KR100823072B1 - A method for preparation of aerogel having high transparency and an aerogel prepared therefrom - Google Patents

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KR100823072B1
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오영제
김태정
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한국과학기술연구원
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Abstract

A method for preparation of a silica aerogel having high transparency at a low cost by a simplified preparation process is provided, and a silica aerogel having high transparency prepared by the method is provided. A method for preparation of a silica aerogel having high transparency comprises: a first step of injecting a silica sol into a sealed polypropylene container and gelling the silica sol to form a wet gel; a second step of adding 2-propanol into the polypropylene container to age the wet gel; a third step of solvent-exchanging alcohol presenting in the aged wet gel into xylene; a fourth step of modifying a surface of the solvent-exchanged wet gel with HMDSZ(hexamethyldisilazane); a fifth step of cleaning the surface-modified wet gel with xylene, and drying the cleaned wet gel; and a sixth step of heat-treating the dried wet gel.

Description

고투명도의 에어로젤의 제조방법 및 이에 의해 제조된 에어로젤{A METHOD FOR PREPARATION OF AEROGEL HAVING HIGH TRANSPARENCY AND AN AEROGEL PREPARED THEREFROM} A method of manufacturing a high-transparency airgel and the airgel produced thereby {A METHOD FOR PREPARATION OF AEROGEL HAVING HIGH TRANSPARENCY AND AN AEROGEL PREPARED THEREFROM}

도 1은 본 발명의 HMDSZ을 이용한 상압 건조 실리카 에어로젤의 제조 방법에 대한 개요도이며,1 is a schematic diagram of a method for producing an atmospheric pressure dried silica airgel using the HMDSZ of the present invention,

도 2는 본 발명에 따른 실리카 에어로젤을 표면 개질 한 뒤 상온에서 건조하여 얻은 건조젤에 대한 여러 개질제별 FT-IR 구조 분석 결과를 나타내는 도이며,2 is a view showing the results of the FT-IR structure analysis of various modifiers for the dried gel obtained by surface modification of the silica airgel according to the present invention and dried at room temperature,

도 3은 본 발명에 따른 실리카 에어로젤의 사진과 미세구조 사진이다.3 is a photograph and a microstructure photograph of a silica airgel according to the present invention.

본 발명은 고투명도를 갖는 실리카 에어로젤의 제조방법 및 이로부터 제조된 고투명도의 실리카 에어로젤에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing silica airgel having high transparency and to a high transparency silica airgel prepared therefrom.

실리카 에어로젤(Silica aerogel)은 3차원의 망목 구조를 가진 현존하는 물질중에 가장 높은 기공률과(~90%), 저밀도(3~120 mg/cm3), 저굴절률(~1.01), 저음속도(100m/s), 고비표면적(≥700 m2/g), 저유전율(~1.1) 그리고 매우 낮은 열전도 도(~0.01W/K·m)의 물성을 가진 고체로서 이러한 망목 기공 구조에 의하여 특이한 물리적 성질을 가진다. 이러한 물리적 성질을 갖는 에어로젤은 투명단열재(TIM) 및 태양열 난방 시스템, 촉매의 담체, 절연막 등 에너지·환경·전기 전자 분야의 무한한 응용 가능성을 가진 소재이다. 현재까지 모노리스(monolith)형 실리카 에어로젤 분야의 연구 중의 대부분은 단열재에 대한 것으로서 실제로 이 분야가 대규모 상업화 가능성이 가장 빠를 것으로 예상되고 있다. 나노 기공성 에어로젤은 측정분자만의 선택적 분리/흡착반응을 통한 분자 인식 기능을 바탕으로 한 화학/바이오 센서로 이용할 수 있어 화학 공정 제어, 환경 오염 측정, 생화학 반응 검출 등으로의 응용이 가능하다. 또한 이러한 기능성 응용을 위해 소재의 형태가 분말이 아닌 나노 기공 구조의 형태가 요구되며, 막 형성 기술과 소자로의 적용을 위한 패턴화 기술도 필요하다.Silica aerogel has the highest porosity (~ 90%), low density (3 ~ 120 mg / cm 3 ), low refractive index (~ 1.01) and low sound speed (100m) among the existing materials with three-dimensional network structure. / s), high specific surface area (≥700 m 2 / g), low dielectric constant (~ 1.1) and very low thermal conductivity (~ 0.01W / K Has Aerogels having such physical properties are materials having unlimited application potential in energy, environment, and electrical and electronic fields, such as transparent insulation (TIM), solar heating systems, catalyst carriers, and insulating films. To date, most of the research in the field of monolithic silica airgels is insulators, which is expected to be the fastest commercially viable one. Nano-porous airgel can be used as a chemical / bio sensor based on molecular recognition function through selective separation / adsorption of measurement molecules only, which can be applied to chemical process control, environmental pollution measurement, and biochemical reaction detection. In addition, for the functional application, the shape of the material is not a powder, but the shape of the nano-pore structure is required, and a film forming technique and a patterning technique for application to the device is also required.

또한, 에어로젤의 제조를 위해서는 현재까지는 건조 시 미세 기공의 파괴를 방지하기 위한 초임계 건조 방법을 위한 오토클레이브(autoclave)장비를 이용하여 제조되어 왔으나, 이러한 초임계 건조방법은 높은 압력과 높은 온도가 요구되어 이에 따른 폭발의 위험성이 따르게 된다. 또한 초임계 건조 장비인 오토클레이브는 연속적인 공정의 어려움을 가질 뿐만 아니라 그 제조에 고비용이 든다는 단점을 가지고 있다.In addition, the manufacture of aerogels has been manufactured using an autoclave equipment for a supercritical drying method to prevent destruction of micropores during drying, but such a supercritical drying method has a high pressure and a high temperature. This is followed by the risk of explosion. In addition, the autoclave, which is a supercritical drying equipment, has the disadvantage of not only continuous processing but also high manufacturing cost.

실리카 에어로젤은 일반적으로 실리카 분말을 사용하는 콜로이드계와 TMOS(Tetramethylorthosilicate)를 출발 물질로 사용하여 초임계건조(Super critical drying)를 통해 제조되는데, 이러한 출발 물질 원료의 가격적인 면 또한 실리카 에어로젤 제조에 있어 부담이 되는 부분이다. 이로써 에어로젤의 제조에 있어서 상압 건조를 통한 제조 방법이 요구된다. 그러나 상압 건조시에 에어로젤 표면의 OH기와 대기중의 수분과의 수소결합으로 인하여 에어로젤에 대기중의 수분이 흡착되어 에어로젤의 물성이 현저히 저하되는 문제점이 있었다. Silica airgel is generally manufactured through super critical drying using colloidal based silica powder and tetramethylorthosilicate (TMOS) as starting materials. This is a burdensome part. This requires a manufacturing method through atmospheric pressure drying of the airgel. However, due to the hydrogen bond between the OH group on the surface of the airgel and the moisture in the air during atmospheric pressure drying, moisture in the air is adsorbed on the airgel, thereby significantly deteriorating physical properties of the airgel.

이에 따라 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래 초임계 건조 방법 대신 상압건조방법을 이용하기 위하여 상압 건조시에 에어로젤 표면의 OH기를 알킬기(alkyl) 또는 아릴기(aryl)기로 치환시켜 소수성으로 변경시킴으로써 에어로젤의 물성이 저하되지 않는 방법을 발명하게 되었다. 따라서, 본 발명의 방법에 의할 경우 공정이 단순화될 뿐만 아니라 제조비용이 낮아져 투광성 실리카 에어로젤의 상용화를 앞당길 수 있으며, 이를 이용한 스마트 글레이징과 같은 창호의 단열용 에어로젤 및 실리카 에어로젤을 이용한 여러 응용분야로의 이용을 가능하게 할 수 있다.Accordingly, in order to solve the problems described above, the present inventors have made hydrophobic by replacing an OH group on the surface of an airgel with an alkyl group or an aryl group at atmospheric pressure in order to use an atmospheric pressure drying method instead of a conventional supercritical drying method. By changing, the method of inventing the physical property of an airgel does not fall. Therefore, the method of the present invention not only simplifies the process but also lowers the manufacturing cost, thereby facilitating the commercialization of the light-transmissive silica airgel, and using the same for various applications using aerogels and silica airgel for thermal insulation of windows and doors such as smart glazing. Can be used.

본 발명의 목적은 저비용으로 공정이 단순화된 고투명도를 갖는 실리카 에어로젤의 제조방법 및 이로부터 제조된 고투명도의 실리카 에어로젤을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a method for preparing silica airgel having high transparency with low cost and a high transparency silica airgel prepared therefrom.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기의 고투명도를 갖는 실리카 에어졸의 제조방법을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a silica aerosol having the following high transparency:

실리카 졸을 밀폐된 폴리프로필렌 용기에 넣어 젤화시켜 습윤젤을 형성시키 는 제1단계; 상기 폴리프로필렌 용기에 2-프로판올을 첨가하여 상기 습윤젤을 숙성시키는 제2단계; 숙성된 습윤젤 내부에 존재하는 알콜을 자일렌으로 용매치환시키는 제3단계; 상기의 용매 치환된 습윤젤을 헥사메틸디실잔(hexa methyl di silazane, HMDSZ)으로 표면개질을 수행하는 제4단계; 상기 개질된 습윤젤을 자일렌으로 세척 및 건조하는 제5단계; 상기 건조된 습윤젤을 열처리하는 제6단계.A first step of gelling silica sol in a closed polypropylene container to form a wet gel; A second step of ripening the wet gel by adding 2-propanol to the polypropylene container; Solvent-substituting the alcohol present in the matured wet gel with xylene; A fourth step of performing surface modification of the solvent-substituted wet gel with hexa methyl di silazane (HMDSZ); A fifth step of washing and drying the modified wet gel with xylene; A sixth step of heat-treating the dried wet gel.

상기 제1단계는 실리카 졸을 밀폐된 폴리프로필렌 용기에 넣어 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서 1-3시간 동안, 바람직하게는 2시간 동안 젤화시켜 습윤젤을 제조한다. 상기 제2단계의 숙성은 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서, 12-36시간동안, 바람직하게는 24시간 동안 수행된다.In the first step, the wet gel is prepared by gelling the silica sol in a sealed polypropylene container at 40-60 ° C., preferably at 50 ° C. for 1-3 hours, preferably 2 hours. The aging of the second step is carried out at 40-60 ° C., preferably at 50 ° C., for 12-36 hours, preferably for 24 hours.

또한 상기 제3단계의 용매치환공정은 급격한 증발로 인한 미세한 크랙이 발생되는 것을 방지하기 위함이다. 상기 제4단계의 표면 개질 공정은 제3단계의 용매치환된 습윤젤을 헥사메틸디실잔(HMDSZ)과 자일렌의 혼합 용액이 첨가되어 있는 폴리프로필렌 용기에 넣어 밀봉하여 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서 2-4일, 바람직하게는 3일 동안 표면 개질을 수행하게 되며, 이로써 습윤젤의 친수성이었던 표면은 소수성 표면으로 개질하게 되는 것이다. 또한, 상기 HMDSZ의 양은 자일렌의 5-10vol%, 바람직하게는 6vol%로 혼합된다.In addition, the solvent replacement process of the third step is to prevent the occurrence of minute cracks due to rapid evaporation. In the fourth step of surface modification, the solvent-substituted wet gel of the third step is sealed in a polypropylene container to which a mixed solution of hexamethyldisylzan (HMDSZ) and xylene is added, and sealed at 40-60 ° C., preferably Preferably, surface modification is carried out at 50 ° C. for 2-4 days, preferably 3 days, so that the hydrogel surface of the wet gel is modified with a hydrophobic surface. The amount of HMDSZ is also mixed at 5-10 vol%, preferably 6 vol% of xylene.

또한, 상기 제5단계의 세척 공정은 제4단계에서 표면 개질이 완료된 습윤젤의 내부에 존재하는 미반응물을 제거하고 건조시의 파괴를 방지하기 위한 것으로서, 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서 12-36시간 동안, 바람직하게는 24시간 동안 자일렌으로 1-10회, 바람직하게는 3-6회, 더욱 바람직하게는 4회 세척하게 되 며, 세척이 완료되면 습윤젤을 자일렌의 분위기 중에서 2-4일 동안, 바람직하게는 3일 동안 건조시키고, 그 후 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서 다시 2-4일, 바람직하게는 3일 동안 건조하게 된다. 건조가 완료된 습윤젤은 상온에서 0.1-10℃/min의 속도로, 바람직하게는 5℃/min의 승온속도로 100-300℃까지, 바람직하게는 270℃까지 승온시킨 후, 100-300℃에서, 바람직하게는 270℃에서 1-3시간 동안, 바람직하게는 2시간 동안 열처리를 수행한다. In addition, the washing step of the fifth step is to remove the unreacted substances present in the inside of the wet gel in which the surface modification is completed in the fourth step and to prevent the breakage during drying, preferably at 40-60 ° C., preferably 50 1-10 times, preferably 3-6 times, more preferably 4 times washing with xylene for 12-36 hours at room temperature, preferably 24 hours, and when the washing is complete In an atmosphere of 2-4 days, preferably 3 days, and then at 40-60 ° C., preferably at 50 ° C. again for 2-4 days, preferably 3 days. The dried wet gel is heated at a temperature of 0.1-10 ° C./min at room temperature, preferably at a temperature increase rate of 5 ° C./min to 100-300 ° C., preferably at 270 ° C., and then at 100-300 ° C. Heat treatment is preferably performed at 270 ° C. for 1-3 hours, preferably for 2 hours.

또한, 본 발명은 상기의 방법에 의하여 제조된 고투명도의 실리카 에어로젤을 제공한다.The present invention also provides a high transparency silica airgel prepared by the above method.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 이용되는 시중에서 판매되는 실리카 졸을 구입하여 사용할 수 있으며, 또한 TMOS(테트라메톡시실란, Si(OCH3)4) 또는 TEOS(테트라에톡시실란, Si(OCH2CH3)4)을 출발물질로 이용하여 졸-젤 법을 이용하여 실리카 졸을 직접 제조한 것을 사용할 수 있다. A commercially available silica sol used in the present invention may be purchased and used, and TMOS (tetramethoxysilane, Si (OCH 3 ) 4 ) or TEOS (tetraethoxysilane, Si (OCH 2 CH 3 ) 4 ) Using as a starting material can be used to directly prepare a silica sol using the sol-gel method.

졸-젤법은 혼합된 산화물인 물질이 적합한 졸 혼합물로부터 생산되는 화학적인 공정으로 금속의 유기 및 무기 화합물의 용액으로부터 출발하여 용액 중에서 화합물의 가수 분해 반응과 중합 반응에 의하여 용액을 금속 산화물의 미립자가 용해된 졸을 만들고 더욱 반응을 진행시켜 젤 화한 후, 화학식 M(OR)n(M: 금속 또는 메탈로이드 원소, R: 알킬기)의 화합물을 알콕사이드가 가수분해하여 2개의 알콕사이드가 OH-OR 중합 반응을 하여 다이머(dimer)를 형성함으로써 SiO2 망목구조를 가 지는 젤을 형성한다. The sol-gel process is a chemical process in which a substance that is a mixed oxide is produced from a suitable sol mixture, starting from a solution of organic and inorganic compounds of the metal and then converting the solution into fine particles of the metal oxide by hydrolysis and polymerization of the compound in the solution. After making a dissolved sol and further reacting and gelling, an alkoxide hydrolyzes a compound of the formula M (OR) n (M: metal or metalloid element, R: alkyl group), and two alkoxides react with OH-OR. By forming a dimer to form a gel having a SiO 2 network structure.

졸-젤법에 의하여 제조된 실리카 졸은 폴리프로필렌 용기에 넣어 40-60℃, 바람직하게는 50℃에서 1-3시간 동안, 바람직하게는 2시간 동안 젤화시켜 습윤젤을 제조한다. 이때 실록산 입자가 생성되어 용액의 점도가 서서히 증가하고 체적은 감소함으로써 고화되어 투명한 습윤젤을 수득할 수 있다. The silica sol prepared by the sol-gel method is gelled in a polypropylene container at 40-60 ° C., preferably at 50 ° C. for 1-3 hours, preferably 2 hours, to prepare a wet gel. In this case, the siloxane particles may be formed to solidify by gradually increasing the viscosity of the solution and decreasing the volume, thereby obtaining a transparent wet gel.

상기 수득된 습윤젤이 담긴 폴리프로필렌 용기에 2-프로판올을 첨가하여 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서 12-36시간 동안, 바람직하게는 24시간 동안 숙성시킨다. 가수분해와 중합반응에 의하여 젤화가 이루어진 상태에서 실록산 입자로의 결합은 점접촉으로 그다지 강하지 않다. 이것을 강한 결합으로 변화시키기 위하여는 습윤젤 상태를 그대로 유지한 채로 숙성(aging)에 의하여 둥근 입자의 접촉부분을 넥크(neck)하여 -Si-O-Si- 결합을 만들게 되는 것이다.2-propanol is added to the obtained polypropylene container containing the wet gel and aged at 40-60 ° C., preferably at 50 ° C. for 12-36 hours, preferably 24 hours. In the state of gelation by hydrolysis and polymerization reaction, the bond to siloxane particles is not very strong in point contact. In order to change this into a strong bond, the contact part of the round particles is necked by aging while maintaining the wet gel state to form a -Si-O-Si- bond.

상기와 같이 형성된 젤 내부에는 망목 구조가 형성되어 있으며, 그 구조 내에는 알코올이 존재하게 된다. 이러한 알코올은 개질 단계에서의 개질제와 화학적 반응을 일으켜 실질적으로 망목구조 내의 수산화기와의 반응이 줄어들기 때문에 개질제와 반응성이 없는 적절한 용매로 치환되어야 한다. 상기 용매의 선택에 있어서 고려되어야 할 부분은 개질제와 반응성이 없는 비극성 용매를 선정하여야 하며, 제조단계에서의 급격한 증발로 인한 눈에 보이지 않는 미세한 크랙의 형성을 막을 수 있는 증기압이 낮은 용매가 좋으며, 이의 바람직한 예로서 자일렌(xylene)을 들 수 있다. 이 자일렌을 이용하여 젤 내부에 포함되어 있는 이소프로필알콜(IPA) 용매와 치환시킨다. 자일렌을 이용하여 용매를 치환할 경우에는 개질제와의 반응성이 없을 뿐만 아니라 개질제와 망목구조로 이루어진 콜로이드 입자 표면의 수산화기와의 급격한 반응을 억제시켜, 매 공정 중간단계에서 용매의 급격한 증발로 인해 발생할 수 있는 미세한 크랙의 발생을 억제시킨다. A mesh structure is formed in the gel formed as described above, and alcohol is present in the structure. Such alcohols must be replaced with a suitable solvent that is not reactive with the modifier because it causes a chemical reaction with the modifier in the reforming step and substantially reduces the reaction with hydroxyl groups in the network structure. In the selection of the solvent, a non-polar solvent which is not reactive with a modifier should be selected. A solvent having a low vapor pressure that can prevent the formation of invisible fine cracks due to rapid evaporation at the manufacturing stage is preferable. Preferred examples thereof include xylene. This xylene is used to substitute the isopropyl alcohol (IPA) solvent contained in the gel. When xylene is used to replace the solvent, not only the reactivity with the modifier is suppressed, but also the rapid reaction with the hydroxyl group on the surface of the colloid particle composed of the modifier and the network structure is suppressed. Suppresses the occurrence of fine cracks.

일반적으로 높은 비표면적을 가지는 에어로젤의 물성은 구조적인 특징뿐만 아니라 표면의 화학적 결합상태에 의하여 크게 영향을 받게 되는데, 그 표면은 많은 수산기(hydroxyl group. OH)로 이루어져 있다. 표면에 존재하는 수산기들은 물분자같은 극성분자들의 물리적인 흡착을 유도하는 역할을 하게 되는데 이로 인하여 습윤젤의 골격구조의 수축이 발생하여 구조의 변화가 일어나거나 균열 내지는 파괴가 일어날 수 있다. 이 때문에 상압 건조 공정 시의 습윤젤의 파괴를 방지하기 위하여는 표면 개질 공정은 필수적이다. 현재 알려진 표면 개질 방법으로는 TMCS(Tri methyl chloro silane)를 이용하여 실리카 젤의 표면에 있는 수산기를 알킬기(CH3)로 바꾸어 주는 것이다. 그러나 TMCS의 Chloro가 실리카 젤의 수소와 반응하면서 반응생성물인 염산(HCl)이 발생하게 되며, 이 염산은 유해한 물질로서 위험하므로 실험공정상 그 취급에 주의가 요구되는 것이다. 즉, TMCS의 경우에는 실란(silane) 하나에 메틸기가 3개와 하나의 chloro가 결합되어 있는데, 표면개질시에 에어로젤 표면 부분 O-H기의 H와 반응하여 HCl이 생성되고 이때 Cl과 결합이 끊어진 H 자리에 트리메틸실란(TriMethylSilane, (CH3)3Si)이 결합되어 개질이 이루어 지게 되는 것이다(하기 식 (1) 참조). In general, the physical properties of aerogels having a high specific surface area are greatly influenced not only by the structural characteristics but also by the chemical bonding state of the surface, and the surface is composed of many hydroxyl groups (OH). Hydroxyl groups present on the surface induce physical adsorption of polar molecules such as water molecules, which may cause contraction of the skeletal structure of the wet gel, resulting in structural change or cracking or destruction. For this reason, the surface modification process is essential in order to prevent the destruction of the wet gel during the atmospheric pressure drying process. Currently known surface modification method is to convert the hydroxyl group on the surface of the silica gel with an alkyl group (CH 3 ) using TMCS (Tri methyl chloro silane). However, when Chloro of TMCS reacts with hydrogen of silica gel, hydrochloric acid (HCl), which is a reaction product, is generated. This hydrochloric acid is dangerous as a hazardous substance. That is, in the case of TMCS, three methyl groups and one chloro are bonded to one silane, and HCl is generated by reacting with H of the OH group on the surface of the aerogel during surface modification. Trimethylsilane (TriMethylSilane, (CH 3 ) 3 Si) is bonded to be modified (see Equation (1) below).

(CH3)3SiCl+OH-Si≡ → ≡Si-O-Si(CH3)3+HCl (1)(CH 3 ) 3 SiCl + OH-Si≡ → ≡Si-O-Si (CH 3 ) 3 + HCl (1)

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 극복하며 물리적 특성의 향상과 건조시의 변형, 파괴를 방지하기 위하여, 표면 개질 공정을 위하여 기존에 이용하였던 TMCS가 아니라 HMDSZ(헥사메틸디실잔)을 이용하여 표면개질 공정을 수행한다. 즉, 본 발명에서 이용되는 HMDSZ는 NH의 양쪽으로 트리메틸실란( TriMethylSilane, (CH3)3Si)이 붙어있는 결합을 하는데 개질시 에어로젤 표면 (O-H)의 H 두개와 NH가 결합을 하고 각 H가 결합되어 있었던 자리에 트리메틸실란이 하나씩 차지하게 되어 개질을 이루게 되어 실제로 개질 후에 HCl과 NH3가 생성하게 되는 것이다(하기 식(2) 참조).Therefore, in the present invention, in order to overcome the above problems and to improve the physical properties and to prevent deformation and breakage during drying, HMDSZ (hexamethyldisylzan) is used instead of the conventional TMCS used for the surface modification process. Perform a surface modification process. In other words, the HMDSZ used in the present invention binds trimethylsilane (CH 3 ) 3 Si) to both sides of NH, and when H is modified, two H and NH are bonded to each other. Trimethylsilane is occupied one by one in the place where it is bound, and is reformed to actually generate HCl and NH 3 after the modification (see Equation (2) below).

(CH3)3Si2NH+2(OH-Si≡) → (≡Si-O-Si(CH3)3)2 +NH3 (2)(CH 3 ) 3 Si 2 NH + 2 (OH-Si≡) → (≡Si-O-Si (CH 3 ) 3 ) 2 + NH 3 (2)

그러므로, 본 발명에서는 용매가 치환된 습윤젤을 HMDSZ(헥사메틸디실잔)과 용매치환시에 이용하였던 용매인 자일렌이 혼합된 용액이 첨가되어 있는 폴리프로필렌 용기에 넣어 밀봉한 채로 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서 2-4일 동안, 바람직하게는 3일 동안 표면 개질 공정을 수행하는 것다. 표면 개질 공정을 거친 습윤젤은 콜로이드 표면에 수산화기에서 메틸기로 바뀌게 된다. 상기에서 HMDSZ의 양은 자일렌의 5-10vol%, 바람직하게는 6vol%로 혼합된다.Therefore, in the present invention, the wet gel in which the solvent is substituted is placed in a polypropylene container containing HMDSZ (hexamethyldisylzane) and a solution in which xylene, which is a solvent used at the time of solvent replacement, is added and sealed, and then sealed at 40-60 ° C. In a surface modification process, preferably at 50 ° C. for 2-4 days, preferably for 3 days. The wet gel, which has undergone a surface modification, is converted from hydroxyl groups to methyl groups on the colloidal surface. The amount of HMDSZ in the above is mixed at 5-10 vol%, preferably 6 vol% of xylene.

표면 개질이 완료된 습윤젤 내부에 존재할 수 있는 미반응물들은 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서 12-36시간 동안, 바람직하게는 24시간 동안 자일렌으로 4회 세척을 수행함으로써 제거되고, 또한 이러한 세척 공정은 습윤젤의 건조 공정 중의 파괴를 방지할 수 있다. 세척시에 이용되는 자일렌의 양은 매회 습윤젤의 5- 20배, 바람직하게는 10배의 부피비로 이용될 수 있다.Unreacted materials that may be present inside the surface modified wet gel are removed by performing four washes with xylene at 40-60 ° C., preferably at 50 ° C. for 12-36 hours, preferably 24 hours, This washing process can also prevent breakage of the drying process of the wet gel. The amount of xylene used in the washing may be used in a volume ratio of 5-20 times, preferably 10 times, each time of the wet gel.

세척이 완료된 습윤젤은 고비용의 초임계 건조 방법이 아닌 상압 건조 공정의 분위기 하에서 건조를 하게 되며, 습윤젤을 자일렌의 분위기 중에서 2-4일 동안, 바람직하게는 3일 동안 건조를 하고, 그 후에 다시 40-60℃에서, 바람직하게는 50℃에서 2-4일 동안, 바람직하게는 3일 동안 건조를 수행한다. 건조가 완료되면 상온에서 0.1-10℃/min의 속도로, 바람직하게는 5℃/min의 속도로 100-300℃, 바람직하게는 270℃까지 승온시킨 후, 100-300℃에서, 바람직하게는 270℃에서 1-3시간 동안, 바람직하게는 2시간 동안 열처리를 함으로써, 고투명도를 갖는 실리카 에어로젤을 제조할 수 있다.The washed wet gel is dried under the atmosphere of an atmospheric pressure drying process rather than an expensive supercritical drying method, and the wet gel is dried in an atmosphere of xylene for 2-4 days, preferably 3 days. The drying is then carried out again at 40-60 ° C., preferably at 50 ° C. for 2-4 days, preferably for 3 days. When drying is complete, the temperature is raised to 100-300 ° C., preferably 270 ° C. at a rate of 0.1-10 ° C./min, preferably 5 ° C./min at room temperature, and preferably at 100-300 ° C., preferably Silica airgel having high transparency can be prepared by heat treatment at 270 ° C. for 1-3 hours, preferably 2 hours.

이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이에 의하여 한정되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples and Experimental Examples. However, the following Examples and Experimental Examples are only examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1.  One. 고투명도의High transparency 실리카 에어로젤의 제조 Preparation of Silica Airgel

테트라에톡시실란(TEOS)을 출발물질로 하여 HMDSZ로 개질한 소수성의 에어로젤을 제조하였으며, 그 방법은 하기에서 보는 바와 같다. Using tetraethoxysilane (TEOS) as a starting material, a hydrophobic airgel modified with HMDSZ was prepared, and the method is as follows.

TEOS를 IPA 용액에 가수분해 시 필요한 물과 촉매로서 HCl을 알콜용액으로 첨가하여 출발용액을 제조하고, 암모니아수(NH4OH) 용액을 서서히 첨가함과 동시에 중합반응이 완결되도록 하여 최종 실리카 졸을 제조하였다. 이때, 상기 산성 촉매 또는 염기성 촉매의 첨가를 생략하여 후속공정에서 형성되는 실리카 에어로젤의 기 공 크기를 제어할 수도 있다.The starting solution was prepared by adding HCl as an alcohol solution as water and a catalyst required for hydrolysis of TEOS to the IPA solution, and finally adding ammonia water (NH 4 OH) solution to complete the polymerization reaction to prepare a final silica sol. It was. In this case, the addition of the acidic catalyst or the basic catalyst may be omitted to control the pore size of the silica airgel formed in the subsequent process.

상기 제조된 실리카 졸을 밀폐된 폴리프로필렌 용기에 넣어 50℃에서 2시간 동안 젤이 형성되도록 하였다. 그 후 실리카 젤이 담긴 폴리프로필렌 용기에 2-프로판올(2-propanol)을 채워 50℃에서 24시간 동안 숙성시켰다. 숙성이 완료된 습윤젤은 자일렌(xylene)을 이용하여 젤 내부의 이소프로필알콜(IPA)과 용매치환을 수행하였다. 자일렌으로 용매가 치환된 습윤젤의 표면개질을 위해, HMDSZ와 자일렌을 혼합한 용액(HMDSZ의 양은 자일렌의 6vol% 임)을 폴리프로필렌 용기에 넣고 여기에 습윤젤을 담구어 밀봉하고, 빠른 개질을 유도하기 위하여 50℃의 온도에서 3일 동안 두었다. The prepared silica sol was placed in a sealed polypropylene container to form a gel at 50 ° C. for 2 hours. Thereafter, 2-propanol was charged into a polypropylene container containing silica gel, and aged at 50 ° C. for 24 hours. After aging, the wet gel was subjected to solvent replacement with isopropyl alcohol (IPA) in the gel using xylene. For surface modification of the solvent-substituted wet gel with xylene, a solution of HMDSZ and xylene (the amount of HMDSZ is 6 vol% of xylene) is placed in a polypropylene container, and the wet gel is immersed and sealed. It was left for 3 days at a temperature of 50 ° C. to induce rapid modification.

상기 표면 개질이 완료된 습윤젤의 내부에 존재하는 미반응물을 제거하고 건조시의 파괴를 방지할 목적으로 50℃의 온도에서 24시간 동안 자일렌 용매로 4회 세척을 실시하였다. 이때의 용매의 양은 매 회 젤의 10배 부피의 양으로 하였다.To remove the unreacted substances present in the inside of the wet gel in which the surface modification was completed and to prevent breakage during drying, four washes were performed with xylene solvent at a temperature of 50 ° C. for 24 hours. The amount of solvent at this time was 10 times the volume of the gel each time.

상기 세척이 완료된 습윤젤을 건조하기 위하여 상압건조를 실시하였다. 상압건조에 있어서 가장 중요한 부분은 급속한 용매 증발을 막아 젤의 파괴를 방지하는데 있다. 따라서 샬레에 상기 세척이 완료된 습윤젤을 넣고 랩으로 밀봉하여 상온에서 3일 동안 건조를 한 후에, 다시 50℃에서 3일 동안 건조를 함으로써 용매의 급속한 증발을 억제하였다. 그 후, 상압하에서 건조된 실리카 젤의 기공율을 높이기 위하여 제조의 마지막 공정으로 열처리를 실시하여 젤기공 내에 잔존해 있는 용매를 증발시키는데, 이 때 열처리는 상온에서부터 5℃/min의 속도로 270℃까지 승온하였으며, 270℃에서 2시간 동안 열처리를 실시함으로써 최종적인 실리카 에어로 젤을 제조하였다.Atmospheric drying was performed to dry the wet gel in which the washing was completed. The most important part of atmospheric drying is to prevent rapid solvent evaporation to prevent gel breakage. Therefore, after the washing gel was added to the chalet and sealed with a wrap, and dried at room temperature for 3 days, and then dried at 50 ℃ for 3 days to suppress the rapid evaporation of the solvent. Thereafter, in order to increase the porosity of the dried silica gel under normal pressure, a heat treatment is performed as a final step of the preparation to evaporate the solvent remaining in the gel pores, at which time the heat treatment is performed from room temperature to 270 ° C. at a rate of 5 ° C./min. The temperature was raised, and the final silica air gel was prepared by performing heat treatment at 270 ° C. for 2 hours.

실험예Experimental Example 1. 본 발명의 실리카 에어로젤의 물성 측정 1. Measurement of physical properties of silica airgel of the present invention

상기 실시예 1에 의하여 제조된 실리카 에어로젤의 밀도, 기공도, 표면적, 평균 기공의 부피 및 직경 등의 물성을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1에서 보는 바와 같다. The physical properties such as density, porosity, surface area, average pore volume and diameter of the silica airgel prepared by Example 1 were measured, and the results are shown in Table 1 below.

표면 개질제Surface modifier 밀도(g/cm3)Density (g / cm 3 ) 기공도(%)Porosity (%) 표면적(m2/g)Surface area (m 2 / g) 평균 기공 부피 (cm3/g)Average pore volume (cm 3 / g) 평균 기공 직경 (nm)Average pore diameter (nm) HMDSZHMDSZ 0.390.39 82.282.2 838838 1.21.2 5.45.4

또한, 상기 실시예 1에서 제조한 실리카 에어로젤은 도 3에서 보는 바와 같이, 그 투명도가 아주 높음을 확인할 수 있었다. 또한 실리카 에어로젤의 미세 구조를 보면 나노크기의 기공들로 되어 있음을 확인할 수 있었다.In addition, as shown in Figure 3, the silica airgel prepared in Example 1, it was confirmed that the transparency is very high. In addition, the microstructure of the silica airgel was confirmed that the nano-sized pores.

실험예Experimental Example 2.  2. 개질제별By reformer FT- FT- IRIR 구조 분석 실험 Structural analysis experiment

상기 실시예 1에서 제조한 실리카 에어로젤을 HMDSZ를 개질제로 표면 개질한 뒤에 상온에서 건조하여 수득한 건조젤과, 비교예로서 개질제만 TMCS, MTES 또는 MTMS를 사용하고 그 제조방법은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 에어로젤을 표면개질 한 뒤 상온에서 건조하여 수득한 건조젤들에 대해 소수성으로의 표면 개질 수준을 FR-IR 구조 분석을 통하여 확인하였다.The silica airgel prepared in Example 1 was dried on a room temperature after the surface modification of HMDSZ with a modifier and dried gel at room temperature, as a comparative example using only the modifier TMCS, MTES or MTMS and the preparation method is The surface modification level to hydrophobicity of the dried gels obtained by surface modification of the silica airgel and drying at room temperature in the same manner was confirmed by FR-IR structure analysis.

상기 실험 수행의 결과, 도 2에서 보는 바와 같이, 실리카 에어로젤 구조에서 TMCS( trimethlychlorosilane)와 HMDSZ(hexamethyldisilazane)으로 개질한 에어로젤에서는 CH기(2965 cm-1)가 나타났으나, 메틸기나 에틸기(C2H5-)에 산소하나가 더 붙어있는 메톡시기(CH3O-)와 에톡시기(C2H5O-)의 개질제(methlytriethoxylsilane :MTES 및 methlytrimethoxysilane:MTMS)에서는 C-H(2965 cm-1) 피크가 발생하지 않았으며, 이로써 본 발명에 의한 HMDSZ의 사용이 실리카 에어로젤의 표면에 물을 흡착시키지 않는 안정한 소수성의 구조를 갖고 있음을 확인할 수 있었다.As a result of the experiment, as shown in FIG. 2, in the airgel modified with trimethlychlorosilane (TMCS) and HMDSZ (hexamethyldisilazane) in the silica airgel structure, the CH group (2965 cm-1) appeared, but methyl or ethyl group (C 2 5 H - modifying agents (methlytriethoxylsilane of) one or more oxygen attached to methoxy (CH 3 O-), ethoxy groups and (C 2 H 5 O-) in: MTES and methlytrimethoxysilane: the MTMS) CH (2965 cm-1 ) peak Did not occur, and it was confirmed that the use of HMDSZ according to the present invention had a stable hydrophobic structure that did not adsorb water on the surface of the silica airgel.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고투명도를 갖는 실시카 에어로젤의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 상압 건조 공정을 이용함으로써 공정의 단순화 및 제조 비용을 낮추도록 하였으며, 또한 상압 건조 공정의 수행 시에 발생할 수 있는 습윤젤의 구조의 변화나 균열 내지 파괴를 방지하기 위하여 HMDSZ를 개질제로 사용하여 소수성의 표면 개질을 수행함을 특징으로 하고 있다.As described above, the present invention relates to a method for producing a high-transparency embodiment car aerogel, the method of the present invention to simplify the process and lower the manufacturing cost by using an atmospheric pressure drying process, and also to perform the atmospheric pressure drying process The hydrophobic surface modification is performed using HMDSZ as a modifier in order to prevent changes in the structure of the wet gel or cracks or fractures that may occur at the time.

그러므로, 본 발명의 방법을 이용하여 기존의 고비용과 다량의 에어로젤 제조의 어려움을 극복하고 에어로젤의 벌크 및 파우더의 실용화에 기여할 수 있으며, 다양한 에어로젤의 응용분야(에너지 절약, 환경보호, 전기전자분야 등)에서의 적용을 토대로 보다 저렴하고 실리적인 에어로젤을 제공할 수 있는 효과를 갖는다.Therefore, by using the method of the present invention can overcome the existing high cost and the difficulty of manufacturing a large amount of airgel and contribute to the practical use of the bulk and powder of the airgel, the application fields of various airgel (energy saving, environmental protection, electrical and electronic fields, etc.) Based on the application in) has the effect of providing a cheaper and more practical airgel.

Claims (8)

실리카 졸을 밀폐된 폴리프로필렌 용기에 넣어 젤화시켜 습윤젤을 형성시키는 제1단계; A first step of gelling silica sol in a closed polypropylene container to form a wet gel; 상기 폴리프로필렌 용기에 2-프로판올을 첨가하여 상기 습윤젤을 숙성시키는 제2단계; A second step of ripening the wet gel by adding 2-propanol to the polypropylene container; 숙성된 습윤젤 내부에 존재하는 알콜을 자일렌으로 용매치환시키는 제3단계; Solvent-substituting the alcohol present in the matured wet gel with xylene; 상기의 용매 치환된 습윤젤을 헥사메틸디실잔(hexa methyl di silazane, HMDSZ)으로 표면 개질을 수행하는 제4단계; A fourth step of performing surface modification of the solvent-substituted wet gel with hexa methyl di silazane (HMDSZ); 상기 개질된 습윤젤을 자일렌으로 세척한 후, 건조시키는 제5단계; A fifth step of washing the modified wet gel with xylene and then drying; 상기 건조된 습윤젤을 열처리하는 제6단계로 구성된 고투명도를 갖는 실리카 에어로젤의 제조방법.Method of manufacturing a silica airgel having a high transparency consisting of a sixth step of heat-treating the dried wet gel. 제1항에 있어서, 상기 제1단계는 실리카 졸을 밀폐된 폴리프로필렌 용기에 넣어 40-60℃에서 1-3시간 동안 젤화시키는 것인 실리카 에어로젤의 제조방법.The method of claim 1, wherein the first step is to place the silica sol in a closed polypropylene container gelled at 40-60 ℃ for 1-3 hours. 제1항에 있어서, 상기 제2단계의 숙성은 40-60℃에서 12-36시간 동안 수행되는 것인 실리카 에어로젤의 제조방법.The method of claim 1, wherein the aging of the second step is carried out at 40-60 ° C for 12-36 hours. 제1항에 있어서, 상기 제4단계의 표면 개질공정은 헥사메틸디실잔(HMDSZ)과 자일렌의 혼합 용액이 첨가되어 있는 폴리프로필렌 용기에 제3단계의 용매 치환된 습윤젤을 넣어 밀봉하여 40-60℃에서 2-4일 동안 표면 개질을 수행시키는 것인 실리카 에어로젤의 제조방법.The method of claim 1, wherein the surface modification process of the fourth step is performed by sealing the solvent-substituted wet gel of the third step in a polypropylene container to which a mixed solution of hexamethyldisilzan (HMDSZ) and xylene is added. Method for producing a silica airgel is to perform a surface modification for 2-4 days at -60 ℃. 제1항에 있어서, 상기 제5단계의 세척 공정은 40-60℃에서 12-36시간 동안 자일렌으로 1-10회 세척하는 것인 실리카 에어로젤의 제조방법.The method of claim 1, wherein the fifth step of washing is performed 1-10 times with xylene at 40-60 ° C. for 12-36 hours. 제1항에 있어서, 상기 제5단계의 건조 공정은 세척이 완료된 습윤젤을 자일렌의 분위기 중에서 2-4일 동안 건조시킨 후 다시 40-60℃에서 2-4일 동안 건조시키는 것인 실리카 에어로젤의 제조방법.The silica airgel of claim 1, wherein the drying process of the fifth step is to dry the washed wet gel in an atmosphere of xylene for 2-4 days and then to dry at 40-60 ° C. for 2-4 days. Manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 제6단계의 열처리는 상온에서부터 0.1~10℃/min의 속도로 100℃-300℃까지 승온시킨 후 100℃-300℃에서 1-3시간 동안 열처리하는 것인 실리카 에어로젤의 제조방법.The silica airgel of claim 1, wherein the heat treatment of the sixth step is performed by increasing the temperature from 100 ° C. to 300 ° C. at a rate of 0.1 ° C. to 10 ° C./min from 100 ° C. to 300 ° C. for 1-3 hours. Manufacturing method. 삭제delete
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