KR101129375B1

KR101129375B1 - 물유리 및 에어로겔로부터 제조된 세라믹 다공체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101129375B1
Application number: KR1020090039031A
Authority: KR
Inventors: 유미선
Original assignee: 유미선
Priority date: 2009-05-04
Filing date: 2009-05-04
Publication date: 2012-03-20
Anticipated expiration: 2029-05-04
Also published as: KR20100120036A

Abstract

본 발명은 물유리의 발포로 형성된 기공과 에어로겔의 미세한 기공의 상승작용에 의한 우수한 단열성, 내열성 및 초경량성을 갖는 물유리 및 에어로겔로부터 제조된 세라믹 다공체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 물유리와 무기첨가제로서 에어로겔이 2:1 내지 8:1 중량비로 혼합된 소성 혼합물의 소성체인 세라믹 다공체; 및 물유리와 무기첨가제로서 에어로겔을 2:1 내지 8:1 중량비로 혼합하여 소성 혼합물을 준비한 후, 소성 혼합물을 원하는 모양으로 성형하고 120 내지 800℃에서 10 분 내지 2시간동안 소성하는 단계를 포함하는 세라믹 다공체 제조방법이 제공된다. 물유리와 에어로겔의 혼합물로부터 제조되는 본 발명에 의한 새로운 세라믹 소성체는 우수한 단열성을 가질 뿐만 아니라, 중량면에서도 초경량의 소성체로서 신소재의 경량화 및 에너지 절감 기능에 부합되는 것으로 첨단소재로서 다양한 분야에 적용될 수 있다.

물유리, 에어로겔, 유기용매, 무기재료, 세라믹 다공체, 소성, 발포, 초경량, 초단열

Description

물유리 및 에어로겔로부터 제조된 세라믹 다공체 및 이의 제조방법{Porous Ceramic Prepared From Sodium Silicate and Aerogel and A Method for Preparing Thereof}

본 발명은 물유리 및 에어로겔로 부터 제조된 세라믹 다공체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 물유리의 발포로 형성된 기공과 에어로겔의 미세한 기공의 상승작용에 의한 우수한 초단열성 및 초경량성을 갖는 물유리 및 에어로겔로부터 제조된 세라믹 다공체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

산업분야의 전문화, 건축소재의 첨단화 및 에너지 절감형 신소재의 수요 등에 따라 근래들어 초경량, 초단열 소재의 필요성이 더욱 증대되고 있다. 현재 경량 단열소재로는 폴리우레탄이나 스티로폼 등의 대표적인 유기성 제품과 펄라이트, 규조토 등이 주로 많이 사용되고 있다. 그러나, 폴리우레탄 및 스티로폼은 고온에 매우 약한 치명적인 단점이 있을 뿐만 아니라, 화재 발생시에는 매우 유독한 가스가 발생되므로 인체에 유해하다. 한편, 무기재료인 펄라이트 및 규조토는 내열성 측면에서는 우수하지만, 경량성, 단열성 및 내열성 측면에서 최첨단화된 기술수준의 요구에 부합하기에는 역부족이다. 따라서, 초단열성 및 초경량성을 갖는 새로운 세라믹 다공체가 요구된다.

본 발명은 일 견지에 있어서, 물유리와 에어로겔로 부터 제조된 우수한 초단열성 및 초경량성을 갖는 새로운 세라믹 다공체를 제공하는 것이다.

본 발명은 다른 견지에 있어서, 우수한 초단열성 및 초경량성을 갖는 새로운 세라믹 다공체 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면,

물유리와 무기첨가제로서 에어로겔이 2:1 내지 8:1 중량비로 혼합된 소성 혼합물의 소성발포체인 세라믹 다공체가 제공된다.

본 발명의 다른 견지에 의하면,

물유리와 무기첨가제로서 에어로겔을 2:1 내지 8:1 중량비로 혼합하여 소성 혼합물을 준비하는 단계;

상기 소성혼합물을 원하는 모양으로 성형하고 120 내지 800℃에서 10 분 내지 2시간동안 소성하는 단계를 포함하는 세라믹 다공체 제조방법이 제공된다.

물유리와 에어로겔의 혼합물로부터 제조되는 소성발포체인 본 발명에 의한 새로운 세라믹 다공체는 우수한 초단열성 및 초경량성을 갖는다. 본 발명의 세라믹 다공체(“소성발포체”라 하기도 함)는 1000℃이상의 고온에서도 방화성을 나타내는 것으로 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 연소시, 유독가스가 발생되지 않는다. 또한, 우수한 방음 효과를 갖는다. 본 발명에 의한 세라믹 다공체는 신소재의 경량화 및 에너지 절감 기능에 부합하는 첨단소재로서 다양한 분야에 적용될 수 있다. 구체적으로는 단열성이 요구되는 기술분야, 예를들어, 냉동창고, 이중단열판넬, 건축내장단열재, 방음판넬, 파이프단열재, 선박내장재, 소성로 및 용융로의 단열재, 가전제품 단열재 등의 기술분야에 적용될 수 있다.

본 발명은 우수한 초경량성 및 초단열성을 갖는 새로운 세라믹 다공체를 제공하기 위해 제시된 것으로, 본 발명에 의하면, 물유리와 에어로겔을 포함하는 소성혼합물의 소성발포체인 세라믹 다공체 및 그 제조방법이 제공된다. 즉, 물유리와 에어로겔을 포함하는 소성혼합물을 소성하므로써, 물유리의 발포로 형성된 기공과 에어로겔 고유의 미세한 기공이 균일하게 혼재하는 다공성 구조로 인하여 우수한 초단열성 및 초경량성을 나타내는 새로운 세라믹 다공체가 얻어진다.

상기 물유리로는 일반적으로 알려져 있는 어떠한 종류의 물유리가 사용될 수 있다. 구체적으로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, KS M 1415 규격에 따른 1 종, 2종, 3종 및/또는 4종의 어떠한 물유리가 사용될 수 있다. 이들 KS M 1415 규격에 따른 물유리 규격은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.

[표 1] KS M 1415에 따른 물유리 산업규격

	1종	2종	3종	4종
비중 (20℃, g/cm³)	1.690이상	1.590 이상	1.380이상	1.260이상
물불용분 (중량%)	0.2이하	0.2이하	0.2이하	0.2이하
산화나트륨(Na₂O)(중량%)	17?18	14?15	9?10	6?7
이산화규소(SiO₂)(중량%)	36?38	34?36	28?30	23?25

(물유리에서 상기 표 1에 나타낸 물유리의 구성성분 이외의 잔부는 물임.

상기 물불용분은 이로써 한정하는 것은 아니지만, 실리카, 철, TiO₂, Al, Mg 및 Cu등의 성분일 수 있음.)

보다 바람직하게는 세라믹 다공체에 가능한 한 작고 균일한 크기의 다수의 기공이 균일한 분포로 형성되고 우수한 강도를 나타내도록 SiO₂함량이 7 내지 30중량%인 물유리를 사용하는 것이 좋다. SiO₂의 함량이 7중량% 미만인 물유리는 점도가 매우 작으며, 따라서, 고온 소성시 물의 급격한 기화현상으로 인하여 국부적으로 SiO₂ 함량이 높은 부분이 존재하게 되고 이에 따라, 고점도 물유리에서와 같이 큰 기공이 형성될 수 있다. 따라서, 세라믹 다공체에 국부적으로 불균일한 기공이 형성된다. 한편, 전반적으로는 발포성분의 함량이 적어서 기공형성이 미미하므로 바람직하지 않다. 또한, 소성발포시, 점결제로서 작용하는 물유리중 SiO₂의 함량에 비하여 물의 양이 많아지므로 비경제적이며, 너무 낮은 점도로 인하여 물유리와 에어로겔의 원활한 혼합이 문제시된다. 참고로 물로 3배 희석한 물유리(KS 규격 1종의 물유리(SiO₂36~38중량%):물의 1:3 중량비 혼합)로 형성된 소성발포체(소성조건 250℃, 2시간)의 사진을 도 1에 나타내었다.

SiO₂의 함량이 30중량%를 초과하는 물유리는 높은 점도를 나타내며, 높은 점도로 인하여 물유리의 소성발포체인 세라믹 다공체 내부에는 다수의 조대한 기공이 형성된다. 이와 같이, 다수의 조대한 기공을 포함하는 세라믹 다공체는 강도가 매우 약하며 따라서, 약한 충격에 의해서도 쉽게 부서지므로 바람직하지 않다. 또한, 높은 점도로 인하여 에어로겔과 원활하게 혼합하기 어렵다. 참고로, SiO₂를 36 내지 38중량% 포함하는 KS 규격 1종의 물유리로 형성된 소성발포체(소성조건 250℃, 2시간)의 사진을 도 2에 나타내었다.

상기한 바와 같은 이유로, 실리카 다공체내에 가능한한 작고 균일한 다수의 기공이 고른 분포로 형성되도록 SiO₂함량이 7 내지 30중량%인 물유리를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 KS M 1415 규격에 따른 1종, 2종, 3종 및 4종의 물유리는 필요에 따라, SiO₂ 함량이 7 내지 30중량%가 되도록 물로 희석하여 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 1종 및 2종의 물유리는 희석하여 사용하는 것이 바람직하며, 3종 및 4종의 물유리는 그대로 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 세라믹 다공체 제조에 사용되는 소성혼합물에 무기첨가제로 배합되는 에어로겔은 수많은 기공을 갖는 비표면적이 600-1500㎡/g 에 이르는 물질로서 구조적인 요인과 실리카라는 물질의 화학적 특성으로 인하여 매우 낮은 열전도율, 구체적으로는, 5~30mW/mk의 열전도도를 갖는 저밀도(0.05~0.3g/cm³), 고다공성 물질로서 우수한 단열성을 나타낸다. 본 발명에서 사용되는 에어로겔은 특히 한정되지 않으며, 일반적으로 알려져 있는 어떠한 종류의 에어로겔이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는 실리카 에어로겔이 사용될 수 있으며, 소수성화된 에어로겔 및 소수성화된 실리카 에어로겔이 또한 바람직하게 사용될 수 있다. 소수성화된 에어로겔을 사용하는 경우에는 에어로겔 표면의 소수성으로 인하여 세라믹 다공체가 우수한 방수성 및 발수성을 나타낸다. 나아가, 에어로겔 표면의 소수성으로 인하여 대기중 수분의 세라믹 다공체로의 유입이 차단되어 작고, 균일한 기공이 손상되지 않으므로 초단열성 및 초경량성이 장기간 유지될 수 있다. 나아가, 상기 에어로겔로는 분말 또는 입상 형태의 에어로겔이 사용될 수 있다.

에어로겔은 일반적으로 졸-겔화 공정으로 제조된다. 상기 졸-겔화공정은 이 기술분 야에 알려진 어떠한 적합한 졸-겔기술[R.K.Colloid Chemistry of Silica and Silicates 1954, chapter 6; C.J. Brinker, G.W. Scherer, Sol-Gel Science, 1990, Chaps 2 and 3을 참고]을 기초로 하여 행할 수 있다.

즉, 에어로겔 전구체의 졸-겔화 공정으로 습윤겔을 제조하고 습윤겔을 건조하므로써 에어로겔이 얻어진다. 습윤겔은 구체적으로는 졸-겔화 공정도중의 에어로겔 전구체와 물의 반응에 의한 가수분해, 축합반응 및 숙성과정을 거쳐 얻어진다. 예를들어, 알코올 용매중에서 에어로겔 전구체와 물에 촉매를 첨가하므로써 가수분해가 진행되며, 가수분해물의 축합반응이 진행되어 "졸"상태의 화합물이 형성된다. 이때, 축합반응은 염기 또는 산 촉매 존재하에 행할 수 있다. 졸 상태의 용액이 겔화된 후에 충분한 시간동안 숙성시켜 습윤겔로 제조된다.

이로써 한정하는 것은 아니지만, 보다 구체적으로 예를들면, 에어로겔은 에어로겔 전구체를 사용하여 습윤겔을 제조하는 공정과 습윤겔을 건조시키는 공정에 의해 제조될 수 있다. 습윤겔 제조시 졸-겔화 공정이 이용된다. 졸-겔화 공정에서는 먼저, 에어로겔 전구체가 가수분해에 의한 수화반응 및 축합반응이 진행(1 단계)되고 그 후, 겔화 및 숙성과정을 거쳐 습윤겔이 형성(2 단계)된다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 1 단계에서는 에탄올에 용해된 에어로겔 전구체 용액에 촉매로서 염산등을 가하고 증류수를 적가하여 부분 가수분해시킨다. 그 후, 2 단계에서는 1 단계에서 생성된 용액에 증류수와 메탄올을 첨가하고 암모니아수등의 촉매를 사용하여 습 윤겔을 형성할 수 있다.

이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 에어로겔 전구체로는 물유리 또는 알킬기가 1 내지 6개인 탄소원자, 바람직하게는 1 내지 4개의 탄소원자를 갖는 금속 알콕사이드가 사용될 수 있다. 상기 금속 알콕사이드는, 이로써 한정하는 것은 아니나, 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시실란(TMOS), 테트라-n-프로폭시실란, 알루미늄 이소프로폭사이드, 알루미늄-sec-부톡사이드, 세륨 이소프로폭사이드, 하프늄 tert-부톡사이드, 마그네슘 알루미늄 이소프로폭사이드, 이트륨 이소프로폭사이드, 티타늄 이소프로폭사이드 및 지르코늄 이소프로폭사이드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종이 단독으로 혹은 혼합하여 사용될 수 있다. 특히, 실란을 포함하는 테트라에톡시 실란(TEOS) 및/또는 테트라메톡시실란(TMOS)이 가장 바람직한 금속 알콕사이드이다.

소수성화 에어로겔은 예를들어, 상기 습윤겔을 소수성화 처리하여 제조할 수 있다. 소수성화 처리는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 습윤겔을 실릴화제등과 반응시켜 습윤겔의 표면을 실릴화(소수성화)하여 제조할 수 있다. 실릴화제로는 일반적으로 헥사메틸디실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 트리에틸에톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 메톡시트리메틸실란, 트리메틸클로로실란, 트리에틸클로로실란등이 사용될 수 있다.

상기한 습윤겔 또는 소수성화 습윤겔을 건조하므로써 에어로겔이 얻어진다. 건조는 상압건조 또는 초임계 건조등의 방법으로 행할 수 있다. 필요에 따라, 습윤겔 또는 소수성화 습윤겔을 건조하기 전에 용매치환 할 수 있으며, 용매치환은 소수성화 처리와 동시에 행할 수도 있다.

세라믹 다공체 형성에 사용되는 소성혼합물은 물유리와 에어로겔 무기첨가제를 2:1 내지 8:1 중량비로 포함할 수 있다. 물유리 양이 하한값 보다 적으면 물유리의 양이 너무 적어서 물유리의 발포에 의한 기공 형성 및 점결성이 불충분하다. 물유리 양이 상한값 보다 많으면 물유리와 에어로겔의 불균일한 혼합으로 인하여 국부적으로 발포정도가 다른 불균일한 기공이 형성될 수 있으며, 불균일한 기공형성으로 인하여 세라믹 다공체의 단열성이 저하되므로 바람직하지 않다.

본 발명의 다른 구현에 있어서, 무기첨가제로서 상기 에어로겔 뿐만 아니라, 다른 무기재료가 또한 추가적으로 함께 사용될 수 있다. 즉, 무기첨가제로서, 필요에 따라, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 황토분말, 마이카, 탈크, 실리카, 규조토, 티타니아(TiO₂), 펄라이트 및 활성탄로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종의 무기재료가 에어로겔과 함께 사용될 수 있다. 이들 무기재료는 단독으로 혹은 2종 이상이 함께 사용될 수 있다. 무기첨가제로서 에어로겔과 상기 기타 무기재 료를 함께 사용하므로써 세라믹 다공체의 생상비용이 절감될 뿐만 아니라, 상기 무기재료의 특성에 기인한 물성이 또한, 세라믹 다공체에 부여될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 황토분말은 원적외선 방사효과를 갖는 것으로, 황토분말을 배합하여 얻어지는 세라믹 다공체 또한 원적외선 방사능을 갖는다. 타티니아는 광촉매의 기능을 갖는 것으로, 티타니아 분말을 배합하여 얻어지는 세라믹 다공체 또한 광촉매의 효과를 기대할 수 있다.

상기 무기재료의 입자크기는 특히 제한되지 않으나, 에어로겔 및 물유리와 의 균일한 혼합성 및 발포성등을 고려하여 수백 나노급~수천 마이크로급의 입자크기, 바람직하게는 1㎛ 내지 500㎛ 범위의 입자크기를 갖는 무기재료가 사용될 수 있다.

무기첨가제로서 상기 무기재료를 추가로 포함하는 경우에, 에어로겔: 무기재료는 1:10중량비 이하의 양으로 배합될 수 있다.

에어로겔 1중량부에 대하여 무기재료를 10중량부 이하로 배합하므로써, 에어로겔이 무기재료의 표면에 물리적으로 흡착되어 무기재료가 또한 에어로겔의 물성인 소수성을 띄게 된다. 따라서, 에어로겔과 무기재료를 1:10중량비 이하로 포함하는 소수성 혼합물로 제조된 세라믹 다공체는 장시간 경과시에도 세라믹 다공체의 다공성이 유지되며 이에 따라 단열성이 장기간 유지되므로 바람직하다.

무기재료의 함량이 상한값을 초과하면, 소성혼합물 전체에 대하여 발포성이 저조한 무기재료의 양이 많아지고, 소성 혼합물중의 에어로겔의 상대적인 함량이 적어질 뿐만 아니라, 물유리의 양 또한, 상대적으로 감소되므로 충분한 기공 확보면에서 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 과량의 무기재료로 인하여, 에어로겔의 소수성이 충분히 발현되지 않을 수 있다. 한편, 상기 임의의 무기재료는 필요에 따라 추가적으로 배합될 수 있는 성분으로써 하한값은 특히 한정하지 않는다.

무기첨가제로서 에어로겔과 상기 임의의 무기재료가 함께 사용되는 경우 또한, 물유리에 의한 기공형성 및 다공체의 강도를 고려하여 상기한 바와 같이, 물유리: 에어로겔과 무기재료를 포함하는 무기첨가제는 2:1 내지 8:1 중량비로 배합될 수 있다.

물유리는 상당량의 물을 포함하므로 상기 소성혼합물의 가열에 의한 소성시, 물과 물유리의 반응에 의한 물유리의 발포로 인하여 세라믹 다공체가 얻어진다. 그러나, 보다 균일한 기공을 갖는 세라믹 다공체가 형성되도록 소성혼합물에 유기용매를 추가로 배합하는 것이 바람직하다.

유기용매로는 메탄올, 에탄올, 프로판올과 같은 알코올류 또는 아세톤이 사용될 수 있다. 이러한 유기용매는 같은 온도에서의 증기압이 물에 비하여 훨씬 크므로 소성과정에서 비교적 저온에서부터 빠르게 증발될 뿐만 아니라, 일부 잔류하는 유기용 매 또한 비교적 고온에서 세라믹 다공체의 작은 기공을 통해 빠르게 증발되므로 세라믹 다공체에 균일하고 미세한 다수의 기공이 형성되도록 한다.

또한, 추가적인 유기용매를 사용하므로써 소성혼합물, 구체적으로는 물유리의 점도가 균일한 다수의 기공 형성에 보다 적합한 상태로 조절된다. 이에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, 물유리(Na₂O?SiO₂?xH₂O, 식중 X는 물유리 중에 포함되어 있는 물의 양을 나타냄.)와 상기 유기용매의 혼합물인 유기겔에서는 H⁺이온 농도가 물보다 훨씬 작고 따라서, 물유리의 용해도가 또한 작아진다. 이로 인하여, 예를들어, 물유리에 산이 첨가되는 경우의 높은 H⁺이온 농도에서 실리콘에 결합된 히드록시기간의 탈수반응에 의한 3차원 실리카 망상구조를 형성하는 겔화가 잘 발달하지 못하고 일부만 진행된다. 따라서, 유기겔중에서 물유리중 일부는 본래의 고점도 물유리 형태로 존재하며, 물유리중 일부는 물유리에 산 첨가시 형성되는 점성이 없는 3차원 망상구조인 습윤겔 형태로 존재한다. 이와 같이, 유기겔중에서 물유리는 본래의 물유리 상태와 습윤겔 상태로 혼재하므로 인하여, 유기겔은 물유리 고유의 높은 점도와 습윤겔의 중간 정도의 점도를 갖는다. 따라서, 유기용매를 포함하는 소성혼합물을 사용하므로써 보다 균일하고 작은 다수의 기공이 고르게 형성된 세라믹 소성체가 얻어진다.

또한, 유기겔 중 Na성분은 소성과정에서 무기첨가제의 소결온도(sintering)를 낮춰 주는 작용을 하므로 보다 낮은 온도에서 무기재료들이 쉽게 결합되도록 하는 가교역할을 한다.

한편, 극성이 작은 유기용매 일수록 H⁺의 이온 농도가 더 작아지고 이에 따라, 물유리(Na₂O?SiO₂?xH₂O)의 용해도가 작아지므로, 극성이 작은 유기용매를 사용한 유기겔은 극성이 큰 유기용매를 사용한 유기겔에 비하여, 큰 점도를 나타낼 뿐만 아니라, 물유리와 유기겔내에 존재하는 물중 많은 부분이 유기용매로 대체된다.

실제로, 유기용매로서 아세톤, 에탄올 및 메탄올(극성: 아세톤 < 에탄올 < 메탄올)이 사용된 유기겔의 소성발포체중 극성이 작은 아세톤을 사용한 유기겔의 소성발포체에 큰 기공이 많이 형성되고, 극성이 큰 메탄올을 사용한 유기겔의 소성발포체에서 기공이 가장 적게 생성된다. 참고로, 도 3의 아세톤, 에탄올 또는 메탄올 유기용매와 물유리가 2:1 중량비로 혼합된 유기겔의 소성발포체 (소성조건 500℃, 2시간) 사진에 나타낸 바와 같이, 아세톤을 사용한 소성발포체 (3)에서 기공이 가장 크게 형성되었으며, 큰 극성으로 인하여 Na₂O 성분이 비교적 많이 해리되어 점도가 낮아진 메탄올을 사용한 도 3의 소성발포체(1)에서 기공이 비교적 작게 형성되었다. 에탄올을 사용한 소성발포체 (2)에는 중간 크기의 기공이 형성되었다. 이러한 결과는 점도가 클수록 큰 기공이 많이 생성된다는 점과 일치하는 것이다.

이와 같이, 유기용매를 추가로 포함하는 소성혼합물로 형성된 세라믹 다공체는 보다 균일한 기공 및 우수한 강도를 갖는 세라믹 소성체의 형성에 보다 적합한 점도를 갖는다. 또한, 유기용매를 포함하는 소성혼합물을 사용하므로써 에어로겔의 수많은 미세기공에 유기용매의 유기성분이 고루 흡착되어 있다가 기공제로 작용하므로 세라믹 다공체내에 기공이 더욱 균일하게 생성되어 보다 우수한 초단열성 및 초경량성을 나타내는 세라믹 다공체를 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명의 다른 구현에 있어서, 물유리, 에어로겔 무기첨가제 및 임의의 유기용매를 포함하는 소성 혼합물을 이용한 세라믹 다공체가 제공된다. 나아가 본 발명의 또 다른 견지에 있어서, 물유리, 에어로겔과 기타 무기재료를 포함하는 무기첨가제 및 유기용매를 포함하는 소성 혼합물을 이용한 세라믹 다공체가 제공된다.

한편, 물유리와 유기용매의 반응으로 형성된 유기겔은 묵과 같은 형태로 유동성이 없으므로 다른 성분과 혼합되기 어렵다. 특히, 에어로겔은 비중이 매우 작은 물질이므로 상기 유기겔과 균일하게 혼합되지 않는다. 따라서, 소성 혼합물에 유기용매가 추가로 배합되는 경우에는, 유기용매를 에어로겔 및 임의의 무기재료와 배합한 다음에 물유리를 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, 소수성화된 에어로겔이 사용되는 경우에, 유기용매와 에어로겔을 먼저 배합 하므로써, 유기용매가 에어로겔의 표면에 흡착되어 에어로겔이 어느 정도 극성을 띄게 된다. 이와 같이 에어로겔 표면이 어느 정도 극성을 띄는 상태에서 에어로겔과 물유리를 배합하므로써 물유리와 에어로겔이 비교적 쉽게 혼합될 수 있다. 한편, 유기용매와 무기첨가제(에어로겔 및 임의의 무기재료)를 혼합한 다음에, 여기에 물유리를 첨가하여 혼합하는 과정에서, 물유리와 에어로겔의 표면에 흡착되어 있던 유기용매가 반응하여 유기겔이 형성될 수 있으나, 유기겔 형성 정도가 미미하고 유기용매과 에어로겔이 먼저 혼합된 상태이므로 에어로겔, 물유리, 임의의 무기 재료 및 유기용매가 균일하게 혼합될 수 있다.

상기 유기용매는 무기첨가제, 구체적으로는 에어로겔 및 임의의 무기재료인 무기첨가제를 겨우 적실 수 있을 정도로 가능한 한 소량 사용하는 것이 바람직하다. 이는 유기용매가 다량 사용되면, 비경제적일 뿐만 아니라, 과잉의 유기용매와 물유리의 반응으로 국부적으로 유기겔이 형성하고 이로 인하여 에어로겔이 균일하게 존재하는 실리카 다공체를 얻기 어렵다. 보다 구체적으로, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 상기 유기용매는 무기첨가제(에어로겔 및 임의의 무기재료):유기용매의 중량비로 1:2-1:7이 되도록 배합하는 것이 보다 바람직하다. 유기용매는 소성혼합물의 소성에 의한 발포시 기공제 역할을 하는데, 유기용매의 양이 하한값 보다 작으면 유기용매가 무기첨가제 전체에 고르게 흡착되지 못하고 무기첨가제중의 일부에만 유기용매가 존재하게 되며, 이러한 유기용매의 불균일한 존재로 인하여 세라믹 다공체에서 기공의 분포가 불균일해질 수 있기 때문이다.

한편, 유기용매의 함량이 상한값 보다 많으면, 상기한 바와 같이, 무기첨가제의 표면에 흡착되고 남는 유기용매가 이후에 혼합되는 물유리와 반응하여 다량의 유기겔이 국부적으로 형성되므로 바람직하지 않다. 즉, 무기첨가제 표면에 균일한 유기겔이 형성되지 않고 국부적으로 다량의 유기겔이 형성되므로 균일한 기공이 형성된 소성발포체를 얻기 어렵다. 즉, 균일한 기공이 형성된 소성발포체를 얻기 위해서는 무기혼합물의 표면에 균일한 유기겔이 형성되어야 한다.

상기 소성 혼합물을 원하는 모양으로 성형하고 소성시키므로써 물유리가 발포되어 초경량, 초단열의 소성발포체인 세라믹 다공체가 얻어진다. 본 명세서에서 사용된 용어 “원하는 모양”이란 최종적으로 원하는 어떠한 세라믹 발포체의 모양을 말하며, 이 기술분야의 기술자는 필요에 따라 어떠한 모양으로 성형할 수 있으므로 성형체의 모양을 특히 한정하는 것은 아니다.

소성은 120 내지 800℃의 소성온도에서 행하는 것이 바람직하다. 소성온도가 120℃ 미만이면 소성시간이 길어지고 세라믹 다공체의 강도가 약해지며, 소성온도가 800℃을 초과하면 불필요한 에너지 비용이 소요되고 소결에 의해 미세기공이 응집된다. 한편, 소성온도가 높아질수록 세라믹 다공체의 강도는 커지지만, 초경량성 및 초단열성은 떨어진다. 따라서 이러한 최종 세라믹 다공체의 물성을 고려하여 소성온도를 상기한 소성온도 범위에서 적합하게 조절하여 소성할 수 있다.

한편, 상기한 에어로겔의 소수성화 처리에 사용되는 소수화처리 화합물은 일반적으로 200 내지 250℃에서 분해가 시작된다. 따라서, 소수성화 에어로겔이 사용되는 경우에, 에어로겔 및 이를 이용하여 제조된 세라믹 다공체의 소수성을 유지하고자 하는 경우에는, 바람직하게는 180℃ 내지 250℃, 보다 바람직하게는 180℃ 내지 200℃의 온도에서 소성하는 것이 좋다.

소성은 상기 소성온도 범위에서 약 10 분 내지 2시간동안 행할 수 있다. 소성시간이 10분 미만이면 충분히 발포되지 않아 발포성 세라믹 다공체로 형성되기 어렵고, 약 2시간 정도 소성하므로써 충분히 발포되어 세라믹 다공성체가 얻어지므로 2 시간을 초과하여 소성하는 것은 불필요한 에너지 소모이다. 한편, 일반적으로 소성온도가 낮을수록 장시간의 소성시간이 요구된다.

상기 본 발명에 의한 소성발포체인 세라믹 다공체는 물유리의 발포로 형성된 작고 균일한 기공이 고르게 분포되어 있을 뿐만 아니라, 에어로겔 본래의 미세한 기공이 또한 균일하게 혼재하므로 기공내 공기의 대류에 의해 열전달이 효과적으로 차단되어 우수한 초단열성 및 초경량성을 나타낸다.

상기한 바와 같이, 물유리, 에어로겔, 임의의 무기재료 및 임의의 유기용매를 배합하여 소성혼합물을 제조하고 이를 소성하므로써 초단열성 및 초경량성의 세라믹 다 공체가 얻어진다. 본 발명에 의한 세라믹 다공체는 무게가 스티로폼의 2배 정도에 해당하는 획기적인 초경량 세라믹 다공체이며, 매우 우수한 단열 및 방음 효과를 나타낸다. 또한, 1000℃이상의 고온에서도 단열 및 방화기능을 나타내는 것으로 우수한 내열성을 가지며, 화재시에 유독가스가 발생되지 않으며, 나아가 소수성을 갖는다. 이러한 본 발명의 세라믹 다공체는 신소재의 경량화 및 에너지 절감 기능에 부합하는 것으로 첨단소재로서 다양한 분야에 적용될 수 있다. 구체적으로는 단열성이 요구되는 기술분야, 예를들어, 냉동창고 및 이중단열판넬, 건축내장단열재, 방음판넬, 파이프단열재, 선박내장재, 소성로 및 용융로의 단열재, 가전제품 단열재 등의 기술분야에 적용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

17중량% SiO₂농도의 물유리 100g에 소수성화된 에어로겔 분말(NEB-217^TM((주)넵의 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 50g을 첨가하고 교반하면서 혼합하여 소성혼합물을 준비하였다. 소성혼합물을 다양한 크기의 원형구 모양으로 성형하고 200℃에서 30분동안 소성하여 백색 세라믹 다공체를 얻었으며, 이의 사진을 도 4에 나타내었다. 제조된 세라믹 다 공체는 비중 0.117 g/cm³의 초경량성 및 열전단율 29mW/mk의 우수한 초단열성을 나타내었다. 한편, 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서 제조된 세라믹 다공체는 발수성을 나타내었으며, 이로부터 소수성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

비교예 1

17중량% SiO₂농도의 물유리 100g에 실리카분말(입도 250mesh) 50g을 첨가하고 교반하면서 혼합하였으나, 성형할 수 없을 정도로 점도가 매우 낮은 묽은 죽과 같은 슬러리 상태가 되었다. 따라서, 17중량% SiO₂농도 물유리 100g에 실리카분말(입도 250mesh) 150g을 첨가하고 교반하면서 혼합하여 소성혼합물을 준비하였으며, 이를 다양한 크기의 원형구 모양으로 성형하고 200℃에서 30분동안 소성하여 세라믹 다공체를 제조하였다. 제조된 세라믹 다공체의 사진을 도 6 에 나타내었다. 한편, 제조된 세라믹 다공체의 단면은 도 7에 나타내었으며, 도 7에서 알 수 있듯이, 치밀한 기공이 형성되었다. 한편, 비교예 1에서 제조된 세라믹 다공체의 비중은 0.754g/cm³로서 실시예 1의 세라믹 다공체에 비하여 큰 비중을 나타내었다. 열전달율 또한 74mW/mk 로 실시예 1의 세라믹 다공체에 비하여 저조한 단열성을 나타내었다. 한편, 비교예 1의 세라믹 다공체는 소수성을 나타내지 않았다.

비교예 2

17중량% SiO₂농도의 물유리 450g에 소수성화된 에어로겔 분말(NEB-217^TM((주)넵의 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 50g을 첨가하고 교반하면서 혼합하여 소성 혼합물을 준비하였다. 소성혼합물을 다양한 팬케익 모양으로 성형하고 200℃에서 30분 동안 소성하여 세라믹 다공체를 형성하였으며, 이의 사진을 도 8에 나타내었다. 상기 제조된 세라믹 다공체는 과다한 물유리의 양으로 인하여 매우 불규칙하고 큰 기공이 형성되었으며 일부 물유리는 불균일하게 뭉쳐서 굳어져 있었다. 이러한 세라믹 다공체는 상품화에 부적합하다.

비교예 3

17중량% SiO₂농도의 물유리 450g에 규조토 분말 (입도 250mesh) 50g을 넣고 혼합하여 소성혼합물을 준비하였다. 그러나, 실시예 1과는 달리 물유리와 규조토 분말 혼합물의 높은 점도로 교반이 어려웠다. 상기 소성혼합물을 구형으로 성형하고 200℃에서 30분동안 소성하여 세라믹 다공체를 제조하였다. 얻어진 세라믹 다공체의 단면은 매우 치밀하여 경량성 및/또는 단열성이 떨어지는 구조를 나타내었으며, 이의 사진을 도 9에 나타내었다. 한편, 비교예 3에서 제조된 세라믹 다공체의 비중은 0.54g/cm³로서 실시예 1의 세라믹 다공체에 비하여 큰 비중을 갖는다. 열전달율 또한 67mW/mk 로 저조한 단열성을 나타내었다. 한편, 비교예 3의 세라믹 다공체는 소 수성을 나타내지 않았다.

비교예 4

17중량% SiO₂농도의 물유리 100g에 황토분말((주)코세라, 황토분말, 입도 150 mesh) 50g을 첨가하고 교반하면서 배합하였으나, 성형이 안 될 정도로 점도가 매우 낮은 묽은 죽과 같은 슬러리 상태가 되었으며, 황토분말을 100g 더 첨가하여야 하였다. 따라서 17중량%농도 물유리 100g에 황토분말((주)코세라, 황토분말, 입도 150mesh) 150g을 첨가하고 교반하면서 혼합하여 소성혼합물을 준비하였으며, 이를 다양한 크기의 원형구 모양으로 성형하고 200℃에서 30분 동안 소성하여 세라믹 다공체를 제조하였다. 본 비교예 4에서 제조된 세라믹 다공체의 단면 사진을 도 10에 나타내었다. 도 10에서 알 수 있듯이, 비교예 4에서 제조된 세라믹 다공체에는 매우 큰 기공이 형성되었으며, 이로부터 단열성이 저조함을 확인할 수 있었다. 또한, 세라믹 다공체의 비중은 0.5117g/cm³로서 실시예 1의 세라믹 다공체에 비하여 큰 비중을 갖는다. 열전달율 또한 78mW/mk 로 저조한 단열성을 나타내었다. 비교예 4의 세라믹 다공체는 소수성을 나타내지 않았다.

실시예 2

17중량% SiO₂농도의 물유리 100g에 소수성화된 에어로겔 분말(NEB-217^TM((주)넵의 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 50g을 첨가하고 교반하면서 혼합하여 소성혼합물을 준비하였다. 소성혼합물을 다양한 크기의 원형구 모양으로 성형하고 600℃에서 20분동안 소성하여 세라믹 다공체를 제조하였으며, 이의 사진을 도 11에 나타내었다. 제조된 세라믹 다공체는 비중 0.121 g/cm³의 초경량성 및 열전달율 31mW/mk의 매우 뛰어난 단열성을 나타내었다. 다만, 상기 다공체는 고온인 600℃에서의 소성으로 인하여 소수성을 나타내지 않았으며, 색상은 회백색 이었다. 이는 에어로겔 표면에 코팅되어 있던 소수성화 처리제가 고온에서 산화되었기 때문이다.

실시예 3

소수성화된 에어로겔 분말(NEB-217^TM((주)넵의 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 50g에 에탄올 100g을 첨가하고 교반하면서 혼합하여 에어로겔 분말과 에탄올의 혼합물을 준비하였다. 그 후, 상기 혼합물에 17중량% SiO₂농도의 물유리 140g을 천천히 첨가하면서 교반하여 고르게 혼합하여 소성 혼합물을 준비하였다. 소성혼합물을 다양한 크기의 원형구 모양으로 성형하고 150℃에서 60분 동안 소성하여 세라믹 다공체를 제조하였다. 실시예 3에서 얻어진 세라믹 다공체는 비중 0.109g/cm³의 초경량성 및 열전달율 28mW/m의 매우 뛰어난 단열성을 나타내었다. 한편, 본 실시예 3에서 제조된 세라믹 다공 체는 도 12에 나타낸 바와 같이, 물위에 띄웠을 때, 물을 전혀 흡수하지 않고 물 위에 떠있는 상태가 유지되었으며, 이로부터 소수성을 확인할 수 있었다.

실시예 4

소수성화된 에어로겔 분말 (NEB-217^TM,(주)넵의 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 50g에 에탄올 100g을 첨가하고 교반하여 혼합하여 에어로겔 분말과 에탄올의 혼합물을 준비하였다. 그 후, 상기 혼합물에 17중량% SiO₂ 농도의 물유리 150g을 천천히 첨가하면서 교반하여 고르게 혼합하여 소성혼합물을 준비하였다. 소성혼합물을 다양한 크기의 원형구 모양으로 성형하고 600℃에서 15분 동안 소성하여 세라믹 다공체를 제조하였으며, 이의 사진을 도 13에 나타내었다. 상기 제조된 세라믹 다공체는 비중 0.115g/cm³의 초경량성 그리고 열전달율 30mW/mk의 매우 뛰어난 단열성을 나타내었다. 다만, 상기 세라믹 다공체는 600℃의 고온 소성으로 인하여 소수성을 나타내지 않았으며, 색상은 회백색이었다. 이는 고온에서 에어로겔 표면의 소수성화 표면처리제가 산화되기 때문이다.

실시예 5

17중량% SiO₂ 농도의 물유리 100g에 소수성화된 에어로겔 분말 (NEB-217^TM,(주)넵의 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 50g 및 규조토 분말 3g을 첨가하고 혼합하여 소성 혼합물을 준비하였다. 소성 혼합물을 다양한 크기의 원형구 모양으로 성형하고 200℃에서 30분동안 소성하여 세라믹 다공체를 제조하였다. 제조된 세라믹 다공체는 비중 0.207g/cm³의 초경량성을 그리고 열전달율 34mW/mk의 매우 뛰어난 단열성을 나타내었다. 나아가, 상기 제조된 세라믹 다공체는 도 14에 나타낸 바와 같이 발수성을 나타내는 것으로서 소수성임을 확인할 수 있었다. 또한, 세라믹 다공체를 칼로 이등분한 단면으로 부터 조밀한 기공이 형성됨을 확인할 수 있었다.

실시예 6

17중량% SiO₂ 농도의 물유리 100g에 소수성화된 에어로겔 분말(NEB-217^TM,(주)넵의 소수성 실리카 에어로겔 분말, 밀도 0.05~0.3g/ml, 열전도율 5~30mW/mK, 입자크기 10~100㎛) 50g 및 황토분말((주)코세라, 황토분말, 입도 150mesh) 3g을 첨가하고 교반하면서 혼합하여 소성혼합물을 준비하였다. 상기 소성혼합물을 다양한 크기의 원형구 모양으로 성형하고 200℃에서 30분 동안 소성하여 세라믹 다공체를 제조하였다. 제조된 세라믹 다공체는 비중 0.191g/cm³의 초경량성 및 열전달율 33mW/mk의 매우 뛰어난 단열성을 나타내었다. 또한, 상기 세라믹 다공체는 도 15에 나타낸 바와 같이 물위에 띄워졌으며, 이로부터 소수성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한, 세라믹 다공체를 칼로 이등분한 단면으로 부터 불규칙한 기공이 형성됨을 확인할 수 있었다.

도 1은 저점도 물유리의 세라믹 다공체 사진이며,

도 2는 고점도 물유리의 세라믹 다공체 사진이며,

도 3은 물유리(KS규격 3종)와 유기용매를 혼합한 유기겔을 발포시킨 소성발포체의 사진이며;

도 4는 실시예 1에서 제조된 세라믹 다공체의 사진이며,

도 5는 실시예 1에서 제조된 세라믹 다공체가 소수성임을 보여주는 사진이며,

도 6은 비교예 1에서 제조된 세라믹 다공체의 사진이며,

도 7은 비교예 1에서 제조된 세라믹 다공체의 단면사진이며,

도 8는 비교예 2에서 제조된 세라믹 다공체의 사진이며,

도 9는 비교예 3에서 제조된 세라믹 다공체의 단면사진이며,

도 10은 비교예 4에서 제조된 세라믹 다공체의 단면사진이며,

도 11은 실시예 2에서 제조된 세라믹 다공체의 사진이며,

도 12는 실시예 3에서 제조된 세라믹 다공체가 소수성임을 보여주는 사진이며,

도 13은 실시예 4에서 제조된 세라믹 다공체의 사진이며,

도 14는 실시예 5에서 제조된 세라믹 다공체가 소수성임을 보여주는 사진이며,

도 15는 실시예 6에서 제조된 세라믹 다공체가 소수성임을 보여주는 사진이다.

Claims

물유리와 무기첨가제로서 에어로겔이 2:1 내지 8:1 중량비로 혼합된 소성 혼합물의 소성발포체인 세라믹 다공체.
제 1항에 있어서, 상기 물유리는 KS 규격으로 1종, 2종, 3종 및 4종의 물유리로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 세라믹 다공체.
제 1항에 있어서, 상기 물유리는 SiO₂함량이 7 내지 30중량%임을 특징으로 하는 세라믹 다공체.
제 1항에 있어서, 상기 무기첨가제는 에어로겔외에 황토분말, 마이카, 탈크, 실리카, 규조토, 티타니아, 펄라이트 및 활성탄으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종의 무기재료를 추가로 포함함을 특징으로 하는 세라믹 다공체.
제 4항에 있어서, 상기 무기첨가제는 상기 에어로겔과 상기 무기재료를 1:10 중량비 이하로 포함함을 특징으로 하는 세라믹 다공체.
제 1 내지 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 소성혼합물은 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 아세톤으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 유기용매를 추가로 포함함을 특징으로 하는 세라믹 다공체.
제 6항에 있어서, 상기 유기용매의 양은 무기 첨가제:유기용매의 중량비로 1:2 내지 1:7임을 특징으로 하는 세라믹 다공체.
물유리와 무기첨가제로서 에어로겔을 2:1 내지 8:1 중량비로 혼합하여 소성 혼합물을 준비하는 단계; 및

상기 소성혼합물을 원하는 모양으로 성형하고 120 내지 800℃의 소성온도에서 10 분 내지 2시간동안 소성하는 단계를 포함하는 세라믹 다공체 제조방법.
제 8항에 있어서, 상기 물유리는 KS 규격으로 1종, 2종, 3종 및 4종의 물유리로 구 성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 세라믹 다공체 제조방법.
제 8항에 있어서, 상기 물유리는 SiO₂함량이 7 내지 30중량%임을 특징으로 하는 세라믹 다공체 제조방법.
제 8항에 있어서, 상기 무기첨가제는 에어로겔외에 황토분말, 마이카, 탈크, 티타니아, 실리카, 규조토, 펄라이트 및 활성탄으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종의 무기재료를 추가로 포함함을 특징으로 하는 세라믹 다공체 제조방법.
제 11항에 있어서, 상기 무기첨가제는 상기 에어로겔과 상기 무기재료를 1:10 중량비 이하로 포함함을 특징으로 하는 세라믹 다공체 제조방법.
제 8항 내지 12항중 어느 한항에 있어서, 상기 소성혼합물은 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 아세톤으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 유기용매를 추가로 포함함을 특징으로 하는 세라믹 다공체 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 소성혼합물이 유기용매를 포함하는 경우에, 상기 무기첨가제와 유기용매를 먼저 혼합하고 그 후, 무기첨가제와 유기용매의 혼합물에 물유리를 첨가하여 혼합함을 특징으로 하는 세라믹 다공체 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 유기용매의 양은 무기 첨가제:유기용매의 중량비로 1:2 내지 1:7임을 특징으로 하는 세라믹 다공체 제조방법.
제 8항에 있어서, 상기 소성온도는 120 내지 250℃임을 특징으로 하는 세라믹 다공체 제조방법.