유리 섬유 보드 및 그의 제조방법

유리 섬유 보드 및 그의 제조방법{GLASS FIBER BOARD AND PREPARING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 유리 섬유 보드 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 최적화된 무기 바인더를 적용함으로써 초기 단열성능 및 경제성이 우수한, 진공 단열재용 유리 섬유 보드 및 그의 제조방법을 제공하는 기술에 관한 것이다.

진공 단열재용 유리 섬유 보드는 600×600mm기준으로 15년 이상의 우수한 장기 내구성능 및 3.0mW/mk 이하의 우수한 초기 열전도율을 제공한다.

일반적으로, 유리 섬유 보드는 마이크로 유리 섬유와 일반 유리 섬유를 6:4~9:1로 혼합하고 pH 2~4의 용액에서 교반한 후 보드 형태로 건조하여 생산한다. 상기 교반 과정에서 마이크로 유리 섬유의 꼬임이 발생하기 때문에, 제조가 용이하고 단열 성능이 우수하다.

그러나 직경 1~3μm의 마이크로 유리 섬유를 생산하기 위해서는 화염법을 이용하는데, 제조과정에서 공해가 유발되고, 양품률이 저조하여 생산 단가가 매우 높다는 문제가 있다. 이러한 이유로 생산이 일부 국가에서만 가능한 실정이며, 유럽의 경우 직경 4μm 이하의 유리 섬유를 취급하는 것에 대해서도 인체 유해성을 이유로 규제를 하고 있다.

따라서 직경 4μm 이상의 표준화된 유리 섬유를 사용한 진공 단열재용 심재의 개발이 필요하게 되었다.

표준화된 유리 섬유를 사용하여 보드를 제조하기 위해서는 바인더가 필요하다. 직경 4μm 이상의 유리 섬유는 직쇄상이기 때문에, 마이크로 유리 섬유와는 달리 꼬임현상이 발생하지 않기 때문이다.

일반적인 무기 바인더를 사용할 경우, 건조 시 수분의 이동에 따라 바인더도 함께 거동하여 표면만 경화하는 현상이 발생하며, 이는 단열 성능의 저하로 연결된다.

따라서, 표준화된 유리 섬유에 최적화된 무기 바인더를 적용함으로써, 건조 후에도 바인더와 유리 섬유가 고루 분포하는 보드의 제공이 필요하였다.

본 발명의 목적은 표준화된 유리 섬유에 최적화된 무기 바인더를 적용함으로써 건조 후에도 바인더와 유리 섬유가 고루 분포하는 보드를 제공하는 것으로, 초기 단열성능 및 경제성이 우수한, 진공 단열재용 유리 섬유 보드 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 유리 섬유 보드는 유리 섬유 및 무기 바인더를 포함하며, 상기 무기 바인더는 알루미늄을 포함하는 산성 용액과 염기성 용액을 중화 반응시켜 생성되는 알루미늄 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 섬유 보드의 제조방법은 유리 섬유와 무기 바인더 용액을 교반하여 혼합 용액을 만드는 단계, 상기 혼합 용액으로부터 물을 제거하여 추출물을 얻는 단계 및 상기 추출물을 압축, 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유리 섬유 보드의 제조방법은 유리 섬유를 준비하는 단계, 무기 바인더 용액을 상기 유리 섬유에 도포하는 단계 및 상기 무기 바인더 용액이 도포된 유리 섬유를 압축, 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 유리 섬유 보드는 표준화된 유리 섬유를 사용하여 생산성이 우수하며, 공해의 발생이 없고, 경제성이 뛰어나다.

또한, 최적화된 무기 바인더를 적용함으로써 유리 섬유와 바인더가 고루 분포하여 단열 성능이 매우 우수하다.

도 1은 본 발명에 의한 유리 섬유 보드의 제조방법의 모식도.
도 2는 본 발명에 의한 유리 섬유 보드의 또 다른 제조방법의 모식도.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 유리 섬유 보드의 초기 열전도율을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 비교예에 의한 유리 섬유 보드의 SEM 촬영사진.
도 5(a)는 본 발명의 실시예에 의한 유리 섬유 보드의 SEM 촬영사진, (b)는 부분확대도.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이어서, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 진공 단열재 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

유리 섬유 보드

본 발명의 유리 섬유 보드는 유리 섬유, 무기 바인더를 포함하며 상기 무기 바인더는 알루미늄을 포함하는 산성 용액과 염기성 용액을 중화 반응시켜 생성되는 알루미늄 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서 상기 유리 섬유는 일반적으로 진공 단열재의 심재용으로 사용되는 것이라면 제한이 없으나, 특히 공해가 없고 생산이 용이한, 표준화된 유리 섬유인 것이 바람직하다. 특히 유리 섬유의 직경은 6μm이하인 것이, 제조의 용이성 측면에서 바람직하다.

상기 무기 바인더는 알루미늄을 포함하는 산성 용액과 염기성 용액을 중화 반응시켜 생성되는 알루미늄 화합물을 포함한다.

여기에서 상기 알루미늄을 포함하는 산성 용액은 황산알루미늄이 바람직하고, 염기성 용액은 수산화나트륨이 바람직하다.

상기 염기성 용액은 알루미늄을 포함하는 산성 용액과 반응하여 알루미늄 화합물(염)을 생성하고, 상기 알루미늄 화합물(염)은 유리 섬유의 바인더 역할을 하게 된다.

즉, 본 발명은 염기성 용액과 알루미늄을 포함하는 산성 용액을 중화반응시켜 생성되는 알루미늄 화합물을 무기 바인더로 활용하고 있는바, 상기 알루미늄 화합물(염)은 수산화알루미늄일 수 있다.

알루미늄을 포함하는 산성 용액으로 황산알루미늄을, 염기성 용액으로 수산화나트륨을 선택하는 경우, 상기 알루미늄 화합물(염)의 생성과정은 다음의 반응식에서 알 수 있다.

Al ₂ (SO ₄ ) ₃ (s) + 6NaOH(aq) → 2Al(OH) ₃ (s) + 6Na ⁺ (aq) + 3SO ₄ ^{2 -} (aq)

상기 중화반응에 의해 형성된 알루미늄 화합물(염)은 건조되면서 물의 이동에 따라 거동하지 않으며, 유리 섬유의 사이에 고르게 분포되어 우수한 바인더 역할을 하게 된다.

상기 알루미늄 화합물(염)의 건조 생성물은 산화알루미늄이며, 생성과정은 다음과 같다.

2Al(OH) ₃ (s) → Al ₂ O ₃ (s) + 3H ₂ O(g)

상기 건조 생성물인 산화알루미늄은 유리 섬유 간 고루 분포하면서, 직경이 4~6μm의 표준화된 유리 섬유들이 서로 잘 뭉쳐져 있을 수 있도록 바인더 역할을 한다.

유리 섬유 보드의 제조방법

본 발명의 일 실시예에 의한 유리 섬유 보드의 제조방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 유리 섬유와 무기 바인더 용액을 교반하여 혼합 용액을 만드는 단계(S100), 상기 혼합 용액으로부터 물을 제거하여 추출물을 얻는 단계(S110) 및 상기 추출물을 압축, 건조하는 단계(S120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

먼저 유리 섬유와 무기 바인더 용액을 교반하여 혼합 용액을 제조한다(S100).

상기 유리 섬유는 일반적으로 진공 단열재의 심재용으로 사용되는 것이라면 제한이 없으나, 특히 공해가 없고 생산이 용이한, 표준화된 유리 섬유인 것이 바람직하다. 특히 유리 섬유의 직경은 6μm이하인 것이, 제조의 용이성 측면에서 바람직하다.

상기 무기 바인더 용액은 무기 바인더와 물을 혼합하여 제조한다. 본 발명에서 사용되는 무기 바인더에 대해서는, 상기에서 상세히 설명하였는바, 본 항목에서는 생략하기로 한다.

무기 바인더의 함량은 무기 바인더 용액 전체 중량 중 0.1~1중량%인 것이 바람직하다. 무기 바인더의 함량이 0.1중량%미만인 경우에는 보드 강도의 문제가 있고, 1중량%를 초과하는 경우에는 열전도율 상승의 문제가 있기 때문이다.

유리 섬유의 함량은 혼합 용액 전체 중량 중 0.5~1중량%인 것이 바람직하다. 이는 유리 섬유 교반 시 고른 분산도를 확보하기 위함이다.

교반 회전수는 제한이 없는바, 유리 섬유와 무기 바인더가 골고루 섞일 수 있도록 충분히 교반하여 혼합 용액을 완성한다.

다음으로, 상기 혼합 용액으로부터 물을 제거하여 추출물을 제조한다(S110).

물을 제거하기 위해서는 체를 사용한다. 혼합용액을 체에 통과시키면 물은 체를 통해 빠져 나오게 되고, 유리 섬유와 바인더가 혼합된 추출물만 남게 된다.

그 후, 추출물을 진공 흡입하여 주는데, 이를 통하여 잔여 수분을 제거하고 건조 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

다음으로, 상기 추출물을 압축, 건조하여 유리 섬유 보드를 완성한다(S120).

이 때, 압축시 압력은 2.0~2.4kg/cm ² 이 바람직하며, 건조 온도는 250~300℃인 것이 바람직하고, 건조 시간은 10~15분인 것이 바람직하다.

상기 압축 압력이 2.0kg/cm ² 미만인 경우에는 유리 섬유가 두께 방향에 대하여 수직으로 배열되지 않는 문제가 있고, 2.4kg/cm ² 을 초과하는 경우에는 과도한 압축으로 인해 유리 섬유의 물성이 저하될 우려가 있다.

상기 건조 온도가 250℃ 미만인 경우에는 유리 섬유가 충분히 건조되지 않는 문제가 있고, 300℃를 초과하는 경우에는 유리 섬유의 물성이 저하될 우려가 있다.

상기 건조 시간이 10분 미만인 경우에는 유리 섬유가 충분히 건조되지 않을 우려가 있고, 15분을 초과하는 경우에는 이미 충분한 건조가 이루어져 시간 대비 건조효과가 떨어진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의한 유리 섬유 보드의 제조방법은 도 2에 나타낸 바와 같이, 유리 섬유를 준비하는 단계(S200), 무기 바인더 용액을 상기 유리 섬유에 도포하는 단계(S210) 및 상기 무기 바인더 용액이 도포된 유리 섬유를 압축, 건조하는 단계(S220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

준비된 유리 섬유에 무기 바인더 용액을 도포하는 단계(S210)에서, 그 도포 방법에는 제한이 없으나, 알루미늄을 포함하는 산성용액과 염기성 용액을 혼합한 후 이를 스프레이 방식으로 분사하여 주는 방식으로 도포하는 것이 바람직하다.

이외의 다른 단계는 상기한 본 발명의 일 실시예와 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 유리 섬유 보드 및 그 제조방법을 설명하기로 한다.

실시예 및 비교예 (유리 섬유 보드의 제조)

실시예 1

직경 4μm의 유리 섬유와 직경 6μm의 유리 섬유를 7:3의 비율로 혼합한 유리 섬유를 준비하였다. 그 후, 수산화나트륨 및 황산알루미늄 혼합물 3g을 별도로 준비된 물 1L에 투입하여 바인더 용액을 준비하였다. 상기 준비된 유리 섬유를 상기 바인더 용액에 대하여 1중량% 비율로 투입하고, 교반기를 사용하여 300회 회전함으로써 교반하여 주었다. 교반이 끝난 용액을 체에 걸러 물을 추출해내고, 진공 흡입한 후, 2.0kg/cm ² 의 압력으로 30초 동안 압축하였다. 그런 다음, 압축된 추출물을 250℃에서 10분 동안 건조시켜 유리 섬유 보드를 제조하였다.

실시예 2

수산화나트륨 및 황산알루미늄 혼합물 1.5g을 물 1L에 투입하여 바인더 용액을 준비하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 유리 섬유 보드를 제조하였다.

실시예 3

수산화나트륨 및 황산알루미늄 혼합물 5g을 물 1L에 투입하여 바인더 용액을 준비하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 유리 섬유 보드를 제조하였다.

실시예 4

수산화나트륨 및 황산알루미늄 혼합물 10g을 물 1L에 투입하여 바인더 용액을 준비하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 유리 섬유 보드를 제조하였다.

실시예 5

수산화나트륨 및 황산알루미늄 혼합물 20g을 물 1L에 투입하여 바인더 용액을 준비하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 유리 섬유 보드를 제조하였다.

비교예 1

수산화나트륨 및 황산알루미늄 혼합물을 전혀 넣지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 유리 섬유 보드를 제조하였다.

비교예 2

범용되고 있는 실리카졸을 바인더로 사용하여 통상적인 방법으로 유리 섬유 보드를 제조하였다.

평가

1. 초기 열전도율

실시예 1 내지 5, 비교예 1에 의해 제조된 유리 섬유 보드의 초기 열전도율을 측정하였다.

측정결과는 도 3에 나타내었는바, 수산화나트륨 및 황산알루미늄 혼합물이 1.5~5g일 때 초기 열전도율이 가장 우수하다는 사실을 알 수 있었다. 특히 실시예 1의 경우 초기 열전도율이 가장 낮아 단열 효과가 매우 우수하였다.

2. EDS 분석

실시예 3, 4와 비교예 1에 의해 제조된 유리 섬유 보드의 성분 분석을 통해, 유리 섬유 사이에 존재하게 되는 바인더의 함량을 도출해내었다. 이를 위해 제조된 유리 섬유 보드 시편 1개 당, 2개의 지점에 대한 성분을 분석한 후, 평균값에 기반하여 바인더 함량을 산출하였다. 바인더 함량은 하기 표 1과 같다.

3. SEM 분석을 통한 바인더 검증

바인더가 유리 섬유에 고르게 분포되어 있는지 확인하기 위하여 SEM 분석을 시행하였다.

비교예 1에 의해 제조된 유리 섬유 보드의 SEM 사진은 도 4에, 실시예 1에 의해 제조된 유리 섬유 보드의 SEM 사진은 도 5에 나타내었다.

도 4과 도 5를 대비하여 보았을 때, 본 발명의 실시예에 의한 유리 섬유 보드의 경우, 유리 섬유의 표면에 산화알루미늄이 고르게 분포한다는 사실을 확인할 수 있었다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라, 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.