를 둘러싸는 외피재를 포함하고, 상기 외피재의 내부가 진공 또는 감압된 상태로 형성된다.
일반적으로, 게터재를 포함하는 진공 단열재는, 내부 심재 사이에 파우치 타입의 게터재 봉투를 삽입한 후, 외피재로 둘러싸거나 또는 심재 표면에 게터재를 올려놓은 상태에서 외피재로 둘러싸는 방법으로 제조되고 있다.
상기와 같은 종래의 방법에서는, 심재 및 게터재를 외피재로 실링하고, 외피재 내의 공기를 흡입하면, 심재 및 외피재가 수축되고, 이로 인해, 게터재가 삽입된 부위가 돌출되는 현상이 발생한다.
이와 같은, 게터재의 돌출부분은 진공 단열재의 외표면의 두께 편차를 유발하고, 이에 따라 진공 단열재를 건축용 및 가전용 등으로 적용할 때, 표면 레벨링성 등이 떨어지는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 최근에는 심재의 표면에 홈을 가공한 뒤, 상기 홈에 게터재(gettering material)를 위치시키고, 외피재로 피복하여 진공 단열재를 제조하는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 이러한 방법의 경우에도, 돌출부 형성 문제를 완전하게 해결할 수는 없으며, 또한 홈 가공을 통해 심재의 컷팅 부위에서 열성능이 저하되는 문제가 있다.
또한, 진공 단열재의 외피재는 여러 층의 필름이 라미네이트 되어 형성되어 있으며, 각 필름은 3 가지 기능을 하는 필름으로 구성되어 있다. 즉, 상기 진공 단열재는 진공 단열재가 외부 충격으로부터 1차적으로 보호받을 수 있는 보호층(protectiong layer), 내부진공도 유지해주고, 외부 가스 및 수증기를 차단해주는 베리어층(barrier layer) 및 외피재가 밀착되어 패널 형태를 유지할 수 있게 해주는 실링층으로 구성되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-77859호에는 심재를 포함하는 코어부; 및 상기 코어부를 피복하고 있는 외피재를 가지고, 상기 코어부가 감압상태로 형성된 진공 단열재에 있어서, 상기 외피재가 하나 이상의 부직포층을 포함하는 진공 단열재가 제안되어 있다. 이 경우, 상기 진공 단열재의 심재는 유리 섬유, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌을 사용하고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-15326호에는 진공단열재의 외피 내부에 위치하는 코어로서, 상기 코어는 합성수지재 섬유를 열융착하여 서로 접합시킨 것을 특징으로 하는 진공단열재의 코어가 제안되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-15325호에는 소정 형상을 가지며 내부에 감압 공간이 형성되는 코어; 및 상기 코어의 표면에 가스 배리어성을 가지게 소정의 물질을 코팅하여 형성되는 가스배리어층을 포함하는 진공단열재가 제안되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-15324호에는 가스 배리어성을 가지며 내부에 소정의 감압 공간을 형성하는 외피; 및 소정 형상을 가지고 내부에 빈 공간이 형성되며, 상기 외피의 내부에 배치되어 상기 외피를 지지하는 코어를 포함하는 진공단열재가 제안되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-133451호에는 천연섬유시트의 표면 또는 내부에 에어로겔을 갖는 에어로겔시트; 상기 에어로겔시트가 다수 적층된 충진재; 및 상기 충진재를 둘러싸도록 내공간부를 형성하는 알루미늄 박막의 내외부면에 수지가 코팅되어 이루어지고, 상기 내공간부가 진공인 외피재;를 포함하는 진공 단열 패널이 제안되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2013-15183호에는 심재를 피복하는 가스 차단성을 갖는 외포재와, 상기 외포재의 내부가 감압하여 밀폐된 진공 단열재에 있어서, 상기 심재는 섬유 집합체로 이루어지며, 상기 섬유는 그 내부가 빈 중공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 단열재가 제안되어 있다.
이 경우, 상기 심재는 유리 섬유(glass fiber), 유리솜(glass wool)으로 이루어지고, 상기 유리 섬유의 외경은 1~10㎛이며, 상기 중공부 내경은 수nm~5㎛ 이하의 크기로 형성되고 있다. 상기 심재는 핫프레스, 니들링(Needling), 물과 바인더를 혼합 사용한 습식법 중 어느 하나의 방법에 의해 보드 형상의 심재로 제조되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2013-15183호에 제안된 심재는 유리 섬유 집합체를 핫 프레스 방법으로 압착하여 보드 형상으로 형성할 때, 유리 섬유의 단면 형상이 변화하지 않을 정도의 연화 상태가 되는 온도(즉, 유리 섬유가 자중에 의해 조금 변형을 시작하는 온도, 또는 프레스의 상하 방향으로부터의 자중에 의해 유리 섬유가 변형 가능해 지는 온도)로 가열하면서 프레스가 이루어질지라도 유리 섬유의 가요성이 높지 않기 때문에 유리 섬유 집합체 내부의 유리 섬유 사이의 기공은 크게 된다.
따라서, 상기 유리 섬유 집합체 내부의 기공 사이즈는 공기를 트랩핑하는 데 적합한 크기를 갖지 못하여 단열 효과는 낮게 되며, 중공 구조의 유리 섬유는 제조공정이 복잡하고 어려운 문제가 있다.
상기한 바와 같이, 종래의 진공 단열재(VIP)는 외피재의 내부에 유리 섬유, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 흄드 실리카, 적층 구조의 에어로겔시트, 유리 섬유 등으로 이루어진 코어를 사용하고 있으나, 열전도율이 높거나 재료비용이 고가이거나 제조공정이 어려운 단점이 있다.
또한, 단열성능을 높이기 위하여 두께를 증가시키는 방법은 슬림화에 역행하는 것이므로, 슬림형이면서도 단열 성능이 우수한 진공 단열재용 코어의 개발이 요구되고 있다.
더욱이, 일반적인 진공 단열재는 건축용으로 적용할 때 시공이 용이하지 못하고, 못을 사용하여 고정하는 경우 진공상태가 깨짐에 따라 단열성능이 크게 저하되는 문제점이 있다.
특허문헌 1 : 한국 공개특허공보 제10-2011-77860호 특허문헌 2 : 한국 공개특허공보 제10-2011-15326호 특허문헌 3 : 한국 공개특허공보 제10-2011-15325호 특허문헌 4 : 한국 공개특허공보 제10-2011-15324호 특허문헌 5 : 한국 공개특허공보 제10-2011-133451호 특허문헌 6 : 한국 공개특허공보 제10-2013-15183호
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 기본 목적은 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 3차원 구조의 나노웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여, 외피재 내부가 진공이 아닌 경우에도 단열 성능이 우수한 단열재용 코어 및 그의 제조방법과 이를 이용한 슬림형 단열재를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 3차원 구조의 나노웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여 박막이면서도 단열 성능이 우수한 단열재용 코어 및 그의 제조방법과 이를 이용한 슬림형 단열재를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열전도율이 낮은 1이상의 폴리머 재료를 혼합하여 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 나노웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 단열 성능이 우수한 단열재용 코어 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 열전도율이 낮음과 동시에 내열성이 우수한 폴리머 단독 또는 열전도율이 낮은 폴리머와 내열성이 우수한 폴리머를 소정량 혼합한 혼합 폴리머를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 나노웹을 코어재로 사용함에 따라 단열 성능이 우수한 단열재용 코어 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 부직포의 일면 또는 양면에 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 3차원 구조의 나노웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 코어재를 적층할 때 요구되는 인장강도를 높일 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있는 단열재용 코어 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열전도율이 낮은 코어재를 저렴한 비용을 제조할 수 있는 단열재용 코어 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열전도율이 낮은 폴리머로 이루어지며, 방사되는 직경 1um 미만의 나노 섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공 구조를 갖는 다공성 나노웹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어를 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 외피재 내부에 코어가 봉입된 진공 단열재로서, 상기 코어는 열전도율이 낮은 폴리머로 이루어지며, 방사되는 직경 1um 미만의 나노 섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공 구조를 갖는 다공성 나노웹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단열재를 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 열전도율이 낮은 폴리머를 용매에 용해시켜서 방사용액을 형성하는 단계; 상기 방사용액을 방사하여 나노 섬유로 이루어지며 3차원 미세 기공 구조를 갖는 다공성 나노웹을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 나노웹을 다수층 적층하여 코어를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 외피재 내부에 코어와 게터재가 봉입된 단열재로서, 상기 코어는 열전도율이 낮은 폴리머로 이루어지며, 방사되는 직경 1um 미만의 나노 섬유에 의해 집적되어 3차원 미세 기공 구조를 갖는 다공성 나노웹으로 이루어지며, 상기 외피재의 내부가 진공 또는 감압된 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 단열재를 제공한다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 3차원 구조의 다공성 나노웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여 박막형이면서도 단열 성능이 우수한 슬림형 단열재를 제공할 수 있다.
본 발명의 코어는 다공성 나노웹을 다수층 적층한 코어재를 사용함에 따라 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여, 미세 기공에 트랩된 공기가 스스로 빠져나가기 어렵기 때문에 외피재 내부가 진공이 아닌 경우에도 우수한 단열 성능을 발휘하므로, 건축용 단열재로 적용하면 이점이 많다.
또한, 본 발명에서는 열전도율이 낮은 1이상의 폴리머 재료를 혼합하거나, 열전도율이 낮음과 동시에 내열성이 우수한 폴리머 단독 또는 열전도율이 낮은 폴리머와 내열성이 우수한 폴리머를 소정량 혼합한 혼합 폴리머를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 3차원 구조의 다공성 폴리머 웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 단열 성능을 극대화할 수 있다.
또한, 상기와 같이 코어재가 내열성을 갖게 되면 냉장고용 단열재와 같이 고온 환경에서 사용되거나 또는 건축용 단열재로 사용하는 경우, 융점이 높기 때문에 화재 발생을 억제할 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명에서는 부직포의 일면 또는 양면에 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 3차원 구조의 다공성 폴리머 웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 코어재를 적층할 때 요구되는 인장강도를 높일 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 혼합 폴리머 방사용액을 스트립형 트랜스퍼 시트에 방사하여 다공성 나노웹을 형성한 후, 부직포와 합지하는 방식으로 코어재를 제조함에 따라 양산공정에서 코어재를 적층할 때 요구되는 인장강도를 높일 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단열재를 나타내는 단면도,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 단열재의 코어에 사용되는 코어재의 단면도,
도 5는 본 발명에 사용되는 외피재의 구조를 나타내는 단면도,
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 단열재의 코어에 사용되는 코어재의 제조공정을 나타내는 공정도,
도 7은 본 발명에 따른 코어재로 사용되는 나노웹을 단일 방사용액을 사용하여 형성하는 전기방사장치를 나타내는 개략 단면도,
도 8 및 도 9는 각각 본 발명에 따른 코어재로 사용되는 나노웹을 다공성 기재인 부직포의 양면에 형성하는 전기방사장치를 나타내는 개략 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 코어재로 사용되는 나노웹을 2종류의 방사용액을 사용하여 형성하는 전기방사장치를 나타내는 개략 단면도,
도 11은 본 발명에 따른 코어재로 사용되는 나노웹의 확대 사진,
도 12는 본 발명에 따른 코어재로 사용되는 나노웹이 무기물을 함유하는 경우의 함량에 따른 내열성 시험 결과를 나타내는 사진이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 단열재를 나타내는 단면도, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 단열재의 코어에 사용되는 코어재의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 단열재(100)는, 가스 배리어성을 가지고 내부에 바람직하게는 소정의 감압 공간을 형성하는 외피재(120) 및 상기 외피재(120) 내부에 배치되어 상기 외피재(120)를 지지하는 코어(140)를 포함한다.
본 발명의 코어(140)는, 후술하는 바와 같이, 다공성 나노웹(10)을 다수층 적층한 코어재(140a-140c)를 사용함에 따라 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여, 미세 기공에 트랩된 공기가 스스로 빠져나가기 어렵기 때문에 외피재(120) 내부가 진공 또는 감압공간이 아닌 경우에도 우수한 단열 성능을 발휘한다. 따라서, 건축용 단열재로 적용하면 이점이 많다.
여기서, 감압 공간은 내부의 압력이 대기압보다 낮아지게 감압된 공간을 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 단열재(100)에서 외피재(120) 내부가 진공 또는 감압 공간으로 이루어지는 경우, 상기 외피재(120) 또는 코어(140)의 내부에는 상기 코어 중의 수분이나 가스 등을 흡착하는 게터재(160)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 게터재(160)는 예를 들어, 분말형태로 이루어진 흡습제와 가스흡착제를 포함하며, PP 또는 PE 부직포로 패킹이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 게터재(160)는 실리카겔, 제올라이트, 활성탄, 지르코늄, 바륨 화합물, 리튬 화합물, 마그네슘 화합물, 칼슘 화합물 및 생석회로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용할 수 있는 게터재(160)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 진공 단열재의 제조 분야에서 통상적으로 사용되는 소재를 사용할 수 있다.
상기 외피재(120)는 코어(140)를 피복하고, 그 내부를 감압 또는 진공 상태로 유지하는 역할을 한다. 상기 외피재(120)는 미리 봉투 형태로 이루어지며, 코어(140)를 삽입한 후, 진공분위기에서 입구 부분을 열압착하여 실링이 이루어진다. 이에 따라 상기 외피재(120)는 4각 형상의 상부 외피재(120a)와 하부 외피재(120b)의 3변의 외곽 부분을 먼저 실링하여 봉투 형태로 제작된 후 사용된다.
본 발명에서 사용할 수 있는 외피재의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 진공 단열재의 제조 분야에서 통상적으로 사용되는 소재를 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 외피재(120)는, 예를 들어, 도 5에 나타난 바와 같이, 코어(140)를 둘러싸고 있는 실링층(sealing layer)(121); 상기 실링층(121)을 둘러싸고 있는 베리어층(barrier layer)(122); 및 상기 베리어층(122)을 둘러싸는 부직포층 또는 보호층(123)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실링층(121)은 열압착방식으로 실링(압착)이 이루어짐에 따라 내장된 코어(140)를 피복하고, 코어에 밀착되어 패널 형태를 유지할 수 있게 한다. 본 발명에서 사용할 수 있는 실링층의 소재는 특별히 제한되지 않고 열압착에 의해 접착이 이루어질 수 있는 필름으로서, 예를 들면, 열압착층(111)은 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 초저밀도폴리에틸렌(VLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 폴리올레핀 계열의 수지, 상기 수지 이외에 폴리프로필렌(PP), 폴리아크릴로니트릴 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 또는 에틸렌-비닐알코올 공중합체 필름 등과 같은 열압착이 가능한 수지, 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 베리어층(122)은 상기 실링층을 둘러싸고, 내부의 진공도를 유지하며, 외부의 가스 및 수증기를 차단하는 역할을 할 수 있다. 본 발명에서 상기 베리어층의 소재는 특별히 제한되지 않으며, 금속박 또는 수지 필름 상에 금속을 증착을 한 적층 필름(증착막 필름) 등을 사용할 수 있다. 상기 금속으로는 알루미늄, 동, 스테인레스 또는 철 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기에서 증착막은 증착법(deposition method) 또는 스퍼터링법(sputtering method) 등에 의하여 알루미늄, 스테인리스, 코발트 또는 니켈 등의 금속, 실리카, 알루미나 또는 탄소 등을 증착시켜 형성할 수 있으며, 기재가 되는 수지 필름으로는 당 업계에서 사용되는 일반적인 수지 필름을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 상기 베리어층으로 알루미늄 증착 필름 또는 알루미늄 박을 사용하는 것이 바람직하다.
부직포층(123)은 상기 베리어층(122)을 둘러싸며, 진공 단열재를 외부 충격으로부터 1차적으로 보호하는 보호층 역할을 한다. 또한, 상기 부직포층은 베리어층의 높은 열전도율에 의해 단열재의 열 성능이 저하되는 문제를 해결할 수 있다. 상기 부직포층의 재료는 PP, PTFE를 사용할 수 있다.
또한, 상기 부직포층(123) 대신에 베리어층(122)을 보호하는 1층 또는 2층으로 이루어진 보호층을 사용할 수 있다. 이러한 보호층은 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 나일론, PET, K-PET 및　에틸렌비닐알코올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 코어(140)로 사용하는 코어재(140a)는 열전도율이 낮은 하나의 폴리머 재료를 용매에 녹여서 방사용액을 준비한 후, 이를 전기 방사하여 얻어진 다수의 나노 섬유(5)로 이루어진 1층 구조의 나노웹(10)(도 2 및 도 7 참조)을 다수층 적층하거나 절곡하여 원하는 소정의 두께를 갖는 코어재로 사용한다.
상기 나노 섬유(5)는 예를 들어, 1um 이하의 직경으로 이루어지며, 상기 나노 섬유(5)로 이루어진 나노웹(10)은 3차원 구조의 다수의 미세 기공을 구비함에 따라 미세 기공 내부에 공기를 트랩핑할 수 있다.
상기 나노웹에 형성되는 미세 기공은 10nm 내지 2um 이하로 설정되는 것이 바람직하며, 나노 섬유의 직경을 조절하여 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 코어(140)로 사용하는 코어재는 열전도율이 낮은 1이상의 폴리머 재료를 혼합한 혼합 폴리머를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 나노웹(10)을 다수층 적층하여 코어재로 사용할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 코어(140)로 사용하는 코어재(140b,140c)는, 도 3 및 도 4와 같이, 부직포와 같은 다공성 기재(11)의 일면 또는 양면에 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 2층 또는 3층 구조의 적층체를 사용할 수 있다(도 8 및 도 9 참조).
즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 코어재(140b,140c)는 다공성 기재(11)의 일면에 나노웹(10)을 형성하거나, 또는 다공성 기재(11)의 양면에 한쌍의 나노웹(10a,10b)을 형성하여 다층 구조를 이루며, 다공성 기재(11)는 인장강도가 높기 때문에 코어재(140b,140c)를 다수층 적층하는 제조공정에서 생산성 향상을 도모할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 도 6b와 같이, 먼저 폴리머 방사용액을 스트립형 트랜스퍼 시트에 방사하여 다공성 나노웹을 형성한 후, 트랜시퍼 시트를 분리하면서 나노웹과 다공성 기재(부직포)와 합지하는 방식으로 코어재를 제조할 수 있다. 이 경우, 다공성 나노웹을 제조할 때 인장강도에 대한 제한을 받지 않고 생산공정을 진행할 수 있으며, 또한 다공성 기재와의 합지공정을 인장강도에 대한 제한을 받지 않고 고속으로 진행할 수 있다.
그 결과, 본 발명에서는 양산공정에서 코어재의 생산 및 적층할 때 요구되는 인장강도를 높일 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 코어재의 내열성 향상을 도모하기 위한 목적으로 열전도율이 낮음과 동시에 내열성이 우수한 폴리머 단독 또는 열전도율이 낮은 폴리머와 내열성이 우수한 폴리머를 소정량 혼합한 혼합 폴리머를 전기 방사하여 얻어진 나노웹을 코어재로 사용할 수 있다.
상기 본 발명에 적용되는 나노웹을 형성하는 방사 방법은 일반적인 전기방사(electrospinning), 에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 방사용액은 예를 들어, 다수의 방사노즐이 콜렉터의 진행방향 및 직각방향으로 배치된 멀티-홀(multi-hole) 방사팩을 사용하여 각 방사노즐마다 에어의 분사가 이루어지는 에어 전기방사(AES: Air-electrospinning) 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용 가능한 폴리머는 유기용매에 용해되어 방사가 가능함과 동시에 열전도율이 낮은 것이 바람직하며, 또한 내열성이 우수한 것이 더욱 바람직하다.
방사가 가능하고 열전도율이 낮은 폴리머는 예를 들어, 폴리우레탄(PU), 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리이미드 등을 들 수 있다.
또한, 내열성이 우수한 폴리머는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고 융점이 180℃ 이상인 수지로서, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등을 사용할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 필요에 따라 다수의 나노웹(10-10b)과 다공성 기재(11)의 적층체로 이루어진 코어재를 다수층 적층할 때 상호간의 접합이 용이하게 이루어질 수 있도록 접착층 역할을 하는 폴리머로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 사용할 수 있다.
상기 폴리머의 열전도율은 0.1W/mK 미만으로 설정되는 것이 바람직하다.
상기한 폴리머 중 폴리우레탄(PU)은 열전도율이 0.016~0.040W/mK이고, 폴리스티렌와 폴리비닐클로라이드는 열전도율이 0.033~0.040W/mK로 알려져 있어, 이를 방사하여 얻어지는 나노웹 또한, 열전도율이 낮게 된다.
또한, 본 발명의 코어재(140a-140c)로 사용되는 나노웹(10)은 예를 들어, 30um의 초박막으로 제조될 수 있고, 다공성 기재(11)로 사용되는 부직포 또한 50um 두께로 제작될 수 있다. 다공성 나노웹의 두께는 5 내지 50um, 바람직하게는 30um로 설정될 수 있다.
따라서, 다공성 기재(11)의 일면 또는 양면에 나노웹이 적층된 구조의 코어재(140b,140c)를 30 내지 40층을 적층하는 경우, 1200 내지 4400um의 두께를 갖는 코어(140)가 제작될 수 있다. 즉, 본 발명의 코어(140)는 초박막 구조로 제작되면서도 높은 단열 성능을 가질 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 후술하는 바와 같이, 전기방사장치가 다수의 방사노즐이 매트릭스 구조로 배열된 대면적의 멀티홀 방사팩을 사용하는 경우, 높은 생산성을 가지고 대면적의 코어재를 얻을 수 있어 충분한 가격 경쟁력을 가질 수 있다.
또한, 상기 다공성 기재(11)로 사용 가능한 부직포는 다층 구조의 코어재를 생산 및 적층공정을 진행할 때 요구되는 기계적 인장강도와 횡방향 인장강도 및 적정 범위의 기공도를 갖는 것이면 제한없이 사용될 수 있다.
예를 들어, 사용 가능한 부직포는 상용화된 2층 또는 3층 구조의 폴리올레핀계 다공성 멤브레인, 예를 들어, PP/PE나 PP/PE/PP 멤브레인 또는 단층 구조의 PP 또는 PE 멤브레인이나, 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 구조의 PP/PE 섬유로 이루어진 부직포, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유로 이루어진 PET 부직포를 사용하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 코어재(140a-140c)로 사용되는 나노웹(10)은 필요에 따라 내열성 향상을 위해 무기물 입자를 소정량 포함할 수 있다. 무기물의 함량은 10 내지 25 중량% 범위로 함유하며, 상기 무기물 입자의 크기는 10 내지 100nm 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 무기물 입자는 Al2O3, TiO2, BaTiO3, Li2O, LiF, LiOH, Li3N, BaO, Na2O, Li2CO3, CaCO3, LiAlO2, SiO2, SiO, SnO, SnO2, PbO2, ZnO, P2O5, CuO, MoO, V2O5, B2O3, Si3N4, CeO2, Mn3O4, Sn2P2O7, Sn2B2O5, Sn2BPO6 및 이들의 각 혼합물 중에서 선택된 적어도 1종을 사용할 수 있다.
상기와 같이 나노 섬유를 방사하기 위해 준비된 방사용액에 무기물 입자를 혼합한 후, 혼합된 방사용액을 방사하면, 방사된 나노 섬유의 내부에 매입 또는 일부가 외부에 노출된 상태로 방사가 이루어진다. 이와 같이 무기물 입자를 함유하는 나노웹은 온도가 400~500℃로 상승할지라도 나노 섬유로 이루어진 웹이기 때문에 열 확산 현상을 억제하며, 내열성 고분자 및 나노 섬유 내의 무기물 함유에 의해서 우수한 열적 안정성을 갖는다.
이하에 본 발명에 따른 나노 섬유로 이루어진 나노웹을 형성하는 방법을 도 7에 나타낸 에어분사 전기방사장치를 사용하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 에어 전기방사(AES: Air-electrospinning) 방법에서는 충분한 점도를 지닌 폴리머 방사용액이 방사되는 방사 노즐(4)과 콜렉터(6) 사이에 90~120Kv의 고전압 정전기력을 인가함에 의해 콜렉터(6)에 초극세 나노 섬유(5)가 방사되어 나노웹(7)을 형성하며, 이 경우 각 방사 노즐(4)마다 에어를 분사함에 의해 방사된 나노 섬유(5)가 콜렉터(6)에 포집되지 못하고 날리는 것을 잡아주게 된다.
도 7에 도시된 에어 분사 전기방사장치는 열전도율이 낮은 고분자 물질과, 필요에 따라 내열성 고분자 물질이 무기물 입자가 용매와 혼합되어 방사가 이루어질 때까지 상분리를 방지하도록 공압을 이용한 믹싱 모터(2a)를 구동원으로 사용하는 교반기(2)를 내장한 믹싱 탱크(Mixing Tank)(1)와, 고전압 발생기가 연결된 다수의 방사노즐(4)을 포함한다. 믹싱 탱크(1)로부터 도시되지 않은 정량 펌프와 이송관(3)을 통하여 연결된 다수의 방사노즐(4)로 토출되는 고분자 용액은 고전압 발생기에 의하여 하전된 방사노즐(4)을 통과하면서 나노 섬유(5)로 방출되고, 일정 속도로 이동하는 컨베이어 형태의 접지된 콜렉터(6) 위에 나노 섬유(5)가 축적되어 다공성 나노웹(7)을 형성한다.
일반적으로 대량생산을 위해 멀티-홀(multi-hole) 방사팩(예를 들어, 245mm/61홀)을 적용하면 멀티홀간의 상호 간섭이 발생하여 섬유가 날려 다니면서 포집이 이루어지지 않게 된다. 그 결과, 멀티-홀(multi-hole) 방사팩을 사용하여 얻어지는 분리막은 너무 벌키(bulky)해짐에 따라 분리막 형성이 어려워지며, 방사의 트러블(trouble) 원인으로 작용한다.
이를 고려하여 본 발명에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 멀티-홀(multi-hole) 방사팩을 사용하여 각 방사노즐(4)마다 에어(4a)의 분사가 이루어지는 에어 전기방사 방법으로 다공성 나노웹(7)을 제작한다.
즉, 본 발명에서는 에어 전기방사에 의해 전기방사가 이루어질 때 방사노즐의 외주로부터 에어(Air) 분사가 이루어져서 휘발성이 빠른 고분자로 이루어진 섬유를 에어가 포집하고 집적시키는 데 지배적인 역할을 해 줌으로써 보다 강성이 높은 나노웹을 생산할 수 있으며, 섬유(fiber)가 날아다니면서 발생할 수 있는 방사 트러블(trouble)을 최소화 할 수 있게 된다.
본 발명에서는 열전도율이 낮은 고분자 물질과 내열성 고분자 물질을 혼합하여 방사하는 경우 2성분계 용매에 첨가하여 혼합방사용액을 제조하는 것이 바람직하다.
상기 얻어진 다공성 나노웹(7)은 그 후 캘린더 장치(9)에서 고분자의 융점 이하의 온도에서 캘린더링하면 코어재로 사용되는 박막의 나노웹(10)이 얻어진다.
본 발명에서는 필요에 따라 상기와 같이 얻어진 다공성 나노웹(7)을 프리히터(8)에 의한 선 건조구간(Pre-air Dry Zone)을 통과하면서 나노웹(7)의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절하는 공정을 거친 후 캘린더링 공정을 거치는 것도 가능하다.
프리히터(8)에 의한 선 건조구간(Pre-Air Dry Zone)은 20~40℃의 에어를 팬(fan)을 이용하여 웹에 인가하여 나노웹(7)의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절함에 의해 나노웹(7)이 벌키(bulky)해지는 것을 조절하여 분리막의 강도를 증가시켜주는 역할과 동시에 다공성(Porosity)을 조절할 수 있게 된다.
이 경우, 용매의 휘발이 지나치게 된 상태에서 캘린더링이 이루어지면 다공성은 증가하나 나노웹의 강도가 약해지고, 반대로 용매의 휘발이 적게 되면 나노웹이 녹는 현상이 발생하게 된다.
상기한 도 7의 전기방사장치를 사용하여 다공성 나노웹(10)을 형성하는 방법은 도 6a와 같이, 먼저 열전도율이 낮은 고분자 물질 단독, 열전도율이 낮은 고분자 물질과 내열성 고분자 물질의 혼합물을 용매에 용해시켜서 방사용액을 준비한다(S11). 이 경우 필요에 따라 내열성을 보강하기 위해 소정량의 무기물 입자를 방사용액에 첨가할 수 있다. 또한, 바람직하게는 열전도율이 낮으면서 내열성이 우수한 고분자 물질, 예를 들어 폴리우레탄(PU)을 사용하여 나노웹을 형성하는 경우 단열 특성과 내열 특성을 동시에 갖게 된다.
그 후, 방사용액을 전기방사장치를 사용하여 콜렉터(6)에 직접 방사하거나 또는 부직포와 같은 다공성 기재(11)에 방사하여 단층 구조의 다공성 나노웹(10) 또는 다공성 나노웹(10)과 다공성 기재(11)로 이루어진 다층 구조의 코어용 시트, 즉 코어재(140a-140c)를 제작한다(S12).
이어서, 얻어진 코어용 시트가 광폭인 경우 원하는 폭으로 제단한 후, 이를 원하는 두께를 갖도록 판형상으로 다수회 절첩하거나 권선기에 의해 판형상으로 권선하거나, 원하는 형상으로 다수의 코어용 시트를 절단한 후 이를 다수층 적층하여 코어(140)를 형성한다(S13).
또한, 다수의 코어재(140a-140c)를 적층한 후, 이를 원하는 형상으로 절단하여 코어(140)를 형성하는 것도 가능하다.
본 발명에서 다수의 코어재(140a-140c)를 사용하여 소정 형상 및 두께를 갖는 코어(140)를 형성하는 방법은 상기한 실시예에 한정되지 않고 다양한 방법으로 변형이 이루어질 수 있다.
이 경우, 필요에 따라 적층된 다수의 코어용 시트, 즉 코어재(140a-140c)를 열간 또는 냉간 압착하여 적층 밀도를 높이는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 대면적의 코어용 시트를 제작한 후, 건축용 또는 냉장고용 단열재와 같이 사용되는 용도에 따라 소정의 형상으로 제단하여 사용하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에서는 나노웹을 형성할 때 도 6b와 같이, 종이, 방사용액에 포함된 용매에 의해 용해가 이루어지지 않는 고분자 재료로 이루어진 부직포, 폴리올레핀계 필름 중 하나로 이루어지는 트랜스퍼 시트 위에 방사용액(S21)을 방사하여 다공성 나노웹을 형성한 후(S22), 나노웹을 트랜스퍼 시트와 분리하면서 부직포와 합지하는 방식으로 코어용 시트를 제작하고(S24), 얻어진 코어용 시트를 다단 적층하여 코어(140)를 형성할 수 있다.
상기한 트랜스퍼 시트를 사용하여 나노웹을 생산함에 따라 양산공정에서 생산성 향상을 도모할 수 있다.
도 8에 도시된 전기방사장치를 참고하여, 본 발명에 따른 코어재로 사용되는 나노웹을 다공성 기재인 부직포의 양면에 형성하는 방법을 설명한다.
먼저, 다공성 기재(11)를 콜렉터(23)의 상부로 공급하면서 제1전기방사장치(21)를 사용하여 다공성 기재(11)의 일면에 제1나노웹(10a)을 형성하고, 이어서 제1나노웹(10a)이 형성된 다공성 기재(11)를 반전시킨 상태에서 제2전기방사장치(22)를 사용하여 다공성 기재(11)의 타면에 제2나노웹(10b)을 형성하고, 프리히터(25)에 의한 선 건조(Pre-Air Dry) 공정을 진행하여 나노웹의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절한 후, 캘린더 장치(26)에서 고분자의 융점 이하의 온도에서 캘린더링하면 코어재(140a-140c)로 사용되는 다층 구조의 나노웹(10)이 얻어진다.
도 9에 도시된 전기방사장치를 참고하여, 본 발명에 따른 코어재로 사용되는 나노웹을 다공성 기재인 부직포의 양면에 형성하는 다른 방법을 설명한다.
도 9의 전기방사장치는 상부 및 하부로 전기방사가 이루어질 수 있는 양방향 전기방사장치(21a)를 사용하여 구현된다.
이 경우, 먼저 양방향 전기방사장치(21a)의 상부 및 하부에 배치된 콜렉터(23,24)에 각각 방사용액을 방사하여 제1나노웹(10a)과 제2나노웹(10b)을 형성한 후, 다공성 기재(11)의 상부 및 하부에 각각 제1나노웹(10a)과 제2나노웹(10b)을 적층하여 캘린더 장치(26)에서 고분자의 융점 이하의 온도에서 캘린더링하면 코어재로 사용되는 다층 구조의 코어재(140c)가 얻어진다.
이 경우, 제1나노웹(10a)과 제2나노웹(10b)을 형성할 때 트랜스퍼 시트 위에 형성하고, 다공성 기재(11)와 합지할 때 트랜스퍼 시트를 분리하는 것도 가능하다.
상기한 실시예에서는 혼합 폴리머를 방사할 때 하나의 믹싱 탱크(Mixing Tank)(1)에 저장한 후, 이를 다수의 방사노즐(4)을 통하여 방사하는 것을 예시하였으나, 도 10에 도시된 바와 같이, 적어도 2개의 믹싱 탱크(1,1a)에 각각 다른 폴리머 방사용액을 저장한 후 서로 다른 방사노즐(41,43;42)을 통하여 교차방사하는 방법으로 나노웹(7)을 형성하는 것도 가능하다.
예를 들어, 제1믹싱 탱크(1)에 열전도율이 낮은 고분자 물질을 용해한 제1방사용액을 준비하고, 제2믹싱 탱크(1a)에 내열성 고분자 물질을 용해한 제2방사용액을 준비한 후, 방사를 실시하면, 내열성 고분자 물질로 이루어진 나노웹의 상부 및 하부에 각각 열전도율이 낮은 고분자 물질로 이루어진 나노웹이 적층되어 다층 구조의 나노웹이 형성되며, 이어서 캘린더링 공정을 거치면 다층 구조의 코어재가 얻어진다.
또한, 제1믹싱 탱크(1)에 열전도율이 낮고 내열성의 고분자 물질을 용해한 제1방사용액을 준비하고, 제2믹싱 탱크(1a)에 접착성이 우수한 고분자 물질을 용해한 제2방사용액을 준비한 후, 교차방사를 실시하여 다층 구조의 적층체를 형성하는 것도 가능하다.
단열재를 조립하는 방법은 먼저 일측이 개방된 외피재(120)의 내부에 상기한 코어재를 다수층 적층하여 얻어진 코어(140)를 삽입한다. 이 경우, 진공 단열재를 구성하는 경우는 외피재 내부에 코어(140)와 함께 게터재(160)를 삽입하는 것이 바람직하다.
그 후, 진공 단열재인 경우 진공 분위기에서 외피재(120)의 개방된 부분을 열압착 방식에 의해 실링한다. 그러나, 비진공 단열재인 경우 대기중에서 외피재(120)의 개방된 부분을 열압착 방식에 의해 실링한다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 열전도율이 낮은 폴리머 재료를 전기 방사하여 얻어진 나노 섬유로 이루어진 3차원 구조의 다공성 나노웹을 다수층 적층하여 코어재로 사용함에 따라 공기를 트랩핑할 수 있는 다수의 미세 기공을 구비하여 박막형이면서도 단열 성능이 우수한 슬림형 단열재를 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 아래의 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
- PAN/PVdF(6/4) 11wt% Web DMAc Solution
에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning)에 의해서 열전도율이 낮고 내열성이면서 접착력이 우수한 나노 섬유로 이루어진 나노웹을 제조하기 위해서 폴리아크릴로니트릴(PAN: Polyacrylonitrile) 6.6g과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF: Polyvinylidenefluoride) 4.4g을 용제인 디메틸아세트 아마이드(DMAc) 89g에 첨가하고 80℃에서 교반하여 혼합 폴리머로 이루어진 혼합 방사용액을 제조하였다.
이 방사용액은 서로 간에 다른 상으로 이루어져 있어서 상 분리가 빠르게 일어날 수 있으므로 공압 모터를 사용하여 교반할 수 있는 믹싱 탱크에 투입하고, 고분자 용액을 17.5ul/min/hole로 토출하였다. 이때 방사 구간의 온도는 33℃, 습도는 60%를 유지하면서 고전압 발생기를 사용하여 방사 노즐 팩(Spin Nozzle Pack)에 100KV 전압을 부여함과 동시에 방사 노즐 팩에 0.25MPa의 에어압력을 부여하여, PAN과 PVdF가 혼합된 초극세 나노섬유로 이루어진 다공성 나노웹을 형성하였다.
이어서 다공성 나노웹은 캘린더 장비로 이동하여, 가열/가압 롤을 사용하여 캘린더링하고, 잔존하는 용제나 수분을 제거하기 위해 20m/sec 속도로 온도가 100℃인 열풍건조기를 통과시켜 1층 구조의 나노웹을 얻었다. 얻어진 나노웹의 표면에 대한 확대 이미지를 도 11에 나타내었다.
<무기물 입자의 함량에 따른 내열 특성 시험>
<실시예 2 내지 실시예 4, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 3>
에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning)에 의해서 나노웹을 제조하기 위해서 폴리아크릴로니트릴(PAN: Polyacrylonitrile) 6.6g과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF: Polyvinylidenefluoride) 4.4g을 용제인 디메틸아세트 아마이드(DMAc) 89g에 첨가하고 80℃에서 교반하여 혼합 고분자로 이루어진 혼합 방사용액을 제조하였다. 이어서, 준비된 방사용액에 20nm의 Al2O3 무기물 입자를 전체 고형분에 대하여 20wt% 첨가한다.
이 방사용액은 서로 간에 다른 상으로 이루어져 있어서 상 분리가 빠르게 일어날 수 있으므로 공압 모터를 사용하여 교반할 수 있는 믹싱 탱크에 투입하고, 고분자 용액을 17.5ul/min/hole로 토출하였다. 이때 방사 구간의 온도는 33℃, 습도는 60%를 유지하면서 고전압 발생기를 사용하여 방사 노즐 팩(Spin Nozzle Pack)에 100KV 전압을 부여함과 동시에 방사 노즐 팩에 0.25Mpa의 에어압력을 부여하여, PAN과 PVdF에 20nm Al2O3 무기물 입자가 혼합된 초극세 나노섬유로 이루어진 다공성 나노웹을 형성하였다.
얻어진 1층 구조의 다공성 나노웹은 캘린더 장비로 이동하여, 가열/가압 롤을 사용하여 캘린더링하고, 잔존하는 용제나 수분을 제거하기 위해 20m/sec 속도로 온도가 100℃인 열풍건조기를 통과시켜 두께 20nm의 실시예 2의 코어재를 얻었다.
비교예 1, 비교예 2, 실시예 2 내지 실시예 4 및 비교예 3은 하기 표 2와 같이 실시예 1에서 방사용액에 PAN과 PVdF 혼합 고분자와 무기물 입자를 포함하는 전체에 대하여 20nm Al2O3 무기물 입자를 0, 5, 10, 15, 30wt%로 변화시켜 첨가한 것을 제외하고 나머지 조건은 실시예 2와 동일하게 1층 구조의 코어재를 제작하고, 얻어진 코어재에 대한 실온, 240℃, 500℃의 내열시험을 거친 후의 수축 여부를 확인하였고, 내열성 시험 결과를 나타내는 사진을 도 12에 나타내었다.
또한, 코어재의 내열시험에 따른 수축률, 인장강도, 방사용액의 방사안정성을 조사하여 하기 표 2에 기재하였다.
수축률(MD방향) 인장강도
(MD방향: kgf/cm2)		 방사안정성
비교예 1
(0wt%)		 20.68 169.27 매우 좋음
비교예 2
(5wt%)		 12.59 166.21 매우 좋음
실시예 2
(10wt%)		 5.33 110.13 좋음
실시예 3
(15wt%)		 2.67 91.77 좋음
실시예 4
(20wt%)		 2 88.71 좋음
비교예 3
(30wt%)		 1 67.21 불안정
방사용액에 첨가되는 무기물 입자의 함량이 10 내지 20wt%인 경우 500℃의 내열시험을 거칠 때 수축률이 2 내지 5.33으로 낮고 방사안정성도 양호하였다. 수축률과 인장강도 등을 고려할 때 가장 바람직한 내열 특성을 갖는 코어재는 실시예 3(15wt%)인 것으로 나타났다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 진공 또는 비진공 단열재의 코어에 사용되는 코어재의 제조에 적용될 수 있다.
1,1a: 믹싱 탱크 2: 교반기
3: 이송관 4,41-43: 방사노즐
4a: 에어 5: 나노 섬유
6: 콜렉터 7: 나노웹
8,25: 프리히터 9,26: 캘린더 장치
10-10b: 나노웹 11: 다공성 기재
21,21a,22: 전기방사장치 100: 단열재
120-120b: 외피재 121: 실링층
122: 배리어층 123: 보호층
140: 코어 140a-140c: 코어재
160: 게터재

Claims (26)

  1. 폴리머의 전기방사에 의해 만들어지는 나노섬유가 집적되어 형성되고, 공기를 트랩핑하기 위한 다수의 미세기공 구조를 갖는 적어도 1층의 다공성 나노웹을 포함하는 단열재용 코어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 나노웹의 일면 또는 양면에 형성되는 다공성 기재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다공성 기재는 폴리올레핀계 수지로 이루어진 부직포를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리머는, 0.1W/mK 미만의 열전도율을 가지는 폴리머와 내열성 폴리머의 혼합 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다공성 나노웹은, 0.1W/mK 미만의 열전도율을 가지는 폴리머로 이루어진 제1나노웹층과, 내열성 폴리머 또는 접착성이 우수한 폴리머로 이루어진 제2나노웹층이 적층된 구조를 갖는 갖을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다공성 나노웹은, 0.1W/mK 미만의 열전도율을 가지는 폴리머로 이루어진 제1 나노 섬유와, 내열성 폴리머 또는 접착성이 우수한 폴리머로 이루어진 제2 나노 섬유가 교차방사되어 형성되는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다공성 나노웹의 나노섬유의 직경은 1um 미만이고, 미세 기공은 10nm-2um 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다공성 나노웹의 두께는 5 내지 50um 범위인 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  9. 제1항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리비닐클로라이드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리비닐아세테이트로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 다공성 나노웹은, 나노섬유의 내부에 매입 또는 일부가 외부에 노출된 상태로 존재하는 무기물 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  12. 제1항에 있어서, 상기 다공성 나노웹은 판형상으로 다수회 절첩되거나, 판형상으로 권선되거나, 또는 원하는 형상으로 절단한 후 이를 다수층으로 적층한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  13. 외피재; 및
    상기 외피재의 내부에 봉입되는 청구항 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 코어;를 포함하는 단열재.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 폴리머를 용매에 용해하여 방사용액을 제조하는 단계;
    상기 방사용액을 전기방사하여, 나노섬유가 집적되어 공기를 트랩핑하기 위한 다수의 미세기공 구조를 갖는 다공성 나노웹을 형성하는 단계; 및
    상기 다공성 나노웹을 다수층 적층하는 단계;를 포함하는 단열재용 코어의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 다공성 나노웹을 형성하는 단계는, 상기 방사용액을 지지체 역할을 하는 다공성 기재의 일면 또는 양면에 전기방사하여 형성하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 다공성 나노웹을 다수층 적층하는 단계 이전에, 상기 다공성 나노웹을 지지체 역할을 하는 다공성 기재의 일면 또는 양면에 합지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어의 제조방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 다공성 나노웹을 형성하는 단계는, 상기 방사용액을 트랜스퍼 시트에 전기방사하여 트랜스퍼 시트에 상기 다공성 나노웹을 형성하는 단계로 이루어지며;
    상기 다공성 나노웹과 트랜스퍼 시트를 분리하면서 지지체 역할을 하는 다공성 기재의 일면 또는 양면에 상기 다공성 나노웹을 합지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어의 제조방법.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 기재는 폴리올레핀계 부직포인 것을 특징으로 하는 단열재용 코어의 제조방법.
  21. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 나노웹을 다수층 적층한 후, 적층된 상기 다공성 나노웹을 판형상으로 다수회 절첩하거나, 판형상으로 권선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어의 제조방법.
  22. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 나노웹을 다수층 적층한 후, 원하는 형상으로 절단하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어의 제조방법.
  23. 제16항에 있어서, 상기 적층된 다수층의 나노웹을 캘린더링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단열재용 코어의 제조방법.
  24. 외피재 내부에 청구항 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 코어와 게터재가 봉입되어 구성되고,
    상기 외피재의 내부가 진공 또는 감압된 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 단열재.
  25. 폴리머의 전기방사에 의해 만들어지는 직경 1um 미만의 나노섬유가 집적되어 3차원 미세기공 구조를 갖는 다공성 나노웹으로 이루어지는 단열재용 코어로서,
    상기 다공성 나노웹을 형성하는 폴리머는 열전도율이 낮은 폴리머와 내열성 폴리머의 혼합 폴리머인 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
  26. 폴리머의 전기방사에 의해 만들어지는 직경 1um 미만의 나노섬유가 집적되어 3차원 미세기공 구조를 갖는 다공성 나노웹으로 이루어지는 단열재용 코어로서,
    상기 다공성 나노웹은 열전도율이 낮은 폴리머로 이루어진 제1나노웹층과 내열성 폴리머로 이루어진 제2나노웹층이 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 단열재용 코어.
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