KR20190058018A - 극저온 단열재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제가 혼합되어 발포 성형됨으로써 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머폼층이 연속으로 적층된 구조를 갖는 극저온 단열재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 극저온 단열재를 제조하는 방법은, 폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제를 혼합하여 복수의 혼합물을 제조하고, 제조된 각각의 혼합물을 발포용기 내에 시간 간격을 두고 연속적으로 투입하고 발포 성형하여 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머폼층을 적층하는 것을 특징으로 한다.

Description

극저온 단열재 및 그 제조방법{Cryogenic Insulation Panel And Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 극저온용 단열재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극저온 탱크와 같은 극저온 환경에서 열 차단을 위해 사용하는 것으로, 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머 폼(foam) 층으로 이루어진 극저온 단열재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 해양환경오염에 대한 관심이 증가함에 따라, 선박에 의한 대기오염물질 저감, 해양환경오염 방지를 위한 국제 환경 규제가 강화되고 있는 추세이다. 특히, 특정 국가에서는 이와 같은 규제를 준수하지 않을 경우 자국 내 어종보호 및 해양생물 피해를 방지하기 위하여 입항을 금지시키고 있다.

이 같은 상황에 주목을 받는 것이 액화천연가스(LNG) 연료 추진선박이다. LNG는 기존의 선박용 디젤 대비 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 이산화탄소의 배출을 각각 100%, 80%, 23%까지 줄일 수 있어 현재 선박용 국제 환경기준인 EEDI 및 ECA를 충족시킬 수 있는 거의 유일한 친환경 연료로 평가되고 있다.

하지만 LNG는 천연가스를 기압 냉각시켜 액체 상태로 만든 물질이라는 특성으로 인해 이를 연료로 사용하기 위해서는 선박 내에 초저온 탱크를 필요로 한다. 더불어 탱크의 극저온 환경을 유지하기 위해선 기존에 비해 두꺼운 단열재의 사용이 필수적이다. 단열재의 두께 증가는 천연가스의 자연기화율(BOR)을 낮추어 LNG의 손실을 막아주는 대신, 공간이 한정적인 선박의 화물 및 연료의 적재량을 낮춘다는 단점이 있다.

이를 극복하기 위하여 선박의 단열재로 널리 사용되고 있는 폴리우레탄 폼의 단열성능을 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있지만 단열성능 향상 대비 강도의 하락으로 실용성이 떨어진다.

이에 폴리우레탄 폼을 이종 재료와 접합시켜 복층으로 단열구조를 구성한 단열재가 개발되었으나, 층(layer)의 수가 증가할수록 접합공정이 계속적으로 늘어나는 한계에 봉착하게 된다.

기계적 성능 및 단열성능을 향상시키기 위해 유리섬유 혹은 에어로겔 powder 등 다양한 강화제를 이용하여 단열재를 제작하고 있기는 하지만 발포 시 강화제가 셀 형성을 방해할 경우 셀 파괴로 인해 단열성능 및 기계적 성능이 저하되는 문제가 있고, 이를 해결하기 위해 표면개질 등 추가적인 화학공정이 요구되고 있다.

대량생산을 수행해야만 하는 선박용 극저온 단열시스템의 경우 이러한 두 가지 한계를 해결하기 위해서는 많은 시간과 노력이 요구되며, 이는 곧 제품의 경제성과 직결된다.

등록특허 제10-0765802호(2007.10.04. 등록) 등록특허 제10-0592052호(2006.06.14. 등록) 등록특허 제10-0613164호(2006.08.09. 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머 폼(foam) 층을 별도의 접합 공정을 거치지 않고 연속적으로 발포하여 제조함으로써 제조가 용이하고 신속하며, 우수한 단열 성능과 기계적 강도 성능을 동시에 제공할 수 있는 극저온 단열재 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 극저온 단열재는, 폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제가 혼합되어 발포 성형됨으로써 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머폼층이 연속으로 적층된 구조를 갖는다.

본 발명의 한 형태에 따르면, 본 발명의 극저온 단열재는 폴리머폼층의 사이사이에 적층되는 실리카에어로겔층을 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 극저온 단열재는 상기 각각의 폴리머폼층의 발포 성형 시 서로 다른 색상의 안료가 함께 혼합되어 발포 성형될 수 있다.

본 발명의 극저온 단열재를 제조하는 방법은, 폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제를 혼합하여 복수의 혼합물을 제조하고, 제조된 각각의 혼합물을 발포용기 내에 시간 간격을 두고 연속적으로 투입하고 발포 성형하여 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머폼층을 적층하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 형태에 따르면, 어느 한 혼합물을 발포용기 내에 투입하고 발포하여 폴리머폼층을 형성한 후 형성된 폴리머폼층 위에 실리카에어로겔 분말을 분사하여 실리카에어로겔층을 형성하고, 상기 실리카에어로겔층 위에 다른 혼합물을 투입하여 다른 밀도의 폴리머폼층을 적층할 수 있다.

그리고 폴리올과 이소시아네이트에 발포제를 혼합하여 혼합물을 제조할 때 안료를 함께 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다.

본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 상기 복수의 혼합물은 각각의 폴리머폼층을 형성한 후에 그 다음에 적층될 폴리머폼층을 형성하기 위해 제조될 수 있다.

본 발명에 따르면, 폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제를 혼합하여 연속 발포 성형함으로써 서로 다른 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼을 복층으로 구성하여 극저온 단열재를 제조할 수 있다. 따라서 상대적으로 낮은 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼 층에 의해 우수한 단열성능을 얻을 수 있고, 상대적으로 높은 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼 층에 의해 우수한 기계적 강도를 얻을 수 있게 된다.

또한 본 발명의 극저온 단열재는 서로 다른 밀도를 갖는 폴리머폼층 사이사이에 기공이 많은 구조의 실리카에어로겔층이 적층되어 단열재의 단열성능을 더욱 향상시킴과 더불어 발포 셀이 조밀해지고 셀의 균질성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 단열재의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 극저온 단열재를 제조하는 방법을 순차적으로 설명하는 모식도이다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 극저온 단열재 및 그 제조방법을 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 단열재는 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머폼층(11, 12, 13)과, 각각의 폴리머폼층(11, 12, 13)의 사이사이에 적층되어 일체화된 실리카에어로겔층(21, 22)을 포함한다.

복수의 폴리머폼층(11, 12, 13)은 별도의 접합 공정없이 발포용기 내에서 연속 발포되어 일체화된 것이다. 복수의 폴리머폼층(11, 12, 13)은 폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제가 각각 혼합되어 발포 성형된 폴리우레탄 폼으로, 각각의 폴리머폼층(11, 12, 13)은 발포제의 배합비에 따라 다른 밀도를 갖게 된다. 즉, 발포제의 배합비가 커지면 밀도가 작아지게 되고, 발포제의 배합비가 작아지면 밀도가 커지게 된다. 밀도가 낮은 폴리우레탄 폼은 단열성능은 우수하지만 기계적 강도는 상대적으로 낮고, 밀도가 높은 폴리우레탄 폼은 단열성능은 낮지만 기계적 강도는 우수하다.

따라서 본 발명의 극저온 단열재는 서로 다른 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼인 폴리머폼층(11, 12, 13)이 복층으로 구성되므로 우수한 단열 성능과 기계적 강도를 함께 갖게 된다.

이 실시예에서 폴리머폼층(11, 12, 13)은 3개의 층으로 이루어지며, 도면 상 최하단에 배치된 폴리머폼층(11)의 밀도가 가장 작고, 바로 그 위에 적층된 중간층의 폴리머폼층(12)의 밀도는 최하단 폴리머폼층(11)보다는 크고, 최상단에 배치된 폴리머폼층(13)의 밀도가 가장 크다. 예를 들어 최하단 폴리머폼층(11)의 밀도는 130㎏/㎥이고, 중간층 폴리머폼층(12)의 밀도는 155㎏/㎥ 이며, 최상단 폴리머폼층(13)은 180㎏/㎥ 으로 이루어질 수 있다.

밀도가 가장 작은 최하단의 폴리머폼층(11)은 기계적 강도는 셋 중 가장 약하지만 단열 성능을 가장 크기 때문에 본 발명의 단열재가 적용되는 구조물, 예를 들어 LNG 탱크의 외벽면에 인접하는 단열재의 내측 단열층을 이루고, 밀도가 가장 큰 최상단의 폴리머폼층(13)은 가장 큰 기계적 강도를 가지므로 단열재의 외측 단열층을 이루는 것이 바람직하다.

본 발명의 단열재를 극저온 구조물에 시공할 때 복수의 폴리머폼층(11, 12, 13)을 밀도를 용이하게 확인할 수 있도록 하기 위하여, 각각의 폴리머폼층(11, 12, 13)을 위한 폴리올과 이소시아네이트와 발포제의 혼합물에 서로 다른 색상의 안료를 혼합하여 각각의 폴리머폼층(11, 12, 13)이 서로 다른 특정한 색상을 갖게 할 수 있다.

상기 폴리머폼층(11, 12, 13)을 형성하기 위한 발포제로는 공지의 발포우레탄 폼에 적용되는 발포제를 적용할 수 있는데, 예를 들어 통상의 폴리우레탄 폼에 사용하는 시클로 펜탄, 노말펜탄, 이소펜탄, 메틸렌클로라이드, 헥산, 아세톤 등을 하나 이상 사용할 수 있다.

상기 복수의 폴리머폼층(11, 12, 13) 사이사이에는 실리카에어로겔(silica aerogel) 분말이 균일하게 분사되어 만들어진 실리카에어로겔층(21, 22)이 바로 위층 및 아래층의 폴리머폼층(11, 12, 13)과 일체화된다. 실리카에어로겔층(21, 22)은 기공이 많은 구조로 되어 단열재의 단열성능을 더욱 향상시킴과 더불어 발포 셀이 조밀해지고 균일한 셀 배열이 가능하여 셀의 균질성을 확보하는 작용을 한다.

이러한 본 발명의 극저온 단열재를 제조하는 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 폴리올과 이소시아네이트와 발포제를 중량비로 100:116:6의 비율로 준비하고(S1), 이를 호모게나이저로 1분간 4500rpm에서 고르게 교반하여 첫번째 혼합물을 제조한다(S2). 이 때 특정 색상의 안료를 함께 혼합하여 이후 과정에서 혼합물이 발포하여 폴리머폼층(11)이 만들어질 때 폴리머폼층(11)이 특정한 색상을 갖게 할 수 있다.

그리고, 제조된 첫번째 혼합물을 발포용기(C)에 투입하고(S3), 그 위에 분말공급기(powder distribution system)로 실리카에어로겔 분말을 균일하게 분산하여 공급한 후 가열하면 혼합물이 발포되면서 첫번째 폴리머폼층(11)이 만들어지고, 그 위에 실리카에어로겔층(21)이 일체로 적층된다(S4).

이어서, 소정의 시간(예를 들어 15분 정도)이 경과한 후, 폴리올과 이소시아네이트와 발포제를 중량비로 100:116:5의 비율로 준비하고(S5), 이를 호모게나이저로 1분간 4500rpm에서 고르게 교반하여 두번째 혼합물을 제조한다(S6). 이 때 이전과는 다른 특정 색상의 안료를 함께 혼합한다.

이렇게 혼합된 두번째 혼합물을 발포용기(C)에 투입하여 발포용기(C) 내에 발포 성형된 첫번째 폴리머폼층(11) 및 실리카에어로겔층(21) 위에 적층하고(S7), 그 위에 분말공급기(powder distribution system)로 실리카에어로겔 분말을 균일하게 분산하며 공급한 후 가열하여 두번째 폴리머폼층(12) 및 실리카에어로겔층(22)을 형성한다(S8).

그리고 다시 15분 정도의 시간이 경과한 후 폴리올과 이소시아네이트와 발포제를 중량비로 100:116:4의 비율로 준비하고(S9), 여기에 다른 색상의 안료를 혼합한 후 이를 호모게나이저로 1분간 4500rpm에서 고르게 교반하여 세번째 혼합물을 제조한다(S10).

이어서 세번째 혼합물을 발포용기(C)에 투입하여 발포용기(C) 내에 발포 성형된 두번째 폴리머폼층(12) 및 실리카에어로겔층(22) 위에 적층하고 가열하여 발포시키면 세번째 폴리머폼층(13)이 만들어진다(S11).

상술한 과정을 거쳐 원하는 단수(이 실시예에서는 3단)로 폴리머폼층(11, 12, 13)이 적층되면 대략 24시간 동안 경화시킨 후 발포용기(C) 내에서 인출한다(S12). 이로써 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머폼층(11, 12, 13)과 실리카에어로겔층(21, 22)이 일체화된 복층 구조의 단열재가 완성된다.

이 제조 방법의 실시예에서 제시된 폴리올과 이소시아네이트와 발포제의 배합비는 여러가지 배합비 중 바람직한 배합비의 하나이며 다양한 배합비로 실시가 가능할 것이다. 또한 폴리올과 이소시아네이트와 발포제와 함께 혼합되는 안료는 폴리올과 이소시아네이트와 발포제의 전체 중량의 0.2 ~ 3.0 중량%로 혼합되는 것이 바람직하며, 안료의 종류는 공지의 폴리우레탄 폼에 사용되는 통상의 안료를 사용할 수 있다.

전술한 것과 같이 본 발명의 단열재는 폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제를 혼합하여 연속 발포 성형함으로써 서로 다른 밀도를 갖는 폴리우레탄 폼을 복층으로 구성할 수 있다. 따라서 상대적으로 낮은 밀도를 갖는 폴리머폼층에 의해 우수한 단열성능을 얻을 수 있고, 상대적으로 높은 밀도를 갖는 폴리머폼층에 의해 우수한 기계적 강도를 얻을 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

11, 12, 13 : 폴리머폼층
21, 22 : 실리카에어로겔층
C : 발포용기

Claims (7)

1. 폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제가 혼합되어 발포 성형됨으로써 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머폼층이 연속으로 적층된 극저온 단열재.
2. 제1항에 있어서, 상기 폴리머폼층의 사이사이에 적층되는 실리카에어로겔층을 더 포함하는 극저온 단열재.
3. 제1항에 있어서, 상기 각각의 폴리머폼층의 발포 성형 시 서로 다른 색상의 안료가 함께 혼합되어 발포 성형된 극저온 단열재.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 극저온 단열재의 제조 방법으로서,
   폴리올과 이소시아네이트에 서로 다른 배합비로 발포제를 혼합하여 복수의 혼합물을 제조하고, 제조된 각각의 혼합물을 발포용기 내에 시간 간격을 두고 연속적으로 투입하고 발포 성형하여 서로 다른 밀도를 갖는 복수의 폴리머폼층을 적층하는 극저온 단열재의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 어느 한 혼합물을 발포용기 내에 투입하고 발포하여 폴리머폼층을 형성한 후 형성된 폴리머폼층 위에 실리카에어로겔 분말을 분사하여 실리카에어로겔층을 형성하고, 상기 실리카에어로겔층 위에 다른 혼합물을 투입하여 다른 밀도의 폴리머폼층을 적층하는 극저온 단열재의 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 폴리올과 이소시아네이트에 발포제를 혼합하여 혼합물을 제조할 때 안료를 함께 혼합하여 혼합물을 제조하는 극저온 단열재의 제조 방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 복수의 혼합물은 각각의 폴리머폼층을 형성한 후에 그 다음에 적층될 폴리머폼층을 형성하기 위해 제조되는 극저온 단열재의 제조 방법.
   

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