KR100758019B1

KR100758019B1 - 마이크로 에멀젼에 의한 분산제의 종류와 투입량에 따른미세입자 구형 실리카의 제조 방법

Info

Publication number: KR100758019B1
Application number: KR1020060059448A
Authority: KR
Inventors: 최기섭; 강경진
Original assignee: 한국산업기술대학교산학협력단; (주) 에스오씨
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2007-09-11

Abstract

본 발명은 미세입자 구형실리카 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 제조방법은 물유리와 물을 혼합하고 용매와 분산제를 혼합하는 혼합공정(S10)과, 상기 혼합단계(S10)에서 혼합된 물유리와 물이 혼합된 혼합용액과 용매와 분산제가 혼합된 혼합용액을 유화기에 함께 투입하여 유화시키는 공정(S20)과, 상기 유화공정(S20)에서 유화된 혼합용액에 탄산가스와 황산을 투입시켜 숙성시키는 공정(S30)과, 상기 숙성공정(S30)에서 숙성된 혼합용액에 암모니아를 공급하고 물을 첨가하여 층을 분리시키는 공정(S40)과, 상기 분리공정(S40)에서 층이 분리되어 생성된 실리카를 가온시킨 후 황산을 첨가하여 해쇄시키는 공정(S50)과, 상기 해쇄공정(S50) 후에 탈수 및 건조시키는 탈수건조공정(S60)을 포함하며, W/O 마이크로 에멀젼을 이용하여 유화시 분산제의 종류와 분산제의 투입량을 변화시키면서 미세한 입자 크기를 용이하게 조절할 수 있어 분산제에 따라 입자 크기가 다른 실리카를 얻는 효과가 있다.

W/O 마이크로 에멀젼, 용매, 분산제, 실리카

Description

마이크로 에멀젼에 의한 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형 실리카의 제조 방법{Preparation of micrsized spherical silica by variation of surfactants and their composition from microemulsion process}

도 1은 종래의 침전법으로 분산제를 실리콘계와 파라핀계로 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타내는 그래프이며,

도 2는 본 발명의 마이크로 에멀젼에 의한 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형 실리카의 제조하기 위한 W/O 마이크로 에멀젼법을 나타내는 개략도이며

도 3은 본 발명의 마이크로 에멀젼에 의한 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형 실리카의 제조공정도이며,

도 4는 본 발명의 W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 분산제를 솔비탄계 유기분산제와 파라핀계를 투입하여 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타내는 그래프이며,

도 5는 본 발명에 의해 제조된 구형실리카 입자의 상태를 확인할 수 있는 주사 전자현미경(SEM)사진이며,

도 6은 본 발명의 W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 분산제를 솔비탄계계 유기분산제와 알킬페놀에테르계 계면활성제, 파라핀계를 사용하여 제조된 실리카 입자 의 크기 분포를 나타내는 그래프이며,

도 7은 본 발명의 W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 분산제를 솔비탄계 유기분산제와 , 폴리에틸렌옥사이드계 계면활성제, 파라핀계를 사용하여 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타내는 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >

10 : 물 20 : 용매

본 발명은 구형 실리카의 제조 방법에 관한 것으로 마이크로 에멀젼을 이용하여 분산제의 종류와 분산제 투입량에 따라 1-6μm 범위의 미세한 입자 크기를 갖는 실리카 제조에 관한 방법이다. 구체적으로는 물유리(규산나트륨)를 출발 물질로 하여 용매와 분산제로 이루어진 용액을 혼합하여 마이크로 에멀젼 용액으로 유화시킨 다음 산 및 염기의 촉매 존재 하에서 반응을 통해 미세 입자 크기의 실리카를 제조하는 것이다.

종래에는 졸-겔 법에 의한 실리카와 침전 실리카를 제조하는 습식법과 기상 분말법에 의한 흄드 실리카를 제조하는 건식법이 주로 사용되어 왔으나 건식법에 의한 흄드 실리카를 제외하고 습식법으로는 5μm크기 이하의 미세 실리카 입자를 얻기 어렵다. 최근 기술의 진보에 따라 나노 크기의 물리적, 화학적 물성이 벌크 입자와는 크게 상이한 초미립자의 제품 수요로 인하여 나노의 초미립자 제조 기술 발전이 많이 이루어지고 있다. 특히 마이크로 에멀젼은 1958년부터 사용된 용어로서 수용액 속에 오일을 에멀젼화 시키는 O/W형과 유기용매에 물을 에멀젼 시키는 W/O 형의 마이크로 에멀젼을 통하여 미세 입자를 제조하는 습식법으로 응용되고 이러한 마이크로 에멀젼을 이용한 입자 크기의 조절 기술은 이미 공개된 기술로 공지되어 있다.

도 1은 종래의 침전법에 의한 실리콘계 분산제 62.5g과 파라핀계 분산제 105g을 사용하여 상술한 공정에 의해 제조된 실리카 입자크기 분포는 종래 습식법에 의한 구형 실리카의 제조에 있어서 미세 입자 크기의 실리카 제조가 어려운 문제점이 있다.

또한, 종래의 공지기술로 대한민국 특허출원 제 2005-0018299호에 개시된 구형실리카의 제조방법에 있어서 분산제로 무기질인 실리콘계 오일을 첨가하여 교반속도를 조절함으로서 실리카의 입자크기를 제어하여 제조하는 것으로 기술되어 있으나 상기와 같은 제조방법은 실리카의 입자크기를 원하는 크기로 제어할 수 없는 문제점이 있다.

상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 1-6μm 크기 범위의 실리카를 제조하는 방법으로 1-6μm 크기의 실리카 입자가 제조되는데 필요한 분산제 종류와 그 구성비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은,

미세 입자 크기의 실리카를 제조하는 방법에 있어서,

물유리와 물을 혼합하고 용매와 분산제를 혼합하는 혼합공정(S10)과, 상기 혼합단계(S10)에서 혼합된 물유리와 물이 혼합된 혼합용액과 용매와 분산제가 혼합된 혼합용액을 유화기에 함께 투입하여 유화시키는 공정(S20)과, 상기 유화공정(S20)에서 유화된 혼합용액에 탄산가스와 황산을 투입시켜 숙성시키는 공정(S30)과, 상기 숙성공정(S30)에서 숙성된 혼합용액에 암모니아를 공급하고 물을 첨가하여 층을 분리시키는 공정(S40)과, 상기 분리공정(S40)에서 층이 분리되어 생성된 실리카를 가온시킨 후 황산을 첨가하여 해쇄시키는 공정(S50)과, 상기 해쇄공정(S50) 후에 탈수 및 건조시키는 탈수건조공정(S60)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 혼합공정(S10)에서 물의 양은 물유리에 1:0.4 중량비로 혼합되고, 분산제인 솔비탄 유기분산제는 1:0.156, 파라핀계 분산제는 1:0.078의 중량비로 혼합되며, 상기 유화공정(S20)에서 물유리와 물을 용매와 분산제가 혼합된 용액에 첨가하여 W/O 마이크로 에멀젼을 제조하며, 상기 분산제는 솔비탄의 유기분산제와 파라핀 분산제를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용매는 메틸렌클로라이드 및 사이클로헥산을 사용하고, 상기 용매인 메틸렌클로라이드 및 사이클로헥산은 물유리 대비 4.44 cc/g의 비인 것을 특징으로 한다.

상기의 제조방법에 의해 제조된 실리카 입자의 크기는 1~6μm 인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 마이크로 에멀젼에 의한 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형 실리카의 제조하기 위한 W/O 마이크로 에멀젼법을 나타내는 개략도이며, 도 3은 본 발명의 마이크로 에멀젼에 의한 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형 실리카의 제조공정도이며, 도 4는 본 발명의 W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 분산제를 솔비탄계 유기분산제와 파라핀계를 투입하여 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타내는 그래프이며, 도 5는 본 발명에 의해 제조된 구형실리카 입자의 상태를 확인할 수 있는 주사 전자현미경(SEM)사진이며, 도 6은 본 발명의 W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 분산제를 솔비탄계계 유기분산제와 알킬페놀에테르계 계면활성제, 파라핀계를 사용하여 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타내는 그래프이며, 도 7은 본 발명의 W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 분산제를 솔비탄계 유기분산제와, 폴리에틸렌옥사이드계 계면활성제, 파라핀계를 사용하여 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 미세 입자 크기의 실리카 제조방법으로, 도 1과 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 상기 혼합공정(S10)은 물유리와 물(10)을 혼합하고 용매(20)와 분산제를 각각 혼합하는 것이며, 상기 물(10)의 양은 물유리에 1:0.4 중량비로 혼합되고, 분산제인 솔비탄 유기분산제는 1:0.156, 파라핀계 분산제는 1:0.078의 중량비로 혼합하게 된다.

상기 유화공정(S20)은 상기 혼합단계(S10)에서 혼합된 물유리와 물(10)이 혼합된 혼합용액과 용매(20)와 분산제가 혼합된 혼합용액을 유화기(미도시)에 함께 투입하여 유화시키는 공정으로 물유리와 물(10)을 용매(20)와 분산제가 혼합된 용액에 첨가하여 W/O 마이크로 에멀젼을 제조하게 되며, 상기 분산제는 솔비탄계의 유기분산제와 파라핀 분산제를 사용하고, 상기 용매는 메틸렌클로라이드 및 사이클로헥산을 사용하고, 상기 용매인 메틸렌클로라이드 및 사이클로헥산은 물유리 대비 4.44 cc/g의 비인 것이 바람직하다.

이때 분산제 종류와 분산제 투입량에 따라 생성되는 실리카의 입자 크기가 달라지는데 본 발명에 있어서 1-6μm 실리카 입자의 크기를 결정하는 인자는 사용하는 분산제의 종류와 투입량은 하기의 실시예에서 기술한다.

상기 숙성공정(S30)은 상기 유화공정(S20)에서 유화된 혼합용액을 탄산가스로 처리하고 황산을 투입시켜 산성도를 맞추어 일정시간 동안 숙성하게 된다.

여기서 상기 탄산가스는 구형을 형성하게 되고, 상기 황산은 pH를 산성(pH=2)으로 조절하여 실리카의 응집을 방지한다.

상기 분리공정(S40)은 상기 숙성공정(S30)에서 숙성된 혼합용액에 암모니아를 공급하고 물을 첨가하여 층을 분리하는 공정이다

상기 암모니아는 pH=10 정도의 알카리로 하여 SOL을 안정하게 되고, 상기 물을 첨가함으로서 층 분리를 용이하게 한다

상기 해쇄공정(S50)은 상기 분리공정(S40)에서 층 분리되어 생성된 실리카를 가열시킨 후 황산을 첨가하여 해쇄시키는 공정으로 상기 황산은 알카리 상태로 수세할 경우 물이 다량 소비되기 때문에 물의 소비를 방지하기 위해 산성으로 하는 역할을 한다.

상기 탈수건조공정(S60)은 상기 해쇄된 실리카를 일정시간 동안에 탈수시켜 물(10)을 제거한 다음에 건조기에 투입시켜 건조시키면 실리카 입자를 얻게 된다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 본 발명에 따른 미세 입자 구형 실리카를 제조하는 방법은 다음과 같다.

<실시예 1>

우선 물유리 675g과 물 270g를 혼합하여 A 용액을 준비한다. 또한 용매 메칠렌클로라이드 3000cc에 분산제를 혼합하여 B 용액을 준비한다. A 용액과 B 용액을 유화기에 함께 넣고 호모게나이저로 40분간 유화시킨다.

유화를 마친 후 15분간 탄산가스를 3 l/min 속도로 처리한 후 황산 400cc 정도 가하여 pH를 2로 하고 30분간 숙성시킨다. 다음에 암모니아를 100cc 서서히공급하면서 pH를 10으로 맞추고 다시 여기에 물을 첨가하여 층 분리를 한다. 층 분리가 되면 용매층을 분리하여 나머지 생성된 실리카층을 80-100^oC로 1시간가온시킨 후 다시 20분간 pH를 2로 하기 위해 황산을 첨가하면서 해쇄시킨다.

다음 약 1시간 동안 탈수를 통하여 물을 제거한 후 건조기에서 15시간 건조시키면 실리카 입자가 얻어진다.

<실시예 2>

도 4는 본 발명의 실시예로, W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 솔비탄계 유기분산제 62.5g과 파라핀계 분산제 105g을 사용하여 동일한 방법으로 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타낸 것이다.

<실시예 3>

도 6은 본 발명의 다른 실시예로, W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 솔비탄계 유기분산제 43.75g, 알킬페놀에테르계 계면활성제 18.75g, 파라핀계 분산제 105g을 사용하여 동일한 방법으로 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타낸 것이다.

<실시예 4>

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예로, W/O 마이크로 에멀젼법에 의한 솔비탄계 유기분산제 42g, 폴리에틸렌옥사이드계 계면활성제 10.5g, 파라핀계 105g을 사용하여 동일한 방법으로 제조된 실리카 입자의 크기 분포를 나타낸 것이다.

지금까지 실시예를 통해 살펴본 바와 같이, 본 발명은 W/O형 에멀젼을 이용한 것으로 오일 속에 물이 유화될 때 물의 입자가 미세한 크기로 분산되는데 이 분산된 미세한 물의 입자 내에서 원료인 물유리가 반응하여 실리카로 전환되며 이때 생성된 실리카의 입자 크기는 오일 속에 분산된 물의 크기에 직접 의존된다. 따라서 실리카 입자 크기를 조절하기 위해서는 물의 입자를 조절하면 되는 것이다. 물의 입자 크기를 조절하기 위해서는 물의 입자를 분산시키는 분산제가 사용되는데 이 사용되는 분산제의 종류와 구성비에 따라서 물의 입자 크기가 달라지므로 실리카 입자의 크기가 조절되는 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 W/O 마이크로 에멀젼을 이용하여 유화시 분산제의 종류와 분산제의 투입량을 변화시키면서 미세한 입자 크기를 용이하게 조절할 수 있어 분산제에 따라 입자 크기가 다른 실리카를 얻는 효과가 있다.

Claims

1~6μm 범위를 갖는 미세한 입자 크기의 실리카를 제조하는 방법에 있어서;

물유리와 물을 혼합하고 용매와 분산제를 각각 혼합하되, 상기 물의 양은 물유리에 1:0.4 중량비로 혼합되고, 분산제인 솔비탄 유기분산제는 1:0.156, 파라핀계 분산제는 1:0.078의 중량비로 혼합되는 혼합공정(S10)과,

상기 혼합단계(S10)에서 혼합된 물유리와 물이 혼합된 혼합용액과 용매와 분산제가 혼합된 혼합용액을 유화기에 함께 투입하여 유화시키는 공정(S20)과,

상기 유화공정(S20)에서 유화된 혼합용액에 탄산가스와 황산을 투입시켜 숙성시키는 공정(S30)과,

상기 숙성공정(S30)에서 숙성된 혼합용액에 암모니아를 공급하고 물을 첨가하여 층을 분리시키는 공정(S40)과,

상기 분리공정(S40)에서 층이 분리되어 생성된 실리카를 가온시킨 후 황산을 첨가하여 해쇄시키는 공정(S50)과,

상기 해쇄공정(S50) 후에 탈수 및 건조시키는 탈수건조공정(S60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형실리카 제조방법.

삭제

제 1항에 있어서,

상기 유화공정(S20)에서 물유리와 물을 용매와 분산제가 혼합된 용액에 첨가하여 W/O 마이크로 에멀젼을 제조하는 것을 특징으로 하는 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형실리카 제조방법.

제 1항에 있어서,

상기 분산제는 솔비탄의 유기분산제와 파라핀 분산제를 사용하는 것을 특징으로 하는 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형실리카 제조방법.

제1항에 있어서,

상기 용매는 메틸렌클로라이드 및 사이클로헥산을 사용하는 것을 특징으로 하는 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형실리카 제조방법.

제1항에 있어서,

상기 용매인 메틸렌클로라이드 및 사이클로헥산은 물유리 대비 4.44 cc/g의 비인 것을 특징으로하는 분산제의 종류와 투입량에 따른 미세입자 구형실리카 제조방법.

삭제