KR100708882B1 - 흄드 실리카를 이용한 나노 실리카 결정 분말의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노미터 크기의 결정질 실리카의 제조 방법, 구체적으로는 영양제, 종자 결정, 광화제 및 물을 포함하는 혼합물을 수열 처리하는 단계를 포함하고, 상기 영양제로 흄드 실리카를 사용하고, 상기 종자 결정으로 크리스토발라이트 또는 석영 분말을 사용하는 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법을 제공한다.
흄드 실리카, 크리스토발라이트, 석영

Description

흄드 실리카를 이용한 나노 실리카 결정 분말의 제조방법{THE METHOD FOR PREPARING THE NANO SILICA CRYSTALLINE POWDER USING THE FUMED SILICA}
도 1은 본 발명에 따른 실리카 결정 분말 제조 방법의 흐름도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 실리카 결정 분말의 X-선 회절 분석 결과이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 실리카 결정 분말의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 실리카 결정 분말의 투과 전자 현미경 사진이다.
도 5는 실시예 2에서 제조된 실리카 결정 분말의 X-선 회절 분석 결과이다.
도 6은 실시예 2에서 제조된 실리카 결정 분말의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 7은 실시예 2에서 제조된 실리카 결정 분말의 투과 전자현미경 사진이다.
본 발명은 나노 미터 크기의 결정질 실리카의 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹스 소재 산업은 제조 공정의 비약적인 발전을 통해 적용 분야 및 사 용량이 점차 확대되고 있다. 특히 SiO2, Al2O3, TiO2 등 산화물 계 세라믹스는 그 분말의 특성을 조절하여 다양한 분야에 응용가능하고, 따라서 분말 제조 기술이 매우 중요한 기술과제로 부각되고 있다.
특히, 일반적으로 실리카 (silica) 라고 불리는 SiO2는 우수한 광학적 기능, 열적 성질 및 기계적 성질로 인해 많은 복합 소재에 기본적으로 첨가되고 있다. SiO2의 기본 결정 구조는 석영 (quartz), 트리디마이트 (tridymite), 크리스토발라이트 (cristobalite) 로 나뉘며, 천연적으로 산출되는 것은 주로 석영 상으로 구성되어 있다. 현재 SiO2는 용도 상 비정질 실리카와 결정질 실리카로 나뉘어 사용되고 있으며, 비정질 실리카는 천연 석영을 용융하여 제조한 용융 실리카(fused silica)가 주로 사용되며, 결정질 실리카는 천연 석영을 분쇄하여 사용되는 것이 대부분이다.
천연 석영을 분쇄하여 결정질 석영을 제조하는 경우는 분말의 입도를 1㎛이하로 하기 어려우며, 분쇄시 불순물의 혼입 등으로 고순도를 갖기 어렵고, 정제를 하더라도 그 비용이 매우 높기 때문에 다른 방법을 통한　합성 석영 분말의 제조가 절실히 요구되고 있다.
또한, 솔젤 법과 같은 화학적 방법으로 실리카를 제조하는 기술이 발달되어 있으나, 이 방법으로 합성한 분말은 비정질로서, 상기 비정질 분말을 결정화시키면 석영의 결정구조가 아닌 크리스토발라이트 결정밖에 생산할 수 없고, 결정화 온도도 1000 ℃ 이상으로 높은 편이다. 또, 저온에서 크리스토발라이트 결정을 제조하 는 기술은 아직 보고되어 있지 않다. 따라서, 저온에서 나노 크기의 결정질 실리카를 제조하는 방법이 절실히 요구되고 있다.
한편, 석영 단결정 제조 방법으로는 오토 클레이브 (autoclave)를 이용한 수열 합성법 (hydrothermal synthesis)이 있으며, 이 방법은 수정 진동자 등의 소자용 단결정 석영을 제조하기 위한 것으로, 제조된 결정의 크기가 최소 1㎛이상이고, 반응온도는 350 ℃ 이상의 온도를 필요로 하며 주로 용융 실리카를 주 원료로 하였다.
본 발명자들은 실험을 통해 종자 결정(seed crystal)의 선택에 따라 최종 산물의 결정 구조가 선택 가능하다는 것을 발견하였다. 즉, 결정질 실리카의 결정 구조는 종자 결정으로 크리스토발라이트 또는 석영 분말을 선택함으로써 석영 및 크리스토발라이트 결정을 선택적으로 제조할 수 있다. 본 발명은 상기 발견에 기초한 것이며, 또 본 발명은 용융 실리카가 아닌 흄드 실리카(fumed silica)를 활용하는 기술로서 기존의 제조 온도 보다 저온에서 나노 크기의 결정질 실리카를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 나노미터 크기의 결정질 실리카의 제조 방법, 구체적으로는 영양제, 종자 결정, 광화제 및 물을 포함하는 혼합물을 수열 처리하는 단계를 포함하고, 상기 영양제로 흄드 실리카(fumed silica)를 사용하고, 상기 종자 결정으로 크리스토발라이트 또는 석영 분말을 사용하는 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방 법을 제공한다.
본 발명은 영양제(nutrients)로 용융 실리카가 아닌 흄드 실리카(fumed silica)를 사용한 것에 특징이 있다. 영양제는 결정성장에 있어 성장의 주체가 되는 기본 물질로서 그 순도와 입자 성질이 매우 중요하다.
본 발명에 사용되는 흄드 실리카는 99.9 %이상의 고순도 물질로서 입자 크기가 20 - 70 nm인 것이 바람직하다. 영양제의 순도는 제조되는 결정의 순도에 매우 큰 영향을 미친다. 즉, 제조된 결정 내의 불순물의 대부분은 바로 영양제에서 비롯된다. 그러므로 고순도의 영양제를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 제조과정에서 불순물의 혼입이 큰 용융 실리카가 아닌 고순도의 흄드 실리카를 영양제로 사용한다. 또한 수열 처리시 영양제의 용해도가 매우 중요하므로 가능한 한 입자크기가 작은 것이 바람직하며 20 - 70 nm의 나노크기의 분말을 사용하는 것이 바람직하고, 이로 인해 제조된 분말의 입도 조절이 용이해진다. 흄드 실리카(fumed silica)는 염화실란화합물을 기상 열분해하여 제조될 수 있다.
또, 본 발명은 종자 결정의 선택에 따라 최종 제조 산물의 결정 구조를 선택 제조할 수 있다는 발견에 기초한 것으로, 본 발명에 따라 종자 결정(seed crystal)으로 크리스토발라이트 또는 석영 분말을 선택함으로써 크리스토발라이트 결정과 석영결정을 자유롭게 선택 제조 가능하다.
종자 결정으로는 영양제로 사용되는 흄드 실리카를 고온에서 하소한 결정질 크리스토발라이트 분말 사용하거나 인공 합성 석영 결정을 분쇄하여 사용할 수 있다.
예컨대, 흄드 실리카를 1200 ℃ 이상, 바람직하게는 1200 - 1400 ℃의 고온에서 열처리하여 결정화한 결정질 크리스토발라이트 분말, TEOS(Tetra ethyl orthosilicate)를 이용하여 제조한 크리스토발라이트 결정 분말, 그리고 상용화된 석영 결정을 종자 결정으로 사용할 수 있다.
종자 결정으로 사용되는 크리스토발라이트 결정은 흄드실리카의 고온 열처리로 제조된 경우 및 TEOS를 이용하여 제조된 경우, 모두 대략 0.1 - 3 ㎛의 크기를 가지고 있다. 반면, 종자 결정으로 사용된 석영 결정은 0.5 - 2 ㎛의 것을 사용한다. 종자 결정은 제조되는 결정의 품질에 매우 큰 영향을 끼치며, 특히 결정의 크기 및 배향성에 큰 영향을 미친다. 본 발명은 잘 배향되고 잘 육성된 큰 결정을 제조하는 것이 아니고, 나노 크기의 결정을 제조하는 것이므로 종자결정의 배향은 중요치 않고 그 크기만 중요하다고 생각된다. 예비 연구결과 대략 1㎛ 내외의 크기가 바람직하며, 이로 인해 본 발명은 상기와 같은 종자 결정의 크기의 것을 제조, 사용한다.
한편, 결정화를 촉진하기 위해, 예컨대 용해도 증가를 위해 광화제(mineralizer)를 사용할 수 있으며, 광화제로서는 OH- , Cl-, F-이온을 갖는 화합물을 사용하며, 특히 OH- 이온이 매우 효과적이며, 이들 광화제의 비제한적인 예로 NaOH, KOH, LiOH, 등이 있다. 실제, 순수(pure water)에서 석영의 용해도는 결정성장을 일으키기에는 매우 낮아서 광화제의 첨가가 없으면 반응이 진행되지 못한다.
첨가되는 물 100중량부에 대해 영양제는 3 - 7 중량부, 종자결정은 0.5 - 0.83중량부, 광화제는 0.5 - 1.16 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
영양제는 농도가 높을수록 수열 용액의 과포화도는 작아지고, 점도는 상대적으로 높아지게 된다. 결국 핵생성에 필요한 과포화도를 얻지 못하게 되면 임계핵을 형성하지 못하고 결정 성장을 기대하기 어렵기 때문에 적절한 양의 영양제가 필요하다. 종자 결정은 성장 용액 내에서 임계핵이 형성될 때 종자 결정이 존재하게 되면 새로운 계면을 만드는데 필요한 에너지가 훨씬 작아도 되기 때문에 핵생성이 보다 쉽게 빠른 속도로 이루어지면서 결정 성장이 일어나게 한다. 본 발명의 연구결과 상기와 같은 조성범위에서 상기와 같이 원하는 결과를 얻을 수 있었다.
수열 합성 시 반응온도 150 ℃ 내지 250 ℃인 것이 바람직하고, 반응 시간은 1 내지 15시간인 것이 바람직하다. 250 ℃ 이하의 온도에서 결정분말의 제조가 가능한 것은 반응성(reactivity)이 큰 나노 크기의 흄드실리카를 영양제로 사용했기 때문이라고 생각된다.
수열 합성시 교반 공정을 추가하는 것이 바람직하고, 교반 속도는 200 내지 500 rpm 인 것이 바람직하며, 교반 공정에 의해 나노 크기의 결정립 분말 제조가 가능하다. 이를 위해 교반장치가 부착된 고압 반응기를 사용할 수 있다. 또, 이때 고압반응기는 사용되는 OH- 계 광화제에 대해 화학저항성이 강한 테프론을 용기로 사용하는 것이 바람직하다.
수열 합성시 반응 압력은 14.6 - 14.8 kgf/cm2인 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 제조된 결정질 입자 크기는 나노 크기이며, 결정립 평균크기가 60 - 80 nm 정도이다.
본 발명에 따른 결정질 실리카의 제조 방법은 도 1에 도시되어 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
하기 원료 및 수열 처리 조건을 사용하였으며, 상온 상압에서 영양제, 종자결정 및 광화제 세가지 원료를 물에 혼합한 후 자체 주문한 고압 반응 장치(autoclave)에 넣어 수열처리를 하였다. 이때 사용된 고압 반응기는 테프론 용기를 사용하였고, 용액의 교반을 위해 45o의 기울기를 갖는 4개의 날을 사용하였다. 고압 반응기가 충분히 냉각됐을 때 반응기를 해체하고, 수열 합성물을 초음파 세척하고, 중성 상태(pH = 7)가 되었을 때까지 충분히 반복 세척해서 여과시킨 후 완전히 건조시켰다. 건조된 분말 생성물에 대해 X선 회절 및 전자 현미경으로 분말 특성을 분석하였다. 그 결과 약 60 내지 80 nm의 크기를 갖는 크리스토발라이트 결정을 제조되었다는 것을 알 수 있었다(도 2, 도 3, 도 4 참조).
<원료>
영양제 (흄드 실리카) 30g
종자결정 (흄드 실리카를 1400 ℃에서 열처리하여 제조한 크리스토발라이트 결정 분말) 3g
광화제 (KOH) 5g
물 600ml
<수열 처리 조건>
반응온도 및 시간 : 200 ℃ , 3시간
교반속도 : 472rpm
실시예 2
하기 기재된 원료 및 조건을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 그 결과 약 60 - 80nm의 크기를 갖는 석영(quartz) 결정이 제조되었다는 것을 알 수 있었다(도 5, 도 6 및 도 7 참조).
<원료>
영양제 (흄드실리카) 30g
종자 결정 (상용 석영결정) 3g
광화제 (KOH) 6g
물 600 ml
<수열 처리 조건>
반응 온도 및 시간 : 200 ℃, 5시간
교반 속도 : 400rpm
본 발명은 종래기술 보다 온도가 150 ℃ 이상 낮은 저온, 예컨대 150 ℃ 내지 250 ℃에서 결정질 실리카를 제조할 수 있다. 또, 본 발명은 종자 결정(seed crystal)의 선택에 따라 선택된 최종 산물의 결정 구조를 갖는 실리카를 제조할 수 있다. 또, 본 발명에 따라 나노 크기의 결정질 실리카를 제조할 수 있다.

Claims (11)

  1. 영양제, 종자 결정, 광화제 및 물을 포함하는 혼합물을 수열 처리하는 단계를 포함하고, 상기 영양제로 흄드 실리카(fumed silica)를 사용하고, 상기 종자 결정으로 크리스토발라이트 또는 석영 결정 분말을 사용하는 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 수열 처리 시 교반 공정을 추가하는 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 종자 결정으로 크리스토발라이트 분말을 사용한 경우 크리스토발라이트 결정의 실리카가 제조되고, 종자 결정으로 석영 분말을 사용한 경우 석영 결정의 실리카가 제조되는 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흄드 실리카의 입자 크기가 20 - 70 nm인 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 종자 결정으로 사용되는 크리스토발라이트 결정의 크기는 0.1 - 3 ㎛이고, 종자 결정으로 사용되는 석영 결정의 크기는 0.5 - 2 ㎛인 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광화제는 OH- , Cl-, 또는 F-이온을 갖는 화합물인 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 첨가되는 물 100 중량부에 대해 영양제는 3 - 7 중량부, 종자결정은 0.5 - 0.83 중량부, 광화제는 0.5 - 1.16 중량부를 사용하는 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수열 처리 시 반응온도는 150 ℃ 내지 250 ℃이고, 반응 압력은 14.6 - 14.8 kgf/cm2 인 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응 시간은 1 내지 15시간인 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  10. 제2항에 있어서, 교반 속도는 200 내지 500rpm 인 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결정질 입자의 평균크기가 60 - 80 nm인 것이 특징인 결정질 실리카의 제조 방법.
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