KR100484544B1

KR100484544B1 - 분무건조에 의한 나노클레이의 제조방법

Info

Publication number: KR100484544B1
Application number: KR10-2002-0051919A
Authority: KR
Inventors: 오택수; 정병국
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2005-04-20
Also published as: KR20040020328A

Abstract

본 발명은 입자 상태에서 나노크기(100nm이하)를 가지고 있는 층상 클레이(clay)의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 고분자 매트릭스의 종류에 제한을 받지 않고 나노두께를 갖는 클레이를 첨가하는 것만으로 고분자/클레이 나노복합재료를 제조 할 수 있도록 하기 위하여, 입자상태에서 나노크기의 두께를 갖는 나노클레이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

스멕타이트계 클레이를 나노 클레이로 제조하는 방법에 있어서,

상기 스멕타이트계 클레이와 물을 교반하여 클레이의 층간이 박리된 슬러리를 얻는 단계와,

상기 슬러리를 분무하는 단계 및,

상기 분무된 입자를 열풍으로 건조하여 나노 클레이를 얻는 단계를 포함하여 이루어지는 분무건조에 의한 나노클레이 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

Description

분무건조에 의한 나노클레이의 제조방법{Method for manufacturing nano clay powder using spray dryer}

본 발명은 입자 상태에서 나노크기(100nm이하)를 가지고 있는 층상 클레이(clay)의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슬러리상태에서 층상분리된 클레이를 분무건조에 의해 나노클레이로 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 층상 구조를 가지고 있는 클레이는 스멕타이트(smectite)계의 클레이로서, 이러한 클레이는 도 1에서 나타낸 것과 같이 Si사면체와 Al팔면체가 2:1의 비율로 3층판(Si-Al-Si)구조를 이루는 층상구조(layer structure)를 가지고 있다. 스멕타이트계에서 층상구조를 이용하기 위하여 일반적으로 사용되고 있는 것은 몬모릴로나이트(montmorillonite, MMT), 헥토라이트(hectorite), 세포나이트(saponite)와 같은 것들이 있다.

스멕타이트계 클레이중에서도 물 속에서 팽윤성이 크고 분산성이 가장 좋은 몬모릴로나이트가 가장 일반적으로 사용되고 있다. 층상구조를 가지고 있는 MMT는 층상형 규산염광물(phyllosilicates)의 화학 구조식인 Al₂Si₄(OH)로 형성되어 있다. 산화알미늄(aluminum oxide) 중간층인 기브자이트 층(gibbsite layer)에서 +3가의 Al이 +2가인 마그네슘(magnesium)으로 치환되고, 이에 따라서 MMT의 표면에 -1가 만큼의 교환성 이온을 가지게 되며, 부족한 전하를 만족시킨 성분에 따라서 Na+로 만족시킨 형태가 Na+형-MMT이고, Ca+로 만족시킨 형태가 Ca+형-MMT이다.

일반적인 스멕타이트계 클레이의 특성은 층상구조 사이에 존재하는 양이온과 물 사이에 작용하는 수화작용에 의하여 클레이의 층과 층 사이에 물분자가 들어가게 된다. 이러한 작용과 더불어 교반기와 같은 장치를 이용하여 외력을 가하여 주게되면 클레이의 층과 층이 수중에서 박리되어 한층의 두께가 약 1나노미터(nm)의 두께를 갖는 각각의 층으로 박리되어 슬러리 상태로 수중에 존재하게 된다.

그러나, 슬러리 상태의 슬러리에서 수분을 건조하면 클레이의 층간에 작용하는 강력한 분자간력으로 인하여 클레이를 수중에 수화시키기 전과 같은 상태로 환원이 되는 것으로 알려져 있다. 또한, 이러한 입자를 이용한 고분자/클레이 복합재료의 경우에도 매트릭스재료인 고분자 재료와 혼합하는 등의 공정을 거쳐도 클레이의 층과 층이 나노 두께를 갖는 상태로 박리 되는 작용이 발생하지 않기 때문에 나노복합재료가 아닌 일반적인 복합재료가 제조된다.

따라서, 나노복합재료용 클레이는 클레이의 층간에 존재하는 교환성 양이온을 유기개질제로 치환시켜서 클레이의 층간거리를 증가시키는 유기화 공정을 거쳐서 유기화된 클레이를 제조하는 기술이 알려져 있다. 이 기술과 관련된 선행기술로는 미국특허 제4,889,885 및 4,810,734호가 있다. 유기화된 클레이는 입자상태에서 그 크기가 마이크로 크기를 가지므로 이러한 클레이가 나노화되기 위해서는 클레이와 고분자 매트릭스재료간의 상호작용이 가능한 재료를 사용하여야 한다는 제약이 발생하게 된다. 또한, 클레이의 유기화 과정에 매우 많은 시간과 공정이 필요하고 환경적으로도 유기화제를 처리하는 과정에서 환경에 유해한 물질이 발생하는 등 많은 문제점이 있다.

본 발명은 고분자 매트릭스의 종류에 제한을 받지 않고 나노두께를 갖는 클레이를 첨가하는 것만으로 고분자/클레이 나노복합재료를 제조하기 위하여, 입자상태에서 나노크기의 두께를 갖는 나노클레이를 제조하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 나노클레이 제조방법은, 스멕타이트계 클레이를 클레이와 물을 교반하여 클레이의 층간이 박리된 슬러리를 얻는 단계와, 상기 슬러리를 분무건조기에서 분무하는 단계 및,

상기 분무된 입자를 열풍으로 건조하여 나노 클레이를 얻는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 수중에서 수화성을 갖는 스멕타이트계 클레이가 슬러리 상태에서는 클레이의 층과 층이 나노크기로 박리된 상태로 존재하므로, 이들을 분무건조하면 물과 함께 여러 개의 층으로 박리된 상태로 존재하는 나노두께를 갖는 클레이 입자가 분무되는 물 입자속에 나노크기로 존재한다는 사실에 주목하여 완성된 것이다.

본 발명에서 스멕타이트계 클레이는 잘 알려져 있는 몬모릴로나이트(montmorillonite, MMT), 헥토라이트(hectorite), 세포나이트(saponite) 등에서 선택하여 사용할 수 있다.

먼저, 스멕타이트계 클레이를 층간이 박리된 상태의 슬러리로 만든다(도 2). 즉, 스멕타이트계 클레이를 물과 혼합하고 교반하여 슬러리로 만든다. 물과의 혼합비나 교반조건은 통상의 조건으로 한다. 즉, 슬러리 상태로 만들 수 있는 정도로 물과 혼합하고, 교반도 물과 클레이가 충분히 혼합되어 클레이의 층간이 박리된 상태로 만들면 된다.

클레이 슬러리를 분무건조한다. 분무비말건조의 다른 예인 초음파분사도 가능하지만, 나노클레이를 얻는데는 분무건조가 가장 바람직하다.

분무건조에 이용되는 분무건조기의 예가 도 3에 제시되어 있다. 즉, 클레이 슬러리를 펌프(1)에 의해 온도가 높은 상태로 예열된 분무관(2, 노즐)에 의해 고압으로 분무하게 되면, 물과 함께 여러 개의 층이 박리된 상태로 수중에 존재하던 나노두께를 갖는 클레이 입자가 분무되는 물입자 속에 나노크기로 존재하게 된다. 이와 같이 분무된 물입자는 안개와 같은 상태로 분무되기 때문에 분무건조기의 분무관(2) 내부의 높은 온도와 접촉하게 되면 순간적으로 건조되어 나노 두께를 갖는 입자가 제조된다. 노즐을 통과한 분무입자는 건조공기와 분리되어 집진기(9)에 집진되고, 분리된 공기는 송풍기(10)에 의해 배출된다.

이러한 분무건조공정은 0.1~5kgf/cm²의 압력으로 입구온도 150~200℃, 출구온도 50~100℃의 조건으로 행하는 것이 가장 바람직하다. 이 조건을 만족할 때 두께가 극히 얇은 나노클레이를 안정적으로 얻을 수 있다.

본 발명에 따라 나노클레이를 분무건조방법으로 제조하면 클레이는 그 공정이 매우 간단하고 환경적으로 어떠한 유해물질도 사용하지 않기 때문에 매우 친환경적인 방법이라고 할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

미국의 Southern Clay사에서 생산되는 natural MMT를 물 속에 클레이의 농도가 4 중량 퍼센트(%)가 되도록 혼합한 후에 교반 날개가 달린 교반기를 이용하여 적정시간(실시예 에서는 6000rpm, 30분의 조건)혼합하여 클레이의 층간이 박리 된 상태의 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 일본의 야마토(Yamato)에서 생산된 Pulvis Mini Spray Dryer(model: GB-22)를 사용하여 분무건조하였다. 분무건조 조건은 아래 표 1과 같다.

분무건조 조건		단위	분무조건
분무건조 압력		kgf/cm²	2.0
분무건조 풍량		m³/min	40
분무건조 온도	입구온도	℃	175~180
분무건조 온도	출구온도	℃	75~80

표 1의 조건으로 제조된 나노클레이를 투과전자현미경으로 조사한 결과, 클레이의 두께가 100nm이하인 나노 클레이로 확인되었다(도 3).

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 간단하면서도 유해물질도 사용하지 않는 분무건조방법으로 나노클레이를 제공할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

도 1은 스멕타이트계 클레이의 구조를 나타내는 개략도

도 2는 클레이 슬러리의 개념도

도 3은 분무건조기의 일례도

도 4는 본 발명에 따라 제조된 나노클레이의 사진

Claims

스멕타이트계 클레이를 나노 클레이로 제조하는 방법에 있어서,

상기 스멕타이트계 클레이와 물을 교반하여 클레이의 층간이 박리된 슬러리를 얻는 단계와,

상기 슬러리를 분무하는 단계 및,

상기 분무된 입자를 열풍으로 건조하여 나노 클레이를 얻는 단계를 포함하여 이루어지는 분무건조에 의한 나노클레이 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 분무건조는 0.1~5kgf/cm²의 압력으로 입구온도 150~200℃, 출구온도 50~100℃에서 행함을 특징으로 하는 분무건조에 의한 나노클레이 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 건조된 나노 클레이는 두께가 10nm이하임을 특징으로 하는 분무건조에 의한 나노클레이 제조방법.