KR100975432B1 - Method of hydrophobic silica powders with low density - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저밀도 소수성 실리카 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법에 따르면, 알코올을 이용하여 저가의 물유리로부터 바로 겔을 얻음으로써 산 혹은 이온교환 처리하는 졸 제조단계를 배제하고 겔화반응을 유도하는 산/염기 촉매와 유화제 및 분산제 등의 유기 첨가물을 사용하지 않으며 적은 양의 개질제와 유기용제를 사용하고도 소수화 반응을 짧은 시간 내에 완료한 후 상압하에서 200℃ 미만의 낮은 온도로 단시간의 건조함으로써 95% 이상의 높은 기공율과 0.1g/mL 이하의 저밀도를 갖는 소수성 실리카 분말을 제조할 수 있어, 매우 경제적이며 신속하고 간편하게 실리카 분말을 제조할 수 있다. The present invention relates to a process for producing low density hydrophobic silica powder. According to the preparation method of the present invention, an organic additive such as an acid / base catalyst, an emulsifier and a dispersant, which induces a gelation reaction by excluding the sol preparation step of acid or ion exchange treatment by obtaining a gel directly from an inexpensive water glass using alcohol. High porosity of more than 95% and low density of less than 0.1g / mL by completing the hydrophobization reaction in a short time without using a small amount of modifier and organic solvent and drying for a short time at low temperature below 200 ° C under normal pressure The hydrophobic silica powder having the composition can be prepared, and thus the silica powder can be prepared very economically and quickly and simply.
물유리, 알코올, 저밀도, 소수성, 실리카, 에어로겔 Water glass, alcohol, low density, hydrophobic, silica, airgel
Description
본 발명은 저밀도의 소수성 실리카 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알코올을 이용하여 저가의 물유리로부터 바로 겔을 얻음으로써 산성 용액을 첨가하는 졸 제조단계를 배제하고 겔화반응을 유도하는 산/염기 촉매와 입자를 안정화시키는 유화제, 분산제 등의 첨가물을 사용하지 않고 적은 양의 개질제와 유기용제를 사용하고도 소수화 반응을 짧은 시간 내에 완료한 후 상압 하에서 200℃ 미만의 낮은 온도로 단시간의 건조함으로써 95% 이상의 높은 기공율과 저밀도를 갖는 소수성 실리카 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a low density hydrophobic silica powder, and more particularly, an acid that induces a gelation reaction by excluding a sol preparation step of adding an acidic solution by obtaining a gel directly from an inexpensive water glass using alcohol. After drying the hydrophobization reaction in a short time without using additives such as emulsifiers and dispersants that stabilize the base catalyst and particles, and using a small amount of modifier and organic solvent, drying at a low temperature of less than 200 ° C. under normal pressure for a short time. The present invention relates to a method for producing a hydrophobic silica powder having a high porosity and low density of 95% or more.
종래의 실리카 분말 합성 기술은 대표적으로 물유리를 산처리하여 침전시켜 침강성 실리카(precipitated silica)를 합성하는 습식 공정과 사염화 실란을 사용하여 1000℃ 이상의 고온의 불꽃으로 가수분해하여 흄드 실리카(fumed silica)를 합성하는 건식 공정으로 나뉜다. 습식 공정의 경우는 산처리를 하여 물유리 중화 및 염 제거를 해야 하고 건조 후 분말의 밀도가 0.3g/mL 정도로 비교적 높으며 표면은 친수성 특성을 가지는 단점이 있다. 건식 공정은 분말의 밀도가 0.05g/mL 정 도로 낮고 고순도의 실리카를 제조하지만, 유독한 사염화 실란을 사용하고 1,000℃ 이상의 고온의 열에너지를 필요하다. 상기의 건식법과 습식법으로 얻는 실리카는 친수성 표면이기 때문에 추가적으로 소수화 처리공정을 행해야 소수성 분말을 얻을 수 있다는 단점이 있다.Conventional silica powder synthesis technology is typically a wet process of acid-precipitated water glass to precipitate precipitated silica (precipitated silica) and hydrolyzed to a flame of
실리카 분말은 근본적으로 하이드록실기를 갖는 친수성 표면을 띠고 있으나, 소수화 반응을 통하여 메틸기 또는 페닐기 등의 작용기를 표면에 갖는 소수성 표면으로 개질하는 것이 용이하다. 최근 개발된 소수성 실리카는 흔히 ‘에어로겔(aerogel)’로 불리는 다공성 소재가 발되었으며, 실리카 에어로겔은 90% 이상의 내부 공간에 나노 크기의 기공을 함유하고 있어 0.1g/mL 이하의 매우 낮은 밀도와 이에 기인하는 초단열성능을 가져 주목을 받고 있다. 특히, 실리카 에어로겔 분말의 소수성 표면은 물에 대한 저항성을 가짐으로써 외부 환경에 노출되었을 때 습기에 의한 기공구조의 붕괴를 방지할 수 있으며, 유체와 같은 유동성을 보여 성형체의 모양에 따라 자유로운 형상으로 가공하는 데에 기여한다.Although the silica powder has a hydrophilic surface having a hydroxyl group inherently, it is easy to modify the hydrophobic surface having a functional group such as a methyl group or a phenyl group on the surface through a hydrophobic reaction. Recently developed hydrophobic silica has been made from porous materials, commonly referred to as 'aerogels', and silica aerogels contain nano-sized pores in more than 90% of their interior space, resulting in very low densities of 0.1g / mL and below. It is attracting attention because of its high thermal insulation performance. In particular, the hydrophobic surface of the silica airgel powder is resistant to water, thereby preventing the collapse of the pore structure due to moisture when exposed to the external environment, and exhibits fluid-like fluidity, and is processed into a free shape according to the shape of the molded body. Contribute to
기공을 함유하는 소수성 실리카 분말의 제조는 생산업체별로 약간 차이가 있지만, 기본적인 제조 방법은 동일하다. 실리카로 이루어진 원료 용액을 준비하고, 겔화반응과 소수화 개질반응, 그리고 최종 건조단계를 행하여 분말을 얻는다.The production of hydrophobic silica powder containing pores varies slightly from producer to manufacturer, but the basic method of preparation is the same. A raw material solution made of silica is prepared, and a powder is obtained by performing a gelation reaction, a hydrophobization reforming reaction, and a final drying step.
구체적으로 살펴보면, 제 1단계는 금속 알콕시드 또는 물유리 등의 전구체 원료로부터 주성분이 실리카인 졸(액체상)을 얻는다. 실리카 졸은 가수분해에 의해 매우 작은 1차 입자로 나누어지고, 전구체 원료로 물유리를 사용할 때는 불순물인 Na+ 이온을 제거하기 위하여 산 용액과 혼합시키거나 양이온교환 처리를 행한다. 제 2단계는 실리카 졸을 겔화시키기 위하여 전체 용액의 산성도를 변화시켜 겔화 반응을 촉진시킨다. 이를 위하여 산성 혹은 염기성 촉매 물질을 첨가하며, 특히 분말 형상의 입자를 안정하게 유지시키기 위한 목적으로 계면활성제, 유화제 등을 첨가하여 입자 형태의 친수성 표면을 갖는 습윤 겔을 얻는다. 산 촉매로는 염산, 황산, 질산 등이 사용되고, 염기 촉매로 암모니아수, 피리딘(pyridine), 하이드라진(hydrazine), 피페리딘(piperidine) 등이 사용된다. 입자를 안정화시키는 계면활성제로, 솔비탄 모노라우레이트(sorbitan monolaurate, span 20) 솔비탄 모노올레이트(sorbitan monooleate, span 80), 폴리옥시에틸렌솔비탄 모노올레이트(polyoxyethylenesorbitan monooleate, Tween 80), 라놀린(lanolin), 금속비누(metallic soap), 로진(rosin), 콜레스테린(cholesterin), 레시틴(lecithin) 등이 사용되고 있고, 제조목적에 맞춰 HLB 값을 설계하여 한 개 혹은 두 개 이상의 첨가제를 함께 사용한다. 제 3단계는 친수성 표면을 소수성 표면으로 개질하는 반응을 하고, 겔 내부의 망목을 채우고 있는 물을 유기용매로 치환시키는 용매치환/표면개질을 행한다. 소수성 개질을 위해서 메틸기, 페놀기 등의 소수성 말단기를 갖는 개질제를 첨가하여 실리카 표면의 하이드록실 말단기와 반응시킨다. 이 반응에 사용되는 용매는 헥산(n-hexane), 헵탄(n-heptane), 2-프로판올(2-propanol)이며, 개질제는 클로로트리메틸실란(chlorotrimethylsilane), 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 트리메 틸에톡시실란(trimethylethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 페닐트리에톡시실란(phenyltriethoxysilane), 아크릴레이트화 실란 화합물 등이 사용된다. 제 4단계는 소수성 겔을 내부에 형성된 기공구조를 무너뜨리지 않고 유기용매를 휘발시키는 건조 단계이다. 기공내 물 분자는 건조과정에서 모세관력을 야기해 젤 구조를 수축시켜 기공율이 작은 고체를 만든다. 따라서 대기압 하에서 건조할 때 승온속도, 온도범위, 유지시간 등이 중요한 변수이며, 앞 단계의 용매의 선택에 따라 비등점 등 물리화학적 특성에 매우 민감하게 의존한다. 이와는 달리, 제 3단계의 소수성 개질과 대기압 건조는 초임계 건조로 대체할 수 있다. 초임계 건조 과정은 메탄올 혹은 이산화탄소(CO2)등의 매체를 사용하여 액상과 기상간의 계면장력 차이가 없는 초임계 상태에서 기공수를 제거하는 과정이며, 특히, 이산화탄소를 이용하는 저온 초임계 건조는 30℃, 70bar 이상의 고압에서 행하므로 오토클레이브(autoclave)와 같은 특별한 장치를 필요로 한다. 이와 같이 장치에 제한적인 제조방법으로서, 비용의 증가로 인해 대량 생산에 제한을 주며, 초기 투자비와 운영비를 증대시키는 문제점이 있다. 그러므로 이를 해결하기 위하여 최근에는 대기 중에서 소수성 겔을 건조하는 상압 건조기술을 개발하고 있는 실정이다.Specifically, the first step obtains a sol (liquid phase) whose main component is silica from precursor raw materials such as metal alkoxide or water glass. The silica sol is divided into very small primary particles by hydrolysis, and when water glass is used as a precursor raw material, the silica sol is mixed with an acid solution or a cation exchange treatment to remove impurities Na + ions. The second step promotes the gelation reaction by changing the acidity of the total solution to gel the silica sol. To this end, acidic or basic catalyst materials are added, in particular surfactants, emulsifiers and the like are added for the purpose of stably maintaining the particles in powder form to obtain a wet gel having a hydrophilic surface in the form of particles. Hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, and the like are used as the acid catalyst, and ammonia water, pyridine, hydrazine, piperidine and the like are used as the base catalyst. Surfactant to stabilize particles, sorbitan monolaurate (span 20) sorbitan monooleate (span 80), polyoxyethylenesorbitan monooleate (Tween 80), lanolin (lanolin), metallic soap, rosin, cholesterin, lecithin, etc. are used, and the HLB value is designed according to the manufacturing purpose and one or more additives are used together. . In the third step, a reaction for reforming the hydrophilic surface into a hydrophobic surface is carried out, and solvent replacement / surface modification is performed in which water filling the mesh inside the gel is replaced with an organic solvent. For hydrophobic modification, a modifier having hydrophobic end groups such as methyl group and phenol group is added to react with hydroxyl end groups on the silica surface. Solvents used in this reaction are hexane (n-hexane), heptane (n-heptane), 2-propanol, and modifiers are chlorotrimethylsilane, hexamethyldisilazane, methyl Trimethoxysilane (methyltrimethoxysilane), trimethylethoxysilane, ethyltriethoxysilane, phenyltriethoxysilane, acrylated silane compound and the like are used. The fourth step is a drying step of volatilizing the organic solvent without destroying the pore structure formed inside the hydrophobic gel. Water molecules in the pores cause capillary forces during drying to shrink the gel structure, resulting in a small porosity solid. Therefore, the temperature increase rate, temperature range, holding time, etc. are important variables when drying under atmospheric pressure, and depending on the choice of the solvent of the previous step, it is very sensitive to physicochemical properties such as boiling point. Alternatively, the hydrophobic reforming and atmospheric drying of the third stage can be replaced by supercritical drying. The supercritical drying process is a process of removing pore water in a supercritical state in which there is no difference in interfacial tension between liquid and gas phase using a medium such as methanol or carbon dioxide (CO 2 ). As it is operated at a high pressure of 70 bar or higher, a special apparatus such as an autoclave is required. As such a limited manufacturing method for the device, there is a problem to limit the mass production due to the increase in cost, and to increase the initial investment and operating costs. Therefore, in order to solve this problem, recently, an atmospheric pressure drying technique for drying hydrophobic gel in the air has been developed.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 장치에 제한적이지 않으며, 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능한 간편하고 경제적인 소수성 실리카 분말의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a method for producing a simple and economical hydrophobic silica powder capable of mass production at a low cost without being limited to the apparatus. .
특히, 본 발명에 따라 제공하는 실리카 분말 제조방법은 종래기술에서와 같이 물유리의 불순물 제거를 위한 전처리(산 용액 혼합 또는 이온교환)를 생략할 수 있고, 겔화 반응과 용액 내부의 입자를 안정화시키는 유기 또는 무기 첨가물질을 사용하지 않고, 저밀도의 소수성 분말을 저렴한 비용으로 신속하게 제조할 수 있다. In particular, the silica powder manufacturing method provided according to the present invention can omit the pretreatment (acid solution mixing or ion exchange) for removing impurities in the water glass, as in the prior art, and to stabilize the gelation reaction and particles inside the solution. Alternatively, a low density hydrophobic powder can be produced quickly and at low cost without using an inorganic additive.
본 발명의 상기 목적은 하기 설명된 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above object of the present invention can be achieved by the present invention described below.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 안출된 것으로서,In order to achieve the above object, it has been devised,
본 발명은 알코올, 물 및 n-헥산을 교반시켜 알코올/물/n-헥산 혼합용매를 준비하는 단계; 물유리 용액을 상기 알코올/물/n-헥산 혼합용매에 첨가하여 교반한 후 겔화시켜 습윤겔을 수득하는 단계; 상기 습윤겔을 비극성 유기용매 및 유기실란 화합물로 개질시키는 표면개질/용매치환 단계; 상기 표면개질된 겔을 대기압하에서 20 ~ 190℃의 온도에서 1 ~ 6시간동안 건조시키는 건조단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리카 분말의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing an alcohol / water / n- hexane mixed solvent by stirring alcohol, water and n-hexane; Adding a water glass solution to the alcohol / water / n-hexane mixed solvent, stirring and gelling to obtain a wet gel; A surface modification / solvent replacement step of modifying the wet gel with a nonpolar organic solvent and an organosilane compound; It provides a method for producing a silica powder comprising a; drying step of drying the surface-modified gel for 1 to 6 hours at a temperature of 20 ~ 190 ℃ under atmospheric pressure.
상기 알코올은 물유리 대비 0.6 ~ 2의 부피비(v/v), 상기 물은 물유리 대비 0.5 ~ 1.4의 부피비(v/v), 및 상기 n-헥산은 물유리 대비 0 ~ 2의 부피비로 혼합(v/v)될 수 있다. 알코올은 물유리 대비 부피비가 0.6 미만일 때 겔화가 진행되 지 않으며, 물은 물유리 대비 부피비가 1.4 초과일 때 겔화되지 않는다. n-헥산의 경우는 물유리 대비 부피비가 변하여도 겔화 진행에 영향을 주지 않는다.The alcohol is a volume ratio (v / v) of 0.6 to 2 relative to the water glass, the water is a volume ratio of 0.5 to 1.4 (v / v) relative to the water glass, and the n-hexane is mixed in a volume ratio of 0 to 2 relative to the water glass (v / v) can be. Alcohol does not gel when the volume ratio of water glass is less than 0.6, and water does not gel when the volume ratio of water glass is greater than 1.4. In the case of n-hexane, even if the volume ratio with respect to the water glass does not affect the gelation progress.
상기 알코올은 에탄올, 이소프로필알코올, 메탄올 및 아세톤으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The alcohol may be selected from one or more selected from the group consisting of ethanol, isopropyl alcohol, methanol and acetone, but is not limited thereto.
상기 실리카 분말의 제조방법은 습윤겔 수득 단계와 표면개질/용매치환 단계 사이에, 습윤겔을 산성 용액으로 1회 이상 세척하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.The method of preparing the silica powder may further include washing the wet gel one or more times with an acidic solution between the wet gel obtaining step and the surface modification / solvent replacement step.
상기 산은 염산, 황산, 질산 및 아세트산으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The acid is preferably one or more selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and acetic acid, but is not limited thereto.
상기 비극성 유기용매는 이소프로필알코올, n-헥산, n-헵탄, 자일렌 및 사이클로헥산으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되며, 상기 유기실란 화합물은 트리메틸클로로실란, 헥사메틸디실라잔, 알킬트리알콕시실란(여기서 알킬기는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 페닐 등이 선택될 수 있고, 알콕시기는 메톡시 또는 에톡시일 수 있음), 트리알킬알콕시실란(여기서 알킬기는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 페닐 등이 선택될 수 있고, 알콕시기는 메톡시 또는 에톡시일 수 있음), 아크릴레이트화 실란 화합물(여기서 아크릴레이트는 메타크릴레이트, 아크릴레이트 등이 선택될 수 있고, 알콕시기로 메톡시 또는 에톡시 등이 결합될 수 있음)로 이루어진 군에서 1종 이상 선택될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The non-polar organic solvent is at least one selected from the group consisting of isopropyl alcohol, n-hexane, n-heptane, xylene and cyclohexane, the organosilane compound is trimethylchlorosilane, hexamethyldisilazane, alkyltrialkoxy Silane (where the alkyl group may be selected from methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, phenyl, etc., the alkoxy group may be methoxy or ethoxy), trialkylalkoxysilane (where the alkyl group is methyl , Ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, phenyl and the like can be selected, the alkoxy group can be methoxy or ethoxy), acrylated silane compound (where acrylate is methacrylate, acryl Rate, and the like, and alkoxy group may be selected from the group consisting of methoxy or ethoxy, etc.), but is not limited thereto.
상기 사용량은 비극성 유기 용매는 습윤겔에 대하여 4 ~ 10의 부피비로, 유기실란 화합물은 습윤겔에 대하여 2 ~ 4의 부피비로 혼합되는 것이 바람직하다.The amount of the non-polar organic solvent is preferably mixed at a volume ratio of 4 to 10 with respect to the wet gel, and the organosilane compound is mixed at a volume ratio of 2 to 4 with respect to the wet gel.
상기 건조단계는 20 ~ 70℃의 온도에서 1 ~ 5시간동안 건조시키고 용매 비등점 ~ 190℃의 온도에서 0.2 ~ 1시간동안 추가 건조시키는 것이 바람직하며, 가장 바람직한 실시예로는 70℃에서 3시간동안 건조시키고, 150℃에서 1시간동안 추가 건조시킨다. 소수화 처리된 겔을 급격하게 높은 온도로 건조하면 균열생성 또는 수축하거나 깨지게 되므로, 용매의 비등점까지 다단계로 가열해서 이와 같은 문제를 해결한다. 20℃ 미만의 온도에서 가열을 행하면 건조시간이 길어지게 되며 기공이 수축하게 되고 190℃ 초과의 온도에서는 균열이 발생할 수 있으며, 400 ~ 500℃ 의 온도에서 열처리하면 분말 표면이 친수성으로 바뀌게 되고 그 온도는 소수성 표면기의 결합강도에 의존한다. 4시간 초과하여 건조하여도 동일한 결과를 얻을 수 있으나, 장시간 건조과정은 전체 공정시간을 늘이는 결과를 초래하여 생산수율을 낮추는 요인이 된다.The drying step is preferably dried for 1 to 5 hours at a temperature of 20 ~ 70 ℃ and further drying for 0.2 ~ 1 hour at a solvent boiling point ~ 190 ℃, most preferred embodiment for 3 hours at 70 ℃ Dry and further dry at 150 ° C. for 1 hour. When the hydrophobized gel is drastically dried at a high temperature, cracking, shrinkage, or cracking occurs, such a problem is solved by heating in multiple stages to the boiling point of the solvent. If the heating is performed at a temperature below 20 ℃, the drying time becomes longer, the pores shrink and cracks may occur at temperatures above 190 ℃ .The heat treatment at a temperature of 400 to 500 ℃ causes the powder surface to become hydrophilic. Depends on the bonding strength of the hydrophobic surface groups. The same result can be obtained by drying for more than 4 hours, but the long drying process results in increasing the overall process time, thereby lowering the production yield.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 실리카 분말의 제조방법에 의하여 제조되는 실리카 분말을 제공한다. 이 실리카 분말은 0.03 ~ 0.10g/mL의 밀도 및 95 ~ 99%의 기공율을 가질 수 있다.The present invention also provides a silica powder prepared by the method for producing a silica powder described above. This silica powder may have a density of 0.03 to 0.10 g / mL and a porosity of 95 to 99%.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 의한 실리카 분말의 제조방법은 하기의 단계로 구성되어 있다.Silica powder production method according to the present invention is composed of the following steps.
제 1단계: 알코올/물/n-First step: alcohol / water / n- 헥산Hexane 혼합용매에 의한 By mixed solvent 겔화반응Gelation reaction
알코올, 물, n-헥산을 물유리의 부피에 대하여 각각 0.6 ~ 2.0, 0.5 ~ 1.4, 0 ~ 2.0의 부피비로 교반하여 혼합한다. 상기에서 알코올, 물 및 n-헥산의 혼합용 매의 각 성분에 대한 혼합비 및 교반속도 등의 공정 조건에 따라 저밀도 실리카 분말을 합성할 수 있다. 상기 알코올은 에탄올, 이소프로필알코올, 메탄올 및 아세톤으로 이루어진 군에서 1종 이상의 저급 알코올을 사용할 수 있다. Alcohol, water, and n-hexane are mixed by stirring at a volume ratio of 0.6 to 2.0, 0.5 to 1.4, and 0 to 2.0, respectively, with respect to the volume of the water glass. The low density silica powder may be synthesized according to the process conditions such as the mixing ratio and stirring speed for each component of the mixed solvent of alcohol, water and n-hexane. The alcohol may be used one or more lower alcohols in the group consisting of ethanol, isopropyl alcohol, methanol and acetone.
종래에는 물유리 용액을 이온교환 또는 산 처리하여 나트륨 성분을 제거한 졸을 만들고 나서 겔화시켰으나, 본 발명에 의해서 나트륨 제거 공정이 대폭적으로 삭제되고 물유리로부터 바로 겔을 얻을 수 있다. Conventionally, the water glass solution was subjected to ion exchange or acid treatment to form a sol from which the sodium component was removed and then gelled. However, the present invention eliminates the sodium removal process drastically and allows the gel to be obtained directly from the water glass.
제 2단계: 소수성 개질/용매치환 단계Second Step: Hydrophobic Reforming / Solvent Replacement Step
상기 제 1단계에서 얻은 습윤겔을 비극성 유기용매 및 유기실란 화합물로 개질시키고 용매치환시킨다. 사용되는 용매로는 이소프로필알코올, n-헥산, n-헵탄, 자일렌 또는 사이클로헥산 등의 비극성 유기 용매를 사용할 수 있으며, 유기실란 화합물은 트리메틸클로로실란, 헥사메틸디실라잔, 알킬트리알콕시실란(알킬기는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 페닐 등이 선택될 수 있고, 알콕시기는 메톡시 또는 에톡시일 수 있다), 트리알킬알콕시실란(알킬기는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 페닐 등이 선택될 수 있고, 알콕시기는 메톡시 또는 에톡시일 수 있다), 아크릴레이트화 실란 화합물(아크릴레이트는 메타크릴레이트, 아크릴레이트 등이 선택될 수 있고, 알콕시기로 메톡시 또는 에톡시 등이 결합될 수 있다) 등의 화합물이 사용될 수 있습니다.The wet gel obtained in the first step is modified with a nonpolar organic solvent and an organosilane compound and solvent-substituted. As the solvent used, non-polar organic solvents such as isopropyl alcohol, n-hexane, n-heptane, xylene or cyclohexane can be used, and the organosilane compound is trimethylchlorosilane, hexamethyldisilazane, alkyltrialkoxysilane (The alkyl group may be selected from methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, phenyl, etc., the alkoxy group may be methoxy or ethoxy), trialkylalkoxysilane (alkyl group is methyl, ethyl, Propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, phenyl and the like can be selected, the alkoxy group can be methoxy or ethoxy), acrylated silane compound (acrylate is selected from methacrylate, acrylate, etc.) And alkoxy groups may be combined with methoxy or ethoxy).
또한 그 사용량은 용매는 습윤겔에 대하여 4 ~ 10의 부피비로, 유기실란 화합물은 습윤겔에 대하여 2 ~ 4의 부피비로 혼합되는 것이 바람직하다. 용매의 부피비가 10 초과일 때와 유기 실란 화합물의 부피비가 2 미만일 때는 반응시간이 길 어져서 3시간 안에 완전한 표면개질 반응에 일어나지 않으며, 또한 용매의 부피비가 4 미만일 때와 유기 실란 화합물의 부피비가 4 초과일 때는 급격한 반응으로 인해 습윤겔의 기공구조가 수축하여 밀도가 높아지거나, 건조 수축으로 인하여 균열이 발생하게 된다.In addition, the amount of the solvent is preferably mixed in a volume ratio of 4 to 10 with respect to the wet gel, the organosilane compound in a volume ratio of 2 to 4 with respect to the wet gel. When the volume ratio of the solvent is greater than 10 and when the volume ratio of the organic silane compound is less than 2, the reaction time is long and does not occur in a complete surface modification reaction within 3 hours, and when the volume ratio of the solvent is less than 4 and the volume ratio of the organic silane compound is If it is greater than 4, the pore structure of the wet gel shrinks due to a sudden reaction, and the density increases, or cracks occur due to dry shrinkage.
상기 1단계인 습윤겔 수득 단계와 상기 2단계의 표면개질/용매치환 단계 사이에, 습윤겔을 산성 용액으로 1회 이상 세척하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. Between the first step of obtaining the wet gel and the surface modification / solvent replacement step of the two steps, may further comprise the step of washing the wet gel with an acidic solution one or more times.
상기 산은 염산, 황산, 질산 및 아세트산으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The acid is preferably one or more selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and acetic acid, but is not limited thereto.
제 3단계: 건조단계Step 3: drying
상기 표면개질된 겔을 대기압하에서 20 ~ 190℃의 온도에서 1 ~ 6시간동안 건조시킨다. 더욱이, 70℃의 온도에서 3시간동안 건조시키고 150℃의 온도에서 1시간동안 추가 건조시키는 경우, 소수화 처리된 겔의 건조시 발생될 수 있는 균열생성 또는 깨짐을 더욱 방지할 수 있다. 치환된 용매가 습윤겔에서 짧은 시간동안 급속한 속도로 휘발되어 나가면서 실리카 구조체를 수축시키기 때문에 내부 균열이 생성되거나 갈라지고 깨질 수 있는데, 상기 다단계의 건조과정을 통하여 건조시키면 이를 방지할 수 있다. 20℃ 미만의 온도에서 가열을 행하면 건조시간이 길어지게 되며 기공이 수축하게 되고 190℃ 초과의 온도에서는 균열이 발생할 수 있으며, 400 ~ 500℃ 의 온도에서 열처리하면 분말 표면이 친수성으로 바뀌게 되고 그 온도는 소수성 표면기의 결합강도에 의존한다. 4시간 초과하여 건조하여도 동일한 결과를 얻을 수 있으나, 장시간 건조과정은 전체 공정시간을 늘이는 결과를 초래하 여 생산수율을 낮추는 요인이 된다.The surface modified gel is dried for 1 to 6 hours at a temperature of 20 ~ 190 ℃ under atmospheric pressure. Moreover, when drying for 3 hours at a temperature of 70 ℃ and further drying for 1 hour at a temperature of 150 ℃, it is possible to further prevent cracking or cracking that may occur when drying the hydrophobized gel. Since the substituted solvent shrinks the silica structure while being volatilized at a rapid rate in the wet gel for a short time, internal cracks may be generated, cracked, or broken, and may be prevented by drying through the multi-step drying process. If the heating is performed at a temperature below 20 ℃, the drying time becomes longer, the pores shrink and cracks may occur at temperatures above 190 ℃ .The heat treatment at a temperature of 400 to 500 ℃ causes the powder surface to become hydrophilic. Depends on the bonding strength of the hydrophobic surface groups. The same result can be obtained by drying for more than 4 hours, but the long drying process results in extending the overall process time, thereby lowering the production yield.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 실리카 분말의 제조방법은 소수성 실리카 분말을 졸-겔 공정을 거치지 않고, 가격이 저렴한 알코올을 사용하여 물유리로부터 바로 겔을 얻는 과정으로 소수성 실리카 분말, 특히 0.1g/mL 이하의 저밀도 및 95% 이상의 매우 높은 기공율과 나노기공을 갖는 분말을 합성할 수 있으며, 이에 따라 나트륨을 제거하는 산 혹은 이온교환수지를 사용하지 않고, 따라서 실리카 주성분인 액상 졸을 준비하는 과정을 생략할 수 있으며, 분말의 형성에 필요한 유화제 및 분산제 등의 유기 첨가물을 사용하지 않으며, 겔화반응을 유도하는 pH 조절제 및 염기 촉매물질을 사용하지 않으며, 소수화 반응을 3시간 이내에 적은 양의 개질제와 유기용제를 사용하고, 졸겔, 소수화, 상압건조 등의 분말합성에 대한 전체 공정이 8시간 이내에 완료할 수 있는 신속한 공정이다.As described above, the method for producing silica powder according to the present invention is a hydrophobic silica powder, in particular 0.1 g in the process of obtaining a gel directly from the water glass using a cheap alcohol without the sol-gel process hydrophobic silica powder A powder having a low density of less than / mL and a very high porosity of more than 95% and nanopores can be synthesized. Thus, a process for preparing a liquid sol which is a silica main component without using an acid or ion exchange resin to remove sodium The organic additives such as emulsifiers and dispersants necessary for the formation of powders may not be used, and pH adjusting agents and base catalysts that induce gelation reactions are not used. Using organic solvent, the overall process for powder synthesis such as sol-gel, hydrophobization, atmospheric drying It is a fast process that can be completed.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention, but the following examples are merely for exemplifying the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention. It is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예Example 1 One
상업용 물유리 (제조사: 일신화학, 3호, SiO2 29.8중량%) 71㎖에 물 566.67㎖을 첨가하여 4.35중량%의 SiO2를 포함하는 물유리 용액을 제조하였고, 그 중 일부인 60㎖을 취하여 다음 공정에 사용하였다. 물유리 부피기준으로 2/3에 해당되는 에탄올 40㎖과 1/1에 해당되는 물 60㎖을 먼저 혼합하고, 후에 디스펜서를 이용하여 6,000rpm의 고속으로 교반시켜 에탄올, 물의 혼합용매를 제조하였다. 여기에 상기에서 준비한 물유리 60㎖를 첨가하고 2분간 더 교반을 행하여 겔화반응이 진행시켜 습윤겔을 생성하였다.Commercial water glass (manufacturer: one mythology, No. 3, SiO 2 29.8% by weight) and water was added to 566.67㎖ 71㎖ was prepared a water-glass solution containing SiO 2 of 4.35% by weight, by taking a part of the
생성된 습윤겔은 시간이 경과함에 따라 유기 용매와의 층 분리가 관찰되었으며, 습윤겔을 분리 회수하였다. 물유리로부터 겔을 얻는 전체 과정은 30분을 넘기지 않았다. 이소프로필알코올, n-헥산, 트리메틸클로로실란을 차례로 혼합하여 소수성 표면으로 개질시키는 용매를 제조하였고, 여기에 겔을 넣어 상온에서 3시간 동안 표면개질과 용매치환 반응을 행하였다. 표면 개질된 겔은 건조오븐을 사용하여 대기압 하에서 70℃에서 3시간동안, 그 후 150℃에서 1시간동안 건조하여 분말을 얻었다.The resulting wet gel was observed to separate layer with an organic solvent over time, and the wet gel was separated and recovered. The entire process of obtaining the gel from the water glass did not exceed 30 minutes. Isopropyl alcohol, n-hexane, trimethylchlorosilane was mixed in order to prepare a solvent to modify the hydrophobic surface, the gel was added to the surface modification and solvent replacement reaction for 3 hours at room temperature. The surface-modified gel was dried at 70 ° C. for 3 hours at atmospheric pressure using a drying oven and then at 150 ° C. for 1 hour to obtain a powder.
습득한 분말은 KS 시험규격(L 1621: 2003)에 따라 부피밀도를 측정한 결과, 0.053g/mL의 저밀도 실리카 분말을 얻었다. 비결정질 실리카의 이론밀도는 2.2g/mL이므로, 합성한 실리카는 97.6% (기공율)의 내부공간이 공기로 가득 차 있는 다공성 물질임을 확인할 수 있었다. 제조한 분말은 소수성 표면을 띠고 있음을 FTIR(Fourier Transformation Infrared Spectroscopy) 분광기로 확인하였으며, 그 결과는 도 1에 나타내었다. As a result of measuring the bulk density according to the KS test standard (L 1621: 2003), the obtained powder obtained a low density silica powder of 0.053 g / mL. Since the theoretical density of amorphous silica is 2.2g / mL, it could be confirmed that the synthesized silica was a porous material filled with air of 97.6% (porosity). The prepared powder was confirmed to have a hydrophobic surface by Fourier Transformation Infrared Spectroscopy (FTIR) spectroscopy, and the results are shown in FIG. 1.
실시예Example 2 ~ 2 to 실시예Example 7: 알코올(에탄올) 함량에 따른 실리카 분말의 제조 7: Preparation of Silica Powder According to Alcohol (Ethanol) Content
실시예Example 2 2
상기 실시예 1에서 에탄올/물의 혼합용액에 n-헥산 20㎖ (물유리 부피 기준으로 1/3에 해당)를 추가로 첨가하여 혼합용액을 제조하고, 분리 회수한 겔의 Na 성분제거를 위하여 염산으로 2회 세척을 행한 후 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하였다.In Example 1, 20 ml (corresponding to 1/3 based on water glass volume) was further added to the ethanol / water mixture solution to prepare a mixed solution, and hydrochloric acid was removed to remove Na from the gel. After the second washing was carried out in the same manner as in Example 1 except that the silica powder was prepared.
실시예Example 3 3
상기 실시예 2에서 에탄올을 사용하지 않고 물/n-헥산 혼합용액을 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.A water / n-hexane mixed solution was prepared in the same manner as in Example 2, except that silica powder was prepared without using ethanol in Example 2.
실시예Example 4 4
상기 실시예 2에서 에탄올 20㎖ (물유리 부피기준으로 1/3에 해당되는 부피)를 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2, except that silica powder was prepared using 20 ml of ethanol (volume corresponding to 1/3 of water glass volume).
실시예Example 5 5
상기 실시예 2에서 에탄올 50㎖ (물유리 부피기준으로 5/6에 해당되는 부피)를 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.In Example 2, the same procedure as in Example 2 was carried out except that silica powder was prepared using 50 ml of ethanol (volume corresponding to 5/6 based on water glass volume).
실시예Example 6 6
상기 실시예 2에서 에탄올 60㎖ (물유리 부피기준으로 1/1에 해당되는 부피)를 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.A silica powder was prepared in Example 2 except that 60 ml of ethanol (volume corresponding to 1/1 based on the volume of water glass) was prepared in the same manner as in Example 2.
실시예Example 7 7
상기 실시예 2에서 에탄올 120㎖ (물유리 부피기준으로 2/1에 해당되는 부피)를 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2, except that silica powder was prepared using 120 mL of ethanol (volume corresponding to 2/1 based on water glass volume).
상기 실시예 3 및 실시예 4에서와 같이 에탄올이 없거나 에탄올의 양이 매우 적은 공정 조건에서는 겔화반응이 일어나지 않아 분말을 합성할 수 없었다. 제조한 분말은 소수성 표면을 띠고 있음을 FTIR(Fourier Transformation Infrared Spectroscopy) 분광기로 확인하였으며, 그 결과는 도 1에 나타내었다. 또한, 상기 실시예 2 내지 실시예 7에서 제조된 실리카 분말의 부피밀도를 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 도 2의 주사전자현미경을 이용하여 분말의 EDAX 성분분석결과, 물유리 부피대비 1/1의 에탄올을 이용하여 제조한 실리카 분말은 물유리에 존재하는 나트륨(Na) 성분이 나타나지 않았으며, 실리카로만 이루어진 분말임을 확인하였다.As in Example 3 and Example 4, the gelation reaction did not occur under process conditions without ethanol or very small amount of ethanol, and thus powder could not be synthesized. The prepared powder was confirmed to have a hydrophobic surface by Fourier Transformation Infrared Spectroscopy (FTIR) spectroscopy, and the results are shown in FIG. 1. In addition, the bulk density of the silica powders prepared in Examples 2 to 7 was measured and the results are shown in Table 1. As a result of EDAX component analysis of the powder using the scanning electron microscope of FIG. 2, the silica powder prepared using 1/1 of ethanol relative to the volume of water glass did not show sodium (Na) component in the water glass, and was made of silica only. It was confirmed that.
실시예Example 8 ~ 8 to 실시예Example 12: 알코올(이소프로필알코올) 함량에 따른 실리카 분말의 제조 12: Preparation of Silica Powder According to Alcohol (Isopropyl Alcohol) Content
실시예Example 8 8
상기 실시예 2에서 에탄올 대신 이소프로필알코올 40㎖ (물유리 부피기준으로 2/3에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.In Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2, except that silica powder was prepared using 40 ml (volume equivalent to 2/3 of water glass volume) in place of ethanol.
실시예Example 9 9
상시 실시예 8에서 이소프로필알코올 20㎖ (물유리 부피기준으로 1/3에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 8과 동일하게 실시하여 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 8, except that silica powder was prepared using 20 mL of isopropyl alcohol (volume corresponding to 1/3 of water glass volume) in Example 8 at all times.
실시예Example 10 10
상시 실시예 8에서 이소프로필알코올 30㎖ (물유리 부피기준으로 1/2에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 8과 동일하게 실시하여 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 8, except that silica powder was prepared by using 30 ml of isopropyl alcohol (volume equivalent to 1/2 of water glass volume) in Example 8 at all times.
실시예Example 11 11
상시 실시예 8에서 이소프로필알코올 50㎖ (물유리 부피기준으로 5/6에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 8과 동일하게 실시하여 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 8, except that silica powder was prepared by using 50 ml of isopropyl alcohol (volume corresponding to 5/6 based on water glass volume) in Example 8 at all times.
실시예Example 12 12
상시 실시예 8에서 이소프로필알코올 60㎖ (물유리 부피기준으로 1/1에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 8과 동일하게 실시하여 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 8, except that silica powder was prepared by using 60 ml of isopropyl alcohol (volume corresponding to 1/1 on the basis of water glass volume) in Example 8 at all times.
실시예Example 13 13
상시 실시예 8에서 이소프로필알코올 120㎖ (물유리 부피기준으로 2/1에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 8과 동일하게 실시하여 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 8, except that silica powder was prepared by using 120 mL of isopropyl alcohol (volume corresponding to 2/1 based on water glass volume) in Example 8 at all times.
상기 실시예 9에서와 같이 이소프로필알코올의 양이 매우 적은 공정 조건에서는 겔화반응이 일어나지 않아 분말을 합성할 수 없었다. 또한, 상기 실시예 9 내지 실시예 13에서 제조된 실리카 분말의 부피밀도를 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. As in Example 9, the gelation reaction did not occur under the process conditions where the amount of isopropyl alcohol was very small, and thus powder could not be synthesized. In addition, the bulk density of the silica powder prepared in Examples 9 to 13 was measured and the results are shown in Table 1.
실시예Example 14 ~ 14- 실시예Example 19: 물의 함량에 따른 실리카 분말의 제조 19: Preparation of Silica Powder According to Water Content
실시예Example 14 14
상기 실시예 2에서 물을 사용하지 않고 에탄올/n-헥산 혼합용액을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.Except for using a ethanol / n-hexane mixed solution without using water in Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2 except that the silica powder was prepared.
실시예Example 15 15
상기 실시예 2에서 물 30㎖ (물유리 부피기준으로 1/2에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.In Example 2, except that the silica powder was prepared using 30 ml of water (volume equivalent to 1/2 based on the volume of water glass) was prepared in the same manner as in Example 2.
실시예Example 16 16
상기 실시예 2에서 물 70㎖ (물유리 부피기준으로 7/6에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하 여 제조하였다.Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2, except that silica powder was prepared using 70 ml of water (volume corresponding to 7/6 based on water glass volume).
실시예Example 17 17
상기 실시예 2에서 물 80㎖ (물유리 부피기준으로 4/3에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2, except that silica powder was prepared using 80 ml of water (volume corresponding to 4/3 of water glass volume).
실시예Example 18 18
상기 실시예 2에서 물 90㎖ (물유리 부피기준으로 3/2에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2, except that silica powder was prepared using 90 ml of water (volume corresponding to 3/2 of water glass volume).
실시예Example 19 19
상기 실시예 2에서 물 120㎖ (물유리 부피기준으로 2/1에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2, except that silica powder was prepared using 120 mL of water (volume corresponding to 2/1 based on the volume of water glass).
상기 실시예 18 및 실시예 19에서의 조성 영역에서는 겔화반응이 일어나지 않아 분말을 합성할 수 없었다. 또한, 그 이하의 조건인 실시예 14 내지 실시예 17에서 제조된 실리카 분말의 부피밀도를 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.In the composition regions in Examples 18 and 19, no gelation reaction occurred, and thus powder could not be synthesized. In addition, the bulk density of the silica powder prepared in Examples 14 to 17, which are the following conditions, was measured, and the results are shown in Table 1.
실시예Example 20 ~ 20 ~ 실시예Example 24: 염산 첨가 과정 유무에 따른 실리카 분말의 제조 24: Preparation of Silica Powder with and without Hydrochloric Acid
실시예Example 20 20
상기 실시예 2에서, 겔의 Na 성분제거를 위하여 염산을 이용해 세척하는 과 정을 생략하고 전후과정을 실시예 2와 동일하게 실행하여 실리카 분말을 합성하였다. In Example 2, the silica powder was synthesized by omitting the process of washing with hydrochloric acid to remove the Na component of the gel and performing the same process as in Example 2.
실시예Example 21 21
상기 실시예 20에서 에탄올 20㎖ (물유리 부피기준으로 1/3에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 20 was prepared in the same manner as in Example 20, except that silica powder was prepared using 20 ml of ethanol (volume corresponding to 1/3 of water glass volume).
실시예Example 22 22
상기 실시예 20에서 에탄올 50㎖ (물유리 부피기준으로 5/6에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 20 was prepared in the same manner as in Example 20, except that silica powder was prepared using 50 ml of ethanol (volume corresponding to 5/6 based on water glass volume).
실시예Example 23 23
상기 실시예 20에서 에탄올 60㎖ (물유리 부피기준으로 1/ 1에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 20 was prepared in the same manner as in Example 20, except that silica powder was prepared using 60 ml of ethanol (volume corresponding to 1/1 based on water glass volume).
실시예Example 24 24
상기 실시예 20에서 에탄올 120㎖ (물유리 부피기준으로 2/1에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다.Example 20 was prepared in the same manner as in Example 20, except that the silica powder was prepared using 120 mL of ethanol (volume corresponding to 2/1 based on the volume of water glass).
상기 실시예 21에서는 겔화반응이 일어나지 않아 분말을 합성할 수 없었으나, 상기 실시예 20 및 실시예 22 내지 실시예 24에서는 0.1g/mL 이하의 저밀도 실 리카 분말을 얻었다. 도 3의 주사전자현미경을 이용하여 분말의 EDAX 성분분석결과, 겔화 반응 후 습윤겔을 실시예 2와 같이 산세척하지 않아도 제조한 실리카 분말은 물유리에 존재하는 나트륨(Na) 성분이 나타나지 않았음을 확인할 수 있었다. 합성한 실리카 분말의 밀도 측정결과를 표 1에 나타내었다.In Example 21, a gelation reaction did not occur, and thus powder could not be synthesized, but in Example 20 and Examples 22 to 24, low density silica powder of 0.1 g / mL or less was obtained. As a result of EDAX component analysis using the scanning electron microscope of FIG. 3, the silica powder prepared without the wet gel after the gelation reaction as in Example 2 did not show sodium (Na) component present in the water glass. I could confirm it. Table 1 shows the density measurement results of the synthesized silica powder.
실시예Example 25 ~ 25- 실시예Example 27: n- 27: n- 헥산Hexane 함량에 따른 실리카 분말의 제조 Preparation of Silica Powder According to Content
실시예Example 25 25
상기 실시예 20에서 n-헥산 40㎖(물유리 부피기준으로 2/3에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다. In Example 20 was prepared in the same manner as in Example 20, except that the silica powder was prepared using 40 mL (volume corresponding to 2/3 of the water glass volume).
실시예Example 26 26
상기 실시예 20에서 n-헥산 60㎖(물유리 부피기준으로 1/1에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다. In Example 20 was prepared in the same manner as in Example 20, except that the silica powder was prepared using 60 mL (volume corresponding to 1/1 on the basis of water glass volume).
실시예Example 27 27
상기 실시예 20에서 n-헥산 120㎖(물유리 부피기준으로 2/1에 해당되는 부피)을 사용하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다. In Example 20 was prepared in the same manner as in Example 20, except that the silica powder was prepared using 120 mL (volume corresponding to 2/1 on the basis of water glass volume).
상기 실시예 25 내지 실시예 27에서 n-헥산을 첨가하여 물/알코올/n-헥산 혼합용액에 미세한 기포를 형성하여 겔화 진행 과정 중에 뭉치는 현상을 방지할 수 있지만, 실시예 1에서 n-헥산을 첨가하지 않아도 물유리의 겔화반응에 영향을 주지 않으며 낮은 밀도의 실리카 분말을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다. 결과적으로 n-헥산의 함량에 관계없이 0.1g/mL 이하의 저밀도 실리카 분말을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.Although n-hexane is added in Examples 25 to 27 to form fine bubbles in the water / alcohol / n-hexane mixed solution to prevent agglomeration during the gelation process, n-hexane in Example 1 It can be seen that even without the addition of silica powder of low density without affecting the gelation of water glass. As a result, it was confirmed that low density silica powder of 0.1 g / mL or less could be prepared regardless of the content of n-hexane.
실시예Example 28 및 28 and 실시예Example 29: 29: 교반속도에At the stirring speed 따른 실리카 분말의 제조 Of silica powder according to
실시예Example 28 28
상기 실시예 20에서 에탄올, 물, n-헥산의 혼합용매의 제조할 때의 교반속도를 600rpm으로 하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다.The preparation was carried out in the same manner as in Example 20, except that silica powder was prepared by using a stirring speed of 600 rpm to prepare a mixed solvent of ethanol, water, and n-hexane in Example 20.
실시예Example 29 29
상기 실시예 20에서 에탄올, 물, n-헥산의 혼합용매의 제조할 때의 교반속도를 9000rpm으로 하여 실리카 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 20와 동일하게 실시하여 제조하였다.The preparation was carried out in the same manner as in Example 20, except that silica powder was prepared at the stirring speed of 9000 rpm in the preparation of a mixed solvent of ethanol, water, and n-hexane in Example 20.
상기 실시예 28 및 실시예 29에서 제조된 실리카 분말은 모두 0.1g/mL 이하의 낮은 밀도와 소수성 표면을 가졌다.The silica powders prepared in Examples 28 and 29 both had a low density and a hydrophobic surface of 0.1 g / mL or less.
비교예Comparative example
상업용 물유리 (제조사: 일신화학, 3호, SiO2 29.8중량%)로부터 나트륨(Na) 성분을 제거하기 위하여 양이온교환수지 암버라이트(Amberlite IR-120H+, 제조사:Rohm and Haas, France)를 사용하여 Na+ 이온과 H+ 이온 간의 이온교환 과정을 거쳐 실리카가 주성분인 액상 졸을 제조하였다. 이소프로필 알코올, n-헥산의 혼합용매(2:1(v/v)) 60㎖에 디스펜서를 이용하여 9,000rpm의 고속으로 교반시키면서 준비한 실리카 졸 60㎖을 첨가하였다. 겔화 반응을 유도하기 위하여 암모니아수를 2㎖ 첨가하였고, 2분간 더 교반하여 겔화된 습윤겔을 얻었다. 이후, 실시예 1과 동일한 방법으로 소수성 개질, 용매치환, 그리고 대기압하에서 건조시켜 실리카 분말을 제조하였다. 실리카 분말의 부피밀도는 0.120g/mL이며, 소수성으로 개질되어 있음을 확인하였다. 주사전자현미경을 이용하여 분말의 EDAX 성분분석결과, 도 4 에서 물유리에 존재하는 나트륨(Na) 성분이 나타나지 않음을 확인하였다.To remove the sodium (Na) component from commercial water glass (manufactured by Ilshin Chemical, No. 3, 29.8 wt.% SiO 2 ), Na cation using a cation exchange resin Amberlite (Amberlite IR-120H +, Rohm and Haas, France) was used. Through the ion exchange process between + ions and H + ions, a liquid sol mainly composed of silica was prepared. To 60 ml of a mixed solvent of isopropyl alcohol and n-hexane (2: 1 (v / v)) was added 60 ml of a silica sol prepared by stirring at a high speed of 9,000 rpm using a dispenser. In order to induce the gelation reaction, 2 ml of ammonia water was added, followed by further stirring for 2 minutes to obtain a gelled wet gel. Thereafter, silica powder was prepared in the same manner as in Example 1 by hydrophobic modification, solvent substitution, and drying under atmospheric pressure. The bulk density of the silica powder was 0.120 g / mL, and it was confirmed that it was modified hydrophobicly. As a result of EDAX component analysis of the powder using a scanning electron microscope, it was confirmed that the sodium (Na) component present in the water glass in Figure 4 does not appear.
비교예Comparative example 2 2
상기 실시예 1과 동일하게 양이온교환 처리를 행하여 실리카 졸을 제조하였다. n-헥산에 분산제인 라놀린과 염기성 물질인 피리딘을 넣은 혼합용액 300㎖를 제조하고, 그 사용량은 라놀린은 n-헥산에 대하여 0.3 중량비로, 피리딘은 0.13 부피비로 혼합하였다. n-헥산/라놀린/피리딘 혼합용액에 40㎖의 실리카 졸을 첨가, 교반하여 겔화반응된 습윤겔을 얻었다. 이후, 표면개질 반응을 24시간 동안 처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 표면개질과 대기중 상압 건조를 실시하여 제조하였다. 실리카 분말의 부피밀도는 0.127g/mL이며, 소수성으로 개질되어 있음을 확인하였다. In the same manner as in Example 1, a cation exchange treatment was performed to prepare a silica sol. 300 ml of a mixed solution containing lanolin as a dispersant and pyridine as a basic substance was prepared in n-hexane, and the amount of lanolin was mixed in 0.3 weight ratio with respect to n-hexane and pyridine in 0.13 volume ratio. 40 ml of silica sol was added to the n-hexane / lanolin / pyridine mixed solution and stirred to obtain a gelled wet gel. Thereafter, the surface modification reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the surface modification reaction was carried out for atmospheric pressure drying in the air. The bulk density of the silica powder was 0.127 g / mL, and it was confirmed that the silica powder was hydrophobically modified.
비교예Comparative example 3 3
상기 실시예 1과 동일하게 양이온교환 처리를 행하여 실리카 졸을 제조하였다. n-헥산에 유화제인 span80과 염기성 촉매인 암모니아수를 넣은 혼합용액 300㎖를 제조하고, 그 사용량은 라놀린은 n-헥산에 대하여 3 중량비로, 피리딘은 2.5 부피비로 혼합하였다. n-헥산/span80/암모니아수 혼합용액에 20㎖의 실리카 졸을 첨가, 교반하여 겔화반응된 습윤겔을 얻었다. 이후, 상기 실시예 1과 동일하게 표면개질과 대기중 상압 건조를 실시하여 제조하였다. 실리카 분말의 부피밀도는 0.094g/mL이며, 소수성으로 개질되어 있음을 확인하였다. In the same manner as in Example 1, a cation exchange treatment was performed to prepare a silica sol. 300 ml of a mixed solution containing span80 as an emulsifier and ammonia water as a basic catalyst was prepared in n-hexane. 20 ml of silica sol was added to the n-hexane / span80 / ammonia water solution and stirred to obtain a gelled wet gel. Then, it was prepared by performing the surface modification and atmospheric pressure drying in the same manner as in Example 1. The bulk density of the silica powder was 0.094 g / mL, and it was confirmed that the silica powder was hydrophobically modified.
비교예 1의 이온교환 과정을 생략하거나, 비교예 2와 비교예 3과 비교하여 라놀린과 피리딘 혹은 라놀린과 암모니아수 등의 첨가물을 사용하지 않더라도 본 발명의 실시예 1에 따라 0.054g/mL의 매우 낮은 밀도를 갖는 소수성 실리카 분말을 제조할 수 있음을 알 수 있다.Very low 0.054 g / mL according to Example 1 of the present invention, even if the ion exchange process of Comparative Example 1 was omitted or no additives such as lanolin and pyridine or lanolin and ammonia water were used compared to Comparative Examples 2 and 3 It can be seen that hydrophobic silica powder having a density can be prepared.
상기 실시예 1 내지 실시예 29 와 비교예 1 내지 비교예 3에서 제조된 실리카 분말의 부피밀도는 정리하여 하기의 표 1에 나타내었다.The bulk density of the silica powders prepared in Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 3 are collectively shown in Table 1 below.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조한 실리카 분말의 FTIR 분광기로 측정한 결과를 나타낸 도면이다. 1 is a view showing the results measured by the FTIR spectroscopy of the silica powder prepared according to Examples 1 and 2 of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예 6에 따라 제조한 실리카 분말을, 주사전자현미경을 이용하여 EDAX 성분 분석을 실시한 그래프이다.2 is a graph of EDAX component analysis of a silica powder prepared according to Example 6 of the present invention using a scanning electron microscope.
도 3는 본 발명의 실시예 20에 따라 제조한 실리카 분말을 주사전자현미경을 이용하여 EDAX 성분분석한 결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the results of EDAX component analysis of a silica powder prepared according to Example 20 of the present invention using a scanning electron microscope.
도 4는 종래기술에 따라 제조한 실리카 분말을, 주사전자현미경을 이용하여 EDAX 성분 분석을 실시한 그래프이다.4 is a graph of EDAX component analysis of a silica powder prepared according to the prior art using a scanning electron microscope.
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