KR100996825B1 - 에어로젤의 제조공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로젤의 제조방법에 관한 것으로서, 알코젤의 소수화 단계에서 사용되는 용매를 용매가 화재에 안전하고, 폭발의 위험성이 없는 물질을 사용하여 제조공정이 안전하며, 공정에 소요되는 시간을 줄일 수 있어 생산성 향상이 가능하도록 하며, 소수화된 젤이 아래층으로 침강되도록 하며, 사용된 용매의 회수가 용이할 뿐만 아니라 재사용이 가능해지는 에어로젤의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법은 산성 분위기하에서 실리카 용액을 가수분해하는 단계와, 상기 가수분해된 실리카 용액에 염기성 촉매를 투입하여 염기성 분위기하에서 축합반응하는 단계와, 상기 축합반응단계에서 생성된 졸(sol)을 소정 시간 동안 숙성시켜 알코젤(gel)을 얻는 단계와, 상기 얻어진 알코젤에 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent) 용매와 소수화 처리제를 혼합하여 소수화하는 단계와, 상기 소수화된 알코젤을 건조하여 에어로젤 분말로 합성하는 단계를 포함한다.

에어로젤, 소수화, 알코젤, 용매, 비중, 내열, 침강

Description

에어로젤의 제조공법 {AEROGEL MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 에어로젤의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노크기를 가지는 소수화된 에어로젤을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 에어로젤은 내열성과 유연성, 신축성 등이 우수한 물성적 특징을 갖는다.

에어로젤은 90%이상의 높은 기공률과 600m²/g 이상의 비표면적을 가지는 나노 다공질 구조로 인하여 단열재 뿐만 아니라 태양열 난방 시스템, 촉매의 담체, 절연막 등 에너지, 환경, 전기, 전자분야 등의 첨단 과학분야에 널리 사용될 수 있어 관심의 대상이 되고 있다.

이러한 에어로젤은 건조를 위해 초임계 유체 추출법(supercritical fluid extraction technique)이 사용되고 있으나, 에어로젤의 건조과정이 고비용으로 진행되고, 화재 또는 폭발의 위험 등이 있어 사용이 제한적이다.

따라서 현재까지는 에어로젤의 방대한 활용분야에 비해 연구개발이 제한적으로 이루어졌으나, 최근에는 상압에서도 물성이 우수한 에어로젤 분말을 만드는 연 구와 논문들이 계속 보고되고 있고, 활발히 연구가 진행되고 있다.

일례로, 상압건조공법(ambient pressure dryinf : APD)을 간단하게 설명하면 졸-젤 공법을 이용하여 알코젤(alcogel)을 만든 다음 초임계공정에서는 대부분 생략하는 오가노실란(organosilane)계통을 이용하여 표면을 소수화 처리하는 것이다. 그러나 상압 건조과정 중 젤의 기공내에 액체와 기체가 공존하게 되고, 액체가 증발함에 따라 표면이 울퉁불퉁하게 되는 매니스커스(meniscus)가 형성된다. 그리고, 젤의 표면에 매니스커스가 형성되면, 계면에서 모세관현상(capillary pressure)이 발생하여 젤이 수축하고 원래구조가 파괴되어 다공성 구조의 물질을 얻지 못하게 된다.

따라서 상압 건조공정에서 수축없이 에어로젤을 얻기 위해 오가노실란을 이용하여 소수화 처리를 하여 수산기를 제거하여 수축을 예방하는 기술이 많이 보고되어져 왔다.

이러한 에어로젤은 실리카 용액을 이용하여 알코젤을 합성한 후, 이 알코젤을 소수화단계에서 n-Hexnae, n-Heptane 등의 하이드로 카본 용매를 사용하며, 표면 개질 후 소수화된 젤이 형성되며 상부층으로 부상하여 위치된다.

도 1은 종래 기술에 따른 에어로젤의 제조방법에 의해 얻어진 에어로젤을 도시한 단면도이다.

물유리나 TEOS(tetraethoxysilane), TMOS (teramethoxy -silane) 등의 실리카 용액을 이용하여 졸(sol)-젤(gel) 공정을 거쳐 알코젤을 합성한다.

전술된 공정을 거쳐 얻어진 알코젤을 소수화 단계에서 Hexane, Heptane 등의 하이드로 카본계통의 유기용매(비중 1이하)를 사용한다.

이때, 하이드로 카본 계통의 유기용매(16)층은 가장 위층에 존재한다. 그리고, 유기용매(16)층의 하부에 위치하던 알코젤은, 하이드로 카본계통의 유기용매와 오가노실란에 의해 소수화되며 에어로젤(14)로 제조된 후, 도 1과 같이 하이드로 카본계통의 유기용매(16)층으로 부상한다. 그리고, 유기용매(16)층의 하부에는 물과 알콜(12) 층이 위치된다. 여기서, 도번 10은 졸-젤 공정을 위한 용기이다.

그러나, 종래의 에어로젤의 제조방법은 소수화 단계에서 과량의 n-hexane, heptane 등의 하이드로 카본 계통의 유기 용매와 오가노실란을 혼합하여 사용하게 된다. 종래에 사용되는 하이드로 카본 계통의 유기 용매는 화재위험성(NFPA 화재등급 : 3)이 매우 높은 물질로 건조과정 중이나 실험중에 일정농도 이상에서 화기에 접촉하게 되면 폭발하여 화재가 발생하여 심각한 인적 물적 재산피해를 야기시킬 수 있다. 따라서, 종래의 에어로젤의 제조방법은 건조시 온도를 빠르게 올릴 수 없어 건조에 소요되는 시간이 증가하는 요인이 되고 있으며, 재화 시설 및 방폭 설비 등을 갖추어야 하는 등 화재에 대한 위험요소를 완벽하게 제거하기 위하여 많은 설비 투자가 필요한 실정이다. 더불어, 종래에는 하이드로 카본 용매의 회수과정도 용이하지 않고, 이에 따라 용매의 회수과정에서도 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.

본 발명은 전술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 알코젤의 소수화 단계에서 사용되는 용매를 용매가 화재에 안전하고, 폭발의 위험성이 없는 물질을 사용하여 제조공정이 안전하며, 공정에 소요되는 시간을 줄일 수 있어 생산성 향상이 가능하도록 하며, 소수화된 젤이 아래층으로 침강되도록 하며, 사용된 용매의 회수가 용이할 뿐만 아니라 재사용이 가능해지는 에어로젤의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법은 산성 분위기하에서 실리카 용액을 가수분해하는 단계와, 상기 가수분해된 실리카 용액에 염기성 촉매를 투입하여 염기성 분위기하에서 축합반응하는 단계와, 상기 축합반응단계에서 생성된 졸(sol)을 소정 시간 동안 숙성시켜 알코젤(alcogel)을 얻는 단계와, 상기 얻어진 알코젤에 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent) 용매와 소수화 처리제를 혼합하여 소수화하는 단계와, 상기 소수화된 알코젤을 건조하여 에어로젤 분말로 합성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent) 용매는 Methylene chloride, Chloroform, Carbon tetrachloride, 1, 2-Dichloroethane, 1, L, 1-Trichloroethane, Trichloroethylene, Perchloroethylene, Monochlorobenzene 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한, 상기 소수화 처리제는 오가노실란(organosilane)인 것이 바람직하다. 또한, 상기 소수화 단계는 상온, 상압에서 진행되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소수화 단계는 상기 알코젤을 소수화한 후 침강되는 용매 또는 소수화 처리제를 하부에 마련된 배관설비를 이용하여 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 소수화 단계에서 상기 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent) 용매와 상기 소수화 처리제를 미리 혼합하여 하는 것도 가능하다.

전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법은 에어로젤의 건조시 사용되는 용매가 화재에 위험성이 적어 제조공정이 안정적이며, 이에 따라 건조시 온도를 빠르게 상승시킬 수 있어 건조시간을 짧게 할 수 있으며, 공정시간을 단축할 수 있고 건조에 필요한 비용을 절약할 수 있으며, 추가적으로 방폭설비를 갖추지 않아도 되는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 소수화 단계에서 사용되는 용매가 비중이 1 이상인 용매를 사용되며, 이에 따라 소수화 처리 후 자연적으로 용매를 아래로 침강시켜 나노 크기의 에어로젤 분말을 합성시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 하부에 배관시설을 마련하여 침강된 용매를 쉽게 회수할 수 있으며, 회수된 용매의 순도가 높아 별도의 처리없이 재활용이 가능하여 생산비용을 저감시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법은 산성 분위기하에서 실리카 용액을 가수분해하는 단계와, 가수분해된 실리카 용액에 염기성 촉매를 투입하여 염기성 분위기하에서 축합반응하는 단계와, 축합반응단계에서 생성된 졸(sol)을 소정 시간 동안 숙성시켜 알코젤(gel)을 얻는 단계와, 상기 알코젤을 용매에 혼합하여 소수화 하는 단계와, 소수화된 알코젤을 건조하여 에어로젤 분말로 합성하는 단계로 이루어진다.

상기 알코젤에 혼합되는 용매는 비중이 1 이상인 용매가 사용되며, 소수화하는 단계는 상압, 상온 하에서 진행될 수 있다.

그리고 비중이 1 이상인 용매로는 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent)인 Methylene chloride, Chloroform, Carbon tetrachloride, 1, 2-Dichloroethane, 1, L, 1-Trichloroethane, Trichloroethylene, Perchloroethylene, Monochlorobenzene 중 하나가 사용될 수 있다.

또한, 이러한 용매는 소수화 처리제와 혼합되어 사용된다. 일례로, 소수화 처리제는 오가노실란(organosilane)이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 오가노실란과 용매를 미리 혼합하여 보관하여 화재가능성을 줄일 수 있다.

더불어, 소수화단계에서 알코젤과 오가노실란, 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent)는 1:0.5~2:1~4의 무게비율로 혼합하여 사용되며, 약 2시간 이내에 소수화 처리가 완료된다. 바람직하게는 알코젤과 오가노실란, Chlorinated solvent는 1:1:2의 무게비율로 혼합될 수 있다. 이와 같이 알코젤과 오가노실란, 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent)가 혼합되면, 2시간 이내에 뚜렷한 층분리 현상이 나타나며, 용액과 젤의 분리되어 안정화된다.

또한, 알코젤의 소수화단계가 완료되면, 약 150℃에서 약 2시간 동안 건조하는 단계를 거쳐 에어로젤 분말로 합성된다.

도 2는 본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법을 도시한 순서도이다. 도 2를 참고하여, 본 발명에 에어로젤의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 산성 분위기하에서 실리카 용액을 가수분해한다(S11 참조). 이때, 산선 분위기를 유지하기 위한 산성 촉매와 물, 알콜류가 사용된다. 실리카 용액은 가수분해에 의해 졸(sol)상태로 변화되며(S12 참조), 졸(sol) 상태로 가수분해된 실리카 용액에 염기성 촉매를 투입하여 염기성 분위기하에서 축합반응을 실시한다(S13 참조).

그리고, 축합반응이 실시된 실리카 용액은 일정시간이 지난 후 졸(sol)에서 젤(gel)로 변화되어 알코젤로 변화된다.

다음으로 이 알코젤과 소수화 처리재인 오가노 실란, 그리고 용매로 퍼클로에틸렌(Perchloroethylene : PCE)을 1:1:2의 무게비율로 혼합하면, 약 2시간 이내에 뚜렷한 층분리 현상이 발생되며 각각을 분리할 수 있다(S14 참조).

그리고, 이와 같이 소수화가 완료되면, 소수화된 젤이 하부용매층으로 침강되며, 이에 따라 표면 개질이 빠른 시간내에 진행된다. 한편, 용매는 하부에 설치된 배관 설비를 통해 쉽게 회수할 수 있다.

한편, 소수화가 완료된 에어로젤은 약 150℃의 온도로 약 2시간 동안 상압상태에서 건조된다(S15 참조). 이때, 에어로젤은 건조과정에서 화재나 폭발의 위험이 없으며, 이에 따라 건조온도는 비교적 급속하게 상승될 수 있다.

이와 같이, 에어로젤의 건조가 완료되면, 에어로젤이 분말상태로 제조된다(S16 참조).

도 3은 본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법에 의해 제조된 에어로젤의 단면 도이다. 도 3을 참고하면, 상부층은 물 및 알콜(52) 층으로 이루어지고, 그 하부에는 소수화된 젤(54)이 층분리된다.

이때, 용매층(56)은 비중이 1이상으로 이루어지며, 이에 따라 용매(56)층은 물 및 알콜(52) 층보다 무거워 아래에 위치되고, 소수화되어 층분리된 젤(54)층은 아래로 침강된다.

그리고, 아래에 위치된 용매(56)층은 하부에 설치되는 배관설비를 통해 쉽게 회수될 수 있으며, 회수된 용매(56)를 재활용하여 사용할 수 있다.

여기서, 도번 50은 졸-젤 공정을 위한 용기이다.

한편, 아래의 표 1은 본 발명의 에어로젤의 제조방법에 의해 제조된 에어로젤의 물성표이다. 여기서 실리카 용액은 물유리를 사용하여 제조되며, 용매로는 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent)인 퍼클로에틸렌(Perchloroethylene : PCE)이 사용될 수 있다.

표 1

전술한 바와 같이 본 발명에서는 소수화 단계에서 기존의 방법과는 다르게 소수화된 젤이 용매층으로 침강되며 소수화 처리가 이루어진다.

이상과 같이 본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법을 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.

도 1은 종래 기술에 따른 에어로젤의 제조방법에 의해 얻어진 에어로젤을 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법을 도시한 순서도.

도 3은 본 발명에 따른 에어로젤의 제조방법에 의해 제조된 에어로젤의 단면도.

Claims (6)

1. 산성 분위기하에서 실리카 용액을 가수분해하는 단계와,

   상기 가수분해된 실리카 용액에 염기성 촉매를 투입하여 염기성 분위기하에서 축합반응하는 단계와,

   상기 축합반응단계에서 생성된 졸(sol)을 소정 시간 동안 숙성시켜 알코젤(alcogel)을 얻는 단계와,

   상기 얻어진 알코젤에 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent) 용매와 소수화 처리제를 혼합하여 소수화하는 단계와,

   상기 소수화된 알코젤을 건조하여 에어로젤 분말로 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로젤의 제조방법
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent) 용매는 Methylene chloride, Chloroform, Carbon tetrachloride, 1, 2-Dichloroethane, 1, L, 1-Trichloroethane, Trichloroethylene, Perchloroethylene, Monochlorobenzene 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 에어로젤의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 소수화 처리제는 오가노실란(organosilane)인 것을 특징으로 하는 에어 로젤의 제조방법.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소수화 단계는 상온, 상압에서 진행되는 것을 특징으로 하는 에어로젤의 제조방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소수화 단계는 상기 알코젤을 소수화한 후 침강되는 용매 또는 소수화 처리제를 하부에 마련된 배관설비를 이용하여 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로젤의 제조방법.
6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소수화 단계에서 상기 크로린네이티드 솔벤트(Chlorinated solvent) 용매와 상기 소수화 처리제를 미리 혼합하여 하는 것을 특징으로 하는 에어로젤의 제조방법.

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