KR100855809B1 - 금속 산화물 졸, 이를 사용하여 생성된 층 및 성형품 - Google Patents

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Abstract

a) 금속 산화물 분산액의 용기로의 초기 도입 단계, 및
b1) 금속 알콜레이트 M(OR)x, 및 임의로 가수분해 촉매의 첨가 단계, 또는
b2) 금속 알콜레이트 M(OR)x의 가수분해에 의해 얻어지는 출발 졸 및 가수분해 촉매의 첨가 단계를 포함하며,
분산액 중의 금속 산화물이 200 nm 미만의 수평균 응집체 직경을 갖고,
가수분해로부터의 금속 산화물 대 분산액 중의 금속 산화물의 중량비가 0.01 내지 1인, 바인더가 없는 금속 산화물 졸의 제조 방법, 이 방법에 의해 얻어지는 금속 산화물 졸, 금속 산화물 졸에 의해 생성될 수 있는 코팅된 기재 및 성형품에 관한 것이다.
금속 산화물, 졸, 금속 알콜레이트

Description

금속 산화물 졸, 이를 사용하여 생성된 층 및 성형품{METAL OXIDE SOL, LAYER PRODUCED THEREWITH AND SHAPED ARTICLE}
본 발명은 금속 산화물 분말 및 금속 알콜레이트의 가수분해 생성물을 포함하는 금속 산화물 졸, 및 이를 사용하여 생성된 코팅된 기재 및 성형품에 관한 것이다.
졸-겔 방법에 의해 금속 산화물 층, 특히 이산화규소 층을 생성하는 것은 알려져 있다. 이 방법에서, 규소 알콕사이드는 촉매의 존재 하에서 물의 첨가에 의해 부분적으로 또는 완전히 가수분해된다. 이에 의해 얻어진 졸은, 예를 들어 딥-코팅(dip-coating) 또는 스핀-코팅(spin-coating)의 수단에 의해 코팅에 사용된다.
졸의 제조 방법은 복잡하다. 대개, 금속 알콕사이드의 가수분해 및 후속하는 겔화 단계에 의한 졸의 제조를 포함하며, 이는 졸의 화학적 조성에 따라 수 초에서 수 일이 걸릴 수 있다. 겔화가 매우 급속도로 진행되지 않는다면, 졸로부터 기재 상에 층을 가할 수 있다. 이러한 방식으로 생성된 층은 얇으며, 대개 수백 나노미터 이하이다.
일부 코팅 작업이 더 얇은 층을 제조하는데 필요하다. 이러한 방식으로 생성된 층은 종종 후속하는 건조 및 소결(sintering) 단계 동안 크래킹(cracking) 및 불균일한 층 두께 경향을 나타낸다. 금속 알콜레이트의 가수분해에 의해 얻어진 이러한 졸은 복합 "리빙(living)" 시스템으로, 이의 거동은 온도, 습도, 알콜 함량 및 다른 파라미터에 결정적으로 의존하고, 조절 및 재현이 곤란함을 여전히 나타낸다.
WO 00/14013은 매우 미분되고 발열적으로 제조된 이산화규소 분말이 상기에 기술된 바와 같이 제조된 졸로 첨가되는 방법을 기술한다. 이에 따라 졸의 충진제 함량도를 증가시키고, 단일 코팅 작업에서 수 마이크로미터 두께의 층을 달성할 수 있다. 미분되고 발열적으로 제조된 이산화규소 분말의 도입은 이 방법에서 문제점을 나타낸다.
발열적으로 제조된 금속 산화물 분말은 일반적으로 산소수소 불꽃에서의 화염 가수분해 또는 화염 산화에 의해 금속 산화물 전구체로부터 얻어지는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 이 방법에서, 대략 구형의 1차 입자가 초기에 형성되고, 이들을 반응 동안 서로 소결시켜 응집시킨다. 그 다음에, 응집물을 덩어리로 축적할 수 있다. 대개 에너지의 도입으로 인해 상대적으로 쉽게 응집체로 분리되는 덩어리와 반대로, 응집체는 적어도 에너지의 집중적인 도입에 의해서만 더 쪼개진다.
이러한 발열적으로 제조된 금속 산화물 분말이 교반기 에너지에 의해 졸에 도입되면, 급격한 겔화의 위험이 있다. 한편, 도입되는 분말이 졸에 균일하게 분포시키는 것이 곤란하여 불균일한 층이 생성될 수 있다.
WO 01/53225는 규소 알콕사이드가 물 중의 이산화규소 입자의 페이스트에 첨가되는 방법을 기술한다. 형성된 졸은 겔화되고, 이어서 소결되어 실리카 유리질 체를 얻는다. 이러한 방식으로 생성된 성형품은 불균질성을 갖는다는 것이 알려졌다. 이산화규소 입자를 물에 어떻게 도입하는지 그리고 생성된 페이스트가 어떠한 특성을 갖는지 이 문헌에 개시되어 있지 않다. 바람직한 실시태양에서, 졸 내의 이산화규소 입자는 1.75 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는다.
게다가, 바인더의 첨가에 의해 분산액의 적용을 향상시키는 종래 기술이 있다. 이 방법의 단점은 대개 바인더가 소결 단계에서 완전히 제거되는 것이 곤란할 수 있다는 것이다. 이의 결과는 변색 및 크랙일 수 있다.
본 발명의 목적은 층의 적용에 적합하고 종래 기술의 졸의 단점을 극복하는 졸을 제공하는 것이다. 특히, 두껍고 크랙이 없고, 유리질 또는 세라믹인 층의 제조에 적합해야 한다. 게다가, 크랙 및 불균질성이 없는 성형품의 제조에 적합해야 한다.
본 발명은,
a) 분산액의 총량을 기준으로 5 내지 80 중량%의 금속 산화물 함량을 갖고, 액상으로서 물 또는 물과 수-혼화성 유기 용매의 혼합물을 함유하는 금속 산화물 분산액의 용기로의 초기 도입 단계, 및
b1) 에너지의 도입과 함께, 가수분해에 의해 분산액 중에 상응하는 금속 산화물 및 알콜 ROH를 생성하는 일반식 M(OR)x의 금속 알콜레이트, 및 임의로 가수분해 촉매의 금속 산화물 분산액으로의 첨가 단계, 또는
b2) 에너지의 도입과 함께, 물 또는 물과 수-혼화성 유기 용매의 혼합물 중의 일반식 M(OR)x의 금속 알콜레이트의 가수분해에 의해 얻어지는 출발 졸 및 가수분해 촉매의 첨가 단계를 포함하며,
금속 산화물 분말이 SiO2, Al2O3, TiO2, CeO2, ZrO2, In2O3, SnO, SbO 또는 언급된 금속의 혼합 산화물이고, 분산액 중의 금속 산화물이 200 nm 미만의 수평균 응집체 직경 d50을 갖고,
M = Si, Al, Ti, Ce, Zr, In, Sn 또는 Sb이고, R = C1-C6-알킬이고, x = 금속의 원자가이며, 가수분해로부터의 금속 산화물 대 분산액 중의 금속 산화물의 중량비가 0.01 내지 1인, 바인더가 없는 금속 산화물 졸의 제조 방법을 제공한다.
금속 산화물 분말은 액상으로서 물 또는 물과 수-혼화성 유기 용매의 혼합물을 함유한다. 게다가, 용해된 형태에서 각각의 경우 산성 작용을 갖는 성분, 염기성 작용을 갖는 성분 및/또는 염이 존재할 수도 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 알콜 ROH는 알콕사이드의 가수분해에 의해 형성된다. 이 알콜은 분산액의 액상에 함유될 수 있는 유기 용매와 함께 졸로부터 완전히 또는 부분적으로 임의로 제거될 수 있다. 그러나, 코팅될 기재의 특성에 따라, 졸에 알콜 ROH를 완전히 또는 상당히 남기는 것이 바람직할 수 있음을 발견하였다.
본 발명에 따른 방법에서, 가수분해로부터의 금속 산화물 대 분산액 중의 금속 산화물의 중량비가 0.01 내지 1의 범위 내에 있는 것이 또한 필요하다. 0.01 미만의 값에서 불균질성이 종종 코팅에서 발견되고, 1 보다 높은 값에서 크랙이 종종 코팅에서 발견된다. 최고의 결과는 가수분해로부터의 금속 산화물 대 분산액 중의 금속 산화물의 중량비가 0.1 내지 0.5의 범위 내인 경우 얻어진다.
본 발명에 따른 방법에서, 분산액 중의 금속 산화물 분말이 200 nm 미만의 수평균 응집체 직경을 갖는 것이 또한 필요하다. 더 굵은 응집체 직경은 불균일 코팅을 유발한다.
분산액 중의 금속 산화물 분말은 유리하게는 100 nm 미만의 수평균 응집체 직경을 갖는다. 이러한 작은 입자를 갖는 분산액은 특정 분산 기술에 의해 제조될 수 있다. 적합한 분산 장치로는, 예를 들어, 고에너지 밀이 100 nm 미만의 응집체 직경에 특이적으로 특히 바람직할 수 있는 로터-스테이터(rotor-stator) 기계 또는 행성식 혼련기(planetary kneader)가 있을 수 있다. 이들 장치에서, 고압 하의 2개의 예비 분산된 분산액 스트림이 노즐을 통해 나오게 된다. 2개의 분산액 분사가 서로 정확하게 충돌하고, 입자들이 그 자체로 분쇄된다. 또다른 실시태양에서는, 예비 분산이 유사하게 고압 하에 배치되지만, 입자의 충돌은 강화 벽 영역에 대해 발생한다. 이 작업은 필요한 만큼 자주 반복되어 더 작은 입자 크기를 얻을 수 있다.
금속 산화물 분산액의 제조를 위해 다량의 에너지가 200 nm 미만의 필요한 입자 분말도를 달성하기 위해 필요하지만, 금속 산화물 졸의 발생시, 즉 분산액으로의 금속 알콜레이트의 또는 출발 졸의 첨가 동안 단지 소량의 에너지 도입이 필요할 뿐이다. 이 반응 단계 동안 너무 많은 양의 에너지의 도입은 코팅의 품질에 역효과를 가짐을 발견하였다. 따라서, 금속 알콜레이트 또는 출발 졸의 분산액으로의 느린 교반으로 대개 충분하다.
본 발명에 따른 출발 졸 또는 금속 산화물 졸의 형성을 위한 가수분해 촉매의 선택은 가수분해되는 금속 알콜레이트에 따른다. 당업자에게 알려진 모든 촉매가 적합하다. 알콜레이트의 가수분해가 금속 산화물 분산액 자체에서 수행되면(경로 b1), 통상 산성으로 제조된 분산액 중에 존재하는 산이 대개 가수분해 촉매로서 충분하다.
본 발명에 따른 졸에서 유기 용매의 선택은 이것이 물에 혼화성인 한 중요하지 않다. 본 발명에 따른 분산액은 바람직하게는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소-프로판올, n-부탄올, 글리콜, tert-부탄올, 2-프로파논, 2-부타논, 디에틸 에테르, tert-부틸 메틸 에테르, 테트라히드로푸란 및/또는 에틸 아세테이트를 함유할 수 있다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 분산액의 금속 산화물 분말의 함량은 분산액의 총량을 기준으로 20 내지 60 중량%이다.
사용되는 금속 산화물 분말의 원천은 본 발명에 따른 방법에서 결정적인 것이 아니다. 그러나, 발열적으로 제조된 금속 산화물 분말이 유리하게 사용될 수 있음을 발견하였다. 규소 테트라클로라이드의 화염 가수분해에 의한 이산화규소의 제조는 예로써 언급될 수 있다. 또한, 혼합 산화물이 합동 화염 가수분해 또는 화염 산화에 의해 발열적인 방법으로 얻어질 수 있다. 여기서, 혼합 산화물은 도핑된 금속 산화물, 예를 들어 은으로 도핑된 이산화규소 또한 포함한다.
30 내지 200 m2/g의 BET 표면적을 갖는 발열적 금속 산화물 분말이 유리하게 사용될 수 있다.
이러한 반응 조건 하에서 금속 산화물 졸로 가수분해되는 모든 알콜레이트는 원칙적으로 금속 알콜레이트로서 사용될 수 있다. 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 알루미늄 이소-프로필레이트, 알루미늄 트리-sec-부틸레이트, 테트라에틸 오르쏘티타네이트, 티탄 이소-프로필레이트 또는 지르코늄 n-프로필레이트가 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어지는 금속 산화물 졸을 제공한다.
게다가, 본 발명은 본 발명에 따른 금속 산화물 졸로 코팅된 기재를 제공한다.
코팅된 기재의 제조 방법은 딥-코팅, 브러싱, 스프레잉 또는 나이프-코팅에 의한 금속 산화물 졸의 기재로의 적용, 후속하는 기재에 부착된 층의 건조 후 소결을 포함한다.
적합한 기재는 금속 또는 합금 기재, 매우 낮은 열팽창 계수를 갖는 재료(초저팽창 재료), 보로실리케이트 유리, 실리카 유리, 유리 세라믹 또는 규소 웨이퍼일 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 금속 산화물 졸로 생성된 성형품을 제공한다.
성형품의 제조 방법은 본 발명에 따른 금속 산화물 졸을, 바람직하게는 소수성 재료의 주형 내로 주조하고, 이어서 100 ℃ 미만의 온도에서 건조하고, 이를 주형으로부터 제거한 후 60 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 임의로 후-건조하고, 이어서 이를 소결하는 것을 포함한다.
실시예 A-1:
100 g 테트라에톡시실란(TEOS)를 교반하면서, pH를 염산으로 pH 2에 이르게 한, 물 중의 360 g의 30% 강도 분산액 에어로실(AEROSIL)(등록상표) OX50(데구사(Degussa) AG)에 첨가한 후, 추가 48분 동안 더 교반시켰다.
분산액 중의 에어로실(등록상표) OX50 입자는 121 nm의 수평균 응집체 직경을 갖는다.
유리판을 딥-코팅에 의해 상기 금속 산화물 졸로 코팅하고, 층을 100 ℃ 미만의 온도에서 건조시켰다. 4.2 ㎛의 실질적으로 균일한 층 두께를 갖는 크랙이 없는 균질의 녹색 층이 10 cm/분의 인출 속도에서 얻어졌다.
실시예 B-1:
출발 졸: 150 ml 물과 100 ml 에탄올의 혼합물을 1 M 염산으로 2의 pH에 이르게 하였다. 이후, 100 g TEOS를 첨가하고, 졸을 자성 교반기 상에서 교반에 의해 균질화시켰다.
금속 산화물 분산액: 1 M 염산의 첨가에 의해 2의 pH로 조정된 360 g의 에어 록사이드(AEROXIDE)(등록상표) TiO2 P25(데구사 AG)의 25% 강도 수성 분산액. 분산액 중의 TiO2 입자의 수평균 응집체 직경은 98 nm였다.
금속 산화물 졸: 150 ml TiO2 분산액을 100 ml 출발 졸과 교반하면서 혼합하고, 그 다음에 혼합물을 자성 교반기 상에서 교반에 의해 30분 동안 균질화시켰다.
층: 유리판을 딥-코팅에 의해 상기 금속 산화물 졸로 코팅하고, 층을 100 ℃ 미만의 온도에서 건조시켰다. 2.2 ㎛의 실질적으로 균일한 층 두께를 갖는 크랙이 없는 균질의 녹색 층이 10 cm/분의 인출 속도에서 얻어졌다.
실시예 B-2:
출발 졸: 실시예 2와 유사하게 제조.
금속 산화물 분산액: 에어로디스프(AERODISP)(등록상표) W 630(데구사 AG), 30 중량%의 알루미늄 산화물 함량 및 4.7의 pH를 갖는 에어록사이드(등록상표) Alu C(데구사)의 수성 분산액. 분산액 중의 Al2O3 입자의 수평균 응집체 직경은 87 nm였다.
금속 산화물 졸: 실시예 B-1과 유사하게 제조.
층: 실시예 B-1과 유사한 딥-코팅 및 건조 조건.
녹색 층에 대해 얻어진 크랙이 없는 층 두께: 2.2 ㎛.

Claims (16)

  1. a) 분산액의 총량을 기준으로 5 내지 80 중량%의 금속 산화물 함량을 갖고, 액상으로서 물 또는 물과 수-혼화성 유기 용매의 혼합물을 함유하는 금속 산화물 분산액의 용기로의 초기 도입 단계, 및
    b1) 에너지의 도입과 함께, 가수분해에 의해 분산액 중에 상응하는 금속 산화물 및 알콜 ROH를 생성하는 일반식 M(OR)x의 금속 알콜레이트의 금속 산화물 분산액으로의 첨가 단계, 또는
    b2) 에너지의 도입과 함께, 물 또는 물과 수-혼화성 유기 용매의 혼합물 중의 일반식 M(OR)x의 금속 알콜레이트의 가수분해에 의해 얻어지는 출발 졸 및 가수분해 촉매의 첨가 단계를 포함하며,
    금속 산화물 분말이 SiO2, Al2O3, TiO2, CeO2, ZrO2, In2O3, SnO, SbO 또는 언급된 금속의 혼합 산화물이고, 분산액 중의 금속 산화물이 200 nm 미만의 수평균 응집체 직경을 갖고,
    M = Si, Al, Ti, Ce, Zr, In, Sn 또는 Sb이고, R = C1-C6-알킬이고, x = 금속의 원자가이며, 가수분해로부터의 금속 산화물 대 분산액 중의 금속 산화물의 중량비가 0.01 내지 1인, 바인더가 없는 금속 산화물 졸의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 가수분해 동안 형성된 알콜 ROH가 졸로부터 완전히 또는 부분적으로 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가수분해로부터의 금속 산화물 대 분산액 중의 금속 산화물의 중량비가 0.1 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분산액 중의 금속 산화물 분말이 100 nm 미만의 수평균 응집체 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분산액이 20 내지 60 중량%의 금속 산화물 분말 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 산화물 분말이 발열적으로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 금속 산화물 분말이 30 내지 200 m2/g의 BET 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 알콜레이트가 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 알루미늄 이소-프로필레이트, 알루미늄 트리-sec-부틸레이트, 테트라에틸 오르쏘티타네이트, 티탄 이소-프로필레이트 또는 지르코늄 n-프로필레이트인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 따라 얻을 수 있는 금속 산화물 졸.
  10. 제9항에 따른 금속 산화물 졸로 코팅된 기재.
  11. 딥-코팅, 브러싱, 스프레잉 또는 나이프-코팅에 의한 제9항에 따른 금속 산화물 졸의 기재로의 적용, 후속하는 기재에 부착된 층의 건조 후 소결에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 코팅된 기재의 제조 방법.
  12. 제9항에 따른 금속 산화물 졸로 생성된 성형품.
  13. 제9항에 따른 금속 산화물 졸을 주형 내로 주조하고, 이어서 100 ℃ 미만의 온도에서 건조하는 것을 특징으로 하는 성형품의 제조 방법.
  14. a) 분산액의 총량을 기준으로 5 내지 80 중량%의 금속 산화물 함량을 갖고, 액상으로서 물 또는 물과 수-혼화성 유기 용매의 혼합물을 함유하는 금속 산화물 분산액의 용기로의 초기 도입 단계, 및
    b1) 에너지의 도입과 함께, 가수분해에 의해 분산액 중에 상응하는 금속 산화물 및 알콜 ROH를 생성하는 일반식 M(OR)x의 금속 알콜레이트, 및 가수분해 촉매의 금속 산화물 분산액으로의 첨가 단계, 또는
    b2) 에너지의 도입과 함께, 물 또는 물과 수-혼화성 유기 용매의 혼합물 중의 일반식 M(OR)x의 금속 알콜레이트의 가수분해에 의해 얻어지는 출발 졸 및 가수분해 촉매의 첨가 단계를 포함하며,
    금속 산화물 분말이 SiO2, Al2O3, TiO2, CeO2, ZrO2, In2O3, SnO, SbO 또는 언급된 금속의 혼합 산화물이고, 분산액 중의 금속 산화물이 200 nm 미만의 수평균 응집체 직경을 갖고,
    M = Si, Al, Ti, Ce, Zr, In, Sn 또는 Sb이고, R = C1-C6-알킬이고, x = 금속의 원자가이며, 가수분해로부터의 금속 산화물 대 분산액 중의 금속 산화물의 중량비가 0.01 내지 1인, 바인더가 없는 금속 산화물 졸의 제조 방법.
  15. 제2항에 있어서, 가수분해 동안 형성된 알콜 ROH가 유기 용매와 함께 졸로부터 완전히 또는 부분적으로 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제9항에 따른 금속 산화물 졸을 주형 내로 주조하고, 이어서 100 ℃ 미만의 온도에서 건조하고, 생성물을 주형으로부터 제거한 후 60 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 후-건조하고, 이어서 소결하는 것을 특징으로 하는 성형품의 제조 방법.
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