KR101873053B1 - 나노 복합체 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고특성의 저밀도 나노 소재인 에어로젤, 탄소나노튜브 등이 그 용도에 맞게 효율적으로 쉽게 실적용되도록 하기 위한 것으로써 자체 단독 사용의 한계를 극복하고 기타 재료와의 복합화로 지지력, 내구성을 한층 높이고 일체화되게 하여 고형체가 형성되게 한 것으로 나노 소재의 표면을 점착하고 압축, 결합, 치밀화하여 경화되게 하며 내열성을 높이고 고밀도화된 고형체가 형성되게 한 것이 주요 특징이다. 적용 에어로젤 분말은 1kg에 부피가 약 20리터 정도가 상용성이 좋으나 제한되지 않는다.
[색인어]
에어로젤 탄소나노튜브 그래핀 풀러렌 코팅제

Description

나노 복합체 조성물{COMPOSITION OF NANO COMPOSITE}

본 발명은 실리카 에어로젤(aerogel), 탄소나노튜브(CNT) 등의 나노 소재를 고압축하여 이를 복합화하기 위한 나노 복합 재료 조성물에 관한 것이다. 나노 소재는 자체 성질 및 변환된 우수 특성을 보유하고는 있으나 그 자체적으로는 초경량성, 초소수성 등으로 인하여 실용성에 한계가 있어 이를 적극적으로 도입, 보완하고 초기 응집력을 형성시켜 이를 고형화한 것이 특징으로 고압축화 및 내열성을 배가한 나노 복합체 조성물에 관한 것이다.

최근 들어 에너지 효율을 극대화하기 위한 친환경적이고 고효율적인 장치, 장비, 기초 소재, 신재생 에너지원 등의 새로운 기술 개발이 국내외에서 이루어지고 있는 실정이다.

실리카 에어로젤의 예로 보면 저밀도 나노 기공으로 인한 초단열성 등의 특성을 보유한 우수한 기초 소재이나 단독 적용은 기계적으로 강도가 약하고 압축, 치밀성 및 기타 재료와의 점착력이 결여되어 타 재료와의 복합화로 그 기능을 수행하게 하여야만 한다. 그 자체적으로는 그 특성을 유지하기 위한 초경량성, 초소수성 등으로 인하여 오히려 기타 재료와의 복합화에 무리가 따르고 소재의 원활한 실적용을 위해서는 에어로젤이 다량 함유하고 고압축화된 기타 재료와의 복합화가 반드시 이루어져야만 한다. 그러나 과량 함유 시 초경량성, 소수성 등으로 인하여 강도, 지지력, 결합력 등이 낮아지고 전혀 압축되지 않는 현상이 발생하는 등 일체화되지 않는다. 또한 결합, 경화를 하여도 유기물과의 점착 경화는 고온에는 적용할 수 없고 유기물 바인더의 자체 부피 팽창으로 인해 압축화하기가 쉽지가 않다. 그 전체 복합체의 체적을 최대한 압축하고 줄여야만이 그 특성을 기대할 수 있다. 압축되지 않으면 성능이 저하한다.

에어로젤 기초 소재를 2차적으로 응용 복합화하기 위한 국내외 공개된 특허는 현재 극히 미미한 실정이고 에어로젤을 함유한 코팅제는 국내외 없는 상태로 이를 복합화하기 위한 기술 개발이 대기업 및 공공연구소 등에서 현재 진행 중에 있으며 에너지원의 효율적 활용을 위한 보다 나은 새로운 기술 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

실리카 에어로젤 등의 기초 소재 복합화로의 연구 결과물로 수 건의 특허 출원, 본 출원인의 기존의 기술과 차별화할 수 있는 본 출원의 조성물은 에어로젤을 복합화하기 위한 기존의 기술 대비, 전체 나노 소재를 아울러 복합화할 수 있는 조성물로 압축성 및 내구성을 높이고 점착성을 추가로 부여하여 전체 나노 소재를 복합화하게 되었다. 본 발명은 에어로젤, 그래핀(graphene), 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브 등의 복합화로 많은 기초 소재의 실제 적용성을 높일 수 있다 하겠다.

결론적으로 에어로젤, 탄소나노튜브 등의 나노 소재는 고유의 우수 특성을 보유하고 있으나 단독 적용의 많은 문제가 있어 이를 극복하고 해결하기 위한 기술이 많이 개발되어야 한다. 혼합 자체의 중요성 보다 중요한 것은 고압축화 과정이다.

이에 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로써 에어로젤, 탄소나노튜브 등의 기초 소재를 적극 도입하고 그 고유 우수 기능을 그대로 유지되게 하며 기타 재료와의 결합력의 증대로 실제 사용의 적응성을 높여 에너지 효율을 극대화하기 위한 것이다. 나노 소재의 표면에 무기질 재료와 기타 유기물 재료와의 물리적 점착, 고압축, 결합, 경화로 복합체 및 고형체를 형성하기 위해 나노 복합체 조성물을 제공함에 그 목적이 있다 하겠다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 조성물과 조성비(중량％)는 다음과 같다.

실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 탄소나노튜브에어로젤, 유기 에어로젤, 금속산화물 에어로젤, 그래핀, 풀러렌, 산화그래핀, 탄소 나노튜브, 나노 탄소, 질화붕소 나노튜브, 티탄산염 나노튜브, 산화니켈 나노튜브, 산화텅스텐 나노튜브, 산화구리-산화티타늄 나노튜브 분말, 금속산화물 나노튜브, 유기 나노튜브 중 1종 이상 선택하는 나노 소재 0.3~40중량％.

티탄산바륨, 티탄산지르코늄, 티탄산리튬, 수산화알루미늄, 티탄산칼륨, 티탄산마그네슘, 나노클레이, 시트르산, 헥토라이트, 붕산염, 산화망간, 산화주석, 산화철, 산화구리, 셀룰로오스, 카올린클레이, 황산제1철, 황산제2철, 알카리성 실리케이트계 금속산화물, 규조토, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 산화아연, 제올라이트, 염화파라핀, 염화제1철, 염화제2철, 암모늄백반, 칼륨명반 중 1 종 이상 선택하는 주경화재료 25∼65중량％.

인산마그네슘, 규산칼슘 중 1종 이상 선택하는 팽창 압축재료 3∼13중량％.

붕규산 유리분말, 탄산리튬, 인산알루미늄, 오산화인 중 1종 이상 선택하는 보강 심재료 5∼25중량％.

탈크, 제련마그네슘분말, 알루미늄인산나트륨, 수산화마그네슘, 마이크로화 순수실리카, 카제인, 중 1종 이상 선택하는 보강재료 3∼45중량％.

폴리아크릴아마이드, 폴리아민, 폴리아마이드, 소디움폴리아크릴레이트 중 1종 이상 선택하는 유기 고분자 응집재료 0.1∼10중량％.

인산염, 메탄올, 에탄올, 폴리비닐알코올, 이소프로필알코올, 물유리, 티타니아 졸, 알킬실란, 실록산 올리고머 중 1종 이상 선택하는 유·무기질 졸 15∼25중량％.

아크릴코폴리머, 페놀, 멜라민, 우레아, 실란실록산중합체, 우레탄, 에폭시, 폴리카르보실란, 실리콘, 에틸렌비닐아세테이트 중 1종 이상 선택하는 점착재료 3∼20중량％로 구성됨을 특징으로 하는 나노 복합 재료 조성물로 혼합된 것으로 구성되고 제공하며 이상의 재료를 혼합하고 전체 재료 중량 1대비 0.5∼5.5의 물을 혼입하고 교반기 300∼3000rpm, 3분 이상, 10분 이하의 교반을 통하여 에멀젼이 이루어진다. 이를 에어로젤, 탄소나노튜브 등의 각 특성에 맞는 용도 즉 단열성, 전도체형성, 인장력, 유연성 증대, 고발열성 등으로의 적용처에 맞게 일부 타 재료를 첨가 투입하거나 압력, 열원 등을 부여하여 고형체를 형성한다. 본 발명의 나노 복합체 조성물은 전체 나노 소재를 에멀젼 복합화하기 위한 기술로 각 사용처에 맞는 코팅제 및 패널의 제품화, 성형화 이전까지를 언급한다. 이상과 같은 조성물 재료로 과제를 해결한다.

본 발명은 기존의 나노 소재 단독적용의 한계를 극복한 것으로 조성된 재료와 복합화하여 단열성능 향상 및 발열 효율성 증대, 인장력 및 유연성 증대, 전도체 형성 등 나노 소재의 각 기능별 용도로 쉽게 적용할 수 있다. 원활한 분산성을 통해 점착, 고압축되고 경화되어 그 고유 특성이 그대로 유지된다. 나노 소재의 균질한 복합화로 에멀젼이 되고 이로 인해 도료 및 판상형의 패널, 시트와 같이 실생활 적용이 용이한 정형, 부정형 등의 여러 형태로 고형체 형성이 가능하다.

나노 소재를 복합화하기 위한 각 재료의 구성 및 역할을 설명한다.

주 기능 소재가 되는 나노 소재 0.3~40중량％, 주경화재료 25∼65중량％, 팽창 압축재료 3∼13중량％, 보강 심재료 5∼25중량％, 보강재료 3∼45중량％, 유기 고분자 응집재료 0.1∼10중량％, 유·무기질 졸 15∼25중량％, 점착재료 3∼20중량％를 혼합하여 조성되는 것을 특징으로 한다.

실시 예 및 비교 예는 따로 표기하지 않으며 시험에 의한 과량 시 및 소량 적용 시를 기준으로 기재한다. 과량은 초과 적용, 소량은 미만 적용에 의한 것이다.

실리카 에어로젤(aerogel), 탄소나노튜브(Carbon nanotube) 등의 나노 소재는 기초 신소재로서 기본 물질에서 여러 제조 과정을 거쳐 나노 사이즈로 변환된 극히 미세한 구조로 이루어져 있다. 그 결과로 기본 물성의 적용범위 이상의 특성 및 변환된 새로운 성질을 유지하게 되며 이를 적용하여 효용성을 극대화하는 용도로 사용된다. 그러나 이러한 특성에도 불구하고 고형체 형성 및 분산성 등의 여러 복합화로의 문제점을 안고 있어 복합체 형성에 많은 제약을 받는다.

실리카 에어로젤의 예로 보면 저밀도 나노기공 구조를 가져 열전도율이 아주 낮아 단열 등의 용도로 적합한 소재이나 그 특성을 유지하는 초경량성, 초소수성 등으로 인하여 오히려 기타 재료와의 복합화에 많은 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하고자 본 발명에 적극 도입한다. 기타 재료와 표면 점착되어 복합체가 형성되며 이를 복합화하여 쉽게 실생활에 적용되게 하기 위한 것이다.

탄소나노튜브의 기본적 기능은 신축성, 전기 전도도, 인장력 증대 및 열 발산 능력이 구리에 비해 탁월하게 높아 방열 효과를 극대화하는 용도로 적용되나 이 또한 기타 재료와의 복합화로 고형체를 형성해야만 한다. 주요 기능 성분인 나노 소재는 단열, 전도체 형성, 강도 상승, 발열성 증대 등 그 소재에 맞는 용도로 적용되며 본 발명에서 기능성 재료의 역할을 한다.

최대한 나노 소재를 많이 함유하면 그 기능이 충실히 이행되나 과량 시 기타 재료와의 점착성의 부족으로 고형체가 부실해지고 오히려 균열로 인해 그 기능을 수행할 수 없다. 소량 시는 혼합되지 않는 것만 못하다. 그 기능이 존재하지 않는다.

주 경화재료는 전체 복합체의 지지력, 강도, 결합력, 중질감 등을 부여하며 나노 소재와 기타 재료와의 경화체가 형성되도록 하며 아울러 압축하고 밀착, 치밀화하여 교반 시 초기 혼합, 점착성을 좋게하여 에멀젼의 빠른 생성을 돕고 자체 수경성 및 자연 건조, 경화성을 가져 교반 후 나노 소재를 주변으로 머물고 결합력을 한층 높이며 경화한다. 과량 시 기타 재료와의 불균형으로 오히려 결합력이 약해지고 뭉침현상의 과발생으로 복합화가 이루어지지 않고 소량 시는 이 또한 점결력이 부실하여 결합, 경화될 수 없다.

팽창 압축재료는 수화 시 팽창하여 나노 소재와 기타 재료의 층간에 셀룰로오스의 증점과 완전히 다른 침상의 겔을 생성하여 점착력을 높이며 결합력을 높인다. 경화시는 마이크로 시멘트와 기타 재료의 혼화로 건조 수축에 의한 균열을 방지한다. 이는 전체 고형체의 부실을 방지하고 복합체의 지지력을 향상시킨다. 과량 시는 점도 상승과 신축성의 과잉 생성으로 각 재료간 이격되어 결합력이 낮아진다. 소량 시는 팽창성의 저하로 점착성이 낮아지고 균열을 초래할 수 있다.

붕규산 유리분말 등의 보강 심재료는 나노 복합체의 층간에 존재하며 골격 형성을 하는 재료로 고결성 및 압축성을 높이는 역할을 한다. 과량 시 치밀화가 이루어지지 않고 소량 시는 전체 복합체의 지지력이 낮아질 수 있다.

보강재료는 전체 복합체의 강도를 높이는 역할을 한다. 과량 시는 점도 상승이 크게 따르고 이로 인해 교반 불량으로 각 재료를 점착할 수 없고 압축되지 않으며 오히려 경화체 형성에 방해가 될 수 있다. 소량 시는 점착력의 결여로 강도가 약해질 수 있다. 조성 범위내 적정량 사용한다.

폴리아크릴아마이드의 유기 고분자 응집재료는 물 혼입 교반 시 점도 상승을 가져와 나노 소재의 표면과 기타 재료를 주변 점착하고 응집력을 부여하여 결합력을 높인다. 이 상태 그대로 유지가 되면 점도의 상승으로 오히려 높은 뭉침성으로 인해 재료간 이격되고 압축이 이루어지지 않고 교반불량 및 층간에 과잉 존재하여 고형체가 형성되지 않는다. 그러나 점성력을 증대하여 재료들을 점착하고 난 후 나노 소재와 각 재료를 점착한 상태에서 부피가 줄어 압축이 이루어진다. 이러한 현상으로 인해 비중이 낮은 나노 소재와 기타 재료의 점성 및 점착력의 증대로 표면 결합하고, 이후 결합한 상태로 기타 재료와의 수화 반응으로 재료가 압축되는 결과를 가져온다. 일체화되고 압축된 치밀화가 이루어진다. 과량 시 과잉 점도 상승으로 결합력이 낮아지고 재료간 분리가 일어나고 소량 시는 점성력이 줄어 각 재료간 점착력이 낮아 서로 점착하지 못한다.

메탄올 등의 유·무기질 졸은 결합 점결력을 높이며 내열성 재료로 고온 적용 및 점착성을 높이고 강도를 높인다. 과량 시는 자체 고유 부피로 인한 점도의 상승을 불러와 결합력이 오히려 낮아지고 소량 시는 점결력 결여로 강도가 낮아지고 복합체의 부실을 초래할 수 있다.

아크릴코폴리머 등은 미세분말상 및 액상으로 제공되며 나노 소재의 결합력을 증대하는 역할을 하며 수성 및 수용성으로 점착성의 부여로 기타 재료와의 결합력도 최대 증대하고 치밀화하는 역할을 한다. 교반 초기 응집성을 최대 부여하며 결합력을 도와 층간을 밀착하며 치밀한 공극 형성이 이루어지도록 한다. 또한 신축성을 최대한 부여하여 결합력 증대와 아울러 향후 균열방지 기능도 한다. 과량 시 점도 상승으로 각 재료간 이격되고 소량 시 점착력의 결여로 복합체가 부실해지고 균열이 발생될 수 있다.

상술한 바와 같은 조성물과 조성비로 구성되며 여기에 총 재료 1중량 대비 물 0.5∼5.5가 교반기에 혼입되고 300∼3000rpm, 3분 이상, 10분 이하의 교반을 통해 고압축되고 일체화된 복합체가 형성된다. 복합화된 에멀젼에서 각 나노 소재의 용도에 맞게 코팅제 및 판상형태, 시트형태로 성형되며 추가적으로 일부 재료가 충진될 수 있다. 그리고 압력 또는 열원 등이 공급될 수 있고 단열성능 향상 및 고발열체 형성, 고인장력, 고유연성, 전도체형성 등 나노 소재의 적용범위를 이해하고 효용성을 높이며 이를 적극 활용한다. 향후 판상형 패널과 두루마리형 시트(블랭킷)의 경쟁력에 비해 코팅제가 효용성,효율성 및 가격 대비 차별성을 기대할 수 있으며 본 조성물을 함유하는 코팅제로 적용할 때 그 활용성이 높다 하겠다.

Claims (1)

1. 실리카 에어로젤, 탄소 에어로젤, 탄소나노튜브에어로젤, 유기 에어로젤, 금속산화물 에어로젤, 그래핀, 풀러렌, 산화그래핀, 탄소 나노튜브, 나노 탄소, 질화붕소 나노튜브, 티탄산염 나노튜브, 산화니켈 나노튜브, 산화텅스텐 나노튜브, 산화구리-산화티타늄 나노튜브 분말, 금속산화물 나노튜브, 유기 나노튜브 중 1종 이상 선택하는 나노 소재 0.3~40 중량％.
   티탄산바륨, 셀룰로오스, 카올린클레이, 수산화알루미늄, 티탄산마그네슘, 나노클레이, 시트르산, 헥토라이트, 티탄산지르코늄, 산화철, 산화구리, 산화망간, 산화주석, 붕산염, 황산제1철, 황산제2철, 알카리성 실리케이트계 금속산화물, 티탄산리튬, 규조토, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 산화아연, 제올라이트, 염화파라핀, 티탄산칼륨, 염화제1철, 염화제2철, 암모늄백반, 칼륨명반 중 1 종 이상 선택하는 주경화재료 25∼65중량％.
   인산마그네슘, 규산칼슘 중 1종 이상 선택하는 팽창 압축재료 3∼13중량％.
   붕규산 유리분말, 탄산리튬, 인산알루미늄, 오산화인 중 1종 이상 선택하는 보강 심재료 5∼25중량％.
   제련마그네슘분말, 수산화마그네슘, 카제인, 알루미늄인산나트륨, 탈크, 마이크로화 순수실리카 중 1종 이상 선택하는 보강재료 3∼45중량％.
   폴리아크릴아마이드, 폴리아민, 폴리아마이드, 소디움폴리아크릴레이트 중 1종 이상 선택하는 유기 고분자 응집재료 0.1∼10중량％.
   인산염, 메탄올, 에탄올, 폴리비닐알코올, 이소프로필알코올, 물유리, 알킬실란, 실록산올리고머, 티타니아 졸 중 1종 이상 선택하는 유·무기질 졸 15∼25중량％.
   아크릴코폴리머, 페놀, 멜라민, 우레아, 실란실록산중합체, 우레탄, 에폭시, 폴리카르보실란, 실리콘, 에틸렌비닐아세테이트 중 1종 이상 선택하는 점착재료 3∼20중량％로 구성됨을 특징으로 하는 나노 복합체 조성물.