KR100636371B1 - 알루미노 실리케이트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드를 이용한 알루미노 실리케이트의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법으로 제조된 알루미노 실리케이트를 EMI(Electromagnetic interference) 코팅제용 바인더로 사용하면 기존 유기 바인더의 환경 오염성을 개선할 수 있고, 실리카 졸 및 알카리 실리케이트계 무기 바인더의 단점인 내수성 저하를 보완할 수 있다. 또한, EMC 전도 페인트(Electromagnetic compatibility conductive paint)를 제조하는데 있어 본 발명의 화합물을 바인더로 이용하면 친환경성 뿐만 아니라, 금속 필러(filler)의 함량을 줄일 수 있어 경제적인 이점이 있다.

알루미노 실리케이트, 테트라 에톡시 실란, 알루미늄 이소프로폭사이드

Description

알루미노 실리케이트의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING ALUMINO SILICATE}

본 발명은 알루미노 실리케이트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드를 전구체로 이용한 알루미노 실리케이트의 제조방법에 관한 것이다.

전자파 차폐, 자외선 차단, 나노 소재를 이용한 기능성을 제품에 부여하는데 있어 바인더(binder)의 역할은 매우 중요하다. 이러한 기능성을 부여하는데 있어 기존에는 각종 아크릴계 수지 및 우레탄계 수지와 같은 수지류 또는 유기 화합물 용제를 바인더로 첨가한 코팅제를 기재에 처리하는 방법이 이용되어 왔다. 그러나, 유기 용제 사용에 따른 악취와 수지 합성 과정에서 미반응 단량체에 의해 발생하는 악취로 인하여 실제 기재에 코팅하는 과정에서 작업자에게 피해를 주고 있는 실정이다. 또한, 유기 용제 및 미반응 단량체에 의한 악취가 장시간 잔존해 있어 일상 환경 및 작업 현장의 대기를 오염시킨다는 문제점이 있었다.

따라서, 이러한 기존 유기 바인더의 문제점을 해결하기 위한 대체 방법으로 무기 화합물을 바인더로 이용하는 방법이 현재 사용되고 있다. 그러나, 무기 화합물의 경우 환경 오염을 줄일 수는 있었으나, 상온 건조에 의한 도막 경도 확보가 용이하지 않아 내누성이 떨어지고, 건조 특성 및 접착성 등에 있어 유기 고분자 바인더에 비하여 현격하게 낮다는 단점이 있다. 즉, 빈번하게 사용되고 있는 알칼리 실리케이트류(alkali silicate) 무기 바인더의 경우 내수성이 미약하여 수분 접촉이 많은 곳에서는 사용하기 어렵다. 또한, 이러한 점을 보완하기 위하여 사용되고 있는 실리카 졸(silica sol)의 경우 건조시간이 길고, 도막 경도가 미약하여 실제 적용하는데 문제가 있다.

본 발명자는 기존 유기 바인더의 환경 유해성을 극복하고, 알칼리 실리케이트류 무기 바인더 및 실리카 졸의 내수성 저하를 보완하기 위하여 연구하던 중, 실리카 전구체로 테트라 에톡시 실란과 알루미나 전구체로 알루미늄 이소프로폭사이드를 사용하여 알루미노 실리케이트 화합물을 제조하였고, 이러한 알루미노 실리케이트 화합물이 휘발성 유기 화합물의 함량이 낮고 내수성이 우수하여 기존 바인더의 문제점을 보완할 수 있는 친환경 바인더로 사용될 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 휘발성 유기 화합물의 함량이 낮아 기존 유기 바인더의 환경 유해성 문제를 해결할 수 있고, 내수성이 높아 기존 무기 바인더의 결점을 보완할 수 있는 바인더용 화합물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

테트라 에톡시 실란(tetra ethoxy silane)과 알루미늄 이소프로폭사이드(aluminum isopropoxide)를 물에 첨가한 후, 상온에서 30~60분 동안 혼합하여 수용액을 얻는 단계;

수득된 수용액에 가교제로서 염기성 물질을 첨가하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미노 실리케이트(alumino silicate)의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드를 물에 첨가한 후, 상온에서 30~60분 동안 혼합하여 수용액을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로는 알루미노 실리케이트 화합물을 제조하는 데 있어 전구체로 알루민산 나트륨과 규산 나트륨을 사용하는데, 본 발명에서는 알루미노 실리케이트 화합물을 제조하기 위하여 실리카 전구체로 알콕사이드류 화합물인 테트라 에톡시 실란을, 알루미나 전구체로는 알루미늄 이소프로폭사이드를 사용하였다는 점에 특징이 있다. 알콕사이드류 화합물은 규산염에 비하여 pH 제어가 용이하고, 물성변화를 다양하게 줄 수 있는 장점이 있으며, 이러한 특징으로 인하여 졸-겔(sol-gel)법을 이용한 세라믹 재료 합성에 다양하게 사용되고 있는 물질 중 하나로서 본 발명에 따른 화합물 제조 방법에서 전구체로 사용하는 것이 바람직하다.

상기에서 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드의 혼합비율은(중량비) 1:10 내지 10:1으로 인 것이 바람직하다. 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드의 혼합비율이 1:10 미만이면 알루미나가 다량으로 존재하게 되고, 10:1을 초과하게 되면 실리카가 다량으로 존재하여 실리카와 알루미나간의 상호 체인(chain) 형성이 어렵게 되기 때문에, 상기 범위의 비율로 혼합하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 2:1인 것이 보다 바람직하다.

상기에서 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드의 경우 물에 혼합되지 않기 때문에, 혼합을 위하여 용매로 알코올을 사용하는 것이 바람직하고, 에탄올, 프로필알코올, 이소프로필알코올 및 메탄올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직한데, 다른 알코올의 경우 비점이 너무 높아 반응 후 가열을 통하여 용제를 제거할 때 용제 제거가 쉽게 이루어지지 않기 때문이다. 이와 같이 용매를 사용하여 혼합함으로써 균일한 수용액을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 수용액에 가교제로서 염기성 물질을 첨가하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 염기성 물질은 수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화칼륨, 암모니아수 및 수산화리튬으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서 염기성 물질은 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드의 혼합 중량의 합을 기준으로 0.01~5중량% 첨가되는 것이 바람직하고, 구체적으로 3중량%의 함량으로 첨가되는 것이 보다 바람직하다. 상기에서 염기성 물질의 함량이 0.01중량% 미만이면 반응속도가 느릴 뿐만 아니라 형성된 무기 막의 강도가 떨어지게 되고, 5중량%를 초과하게 되면 수용액 상태에서 반응이 급격히 진행되어 액의 안정성이 저하되기 때문에 상기 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 염기성 물질을 첨가한 후에는, 50~100℃에서 4~10시간 동안 반응시키는 것이 바람직한데, 이와 같은 조건으로 반응시킴으로써 첨가된 용매와 발생되는 부산물을 효과적으로 제거하여 순수한 수계 바인더를 제조할 수 있다는 이점이 있다. 상기와 같이 반응시킨 후에는, 다시 80~100℃에서 12시간 이상, 구체적으로 12시간 동안 교반하는 것이 바람직한데, 이러한 과정을 통해 용매로 첨가했던 알코올을 증발시킬 수 있다. 또한, 감압증류를 통하여 비점이 낮은 알코올을 제거할 수도 있다.

본 발명은,

테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드를 1:10 내지 10:1의 혼합 비율로 물에 첨가한 후, 에탄올, 프로필알코올, 이소프로필알코올 및 메탄올로 이 루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 알코올을 용매로 첨가하고, 상온에서 30~60분 동안 혼합하여 수용액을 얻는 단계;

수득된 수용액에 가교제로서 수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화칼륨, 암모니아수 및 수산화리튬 중에서 선택된 어느 하나 이상을 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드의 혼합 중량의 합을 기준으로 0.01~5중량% 첨가하여 50~100℃에서 4~10시간 동안 반응시킨 후, 80~100℃에서 12시간 동안 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미노 실리케이트 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제조된 알루미노 실리케이트 화합물은 전자파 차폐(EMI; Electromagnetic interference)를 위한 코팅제용 친환경 무기 바인더로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1] 알루미노 실리케이트계 바인더의 제조

교반기 및 온도계, 가열도구, 환류기 등이 장착된 2,000ml 4구 플라스크에 물 500ml을 첨가하였다. 여기에 테트라 에톡시 실란을 100g 첨가하고, 알루미늄 이소프로폭사이드 50g을 첨가한 후, 용매로 이소프로필알코올을 200g 첨가하고 500rpm으로 상온에서 30분 동안 교반하였다.

여기에 염기성 물질로 수산화칼륨 5g을 첨가한 후, 환류냉각기를 장착한 상태로 80℃의 온도에서 8시간 동안 500rpm으로 교반하여 반응시켰다.

반응 완료 후, 환류냉각기를 제거하고, 다시 80℃의 온도에서 12시간 동안 교반을 실시하여 용매 및 부산물로 발생한 에탄올과 이소프로필알코올을 제거하였다. 상기 반응물을 냉각시키고 전체 중량 1,000g이 되도록 증류수를 첨가함으로써 알루미노 실리케이트계 바인더를 제조하였다.

[시험예 1]

상기 실시예 1에서 제조된 바인더를 상온에서 1시간 동안 건조하여 시편을 만들었다. 이 시편과 종래 방법으로 제조된 바인더(아크릴계 수지 바인더, 상품명 : ACRONAL 296D, 바스프사)의 휘발성 유기 화합물(VOC; volatile organic compound) 함량과 도막 경도를 측정하였다.

휘발성 유기 화합물 함량을 측정하기 위해서, 우선 10×10cm 아크릴 플레이트 2개에 종래 아크릴계 수지 바인더와 실시예 1에서 제조된 무기 바인더 각각을 스프레이 코팅하였고, 상온에서 6시간 동안 건조한 후, 2L 비이커에 넣고 상부를 완전히 밀봉하였다. 이후, 코팅이 안된 아크릴 플레이트를 넣은 2L 비이커를 밀봉하여 GC(Gas Chromatography, 모델명: Agilent 6850)를 이용하여 VOC 함량을 30분 동안 측정하여 영점을 보정하였고, 각 바인더가 코팅된 샘플을 넣은 비이커에서의 VOC 함량을 GC를 이용하여 30분 동안 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였 다.

또한, 내수성을 확인하기 위한 도막 경도 측정을 위해서, 100×200×1mm 크기의 아크릴 플레이트 2개를 각각 실시예 1에 의해 제조된 용액과 종래 아크릴계 수지 바인더를 3배 희석한 용액에 침지한 후, 100mm/분의 속도로 딥 코팅(Dip coating)한 후 상온에서 6시간 건조하였고, 250ml비이커에 증류수 200ml를 담고 여기에 다시 상기 코팅된 아크릴 판을 침지하고 24시간 후 외관을 관찰하여 증류수에 침적된 부위와 침적되지 않은 부위의 외관 및 부착 강도를 연필 경도법으로 측정하여 내수성을 관찰하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.

	실시예 1에서 제조된 알루미노 실리케이트계 바인더	종래 방법으로 제조된 아크릴계 수지 바인더
VOC 함량(g/L)	1	200
도막 경도(Hv)	6	1

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제조방법으로 제조된 무기 바인더의 경우, VOC 함량이 종래 바인더와 비교하여 1/200 배 낮았다. 즉, 본 발명의 알루미노 실리케이트 화합물이 유기 화합물의 함량이 낮아 친환경 바인더로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 도막 경도의 경우 6Hv로서 종래 바인더와 비교하여 6배 높아 본 발명의 알루미노 실리케이트계 바인더가 내수성 또한 높음을 확인할 수 있었다.

본 발명의 알루미노 실리케이트 화합물은 유기 화합물의 함량이 종래 바인더와 비교하여 낮고, 도막 경도의 경우 종래 바인더와 비교하여 높다. 따라서, 본 발명의 방법으로 제조된 알루미노 실리케이트 화합물을 EMI(Electromagnetic interference) 코팅제용 바인더로 사용하면 기존 유기 바인더의 환경 오염성을 개선할 수 있고, 실리카 졸 및 알카리 실리케이트계 무기 바인더의 단점인 내수성 저하를 보완할 수 있다. 또한, EMC 전도 페인트(Electromagnetic compatibility conductive paint)를 제조하는데 있어 본 발명의 화합물을 바인더로 이용하면 친환경성 뿐만 아니라, 금속 필러(filler)의 함량을 줄일 수 있어 경제적인 이점이 있다.

Claims (7)

1. 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드를 물에 첨가한 후, 상온에서 30~60분 동안 혼합하여 수용액을 얻는 단계;

   수득된 수용액에 가교제로서 염기성 물질을 첨가하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미노 실리케이트의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드의 혼합비율은 1:10 내지 10:1인 것을 특징으로 하는 알루미노 실리케이트의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드의 혼합을 위한 용매로 에탄올, 프로필알코올, 이소프로필알코올 및 메탄올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 알코올을 사용하는 것을 특징으로 하는 알루미노 실리케이트의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 염기성 물질은 수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화칼륨, 암모니아수 및 수산화리튬으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 알루미노 실리케이트의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 염기성 물질은 테트라 에톡시 실란과 알루미늄 이소프로폭사이드의 혼합 중량의 합을 기준으로 0.01~5중량% 첨가되는 것을 특징으로 하는 알루미노 실리케이트의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 반응은 50~100℃에서 4~10시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는

   알루미노 실리케이트의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,

   반응 후 80~100℃에서 12시간 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 알루미노 실리케이트의 제조방법.