KR100383219B1 - 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기용매 및 수용액이 일정 함량비로 혼합되어 있는 혼합용매 내에서 TiCl₄를 첨가하여 Ti 이온에 수산기와 유기기가 동시에 결합된 형태의 화합물이 생성되게 하고 미반응된 용매 및 부산물을 완전히 제거한 후, 순수한 이온교환수를 가하여 20 ∼ 90 ℃에서 열처리하여 제어된 방법으로 가수분해하여 결정성 티타니아 졸을 제조하고, 30 ∼ 50%의 고농도로 농축시키는 공정을 포함하고 있다. 특히, 혼합용매의 사용과 제어된 방법 및 가수분해시키는 방법으로 티타니아 졸 표면에 수산기 및 유기기가 동시에 결합되는 하이브리드형의 구조를 가지게 되며, 수용액 및 유기용매 상에도 안정하게 분산되고, 고농도로 농축되어 각종 매질에 대한 코팅 특성이 개선됨에 따라 각종 코팅재, 광촉매 및 화장품 원료로 적합하게 사용할 수 있는 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법에 관한 것이다.

Description

친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법{Titania sol having a high dispersibility in aqueous and organic media, and process for preparation its}

본 발명은 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기용매 및 수용액이 일정 함량비로 혼합되어 있는혼합용매 내에서 TiCl₄를 첨가하여 가수분해하는 방법으로 티타니아 졸을 제조한 다음, 20 ∼ 90 ℃에서 열처리하고 수용액에 용해 후 30 ∼ 50%의 고농도로 농축시키는 공정이 포함되며, 특히 혼합용매의 사용으로 인하여 티타니아 졸 표면에 수산기 및 유기기가 동시에 결합되는 하이브리드형의 구조를 가지게 되며(도 1), 이로써 수용액 및 유기용매 상에도 안정하게 분산되고, 고농도로 농축되어 각종 매질에 대한 코팅 특성이 개선됨에 따라 각종 코팅재, 광촉매 및 화장품 원료로 적합하게 사용할 수 있는 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법에 관한 것이다.

티타니아는 광 굴절율이 2.5 이상의 전이금속 산화물로 광산란 특성이 매우 우수하여 백색도료나 안료로서 매우 중요한 재료 중의 하나로 사용되어져 왔다. 그리고, 자외선 산란 및 흡수 능력이 뛰어나 자외선 차단제로서도 우수한 특성을 가지고 있고 각종 화장품 재료로 이용되고 있다. 또한, 티타니아 코팅막은 초 친수성 및 화학적 안정성이 매우 우수하여 각종 유리, 금속 및 플라스틱재 등의 하드 코팅재로 사용이 급증하고 있다. 특히, 최근에는 우수한 광촉매 특성을 가진 것으로 알려짐에 따라 공기 혹은 수중에 존재하는 난분해성 유기 오염 수용액질제거에도 응용되고 있다.

티타니아는 1916년에 노르웨이의 프럽(Fraup)과 젭슨(Jebsen)이 티탄광에서 공업적으로 분리하여 생산을 개시한 이래 많은 기술적인 발전이 이루어져 왔다.1930년대에는 블르멘펠트(Blumenfeld)가 가수분해하여 티타니아를 제조한 바 있고, 1940년대에는 티타니아가 지닌 여러 결정 형태 중의 하나인 아나타제(Anatase)형에서 안료 특성이 우수한 루타일(Rutile)형이 생산되기 시작하였다. 이어서, 1950년대 후반에 듀폰사에 의하여 개발된 염소법으로 본격적으로 티타니아가 생산되기 시작하였으며, 상기 방법으로 제조되는 티타니아는 분말형태로 입자크기가 약 0.2 ㎛이상을 나타내었다. 이러한 분말형태의 티타니아를 이용하여 광촉매, 코팅재료 및 화장품 원료로 이용하려는 시도가 이루어 졌다. 그러나, 상기 분말 형태의 티타니아를 이용하여 기지에 담지시키거나 표면 코팅을 할 경우 입자의 크기가 매우 크므로 필름의 투명도가 저하되고 기재와의 밀착성 및 유연성이 매우 불량하였다. 또한, 화장품의 원료로 사용할 경우 그 첨가 함량을 높이게 되면 피부 도포감이 좋지 않게 되어 사용량에도 한계가 있다. 이에 티타니아 입자의 크기를 줄이고자 하였으나, 상기 염소법으로 제조되는 티타니아 분말은 비록 작은 입자로 제조된다 하더라도 입자끼리의 응집에 의하여 분산성이 매우 떨어져 높은 가시광선 투과성과 자외선 차단효과가 불충분해진다.

이에, 상기 분말 형태의 단점을 극복할 수 있는 새로운 형태를 제조한 바, 티타니아 분말을 산 또는 알칼리로 펩타이징하거나, 고분자 수용액질을 첨가하여 흡착에 의하여 입자 표면에 존재하는 고분자간의 소위 "입체장애효과(steric effects)"에 의하여 안정화시키는 방법이 사용되었다. 그러나, 상기 고분자 수용액질에 의한 안정화 방법은 티타니아 가진 광촉매 작용에 의하여 첨가된 고분자 자체를 분해시키므로 사용에 제한이 따르게 되었다.

이에, 최근 사용되고 있는 졸-겔 프로세스는 전구체로 티타늄 알콕사이드를 이용하여 가수분해하여 졸 상태의 티타니아를 제조하는 방법으로 졸 및 분말 형태로도 얼마든지 변형하여 제조가 가능한 특징이 있다. 상기 티타니아 졸은 기지 담지 특성과 분산성이 매우 우수하여 광촉매, 하드 코팅재 및 화장품의 원료 분야에 적용하기 위하여 많은 연구가 시도되고 있다.

그러나, 광촉매로 이용하는 티타니아의 입자는 결정성을 나타내어야 하며 불순물 및 표면적의 제어가 가능해야하고, 매질에 코팅되어 사용하는 경우 높은 부착성이 요구된다. 이에, 졸-겔 프로세스로 제조된 티타니아졸은 생산성이 우수하지 못하고 입자가 무정형이어서 결정화를 위한 열처리 공정이 필히 수행되어야 하는데, 이러한 열처리가 가능한 매질이 한정되어 있다. 그리고, 매질에 대한 부착성이 불량하여 유기 결합재를 사용함에 따라 광촉매 특성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 하드 코팅재로 이용하는 경우에서도 상기와 유사한 문제점이 발생되고, 이 또한 코팅 필름의 투명도, 기재와의 밀착성 및 유연성이 불량한 문제점이 있어 이를 해결해야만 한다. 특히, 상기 티타니아 졸을 화장품의 원료로 이용하는 경우 자외선 차단효과, 은폐력 및 분산성이 우수하고 적은 양으로도 자외선 차단 효과가 우수한 특징이 있다. 그러나, 다른 유기 성분과 함께 첨가됨에 따라 광촉매 활성에 의하여 유기성분이 분해되고 분산매로 유기용매를 사용하는 경우 분산성이 떨어지는 문제점이 있다. 이외에도, 졸-겔 프로세스에 이용되는 티타니아 전구체의 가격이 매우 고가인 단점이 있다.

따라서, 티타니아는 광촉매, 하드 코팅재 및 기능성 화장품의 원료로 이용할 수 있으나 이에 앞서 상기의 문제점이 해결되어야 한다.

상술한 바와 같이, 종래 제조된 티타니아(TiO₂) 졸은 원료가 고가이고, 제조된 졸이 무정형이기 때문에 고온에서의 열처리를 필요로 하고 특히, 수용액상에서 제조된 티타니아 졸은 결정성을 가지고 있으나 유기용매에 혼합할 때는 안정한 분산체를 형성하기가 어려운 문제가 있었다.

이에, 본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하고자 노력한 결과, 가수분해 용매로서 유기용매에 대한 수용액의 몰비가 0.5 ∼ 4로 이루어진 혼합용매를 사용하여 TiCl₄를 가수분해 혹은 반응시키고 미반응된 용매 및 부산물인 염산 등을 완전히 제거한 다음, 여기에 순수한 이온교환수를 첨가하여 제어된 방법으로 다시 2차 가수분해하여 결정성 티타니아 졸을 제조하였다. 이 방법으로 생성된 티타니아 졸의 입자 표면은 수산기와 유기기가 동시에 결합된 하이브리드 형태를 갖게 되고, 이로써 티타니아 졸은 친수성과 친유성을 동시에 갖게 된다. 이어서 상기 제조된 티타니아 졸을 30 ∼ 50%의 고농도로 농축시키면 점성이 매우 높아 매질에 대한 높은 부착성 효과를 얻음을 알게 됨으로서 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 고농도로 안정하게 분산되고 수용액 및 유기용매에도 분산성이 우수한 친수성 및 친유성이 우수한 고농도의 결정성 티타니아 졸의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1는 본 발명에서 제조한 티타니아 졸을 100℃에서 건조한 분말을 적외선 분광(IR) 분석한 결과를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에서 제조한 미세 티타니아 졸을 100℃에서 건조한 분말의 X-선 회절(XRD) 패턴을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에서 제조한 고농도 티타니아 졸의 입자 크기 분포도를 동적 광산란기(DLS)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 TiCl₄를 가수분해하여 티타니아 졸을 제조하는 방법에 있어서,

수용액/유기용매의 몰비가 0.5 ∼ 4인 혼합용매 내에서, 수용액에 대하여 0.2 ∼ 0.3 몰비에 해당하는 TiCl₄를 1차 가수분해하여 티타니아 졸을 제조하는 공정;

상기 티타니아 졸이 레진형의 고체상 생성물이 되도록 미반응된 혼합용매와 반응 부산물인 염산 등을 제거한 다음, 다시 순수한 이온교환수를 가하여 20 ∼ 90℃에서 2차 가수분해하는 공정; 그리고,

상기 열처리된 티타니아를 수용액에 용해 후 30 ∼ 50%의 농도로 농축하는 공정으로 이루어진 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기한 방법에 의하여 제조된 것으로, 티타니아 입자 표면에 유기기 및 수산기가 동시에 결합되어 있으며 유기용매에 대한 분산성이 우수한 하이브리드형 고농도 티타니아 졸을 또 다른 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 고농도의 티타니아 졸은 매질에 대한 부착성이 우수하고 별도의 후처리 과정 없이 수용액 및 유기용매에서도 안정한 분산성이 유지되는 특징이 있다.

이하, 본 발명을 각 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유기용매 및 수용액으로 이루어진 혼합용매를 제조한다.

본 발명은 티타니아 졸이 친수성 및 친유성을 동시에 부여하기 위하여 가수분해시 유기용매 및 수용액으로 이루어진 혼합용매를 사용한다. 상기 혼합용매 중 수용액은 유기용매에 대하여 0.5 ∼ 4 몰비, 바람직하기로는 0.6 ∼ 3.5 몰비로 이루어진 혼합용매를 사용한다. 상기 혼합용매의 몰비는 Ti 이온에 수산기와 유기를 동시에 결합하도록 고려한 것으로, 만일 그 몰비가 상기 범위를 벗어나게 되면 유기용매에 대한 친화성이 나쁘거나 2차 가수분해 속도가 느려지게 되어 바람직하지 못하게 된다. 본 발명의 혼합용매에 사용되는 유기용매로는 에틸알콜, 메틸알콜 및 THF 등이 수용액에 대한 혼합과 Ti 이온과의 결합성 능력 때문에 바람직하게 사용된다. 일예로, 유기용매로 에틸알콜을 사용한 경우 제조되는 티타니아 졸은 졸 입자 표면에 에틸기 및 수산기가 결합된 형태가 되며, 이러한 에틸기가 친유성을 나타내게 된다.

이어서, 상기 혼합용매에 TiCl₄를 상기 수용액에 대하여 0.2 ∼ 0.3 몰비가 되도록 천천히 적하시켜 가수분해와 화학반응이 일어나게 함으로써 Ti 이온에 수산기와 유기기가 동시에 결합된 Ti 화합물을 제조한다. 만일, TiCl₄의 함량이 상기의 범위에서 벗어나는 경우에는 2차 가수분해에 의한 졸화 과정에서 안정한 졸이 되지 못하게 되어 바람직하지 못하게 된다.

다음 공정으로, 상기 제조된 Ti화합물에서 미반응된 혼합용매와 부산물인 염산 등을 완전히 제거하여 레진형 고체상으로 제조한 다음, 상기 레진형 고체상의 Ti 화합물에 대하여 수용액을 10 몰비 이상으로 과량 첨가하여 2차 가수분해하여 티타니아 졸을 제조한다.

이때 가수분해 온도를 20 ∼ 90 ℃로 조정하여 티타니아 입자의 크기를 조정하고 결정성으로 변하게 한다.

일반적으로 티타니아 입자가 결정성을 나타낼 수 있는 열처리 온도는 300∼ 500 ℃의 온도 범위에서 수행하게 되는데, 본 발명에서는 티타니아가 물에 대한 가수분해 경향이 매우 높아 상기 온도보다 훨씬 낮은 20 ∼ 90 ℃, 바람직하기로는 30 ∼ 70 ℃의 낮은 온도에서 열처리하여도 동일한 효과를 얻게 된다. 만일, 열처리 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 제조되는 티타니아 졸의 입자 크기가 너무 크게 되어 안정하지 않게 되거나, 혹은 결정성이 나타나지 않게 되어 바람직하지 못하게 된다.

마지막 공정으로, 상기 미세 티타니아 졸의 수분을 제거하여 농도가 30 ∼ 50%인 고농도의 졸을 제조하여 본 발명을 완성한다.

상기 고농도의 티타니아 졸은 1차로 혼합용매에서 가수분해할 때 생성된 염산(HCl)을 대부분 제거할 수 있으며, 이에 따라 상기 고농도의 범위에서 안정된 분산체를 이룰 수 있는 농도의 산이 존재하게 된다. 만일, 상기 티타니아 졸의 농도가 50%을 초과한 경우에는 졸의 안정성이 떨어져 겔화가 일어나는 경향이 있다.

상술한 공정에 따라, 결정성을 나타내고 티타니아 졸 입자 표면에 수산기 및 유기기가 결합된 고농도의 티타니아 졸을 제조할 수 있다. 본 발명의 티타니아 졸 입자의 크기는 동적광산란기(DLS)를 이용하여 입자크기 분포도를 측정한 결과 평균 입자크기가 약 150 nm의 크기를 나타냄을 알 수 있었으며, 이는 첨부도면 도 3에 나타낸 바와 같다. 그러나, 투과 전자 현미경 분석에서 1차 가수분해 후 입자의 크기는 10 nm이하의 매우 미세한 입자로 구성되어 있음을 관찰 할 수 있었다.

또한, 본 발명에서 제조된 고농도의 티타니아 졸의 입자의 구표면 구조 및 결정성을 측정하기 위하여 100 ℃에서 건조 후 적외선 분광 분석 및 X-선 회절 패턴을 분석하였으며, 이러한 결과는 첨부도면 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같다. 도 1의 적외선 분광 분석에 의하면 티타니아 졸 입자가 수산기(-OH)와 유기기(C-C, C-O)를 동시에 가지고 있어 하이브리드형 구조임을 확인할 수 있다. 그리고, 도 2의 X-선 회절분석 패턴에 의하면 본 발명의 티타니아가 결정성을 나타냄을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기의 제조방법에 의해 제조된 것으로, 티타니아 입자 표면에 유기기 및 수산기가 동시에 결합되어 있으며, 이에 따라 유기용매에 대한 분산성이 우수한 하이브리드형 고농도 티타니아 졸을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명에서 제조된 고농도의 티타니아졸은 별도의 후처리 과정 없이도 유기용매에도 안정하게 분산된 형태로의 제조가 가능하다. 본 발명의 하이브리드형 고농도의 티타니아졸은 티타니아 졸 표면에 유기기 및 수산기가 동시에 결합되어 있으며, 특히 유기기 및 수산기의 양은 1차 가수분해시 사용되는 혼합용매의 몰비를 조절하여 얻을 수 있다.

이를 좀더 상세하게 설명하자면, 먼저 상기 제조된 고농도의 티타니아졸의 수분을 완전히 제거하여 레진형의 고체상으로 얻는다. 여기에 유기용매를 첨가하여 5 ∼ 20% 농도의 티타니아 졸을 제조하고, 사용 가능한 유기용매로는 메틸알콜, 에틸알콜 및 프로필알콜 중에서 선택한다. 이와 같이, 유기용매로 분산된 티타니아 졸은 시간이 지나도 안정한 분산성을 유지하였으며, 입자의 응집도 발생되지 않는 등의 우수한 친유성을 나타낸다.

또한, 고농도로 인하여 점도가 매우 높아 매질에 대한 부착성이 우수할 것으로 기대된다. 그 결과, 본 발명에서 제조된 고농도의 하이브리드형 티타니아 졸은 광촉매 및 코팅재로 효과적으로 이용할 수 있으며, 화장품의 원료 분야에도 이용이 가능해 진다.

한편, 이상과 같이 제조된 고농도의 티타니아졸은 용매를 제거하여 결정화된 초미세 티타니아 분말을 제조하여 여러 분야에 적합하게 응용할 수도 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 다음의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

0℃의 얼음 중탕에 반응기를 설치하고, 95% 에틸알콜 120 ㎖(2mol) 및 증류수 27 ㎖ (1.5mol)를 혼합하여 혼합용매를 제조하였다. 상기 혼합용매를 교반하면서 TiCl₄용액 41 ㎖(0.37mol)로 약 5분 동안 천천히 적하하는 방법으로 TiCl₄를 가수분해하여 투명한 용액을 제조하였다. 이때, 모든 실험은 배기가 양호한 후드에서 실시하였으며, 상기 가수분해 반응은 급격한 발열 반응이므로 온도가 급격하게 상승하지 않도록 주의하였다.

이어서, 상기 제조된 티타니아 용액을 70 ℃에서 감압 증발하여 용매를 완전히 제거하여 고체상으로 제조하였다. 상기 고체상의 티타니아 화합물에 증류수 200 ㎖를 다시 첨가하여 2차 가수분해 후 약 30℃에서 하루동안 열처리하였다. 이어서, 70 ℃에서 감압 증류하여 증류수를 고형분의 함량이 50 중량% 되게 제거하여 고농도의 수용액상 티타니아 졸을 제조하였다.

실시예 2

혼합용매 중의 수용액의 함량을 126 ㎖(7mol)로 한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 고형분의 함량이 50 중량%인 고농도의 티타니아 졸을 제조하였다.

비교예

종래 사용되는 티타니아 분말을 사용하여 수용액에 분산시킨 후 HCl을 pH가 2 정도가 되게 첨가하여 펩타이징 방법으로, 30% 농도의 졸을 제조하였다. 이때, 사용되는 티타니아는 데구사(Degussa) 제품으로 입자크기 평균 25 nm로 알려진 분말을 사용하였다.

시험예

상기 실시예 1 ∼ 2 및 비교예에서 제조한 티타니아 졸의 용매에 대한 분산성을 측정하였으며, 이에 대한 결과를 다음 표 1에 나타내었다. 용매에 대한 분산성은 상기 제조된 고농도 티타니아졸을 이온교환수, 에틸알콜 및 프로필알콜에 첨가하여 티타니아졸의 농도가 10%가 되도록 한 후 안정한 분산체를 이루는지 확인하였다.

상기 표 1에 의하면, 실시예 1 ∼ 2의 티타니아 졸은 이온교환수, 에틸알콜 및 프로필알콜에 안정한 분산체를 유지하였다. 이에 비하여 비교예의 경우 티타니아는 에틸알콜 및 프로필알콜에 전혀 분산되지 않고 바로 침전이 일어났다.

본 발명으로 제조한 고농도 티타니아 졸의 유기용매 및 이온교환수에 대한 우수한 친화성은 도 1에 나타낸 바와 같이 티타니아 입자 표면에 공존하고 있는 수산기와 유기기에 의한 것으로 판단되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 따라 유기용매 및 수용액의 혼합용매를 이용하여 TiCl₄를 1차 및 2차 가수분해한 다음, 열처리 과정을 거치고 수용액에 재용해 후 용매의 부분제거를 통하여 고농도의 티타니아 졸을 제조하였다. 상기 고농도의 티타니아 졸은 Ti 이온에 수산기 및 유기기가 동시에 결합되어(도 1참조) 수용액 및 유기용매 상에서도 안정한 분산성이 유지되고, 친수성 및 친유성이 우수함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸은 티타니아가 지닌 고유의 광활성과 더불어 부착성 및 안정한 분산성으로 인하여 광촉매 및 코팅제로 응용될 수 있고, 높은 친수성 및 친유성으로 인하여 기능성 화장품의 원료 분야에 효과적으로 응용할 수 있다.

Claims (4)

1. TiCl₄를 가수분해하여 티타니아 졸을 제조하는 방법에 있어서,

   수용액/유기용매의 몰비가 0.5 ∼ 4인 혼합용매 내에서, 수용액에 대하여 0.2 ∼ 0.3 몰비에 해당하는 TiCl₄를 1차 가수분해하여 티타니아 졸을 제조하는 공정;

   상기 티타니아 졸이 레진형의 고체상 생성물이 되도록 혼합용매를 제거한 다음, 수용액 내에서 2차 가수분해한 후 20 ∼ 90 ℃에서 열처리하는 공정; 그리고,

   상기 열처리된 티타니아를 수용액에 용해 후 30 ∼ 50%의 농도로 농축하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유기용매는 에틸알콜, 메틸알콜 및 테트라하이드로퓨란 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 친수성 및 친유성이 우수한 고농도 티타니아 졸의 제조방법.
3. 상기 청구항 1의 제조방법에 의해 제조된 것으로, 티타니아 졸 입자 표면에 유기기 및 수산기가 동시에 결합되어 있으며, 수용액 또는 유기용액에 대하여 분산성이 우수한 것임을 특징으로 하는 하이브리드형 고농도 티타니아 졸.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 유기용매가 메틸알콜, 에틸알콜 및 프로필알콜 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 하이브리드형 고농도 티타니아 졸.