KR100966349B1 - 다공성 점토 복합체와 그 사용방법 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공성 점토 복합체와 그 사용방법 및 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 3.0 ~ 6.0 nm 범위의 기공크기를 가지면서도 기공부피가 0.3 mL/g 이상이고 비표면적이 200 m²/g 이상인 다공특성을 나타냄으로써 자율 조습특성을 발현할 수 있는 다공체를 형성시킴과 동시에, 우수한 광촉매 특성을 나타낼 수 있는 나노크기 결정형 이산화티탄을 복합화시킴으로써 실내환경의 습도 조절뿐만 아니라 유해기체 및 악취를 효과적으로 제어할 수 있고, 이차원 층상구조를 갖는 점토와 나노크기의 미세구형인 아나타제 입자를 나노수준에서 복합화시켜 이차원 점토격자와 나노크기 입자의 가교형 다공성 복합체를 유도함으로써 조습용 다공특성을 구비하고, 아울러 나노크기 아나타제 입자를 점토격자에 고정화시켜 입자 응집을 방지하여 광효율이 뛰어난 광촉매 입자를 형성시키는 다공성 점토 복합체와 그 사용방법 및 제조방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 (a) 나노크기의 입자를 갖는 이산화티탄(TiO₂) 졸(sol)을 준비하는 단계; (b) 팽윤성 층상점토를 물에 교반 분산시켜 팽윤시키는 단계; (c) 상기 (a)단계의 이산화티탄 졸과 상기 (b)단계의 층상점토 분산액을 교반 혼합하고 반응시키는 단계; (d) 상기 (c)단계의 반응이 종료되면 원심분리를 이용하여 이산화티탄 점토 복합체의 침전을 분리하고 세척하는 단계; 및 (e) 상기 복합체를 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 점토 복합체의 제조 방법을 제공한다.

조습, 탈취, 이산화티탄, 아나타제, 층상 점토

Description

다공성 점토 복합체와 그 사용방법 및 제조방법{Porous clay complex, Methods for using and making the same}

본 발명은 다공성 점토 복합체와 그 사용방법 및 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 3.0 ~ 6.0 nm 범위의 기공크기를 가지면서도 기공부피가 0.3 mL/g 이상이고 비표면적이 200 m²/g 이상인 다공특성을 나타냄으로써 자율 조습특성을 발현할 수 있는 다공체를 형성시킴과 동시에, 우수한 광촉매 특성을 나타낼 수 있는 나노크기 결정형 이산화티탄을 복합화시킴으로써 실내환경의 습도 조절뿐만 아니라 유해기체 및 악취를 효과적으로 제어할 수 있고, 이차원 층상구조를 갖는 점토와 나노크기의 미세구형인 아나타제 입자를 나노수준에서 복합화시켜 이차원 점토격자와 나노크기 입자의 가교형 다공성 복합체를 유도함으로써 조습용 다공특성을 구비하고, 아울러 나노크기 아나타제 입자를 점토격자에 고정화시켜 입자 응집을 방지하여 광효율이 뛰어난 광촉매 입자를 형성시키는 다공성 점토 복합체와 그 사용방법 및 제조방법에 관한 것이다.

조습재료는 주위의 습도가 높아지면 재료의 표면에 존재하는 기공 및 모세관 에서 수증기를 응축, 액화시키고, 반대로 주변의 습도가 낮아지면 포함하고 있던 물을 주위로 방출하는 기능을 갖는 재료로, 외부환경의 변화에 대응하여 일정한 공간에서의 습도를 일정한 범위로 조절할 수 있는 물질이다. 또한, 탈취재료는 실내외 환경에 일반적으로 존재하는 특정 유해기체 화합물 또는 악취유발물질을 흡착, 분해시켜 특유의 냄새를 제거하는 기능을 갖는 물질로, 기공이 발달한 활성탄이 대표적 소재로 알려져 있다.

최근 밀폐된 생활환경에서 쾌적한 환경을 유지하는데 중요한 변수 중 하나가 밀폐된 공간의 습도이다. 주거환경에서 사람이 쾌적함을 느끼는 이상적인 환경습도 범위는 40 ~ 70 % 로, 이보다 습도가 높으면 곰팡이나 진드기의 왕성한 번식에 따라 배설물이나 유해한 미분말에 의해 천식이나 아토피성 피부염과 같은 알르레기성 질환이 증가하게 된다. 한편, 이보다 습도가 낮으면 감기 등의 바이러스의 증식, 정전기의 축적으로 인한 정밀 기기의 오동작, 발화 및 미술품 열화 등이 발생할 수 있다. 특히, 사계절의 기온변화가 뚜렷한 지역의 경우 여름철에는 고온다습한 환경이 유지되는데 반해, 겨울철에는 난방기구 등의 사용으로 인해 생활환경이 매우 건조한 등 계절에 따른 습도변화가 크다.

미국특허 제3,977,993호와 일본공개특허 평3-109244호 등에는 15 nm 부근의 세공경을 갖는 실리카 겔을 조습재료로 사용하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 세공경이 비교적 커서 자율적 조습기능을 기대하기 어렵다는 문제점이 있다. 한편, 일본공개특허 평9-294931호에는 계면활성제나 장쇄 알킬기를 갖는 유기물을 주형으로 한 액정주형법에 의해 세공경을 2 ~ 6 nm 범위로 제어하여 자율적 조습능력을 갖는 재료를 제조하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 유기계 조습재료는 제조비용이 너무 비싸 범용재료로 사용하기에는 부적합하며, 물성면에서도 구조적으로 불안정하여 수분의 흡·방습에 대해 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.

다공질 재료로서 규산염 용액을 겔화시켜 실리카 겔을 제조하는 일반적 방법으로, 규산염 용액에 산을 첨가하는 정적정법이 통용되고 있다. 미국특허 제3,977,993호에서는 이러한 정적정법을 이용하여 pH 조절에 의해 세공경을 10 ~ 30 nm 범위로 제어한 실리카 겔을 제조하고 있고, 일본공개특허 평3-109244호에서는 15 nm 내외로 제어한 실리카 겔을 제조하고 있다. 정적정법에 의해 실리카 겔을 제조하는 경우 반응용액의 액상은 초기에서 알칼리성에서 산이 부가되면서 중화되고, 산을 더욱 부가하여 강산성이 되게 한 후 약산성 영역에서 겔화시키기 때문에, 초기에 알칼리성에서 중화되면서 생성되는 입자들을 강산성으로 하여 재용해 시킨 다음 겔화를 진행하게 된다. 이와 같이 초기에 생성되는 입자들을 재용해 시키는 과정을 거치기 때문에 정적정법을 일명 해교법이라고도 한다. 이러한 정적정법에 의해 실리카 겔을 제조하는 경우 재용해 과정을 거쳐야 하므로 출발원료인 규산소다의 농도에 제한을 받게 되며, 상대적으로 낮은 5% 이하의 희박용액을 사용하게 되고 이에 따라 반응수율, 즉 생산성이 떨어지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 실내환경의 습도 조절뿐만 아니라 유해기체 및 악취를 효과적으로 제어할 수 있고, 입자 응집을 방지하여 광효율이 뛰어난 광촉매 입자를 형성시키는 다공성 점토 복합체와 그 사용방법 및 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 다공성 점토 복합체는 이산화티탄(TiO₂)을 함유하는 다공성 복합분말 재료로서, 기공크기가 3.0 ~ 6.0 nm이고, 기공부피가 0.3 mL/g 이상이며, 비표면적이 200 m²/g 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다공성 점토 복합체는 이산화티탄과 다공성 점토의 복합체일 수 있다.

또한, 상기 점토는 스멕타이트계 팽윤성 층상 점토일 수 있다.

또한, 상기 스멕타이트계 팽윤성 층상 점토는 몬트모릴로나이트, 사포나이트, 헥토라이트, 바이델라이트 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 상기 기공부피는 0.7 ~ 1.0 mL/g 일 수 있다.

본 발명에 따른 다공성 점토 복합체의 사용방법은 상기 다공성 점토 복합체를 조습용 또는 탈취용으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다공성 점토 복합체의 제조방법은 (a) 나노크기의 입자를 갖는 이산화티탄(TiO₂) 졸(sol)을 준비하는 단계; (b) 팽윤성 층상점토를 물에 교반 분산시켜 팽윤시키는 단계; (c) 상기 (a)단계의 이산화티탄 졸과 상기 (b)단계의 층상점토 분산액을 교반 혼합하고 반응시키는 단계; (d) 상기 (c)단계의 반응이 종료되면 원심분리를 이용하여 이산화티탄 점토 복합체의 침전을 분리하고 세척하는 단계; 및 (e) 상기 복합체를 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (a)단계의 이산화티탄 졸은 아나타제(anatase) 결정상일 수 있다.

또한, 상기 (b)단계의 팽윤성 층상점토는 스멕타이트계 층상 점토일 수 있다.

또한, 상기 스멕타이트계 층상 점토는 몬트모릴로나이트, 사포나이트, 헥토라이트, 바이델라이트 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 상기 (c)단계의 반응용액은 pH 범위가 2 ~ 3일 수 있다.

또한, 상기 (c)단계에서 상기 이산화티탄 졸은 상기 층상점토의 양이온 교환능(CEC)에 대하여 1 ~ 50배의 몰비로 혼합될 수 있다.

또한, 상기 (e)단계의 건조 온도는 80 ~ 150 도씨일 수 있다.

또한, 상기 다공성 점토 복합체의 제조방법은 (f) 상기 (e)단계를 통해 건조된 복합체를 분쇄한 후 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 열처리 온도는 300 ~ 500 도씨일 수 있다.

본 발명에 의하면 3.0 ~ 6.0 nm 범위의 기공크기를 가지면서도 기공부피가 0.3 mL/g 이상이고 비표면적이 200 m²/g 이상인 다공특성을 나타냄으로써 자율 조습특성을 발현할 수 있는 다공체를 형성시킴과 동시에, 우수한 광촉매 특성을 나타낼 수 있는 나노크기 결정형 이산화티탄을 복합화시킴으로써 실내환경의 습도 조절뿐만 아니라 유해기체 및 악취를 효과적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 이차원 층상구조를 갖는 점토와 나노크기의 미세구형인 아나타제 입자를 나노수준에서 복합화시켜 이차원 점토격자와 나노크기 입자의 가교형 다공성 복합체를 유도함으로써 조습용 다공특성을 구비하고, 아울러 나노크기 아나타제 입자를 점토격자에 고정화시켜 입자 응집을 방지하여 광효율이 뛰어난 광촉매 입자를 형성시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당 업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

광촉매 기능을 가진 나노크기 이산화티탄(TiO₂)은 담배냄새, 생활 냄새, 체취 등에 대한 광탈취, NOx, TCE 등의 대기 정화, 담배의 진, 유류 등에 대한 오점 분해, 위생도기, 타일 등에 대한 항균, 수질 개선 또는 정화에 유효한 성질을 가진다. 광촉매 기능을 갖는 나노크기의 이산화티탄은 광에너지에 의해 활성화되어 많은 유기 유해물질이나 악취물질을 산화 분해하는 작용이 있으므로, 탈취재료로 사용될 수 있다.

환경습도를 40 ~ 70 % 범위로 유지하는 습도조절 능력을 가지는 무기계 조습재료, 즉 수분의 흡·방습량이 큰 조습재료는 세공경이 3.0 ~ 6.0 nm 이면서 동시에 세공용적이 0.7 ~ 1.0 cc/g 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

무기계 조습재료의 세공경을 결정하기 위하여, 본 발명자들은 모세관 응집에 대한 캘빈(Kelvin) 식[S. Tomura, M.Maeda, K.Inukai, F.Ohashi, M.Suzuki and Y.Shibasaki, 기능재료, 17(2), 22(1997)]과 아라이(Arai) 식[粉體工學會誌, 20, 115~120(1983)]에 대한 고찰을 통해 상대습도 40 ~ 70 % 범위에서 수분의 흡착 및 탈착이 가능한 세공경은 3.0 ~ 7.5 nm 범위인 것을 인지했다.

이때, 세공경을 3.0 ~ 6.0 nm 범위로 제한하는 이유는 세공경이 6.0 nm 를 초과하는 조습재료들의 경우, 본 발명에서 제안하는 세공용적인 0.7 ~ 1.0 cc/g 범위를 초과하여 보다 큰 세공용적을 가짐에도 불구하고 세공용적에 따른 수분의 흡착량과 탈착량의 70 % 이상을 고습도(70 ~ 100 %) 범위에서 흡습 또는 방습하여 고 습도 범위에서의 습도조절 능력은 있으나, 상대습도 40 ~ 70 % 범위에서의 자율적 조습력은 보다 떨어짐을 확인했기 때문이다.

본 발명에 따른 이산화티탄(TiO₂) 함유 다공성 점토 복합체는 3.0 ~ 6.0 nm 크기의 메조포어(mesopore)를 가지고 있고, 기공부피가 0.3 mL/g 이상, 비표면적인 200 m²/g 이상의 다공 특성을 나타낸다. 또한, 상기 이산화티탄 함유 다공성 점토 복합체는 습도 50 ~ 85 % 의 고습도 영역에서 이상적인 흡습, 방습 특성을 나타내는 조습 특성을 갖는다. 또한, 포름알데히드를 이용한 탈취 평가를 통해서 30분에 50 % 이상의 휘발성 유기물 제거특성을 나타낸다.

본 발명에서 사용하는 팽윤성 점토는 스멕타이트계 점토로서, 몬트모릴로나이트, 사포나이트, 헥토라이트, 바이델라이트 등이 있다. 이들은 수용액 중에서 층간이온의 수화반응에 의하여 특유의 팽윤특성을 나타낸다. 특히, 몬트모릴로나이트는 양이온 교환능(CEC)이 80 ~ 120 mequiv./100g 의 범위를 갖고 수용액 중에서 팽윤에 의한 격자박리화가 용이하게 일어난다. 스멕타이트계 점토는 고유의 양이온교환 특성으로 인해 층간 양이온이 다른 무기 클러스터 양이온이나 양이온성 표면전하를 갖는 콜로이드 입자와 표면치환 반응이 일어나, 소위 가교화 점토(pillared clays)를 형성하는 특징이 있다. 이러한 가교화 점토는 무기산화물이 층간에 가교 역할을 하면서 존재하기 때문에 제올라이트와 같은 안정한 기공이 형성된다. 그러나, 통상적인 가교화 점토에서의 기공 크기는 대략 0.5 ~ 2.0 nm 의 크기로, 조습용 재료에서 요구되는 기공이 크기보다는 작은 값을 나타내는 단점이 있다.

한편, 층상점토와의 복합화에 이용될 수 있는 이산화티탄의 전구물질로는 (TiO)₂(OH)₈ ⁴⁺와 같은 다핵금속수산화물 클러스터와 양이온성 나노콜로이드 입자(TiO₂ sol)가 종래의 대표적인 가교화 물질로 사용되어 왔다. 그러나, (TiO)₂(OH)₈ ⁴⁺와 양으로 하전된(positively charged) TiO₂ sol을 가교화 물질로 하는 경우, 전술한 바와 같이 비표면적은 비교적 큰(~ 500 m²/g) 다공성 가교화 점토를 합성할 수 있으나, 기공의 크기가 1.0 ~ 2.0 nm 로 조습용 재료에서 요구되는 기공크기를 나타내지는 못한다. 또한, 이 경우 형성된 TiO₂는 보통 무정형(amorphous)으로 광활성 입장에서 결정형보다는 덜 효과적인 입자가 만들어진다. 따라서, 본 발명에서는 TiO₂ 입자의 크기를 원하는 기공의 크기와 유사한 대략 5 nm 정도이며, 아나타제(anatase) 결정상을 갖는 입자를 이용하여 점토와의 가교화 물질로 이용하였다.

복합화를 위한 팽윤성 점토는 복합화 전에 수용액에서 충분히 분산 및 팽윤시켜 점토격자의 충분한 박리화를 유도한다. 1 ~ 2 wt% 의 점토 분산액을 만들어 실온에서 12시간 이상 교반함으로써 이러한 목적을 효과적으로 달성할 수 있다.

나노크기의 결정형 이산화티탄과 층상점토 분산액과의 혼합 및 이온교환 반응은 통상의 점토 가교화 반응 또는 이온교환 반응이 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 바람직하게는 점토의 분산액에 원하는 양만큼의 이산화티탄 졸 용액을 격렬 하게 교반하면서 반응시키는 것이 균일한 복합체를 얻는 데 유리하게 이용될 수 있다.

반응용액의 pH 는 1 ~ 3, 바람직하게는 2 ~ 3의 범위에서 진행하는 것이 유리하다. 이산화티탄 나노입자는 등전점(Isoelectric Point, IEP)이 4.5 정도로, 그 이하에서는 입자의 표면이 양으로 하전되어 있고, 그 이상에서는 음으로 하전되어 있다. 반면에 점토입자는 대부분의 pH 영역에서 음으로 하전되어 있기 때문에 표면에서의 정전기적 인력에 의한 표면치환 반응을 효과적으로 유도하기 위해서는 반응용액의 pH를 2 ~ 3 영역으로 제어하는 것이 유리하다. 한편, 반응용액의 pH가 지나치게 산성인 경우(pH < 1)에는 장시간 강산환경에 노출됨에 따라 점토격자층 가운데 팔면체 층에 존재하는 Mg이나 Fe 이온의 용출이 발생하여 점토의 표면 전하에 악영향을 줄 가능성이 있다.

한편, 점토와 TiO₂ 입자와의 혼합비는 특별한 제한 없이 사용될 수 있으나, 점토의 양이온 교환능(CEC)에 대하여 1 ~ 50배의 몰비로 TiO₂를 혼합하는 것이 바람직하다. 1 미만일 경우에는 상대적으로 점토격자의 점유율이 높아져 다공특성이 우수한 소재의 제조에 바람직하지 않으며, 50배를 초과하는 경우 TiO₂ 졸 입자간의 응집이 발생하여 비정상적인 침전이 발생하거나 다공특성의 저하를 유발할 수 있다.

점토와 TiO₂ 입자와의 이온교환 반응이 완료되면 공지의 고-액 분리법, 예를 들면 원심분리, 필터-백을 이용하여 점토와 TiO₂ 입자 복합체를 분리하고 물을 이용 하여 수차례 세척함으로써 Na⁺ 이온과 같은 불순물을 제거한다.

복합체의 건조는 통상적인 건조법, 전기오븐건조, 열풍건조, 분무건조법 등이 특별한 제한없이 적용될 수 있다. 입자의 응집 및 공정의 경제성을 고려하는 경우 분무건조법이 바람직하게 이용될 수 있다. 건조온도는 80 ~ 150도씨인 것이 바람직하다. 80도씨 미만인 경우에는 건조가 충분하지 않을 수 있고, 150도씨를 초과하는 경우 입자의 응집이 심하게 발생할 수 있다.

건조가 완료되면 소성하기 전에, 건조된 입자를 원하는 입도를 갖도록 분쇄하는 것이 바람직하다. 소성이 완료되면 입자의 부분적인 소결이 일어나 분쇄효율이 저하되기 때문이다. 열처리를 통한 가교화 온도는 300 ~ 500도씨가 바람직하다. 300도씨 미만인 경우 TiO₂ 입자표면에 형성되는 수산화기가 효과적으로 제거되지 못하는 단점이 있고, 500도씨를 초과하는 경우 TiO₂ 입자 소결에 따른 다공구조의 붕괴에 의해 다공특성의 저하가 현저하게 나타나기 때문이다.

이하에서는 본 발명의 실시예와 비교예를 설명한다.

실시예

나노크기의 이산화티탄으로는 중성 광촉매용 TiO₂ 졸을 이용하였다(이엔비코리아 제품). 이 TiO₂ 졸은 아나타제(anatase)형 결정상이고, 고형분의 함량은 5 wt%, 용액의 pH 는 1.7, 투과전자현미경 관찰 및 X-선 선폭증가(Scherrer equation)를 통한 평균입경은 대략 5 nm인 구형입자였다.

원료점토로는 몬트모릴로나이트(Montmorillonite, Kunipia-G)로써 양이온 교환능(CEC)은 120 mequiv./100g 을 사용하였다. 우선, 몬트모릴로나이트 점토 10 g 을 1 L 의 증류수에 투입하고, 상온에서 12시간 동안 교반 분산시켜 충분히 팽윤시켰다. 여기에 1.0 N HCl을 소량 첨가하여 분산액의 pH를 3.0이 되도록 조절하였다.

TiO₂ 졸 용액을 [Ti]/CED = 30/1 몰비가 되게 칭량하고, 여기에 1.0N NaOH를 첨가하여 졸 용액의 pH 도 3.0이 되게 조절한 후, 이 TiO₂ 졸 용액을 점토의 분산액에 강력하게 교반하면서 혼합하였다. 혼합이 완료되면 실온에서 6시간 동안 교반하면서 이온교환반응을 유도하였다.

반응이 종료되면 원심분리를 이용하여 복합체 침전을 분리하고 증류수로 3회 세척하였다. 세척이 완료된 복합체는 120도씨의 전기오븐에서 12시간 동안 건조하였다. 건조된 분말은 자동유발을 이용하여 분쇄한 후 #100 분자체를 통과한 미세한 입자를 이용하여 열처리를 진행하였다. 열처리는 400도씨에서 2시간 동안 공기중에서 실시하였다.

도 1은 나노크기의 TiO₂ 졸 입자와 몬트모릴로나이트 점토 복합체를 400도씨에서 2시간 열처리한 후 얻어진 분말에 대한 X-선 회절도이다.

도 1로부터 우선 20°부근에서의 점토격자의 ab-plan에 의한 특유의 회절피크가 관찰되는 것으로부터 점토격자의 존재를 확인할 수 있다. 또한, 저각에서 나타나는 선폭이 넓은 회절선(층간거리는 대략 22Å)은 점토격자층과 TiO₂ 나노입자의 부분적인 적층에서 나타나는 가교화 구조의 (003) 피크로 판단된다. 즉, 사용한 TiO₂ 나노입자의 크기가 대략 5 nm 로 점토격자층(대략 1 nm)과 규칙적 적층을 이루는 경우 예상되는 층간거리는 대략 6 nm 정도로 관찰되는 회절선은 이 적층구조의 (003) 피크에 해당된다. 이를 통해 TiO₂ 나노입자와 점토격자가 비교적 규칙적인 적층구조를 형성함을 확인할 수 있다.

도 2는 나노크기의 TiO₂ 졸 입자와 몬트모릴로나이트 점토 복합체(Ti-Mont)를 400도씨에서 2시간 열처리한 후 얻어진 분말에 대한 질소 흡착-탈착 등온선 그래프이다. 그래프로부터 TiO₂-Mont. 복합체는 메소동공구조가 발달된 형태의 다공체임을 확인할 수 있고, 계산된 비표면적(S_BET)은 223 m²/g, 기공부피(V_total)는 0.36 mL/g, 흡착등온선을 이용한 BJH 기공분포곡선으로부터 평균 기공크기는 4.8 nm 임을 계산할 수 있다.

▶ 조습 특성 측정

나노크기의 TiO₂ 졸 입자와 몬트모릴로나이트 점토 복합체(Ti-Mont)를 400도씨에서 2시간 열처리한 후 얻어진 분말에 대한 수분 흡착-탈착 특이성을 평가하기 위하여 물 흡착-탈착 등온선(water adsorption-desorption isotherm) 측정을 실시하였다. 흡착-탈착 등온선은 BELL SORP-Ⅲ를 이용하였으며, 1 g 의 시료를 샘플홀더에 투입하고, 고진공하에서 24시간 동안 탈기한 후 30도씨에서 등온선 측정을 수행하였다.

측정 결과 얻어진 등온선을 도 3에 도시하였다.

도 3으로부터 나노크기의 TiO₂ 졸 입자와 몬트모릴로나이트 다공성 점토 복합체는 매우 큰 수분 흡착량(0.72 cc/g)을 나타냄을 알 수 있고, 0.5 < P/Po < 0.9 의 범위에서 매우 큰 이력곡선(hysteresis loop)이 나타나는 것으로부터 이 습도영역에서는 매우 효과적인 조습특성이 있음을 확인할 수 있다.

▶ 유해기체 탈취 특성 측정

나노크기의 TiO₂ 졸 입자와 몬트모릴로나이트 점토 복합체(Ti-Mont)를 400도씨에서 2시간 열처리한 후 얻어진 분말에 대한 유해기체 탈취 특성을 측정하였다. 탈취성능은 KS M 0062:2003 검지관법을 이용하였다. 평가는 충분히 사전에 건조한 시료 1.0 g 을 5 L 의 탈취용기에 넣고, 50 ppm 의 포름알데히드를 주입한 후 0 ~ 120분에 걸쳐 탈취율을 결정하였다. 경과시간에 따른 탈취율을 표 1에 나타내었다.

경과시간(min.)	BLANK(ppm)	시료농도(ppm)	탈취율(%)
초기(0)	50	50	0
30	50	35	30
60	49	28	44
90	49	23	54
120	48	18	64

표 1로부터 TiO₂와 몬트모릴로나이트 점토 복합체는 포름알데히드의 탈취에 효과적으로 작용함을 확인할 수 있다.

비교예

가교화를 위한 열처리 온도를 600도씨로 한 것 이외에는 실시예와 동일하게 합성한 시료에 대하여 다공특성을 측정하였으며, 비표면적(S_BET)은 150 m²/g, 기공부피(V_total)는 0.28 mL/g, 흡착등온선을 이용한 BJH 기공분포곡선으로부터 평균 기공크기는 5.6 nm 임을 계산할 수 있다. 즉, 온도가 600도씨인 경우 다공구조의 붕괴가 일어남을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 우수한 수분 흡수/방출 능력과 탁월한 유해기체 제거 특성을 나타내고 있어 실내벽지, 판넬, 도료, 자동차용 탈취 및 조습제, 농산물 선도유지제, 각종 조습제 및 흡착재를 포함한 광범위한 분야에 적용될 수 있다.

도 1은 나노크기의 이산화티탄 졸 입자와 몬트모릴로나이트 점토(구피니아-G) 분산액과의 복합화를 통해 제조된 복합분말소재의 X-선 회절도,

도 2는 나노크기의 이산화티탄 졸 입자와 몬트모릴로나이트 점토(구피니아-G) 분산액과의 복합화를 통해 제조된 복합분말소재의 질소 흡착-탈착 등온선 그래프,

도 3은 나노크기의 이산화티탄 졸 입자와 몬트모릴로나이트 점토(구피니아-G) 분산액과의 복합화를 통해 제조된 복합분말소재의 물 흡착-탈착 등온선 그래프이다.

Claims (15)

1. 5㎚의 입자크기 및 아나타제 결정상을 갖는 이산화티탄(TiO₂)과 팽윤성 층상 점토의 복합체로서,

   기공크기가 4.4~5.2 ㎚ 이고, 기공부피가 0.32 ~ 0.4 mL/g이며, 비표면적이 200~250 m²/g 인 것을 특징으로 하는 다공성 점토 복합체.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 팽윤성 층상 점토는 스멕타이트계 팽윤성 층상 점토인 것을 특징으로 하는 다공성 점토 복합체.
4. 제3항에 있어서,

   상기 스멕타이트계 팽윤성 층상 점토는 몬트모릴로나이트, 사포나이트, 헥토라이트, 및 바이델라이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다공성 점토 복합체.
5. 삭제
6. 제1항, 제3항, 또는 제4항 중 어느 한 항에 따른 다공성 점토 복합체를 조습용 또는 탈취용으로 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 점토 복합체의 사용방법.
7. (a) 5㎚의 입자크기 및 아나타제 결정상을 갖는 이산화티탄(TiO₂)의 졸(sol)을 준비하는 단계;

   (b) 팽윤성 층상점토를 물에 교반 분산시켜 팽윤시키는 단계;

   (c) 상기 (a)단계의 이산화티탄 졸과 상기 (b)단계의 층상점토 분산액의 pH를 각각 2~3으로 조정한 후 교반 혼합하고 반응시키는 단계;

   (d) 상기 (c)단계의 반응이 종료되면 원심분리를 이용하여 이산화티탄 점토 복합체의 침전을 분리하고 세척하는 단계; 및

   (e) 상기 복합체를 80~150℃에서 건조하는 단계; 및

   (f) 상기 (e) 단계를 통해 건조된 복합체를 분쇄한 후 300~500℃에서 열처리 하는 단계;를 포함하고,

   상기 (c) 단계에서 이산화티탄 졸은 층상점토의 양이온 교환능에 대하여 1~50배의 몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다공성 점토 복합체의 제조방법.
8. 삭제
9. 제7항에 있어서,

   상기 (b)단계의 팽윤성 층상점토는 스멕타이트계 층상 점토인 것을 특징으로 하는 다공성 점토 복합체의 제조방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 스멕타이트계 층상 점토는 몬트모릴로나이트, 사포나이트, 헥토라이트, 및 바이델라이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다공성 점토 복합체의 제조방법.
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