WO2022211353A1 - 에어로겔 복합체 제조방법 및 에어로겔 복합체 - Google Patents

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    • C04B2111/52—Sound-insulating materials

Definitions

  • the present invention claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2021-0043328 filed on April 2, 2021, and includes all contents disclosed in the literature of the Korean patent application as a part of this specification.
  • the present invention relates to a method for manufacturing an airgel composite that can be used as a sound-absorbing material with improved sound absorption, and an airgel composite prepared therefrom.
  • Glass fiber mats or polymer mats which are mainly used as sound-absorbing materials, are widely used as insulation materials due to their excellent insulation and sound-absorbing performance.
  • the glass fiber mat or polymer mat is a mat containing fibers having a diameter of several microns ( ⁇ m) to several tens of microns ( ⁇ m) and macropores in other spaces, heat insulation performance and There is a limit to improving the sound absorption performance.
  • Korean Patent Publication No. 10-1391098 discloses a sound-absorbing sheet made of a non-woven fabric with glass fibers together with cellulose fibers and organic synthetic fibers in order to improve the sound-absorbing performance of the glass fiber mat.
  • the sound-absorbing sheet has an average pore size of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m as large as it is, it is practically difficult to improve the insulation performance, and it is difficult to expect improvement in sound absorption performance for a high frequency region of 2,000 Hz or more, particularly 2,500 Hz or more.
  • the present invention has been devised to solve the problems of the prior art, and it is possible to use as a sound-absorbing material with an improved sound absorption rate, and to provide an airgel composite manufacturing method that can secure even thermal insulation performance, and an airgel composite manufactured therefrom. do it with
  • the present invention provides an airgel composite manufacturing method and an airgel composite prepared therefrom.
  • the present invention is to impregnate the catalyzed silica sol in a fiber mat in a volume ratio of 0.1 to 1:1 (catalyzed silica sol:fiber mat), and to gel the airgel composite comprising the step (S10) provide a way
  • the fiber mat is impregnated with the catalyzed silica sol in a volume ratio of 0.1 to 0.9:1 (catalysed silica sol: fiber mat), It provides a method for producing an airgel composite that is carried out by gelling.
  • the catalyzed silica sol is prepared by mixing a silica precursor, an organic solvent and an aqueous solvent to prepare a silica precursor composition (S1); Preparing a catalyst composition by mixing an organic solvent, a base catalyst, and a hydrophobizing agent (S2); and mixing the silica precursor composition and the catalyst composition to prepare a catalyzed silica sol (S3).
  • the present invention provides a method for producing an airgel composite according to (3), wherein the silica precursor composition prepared in step (S1) has a silica concentration of 10 kg/m 3 to 100 kg/m 3 .
  • the silica concentration of the silica precursor composition prepared in step (S1) is 40 kg/m 3 to 70 kg/m 3
  • Airgel composite manufacturing method provides
  • the method for preparing the airgel complex comprises: aging the wet gel complex gelled in the step (S10) (S20); and drying the wet gel complex aged in the step (S20) to obtain an airgel complex (S30).
  • the present invention provides a method for producing an airgel composite according to (6), wherein the airgel composite obtained in step (S30) includes pores having a pore diameter of 2 nm to 50 nm.
  • the present invention provides an airgel composite manufacturing method according to any one of (1) to (7), wherein the fiber mat is a glass fiber mat.
  • the present invention provides a method for producing an airgel composite according to any one of (1) to (8), wherein the fiber mat includes pores having a pore diameter of 100 ⁇ m to 1,000 ⁇ m.
  • the present invention relates to a fiber mat; And the airgel formed on the inside and surface of the fiber mat, and the sound absorption coefficient measured in the frequency range of 50 Hz to 6,400 Hz using the Impedance Tube P-S40-20 was dataized as a third-one Scripte band and the sound absorption coefficient for each frequency calculated It provides an airgel composite having an overall average sound absorption coefficient of 0.41 or more, which is an average value of .
  • the airgel composite is a third-one Octave band with the sound absorption coefficient measured in the frequency range of 2,500 Hz to 6,400 Hz using the Impedance Tube P-S40-20.
  • an airgel composite having a high-frequency average sound absorption coefficient of 0.35 or more, which is an average value of the sound absorption coefficient of each star.
  • the present invention provides an airgel composite according to (10) or (11), wherein the airgel composite has room temperature thermal conductivity of 30.0 mW/mK or less.
  • the airgel composite prepared by the airgel composite manufacturing method of the present invention has the effect of reducing the macropores of the fiber mat and increasing the mesopores to improve the sound absorption rate and at the same time improve the thermal insulation performance.
  • the airgel composite of the present invention has excellent sound absorption performance and heat insulation performance, and is useful as a sound absorption material.
  • the airgel composite of the present invention is particularly excellent in sound absorption performance in a high frequency region.
  • 1 is a third- It is a graph showing the calculated sound absorption coefficient for each frequency by converting the data into one octave band.
  • the terms 'mesopore' and 'macropore' refer to pores having pore diameters that are distinguished according to IUPAC recommendations, and mesopores mean pores having a pore diameter of 2 nm to 50 nm, and macro Pore means pores having a pore diameter greater than 50 nm.
  • the present invention provides a method for manufacturing an airgel composite.
  • the airgel composite prepared by the airgel composite manufacturing method may be useful as a sound-absorbing material because the sound absorption rate is improved.
  • the airgel composite manufacturing method includes impregnating the catalyzed silica sol in a fiber mat in a volume ratio of 0.1 to 1:1 (catalyzed silica sol: fiber mat), and gelling (S10). ) may be included.
  • the step (S10) is a step for forming an airgel composite, impregnating the fiber mat with the catalyzed silica sol, and gelling it to form an airgel on the inside and the surface of the fiber mat.
  • the "impregnation” may be carried out by injecting a catalyzed silica sol having fluidity into the fiber mat, and at this time, the catalyzed silica sol penetrates into the pores inside the fiber mat.
  • the "gelling" may be carried out by gelation of the catalyzed silica sol impregnated in the fiber mat, and may be carried out by leaving the fiber mat impregnated with the catalyzed silica sol. .
  • the gelation may be performed simultaneously with the impregnation.
  • the step (S10) may be carried out by introducing the catalyzed silica sol and the fiber mat into the reaction vessel, or the catalyst on the fiber mat moving on a conveyor belt according to a roll-to-roll process It may be carried out by adding the fused silica sol.
  • the order of adding the catalyzed silica sol and the fiber mat to the reaction vessel is particularly not limited
  • the impregnation in step (S10) may include a method of introducing a catalyzed silica sol after inputting a fiber mat into the reaction vessel; A method of introducing a fiber mat after introducing the catalyzed silica sol into a reaction vessel; and a method of introducing a fiber mat while injecting the catalyzed silica sol into the reaction vessel.
  • a method of introducing a catalyzed silica sol after introducing a fiber mat may be preferable in terms of inducing more uniform impregnation.
  • the catalyzed silica sol is impregnated into the fiber mat in a volume ratio of 0.1 to 1:1 (catalyzed silica sol: fiber mat). and it may be carried out by gelling.
  • the volume ratio of the catalyzed silica sol impregnated in the fiber mat the mesopores are increased while reducing the macropores of the fiber mat due to the formation of airgel in the fiber mat, improving the sound absorption performance of the airgel composite and At the same time, there is an effect that can improve the thermal insulation performance from the airgel formed on the inside and the surface of the fiber mat.
  • the The catalyzed silica sol may be impregnated into the fiber mat in a volume ratio of 0.1 or more, 0.2 or more, or 0.3 or more, and may be impregnated in a volume ratio of 1.0 or less, 0.9 or less, 0.8 or less, or 0.7 or less.
  • the fiber mat is impregnated with the catalyzed silica sol in a volume ratio of 0.1 to 0.9:1, 0.2 to 0.8, or 0.3 to 0.7 (catalysed silica sol:fiber mat), and gelation is performed.
  • the thermal insulation performance it is possible to secure the thermal insulation performance to a certain level or more compared to the fiber mat, and at the same time to further improve the sound absorption performance at high frequencies.
  • the catalyzed silica sol is prepared by mixing a silica precursor, an organic solvent, and an aqueous solvent to prepare a silica precursor composition (S1); Preparing a catalyst composition by mixing an organic solvent, a base catalyst, and a hydrophobizing agent (S2); and mixing the silica precursor composition and the catalyst composition to prepare a catalyzed silica sol (S3).
  • the silica precursor composition prepared in step (S1) is mixed with the catalyst composition prepared in step (S2), and the catalyzed silica prepared in step (S3) It may be a silica precursor composition for finally producing a silica airgel through the gelation reaction of the sol.
  • the silica precursor of step (S1) is for allowing the airgel produced by gelation by step (S10) to contain silica, and tetramethyl orthosilicate (tetra methyl ortho) silicate; TMOS), tetra ethyl ortho silicate (TEOS), methyl triethyl ortho silicate, dimethyl diethyl ortho silicate, tetrapropyl ortho silicate (tetra propyl ortho silicate), tetra isopropyl ortho silicate, tetra butyl ortho silicate, tetra secondarybutyl ortho silicate, tetra tertbutyl ortho silicate from the group consisting of tetra tertiarybutyl ortho silicate, tetrahexyl ortho silicate, tetra cyclohexyl ortho silicate and tetra dodecyl ortho silicate It may be at least one selected type, and may be a pre-hydrolysate
  • the silica precursor may be prehydrolyzed polyethylsilicate (HTEOS), and the prehydrolyzed polyethylsilicate (HTEOS) is a prehydrolyzed ethyl polysilicate oligomer having a broad molecular weight distribution.
  • HTEOS polyethylsilicate
  • HTEOS prehydrolyzed polyethylsilicate
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • the organic solvent in step (S1) may be alcohol.
  • the alcohol may include monohydric alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol and butanol; Or it may be a polyhydric alcohol such as glycerol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol and sorbitol, any one or a mixture of two or more thereof may be used.
  • it may be a monohydric alcohol having 1 to 6 carbon atoms, such as methanol, ethanol, isopropanol, and butanol, and may be ethanol as a specific example.
  • the aqueous solvent of the step (S1) may be water, a specific example may be distilled water.
  • the silica concentration of the silica precursor composition prepared in step (S1) may be 10 kg/m 3 to 100 kg/m 3 .
  • the silica concentration is a concentration of silica contained in the silica precursor relative to the silica precursor composition, and may be adjusted from the composition of the silica precursor, the organic solvent, and the aqueous solvent.
  • the silica concentration of the silica precursor composition prepared in step (S1) is 20 kg/m 3 to 80 kg/m 3 , 30 kg/m 3 to 70 kg/m 3 , 30 kg/m 3 to 60 kg /m 3 , or 35 kg/m 3 to 45 kg/m 3 may be, and within this range, the macropores of the fiber mat are reduced due to the formation of airgel in the fiber mat, while the mesopores are increased, so that of the airgel composite. At the same time to improve the sound absorption performance, there is an effect that can improve the thermal insulation performance from the airgel formed on the inside and the surface of the fiber mat.
  • step (S1) in order to satisfy the silica concentration of the silica composition precursor prepared in step (S1), the silica precursor, the organic solvent and the aqueous solvent are mixed 1:0.1 to 1.5. It may be carried out by mixing in a weight ratio of: 0.1 to 0.5, 1:0.5 to 1.5:0.1 to 0.4, or 1:0.5 to 1.2:0.1 to 0.3.
  • the catalyst composition prepared in step (S2) is mixed with the silica precursor composition prepared in step (S1), and the catalyzed silica sol prepared in step (S3) It may be a catalyst composition for finally producing a silica airgel by inducing a gelation reaction of
  • the organic solvent in step (S2) may be alcohol.
  • the alcohol may include monohydric alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol and butanol; Or it may be a polyhydric alcohol such as glycerol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol and sorbitol, any one or a mixture of two or more thereof may be used.
  • it may be a monohydric alcohol having 1 to 6 carbon atoms, such as methanol, ethanol, isopropanol, and butanol, and may be ethanol as a specific example.
  • the base catalyst of step (S2) may be a base catalyst that can form pH conditions so that the catalyzed silica sol can be gelled, for example sodium hydroxide, potassium hydroxide inorganic bases such as; or an organic base such as ammonium hydroxide.
  • the organic base is ammonium hydroxide (NH 4 OH), tetramethylammonium hydroxide (TMAH), tetraethylammonium hydroxide (TEAH), tetrapropylammonium hydroxide (TPAH) , tetrabutylammonium hydroxide (TBAH), methylamine, ethylamine, isopropylamine, monoisopropylamine, diethylamine, diisopropylamine, dibutylamine, trimethylamine, triethylamine, triisopropylamine , tributylamine, choline, monoethanolamine, diethanolamine, 2-aminoethanol, 2-(ethyl amino)ethanol, 2-(methyl amino)ethanol, N-methyl diethanolamine, dimethylaminoethanol, diethylamino It may be at least one selected from the group consisting of ethanol, nitrilotriethanol, 2-(2-aminoethyl)ethanol, 2-(2-
  • the hydrophobizing agent in step (S2) may be an alkyl silane compound, and as a specific example, an alkyl group inducing hydrophobization and a '-Si-O-' functional group of the wet gel can react. It may be an alkyl silane compound containing a silane functional group.
  • the hydrophobizing agent is trimethylethoxysilane (TMES), trimethylsilanol (TMS), trimethylchlorosilane (TMCS), methyltrimethoxysilane (methyltrimethoxysilane, MTMS), methyltriethoxysilane ( MTES), dimethyldiethoxysilane (DMDEOS), ethyltriethoxysilane, and phenyltriethoxysilane may be at least one selected from the group consisting of.
  • the alkyl silane compound may participate together in the gelation reaction of the silica precursor as a co-precursor, and thus may hydrophobize the wet gel complex formed by the gelation.
  • the alkyl silane compound may be gelled together with the silica precursor during the gelation of step (S10).
  • the non-gelled alkyl silane compound entrapped in the gel may form an alkyl-Si-O-Si networking upon aging, thereby making the wet gel complex hydrophobic.
  • step (S2) in the step (S2), 1:0.01 to 0.1:0.1 to 0.5, 1:0.02 to 0.08:0.1 to 0.3, or 1:0.04 with the organic solvent, the base catalyst and the hydrophobic agent to 0.06: it may be carried out by mixing in a weight ratio of 0.1 to 0.2.
  • the step (S3) is a step for preparing a catalyzed silica sol that is impregnated and gelled in the fiber mat in the step (S10), and the silica prepared in the step (S1) It may be carried out by mixing the precursor composition and the catalyst composition prepared in step (S2).
  • step (S3) the silica precursor composition and the catalyst composition are mixed in a volume ratio of 1:0.1 to 10.0, 1:0.5 to 5.0, 1:0.7 to 2.0, or 1:0.8 to 1.2 by volume. It can be carried out by mixing.
  • the airgel composite prepared by the impregnation and gelation of step (S10) may be obtained in the form of a gelled wet gel composite including a solvent.
  • the method for preparing the airgel complex includes: aging the wet gel complex gelled in the step (S10) (S20) to obtain a dried airgel complex; and drying the wet gel complex aged in the step (S20) to obtain an airgel complex (S30).
  • the step (S20) is an aging step for allowing the gelled wet gel complex to be left at an appropriate temperature so that the chemical change is completely made. Therefore, it is possible to improve the mechanical stability of the airgel composite.
  • the step (S20) may be carried out by leaving the gelled wet gel complex by itself at an appropriate temperature, and as another example, in the presence of the wet gel blanket complex, sodium hydroxide (NaOH) ), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), triethylamine, a solution obtained by diluting a base catalyst such as pyridine in an organic solvent to a concentration of 1 to 10% may be added.
  • a base catalyst such as pyridine
  • the organic solvent may be the above-described alcohol, and specifically may include ethanol.
  • the step (S20) is at a temperature of 30 °C to 70 °C, 40 °C to 70 °C, or 50 °C to 70 °C for strengthening the pore structure for 1 hour to 30 hours, 10 hours to It may be carried out by leaving it to stand for 30 hours, or 20 hours to 25 hours, and while preventing a decrease in productivity within this range, it is possible to prevent an increase in production cost by preventing the loss of the solvent by evaporation.
  • the step (S20) may be performed in a separate reaction vessel after recovering the gelled wet gel complex, or may be performed inside the reaction vessel in which the step (S10) has been performed. have.
  • the step (S30) is a step of drying the wet gel complex aged in the step (S20) to obtain an airgel complex to obtain a dried airgel complex, and the drying is aging.
  • the drying is aging.
  • it may be carried out by supercritical drying or atmospheric drying.
  • the supercritical drying may be performed using supercritical carbon dioxide.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) is in a gaseous state at room temperature and pressure, but when it exceeds the limits of a certain temperature and high pressure called a supercritical point, the evaporation process does not occur and it becomes a critical state that cannot distinguish between gas and liquid, and this critical state
  • the carbon dioxide in it is called supercritical carbon dioxide.
  • Supercritical carbon dioxide has a molecular density close to that of a liquid, but has a gas-like property due to low viscosity, fast diffusion, high thermal conductivity, high drying efficiency, and shortening of the drying process time.
  • a wet gel complex aged in a supercritical drying reactor is put, carbon dioxide in a liquid state is filled, and a solvent replacement process of replacing an alcohol solvent in the wet gel with carbon dioxide is performed.
  • the pressure above the pressure at which carbon dioxide becomes a supercritical state Specifically, by maintaining a pressure of 100 bar to 150 bar, carbon dioxide (CO 2 ) It is maintained in a supercritical state for a certain time, specifically, for 20 minutes to 1 hour.
  • carbon dioxide becomes supercritical at a temperature of 31 °C and a pressure of 73.8 bar.
  • Carbon dioxide is maintained for 2 hours to 12 hours, more specifically, 2 hours to 6 hours at a constant temperature and constant pressure at which carbon dioxide is in a supercritical state, and then gradually removes the pressure to complete the supercritical drying process to obtain an airgel composite.
  • the solvent such as an organic solvent removed from the wet gel complex through supercritical drying may be separately recovered through a separator connected to the supercritical drying reactor.
  • the atmospheric drying may be carried out according to a conventional method such as hot air drying, infrared drying (IR drying), etc. at a temperature of 70 °C to 200 °C and atmospheric pressure (1 ⁇ 0.3 atm).
  • a conventional method such as hot air drying, infrared drying (IR drying), etc. at a temperature of 70 °C to 200 °C and atmospheric pressure (1 ⁇ 0.3 atm).
  • the airgel composite obtained in step (S30) may include pores having a pore diameter of 2 nm to 50 nm, and specifically, a pore diameter of 2 nm to 50 nm
  • the volume ratio of the pores with may be larger than the pores having a pore diameter of 100 ⁇ m to 1,000 ⁇ m, from which the mesopores are decreased while reducing the macropores of the fiber mat due to the formation of airgel in the fiber mat, thereby absorbing the sound of the airgel composite
  • the fiber mat may be a glass fiber mat that can be used as a sound-absorbing material, and a specific example is formed of fibers or glass fibers having a diameter of more than 1 ⁇ m, and a diameter of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m. It may be a fiber mat, and the fiber mat may include pores between the fibers or glass fibers with a pore diameter of more than 50 nm, specifically, pores having a pore diameter of 100 ⁇ m to 1,000 ⁇ m, that is, macropores. have.
  • the airgel composite manufacturing method of the present invention by forming the airgel composite with respect to a fiber mat that can be used as a sound-absorbing material by itself, specifically, a glass fiber mat, the macropores of the fiber mat are reduced and the mesopores are increased. Thus, it is possible to simultaneously improve sound absorption performance and thermal insulation performance.
  • the present invention provides an airgel composite.
  • the airgel composite may be prepared by the method for preparing the airgel composite, and thus the sound absorption rate is improved, and thus it may be useful as a sound-absorbing material.
  • the airgel composite is a fiber mat; And the airgel formed on the inside and surface of the fiber mat, and the sound absorption coefficient measured in the frequency range of 50 Hz to 6,400 Hz using the Impedance Tube P-S40-20 was dataized as a third-one Octave band and the sound absorption coefficient for each frequency calculated
  • the overall average sound absorption coefficient which is the average value of , may be 0.41 or more.
  • the fiber mat may be the same as the fiber mat described above in the airgel composite manufacturing method, and the airgel may be an airgel formed according to the airgel composite manufacturing method above.
  • the airgel composite has pores having a pore diameter of 100 ⁇ m to 1,000 ⁇ m formed of fiber or glass fiber having a diameter of 1 ⁇ m or more, 1 ⁇ m to 100 ⁇ m derived from a fiber mat.
  • a fiber mat component comprising it could be In this way, if the airgel is formed in the fiber mat to increase the mesopore while reducing the macropore, the average diameter of the overall pores in the fiber mat is reduced to improve the sound absorption performance, and also due to the airgel formed in the fiber mat Thermal insulation performance is also improved.
  • the airgel composite may include pores having a pore diameter of more than 50 nm derived from the fiber mat, specifically, pores having a pore diameter of 100 ⁇ m to 1,000 ⁇ m, that is, macropores. have.
  • the airgel composite may be a pore having a pore diameter of 2 nm to 50 nm, that is, a volume ratio of mesopores having a pore diameter of more than 50 nm, that is, larger than that of macropores, from which the fiber mat
  • the airgel composite is the sound absorption coefficient measured in the frequency range of 50 Hz to 6,400 Hz using the Impedance Tube P-S40-20 into the third-one Octave band.
  • the overall average sound absorption coefficient which is an average value, may be 0.41 or more, 0.41 to 0.60, or 0.43 to 0.54, and it can be seen that the sound absorption performance is excellent within this range.
  • the airgel composite has a sound absorption coefficient of 0.50 or more, 0.51 or more, calculated by data absorption coefficient measured at 2,500 Hz frequency using Impedance Tube P-S40-20 as a third-one rete band, Or it may be 0.59 or more, and may be 1.00 or less, 0.95 or less, or 0.91 or less.
  • the airgel composite may have a sound absorption coefficient of 0.60 or more, 0.65 or more, 0.70 or more, 0.71 or more, or 0.82 or more of the 2,500 Hz frequency from the viewpoint of securing sound absorption performance in the high frequency region.
  • the airgel composite has a sound absorption coefficient of 0.35 or more, 0.39 or more, calculated by dataizing the sound absorption coefficient measured at a frequency of 3,150 Hz using the Impedance Tube P-S40-20 as a third-one rete band. Or it may be 0.41 or more, and may be 1.00 or less, 0.95 or less, 0.90 or less, or 0.89 or less.
  • the airgel composite may have a sound absorption coefficient of 0.47 or more, 0.52 or more, 0.60 or more, 0.70 or more, or 0.77 or more of the 3,150 Hz frequency from the viewpoint of securing sound absorption performance in the high frequency region.
  • the airgel composite has a sound absorption coefficient of 0.28 or more, 0.31 or more, Or it may be 0.36 or more, and may be 1.00 or less, 0.95 or less, 0.90 or less, or 0.87 or less.
  • the airgel composite may have a sound absorption coefficient of the 4,000 Hz frequency of 0.37 or more, 0.40 or more, 0.50 or more, 0.60 or more, or 0.61 or more from the viewpoint of securing sound absorption performance in the high frequency region.
  • the airgel composite has a sound absorption coefficient of 0.25 or more, 0.27 or more, Or it may be 0.35 or more, and may be 1.00 or less, 0.90 or less, 0.80 or less, or 0.79 or less.
  • the airgel composite may have a sound absorption coefficient of 0.52 or more, 0.53 or more, 0.60 or more, 0.67 or more, or 0.69 or more of the 5,000 Hz frequency from the viewpoint of securing sound absorption performance in the high frequency region.
  • the airgel composite has a sound absorption coefficient of 0.25 or more, 0.35 or more, Or it may be 0.36 or more, and may be 1.00 or less, 0.90 or less, 0.80 or less, or 0.74 or less.
  • the airgel composite may have a sound absorption coefficient of 0.43 or more, 0.50 or more, 0.60 or more, 0.62 or more, or 0.68 or more of the 6,300 Hz frequency from the viewpoint of securing sound absorption performance in the high frequency region.
  • the airgel composite is the sound absorption coefficient measured in the frequency range of 2,500 Hz to 6,400 Hz using the Impedance Tube P-S40-20 as a third-one rete band.
  • the average value of the high-frequency average sound absorption coefficient may be 0.35 or more, 0.44 or more, or 0.48 or more, and may be 1.00 or less, 0.95 or less, 0.90 or less, 0.85 or less, or 0.82 or less.
  • the airgel composite may have a high-frequency average sound absorption coefficient of 0.53 or more, 0.60 or more, 0.65 or more, or 0.69 or more from the viewpoint of securing sound absorption performance in the high-frequency region.
  • the airgel composite has excellent sound absorption performance as well as thermal insulation performance, and has room temperature thermal conductivity of 30.0 mW/mK or less, 1.0 mW/mK to 30.0 mW/mK, 10.0 mW/mK to 29.0 It may be mW/mK, or 18.3 mW/mK to 28.8 mW/mK, and it can be seen that thermal insulation performance is sufficiently secured within this range.
  • Prehydrolyzed TEOS (silica content: 20 wt%, HTEOS), ethanol, and distilled water were added to the reactor in a weight ratio of 1:0.9:0.22, respectively, and mixed to prepare a silica precursor composition.
  • the silica concentration in the silica precursor composition was 40 kg/m 3 .
  • ethanol, aqueous ammonia (concentration: 30% by weight) and trimethylethoxysilane (TMES) were added to another reactor in a weight ratio of 1:0.054:0.154, respectively, and mixed to prepare a catalyst composition.
  • a catalyzed silica sol was prepared by mixing the prepared silica precursor composition and the catalyst composition in a volume ratio of 1:1.
  • a glass fiber mat (Hyundai Fiber Co.) containing pores having a pore diameter of 100 ⁇ m to 1,000 ⁇ m was put into the reaction vessel, and the catalyzed silica sol was mixed with the glass fiber mat in a volume ratio of 0.3:1 (catalyst).
  • a wet gel composite was prepared by impregnating with a silica sol: glass fiber mat) and gelling after 10 minutes. Thereafter, the gelled wet gel composite was aged in a chamber at 70° C. for 24 hours. The matured wet gel complex was placed in a 7.2 L supercritical extractor and carbon dioxide (CO 2 ) was injected.
  • Example 1 the catalyzed silica sol was impregnated with a volume ratio of 0.7:1 relative to the volume of the glass fiber mat (catalyzed silica sol: glass fiber mat), and gelled after 10 minutes to prepare a wet gel composite. Except it was carried out in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 a wet gel composite was prepared by impregnating the catalyzed silica sol in a volume ratio of 1:1 (catalyzed silica sol: glass fiber mat) to the volume of the glass fiber mat, and gelling after 10 minutes. Except it was carried out in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 when preparing the silica precursor composition, the TEOS (silica content: 20 wt%, HTEOS), ethanol and distilled water prehydrolyzed in the reactor so that the silica concentration in the silica precursor composition is 50 kg/m 3 by weight was carried out in the same manner as in Example 1, except that the silica precursor composition was prepared by adjusting the TEOS (silica content: 20 wt%, HTEOS), ethanol and distilled water prehydrolyzed in the reactor so that the silica concentration in the silica precursor composition is 50 kg/m 3 by weight was carried out in the same manner as in Example 1, except that the silica precursor composition was prepared by adjusting the TEOS (silica content: 20 wt%, HTEOS), ethanol and distilled water prehydrolyzed in the reactor so that the silica concentration in the silica precursor composition is 50 kg/m 3 by weight was carried out in the same manner as in Example 1, except that the silica precursor composition was prepared by adjusting the
  • Example 4 the catalyzed silica sol was impregnated with a volume ratio of 0.7:1 relative to the volume of the glass fiber mat (catalysed silica sol: glass fiber mat) and gelled after 10 minutes to prepare a wet gel composite. Except it was carried out in the same manner as in Example 4.
  • Example 4 a wet gel composite was prepared by impregnating the catalyzed silica sol in a volume ratio of 1:1 (catalyzed silica sol: glass fiber mat) to the volume of the glass fiber mat, and gelling after 10 minutes. Except it was carried out in the same manner as in Example 4.
  • Example 1 when preparing the silica precursor composition, the TEOS (silica content: 20 wt%, HTEOS), ethanol and distilled water pre-hydrolyzed in the reactor so that the silica concentration in the silica precursor composition is 70 kg/m 3 by weight ratio was carried out in the same manner as in Example 1, except that the silica precursor composition was prepared by adjusting the TEOS (silica content: 20 wt%, HTEOS), ethanol and distilled water pre-hydrolyzed in the reactor so that the silica concentration in the silica precursor composition is 70 kg/m 3 by weight ratio was carried out in the same manner as in Example 1, except that the silica precursor composition was prepared by adjusting the TEOS (silica content: 20 wt%, HTEOS), ethanol and distilled water pre-hydrolyzed in the reactor so that the silica concentration in the silica precursor composition is 70 kg/m 3 by weight ratio was carried out in the same manner as in Example 1, except that the silica precursor composition was
  • Example 7 the catalyzed silica sol was impregnated with a volume ratio of 0.7:1 relative to the volume of the glass fiber mat (catalysed silica sol: glass fiber mat) and gelled after 10 minutes to prepare a wet gel composite. Except it was carried out in the same manner as in Example 7.
  • Example 7 a wet gel composite was prepared by impregnating the catalyzed silica sol in a volume ratio of 1:1 (catalyzed silica sol:glass fiber mat) to the volume of the glass fiber mat, and gelling after 10 minutes. Except it was carried out in the same manner as in Example 7.
  • a glass fiber mat (Hyundai Fiber Co., Ltd.) containing pores having a pore diameter of 100 ⁇ m to 1,000 ⁇ m was used as it was.
  • a specimen was prepared by cutting the airgel composite to 30 cm X 30 cm, and the sound absorption coefficient measured in the frequency range of 50 Hz to 6,400 Hz using Bruel & Kjaer's Impedance Tube P-S40-20 was converted into data as a third-one Octave band, and the sound absorption coefficient for each frequency was calculated. From this, the total average sound absorption coefficient for the total average value and the high frequency average sound absorption coefficient for the average value in the high frequency range (2,500 Hz to 6,300 Hz) were respectively calculated.
  • the airgel composites of Examples 1 to 9 prepared according to the present invention had a higher overall average sound absorption coefficient compared to the glass fiber mat of Comparative Example 1, so the sound absorption performance was improved, and thermal conductivity at room temperature It was confirmed that the insulation performance was excellent.
  • Examples 1, 2, and 4 prepared by impregnating and gelling the catalyzed silica sol in a fiber mat in a volume ratio of 0.3:1 and 0.7:1 (catalyzed silica sol:fiber mat). , 5, 7 and 8, while securing sufficient thermal insulation performance compared to Comparative Example 1, and having the same silica concentration as in each Example, the catalyzed silica sol was added to the fiber mat in a volume ratio of 1:1 (catalysed silica It was confirmed that the sound absorption coefficient for each frequency in the high frequency range and the high frequency average sound absorption coefficient were further improved compared to Examples 3, 6 and 9 prepared by impregnating with sol: fiber mat) and gelling.
  • the airgel composite of the present invention is prepared according to the airgel composite manufacturing method of the present invention, the macropores of the fiber mat are reduced, and the mesopores are increased to improve the sound absorption rate and at the same time, it can be confirmed that the insulation performance is also improved, Accordingly, it was confirmed that the airgel composite of the present invention is useful as a sound-absorbing material because it has excellent sound-absorbing performance and thermal insulation performance.

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Abstract

본 발명은 에어로겔 복합체 제조방법에 관한 것으로, 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.1 내지 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시키는 단계(S10)를 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법 및 이로부터 제조된 에어로겔 복합체에 관한 것이다.

Description

에어로겔 복합체 제조방법 및 에어로겔 복합체
[관련출원과의 상호인용]
본 발명은 2021년 4월 2일에 출원된 한국 특허 출원 제10-2021-0043328호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로서 포함한다.
[기술분야]
본 발명은 흡음률이 향상되어 흡음 소재로 이용할 수 있는 에어로겔 복합체 제조방법 및 이로부터 제조된 에어로겔 복합체에 관한 것이다.
흡음 소재로 주로 사용되는 유리섬유 매트 또는 폴리머 매트는 준수한 단열 성능과 흡음 성능으로 인하여 폭넓게 절연 소재로 사용되고 있다. 그러나, 상기 유리섬유 매트 또는 폴리머 매트는 수 마이크론(㎛) 내지 수십 마이크론(㎛)의 직경을 갖는 섬유와 그 외 공간에 매크로포어를 포함하는 매트이기 때문에, 매트의 두께를 늘리는 방법 이외에는 단열 성능 및 흡음 성능을 향상시키는데 한계가 존재한다.
한국 등록특허공보 제10-1391098호는 유리섬유 매트의 흡음 성능을 향상시키기 위해, 유리섬유를 셀룰로오스 섬유 및 유기합성섬유와 함께 부직포로 제작한 흡음시트를 개시한다. 그러나, 상기 흡음시트는 평균 기공 크기가 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 수준으로 크기 때문에, 단열 성능의 향상은 실질적으로 어려우며, 2,000 Hz 이상, 특히 2,500 Hz 이상의 높은 주파수 영역에 대한 흡음 성능 향상은 기대하기 어렵다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) KR10-1391098B1
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 흡음률이 향상되어 흡음 소재로 이용할 수 있고, 단열 성능까지 확보할 수 있는 에어로겔 복합체 제조방법 및 이로부터 제조된 에어로겔 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 에어로겔 복합체 제조방법 및 이로부터 제조된 에어로겔 복합체를 제공한다.
(1) 본 발명은 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.1 내지 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시키는 단계(S10)를 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(2) 본 발명은 상기 (1)에 있어서, 상기 (S10) 단계는, 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.1 내지 0.9:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시켜 실시되는 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(3) 본 발명은 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 촉매화된 실리카 졸은, 실리카 전구체, 유기 용매 및 수계 용매를 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하는 단계(S1); 유기 용매, 염기 촉매 및 소수화제를 혼합하여 촉매 조성물을 제조하는 단계(S2); 및 실리카 전구체 조성물 및 촉매 조성물을 혼합하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하는 단계(S3)를 포함하여 제조되는 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(4) 본 발명은 상기 (3)에 있어서, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 실리카 전구체 조성물의 실리카 농도는 10 kg/m3 내지 100 kg/m3인 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(5) 본 발명은 상기 (3) 또는 (4)에 있어서, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 실리카 전구체 조성물의 실리카 농도는 40 kg/m3 내지 70 kg/m3인 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(6) 본 발명은 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 에어로겔 복합체 제조방법은, 상기 (S10) 단계에서 겔화된 습윤겔 복합체를 숙성시키는 단계(S20); 및 상기 (S20) 단계에서 숙성된 습윤겔 복합체를 건조시켜 에어로겔 복합체를 수득하는 단계(S30)를 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(7) 본 발명은 상기 (6)에 있어서, 상기 (S30) 단계에서 수득된 에어로겔 복합체는 2 nm 내지 50 nm의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(8) 본 발명은 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 섬유 매트는 유리섬유 매트인 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(9) 본 발명은 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 섬유 매트는 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다.
(10) 본 발명은 섬유 매트; 및 섬유 매트의 내부 및 표면에 형성된 에어로겔을 포함하고, Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 50 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 주파수별 흡음계수의 평균 값인 전체 평균 흡음계수가 0.41 이상인 에어로겔 복합체를 제공한다.
(11) 본 발명은 상기 (10)에 있어서, 상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 2,500 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 주파수별 흡음계수의 평균 값인 고주파수 평균 흡음계수가 0.35 이상인 에어로겔 복합체를 제공한다.
(12) 본 발명은 상기 (10) 또는 (11)에 있어서, 상기 에어로겔 복합체는 상온 열전도도가 30.0 mW/mK 이하인 에어로겔 복합체를 제공한다.
본 발명의 에어로겔 복합체 제조방법에 의해 제조된 에어로겔 복합체는 섬유 매트의 매크로포어가 감소되고, 메조포어가 증가되어 흡음률이 향상됨과 동시에, 단열 성능도 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 에어로겔 복합체는 흡음 성능 및 단열 성능이 우수하여, 흡음 소재로서 유용하다.
또한, 본 발명의 에어로겔 복합체는 고주파수 영역에서의 흡음 성능이 특히 우수하다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조된 에어로겔 복합체 및 비교예 1의 유리섬유 매트에 대하여 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 50 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 주파수별 흡음계수를 계산하고, 계산된 주파수별 흡음계수를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 용어 '메조포어' 및 '매크로포어'는 IUPAC 권장사항에 따라 구분되는 기공 직경을 갖는 기공을 의미하는 것으로, 메조포어는 2 nm 내지 50 nm의 기공 직경을 갖는 기공을 의미하고, 매크로포어는 50 nm 초과의 기공 직경을 갖는 기공을 의미한다.
본 발명은 에어로겔 복합체 제조방법을 제공한다. 상기 에어로겔 복합체 제조방법에 의해 제조된 에어로겔 복합체는 흡음률이 향상되어 흡음 소재로 유용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체 제조방법은 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.1 내지 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시키는 단계(S10)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 에어로겔 복합체를 형성하기 위한 단계로서, 섬유 매트에 촉매화된 실리카 졸을 함침시키고, 겔화시켜 섬유 매트의 내부 및 표면에 에어로겔을 형성하기 위한 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 "함침"은 섬유 매트에 유동성이 있는 촉매화된 실리카 졸을 투입하여 실시될 수 있고, 이 때 섬유 매트 내부의 기공에 촉매화된 실리카 졸이 침투하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 "겔화"는 섬유 매트에 함침된 촉매화된 실리카 졸의 겔화에 의해 실시될 수 있고, 촉매화된 실리카 졸이 함침된 섬유 매트를 방치하여 실시될 수 있다. 상기 겔화는 상기 함침과 동시에 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 반응 용기에 촉매화된 실리카 졸 및 섬유 매트를 투입하여 실시될 수 있고, 또는 롤투롤 공정에 따라 컨베이어 벨트에서 이동하는 섬유 매트 상에 촉매화된 실리카 졸을 투입하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계가 반응 용기에 촉매화된 실리카 졸 및 섬유 매트를 투입하여 실시되는 경우, 반응 용기에 촉매화된 실리카 졸 및 섬유 매트를 투입하는 순서는 특별히 제한되지 않는다. 구체적인 예로, 상기 (S10) 단계의 함침은 반응 용기에 섬유 매트를 투입한 후 촉매화된 실리카 졸을 투입하는 방법; 반응 용기에 촉매화된 실리카 졸을 투입한 후 섬유 매트를 투입하는 방법; 및 반응 용기에 촉매화된 실리카 졸을 투입하면서 섬유 매트를 투입하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 투입되는 것일 수 있다. 이 중에서도 더욱 균일한 함침을 유도하는 측면에서 섬유 매트를 투입한 후 촉매화된 실리카 졸을 투입하는 방법이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는, 앞서 기재한 바와 같이, 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.1 내지 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시켜 실시되는 것일 수 있다. 이와 같이, 섬유 매트에 함침되는 촉매화된 실리카 졸의 부피비를 조절함으로써, 섬유 매트 내에 에어로겔의 형성으로 인해 섬유 매트의 매크로포어를 감소시키면서 메조포어를 증가시켜, 에어로겔 복합체의 흡음 성능을 향상시킴과 동시에, 섬유 매트의 내부 및 표면에 형성된 에어로겔로부터 단열 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 섬유 매트 대비 단열 성능을 일정 수준 이상 향상시키면서도, 흡음 성능, 특히 고주파수(High frequency, 2,500 Hz 이상을 의미) 영역에서의 흡음 성능을 더욱 개선하기 위한 관점에서, 상기 촉매화된 실리카 졸은 섬유 매트에 0.1 이상, 0.2 이상, 또는 0.3 이상의 부피비로 함침시킬 수 있고, 1.0 이하, 0.9 이하, 0.8 이하, 또는 0.7 이하의 부피비로 함침시킬 수 있다. 구체적인 예로, 상기 (S10) 단계는, 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.1 내지 0.9:1, 0.2 내지 0.8, 또는 0.3 내지 0.7의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시켜 실시되는 것일 수 있고, 이 경우, 섬유 매트 대비 단열 성능을 일정 수준 이상으로 확보함과 동시에, 고주파수에서의 흡음 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매화된 실리카 졸은, 실리카 전구체, 유기 용매 및 수계 용매를 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하는 단계(S1); 유기 용매, 염기 촉매 및 소수화제를 혼합하여 촉매 조성물을 제조하는 단계(S2); 및 실리카 전구체 조성물 및 촉매 조성물을 혼합하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하는 단계(S3)를 포함하여 제조되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 실리카 전구체 조성물은, 상기 (S2) 단계에서 제조되는 촉매 조성물과의 혼합에 의해, 상기 (S3) 단계에서 제조되는 촉매화된 실리카 졸의 겔화 반응을 통해 최종적으로 실리카 에어로겔을 제조하기 위한 실리카 전구체 조성물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S1) 단계의 실리카 전구체는 상기 (S10) 단계에 의해 겔화되어 제조되는 에어로겔이 실리카를 함유할 수 있도록 하기 위한 것으로, 테트라메틸오르소실리케이트(tetra methyl ortho silicate; TMOS), 테트라에틸오르소실리케이트(tetra ethyl ortho silicate; TEOS), 메틸트리에틸오르소실리케이트(methyl triethyl ortho silicate), 디메틸 디에틸오르소실리케이트(dimethyl diethyl ortho silicate), 테트라프로필오르소실리케이트(tetra propyl ortho silicate), 테트라이소프로필오르소실리케이트(tetra isopropyl ortho silicate), 테트라부틸오르소실리케이트(tetra butyl ortho silicate), 테트라세컨더리부틸오르소실리케이트(tetra secondarybutyl ortho silicate), 테트라터셔리부틸오르소실리케이트(tetra tertiarybutyl ortho silicate), 테트라헥실오르소실리케이트(tetr ahexyl ortho silicate), 테트라시클로헥실오르소실리케이트(tetra cyclohexyl ortho silicate) 및 테트라도데실오르소실리케이트(tetra dodecyl ortho silicate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 상기 화합물들의 전가수분해물(pre-hydrolysate)일 수 있다. 여기서, 상기 전가수분해물을 사용하는 경우, 산의 첨가가 불필요하며, 실리카 전구체의 가수분해 공정을 단축 또는 생략할 수 있고, 표면개질 효과를 촉진시킬 수 있다. 구체적인 예로, 상기 실리카 전구체는 전가수분해된 폴리에틸실리케이트(HTEOS)일 수 있고, 상기 전가수분해된 폴리에틸실리케이트(HTEOS)는 넓은 분자량 분포를 가지는 전가수분해된 에틸 폴리실리케이트 올리고머로서, 전가수분해 정도(수화도)를 달리하여 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS)로부터 올리고머 형태로 합성할 때 겔화 시간 등의 물성을 조절해 줄 수 있기 때문에 사용자의 반응 조건에 맞추어 쉽게 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S1) 단계의 유기 용매는 알코올일 수 있다. 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올 등과 같은 1가 알코올; 또는 글리세롤, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 및 솔비톨 등과 같은 다가 알코올일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이 중에서도 수계 용매 및 에어로겔과의 혼화성을 고려할 때 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올 등과 같은 탄소수 1 내지 6의 1가 알코올일 수 있고, 구체적인 예로 에탄올일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S1) 단계의 수계 용매는 물일 수 있고, 구체적인 예로 증류수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 실리카 전구체 조성물의 실리카 농도는 10 kg/m3 내지 100 kg/m3인 것일 수 있다. 상기 실리카 농도는 실리카 전구체에 포함된 실리카의 실리카 전구체 조성물에 대한 농도로서, 실리카 전구체, 유기 용매 및 수계 용매의 조성으로부터 조절될 수 있다. 구체적인 예로, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 실리카 전구체 조성물의 실리카 농도는 20 kg/m3 내지 80 kg/m3, 30 kg/m3 내지 70 kg/m3, 30 kg/m3 내지 60 kg/m3, 또는 35 kg/m3 내지 45 kg/m3인 것일 수 있고, 이 범위 내에서 섬유 매트 내에 에어로겔의 형성으로 인해 섬유 매트의 매크로포어를 감소시키면서 메조포어를 증가시켜, 에어로겔 복합체의 흡음 성능을 향상시킴과 동시에, 섬유 매트의 내부 및 표면에 형성된 에어로겔로부터 단열 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S1) 단계는, (S1) 단계에 의해 제조되는 실리카 조성물 전구체의 실리카 농도를 만족하기 위해, 상기 실리카 전구체, 유기 용매 및 수계 용매를 1:0.1 내지 1.5:0.1 내지 0.5, 1:0.5 내지 1.5:0.1 내지 0.4, 또는 1:0.5 내지 1.2:0.1 내지 0.3의 중량비로 혼합하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S2) 단계에서 제조되는 촉매 조성물은 상기 (S1) 단계에서 제조되는 실리카 전구체 조성물과의 혼합에 의해, 상기 (S3) 단계에서 제조되는 촉매화된 실리카 졸의 겔화 반응을 유도하여 최종적으로 실리카 에어로겔을 제조하기 위한 촉매 조성물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S2) 단계의 유기 용매는 알코올일 수 있다. 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올 등과 같은 1가 알코올; 또는 글리세롤, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 및 솔비톨 등과 같은 다가 알코올일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이 중에서도 수계 용매 및 에어로겔과의 혼화성을 고려할 때 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올 등과 같은 탄소수 1 내지 6의 1가 알코올일 수 있고, 구체적인 예로 에탄올일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S2) 단계의 염기 촉매는 촉매화된 실리카 졸의 겔화가 이루어질 수 있도록 pH 조건을 형성할 수 있게 하는 염기 촉매일 수 있고, 일예로 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 무기 염기; 또는 수산화암모늄과 같은 유기 염기를 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 염기는 수산화암모늄(NH4OH), 테트라메틸암모늄 히드록시드(TMAH), 테트라에틸암모늄 히드록시드(TEAH), 테트라프로필암모늄 히드록시드(TPAH), 테트라부틸암모늄 히드록시드(TBAH), 메틸아민, 에틸아민, 이소프로필아민, 모노이소프로필아민, 디에틸아민, 디이소프로필아민, 디부틸아민, 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리이소프로필아민, 트리부틸아민, 콜린, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 2-아미노에탄올, 2-(에틸 아미노)에탄올, 2-(메틸 아미노)에탄올, N-메틸 디에탄올아민, 디메틸아미노에탄올, 디에틸아미노에탄올, 니트릴로트리에탄올, 2-(2-아미노에톡시)에탄올, 1-아미노-2-프로판올, 트리에탄올아민, 모노프로판올아민 및 디부탄올아민 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 구체적인 예로, 상기 수산화암모늄(암모니아수; NH4OH)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S2) 단계의 소수화제는 알킬 실란 화합물일 수 있고, 구체적인 예로 소수화를 유도하는 알킬기와, 습윤겔의 '-Si-O-' 작용기와 반응할 수 있는 실란 작용기를 포함하는 알킬 실란 화합물일 수 있다. 더욱 구체적인 예로 상기 소수화제는 트리메틸에톡시실란(trimethylethoxysilane, TMES), 트리메틸실라놀(TMS), 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane, TMCS), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane, MTMS), 메틸트리에톡시실란(MTES), 디메틸디에톡시실란(DMDEOS), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane) 및 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 알킬 실란 화합물은 공동 전구체(co-precursor)로서 상기 실리카 전구체의 겔화 반응에 함께 참여할 수 있고, 이에 따라, 겔화에 의해 형성된 습윤겔 복합체를 소수화시킬 수 있다. 즉, 알킬 실란 화합물은 상기 (S10) 단계의 겔화 시, 실리카 전구체와 함께 겔화될 수 있다. 또한, 겔화되지 않고 겔 안에 갖힌 알킬 실란 화합물은 숙성 시, 알킬-Si-O-Si 네트워킹을 형성하여 습윤겔 복합체를 소수화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S2) 단계는, 상기 유기 용매, 염기 촉매 및 소수화제를 1:0.01 내지 0.1:0.1 내지 0.5, 1:0.02 내지 0.08:0.1 내지 0.3, 또는 1:0.04 내지 0.06:0.1 내지 0.2의 중량비로 혼합하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S3) 단계는, 상기 (S10) 단계에서 섬유 매트에 함침 및 겔화되는 촉매화된 실리카 졸을 제조하기 위한 단계로서, 상기 (S1) 단계에서 제조된 실리카 전구체 조성물 및 상기 (S2) 단계에서 제조된 촉매 조성물을 혼합하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S3) 단계는, 실리카 전구체 조성물 및 촉매 조성물을 1:0.1 내지 10.0, 1:0.5 내지 5.0, 1:0.7 내지 2.0, 또는 1:0.8 내지 1.2의 부피비로 혼합하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계의 함침 및 겔화에 의해 제조된 에어로겔 복합체는 용매를 포함하는 겔화된 습윤겔 복합체의 형태로서 수득될 수 있다. 이에 따라, 상기 에어로겔 복합체 제조방법은 건조된 에어로겔 복합체를 수득하기 위해, 상기 (S10) 단계에서 겔화된 습윤겔 복합체를 숙성시키는 단계(S20); 및 상기 (S20) 단계에서 숙성된 습윤겔 복합체를 건조시켜 에어로겔 복합체를 수득하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 겔화된 습윤겔 복합체를 적정 온도에서 방치하여 화학적 변화가 완전히 이루어지도록 하기 위한 숙성 단계로서, 겔화에 의해 형성된 망상구조를 더욱 견고하게 형성시킬 수 있어, 에어로겔 복합체의 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 상기 겔화된 습윤겔 복합체를 그 자체로 적정 온도에서 방치하여 실시될 수 있고, 다른 예로 상기 습윤겔 블랭킷 복합체의 존재 하에, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 트리에틸아민, 피리딘 등의 염기 촉매를 유기 용매에 1 내지 10 % 농도로 희석시킨 용액을 첨가하여 실시될 수 있다. 이러한 경우, 에어로겔 내에 Si-O-Si bonding 을 최대한으로 유도하여 실리카겔의 망상 구조를 더욱 견고하게 만들어 이후 수행될 건조 공정에서 기공 구조의 유지를 더욱 용이하게 하는 효과가 있다. 이 때 유기 용매는 전술한 알코올일 수 있으며, 구체적으로는 에탄올을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 기공 구조 강화를 위해 30 ℃ 내지 70 ℃, 40 ℃ 내지 70 ℃, 또는 50 ℃ 내지 70 ℃의 온도에서 1 시간 내지 30 시간, 10 시간 내지 30 시간, 또는 20 시간 내지 25 시간 동안 방치시켜 실시될 수 있고, 이 범위 내에서 생산성의 저하를 방지하면서도, 증발에 의한 용매의 손실을 방지하여 생산 비용의 증가를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 겔화된 습윤겔 복합체를 회수한 후 별도의 반응 용기에서 수행할 수도 있고, 또는 상기 (S10) 단계가 실시된 반응 용기 내부에서 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 건조된 에어로겔 복합체를 수득하기 위해, 상기 (S20) 단계에서 숙성된 습윤겔 복합체를 건조시켜 에어로겔 복합체를 수득하는 단계로서, 상기 건조는 숙성된 겔의 기공 구조를 그대로 유지하면서 용매를 제거하기 위해, 초임계 건조 또는 상압 건조에 의해 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초임계 건조는 초임계 이산화탄소를 이용하여 실시될 수 있다. 이산화탄소(CO2)는 상온 및 상압에서는 기체 상태이지만 임계점(supercritical point)이라고 불리는 일정한 온도 및 고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는 임계 상태가 되며, 이 임계 상태에 있는 이산화탄소를 초임계 이산화탄소라고 한다. 초임계 이산화탄소는 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가지며, 확산이 빠르고 열전도성이 높아 건조 효율이 높고, 건조 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 상기 초임계 건조는 초임계 건조 반응기 안에 숙성된 습윤겔 복합체를 투입하고, 액체 상태의 이산화탄소를 채우고, 습윤겔 내부의 알코올 용매를 이산화탄소로 치환하는 용매치환 공정을 실시한다. 이 후에 0.1 ℃/min 내지 1 ℃/min의 승온 속도로, 40 ℃내지 80 ℃, 50 ℃ 내지 80 ℃, 또는 60 ℃ 내지 80 ℃로 승온시킨 후, 이산화탄소가 초임계 상태가 되는 압력 이상의 압력, 구체적으로는 100 bar 내지 150 bar의 압력을 유지하여 이산화탄소(CO2)의 초임계 상태에서 일정 시간, 구체적으로는 20 분 내지 1 시간 동안 유지한다. 일반적으로 이산화탄소는 31 ℃의 온도, 73.8 bar의 압력에서 초임계 상태가 된다. 이산화탄소가 초임계 상태가 되는 일정 온도 및 일정 압력에서 2 시간 내지 12 시간, 보다 구체적으로는 2 시간 내지 6 시간 동안 유지한 다음, 서서히 압력을 제거하여 초임계 건조 공정을 완료하여 에어로겔 복합체를 수득할 수 있다. 이 때, 초임계 건조를 통해 습윤겔 복합체로부터 제거된 유기 용매 등의 용매는 초임계 건조 반응기와 연결된 분리기를 통해 별도로 회수될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상압 건조는 70 ℃ 내지 200 ℃ 온도 및 상압(1±0.3 atm) 하에서 열풍 건조, 적외선 건조(IR drying) 등의 통상의 방법에 따라 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계에서 수득된 에어로겔 복합체는 2 nm 내지 50 nm의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 것일 수 있고, 구체적인 예로, 2 nm 내지 50 nm의 기공 직경을 갖는 기공의 부피비가 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공 보다 큰 것일 수 있으며, 이로부터 섬유 매트 내에 에어로겔의 형성으로 인해 섬유 매트의 매크로포어를 감소시키면서 메조포어를 증가시켜, 에어로겔 복합체의 흡음 성능을 향상시킴과 동시에, 섬유 매트의 내부 및 표면에 형성된 에어로겔로부터 단열 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상기 섬유 매트는 흡음 소재로 사용될 수 있는 유리섬유 매트일 수 있고, 구체적인 예로 1 ㎛ 초과의 직경, 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 직경을 갖는 섬유 또는 유리섬유로 형성된 섬유 매트일 수 있고, 또한 상기 섬유 매트는 상기 섬유 또는 유리섬유 사이에 50 nm 초과의 기공 직경, 구체적인 예로 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공을 갖는 기공, 즉 매크로포어를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 에어로겔 복합체 제조방법에 따르면, 상기와 같이 그 자체로서 흡음 소재로 사용될 수 있는 섬유 매트, 구체적으로 유리섬유 매트에 대하여 에어로겔 복합체를 형성함으로써, 섬유 매트의 매크로포어를 감소시키면서 메조포어를 증가시켜, 흡음 성능 및 단열 성능을 동시에 향상시킬 수 있다.
본 발명은 에어로겔 복합체를 제공한다. 상기 에어로겔 복합체는 상기 에어로겔 복합체 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있고, 이에 따라 흡음률이 향상되어 흡음 소재로 유용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 섬유 매트; 및 섬유 매트의 내부 및 표면에 형성된 에어로겔을 포함하고, Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 50 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 주파수별 흡음계수의 평균 값인 전체 평균 흡음계수가 0.41 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유 매트는 앞서 에어로겔 복합체 제조방법에서 기재한 섬유 매트와 동일한 것일 수 있고, 상기 에어로겔은 앞서 에어로겔 복합체 제조방법에 따라 형성된 에어로겔일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 섬유 매트로부터 유래된 1 ㎛ 초과의 직경, 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 직경을 갖는 섬유 또는 유리섬유로 형성된 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 섬유 매트 성분과, 섬유 매트 내 매크로포어, 구체적인 예로 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공에 에어로겔이 형성되어 메조포어가된 2 nm 내지 50 nm의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 것일 수 있다. 이와 같이, 섬유 매트 내 에어로겔을 형성하여, 매크로포어를 감소시키면서 메조포어를 증가시키면, 섬유 매트 내 전체적인 기공의 평균 직경이 감소하여 흡음 성능을 향상시킬 수 있고, 또한, 섬유 매트 내 형성된 에어로겔로 인하여 단열 성능도 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 섬유 매트에서 유래된 50 nm 초과의 기공 직경을 갖는 기공, 구체적인 예로 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공, 즉 매크로포어를 일부 포함할 수 있다. 다만, 이 경우에도 상기 에어로겔 복합체는 2 nm 내지 50 nm의 기공 직경을 갖는 기공, 즉 메조포어의 부피비가 50 nm 초과의 기공 직경을 갖는 기공, 즉 매크로포어 보다 큰 것일 수 있고, 이로부터 섬유 매트 내에 에어로겔의 형성으로 인해 섬유 매트의 매크로포어를 감소시키면서 메조포어를 증가시켜, 에어로겔 복합체의 흡음 성능을 향상시킴과 동시에, 섬유 매트의 내부 및 표면에 형성된 에어로겔로부터 단열 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 50 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 주파수별 흡음계수의 평균 값인 전체 평균 흡음계수가 0.41 이상, 0.41 내지 0.60, 또는 0.43 내지 0.54일 수 있고, 이 범위 내에서 흡음 성능이 우수한 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 2,500 Hz 주파수에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 흡음계수가 0.50 이상, 0.51 이상, 또는 0.59 이상인 것일 수 있고, 또한, 1.00 이하, 0.95 이하, 또는 0.91 이하인 것일 수 있다. 또한, 상기 에어로겔 복합체는 고주파수 영역에서의 흡음 성능을 확보하는 관점에서, 상기 2,500 Hz 주파수의 흡음계수가 0.60 이상, 0.65 이상, 0.70 이상, 0.71 이상, 또는 0.82 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 3,150 Hz 주파수에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 흡음계수가 0.35 이상, 0.39 이상, 또는 0.41 이상인 것일 수 있고, 또한, 1.00 이하, 0.95 이하, 0.90 이하 또는 0.89 이하인 것일 수 있다. 또한, 상기 에어로겔 복합체는 고주파수 영역에서의 흡음 성능을 확보하는 관점에서, 상기 3,150 Hz 주파수의 흡음계수가 0.47 이상, 0.52 이상, 0.60 이상, 0.70 이상, 또는 0.77 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 4,000 Hz 주파수에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 흡음계수가 0.28 이상, 0.31 이상, 또는 0.36 이상인 것일 수 있고, 또한, 1.00 이하, 0.95 이하, 0.90 이하 또는 0.87 이하인 것일 수 있다. 또한, 상기 에어로겔 복합체는 고주파수 영역에서의 흡음 성능을 확보하는 관점에서, 상기 4,000 Hz 주파수의 흡음계수가 0.37 이상, 0.40 이상, 0.50 이상, 0.60 이상, 또는 0.61 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 5,000 Hz 주파수에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 흡음계수가 0.25 이상, 0.27 이상, 또는 0.35 이상인 것일 수 있고, 또한, 1.00 이하, 0.90 이하, 0.80 이하 또는 0.79 이하인 것일 수 있다. 또한, 상기 에어로겔 복합체는 고주파수 영역에서의 흡음 성능을 확보하는 관점에서, 상기 5,000 Hz 주파수의 흡음계수가 0.52 이상, 0.53 이상, 0.60 이상, 0.67 이상, 또는 0.69 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 6,300 Hz 주파수에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 흡음계수가 0.25 이상, 0.35 이상, 또는 0.36 이상인 것일 수 있고, 또한, 1.00 이하, 0.90 이하, 0.80 이하 또는 0.74 이하인 것일 수 있다. 또한, 상기 에어로겔 복합체는 고주파수 영역에서의 흡음 성능을 확보하는 관점에서, 상기 6,300 Hz 주파수의 흡음계수가 0.43 이상, 0.50 이상, 0.60 이상, 0.62 이상, 또는 0.68 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 2,500 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 주파수별 흡음계수의 평균 값인 고주파수 평균 흡음계수가 0.35 이상, 0.44 이상, 또는 0.48 이상인 것일 수 있고, 또한, 1.00 이하, 0.95 이하, 0.90 이하, 0.85 이하, 또는 0.82 이하인 것일 수 있다. 또한, 상기 에어로겔 복합체는 고주파수 영역에서의 흡음 성능을 확보하는 관점에서, 상기 고주파수 평균 흡음계수가 0.53 이상, 0.60 이상, 0.65 이상, 또는 0.69 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에어로겔 복합체는 흡음 성능뿐만 아니라, 단열 성능도 우수한 것으로, 상온 열전도도가 30.0 mW/mK 이하, 1.0 mW/mK 내지 30.0 mW/mK, 10.0 mW/mK 내지 29.0 mW/mK, 또는 18.3 mW/mK 내지 28.8 mW/mK인 것일 수 있으며, 이 범위 내에서 단열 성능이 충분히 확보된 것으로 볼 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
실시예 1
반응기에 전가수분해된 TEOS(실리카 함량: 20 중량%, HTEOS), 에탄올 및 증류수를 1:0.9:0.22의 중량비로 각각 첨가하고 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하였다. 이 때, 실리카 전구체 조성물 내 실리카 농도는 40 kg/m3이었다. 이와 동시에, 다른 반응기에 에탄올, 암모니아수(농도: 30 중량%) 및 트리메틸에톡시실란(TMES)를 1:0.054:0.154의 중량비로 각각 첨가하고 혼합하여 촉매 조성물을 제조하였다. 상기 제조된 실리카 전구체 조성물과 촉매 조성물을 1:1의 부피비로 혼합하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하였다.
이어서, 반응 용기에 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 유리섬유 매트(현대화이바社)를 투입하고, 상기 촉매화된 실리카 졸을 유리섬유 매트 부피 대비 0.3:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:유리섬유 매트)로 함침시키고, 10 분 후 겔화시켜 습윤겔 복합체를 제조하였다. 이 후, 상기 겔화된 습윤겔 복합체를 70 ℃의 챔버에서 24 시간 동안 방치하여 숙성시켰다. 숙성이 완료된 습윤겔 복합체를 7.2 L 초임계 추출기(extractor)에 넣고 이산화탄소(CO2)를 주입하였다. 이후 추출기 내의 온도를 75 ℃로 승온하고, 75 ℃, 150 bar 도달 시 20 분간 0.5 L/min의 속도로 이산화탄소를 주입 및 배출하고, 20 분간 이산화탄소 주입을 멈춘 상태로 유지 시키는 과정을 4 회 반복하였다. 이산화탄소 주입 및 배출 시에 분리기 하단을 통해 에탄올을 회수하였다. 이 후, 2 시간 동안에 걸쳐 이산화탄소를 배출(venting)하였다. 초임계 건조가 완료된 후, 건조가 완료된 에어로겔 복합체를 수득하였다
실시예 2
상기 실시예 1에서, 상기 촉매화된 실리카 졸을 유리섬유 매트 부피 대비 0.7:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:유리섬유 매트)로 함침시키고, 10 분 후 겔화시켜 습윤겔 복합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서, 상기 촉매화된 실리카 졸을 유리섬유 매트 부피 대비 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:유리섬유 매트)로 함침시키고, 10 분 후 겔화시켜 습윤겔 복합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서, 실리카 전구체 조성물 제조 시, 실리카 전구체 조성물 내 실리카 농도가 50 kg/m3이 되도록, 반응기에 전가수분해된 TEOS(실리카 함량: 20 중량%, HTEOS), 에탄올 및 증류수의 중량비를 조절하여 실리카 전구체 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 5
상기 실시예 4에서, 상기 촉매화된 실리카 졸을 유리섬유 매트 부피 대비 0.7:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:유리섬유 매트)로 함침시키고, 10 분 후 겔화시켜 습윤겔 복합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 6
상기 실시예 4에서, 상기 촉매화된 실리카 졸을 유리섬유 매트 부피 대비 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:유리섬유 매트)로 함침시키고, 10 분 후 겔화시켜 습윤겔 복합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 7
상기 실시예 1에서, 실리카 전구체 조성물 제조 시, 실리카 전구체 조성물 내 실리카 농도가 70 kg/m3이 되도록, 반응기에 전가수분해된 TEOS(실리카 함량: 20 중량%, HTEOS), 에탄올 및 증류수의 중량비를 조절하여 실리카 전구체 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 8
상기 실시예 7에서, 상기 촉매화된 실리카 졸을 유리섬유 매트 부피 대비 0.7:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:유리섬유 매트)로 함침시키고, 10 분 후 겔화시켜 습윤겔 복합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 9
상기 실시예 7에서, 상기 촉매화된 실리카 졸을 유리섬유 매트 부피 대비 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:유리섬유 매트)로 함침시키고, 10 분 후 겔화시켜 습윤겔 복합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일한 방법으로 실시하였다.
비교예 1
100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 유리섬유 매트(현대화이바社)를 그대로 사용하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 9 및 비교예 1에서 제조된 에어로겔 복합체 또는 유리섬유 매트에 대하여, 주파수별 흡음계수, 평균 흡음계수 및 상온 열전도도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
* 주파수별 흡음계수 및 평균 흡음계수: 에어로겔 복합체를 30 cm X 30 cm로 재단하여 시편을 제조하고, Bruel&Kjaer 社의 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 50 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화 하여 주파수별 흡음계수를 계산하였다. 이로부터 전체 평균값에 대한 전체 평균 흡음계수와, 고주파수 범위(2,500 Hz 내지 6,300 Hz)에서의 평균값에 대한 고주파수 평균 흡음계수를 각각 계산하였다.
또한, 실시예 1 내지 3에서 제조된 에어로겔 복합체 및 비교예 1의 유리섬유 매트에 대하여 상기 계산된 주파수별 흡음계수를 그래프에 도시하여 도 1에 나타내었다.
* 상온(23±5 ℃) 열전도도(mW/mK): 에어로겔 복합체 또는 유리섬유 매트를 30 cm X 30 cm 로 재단하여 시편을 제조하고, NETZSCH社의 HFM 436 Lambda장비를 이용하여 상온(23±5 ℃) 열전도도를 측정하였다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
전체 평균 흡음계수 0.45 0.54 0.43 0.49 0.46 0.46 0.50 0.47 0.50 0.40
고주파수 흡음계수 2,500 Hz 0.82 0.91 0.59 0.90 0.71 0.50 0.91 0.65 0.51 0.58
3,150 Hz 0.89 0.77 0.41 0.89 0.52 0.35 0.88 0.47 0.39 0.46
4,000 Hz 0.87 0.61 0.31 0.79 0.40 0.28 0.77 0.37 0.36 0.42
5,000 Hz 0.79 0.52 0.27 0.69 0.35 0.25 0.67 0.32 0.53 0.55
6,300 Hz 0.74 0.62 0.25 0.68 0.43 0.35 0.71 0.43 0.36 0.61
고주파수 평균 0.82 0.69 0.36 0.79 0.48 0.35 0.79 0.44 0.43 0.52
상온 열전도도
(mW/mK)		 28.2 19.3 18.3 27.5 20.2 18.5 28.8 20.3 19.5 32.2
상기 표 1과, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1 내지 9의 에어로겔 복합체는 비교예 1의 유리섬유 매트 대비 전체 평균 흡음계수가 높아 흡음 성능이 향상되었고, 상온 열전도도가 낮아 단열 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
특히, 에어로겔 복합체 제조 시, 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.3:1 및 0.7:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시켜 제조한 실시예 1, 2, 4, 5, 7 및 8의 경우, 비교예 1 대비 충분한 단열 성능을 확보하면서도, 각각의 실시예와 동일한 실리카 농도를 갖되, 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시켜 제조한 실시예 3, 6 및 9 대비 모두 고주파수 범위에서의 각 주파수별 흡음계수와, 고주파수 평균 흡음계수가 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 결과로부터, 본 발명의 에어로겔 복합체 제조방법에 따라 에어로겔 복합체를 제조하는 경우 섬유 매트의 매크로포어가 감소되고, 메조포어가 증가되어 흡음률이 향상됨과 동시에, 단열 성능도 향상되는 것을 확인할 수 있었고, 이에 따라 본 발명의 에어로겔 복합체는 흡음 성능 및 단열 성능이 우수하여, 흡음 소재로서 유용한 것을 확인할 수 있었다.

Claims (12)

  1. 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.1 내지 1:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시키는 단계(S10)를 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (S10) 단계는, 촉매화된 실리카 졸을 섬유 매트에 0.1 내지 0.9:1의 부피비(촉매화된 실리카 졸:섬유 매트)로 함침시키고, 겔화시켜 실시되는 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매화된 실리카 졸은,
    실리카 전구체, 유기 용매 및 수계 용매를 혼합하여 실리카 전구체 조성물을 제조하는 단계(S1);
    유기 용매, 염기 촉매 및 소수화제를 혼합하여 촉매 조성물을 제조하는 단계(S2); 및
    실리카 전구체 조성물 및 촉매 조성물을 혼합하여 촉매화된 실리카 졸을 제조하는 단계(S3)를 포함하여 제조되는 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (S1) 단계에서 제조되는 실리카 전구체 조성물의 실리카 농도는 10 kg/m3 내지 100 kg/m3인 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 (S1) 단계에서 제조되는 실리카 전구체 조성물의 실리카 농도는 40 kg/m3 내지 70 kg/m3인 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체 제조방법은,
    상기 (S10) 단계에서 겔화된 습윤겔 복합체를 숙성시키는 단계(S20); 및
    상기 (S20) 단계에서 숙성된 습윤겔 복합체를 건조시켜 에어로겔 복합체를 수득하는 단계(S30)를 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (S30) 단계에서 수득된 에어로겔 복합체는 2 nm 내지 50 nm의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 매트는 유리섬유 매트인 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 매트는 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 것인 에어로겔 복합체 제조방법.
  10. 섬유 매트; 및 섬유 매트의 내부 및 표면에 형성된 에어로겔을 포함하고,
    Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 50 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 주파수별 흡음계수의 평균 값인 전체 평균 흡음계수가 0.41 이상인 에어로겔 복합체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체는 Impedance Tube P-S40-20을 이용하여 2,500 Hz 내지 6,400 Hz 주파수 범위에서 측정한 흡음률을 third-one Octave band로 데이터화하여 계산된 주파수별 흡음계수의 평균 값인 고주파수 평균 흡음계수가 0.35 이상인 에어로겔 복합체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 에어로겔 복합체는 상온 열전도도가 30.0 mW/mK 이하인 에어로겔 복합체.
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