[논문]실리카 에어로젤을 이용한 단열·내화재 개발에 관한 연구

조명호; 홍성철

doi:10.5762/kais.2015.16.10.6816

실리카 에어로젤을 이용한 단열·내화재 개발에 관한 연구
A Study on Insulation·Fire Proof Materials Using Silica Aerogels 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.10, 2015년, pp.6816 - 6822

조명호 (호서대학교 글로벌창업전공) , 홍성철 (호서대학교 안전환경기술융합학과)

초록
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본 연구에서는 기존의 글라스울의 흡습에 의한 변형을 해결하고 단열성능향상을 위해 실리카 에어로젤을 이용한 단열재를 개발하였다. 글라스울 단열재에 액상의 혼합 바인더를 이용하여 실리카에어로젤이 함침된 글라스울 복합체를 제조하였다. 액상의 혼합 바인더는 수용성바인더(CMC, carboxymethyl cellulose)와 물에 분산시킨 실리카 에어로젤을 이용하여 준비하였다. 초기 $0.048g/cm^3$의 밀도를 갖는 글라스울 보드를 준비하고 실리카 에어로젤을 함침시켜 $0.065g/cm^3$의 밀도를 갖는 단열보드를 제작할 수 있었다. 이렇게 제조된 실리카 에어로젤 함침 글라스울 보드 복합체는 단일 글라스울 보드의 단열성능보다 7.4% 향상된 0.0315 W/mK의 열전도율(thermal conductivity)을 나타내었다. 제조된 실리카 에어로젤-글라스울 복합체는 불꽃 관통시험에서 362초간 내화 저항성을 나타내어 단일 글라스울 보드에 비하여 2.7배나 높은 내화성능을 보였다. 또한 일반 글라스울 보드는 흡습에 의하여 수직방향으로 처짐현상을 나타내는 단점이 있었으나, 실리카 에어로젤이 함침된 보드에서는 실리카 에어로젤의 발수특성으로 인하여 높은 내수성능을 나타내는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, silica aerogel-glass wool composites were developed for improvement of thermal conductivity and overcoming the water adsorption of glass wool boards. Silica aerogel-glass wool composites were prepared by glass wool and silica aerogel with liquid binder. Mixtures with binder were composed of CMC (carboxymethyl cellulose) and silica aerogel for glass wool board. Silica aerogel-glass wool composite boards were had $0.065g/cm^3$ density by impregnation silica aerogel where from origin glass wool board at $0.048g/cm^3$ density. Thermal conductivity of silica aerogel-glass wool composites were 0.0315 W/mK (up to 7.4% thermal resistance) and fire penetration time came to 362 seconds (up to 2.7 times stronger than origin glass wool board). In addition, hydrophobic aerogel characteristics prevented the adsorption of water onto silica aerogel-glass wool composite boards that was good for lightweight.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 글라스울의 단열성능과 내화성능 및 방수특성을 개선하기 위하여 실리카 에어로젤을 혼입하여 함량별로 시편을 제조하였고, 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 기존의 글라스울이 갖고 있는 단점을 보완하기 위해 높은 단열성과 소수성 및 내화성능을 갖는 실리카에어로젤 분말을 글라스울 내부에 혼입하여 열전도율을 낮추고, 내화성능 및 방수성능을 높이고자 실험을 수행하였다. 즉, 기존 글라스울 또는 미네랄울이 심재로 사용되는 샌드위치패널에 본 실험의 결과로부터 얻어진 에어로젤 분말을 적용함으로써 에너지 효율을 높이고, 내구성 증가 및 화재 발생시 화염전파 속도를 늦춰 안전 담보 및 피난시간을 확보하고자 한다.
본 연구에서는 기존의 글라스울이 갖고 있는 단점을 보완하기 위해 높은 단열성과 소수성 및 내화성능을 갖는 실리카에어로젤 분말을 글라스울 내부에 혼입하여 열전도율을 낮추고, 내화성능 및 방수성능을 높이고자 실험을 수행하였다. 즉, 기존 글라스울 또는 미네랄울이 심재로 사용되는 샌드위치패널에 본 실험의 결과로부터 얻어진 에어로젤 분말을 적용함으로써 에너지 효율을 높이고, 내구성 증가 및 화재 발생시 화염전파 속도를 늦춰 안전 담보 및 피난시간을 확보하고자 한다.

제안 방법

내화 특성에 대해서는 실물화재 시험법으로서 KS F ISO 9750에 준하여 실험을 진행하나 본 연구에서는 시험체의 크기를 고려하여 간이 지그를 이용한 불꽃 노출 및 화재 거동을 평가하였다[10]. 내화시험의 조건은 Table 4와 같으며, Fig.
본 실험에서는 물 1L에 수용성 바인더(CMC, carboxymethyl cellulose) 1 wt% 첨가 후 500 rpm에서 1시간 교반/분산된 점성액을 준비하고, 이에 비산억제용레진(Acrylic Emulsion) 1 wt%를 첨가하여 추가 교반한다. 여기에 실리카 에어로젤 분말을 3 wt% 2 ∼ 3 차례 나누어서 첨가한 후 교반하여 슬러리 형태로 배합하여 준비한다.

대상 데이터

그 외 수용성 바인더로써 CMC, 비산억제용 아크릴 에멀젼(acrylic emulsion)을 사용하여 혼합액을 조성 후 사용하였다.
단열 및 내화, 방수성능의 개선을 위한 기능성 첨가제로써 분말형태의 실리카 에어로젤을 사용하였으며, 글라스울의 조밀한 조직에 쉽게 혼입될 수 있도록 20 ㎛ 이하의 입도를 가진 국내 지오스에어로젤사의 AEROVA 제품을 적용하였으며 기본 물성은 Table 2와 같다.
본 실험에 사용된 글라스울은 국내 (주)벽산글라스울의 글라스울매트을 사용하였으며 기본 물성은 Table 1과 같다.

이론/모형

방수 특성에 대해서는 일반적으로 단열, 방화 등을 목적으로 하는 건축물의 내외장재 마무리 재료로 사용하는 미네랄울 판상 단열재의 흡수율 측정에 대한 기준을 따랐으며, 그 방법은 다음과 같다. 200 mm × 150 mm 크기의 시편을 25 ℃ ± 5 ℃의 물속에서 수면 아래 약 30 mm의 위치에 놓고 2 시간 정치한다.
시험체의 열전도율을 측정하기 위하여 일반 세라믹을 비롯한 건축용 단열재의 열전도율 측정에 주로 사용되고 있는 평판열류계법(Heat Flow Method, KS L 1640)을 통해 진행하였으며, 해당 분석이 가능한 장비로써 HFM 436(NETZSCH, 독일)를 이용하였다.

성능/효과

가느다란 필라멘트 즉, 섬유로만 구성된 일반 글라스울과 같이 독립적으로 구조를 이루는 경우보다 격자 사이에 실리카 졸이 혼입되어 화기에 저항하기 유리한 구조로 제조되어 높은 내열 특성을 갖게 되는 것으로 판단되었다.
결과적으로 글라스울에 혼입한 에어로젤의 함량이 증가함에 따라 불꽃에 대한 내구성이 증대되는 것을 확인할 수 있었다[Fig. 7].
본 연구를 통하여 제조된 신리카 에어로젤이 혼입된 글라스울은 기존 글라스울 대비 에어로젤 함량이 증가할 수록 화기에 대한 내구성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
본 연구를 통해서 기존에 건축단열재로 널리 사용되고 있는 글라스울의 단점을 보완하여 발수 특성, 단열 및 내화 특성을 향상시킨 제품을 개발할 수 있는 기틀을 마련하게 되었다고 판단된다.
6% 흡수율을 나타내었고, 이는 건축단열재로서 치명적인 약점으로 작용하게 된다. 실리카 에어로젤의 함량이 증가할수록 흡수율은 급격하게 낮아졌으며, G6의 경우 46%까지 저하되는 것을 관찰할 수 있었고, 이는 에어로젤의 함량이 증가할수록 소수특성에 의하여 단열재에 수분 흡수를 방해하기 때문인 것으로 판단되었다.
실리카젤 함침을 위한 유동화제로서는 CMC가 가장 좋았으며, 단위 면적당 400 g이 가장 좋은 물성을 아타내는 함량이었다. 400 g 이상이 사용되었을 경우 단열 시편의 외관이 좋지 않았으며 또한 섬유의 격자 구조체가 수용할 수 있는 범위를 넘어섰다.
실험에서 얻을 수 있었던 결론은 실리카젤의 혼입으로 인하여 섬유 격자의 공극을 메워 단열성능과 내열 특성을 각각 0.0315 W/mK, 5분 이상 얻을 수 있었고, 실리카젤의 발수특성 향상으로 섬유 격자의 수분 흡수를 억제하여 수분흡수율을 46%까지 낮출 수 있었다.
0340 W/mK로 측정되었다. 에어로젤 함량이 증가할수록 열전도도 값이 감소하여 400 g의 에어로젤이 함유된 시편의 경우 0.0315 W/mK로서 기본 글라스울 모재 조건 대비 약 7.4%의 열전도도 감소율을 보였다.
위의 시편제조방법을 통해 제조한 실리카 에어로젤이 함유된 글라스울은 종전의 글라스울에 비하여 밝은 백색을 나타내게 되며[Fig. 3], 외부 표면과 내부 필라멘트 사이에 에어로젤과 바인더의 혼합물이 자리잡고 있는 모습을 주사현미경(SEM)을 통해 확인할 수 있었다[Fig. 4].

후속연구

추 후 열전도도가 낮은 바인더를 찾거나 개발하게 되면 좀 더 단열성능이 우수한 에어로젤 복합 단열재의 제조가 가능할 것으로 예상된다. 또한, 앞서 확인된 글라스울 내부의 빈 공간을 충분히 활용할 경우, 더 많은 양의 에어로젤 함침이 가능하며 그에 따른 단열성능 개선도 기대할 수 있다.
이는 무기계로 이루어진 글라스울의 다공성 구조에서 기인하는 것으로서 물을 쉽게 흡수하는 조건을 갖추고 있기 때문이다. 이러한 부분에서 본 연구의 주요 목표로인 발수특성을 포함하면서 보다 단열 특성을 높이는 기술의 개발이 필요하다[3].
다만, 실리카 에어로젤 자체가 접착성이 없기 때문에 바인더를 사용하게 되고, 바인더를 통한 열전달 즉, 전도는 약간 상승하게 된다. 추 후 열전도도가 낮은 바인더를 찾거나 개발하게 되면 좀 더 단열성능이 우수한 에어로젤 복합 단열재의 제조가 가능할 것으로 예상된다. 또한, 앞서 확인된 글라스울 내부의 빈 공간을 충분히 활용할 경우, 더 많은 양의 에어로젤 함침이 가능하며 그에 따른 단열성능 개선도 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리카 에어로젤 분말이 세상에서 가장 가벼운 고체인 것은 어떤 구조를 가지기 때문인가?	한편, 실리카 에어로젤(silica aerogel)은 현존하는 물질 중 가장 가벼운 고체로 알려져 있다. 이러한 특성은 실리카 에어로젤 분말이 갖는 90% 이상의 높은 기공율과 600 m3/g 이상의 비표면적을 가지는 나노 다공성 구조에 기인한 것이다. Fig 1은 에어로젤의 구조 및 제조 과정을 나타내고 있다[2].
	본 연구에서 기존 글라스 울의 단점을 개선하기 위해 제조한 실리카에어로젤이 함침된 글라스울 복합체의 성능은?	065g/cm^3$의 밀도를 갖는 단열보드를 제작할 수 있었다. 이렇게 제조된 실리카 에어로젤 함침 글라스울 보드 복합체는 단일 글라스울 보드의 단열성능보다 7.4% 향상된 0.0315 W/mK의 열전도율(thermal conductivity)을 나타내었다. 제조된 실리카 에어로젤-글라스울 복합체는 불꽃 관통시험에서 362초간 내화 저항성을 나타내어 단일 글라스울 보드에 비하여 2.7배나 높은 내화성능을 보였다. 또한 일반 글라스울 보드는 흡습에 의하여 수직방향으로 처짐현상을 나타내는 단점이 있었으나, 실리카 에어로젤이 함침된 보드에서는 실리카 에어로젤의 발수특성으로 인하여 높은 내수성능을 나타내는 것을 확인하였다.
	글라스울의 장점은 무엇인가?	대표적으로 사용되는 무기계 단열재로서 글라스울은 다른 단열재보다 값이 비교적 저렴하고, 가공 및 성형이 용이하여 단독으로 직접 사용되거나 샌드위치패널에 삽입하여 건축물 내·외벽 및 지붕구조에 널리 사용하고 있다. 특히, 기존의 유기계 발포샌드위치패널의 구조 및 설치 위치에 따른 내부 심재의 연소 특성으로 인하여 화재시 플래시오버(flashover) 등과 같은 급속한 연소범위의 확대가 발생하는 것과는 달리 글라스울 샌드위치패널은 화염전파 속도가 느리고 유독가스 발생량이 적은 연소특성을 나타내고 있어 사고 초기에 화재를 억제 할 수 있는 이점을 가지고 있다[2].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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