초임계 이산화탄소 - 초임계 건조 (Supercritical Dry System)

 

 

초임계 이산화탄소 - 초임계 건조 시스템 (Supercritical Dry System)

 

에어로젤은 공기를 뜻하는 에어(aero)와 고체화된 액체를 의미하는 젤(gel)의 합성어입니다. 에어로젤은 현존하는 고체 중에서 가장 가볍고 낮은 밀도를 지니는 고체인데 부피의 98%이상이 기체로 채워져 있기 때문입니다. 스티븐 키슬러(Steven Kistler)에 의해 1931년에 최초의 만들어졌으며, 젤리에서 수축을 유발시키지 않으면서 액체를 기체로 치환함으로서 이러한 물질을 얻어냈습니다.

 

에어로젤 제조

 

상용화될 수 있는 에어로겔 제조방법으로는 금속 알콕사이드인 알콕시실래인, 즉 Tetramethoxysilane(TMOS)와 Tetraethoxy -silane (TEOS) 알콕사이드(alkoxide)와 물유리(waterglass)를 원료로 하여 만들어집니다. 물유리 방법이 가장 저렴합니다.

액체 형태인 알콕사이드 혼합 원료에 알코올과 첨가제를 넣고 틀에 넣고 얼마간 시간을 유지하면 묵과 같은 젤형태의 알코젤이 된다. 알코젤을 건조용기에 넣고 고온·고압 상태에서 초임계유체(초임계이산화탄소)를 흘리면 알코올이 들어있던 자리에 초임계이산화탄소가 들어갑니다. 이 때, 초임계유체를 흘리는 이유는 부피 변화를 없애기 위해서인데 고체에 묻어있던 액체가 기체로 변하면서 표면장력의 차이 때문에 부피가 변하기 때문이다. 부피의 변화는 제품의 손상을 의미합니다.

 

초임계 이산화탄소의 경우 표면장력이 거의 제로에 가까워 제품에 손상을 주지 않습니다. 건조용기에서 액체 상태인 알코올 자리를 초임계이산화탄소가 대체하고 나면 온도와 압력을 서서히 낮춰 상온·상압으로 만듭니다. 이 때, 알코젤을 꺼내면 이산화탄소 자리에 대기중의 공기가 유입되고 기체가 98%를 차지하는 고체인 에어로젤이 탄생하게 됩니다.

 

 

에어로젤의 구조

 

규소산화물(SiO₂)로 이루어진 물질
• 머리카락의 1만분의 1 굵기인 SiO2실이 극히 성글게 얽혀 이루어진 구조
• 실과 실 사이에 공기분자들이 들어 있으며 전체부피의 98%를 공기가 차지
• 지구상에서 가장 가벼운 고체 (2002년 기네스북 등재)     
    → 특유의 기공구조로 인해 매우 우수한 물성을 지니고 있어 신소재로 주목받음

 

 

 

 

 

 

 

에어로젤 제조형태

 

에어로젤은 안정된 구조를 지니고 있으므로 자체 무게의 1000배 이상도 지탱이 가능하지만 초경량이므로 충분한 기계적 강도를 가지고 있다고는 할 수 없습니다. 또한 범용으로 사용되기 위해서는 물성의 큰 변화 없이 다양한 형태로 제조가 가능하여야 할 것입니다.

 

 

에어로젤은 특수용도로 사용되는 고가의 단일체 형태를 제외하고는 일반적으로 분말이나 입자 형태로 제조되는데, 이러한 경우에는 Molding 등을 통해 사용 목적에 적합한 형태로 제작하여야 합니다. 그러나 이때 에어로젤의 물성을 그대로 유지하는 것이 쉽지 않아 이를 극복하기 위하여 구조적 Matrix를 사용한 복합 에어로젤의 제조도 시도된 적이 있습니다. 미국의 Aspen Aearogel사의 Flexible Aearogel Blanket은 이러한 면에서 다양한 분야에서의 활용 가능성이 매우 높다고 할 수 있습니다.

 

 

에어로젤 제조공정

 

 

 

 

 

 

 

에어로젤 특성

 

 

• 극히 낮은 열전도율 : 단열성 우수(0.01W/mK 이하) 기존 단열재의 3배 이상
• 우수한 방음성
• 높은 충격 완충성
• 매우 높은 기공도(보통 95% 이상, 99.9%까지 가능)
• 초 경량: 공기무게의 3배(보통 0.003-0.8g/㎤ 정도의 밀도)
• 고 비표면적(최대 2000㎡/g 가능)
• 고온에서 열처리 시 구조적 안정성, 내열성
• 구조적 안정성
• 친환경성

 

 

 

적용분야
1. 건축용 단열재, 방음재(차세대 슈퍼 단열재)
2. 파이프라인용 단열재 (이중관 파이프라인이 적용되는 냉난방 파이프라인 및 LNG용 파이프라인, 발전소 관련 파이프라인,
       해양 플랜트 등의 파이프라인)
3. 항공 우주 : 의류,신발용 보온재(미 항공우주국(NASA)에서 우주복 소재로 채용할 정도로 가볍고 단열성이 우수)
                 항공우주용 적외선 차폐재, 우주탐사선 인공위성 소재
4. 가전제품, 내화용
  (단열성 및 차음성, 방폭성 등 자체의 여러 우수한 특성에 의해 가전제품, 내화용 제품 등 많은 분야에서 적용)
5. 조선 : 액화천연가스(LNG)선 가스저장고
6. 정보기술(IT) : PC의 부피를 크게 줄일 수 있음
7. 화학과 환경，에너지 분야 : 넓은 표면적으로 인해 촉매나 흡착제
8. 국방 : 전투기엔진열차폐(열추적 레이저 비감지), 전투기 무게 감소, 충격을 막는 특수 철갑,
              어뢰에도 전혀 충격이 없는 충격 방지막 

 

 

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