WO2018048197A1 - 실리카 에어로겔의 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔 - Google Patents

실리카 에어로겔의 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔 Download PDF

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이제균
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    • C01P2006/11—Powder tap density

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a silica airgel capable of controlling the density and to a silica airgel produced thereby.
  • Aerogel is an ultra-porous, high specific surface area ( ⁇ ⁇ 500 m 2 / g) material with a porosity of about 90 to 99.9% and a pore size in the range of 1 to 100 nm.
  • ⁇ ⁇ 500 m 2 / g high specific surface area
  • airgel has super-insulation that shows lower thermal conductivity of 0.300 W / mK or lower than organic insulation such as styrofoam, and fire vulnerability and fatal weakness of organic insulation are generated. It can be solved.
  • aerogels are prepared by preparing hydrogels from silica precursors such as water glass and Alkoxysilane series (TEOS, TMOS, MTMS, etc.), and removing liquid components inside the hydrogel without destroying microstructures.
  • silica precursors such as water glass and Alkoxysilane series (TEOS, TMOS, MTMS, etc.)
  • TEOS water glass and Alkoxysilane series
  • TMOS TMOS
  • MTMS tyl-silane series
  • Representative silica airgel forms can be divided into three types: powder, granule, and monolith, and are generally prepared in the form of powder.
  • silica aerogels absorb moisture, the properties and physical properties of the gel structure deteriorate, so that a method for permanently preventing the absorption of moisture in the air is required for easy use in the industry. Accordingly, methods for producing silica airgel having permanent hydrophobicity by hydrophobizing the surface of the silica airgel have been proposed.
  • silica aerogels are generally manufactured through a sol-gel process through sol formation, hydrogel formation, aging, solvent replacement, surface modification, and drying.
  • the sol-gel method requires a very complicated process as described above, and requires a lot of cost and time, which hinders the productivity and economics of the silica airgel.
  • the pore structure shrinks due to high capillary force, so that it is difficult to predict the tap density of the finally produced silica aerogel, and the specific tap density intended Since there is a problem that it is difficult to manufacture a silica airgel according to the situation, it is necessary to develop a silica airgel manufacturing method capable of controlling the density.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2015-0093123 (2015.08.17 publication)
  • the present invention has been made in order to solve the problems of the prior art, the problem to be solved of the present invention is to simplify the manufacturing process and excellent productivity and economics, to form a silica airgel with enhanced mechanical properties shrinkage at atmospheric pressure drying
  • Silica can be formed by increasing the resistance to the low density silica airgel, and can control the density of the silica to prepare a silica airgel having a specific tap density by adjusting the silicon dioxide concentration of the first and second water glass solutions It is to provide a method for producing an airgel.
  • Another problem to be solved of the present invention is to provide a density controlled silica airgel produced by the above production method.
  • the present invention is to solve the above problems
  • silica wet gel 1) adding a first water glass solution and an acid catalyst to the reactor to form a first silica wet gel; 2) adding a second water glass solution and an acid catalyst to the first silica wet gel; 3) forming a second silica wet gel by adding a surface modifier solution to the first silica wet gel; And 4) drying the silica wet gel comprising the first silica wet gel and the second silica wet gel.
  • the concentration of silicon dioxide in the first water glass solution is 3.5 to 8.5 wt%, and the concentration of silicon dioxide in the second water glass solution is 0.5 to 3.5 wt%.
  • the present invention also provides a silica airgel prepared by the above production method.
  • Silica airgel production method according to the present invention can be performed at the same time gelling, solvent replacement and surface modification in one step is short production time is excellent in productivity and economic efficiency.
  • first silica wet gel is first formed, and then the second silica wet gel is organically bonded based on the basic skeleton, thereby forming a silica airgel with enhanced mechanical properties, thereby increasing resistance to shrinkage at atmospheric pressure.
  • Low density silica airgels can be formed.
  • silica airgel having a specific tap density by adjusting the silicon dioxide concentration of the first and second water glass solutions, thereby having an effect of predicting the tap density of the finally produced silica airgel.
  • 1 is a graph measuring the tap density of silica airgel prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
  • the silica wet gel prepared by using water glass has a form filled with water whose pores are solvents, and when the solvent is simply dried and removed, the liquid solvent vaporizes into the gas phase and the high surface tension of water at the gas / liquid interface is achieved. Due to the capillary force and the difference in solvent extraction rate, shrinkage and cracking of the pore structure are likely to occur, which causes surface area reduction and change of the pore structure. Therefore, in order to maintain the pore structure of the wet gel, it is necessary not only to replace water having a high surface tension with an organic solvent having a low surface tension, but also to maintain the structure of the wet gel without shrinking the wet gel. There is a need for techniques that can be washed and dried.
  • the dried silica airgel maintains a low thermal conductivity immediately after drying, but absorbs water in the air due to the hydrophilicity of the silanol group (Si-OH) on the surface of the silica, and thus shrinkage of the nano-pore structure due to the condensation reaction of the silanol group Hence, there is a disadvantage that the thermal conductivity gradually increases.
  • a method of hydrophobically modifying the surface of the silica aerogel using a surface modifier is widely used. The high cost of the surface modifier and the control of the surface modification reaction are not easy, which leads to poor productivity.
  • silica aerogels In general, the production of silica aerogels is the key to the drying technology to remove the solvent while maintaining the pore structure of the wet gel and economically mass production technology.
  • the present invention provides a method for producing a silica airgel that is excellent in productivity and economics for mass production, and by controlling the mechanical properties of the silica airgel to prevent shrinkage of the pore structure, thereby controlling the tap density of the finally produced silica airgel. to provide.
  • the concentration of silicon dioxide in the first water glass solution is 3.5 to 8.5 wt%, and the concentration of silicon dioxide in the second water glass solution is 0.5 to 3.5 wt%.
  • Step 1) is a step for forming a first silica wet gel, specifically, by adding an acid catalyst to the first water glass solution of the reactor under conditions of acidity (pH) of 4 to 7 It may be carried out by reaction.
  • the reaction may be a sol-gel reaction
  • the sol-gel (sol-gel) reaction may be to form a network structure from the silica precursor material
  • the network structure (network structure) is the atomic arrangement It may be a structure that forms a three-dimensional skeletal structure by sharing the vertices, edges, faces, or the like of a planar net-like structure connected to a specific polygon of one or more kinds thereof.
  • the first silica wet gel may serve as a basic skeleton of the silica airgel to be finally manufactured by the method of the present invention and serve as a silica structure that becomes a skeleton of the network structure.
  • a mechanically more stable silica aerogel can be produced, and thus more resistant to shrinkage of pores during the drying process. This enables effective control of the density.
  • the first water glass solution may be an indication of the diluted solution was added to distilled water and mixed with the water glass, the water glass is a sodium silicate (sodium silicate, Na 2 SiO alkali silicate salt obtained by melting a silicon dioxide (SiO 2) and alkali 3 ).
  • sodium silicate sodium silicate, Na 2 SiO alkali silicate salt obtained by melting a silicon dioxide (SiO 2) and alkali 3 ).
  • the acid catalyst may serve to create a reaction environment to facilitate the reaction (sol-gel reaction), and may be, for example, to control the reaction environment to have the acidity (pH) described above.
  • the acid catalyst may be added in a molar ratio of 0.2 to 1.5, more specifically 0.5 to 1, relative to silicon dioxide in the first water glass solution, or may be added in an amount such that it becomes an acidity (pH) in the above-described range.
  • the acid catalyst is not particularly limited, but may be, for example, one or more selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, acetic acid, sulfuric acid, and hydrofluoric acid, and more specifically, may be acetic acid.
  • the preparation method according to an embodiment of the present invention may further perform the step of aging the first silica wet gel prepared after the reaction of step 1).
  • the aging may be performed by leaving for 1 to 10 hours at a temperature of 50 to 90 °C.
  • the manufacturing method of the present invention can more robustly form a network structure in the first silica wet gel by passing the above aging after preparation of the first silica wet gel, thereby optimizing the role as a basic skeleton having enhanced mechanical stability. have.
  • the step of grinding the aged first silica wet gel may be further performed. Further performing the grinding process is to allow the second water glass solution to mix with the first silica wet gel and react better.
  • Step 2) may be a preparation step for forming a second silica wet gel.
  • the step of preparing a solution in which the first silica wet gel is dispersed by adding a second water glass solution and an acid catalyst which are precursors of the second silica wet gel and the acid catalyst to the prepared first silica wet gel may be performed. have.
  • a silica aerogel controllable density of the present invention In order to prepare a silica aerogel controllable density of the present invention to prepare a first silica wetting gel that serves as a basic skeleton, and then to the organic silica to combine the second silica wetting gel mechanically more stable silica wet gel. It is necessary to increase the resistance to shrinkage of the pore structure during formation and drying process, and it is necessary to adjust the concentration ratio of the first and second water glass solutions, which are silica precursors of the first and second silica wet gels, to an appropriate range. .
  • the first water glass solution may contain 3.5 to 8.5 wt% of silicon dioxide. If the silicon dioxide in the first water glass solution is contained in a lower content than the above range, the first silica wet gel serving as a basic skeleton of the silica aerogel of the present invention may not be formed properly, thereby deteriorating mechanical and structural stability. In addition, when silicon dioxide is contained in a content higher than the above range, the specific surface area of the prepared first silica wet gel may be excessively lowered and the density may be greatly increased.
  • the second water glass solution may contain 0.5 to 3.5 wt% of silicon dioxide.
  • silicon dioxide in the second water glass solution is contained in a lower or higher content than the above range, the density of the silica airgel is difficult to predict because it is out of the range in which the density of the present invention can be controlled. There may be a problem that cannot be achieved.
  • the present invention relates to silica having a tap density of 0.03 to 0.10 g / ml, more specifically 0.04 to 0.08 g / ml when the first and second water glass solutions having the specified concentrations are used. Airgel can be generated, the error range can be seen that 10%.
  • the production method of the present invention by adjusting the silicon dioxide concentration of the first and the second water glass solution to a specific range, and the silicon dioxide concentration of the first and second water glass solution used by the tap density of the silica aerogel to be produced Silica airgel in a linear relationship can be prepared.
  • the present invention by using the first and second water glass solution having a specific water glass concentration, by stabilizing the mechanical properties of the resulting silica wet gel to increase the resistance to shrinkage that may occur by the drying process,
  • the tap density of the resulting silica airgel can be predicted and the silica airgel can be made to the specific tap density intended.
  • the concentration ratio of silicon dioxide in the first water glass solution and the second water glass solution of the present invention may be adjusted to be 1: 1: 1 to 10: 1.
  • concentration of the second water glass solution is lower than the above range, the degree of structural strengthening is weak and the tap density may be increased due to shrinkage of pores during the drying process, and when the concentration of the second water glass solution is higher than the above range, the basic skeleton
  • the ratio of the first silica wetting gel, which plays a role of, may be difficult to form a more mechanically stable structure, and as a result, the tap density predictability of the final silica aerogel may be degraded.
  • the acid catalyst added in step 2) may be one that serves to activate the decomposition of the surface modifier by reacting with the surface modifier in the surface modifier solution described later, thereby improving the surface modification reaction. Gelatinization can be induced by promoting the production of ammonia and raising the pH.
  • the acid catalyst added in step 2) is not particularly limited, and may be the same or different from the acid catalyst added in step 1), specifically nitric acid, wherein the acid catalyst is dioxide in the second water glass solution. It may be added in a molar ratio of 1 to 3 relative to silicon.
  • Step 3) is a step for forming a second silica wet gel, which may be performed by adding and reacting a surface modifier solution to a solution in which the first silica wet gel is dispersed.
  • the surface modifier solution may be prepared by adding and mixing a surface modifier to a nonpolar organic solvent, wherein the concentration of the surface modifier in the surface modifier solution may be 0.1 to 4 M. That is, the surface modifier solution may be prepared by adding the surface modifier to the nonpolar organic solvent in an amount of 0.1 to 4 M and then mixing the surface modifier.
  • the surface modifier is trimethylchlorosilane (TCS), hexamethyldisilazane (HMDS), methyltrimethoxysilane, trimethylethoxysilane, ethyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, And phenyltriethoxysilane (phenyltriethoxysilane) may be one or more selected from the group consisting of, more specifically hexamethyldisilazane (hexamethyldisilazane, HMDS) may be.
  • TCS trimethylchlorosilane
  • HMDS hexamethyldisilazane
  • methyltrimethoxysilane trimethylethoxysilane
  • ethyltriethoxysilane ethyltriethoxysilane
  • phenyltriethoxysilane may be one or more selected from the group consisting of, more specifically hexamethyldisil
  • the nonpolar organic solvent may be one or more selected from the group consisting of hexane, heptane, toluene, and xylene.
  • the surface modifier solution may be added in an amount such that the surface modifier of the first water glass solution to the silicon dioxide in the molar ratio of 0.05 to 20, more specifically 0.5 to 5. If the surface modifier solution is added in an amount such that the molar ratio is less than 0.05, the amount of surface modifier that can react with the silanol group (Si-OH) in the water glass solution is relatively small, thereby reducing the surface modification reactivity. In addition, surface modification may not be easily performed, and thus the pore size of the resulting silica aerogel may be reduced due to the condensation reaction of the unmodified silanol groups upon drying, resulting in a problem of not achieving porosity.
  • step 2) and step 3) may be performed simultaneously or sequentially. That is, the second water glass solution, the acid catalyst and the surface modifier solution may be added to the reactor at the same time, or after the second water glass solution and the acid catalyst are added to the reactor, the surface modifier solution may be added.
  • the surface modifier solution may be added after the second water glass solution and the acid catalyst are added to the reactor and the temperature in the reactor reaches 25 to 95 °C.
  • the second water glass solution and the acid catalyst are added to the first silica wet gel, they do not react with the first silica wet gel, but when the surface modifier solution is added, decomposition of the surface modifier occurs by the acid catalyst. As ammonia is generated, the pH is raised to initiate the gelation reaction. That is, since the gelation of the second water glass solution begins within a few minutes after the addition of the surface modifier solution, it is more effective for the rapid gelation and surface modification to add the surface modifier solution in the state of increasing the temperature inside the reactor in terms of thermodynamics.
  • the reaction may be performed by adding the second water glass solution and the acid catalyst to the reactor and then raising the temperature in the reactor to the above range, and then adding the surface modifier solution.
  • the reactor may be a reactor with a stirrer, the reaction may be performed while stirring.
  • the stirring is not particularly limited, but may be, for example, stirring at a speed of 50 rpm to 700 rpm.
  • Step 3) according to an embodiment of the present invention can be performed at the same time gelling, solvent replacement and surface modification.
  • the second water glass solution including the acid catalyst and the surface modifier solution may react by mixing, thereby decomposing the surface modifier in the surface modifier solution by the acid catalyst, thereby increasing ammonia production.
  • the pH in the reactor may be raised to create a basic environment, thereby inducing gelation of the second water glass solution.
  • solvent substitution of the second silica wet gel may be performed by a nonpolar organic solvent included in the surface modifier solution, and at the same time, the surface modification reaction of the second silica wet gel may be promoted, and the surface modifier solution may be prepared.
  • the first silica wet gel may be diffused to promote solvent substitution and surface modification of the first silica wet gel.
  • silica aerogel having high hydrophobicity may be prepared due to high surface modification reaction efficiency compared to a process in which surface modification is sequentially performed after gelation. have.
  • the second silica wet gel is formed by gelling the second water glass solution using the prepared first silica wet gel as a basic skeleton, and at the same time, solvent replacement and surface modification are performed.
  • a hydrophobic silica wet gel having a structure in which the second silica wet gel is organically bonded may be formed using the first silica wet gel as a basic skeleton.
  • the production method of the present invention may further comprise the step of adding ammonium hydroxide in the step 3) to further promote the gelation and surface modification reaction.
  • the ammonium hydroxide may be added after adding the entire amount of the surface modifier solution used in the reaction to the reactor, more specifically, the ammonium hydroxide is added to the reactor after the entire amount of the surface modifier solution, the pH in the reactor May be added at the time of reaching 5 to 10 to participate in the reaction, or may be added after the time of solvent replacement to participate in the reaction.
  • the time point at which the pH is reached may vary depending on the concentration of silicon dioxide in the second water glass solution.
  • concentration of silicon dioxide in the second water glass solution is 1.5 to 2.5% by weight
  • the total amount of the surface modifier solution is added to the reactor. It may be a time point of 30 ⁇ 3 minutes immediately after the end.
  • the time point at which the solvent replacement is performed represents a time point at which the liquid filling the pores in the silica wet gel is replaced with the organic solvent used in water, and the silica wet gel generated during the reaction is extracted to obtain a water phase or an organic solvent phase. It can be confirmed by the presence or absence of dispersion when put in the.
  • the amount of the ammonium hydroxide added is not particularly limited as long as it can be easily gelled and surface modification reaction within the problem does not cause problems due to other addition reactions, for example, in the reactor after the addition to the pH in the reactor before the addition of ammonium hydroxide
  • the pH may be added in an amount of 5% to 57% rise.
  • the ammonium hydroxide may be added in an amount such that the pH in the reactor is 7.35 to 11.
  • the ammonium hydroxide may be added in an amount such that the molar ratio of 0.5 to 25 compared to the silicon dioxide of the first water glass solution within the amount adjusted to the pH range.
  • the preparation method according to an embodiment of the present invention may improve the surface modification reaction by adding ammonium hydroxide during the reaction of step 3) to participate in the reaction, and thus do not use a large amount of expensive surface modifier.
  • Silica aerogels with high hydrophobicity can be prepared without.
  • Step 4) may be performed to dry the silica wet gel including the first silica wet gel and the second silica wet gel to form a silica airgel.
  • the manufacturing method according to an embodiment of the present invention may further perform the step of washing before drying.
  • the washing is to remove impurities (sodium ions, unreacted products, by-products, etc.) generated during the reaction to obtain a high purity hydrophobic silica airgel can be carried out by a dilution process or exchange process using a non-polar organic solvent.
  • the dilution process may represent a solvent dilution process, and may be performed by adding an additional nonpolar organic solvent to the reactor after the surface modification reaction of step 3) so that the nonpolar organic solvent in the reactor is present in excess.
  • the exchange process may represent a solvent exchange process, and after the surface modification reaction of step 3) to discharge the aqueous solution layer in the reactor, a non-polar organic solvent is added and the process of discharging the separated aqueous solution layer several times It may be performed repeatedly.
  • the manufacturing method according to an embodiment of the present invention is performed by adding an additional nonpolar organic solvent to the silica wet gel including the first silica wet gel and the second silica wet gel, and then stirring for 20 minutes to 1 hour. can do.
  • the drying step of the manufacturing method according to an embodiment of the present invention may be by a supercritical drying process or an atmospheric pressure drying process, more specifically, the atmospheric pressure drying process for 1 to 4 hours under a temperature condition of 100 to 190 °C It may be to use.
  • the manufacturing method of the present invention does not require an expensive high-pressure device can be dried for a short time within 6 hours at a low manufacturing cost compared to the conventional supercritical process, the advantage of improving the productivity and economics of silica airgel have.
  • the silica airgel prepared by the manufacturing method of the present invention is particularly characterized by mechanical properties. Since the wet gel can be dried without shrinkage while maintaining the structure of the wet gel as it is, the disadvantages of the atmospheric pressure drying process can be solved, and the predictability of the final tap air density of the silica airgel is significant. There is.
  • the present invention also provides a hydrophobic silica airgel prepared by the above method.
  • the hydrophobic silica airgel according to one embodiment of the present invention may have a tap density of 0.03 to 0.10 g / ml, more specifically 0.04 to 0.08 g / ml, and thus, the tap density of the final silica airgel produced. Predictability can be made to produce silica aerogels with the desired specific tap densities.
  • the silica airgel manufacturing method first forms the first silica wet gel using the first water glass solution, and then additionally adds the second water glass solution to form the first silica wet gel.
  • a second silica wet gel organically bonded to it as a skeleton, to form a silica aerogel with enhanced mechanical properties to increase the resistance to shrinkage at atmospheric pressure drying, and to increase the concentration of the first and second water glass solution
  • first silica wet gel 4 wt% (silicon dioxide content) of the first water glass solution (12.5 g of water glass) and 1.5 ml of acetic acid were added and gelled to form a first silica wet gel, and the first silica wet gel was then heated in an oven at 50 ° C. Was aged. Thereafter, the first silica wet gel was ground using a grinder to prepare a first silica wet gel slurry.
  • HMDS hexamethyldisilazane
  • Silica airgel was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first and second water glass solutions, acetic acid and nitric acid were used in the amounts shown in Table 1 below.
  • Silica airgel was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first and second water glass solutions, acetic acid and nitric acid were used in the amounts shown in Table 1 below.
  • Tap density was measured using a tap density meter (STAV II, Engelsmann AG). Specifically, each airgel was weighed by putting it in a standardized cylinder (25 ml), and the cylinder was fixed to a tap density meter, the noise damping hood was closed, and 2500 tappings were set. After the tapping measurement, the volume of each airgel in the cylinder was weighed, and the density was measured by calculating the ratio with the previously weighed weight.
  • Second Silica Wet Gel Forming Step Surface modifier (g) tap density (g / ml) Silicon dioxide (% by weight) Acetic acid (g) Silicon dioxide (% by weight) Nitric acid (g) Comparative Example 1 2 1.5 One 10 23 0.055 Comparative Example 2 2 1.5 2 11 23 0.060 Comparative Example 3 2 1.5 3 12 23 0.061 Comparative Example 4 3 2 One 10 23 0.064 Comparative Example 5 3 2 2 11 23 0.072 Comparative Example 6 3 2 3 12 23 0.070 Example 1 4 3 One 10 23 0.032 Example 2 4 3 2 11 23 0.043 Example 3 4 3 3 12 23 0.048 Example 4 5 3.6 One 10 23 0.047 Example 5 5 3.6 2 11 23 0.051 Example 6 5 3.6 3 12 23 0.049 Example 7 6 4.6 One 10 23 0.053 Example 8 6 4.6 2 11 23 0.059 Example 9 6 4.6 3 12 23 0.069 Example 10 7 5.6 One 10 23 0.062 Example 11 7 5.6 2 11 23 0.072 Example 12 7 5.6 3
  • the tap density of the hydrophobic silica airgel of Examples 1 to 15 prepared by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention is the silicon dioxide of the first and second water glass solutions It can be seen that there is a linear relationship with the concentration.
  • the tap density of the hydrophobic silica airgel is used to determine the first and second water glass solutions. It can be seen that it is not in a linear relationship with the silicon dioxide concentration.
  • the above result is an effect exhibited by the enhanced mechanical properties of the silica airgel produced by the production method of the present invention, and is an effect exhibited by adjusting the concentrations of the first and second water glass solutions to be used in a specific range.

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Abstract

본 발명은 밀도의 제어가 가능한 실리카 에어로겔의 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제1 물유리 용액을 사용하여 제1 실리카 습윤겔을 먼저 형성한 후, 추가적으로 제2 물유리 용액을 첨가하여 상기 제1 실리카 습윤겔을 기본 골격으로 하여 이에 유기적으로 결합된 제2 실리카 습윤겔을 형성함으로써, 기계적 물성이 강화된 실리카 에어로겔을 형성하여 상압 건조시 수축에 대한 저항도를 증가시키고, 상기 제1 및 제2 물유리 용액의 이산화규소 농도를 조절하여 특정의 탭 밀도를 갖는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있는 밀도의 제어가 가능한 실리카 에어로겔의 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔을 제공한다.

Description

실리카 에어로겔의 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2016년 9월 12일자 한국 특허 출원 제10-2016-0117521호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 밀도의 제어가 가능한 실리카 에어로겔의 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리카 에어로겔에 관한 것이다.
에어로겔(aerogel)은 90~99.9% 정도의 기공율과 1~100 nm 범위의 기공크기를 갖는 초다공성의 고비표면적(≥≥500 m2/g) 물질로서, 뛰어난 초경량/초단열/초저유전 등의 특성을 갖는 재료이기 때문에 에어로겔 소재 개발연구는 물론 투명단열재 및 환경 친화적 고온형 단열재, 고집적 소자용 극저유전 박막, 촉매 및 촉매 담체, 슈퍼 커패시터용 전극, 해수 담수화용 전극 재료로서의 응용연구도 활발히 진행되고 있다.
에어로겔의 가장 큰 장점은 종래 스티로폼 등의 유기 단열재보다 낮은 0.300 W/m·K 이하의 열전도율을 보이는 슈퍼단열성(super-insulation)인 점과 유기 단열재의 치명적인 약점인 화재 취약성과 화재시 유해가스 발생을 해결할 수 있다는 점이다.
일반적으로 에어로겔은 물유리, Alkoxysilane계열(TEOS, TMOS, MTMS 등)등의 실리카 전구체로부터 하이드로겔을 제조하고, 하이드로겔 내부의 액체성분을 미세구조 파괴 없이 제거하여 제조된다. 대표적인 실리카 에어로겔의 형태는 분말, 과립, 모노리스의 세 가지로 나눌 수 있으며, 일반적으로는 분말의 형태로 제조된다.
한편, 실리카 에어로겔은 수분을 흡수하면 겔 구조의 특성 및 물성이 저하되기 때문에 산업에서 용이하게 사용하기 위해서는 대기 중의 수분을 흡수하는 것을 영구적으로 방지할 수 있는 방안이 요구된다. 이에, 실리카 에어로겔의 표면을 소수화 처리하여 영구적인 소수성을 갖는 실리카 에어로겔을 제조하는 방법들이 제안되었다.
따라서 일반적으로 실리카 에어로겔은 졸 형성, 하이드로겔 형성, 숙성, 용매치환, 표면개질, 건조라는 공정을 거치는 졸-겔 법을 통해 제조되고 있다.
그러나, 상기 졸-겔법은 상기와 같은 매우 복잡한 공정을 거쳐야 하고, 많은 비용 및 시간이 요구되어 실리카 에어로겔의 생산성 및 경제성에 저해가 되므로, 보다 간단한 공정으로 물성이 좋은 실리카 에어로겔을 제조할 수 있는 새로운 실리카 에어로겔의 제조방법의 개발이 요구된다.
또한, 가격 경쟁력의 확보를 위하여 상압 건조 기술을 이용하는 경우, 높은 모세관력에 의해 기공구조의 수축이 일어나므로, 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도의 예측이 어려울 뿐만 아니라, 의도하는 특정의 탭 밀도를 맞추어 실리카 에어로겔을 제조하기 어려운 문제가 있는 바, 밀도의 제어가 가능한 실리카 에어로겔 제조방법의 개발이 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 한국공개특허공보 제10-2015-0093123호 (2015.08.17 공개)
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 제조 공정이 단순하여 생산성 및 경제성이 우수하며, 기계적 물성이 강화된 실리카 에어로겔을 형성하여 상압 건조시 수축에 대한 저항도를 증가시켜 저밀도의 실리카 에어로겔을 형성할 수 있고, 제1 및 제2 물유리 용액의 이산화규소 농도를 조절하여 특정의 탭 밀도를 갖는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있는 밀도의 제어가 가능한 실리카 에어로겔의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 상기의 제조방법으로 제조된 밀도가 제어된 실리카 에어로겔을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로서,
1) 반응기에 제1 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가하여 제1 실리카 습윤겔을 형성하는 단계; 2) 상기 제1 실리카 습윤겔에 제2 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가하는 단계; 3) 상기 제1 실리카 습윤겔에 표면개질제 용액을 첨가하여 제2 실리카 습윤겔을 형성하는 단계; 및 4) 상기 제1 실리카 습윤겔 및 제2 실리카 습윤겔을 포함하는 실리카 습윤겔을 건조하는 단계를 포함하고,
상기 제1 물유리 용액의 이산화규소의 농도는 3.5 내지 8.5 wt% 이고, 상기 제2 물유리 용액의 이산화규소의 농도는 0.5 내지 3.5 wt% 인 실리카 에어로겔 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 실리카 에어로겔을 제공한다.
본 발명에 따른 실리카 에어로겔 제조방법은 겔화, 용매치환 및 표면개질을 한 단계에서 동시에 수행할 수 있어 제조시간이 짧아 생산성 및 경제성이 우수하다.
또한, 제1 실리카 습윤겔을 먼저 형성한 후, 이를 기본 골격으로 하여 제2 실리카 습윤겔을 유기적으로 결합시킴으로써, 기계적 물성이 강화된 실리카 에어로겔을 형성하여 상압 건조시 수축에 대한 저항도를 증가시켜 저밀도의 실리카 에어로겔을 형성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 물유리 용액의 이산화규소 농도를 조절하여 특정의 탭 밀도를 갖는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있어 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도의 예측이 가능한 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 구체적인 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 실리카 에어로겔의 탭 밀도를 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에 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.
물유리를 이용하여 제조된 실리카 습윤겔은 기공이 용매인 물로 채워진 형태를 취하게 되며, 상기 용매를 단순히 건조하여 제거하게 되면 액상의 용매가 기상으로 기화하면서 기체/액체 계면에서의 물의 높은 표면장력으로 인한 모세관력과 용매 추출 속도 차에 의해 기공 구조의 수축 및 균열이 발생하기 쉬우며, 이는 표면적 감소 및 기공 구조의 변화를 일으키게 된다. 따라서, 상기 습윤겔의 기공 구조를 유지하기 위해서는 표면장력이 큰 물을 상대적으로 표면장력이 낮은 유기용매로 치환할 필요가 있을 뿐 아니라, 상기 습윤겔의 구조를 그대로 유지한 채로 수축 없이 습윤겔을 세척하고 건조시킬 수 있는 기술이 필요하다.
또한, 건조된 실리카 에어로겔은 건조 직후에는 낮은 열전도율을 유지하나, 실리카 표면의 실라놀기(Si-OH)의 친수성 때문에 공기 중의 물을 흡수하게 되어, 실라놀기의 축합반응으로 인한 나노 기공 구조의 수축이 일어나, 열전도율이 점차 높아지는 단점이 있다. 따라서, 낮은 열전도율을 유지하기 위해서는 실리카 에어로겔 표면을 소수성으로 개질할 필요가 있다. 이에, 표면개질제를 사용하여 실리카 에어로겔 표면을 소수성으로 개질하는 방법이 널리 이용되고 있는데, 상기 표면개질제의 높은 단가 및 표면개질 반응의 제어가 쉽지 않아 생산성이 좋지 못한 문제가 있다.
일반적으로 실리카 에어로겔의 제조는 습윤겔의 기공구조를 그대로 유지하면서 용매를 제거하는 건조 기술과 경제적으로 대량 생산하는 기술이 핵심이 된다.
이에, 본 발명은 상기 대량 생산을 위한 생산성 및 경제성이 우수하고, 실리카 에어로겔의 기계적 물성을 강화시켜 기공 구조의 수축을 방지함으로써, 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도의 제어가 가능한 실리카 에어로겔 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 에어로겔 제조방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 실리카 에어로겔 제조방법은,
1) 반응기에 제1 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가하여 제1 실리카 습윤겔을 형성하는 단계;
2) 상기 제1 실리카 습윤겔에 제2 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가하는 단계;
3) 상기 제1 실리카 습윤겔에 표면개질제 용액을 첨가하여 제2 실리카 습윤겔을 형성하는 단계; 및
4) 상기 제1 실리카 습윤겔 및 제2 실리카 습윤겔을 포함하는 실리카 습윤겔을 건조하는 단계를 포함하고,
상기 제1 물유리 용액의 이산화규소의 농도는 3.5 내지 8.5 wt% 이고, 상기 제2 물유리 용액의 이산화규소의 농도는 0.5 내지 3.5 wt% 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 단계 1)은, 제1 실리카 습윤겔을 형성하기 위한 단계로서, 구체적으로 반응기의 제1 물유리 용액에 산 촉매를 첨가하여 산성도(pH) 4 내지 7의 조건 하에서 반응시켜 수행하는 것일 수 있다.
여기에서, 상기 반응은 졸-겔 반응을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 졸-겔(sol-gel)반응은 실리카 전구체 물질로부터 망상구조를 형성시키는 것일 수 있으며, 상기 망상구조(network structure)는 원자 배열이 1 종 혹은 그 이상의 종류로 되어 있는 어떤 특정한 다각형이 이어진 평면 그물 모양의 구조 또는 특정 다면체의 정점, 모서리, 면 등을 공유하여 3 차원 골격구조를 형성하고 있는 구조를 나타내는 것일 수 있다.
상기 제1 실리카 습윤겔은 본 발명의 제조방법이 최종적으로 제조하고자 하는 실리카 에어로겔의 기본 골격이자, 상기 망상구조의 뼈대가 되는 실리카 구조체로서의 역할을 할 수 있다. 본 발명은 상기 제1 실리카 습윤겔을 기본 골격으로 하여 제2 실리카 습윤겔을 이에 유기적으로 결합함으로써, 기계적으로 보다 안정한 실리카 에어로겔을 제조할 수 있으며, 이로 인해 건조 공정시 기공의 수축을 보다 잘 견딜 수 있게 되어, 밀도의 효과적인 제어가 가능한 것이다.
상기 제1 물유리 용액은 물유리에 증류수를 첨가하고 혼합한 희석용액을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 물유리는 이산화규소(SiO2)와 알칼리를 융해해서 얻은 규산 알칼리염인 소듐 실리케이트(sodium silicate, Na2SiO3)일 수 있다.
상기 산 촉매는 상기 반응(졸-겔 반응)이 용이하게 진행될 수 있도록 반응환경을 조성하는 역할을 하는 것일 수 있으며, 예컨대 전술한 산성도(pH)가 되도록 반응환경을 조절하는 것일 수 있다.
상기 산 촉매는 제1 물유리 용액 내 이산화규소 대비 0.2 내지 1.5, 보다 구체적으로는 0.5 내지 1 의 몰비로 첨가하는 것이거나, 전술한 범위의 산성도(pH)가 되는 양으로 첨가하는 것일 수 있다.
상기 산 촉매로는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 염산, 질산, 아세트산, 황산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로 아세트산일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 단계 1)의 반응 후 제조된 제1 실리카 습윤겔을 숙성하는 단계를 더 수행하는 것일 수 있다.
상기 숙성은 50 내지 90 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 방치시켜 수행하는 것일 수 있다. 본 발명의 제조방법은 제1 실리카 습윤겔 제조 후 상기의 숙성을 거침으로써 상기 제1 실리카 습윤겔 내 망상구조를 더 견고하게 형성시킬 수 있어, 기계적 안정성이 강화된 기본 골격으로서의 역할에 최적화시킬 수 있다.
또한, 상기 숙성된 제1 실리카 습윤겔을 분쇄시키는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 분쇄 공정을 더 수행하는 것은 제2 물유리 용액이 제1 실리카 습윤겔과 보다 잘 혼합되어 반응하게 하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 단계 2)는, 제2 실리카 습윤겔을 형성하기 위한 준비 단계일 수 있다. 구체적으로 상기 제조된 제1 실리카 습윤겔에 제2 실리카 습윤겔의 전구체가 되는 제2 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가하고, 교반시켜 제1 실리카 습윤겔이 분산된 용액을 제조하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 밀도가 제어 가능한 실리카 에어로겔을 제조하기 위하여서는 기본 골격의 역할을 수행하는 제1 실리카 습윤겔을 먼저 제조 후, 이에 제2 실리카 습윤겔을 유기적으로 결합시켜 기계적으로 보다 안정한 실리카 습윤겔을 형성하여 건조 공정시 기공 구조의 수축에 저항도를 높여야 할 필요가 있는 바, 상기 제1 및 제2 실리카 습윤겔의 실리카 전구체인 제1 및 제2 물유리 용액의 농도비를 적절한 범위로 조절할 필요가 있다.
따라서, 상기 제1 물유리 용액은 이산화규소를 3.5 내지 8.5 wt% 로 함유하고 있는 것일 수 있다. 만약, 상기 제1 물유리 용액 내 이산화규소가 상기 범위보다 낮은 함량으로 함유된 경우에는 본 발명의 실리카 에어로겔의 기본 골격 역할을 하는 제1 실리카 습윤겔이 제대로 형성되지 못하여 기계적 및 구조적 안정성이 저하될 수 있으며, 이산화규소가 상기 범위보다 높은 함량으로 함유된 경우에는 제조된 제1 실리카 습윤겔의 비표면적이 지나치게 저하되고, 밀도가 크게 증가될 수 있다.
또한, 상기 제2 물유리 용액은 이산화규소를 0.5 내지 3.5 wt% 로 함유하고 있는 것일 수 있다. 만약, 상기 제2 물유리 용액 내 이산화규소가 상기 범위보다 낮거나 높은 함량으로 함유된 경우에는 본 발명의 밀도의 제어가 가능한 범위를 벗어나게 되어 최종 형성되는 실리카 에어로겔의 밀도의 예측이 어려워 본 발명이 목적하는 효과를 얻을 수 없는 문제가 있을 수 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명은 상기 특정 농도를 갖는 제1 및 제2 물유리 용액을 사용하는 경우, 0.03 내지 0.10 g/ml, 보다 구체적으로는 0.04 내지 0.08 g/ml 의 탭 밀도를 갖는 실리카 에어로겔을 생성할 수 있으며, 이때의 오차범위는 10 % 인 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 제조방법은 상기 제1 및 제2 물유리 용액의 이산화규소 농도를 특정의 범위로 조절함으로써, 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도가 사용한 제1 및 제2 물유리 용액의 이산화규소 농도와 선형 관계에 있는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있다.
다시 말해, 본 발명은 특정 물유리 농도를 갖는 상기 제1 및 제2 물유리 용액을 사용함으로써, 생성되는 실리카 습윤겔의 기계적 물성을 안정시켜 건조 공정에 의해 일어날 수 있는 수축에 대한 저항도를 높임으로써, 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도를 예측할 수 있고, 의도하는 특정의 탭 밀도에 맞추어 실리카 에어로겔을 제조할 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명의 상기 제1 물유리 용액 및 제2 물유리 용액의 이산화규소의 농도비는 1 : 1 내지 10 : 1 이 되도록 조절할 수 있다. 상기 제2 물유리 용액의 농도가 상기 범위보다 낮은 경우, 구조 강화 정도가 약해 건조 공정시 기공의 수축에 의해 탭밀도가 높아질 수 있으며, 상기 제2 물유리 용액의 농도가 상기 범위보다 높은 경우, 기본 골격의 역할을 수행하는 제1 실리카 습윤겔의 비율이 낮아져 기계적으로 보다 안정한 구조의 형성이 어려울 수 있으며, 결과적으로, 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도 예측가능성이 떨어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 단계 2)에서 첨가하는 산 촉매는 후술하는 표면개질제 용액 내 표면개질제와 반응하여 표면개질제의 분해를 활성화시키는 역할을 하는 것일 수 있으며, 이에 표면개질 반응을 향상시킬 수 있고, 암모니아 생성을 촉진시켜 pH를 상승시킴으로써 겔화를 유도할 수 있다. 상기 단계 2)에서 첨가하는 산 촉매는 특별히 제한되는 것은 아니며, 단계 1)에서 첨가하는 산 촉매와 동일 또는 상이한 것일 수 있고, 구체적으로는 질산일 수 있으며, 이때 산 촉매는 제2 물유리 용액 내 이산화규소 대비 1 내지 3 의 몰비로 첨가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 단계 3)은 제2 실리카 습윤겔을 형성하기 위한 단계로서, 상기 제1 실리카 습윤겔이 분산된 용액에 표면개질제 용액을 첨가하고 반응시켜 수행할 수 있다.
상기 표면개질제 용액은 비극성 유기용매에 표면개질제를 첨가하고 혼합하여 제조된 것일 수 있으며, 이때 상기 표면개질제 용액 내 표면개질제 농도는 0.1 내지 4 M인 것일 수 있다. 즉, 상기 표면개질제 용액은 비극성 유기용매에 표면개질제를 0.1 내지 4 M가 되는 양으로 첨가한 후 혼합하여 제조된 것일 수 있다.
상기 표면개질제는 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane, TMCS), 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane, HMDS), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 트리메틸에톡시실란(trimethylethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 및 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로는 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane, HMDS)일 수 있다.
상기 비극성 유기용매는 헥산, 헵탄, 톨루엔 및 크실렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것일 수 있다.
또한, 상기 표면개질제 용액은 제1 물유리 용액의 이산화규소 대비 표면개질제가 0.05 내지 20, 보다 구체적으로는 0.5 내지 5 의 몰비가 되는 양으로 첨가하는 것일 수 있다. 만약, 상기 표면개질제 용액을 몰비가 0.05 미만인 비율이 되는 양으로 첨가하는 경우에는 상대적으로 물유리 용액 내 실라놀기(Si-OH)보다 이와 반응할 수 있는 표면개질제의 양이 적어 표면개질 반응성이 저하될 뿐 아니라 표면개질이 용이하게 이루어지지 않을 수 있으며, 이에 건조 시 표면개질되지 않은 실라놀기가 축합반응을 일으켜 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 기공크기가 작아지고 다공성을 이루지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 표면개질제 용액을 몰비가 20을 초과하는 비율이 되는 양으로 첨가하는 경우에는 표면개질 반응에 참여하지 않는 잔여 표면개질제가 다량 존재하게 되고, 고가의 표면개질제가 낭비되어 경제성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 단계 2) 및 단계 3)은 동시 또는 순차적으로 수행하는 것일 수 있다. 즉, 제2 물유리 용액, 산 촉매 및 표면개질제 용액을 동시에 반응기에 첨가하거나, 제2 물유리 용액 및 산 촉매를 반응기에 첨가한 후, 표면개질제 용액을 첨가하는 것일 수 있다.
그러나 보다 구체적으로, 상기 표면개질제 용액은 제2 물유리 용액 및 산 촉매를 반응기에 첨가한 후, 상기 반응기 내 온도가 25 내지 95 ℃에 도달한 시점에 첨가하는 것일 수 있다.
제1 실리카 습윤겔에 제2 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가한 경우에는, 이들은 제1 실리카 습윤겔과 반응하지 않으나, 이후 표면개질제 용액을 첨가하게 되면, 상기 산 촉매에 의해 표면개질제의 분해가 일어나고 암모니아가 발생하면서 pH를 끌어올려 겔화 반응이 시작된다. 즉 표면개질제 용액을 첨가한 이후 수 분 내에 제2 물유리 용액의 겔화가 시작되므로, 열역학적 측면에서 반응기 내부 온도를 높인 상태에서 표면개질제 용액을 첨가하는 것이 빠른 겔화 및 표면개질에 더욱 효과적이기 때문이다.
즉, 반응기에 제2 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가한 후 반응기 내 온도를 상기 범위로 상승시키고 난 후에 상기 표면개질제 용액을 첨가하여 반응을 진행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 반응기는 교반기가 있는 반응기일 수 있으며, 상기 반응은 교반을 하면서 수행하는 것일 수 있다. 상기 교반은 특별히 제한되는 것은 아니나 예컨대 50 rpm 내지 700 rpm의 속도로 교반시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 단계 3)은 겔화, 용매치환 및 표면개질이 동시에 수행될 수 있다.
구체적으로, 산 촉매를 포함하는 제2 물유리 용액과 표면개질제 용액은 혼합하여 반응함으로써 상기 산 촉매에 의하여 표면개질제 용액 내 표면개질제의 분해가 활성화되어 암모니아 생성이 증가할 수 있으며, 이에 상기 암모니아에 의하여 반응기 내 pH가 상승하게 되어 염기성 환경을 조성할 수 있어 제2 물유리 용액의 겔화를 유도할 수 있다.
뿐만 아니라, 표면개질제 용액에 포함된 비극성 유기용매에 의하여 제2 실리카 습윤겔의 용매 치환이 이루어질 수 있으며, 동시에 제2 실리카 습윤겔의 표면개질 반응이 촉진될 수 있고, 상기 표면개질제 용액은 기 제조된 제1 실리카 습윤겔로 확산되어, 제1 실리카 습윤겔의 용매 치환 및 표면개질 반응도 촉진시킬 수 있다.
제2 실리카 습윤겔의 제조에서와 같이 겔화, 표면개질이 동시에 이루어지는 경우, 겔화 이후 표면개질이 순차적으로 이루어지는 공정에 비해 표면개질 반응 효율이 높아 높은 소수성을 갖는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있는 이점도 있을 수 있다.
따라서, 상기 단계 3)에서는, 기 제조된 제1 실리카 습윤겔을 기본 골격으로 하여 제2 물유리 용액의 겔화에 의해 제2 실리카 습윤겔이 형성되며, 그와 동시에 용매치환 및 표면개질이 이루어져, 제1 실리카 습윤겔을 기본 골격으로 하여 제2 실리카 습윤겔이 유기적으로 결합된 구조의 소수성의 실리카 습윤겔을 형성할 수 있다.
본 발명의 제조방법은 이와 같이 복수의 단계를 통하여 실리카 습윤겔 구조를 형성함으로써, 한 번에 실리카 습윤겔 구조를 형성하는 것과 비교하여 기계적 물성을 보다 강화시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제조방법은 상기 겔화 및 표면개질 반응을 더욱 촉진시키기 위하여 상기 단계 3) 중에 수산화암모늄을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 수산화암모늄은 반응에 사용되는 표면개질제 용액 전량을 반응기에 첨가한 후 첨가하는 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 상기 수산화암모늄은 상기 표면개질제 용액 전량을 반응기에 첨가한 후, 반응기 내 pH가 5 내지 10에 도달한 시점에 첨가하여 반응에 참여시키거나, 용매치환이 이루어진 시점 이후에 첨가하여 반응에 참여시키는 것일 수 있다.
이때, 상기 pH가 도달한 시점은 제2 물유리 용액 내 이산화규소의 농도에 따라 달라질 수 있으며, 예컨대 제2 물유리 용액 내 이산화규소의 농도가 1.5 내지 2.5 중량%인 경우 표면개질제 용액 전량을 반응기에 첨가한 직후부터 30±3분인 시점인 것일 수 있다.
또한, 상기 용매치환이 이루어진 시점은 실리카 습윤겔 내 기공을 채우고 있는 액체가 물에서 사용된 유기 용매로 치환된 시점을 나타내는 것으로, 반응 진행 중 생성된 실리카 습윤겔을 추출하여 물 상 또는 유기 용매 상에 넣었을 때의 분산 유무로 확인할 수 있다.
또한, 상기 수산화암모늄의 첨가량은 다른 부가반응으로 인한 문제를 일으키지 않는 내에서 겔화 및 표면개질 반응을 용이하게 이루어질 수 있는 양이면 특별히 제한되지 않으나, 예컨대 수산화암모늄 첨가 전 반응기 내 pH 대비 첨가 후 반응기 내 pH가 5% 내지 57% 상승하는 양으로 첨가하는 것일 수 있다. 예를 들어, 수산화 암모늄 첨가 전 반응기 내 pH가 7인 경우, 상기 수산화암모늄은 반응기 내 pH가 7.35 내지 11가 되는 양으로 첨가하는 것일 수 있다.
구체적으로는, 상기 수산화암모늄은 상기 pH 범위로 조절하는 양 내에서 제1 물유리 용액의 이산화규소 대비 0.5 내지 25의 몰비가 되는 양으로 첨가하는 것일 수 있다.
이렇듯 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법은 상기 단계 3)의 반응 중에 수산화암모늄을 추가로 첨가하여 반응에 참여시킴으로써 표면개질 반응을 향상시킬 수 있으며, 이에 고가의 표면개질제를 다량으로 사용하지 않고도 높은 소수성을 갖는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 단계 4)는 실리카 에어로겔을 형성하기 위하여, 상기 제1 실리카 습윤겔 및 제2 실리카 습윤겔을 포함하는 실리카 습윤겔을 건조시키는 단계를 수행할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 건조 전 세척하는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 세척은 반응 중 발생된 불순물(나트륨 이온, 미반응물, 부산물 등)을 제거하여, 고순도의 소수성의 실리카 에어로겔을 얻기 위한 것으로 비극성 유기용매를 이용한 희석공정 또는 교환공정으로 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 희석공정은 용매 희석공정을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 단계 3)의 표면개질 반응 후 반응기에 비극성 유기용매를 추가로 투입하여 반응기 내 비극성 유기용매가 과량 존재하게 하여 수행하는 것일 수 있다. 또한, 상기 교환공정은 용매 교환공정을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 단계 3)의 표면개질 반응 후 반응기 내 수용액 층을 배출시킨 후 비극성 유기용매를 투입하고 다시 분리된 수용액 층을 배출시키는 과정을 수 차례 반복하여 수행하는 것일 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 제1 실리카 습윤겔 및 제2 실리카 습윤겔을 포함하는 실리카 습윤겔에 추가적으로 비극성 유기용매를 첨가하고, 20 분 내지 1 시간 동안 교반하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법의 상기 건조 단계는 초임계 건조 공정 또는 상압 건조 공정에 의할 수 있으나, 보다 구체적으로는 100 내지 190 ℃의 온도 조건 하에서 1 내지 4시간 동안 상압 건조 공정을 이용하여 수행하는 것일 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조방법은 고가의 고압 장치가 필요하지 않아 기존의 초임계 공정에 비해 적은 제조 비용으로 6 시간 내의 짧은 시간 동안 건조시킬 수 있어, 실리카 에어로겔의 생산성 및 경제성을 높일 수 있는 이점이 있다.
상기 상압 건조 공정에 의하는 경우, 높은 모세관력과 용매 추출 속도 차에 의해 기공 구조의 수축 및 균열이 발생하기 쉬운 단점이 있을 수 있으나, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 실리카 에어로겔은 특히 기계적 물성이 강화되어 습윤겔의 구조를 그대로 유지한 채로 수축 없이 습윤겔을 건조시킬 수 있는 바, 상기 상압 건조 공정의 단점도 해결할 수 있으며, 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도의 예측가능성이 높다는 점에서 의의가 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 소수성의 실리카 에어로겔을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소수성의 실리카 에어로겔은 0.03 내지 0.10 g/ml, 보다 구체적으로는 0.04 내지 0.08 g/ml 의 탭 밀도를 갖는 것일 수 있는 바, 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도의 예측이 가능하여 의도하는 특정의 탭 밀도를 갖는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 실리카 에어로겔 제조방법은 제1 물유리 용액을 사용하여 제1 실리카 습윤겔을 먼저 형성한 후, 추가적으로 제2 물유리 용액을 첨가하여 상기 제1 실리카 습윤겔을 기본 골격으로 하여 이에 유기적으로 결합된 제2 실리카 습윤겔을 제조함으로써, 기계적 물성이 강화된 실리카 에어로겔을 형성하여 상압 건조시 수축에 대한 저항도를 증가시키고, 상기 제1 및 제2 물유리 용액의 농도를 특정 범위로 조절하여 사용하는 경우, 특정의 탭 밀도를 갖는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있는 밀도의 제어가 가능한 효과가 있는 바, 관련 산업 분야에서의 광범위한 활용이 기대된다.
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 1
반응기에 4 wt%(이산화규소 함량)의 제1 물유리 용액(물유리 12.5 g) 및 아세트산 1.5 ml을 넣고, 겔화시켜 제1 실리카 습윤겔을 형성한 후, 50 ℃ 의 오븐에서 상기 제1 실리카 습윤겔을 숙성시켰다. 그 후, 분쇄기를 이용하여 상기 제1 실리카 습윤겔을 분쇄하여 제1 실리카 습윤겔 슬러리를 준비하였다.
상기 제1 실리카 습윤겔 슬러리에 1 wt% 제2 물유리 용액(물유리 3.5 g) 및 질산 10 g 을 넣고, 55 ℃ 의 반응기에서 교반하여 온도를 유지시켰다.
이후, n-헥산 200 ml에 헥사메틸디실라잔(HMDS) 23 g을 첨가하고 교반하여 제조한 표면개질제 용액을 첨가하여 제2 실리카 습윤겔을 제조하는 반응을 진행 시켰다. 반응 시작 후, 수용액층에 있는 실리카 습윤겔이 표면개질되어 상단의 n-헥산의 유기용매층으로 떠오른 후에, 표면개질 정도를 조절하기 위하여 수산화암모늄 3 ml을 표면개질제 용액을 첨가한 이후 30 분에 첨가하였다. 표면개질이 완료되어 소수성의 실리카 습윤겔이 n-헥산의 유기 용매층으로 완전히 떠오르면, 추가적으로 n-헥산 200 ml을 넣어준 후, 반응기 하부에 남아 있는 수용액층을 반응기 outlet을 이용하여 배출시키고, 2 시간 후 n-헥산층에 분산되어 있는 실리카 습윤겔을 150 ℃의 강제순환건조기에서 6 시간 동안 완전 건조시켜 소수성의 실리카 에어로겔을 제조하였다.
실시예 2 내지 15
제1 및 제2 물유리 용액, 아세트산 및 질산을 하기 표 1에서 기재한 양으로 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔을 제조하였다.
비교예 1 내지 9
제1 및 제2 물유리 용액, 아세트산 및 질산을 하기 표 1에서 기재한 양으로 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로겔을 제조하였다.
실험예 1: 탭 밀도 측정
상기 실시예 1 내지 15 및 비교예 1 내지 9 에서 제조한 각 소수성의 실리카 에어로겔의 물성 비교 분석을 위하여, 각 에어로겔의 탭 밀도(tap density, g/ml)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
1) 탭 밀도(tap density, g/ml)
탭 밀도는 탭 밀도 측정기(STAV II, Engelsmann AG)를 이용하여 측정하였다. 구체적으로, 상기 각 에어로겔을 규격화된 실린더(25 ml)에 넣어 무게를 잰 후, 상기 실린더를 탭 밀도 측정기에 고정하고 noise damping Hood을 닫고 2500회 tapping을 설정하였다. Tapping 측정이 끝난 후 실린더 내 각 에어로겔의 부피를 재고, 앞서 잰 무게와의 비율로 계산하여 밀도를 측정하였다.
제1 실리카 습윤겔형성 단계 제2 실리카 습윤겔형성 단계 표면개질제(g) tap density(g/ml)
이산화규소(중량%) 아세트산(g) 이산화규소(중량%) 질산(g)
비교예 1 2 1.5 1 10 23 0.055
비교예 2 2 1.5 2 11 23 0.060
비교예 3 2 1.5 3 12 23 0.061
비교예 4 3 2 1 10 23 0.064
비교예 5 3 2 2 11 23 0.072
비교예 6 3 2 3 12 23 0.070
실시예 1 4 3 1 10 23 0.032
실시예 2 4 3 2 11 23 0.043
실시예 3 4 3 3 12 23 0.048
실시예 4 5 3.6 1 10 23 0.047
실시예 5 5 3.6 2 11 23 0.051
실시예 6 5 3.6 3 12 23 0.049
실시예 7 6 4.6 1 10 23 0.053
실시예 8 6 4.6 2 11 23 0.059
실시예 9 6 4.6 3 12 23 0.069
실시예 10 7 5.6 1 10 23 0.062
실시예 11 7 5.6 2 11 23 0.072
실시예 12 7 5.6 3 12 23 0.078
실시예 13 8 5.9 1 10 23 0.070
실시예 14 8 5.9 2 11 23 0.079
실시예 15 8 5.9 3 12 23 0.084
비교예 7 9 6.5 1 10 23 0.110
비교예 8 9 6.5 2 11 23 0.128
비교예 9 9 6.5 3 12 23 0.111
상기 표 1 및 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 의하여 제조된 실시예 1 내지 15의 소수성의 실리카 에어로겔의 탭 밀도는 사용한 제1 및 제2 물유리 용액의 이산화규소 농도와 선형 관계에 있는 것을 확인할 수 있다.
반면, 제1 및 제2 물유리 용액의 이산화규소 농도가 본 발명의 특정 범위를 벗어난 비교예 1 내지 9의 소수성의 실리카 에어로겔의 경우, 소수성 실리카 에어로겔의 탭 밀도가 사용한 제1 및 제2 물유리 용액의 이산화규소 농도와 선형 관계에 있지 않은 것을 확인할 수 있다.
상기의 결과는, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 실리카 에어로겔의 기계적 물성이 강화된 것에 의해 나타나는 효과이자, 사용하는 제1 및 제2 물유리 용액의 농도를 특정 범위로 조절한 것에 의해 나타난 효과로서, 본 발명의 제조방법에 의하는 경우, 최종 생성되는 실리카 에어로겔의 탭 밀도를 예측할 수 있고, 의도하는 특정의 탭 밀도에 맞추어 실리카 에어로겔을 제조할 수 있음을 나타내는 것이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

1) 반응기에 제1 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가하여 제1 실리카 습윤겔을 형성하는 단계;
2) 상기 제1 실리카 습윤겔에 제2 물유리 용액 및 산 촉매를 첨가하는 단계;
3) 상기 제1 실리카 습윤겔에 표면개질제 용액을 첨가하여 제2 실리카 습윤겔을 형성하는 단계; 및
4) 상기 제1 실리카 습윤겔 및 제2 실리카 습윤겔을 포함하는 실리카 습윤겔을 건조하는 단계를 포함하고,
상기 제1 물유리 용액의 이산화규소의 농도는 3.5 내지 8.5 wt% 이고, 상기 제2 물유리 용액의 이산화규소의 농도는 0.5 내지 3.5 wt% 인 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 물유리 용액 및 제2 물유리 용액의 이산화규소의 농도비는 1 : 1 내지 10 : 1 인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 실리카 에어로겔은 0.03 내지 0.10 g/ml의 탭 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 산 촉매는 염산, 질산, 아세트산, 황산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서
상기 단계 1) 이후, 상기 제1 실리카 습윤겔을 숙성 및 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 표면개질제 용액은 비극성 유기용매에 표면개질제를 첨가한 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 표면개질제는 트리메틸클로로실란(Trimethylchlorosilane, TMCS), 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane, HMDS), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 트리메틸에톡시실란(trimethylethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 및 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 비극성 유기용매는 헥산, 헵탄, 톨루엔 및 크실렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 표면개질제 용액은 제1 물유리 용액의 이산화규소 대비 표면개질제가 0.05 내지 20의 몰비가 되는 양으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3)에서 겔화, 용매치환 및 표면개질이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 실리카 습윤겔은 제1 실리카 습윤겔을 기본 골격으로 하여 이에 유기적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3) 중에, 수산화암모늄(ammonium hydroxide, NH4OH)을 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 수산화암모늄은 제1 물유리 용액의 이산화규소 대비 0.5 내지 25의 몰비가 되는 양으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 제조방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 실리카 에어로겔.
제14항에 있어서,
상기 실리카 에어로겔은 0.03 내지 0.10 g/ml의 탭 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔.
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