KR100311458B1 - Method of producing organic aerogel microsphere - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자형태의 유기 에어로겔의 제조방법에 관한 것으로서, 페놀릭-퍼퍼랄, 레소시놀-포름알데히드, 멜라민-포름알데히드, 카테콜-포름알데히드, 페놀-레소시놀-포름알데히드, 플로로그루시놀-포름알데히드 또는 페놀-포름알데히드 등과 같은 다기능성 단량체를 사용하여 임계조건 근처에서 온도와 압력에 따라 용해도가 변하는 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 단일공정으로 졸-에멀젼-겔 중합, 용매 치환, 초임계 건조의 전 공정을 수행하여 초단열용 재료로 유용한 입자형태의 유기 에어로겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing an organic aerogel in the form of particles, which includes phenolic-peralal, resorcinol-formaldehyde, melamine-formaldehyde, catechol-formaldehyde, phenol-resosocinol-formaldehyde, and fluorolog. Multifunctional monomers such as rucinol-formaldehyde or phenol-formaldehyde are used to prepare sol-emulsion-gel polymerization and solvent substitution in a single process using supercritical carbon dioxide whose solubility varies with temperature and pressure in the vicinity of critical conditions. In addition, the present invention relates to a method for preparing an organic airgel in the form of particles useful as a material for superheat insulation by carrying out the entire process of supercritical drying.

Description

입자형태의 유기 에어로겔의 제조방법{Method of producing organic aerogel microsphere}Method for producing organic airgel in the form of particles {Method of producing organic aerogel microsphere}

본 발명은 입자형태의 유기 에어로겔의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔과 같은 유기 에어로겔을 임계조건 근처에서 온도와 압력에 따라 용해도가 변하는 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 졸-에멀젼-겔 방법 및 초임계 건조를 통해 단일공정으로 입자형태로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an organic aerogel in the form of particles, and more particularly, to an organic aerogel such as a phenolic-perforated aerogel, the supercritical carbon dioxide whose solubility varies with temperature and pressure near a critical condition in a reaction continuous phase. To a sol-emulsion-gel method and a method for preparing the particles in a single process through supercritical drying.

에어로겔은 저밀도이면서 높은 다공성으로 인해 매우 큰 내부 표면적을 가지고 있는 물질로서, 1931년 Kistler에 의해 처음으로 만들어졌다. 이러한 에어로겔은 단열재로 사용되고 있는 기존의 CFC 블로운(blown) 폴리우레탄 폼 또는 무기계 단열재 등의 대체 재료로 사용될 수 있고, 화학 촉매, 이온교환수지, 입자 가속기, 소음제거, 압전소자, 단열유리 및 방출조절 약품 소재 등 다양한 응용 범위를 가지고 있다.Aerogels are materials that have a very large internal surface area due to their low density and high porosity, and were first created by Kistler in 1931. These aerogels can be used as alternative materials, such as conventional CFC blown polyurethane foams or inorganic insulations, which are used as insulation, and can be used as chemical catalysts, ion exchange resins, particle accelerators, noise reduction, piezoelectric elements, insulating glass and release It has a wide range of applications, including controlled pharmaceutical materials.

기존의 폼 단열재는 비교적 밀도가 크기 때문에 100㎏/㎥이하의 저밀도용으로는 사용될 수 없고, 기공 크기가 커서 열전도도를 낮추는데 한계가 있으므로, 초단열용 재료로는 사용이 어려웠다.Conventional foam insulation can not be used for low density of less than 100㎏ / ㎥ because of the relatively high density, because the pore size is limited to lower the thermal conductivity, it was difficult to use as a material for ultra-insulation.

이를 위해 단열용 재료로서 무기 및 유기 에어로겔의 연구가 진행되고 있다.To this end, research into inorganic and organic aerogels is being conducted as a heat insulating material.

무기 에어로겔 중 실리카계 에어로겔은 산 또는 염기 촉매하에서 테트라메톡시실란(tetramethoxy silane, TMOS) 또는 테트라에톡시실란(tetraethoxy silane, TEOS)의 가수분해와 축중합 반응을 거쳐 초임계 건조에 의해 제조된다.Silica-based airgels in inorganic airgels are prepared by supercritical drying through hydrolysis and polycondensation reactions of tetramethoxy silane (TMOS) or tetraethoxy silane (TEOS) under acid or base catalysts.

산촉매를 사용하는 경우 선형 또는 약간의 가교된 고분자가 형성되고 이들의 얽힘에 의해 겔이 형성되며, 염기 촉매의 경우 가교된 고분자에 의한 콜로이드 형태의 겔을 형성한다.In the case of using an acid catalyst, linear or slight crosslinked polymers are formed and gels are formed by entanglement thereof, and in the case of a base catalyst, a colloidal gel is formed by the crosslinked polymer.

이러한 실리카계 에어로겔은 높은 기공도와 매우 작은 기공 크기(100㎚ 이하)를 가지고 있어 열전도도를 낮추는 효과가 있다.The silica-based airgel has high porosity and very small pore size (100 nm or less), thereby lowering thermal conductivity.

지금까지의 무기 에어로겔 중에서 단열효과가 가장 우수한 실리카 에어로겔은 상온, 공기 중에서 밀도가 120㎏/㎥일 때 총괄 열전도도가 0.013W/m·K로서 기존의 섬유나 폼 형태의 단열재보다 약 2배 이상의 단열 효과를 보이고 있다.Among the inorganic airgels, silica airgels with the highest thermal insulation effect have a total thermal conductivity of 0.013 W / m · K at a density of 120 kg / m3 at room temperature and air. Insulation effect is shown.

하지만 유기 에어로겔에 비해서는 일반적으로 단열 성능이 떨어지며 구조면에서도 깨지기 쉬운 취약한 점을 보이고 있다. 또한 저밀도용 응용을 위해서는 원자번호가 8이하여야 하는데, 실리카계 에어로겔은 규소(Si)의 원자번호가 14로서, 유기 에어로겔에 비해 고밀도와 높은 열전도도를 가지게 된다. 반면, 에어로겔의 경우 구조의 대부분을 구성하고 있는 탄소의 원자번호가 6이며, 나머지 원소인 수소, 산소도 1과 8로, 작은 셀 및 기공 크기를 갖기에 적합하고 무기 에어로겔에 비해 낮은 열전도도를 가지므로 초단열 재료로의 응용에 더욱 적합하다.However, compared with organic aerogels, the thermal insulation performance is generally poor and fragile in terms of structure. In addition, for low density applications, the atomic number should be 8 or less. Silica-based airgel has an atomic number of silicon (Si) of 14, which has higher density and higher thermal conductivity than organic airgel. On the other hand, in the case of aerogels, the atomic number of carbon constituting most of the structure is 6, and the remaining elements of hydrogen and oxygen are 1 and 8, which are suitable for small cell and pore size, and have lower thermal conductivity than inorganic airgel. Because of this, it is more suitable for the application to the super insulation material.

이러한 유기 에어로겔은 최근에 와서야 개발되기 시작했으며, 1984년 미국의 L.L.N.L(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 시작되었다. 이중 레소시놀-포름 알데히드계(resorcinol-formaldehyde) 에어로겔은 무기 에어로겔과 가장 유사한 구조를 가지며 이산화탄소를 초임계 유체로 사용하여 저온에서 용매를 추출하여 구조의 변형없이 에어로겔을 만들게 되었다.This organic airgel was only recently developed and started in 1984 at the Lawrence Livermore National Laboratory (L.L.N.L) in the United States. Dual resorcinol-formaldehyde aerogels have the most similar structure to inorganic aerogels and use carbon dioxide as a supercritical fluid to extract solvents at low temperature to form aerogels without modification of the structure.

레소시놀-포름알데히드계 유기 에어로겔은 미국 특허 제4,873,218호 및 미국 특허 4,997,804호에 개시된 바와 같이 R.W. Pekala에 의해 발명되었고, 멜라민-포름알데히드(melamine-formaldehyde) 유기 에어로겔도 미국 특허 제5,081,163호, 제5,086,085호에 개시된 바와 같이 R.W. Pekala에 의해 발명되었다.Resorcinol-formaldehyde-based organic aerogels are described in R.W. as disclosed in US Pat. No. 4,873,218 and US Pat. No. 4,997,804. Invented by Pekala, melamine-formaldehyde organic aerogels are also described in R.W. No. 5,081,163, 5,086,085. Invented by Pekala.

이와같은 레소시놀-포름알데히드 에어로겔의 제조방법을 간략히 도 1a에 나타내었다.A method of preparing such resorcinol-formaldehyde aerogel is briefly shown in FIG. 1A.

미국특허 제5,476,878호 및 제5,556,829호에는 페놀릭-퍼퍼랄-알코올(phenolic-furfural-alcohol) 용액으로부터 졸-겔 방법에 의해 제조된 모노리드 형태의 유기 에어로겔에 대하여 개시되어 있다.U.S. Pat.Nos. 5,476,878 and 5,556,829 disclose organic monogels in monolithic form prepared by the sol-gel method from phenolic-furfural-alcohol solutions.

페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔은 이산화탄소와 친한 알코올에서 반응이 일어나기 때문에 도 1a에 나타낸 바와 같은 레소시놀-포름알데히드나 멜라민-포름알데히드 반응에서 필요한 용매를 아세톤으로 치환하는 공정을 생략하므로 공정의 단순화를 이룩할 수 있다.Since phenolic-perforated aerogels react with carbon dioxide and intimate alcohols, the simplification of the process is omitted by eliminating the process of substituting acetone for the solvent required in the resorcinol-formaldehyde or melamine-formaldehyde reaction as shown in FIG. It can be achieved.

그런데, 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔을 모노리드 형태보다 입자형태로 제조하는 것이 많은 잇점을 가지는 바, 예를 들면, 에너지 저장 응용분야에서 입자형태로 제조하므로 복합체 전극의 기계적 탄성을 증가시킬 수 있으며, 적절한 바인더를 사용함으로 기존의 'AA', 'C', 'D' 셀들과 유사한 '젤리 롤(jelly roll)' 셀과 같은 저전압, 단일 셀로도 응용될 수 있다. 또한, 공기 여과 및 의료용 응용분야에서 이용될 수 있다.However, the manufacturing of phenolic-perforated aerogels in the form of particles rather than in the monolithic form has many advantages, for example, in the form of particles in energy storage applications can increase the mechanical elasticity of the composite electrode, By using a suitable binder, it can be applied to a low voltage, single cell, such as a 'jelly roll' cell similar to the existing 'AA', 'C', 'D' cells. It can also be used in air filtration and medical applications.

또한, 공정측면에서도 회분식(batch) 공정에서 제조되는 모노리드 형태와 달리 입자형태는 회분식 및 반연속식(semicontinuous) 공정을 통해 제조할 수 있어 실제 공정 적용에 유리하며, 흐름성이 우수하여 이송이 용이하다.In addition, unlike the monolithic form produced in the batch process, the particle form can be produced through the batch and semicontinuous process, which is advantageous for the actual process application, and the flowability is excellent due to the excellent flowability. It is easy.

본 발명의 목적은 환경에 유해한 용매를 사용하는 기존의 유기 에어로겔 제조방법과는 달리 친환경 용매인 초임계 이산화탄소를 용매로 하여 졸-에멀젼-겔 방법을 통해 모노리드 형태가 아닌 입자형태로 유기 에어로겔을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.The object of the present invention is to prepare organic aerogels in the form of particles rather than monolithic particles through the sol-emulsion-gel method, using supercritical carbon dioxide, which is an environmentally friendly solvent, as a solvent, unlike conventional organic airgel production methods using solvents that are harmful to the environment. It is to provide a method of manufacturing.

또한 초임계 이산화탄소의 임계조건 이상에서 온도와 압력에 따른 용해도 변화를 이용하여 단일공정으로 졸-에멀젼-겔 중합, 용매 치환 및 초임계 건조가 연속적으로 가능한 공정을 확립하는 데도 그 목적이 있다.It is also aimed at establishing a process in which sol-emulsion-gel polymerization, solvent substitution, and supercritical drying are continuously possible in a single process by using solubility change according to temperature and pressure above the critical condition of supercritical carbon dioxide.

도 1a는 기존의 레소시놀-포름알데히드 에어로겔 입자를 제조하는 개략적인 공정도이고,Figure 1a is a schematic process diagram for preparing the conventional resorcinol-formaldehyde airgel particles,

도 1b는 본 발명에 따른 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자의 제조 방법을 설명하는 개략도이고,1B is a schematic diagram illustrating a method for preparing phenolic-perforated airgel particles according to the present invention,

도 2는 본 발명 실시예 1의 전체적인 실험 개략도로서, ①졸-에멀젼-겔 중합 단계(80℃, 1200psi, 12시간), ②용매 치환 단계(40℃, 2000psi, 10회), ③ 초임계 건조 단계(40℃, 2000psi에서 2시간 동안 유지한 후 1시간에 걸쳐 이산화탄소 배출), ④온도 강하 단계Figure 2 is a schematic diagram of the overall experiment of Example 1 of the present invention, ① sol-emulsion-gel polymerization step (80 ℃, 1200 psi, 12 hours), ② solvent replacement step (40 ℃, 2000 psi, 10 times), ③ supercritical drying Step (maintained at 40 ° C, 2000psi for 2 hours, then release carbon dioxide over 1 hour), ④ temperature drop step

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 유기 에어로겔 입자의 주사현미경 사진(×1500)이며,3 is a scanning micrograph (× 1500) of organic airgel particles prepared according to Example 1 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 유기 에어로겔 입자의 내부 구조의 주사현미경 사진(×100000)이다.4 is a scanning micrograph (× 100000) of an internal structure of organic airgel particles prepared according to Example 1 of the present invention.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입자형태의 유기 에어로겔의 제조방법은 다기능성 단량체를 고압 반응기에서 산촉매 및 안정제를 첨가한 다음, 80∼120℃, 1200∼1500psi 압력하에서 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 4∼24시간 동안 졸-에멀젼-겔 중합하여 유기 겔을 형성하고, 10∼72시간 동안 경화시킨 후, 새로운 초임계 이산화탄소를 가압하고(2000∼4000psi), 40∼60℃로 온도를 낮추어 겔 입자 내부의 알코올을 초임계 이산화탄소로 치환하고, 치환된 초임계 이산화탄소를 배출하여 유기 에어로겔을 제조하는 것을 그 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the method for preparing an organic aerogel in the form of particles of the present invention is to add an acid catalyst and a stabilizer to a multifunctional monomer in a high pressure reactor, and then to continuously react supercritical carbon dioxide at 80 to 120 ° C. and 1200 to 1500 psi pressure. Phase to sol-emulsion-gel polymerization for 4 to 24 hours to form an organic gel, cured for 10 to 72 hours, pressurized fresh supercritical carbon dioxide (2000 to 4000 psi) and the temperature to 40 to 60 ℃ It lowers and replaces the alcohol in the gel particles with supercritical carbon dioxide, characterized in that to produce an organic aerogel by discharging the substituted supercritical carbon dioxide.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.

본 발명에서는 환경에 유해한 용매를 친환경 용매인 초임계 이산화탄소로 대체하여 졸-에멀젼-겔 기술을 통한 입자 형태의 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자를 합성하였다. 안정제로는 초임계 중합 분야에서 사용되는폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)을 이용하였다.In the present invention, the environmentally harmful solvent was replaced with supercritical carbon dioxide, an environmentally friendly solvent, to synthesize phenolic-perforated aerogel particles in the form of particles through a sol-emulsion-gel technique. As a stabilizer, polydimethylsiloxane used in the supercritical polymerization field was used.

졸-에멀젼-겔 기술을 상세히 설명하면 다음과 같다. 페놀릭-퍼퍼랄-알코올 용액을 초임계 이산화탄소에 부유시킨 후, 안정제를 사용하여 분산시킨다. 이 기술의 장점은 기존의 방법과 달리 반응 결과물을 세척할 필요도 없을 뿐 아니라, 반응에 참여하는 용매가 없으므로 용매를 제거할 필요도 없다는 점이다.The sol-emulsion-gel technique is described in detail as follows. The phenolic-peralal-alcohol solution is suspended in supercritical carbon dioxide and then dispersed using a stabilizer. The advantage of this technique is that, unlike conventional methods, the reaction product does not need to be washed, and there is no need to remove the solvent since there is no solvent participating in the reaction.

본 발명에 따른 유기에어로겔의 제조는 졸-에멀젼-겔 중합, 용매 치환 및 초임계 건조가 단일공정으로 연속적으로 행해진다.The preparation of the organic aerogels according to the invention is carried out continuously in a single process by sol-emulsion-gel polymerization, solvent substitution and supercritical drying.

졸-에멀젼-겔 중합 단계에서는 분산상(페놀릭 노볼락, 퍼퍼랄, 알코올, 산촉매의 혼합물)의 초임계 이산화탄소에 대한 용해도가 낮아야 분산되어 겔을 형성할 수 있다. 반면, 용매 치환 단계에서는 겔 내부의 알코올이 초임계 이산화탄소에 대한 용해도가 높아야 겔 내부의 알코올이 초임계 이산화탄소로 치환되고, 다음 단계의 초임계 건조에 의해 3차원적 연속상 구조를 갖는 에어로겔이 단일공정으로 연속적으로 제조될 수 있다.In the sol-emulsion-gel polymerization step, the solubility of the disperse phase (a mixture of phenolic novolac, peripheral, alcohol, acid catalyst) in supercritical carbon dioxide must be low to disperse to form a gel. On the other hand, in the solvent substitution step, the alcohol inside the gel must be highly soluble in supercritical carbon dioxide so that the alcohol in the gel is replaced with supercritical carbon dioxide, and the aerogel having a three-dimensional continuous phase structure is formed by the supercritical drying of the next step. It can be produced continuously in the process.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 사용하는 데 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized by using supercritical carbon dioxide as a reaction continuous phase.

일반적으로 초임계 유체는 임계온도(Tc)와 임계압력(Pc) 이상의 물질로 정의된다. 연속상으로 초임계 유체를 사용하는 중요한 장점 중의 하나는 단순히 계의 온도나 압력만을 변화시킴으로써 유전상수 및 용해도와 같은 용매의 성질을 조절할 수 있다는 점이다. 게다가 초임계 유체는 액체와 기체 중간의 성질을 갖는다. 그러므로, 초임계 유체는 특히, 액체와 같은 밀도와 기체와 같은 점도를 갖고 있다.Supercritical fluids are generally defined as materials above the critical temperature T c and the critical pressure P c . One of the important advantages of using supercritical fluids in a continuous phase is that the properties of the solvent, such as dielectric constant and solubility, can be controlled by simply changing the temperature or pressure of the system. In addition, supercritical fluids have properties between liquid and gas. Therefore, supercritical fluids, in particular, have the same density as liquid and the same viscosity as gas.

초임계 유체 중에서도 이산화탄소는 많은 장점으로 여러 분야에서 매우 효과적인 연속상으로 사용되었다.Among supercritical fluids, carbon dioxide has been used as a highly effective continuous phase in many fields for many advantages.

기존의 유기 용매를 대체할 수 있는 반응 연속상으로 초임계 유체를 이용하고자 한 가장 직접적인 이유는 초임계 유체 특히 초임계 이산화탄소가 지니는 화학적, 환경적 안정성이라고 할 수 있다. 이와 더불어 이산화탄소의 경우 그 공급원이 거의 무한정이라고 할 수 있을 정도로 풍부하게 존재한다는 점이다.The most direct reason for using a supercritical fluid as a reaction continuous phase that can replace a conventional organic solvent is the chemical and environmental stability of supercritical fluids, especially supercritical carbon dioxide. In addition, carbon dioxide is abundant in its source, which can be said to be infinite.

초임계 유체가 반응 연속상으로 이용될 때의 안정성이나 경제성과 같은 장점뿐만 아니라 다음과 같은 기술적 가능성 내지 혁신성을 내포하고 있다; 첫번째로, 물이나 기타 유기 용매가 특정 물질에 대하여 보이는 용해성은 계가 결정됨에 따라 고정되나, 초임계 유체의 경우 온도, 압력에 따라 상당한 차이를 보일 수 있다는 점이다. 임계조건 부근에서 약간의 압력이나 온도의 변화에 따라 유전상수와 같은 용매의 성질을 쉽게 조절할 수 있으며, 이는 통상 상압에서의 반응과는 달리 반응 연속상의 물리, 화학적 성질의 조절 혹은 프로그래밍 가능한 반응계로 발전시킬 수 있음을 의미한다.In addition to the advantages such as stability and economics when the supercritical fluid is used in the reaction continuous phase, it includes the following technical possibilities or innovations; First, the solubility of water or other organic solvents with respect to certain substances is fixed as the system is determined, but for supercritical fluids it can vary considerably with temperature and pressure. It is easy to control the properties of solvents such as dielectric constants by slight changes in pressure or temperature in the vicinity of critical conditions. Unlike ordinary reactions at normal pressure, it is possible to control the physical and chemical properties of the reaction series or to develop a programmable reaction system. It means you can.

두번째로, 합성된 고분자 물질을 용해시킬 정도의 용해도는 보이지 않는다 할지라도 많은 고분자가 초임계 이산화탄소에 의하여 팽윤된다는 사실이 잘 알려져 있다. 이는 반응 부산물이나 잔류 단량체, 촉매 등을 효과적으로 중합공정과 연속된 공정으로 제거할 수 있음을 의미한다. 또한 2차적으로 이러한 제거물들을 이산화탄소로부터 쉽게 분리함으로써 공정 전반의 친환경적 제고가 가능하다는 의미이다. 이러한 장점은 축합 고분자 합성의 경우 축합 탈리체가 초임계 유체에 용해될 수 있다면 일반적인 축합 반응이 겔효과에 의해 복잡한 공정을 거쳐 고분자화를 이루는 것과는 달리, 쉽고 경제적으로 고분자량의 축합 고분자를 제조할 수 있음을 의미한다.Secondly, it is well known that many polymers are swollen by supercritical carbon dioxide, although the solubility to dissolve the synthesized polymer material is not seen. This means that reaction by-products, residual monomers, catalysts, and the like can be effectively removed by a polymerization process and a continuous process. Secondly, it is possible to easily separate these removals from carbon dioxide, thereby improving the environment-friendly environment. This advantage is that in the case of condensation polymer synthesis, if the condensation releasing agent can be dissolved in the supercritical fluid, the condensation reaction of the condensation polymer can be easily and economically produced in a high-molecular weight unlike the general condensation reaction through the complex process by the gel effect. It means that there is.

세번째로, 통상 상압 반응을 거쳐 제조되는 고분자나 유기 물질의 합성에 고압 반응계를 도입함으로써 입체 규칙성(stereoregularity) 등 상압 반응을 거쳐 제조된 물질과는 다른 새로운 중합물의 합성 가능성을 제시한다는 점이다.Third, by introducing a high pressure reaction system to the synthesis of polymers or organic materials prepared through atmospheric pressure reaction, it presents the possibility of synthesizing new polymers different from those produced through atmospheric pressure reaction such as stereoregularity.

본 발명에서 사용한 반응 장치에서는 이산화탄소를 초임계 용매로 사용하기 때문에 이산화탄소 용기에 사이펀 튜브를 장착하여 액체 이산화탄소가 분출되게 하였으며, 이를 냉각기에 통과시켜 완전히 액화시켜서 고압용 액체 펌프를 이용하여 가압하여 고압 반응기에 액체 이산화탄소가 들어가도록 한다.In the reaction apparatus used in the present invention, since carbon dioxide is used as a supercritical solvent, a siphon tube is mounted in a carbon dioxide container to eject liquid carbon dioxide, and the liquid carbon dioxide is completely liquefied by passing it through a cooler to pressurize using a high pressure liquid pump. Allow liquid carbon dioxide to enter.

고압 반응기는 압력이 4000psi까지 밀봉되는 재킷 부분과 -20℃ 내지 200℃까지 온도를 제어할 수 있는 비례 적분 미분 제어기, 온도계, 가열기, 압력계, 안전 밸브 및 반응물을 교반할 수 있는 교반기와 이에 따르는 속도조절기와 속도를 측정하기 위한 회전 속도계, 용매 치환 단계에서 새로운 초임계 이산화탄소를 가압할 수 있는 가압기가 부착되어 있다.The high pressure reactor is equipped with a jacketed portion of which pressure is sealed up to 4000 psi and a proportional integral derivative controller capable of temperature control from -20 ° C to 200 ° C, a stirrer capable of stirring the thermometer, heater, pressure gauge, safety valves and reactants and the following speeds. It is equipped with a regulator, a tachometer to measure the speed, and a pressurizer to pressurize the new supercritical carbon dioxide at the solvent replacement stage.

본 발명에서는 친환경 용매인 초임계 이산화탄소를 용매로 하여 졸-에멀젼-겔 기술 및 초임계 건조를 통해 입자 형태의 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자를 합성한다.In the present invention, phenolic-perforated aerogel particles in the form of particles are synthesized through sol-emulsion-gel technology and supercritical drying using supercritical carbon dioxide, which is an environmentally friendly solvent as a solvent.

보다 상세하게는 우선 다기능성 단량체를 고압 반응기에 넣고, 여기에 산촉매 및 안정제를 첨가한다.More specifically, first, the multifunctional monomer is placed in a high pressure reactor, and an acid catalyst and a stabilizer are added thereto.

다기능성 단량체로는 페놀릭-퍼퍼랄, 레소시놀-포름알데히드, 멜라민-포름알데히드, 카테콜-포름알데히드(Catechol-formaldehyde), 페놀-레소시놀-포름알데히드, 플로로글루시놀-포름알데히드(Phloroglucinol-formaldehyde), 페놀-포름알데히드 중에서 1종을 선택하여 사용한다.Multifunctional monomers include phenolic-peralal, resorcinol-formaldehyde, melamine-formaldehyde, catechol-formaldehyde, phenol-resosocinol-formaldehyde, fluoroglucinol-formaldehyde (Phloroglucinol-formaldehyde), phenol-formaldehyde is selected from one.

안정제로는 폴리디메틸실록산류, 폴리디하이드로퍼플루오로옥틸 아크릴레이트류 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 그 함량은 초임계 유체에 대해 2∼20%인 것이 바람직하다.The stabilizer may be selected from polydimethylsiloxanes and polydihydroperfluorooctyl acrylates, and the content thereof is preferably 2 to 20% based on the supercritical fluid.

산촉매로는 파라톨루엔 술폰산, 인산(phosphoric acid) 중에서 1종을 선택하여 사용한다. 산촉매의 함량은 단량체에 대하여 5∼40%인 것이 바람직하다.As the acid catalyst, one selected from paratoluene sulfonic acid and phosphoric acid is used. The content of the acid catalyst is preferably 5 to 40% with respect to the monomer.

그 다음, 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 80∼120℃에서 1200∼1500psi 압력하에서 4∼24시간 동안 졸-에멀젼-겔 중합을 수행한다.Then, sol-emulsion-gel polymerization is performed for 4 to 24 hours at 1200 to 1500 psi pressure at 80 to 120 ° C with supercritical carbon dioxide as the reaction continuous phase.

만일, 반응온도가 알코올의 비점보다 높으면 반응물질이 끓는 문제가 발생할 수 있다. 반응압력이 낮고, 반응온도가 높아야 초임계 이산화탄소에 대한 페놀릭 노볼락의 용해도가 나빠져 분산이 용이하다. 반면 반응온도가 너무 낮으면 겔화 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 또한 반응시간이 반응물질의 겔화 시간보다 짧으면 졸-에멀젼-겔 반응이 완전히 진행될 수 없는 문제가 발생할 수 있다.If the reaction temperature is higher than the boiling point of the alcohol, a problem of boiling the reactant may occur. When the reaction pressure is low and the reaction temperature is high, the solubility of phenolic novolac in supercritical carbon dioxide deteriorates, which facilitates dispersion. On the other hand, if the reaction temperature is too low, there is a disadvantage in that it takes a long time to gel. In addition, when the reaction time is shorter than the gelation time of the reactant, a problem may occur in that the sol-emulsion-gel reaction cannot proceed completely.

이와 같이 다기능성 단량체를 초임계 이산화탄소에 부유시키고 안정제를 사용하여 분산시키는 경우 중합체를 세척할 필요가 없다.Thus, when the multifunctional monomer is suspended in supercritical carbon dioxide and dispersed using a stabilizer, there is no need to wash the polymer.

상기와 같이 졸-에멀젼-겔 중합을 수행한 다음, 10∼72시간 동안 경화시키고, 새로운 초임계 이산화탄소를 가압하고, 온도를 40∼60℃로 낮추어 형성된 유기 겔 입자내의 알코올을 초임계 이산화탄소로 10∼20회에 걸쳐 치환한 후 등온 조건에서 초임계 이산화탄소를 서서히 배출한다.The sol-emulsion-gel polymerization was carried out as described above, followed by curing for 10 to 72 hours, pressurizing the new supercritical carbon dioxide, and lowering the temperature to 40 to 60 ° C. After substitution over 20 times, supercritical carbon dioxide is slowly discharged under isothermal conditions.

본 발명에서는 경화과정을 거친 후, 별도의 초임계 이산화탄소를 가압하고, 온도를 낮추어 형성된 유기 겔 입자내의 알코올을 이산화탄소로 치환하는 과정을 거치는 바, 10∼20회에 걸쳐 용매치환을 함으로써 겔 내부의 알코올을 초임계 이산화탄소로 치환하고, 건조시킴으로써 겔 내부에 3차원적 연속상 구조를 갖는 에어로겔을 형성할 수 있다.In the present invention, after the curing process, pressurize a separate supercritical carbon dioxide, and the process of substituting the alcohol in the organic gel particles formed by lowering the temperature to carbon dioxide, by performing solvent replacement for 10 to 20 times the inside of the gel By replacing the alcohol with supercritical carbon dioxide and drying, an aerogel having a three-dimensional continuous phase structure can be formed inside the gel.

일반적으로, 유기 에어로겔 제조시 초임계 건조를 위해서는 겔 내부의 용매를 이산화탄소 분위기로 바꾸어 주어야 한다. 이를 위해 기존의 레소시놀-포름알데히드 에어로겔 제조(도 1a)에서는 액체 이산화탄소를 겔 내부에 채워줘야 하지만, 본 발명에서는 초임계 이산화탄소를 겔 내부에 채워주는 데 그 특징이 있다.In general, in the preparation of the organic airgel, the solvent inside the gel must be changed to a carbon dioxide atmosphere for supercritical drying. To this end, the conventional resorcinol-formaldehyde aerogel preparation (FIG. 1a) has to fill the liquid carbon dioxide inside the gel, but in the present invention is characterized by filling the supercritical carbon dioxide inside the gel.

반응 종결 후 등온 조건에서 초임계 이산화탄소를 서서히 배출하는 것은 제조된 유기 에어로겔의 내부 구조가 깨지지 않도록 하기 위한 것으로서, 초임계 유체의 배출시간을 반응기의 크기에 따라 0.5∼5시간으로 하는 것이 바람직하다.Slowly discharging supercritical carbon dioxide under isothermal conditions after the completion of the reaction is to prevent the internal structure of the prepared organic aerogels from being broken, and the discharge time of the supercritical fluid is preferably 0.5 to 5 hours depending on the size of the reactor.

본 발명은 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔을 입자형태로 합성하였으며, 반응 연속상으로 초임계 이산화탄소를 사용한 에어로겔의 합성 방법이다. 또한, 졸-에멀젼-겔 중합, 용매 치환 및 초임계 건조까지 단일공정으로 연속적으로 가능하도록 하였다.The present invention synthesized a phenolic-perforated aerogel in the form of particles, a method of synthesizing aerogels using supercritical carbon dioxide in the reaction continuous phase. In addition, sol-emulsion-gel polymerization, solvent substitution and supercritical drying were made possible continuously in a single process.

본 발명은 임계조건 근처에서 온도와 압력에 따라 용해도가 변하는 초임계 유체의 성질을 이용하여 다기능성 단량체를 초임계 유체 상에서 졸-에멀젼-겔 방법으로 유기 겔을 형성하고, 연속적으로 용매 치환 및 초임계 건조를 통하여 목적하는 유기 에어로겔 입자를 합성하는 고체 입자의 제조방법으로서, 제조된 유기 에어로겔 입자는 입경 500㎚∼100㎛이고, 입경분포는 1∼10㎛인 입자가 90%이상이다. 그리고, 유기 에어로겔 입자는 밀도가 0.03∼1.0g/cc이며, 유기 에어로겔의 내부 표면적은 300∼1000㎡/g이다.The present invention utilizes the properties of supercritical fluids whose solubility varies with temperature and pressure near critical conditions to form organic gels in a sol-emulsion-gel process on supercritical fluids, continuously dissolving solvents and super As a method for producing solid particles for synthesizing desired organic airgel particles through critical drying, the prepared organic airgel particles have a particle size of 500 nm to 100 µm and a particle size distribution of 90% or more of particles having a particle size of 1-10 µm. The organic airgel particles have a density of 0.03 to 1.0 g / cc, and the internal surface area of the organic airgel is 300 to 1000 m 2 / g.

본 발명에 따른 유기 에어로겔의 제조방법 중 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔의 제조방법을 구체적으로 살펴보면, 우선 고압 반응기에서 페놀릭 노볼락, 퍼퍼랄, 알코올, 산촉매 및 안정제를 혼합하여 혼합용액을 만든다.Looking specifically at the manufacturing method of the phenolic-perforated airgel of the organic airgel according to the present invention, first, phenolic novolac, peroxide, alcohol, acid catalyst and stabilizer are mixed in the high pressure reactor to make a mixed solution.

이때, 알코올로는 헵틸 알코올, 옥틸 알코올, 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중에서 1종을 선택하여 사용한다. 이때, 혼합용액의 고형분 함량비는 10∼70중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.In this case, one alcohol is selected from heptyl alcohol, octyl alcohol, normal propanol, isopropanol, ethanol and methanol. At this time, the solid content ratio of the mixed solution is preferably 10 to 70% by weight.

그 다음, 반응물을 교반하는 바, 교반속도는 100∼500rpm인 것이 바람직하고, 교반기의 종류에 따라 평균입경, 입경분포, 입자형태가 달라지므로 선택적으로 사용한다.Then, the reaction mixture is stirred, it is preferable that the stirring speed is 100 to 500rpm, and the average particle size, particle size distribution, and particle shape vary depending on the type of the stirrer.

교반 후 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하고 가압, 가열하여 졸-에멀젼-겔 반응을 수행하는 바, 반응온도는 80∼120℃이며, 반응압력은 1200∼1500psi로 하는 것이 바람직하고, 반응시간은 4∼24시간으로 하여 결과적으로 전화율이 70%이상 되도록 하여야 한다.After stirring, supercritical carbon dioxide was used as a continuous reaction phase, and pressurized and heated to conduct a sol-emulsion-gel reaction. The reaction temperature was 80 to 120 ° C, and the reaction pressure was preferably 1200 to 1500psi. It should be 4 to 24 hours so that the conversion rate is 70% or more.

그 다음 이를 10∼72시간 동안 경화시키고, 가압기를 통해 초임계 이산화탄소를 가압하고(압력 2000∼4000psi), 온도를 40∼60℃로 낮추어 형성된 겔 내부의알코올을 초임계 이산화탄소로 10∼20회 치환하고, 초임계 이산화탄소를 서서히 배출하면 본 발명에 따른 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔을 얻을 수 있다.It was then cured for 10 to 72 hours, pressurized supercritical carbon dioxide through a pressurizer (pressure 2000-4000 psi), lowered the temperature to 40-60 ° C. and replaced the alcohol in the gel 10-20 times with supercritical carbon dioxide. And, when the supercritical carbon dioxide is slowly discharged, a phenolic-perforated aerogel according to the present invention can be obtained.

본 발명에 따른 페놀릭-퍼퍼랄 유기 에어로겔 입자의 제조공정을 개략적으로 도 1b에 나타내었으며, 본 발명의 전체 실험 조건에 대한 개략도를 도 2에 나타내었다.A manufacturing process of the phenolic-perforated organic airgel particles according to the present invention is schematically shown in FIG. 1B, and a schematic diagram of the entire experimental conditions of the present invention is shown in FIG. 2.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the Examples.

실시예 1Example 1

헵틸 알코올 용매 70g에 13.6g의 페놀수지와 13.6g의 퍼퍼랄을 녹인 후 고압 반응기에 넣었다. 여기에 염화수소를 생성시키는 촉매(파라톨루엔술폰산, 일본 Junsei사 제품) 2.8g과 안정제인 폴리디메틸실록산 20g을 넣고 80℃의 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 12시간 동안 졸-에멀젼-겔 반응한 후, 하루 동안 경화시켜 유기 겔 입자를 형성하였다(압력 1200psi). 온도를 40℃로 낮추면서 가압기를 통해 이산화탄소를 가압하여(압력 2000psi), 형성된 유기 겔에 포함된 알코올을 초임계 이산화탄소로 10회에 걸쳐 치환하였다. 그 다음, 초임계 이산화탄소를 대기중으로 1시간에 걸쳐 서서히 배출시켜 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자를 제조하였다.After dissolving 13.6 g of phenol resin and 13.6 g of perol in 70 g of heptyl alcohol solvent, the mixture was placed in a high pressure reactor. 2.8 g of a catalyst for producing hydrogen chloride (paratoluenesulfonic acid, manufactured by Junsei, Japan) and 20 g of polydimethylsiloxane as a stabilizer were added thereto, followed by sol-emulsion-gel reaction for 12 hours using supercritical carbon dioxide at 80 ° C as a continuous reaction phase. Then, it was cured for one day to form organic gel particles (pressure 1200 psi). The carbon dioxide was pressurized through a pressurizer (pressure 2000 psi) while the temperature was lowered to 40 ° C. to replace the alcohol contained in the formed organic gel with supercritical carbon dioxide 10 times. Then, supercritical carbon dioxide was slowly discharged into the atmosphere over 1 hour to prepare phenolic-perforated aerogel particles.

제조된 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자는 어두운 갈색을 띄고, 0.03∼1.0 g/cc의 밀도를 갖는다. 다른 종류의 용매로 이소프로판올, 노말 프로판올, 에탄올, 메탄올, 옥탄올을 사용할 수 있다. 그러나 위와 같이 용매를 달리 할 때는 경화 온도를 다르게 하여 주어야 한다.The phenolic-perforated aerogel particles produced were dark brown and had a density of 0.03 to 1.0 g / cc. Other solvents may be used isopropanol, normal propanol, ethanol, methanol, octanol. However, when the solvent is different as above, the curing temperature should be different.

제조된 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자에 대하여 주사 전자현미경(SEM, S-4200, 일본 Hitachi사)으로 평균입경 및 입경 분포를 측정하였다. 측정결과는 평균입경이 3.5㎛이고, 입경 분포는 2∼5㎛인 입자분포가 90%이었다.The average particle diameter and particle size distribution of the prepared phenolic-perforated airgel particles were measured with a scanning electron microscope (SEM, S-4200, Hitachi, Japan). The measurement result was 90% of the particle distribution with an average particle diameter of 3.5 micrometers and a particle size distribution of 2-5 micrometers.

또한, 제조된 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자에 대하여 질소 흡착-탈착 장치(BET, Sorptomatic 1990, 영국 FISONS사)로 내부 표면적을 측정하였다. 측정결과는 내부 표면적이 607.2㎡/g이었다.In addition, the internal surface area was measured with a nitrogen adsorption-desorption apparatus (BET, Sorptomatic 1990, FISONS, UK) of the produced phenolic-perforated airgel particles. The measurement result was an internal surface area of 607.2 m 2 / g.

실시예 2Example 2

80g의 옥틸 알코올 용매에 9.09g의 페놀수지와 9.09g의 퍼퍼랄을 녹인 후 고압 반응기에 넣었다. 여기에 염화수소를 생성시키는 촉매(인산, 일본 Junsei사) 1.82.g과 안정제인 폴리디메틸실록산 10g을 넣고 80℃의 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 18시간 동안 졸-에멀젼-겔 반응하여 유기 겔 입자를 제조한 후, 하루 동안 경화시켜 유기 겔 입자를 형성하였다(압력 1200psi). 온도를 40℃로 낮추면서 가압기를 통해 초임계 이산화탄소를 가압하여(압력 3000 psi) 형성된 유기 겔에 포함된 알코올을 초임계 이산화탄소로 10회에 걸쳐 치환하였다. 그 다음, 초임계 이산화탄소를 대기중으로 1시간에 걸쳐 서서히 배출시켰다.After dissolving 9.09 g of phenol resin and 9.09 g of perol in 80 g of octyl alcohol solvent, the mixture was placed in a high pressure reactor. 1.82.g of a catalyst for producing hydrogen chloride (phosphate, Junsei Co., Ltd.) and 10 g of polydimethylsiloxane as a stabilizer were added thereto, followed by sol-emulsion-gel reaction for 18 hours using supercritical carbon dioxide at 80 ° C as a continuous phase. The particles were prepared and then cured for one day to form organic gel particles (pressure 1200 psi). The alcohol contained in the organic gel formed by pressing supercritical carbon dioxide through a pressurizer (pressure 3000 psi) while lowering the temperature to 40 ° C. was replaced with supercritical carbon dioxide 10 times. The supercritical carbon dioxide was then slowly released to the atmosphere over one hour.

제조된 유기 에어로겔 입자의 평균입경은 3.2㎛이고, 입경분포는 1.1∼5㎛인 입자분포가 90%이었다.The average particle diameter of the prepared organic airgel particles was 3.2 μm, and the particle size distribution was 1.1% to 5 μm.

제조된 유기 에어로겔 입자의 내부 표면적은 576.5㎡/g이었다.The inner surface area of the prepared organic airgel particles was 576.5 m 2 / g.

실시예 3Example 3

상기 실시예 1과 동일한 공정을 이용하여 안정제의 함량을 초임계 유체에 대해 20%로 변경하여 유기 에어로겔 입자를 제조하였다.Organic airgel particles were prepared by changing the stabilizer content to 20% with respect to the supercritical fluid using the same process as in Example 1.

제조된 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔의 입경 및 입경분포를 주사전자현미경으로 측정하였고, 내부 표면적은 질소 흡착-탈착 장치로 측정하였다.The particle size and particle size distribution of the prepared phenolic-perforated aerogels were measured by scanning electron microscope, and the inner surface area was measured by nitrogen adsorption-desorption apparatus.

실시예 4Example 4

상기 실시예 1과 같은 공정을 이용하여 산촉매의 함량을 페놀릭 노볼락에 대하여 30%로 변경하여 유기 에어로겔 입자를 제조하였다.Organic airgel particles were prepared by changing the content of the acid catalyst to 30% with respect to the phenolic novolac using the same process as in Example 1.

제조된 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자의 입경 및 입경분포와 내부표면적을 측정하였다.The particle size, particle size distribution and internal surface area of the prepared phenolic-perforated airgel particles were measured.

실시예 5Example 5

상기 실시예 1과 같은 공정을 이용하여 반응온도를 120℃로, 반응압력을 1500psi로 변화시켜 12시간동안 졸-에멀젼-겔 반응한 후, 하루 동안 경화시켰다.Using the same process as in Example 1, the reaction temperature was changed to 120 ° C., the reaction pressure was changed to 1500 psi, and the sol-emulsion-gel reaction was carried out for 12 hours, followed by curing for one day.

제조된 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자의 입경 및 입경분포와 내부 표면적을 측정하였다.The particle size, particle size distribution and internal surface area of the prepared phenolic-perforated airgel particles were measured.

실시예 6Example 6

상기 실시예 1과 같은 공정을 이용하여 223g의 프로판올에 8g의 레소시놀과 12g의 포름알데히드를 녹인 후 고압 반응기에 넣었다. 여기에 염화수소를 생성시키는 촉매(파라톨루엔술폰산, 일본 Junsei사) 1.6g과 안정제인 폴리디메틸실록산 20g을 넣고 80℃, 1200psi에서 24시간 동안 졸-에멀젼-겔 반응시키고, 하루 동안 경화시켜 레소시놀-포름알데히드 겔 입자를 제조하였다. 온도를 40℃로 낮추면서 초임계 이산화소를 가압하여(압력 2500psi) 형성된 유기 겔 내부의 알코올을 초임계 이산화탄소로 치환하고 대기중으로 2시간에 걸쳐 서서히 배출하였다. 이때 제조된 레소시놀-포름알데히드 에어로겔 입자는 적갈색을 나타내었다.Using the same process as in Example 1, 8g of resorcinol and 12g of formaldehyde were dissolved in 223g of propanol and then placed in a high pressure reactor. 1.6 g of a catalyst for producing hydrogen chloride (paratoluene sulfonic acid, Junsei Co., Ltd.) and 20 g of polydimethylsiloxane as a stabilizer were added thereto, and a sol-emulsion-gel reaction was performed at 80 ° C. and 1200 psi for 24 hours, and then cured for one day. Formaldehyde gel particles were prepared. Supercritical oxygen dioxide was pressurized (pressure 2500 psi) while lowering the temperature to 40 ° C., and the alcohol in the formed organic gel was replaced with supercritical carbon dioxide, and slowly discharged into the atmosphere over 2 hours. At this time, the prepared resorcinol-formaldehyde airgel particles showed reddish brown color.

실시예 7Example 7

상기 실시예 1과 같은 공정을 이용하여 156.64g의 에탄올에 21.44g의 멜라민 단량체와 18.86g의 포름알데히드를 녹인 후 고압 반응기에 넣었다. 여기에 염화수소를 생성시키는 촉매(파라톨루엔술폰산, 일본 Junsei사 제품) 9.5g과 안정제인 폴리디메틸실록산 20g을 넣고 80℃, 1200psi에서 24시간동안 졸-에멀젼-겔 반응을 시킨 후 이틀동안 경화시켜 멜라민-포름알데히드 겔 입자를 제조하였다. 온도를 40℃로 낮추면서 초임계 이산화소를 가압하여(압력 3500psi) 형성된 유기 겔 내부의 알코올을 초임계 이산화탄소로 치환하고 대기중으로 2시간에 걸쳐 서서히 배출하여 멜라민-포름알데히드 에어로겔 입자를 제조하였다. 제조된 멜라민-포름알데히드 에어로겔 입자는 흰색을 나타내었다.Using the same process as in Example 1, 21.44 g of melamine monomer and 18.86 g of formaldehyde were dissolved in 156.64 g of ethanol and then placed in a high pressure reactor. Here, 9.5 g of a catalyst for producing hydrogen chloride (paratoluenesulfonic acid, manufactured by Junsei Co., Ltd.) and 20 g of polydimethylsiloxane as a stabilizer were added thereto, followed by a sol-emulsion-gel reaction at 80 ° C. and 1200 psi for 24 hours, followed by curing for 2 days. Formaldehyde gel particles were prepared. Melamine-formaldehyde airgel particles were prepared by substituting supercritical carbon dioxide (pressure 3500 psi) and lowering the temperature to 40 ° C. to replace alcohol formed in the organic gel with supercritical carbon dioxide and slowly discharging it into the atmosphere over 2 hours. The prepared melamine-formaldehyde airgel particles showed white color.

상기 실시예 1∼7에 따라 제조된 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔의 평균입경, 입경분포 및 내부표면적은 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.The average particle size, particle size distribution and internal surface area of the phenolic-perforated airgel prepared according to Examples 1 to 7 are shown in Table 1 below.

실시예Example 평균입경Average particle diameter 입경분포(㎛)Particle Size Distribution (㎛) 내부표면적(㎡/g)Internal surface area (㎡ / g) 1One 3.53.5 2∼52 to 5 607.2607.2 22 3.23.2 1.1∼51.1 to 5 576.5576.5 33 2.52.5 0.5∼40.5 to 4 563.4563.4 44 3.13.1 0.9∼50.9-5 487.5487.5 55 3.43.4 0.5∼4.50.5 to 4.5 351.3351.3 66 4040 10∼10010-100 791.0791.0 77 3535 10∼9010 to 90 438.6438.6

한편, 상기 실시예 1에 따라 제조된 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 입자의 외부 형태(×1500) 및 내부 구조(×100000)의 주사 현미경사진을 각각 도 3, 4에 나타내었다.On the other hand, scanning micrographs of the outer shape (× 1500) and the internal structure (× 100000) of the phenolic-perforated airgel particles prepared according to Example 1 are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.

상기 표 1 및 첨부된 도 3, 4의 결과로부터 본 발명에 따라 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 졸-에멀젼-겔 방법 및 초임계 건조를 통해 제조된 유기 에어로겔은 구형 입자형태로서 초임계 유체에 대한 안정제의 함량이 증가할수록 평균 입경은 줄어들었고, 페놀릭 노볼락에 대한 산촉매의 함량을 변화시키거나 반응압력 및 온도를 변화시켜도 에어로겔의 평균 입경은 거의 비슷하게 나타났다. 또한, 다기능성 단량체로 레소시놀-포름알데히드나 멜라민-포름알데히드를 사용한 경우 평균입경이 페놀릭-퍼퍼랄을 사용한 경우보다 크게 나타났다. 또한 본 발명에서 제조된 유기 에어로겔은 350∼800㎡/g의 내부 표면적을 갖고, 3차원 연속상 구조를 갖는다.The organic aerogels prepared by the sol-emulsion-gel method and supercritical drying using supercritical carbon dioxide as a reaction continuous phase according to the present invention from the results of Table 1 and the attached FIGS. 3 and 4 are supercritical fluids in the form of spherical particles. As the stabilizer content increased, the average particle diameter decreased, and the average particle diameter of the aerogels was almost the same even if the acid catalyst content or the reaction pressure and temperature were changed for the phenolic novolac. In addition, the use of resorcinol-formaldehyde or melamine-formaldehyde as the multifunctional monomer showed a larger average particle diameter than that of phenolic-peral. In addition, the organic airgel prepared in the present invention has an internal surface area of 350 to 800 m 2 / g and has a three-dimensional continuous phase structure.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 졸-에멀젼-겔 방법 및 초임계 건조를 통해 페놀릭-퍼퍼랄 에어로겔 등과 같은 유기 에어로겔 입자를 제조하는 경우 그 형태는 입자형태로서 단일공정으로 제조할 수 있으며 결과물의 세척 등이 따로 필요없는 효과 등이 있다. 또한, 반응 연속상인 초임계 이산화탄소의 임계조건 근처에서 온도와 압력에 따라 용해도가 변하는 성질을 이용하여 중합, 용매 치환, 건조 등의 전 공정이 단일공정으로 행해지므로 공정의 단순화를 이룩할 수 있으며, 공정 시간의 단축, 공정 운행 비용 감소 등의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 유기 에어로겔을 입자형태로 제조함으로써 회분식 및 반연속식 공정을 통해 제조할 수 있어 실제 공정 적용에 유리하고, 흐름성이 우수하여 이송이 용이하며, 응용 부분이 다양하다. 본 발명은 다른 축합 중합에 초임계 이산화탄소를 연속상으로 사용할 수 있는 충분한 가능성을 제시한다.As described in detail above, in the case of preparing organic aerogel particles such as phenolic-perforated aerogels through the sol-emulsion-gel method and supercritical drying using supercritical carbon dioxide as a reaction continuous phase according to the present invention, the form is It can be produced in a single process as a particle form, there is an effect that does not need to separately wash the result. In addition, since the solubility changes with temperature and pressure near the critical conditions of the supercritical carbon dioxide, which is a continuous reaction phase, all processes such as polymerization, solvent substitution, and drying are performed in a single process, thereby simplifying the process. It can shorten the time and reduce the process running cost. In addition, by preparing the organic airgel in the form of particles can be produced through a batch and semi-continuous process, it is advantageous to the actual process application, excellent flowability, easy to transport, and various application parts. The present invention offers the possibility of using supercritical carbon dioxide in a continuous phase for other condensation polymerizations.

Claims (4)

고압 반응기에서 다기능성 단량체를 용매에 녹이고, 여기에 산촉매 및 안정제를 첨가하여 혼합용액을 제조하는 단계;Dissolving a multifunctional monomer in a solvent in a high pressure reactor, and adding an acid catalyst and a stabilizer thereto to prepare a mixed solution; 초임계 이산화탄소를 반응연속상으로 하여 80∼120 ℃, 1,200∼4,000 psi 압력하에서 4∼24시간 동안 상기 혼합용액을 졸-에멀젼-겔 중합하는 단계;Sol-emulsion-gel polymerizing the mixed solution for 4 to 24 hours at 80 to 120 ° C. and 1,200 to 4,000 psi pressure using supercritical carbon dioxide as a reaction continuous phase; 10∼72 시간 동안 경화하여 유기 겔 입자를 제조하는 단계;Curing for 10 to 72 hours to produce organic gel particles; 초임계 이산화탄소를 이용하여 40∼60℃, 2000∼4000 psi 압력하에서 10∼20회에 걸쳐 상기 유기 겔 입자 내의 용매를 치환하는 단계; 및Substituting the solvent in the organic gel particles for 10-20 times at 40-60 ° C., 2000-4000 psi pressure using supercritical carbon dioxide; And 상기 초임계 이산화탄소를 배출하는 단계를 포함하는 입자형태의 유기 에어로겔의 제조방법.Method for producing an organic airgel in the form of particles comprising the step of discharging the supercritical carbon dioxide. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 다기능성 단량체는 페놀릭-퍼퍼랄, 레소시놀-포름알데히드, 멜라민-포름알데히드, 카테콜-포름알데히드, 페놀-레소시놀-포름알데히드, 플로로클루시놀-포름알데히드 및 페놀-포름알데히드 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 입자형태의 유기 에어로겔의 제조방법.The multifunctional monomer is selected from among phenolic-peralal, resorcinol-formaldehyde, melamine-formaldehyde, catechol-formaldehyde, phenol-resosocinol-formaldehyde, fluoroclosinol-formaldehyde and phenol-formaldehyde. Method for producing an organic airgel in the form of particles, characterized in that at least one selected. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 산촉매로는 파라톨루엔 술폰산 또는 인산을 단량체에 대하여 5∼40% 되도록사용하고, 안정제로는 폴리디메틸실록산류 또는 폴리디하이드로퍼플루오로옥틸 아크릴레이트류 중에서 선택하여 초임계 유체에 대하여 2∼20% 되도록 사용하는 것을 특징으로 하는 입자형태의 유기 에어로겔의 제조방법.Paratoluene sulfonic acid or phosphoric acid is used as an acid catalyst so as to be 5 to 40% with respect to the monomer, and as a stabilizer, it is selected from polydimethylsiloxanes or polydihydroperfluorooctyl acrylates and is 2 to 20% with respect to the supercritical fluid. Method for producing an organic airgel in the form of a particle, characterized in that it is used to. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 유기 에어로겔은 입경이 500㎚∼100㎛이고, 입경분포는 1∼10㎛인 입자가 90% 이상이고, 내부 표면적이 300∼1000㎡/g인 것을 특징으로 하는 입자 형태의 유기 에어로겔의 제조방법.The organic airgel has a particle size of 500 nm to 100 μm, a particle size distribution of 1 to 10 μm, 90% or more of particles, and an internal surface area of 300 to 1000 m 2 / g.
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