KR101173016B1 - 마그네이타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공에 마그네타이트 나노입자들이 분산되어 있고, 상기 마그네타이트 나노입자는 자장에 비례하지만 일정 자장의 크기를 넘으면 일정한 값으로 포화되는 초상자성 특성을 나타내는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 초상자성을 갖는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 제조하여 자성온열치료(magnetic hyperthermia treatment)에 적용할 수 있다.
Description
본 발명은 마그네타이트가 복합화된 실리카 에어로젤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자성온열(magnetic hyperthermia) 치료에 적용할 수 있는 마그네이타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤 및 그 제조방법에 관한 것이다.
온열치료는 예로부터 뜨거운 물을 이용하여 사우나 치료를 한다든지 하는 치료법이 알려져 왔고, 최근에 와서는 온열 소스로, 마이크로웨이브, 초음파, 적외선, 고주파/라디오파 등에 의한 온열 치료법이 개발되고 있으며, 자기나노입자 유체에 자장을 인가하는 것에 의하여 자장에 의한 온열치료 방법이 있는데, 종양세포가 있는 부위에만 가열할 수 있는 장점이 있고, 이에 따라 부작용이 작은 것이 장점이라고 할 수 있다.
의료기술의 발달과 더불어 인간의 평균수명이 늘어나고 고연령층의 인구가 증가함에 따라서 혈관 및 비혈관계의 스텐트 시술이 크게 늘어나고 있다. 스텐트는 혈관 또는 인체의 장기 내부에 생긴 종양 및 콜레스트롤이 도관을 막지 못하도록 하는 역할을 하는데, 시간이 지나면 재협착 및 다시 막히는 현상이 생기며, 이를 방지하기 위하여 폴리머 피복재를 사용하고 있다. 그러나, 폴리머 피복재를 사용하는 것으로도 완전한 재침투 및 재협착을 방지할 수 없기 때문에 이를 방지하기 위한 연구가 필요하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 기공 내에 마그네타이트 나노입자들이 분산되어 있고, 상기 마그네타이트 나노입자는 초상자성 특성을 나타내는 입자를 포함하므로 자성온열치료에 적용할 수 있는 실리카 에어로젤을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 친수성 마그네타이트 나노입자를 공침법에 의하여 합성하거나, 합성된 친수성 마그네타이트 나노입자를 표면개질하여 소수성의 마그네타이트 나노입자를 합성하거나 또는 열분해법에 의하여 소수성의 마그네타이트 나노입자를 직접 합성하고, 이를 기공 내에 분산시켜 실리카 에어로젤을 제조하며, 이를 응용하여 자성온열 치료에 적용할 수 있는 마그네이타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공에 마그네타이트 나노입자들이 분산되어 있고, 상기 마그네타이트 나노입자는 자장에 비례하지만 일정 자장의 크기를 넘으면 일정한 값으로 포화되는 초상자성 특성을 나타내는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 제공한다.
상기 마그네타이트 나노입자는 상기 실리카 에어로젤에 대하여 0.01～9중량% 함유된 것이 바람직하다.
상기 마그네타이트 나노입자는 1～50㎚의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 친수성 마그네타이트 나노입자를 합성하거나, 합성된 친수성 마그네타이트 나노입자를 소수성으로 표면개질하거나 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하는 단계 및 친수성 마그네타이트 나노입자가 함유된 용액에 다공성의 친수성 실리카 에어로젤을 침적시키거나, 소수성으로 표면개질된 마그네타이트 나노입자 또는 합성된 소수성 마그네타이트 나노입자가 함유된 용액에 다공성의 소수성 실리카 에어로젤을 침적시켜 상기 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공에 마그네타이트 나노입자를 분산시키는 단계를 포함하며, 상기 마그네타이트 나노입자는 자장에 비례하지만 일정 자장의 크기를 넘으면 일정한 값으로 포화되는 초상자성 특성을 나타내는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 마그네타이트 나노입자를 형성하기 위한 마그네타이트 전구체 용액에 다공성 실리카 에어로젤을 침적시키는 단계와, 마그네타이트 나노입자를 형성하기 위하여 상기 다공성 실리카 에어로젤이 침적된 상기 마그네타이트 전구체 용액의 온도를 200～400℃의 온도를 가열하는 단계 및 상기 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공 내에서 마그네타이트 나노입자가 합성되는 단계를 포함하며, 상기 마그네타이트 나노입자는 자장에 비례하지만 일정 자장의 크기를 넘으면 일정한 값으로 포화되는 초상자성 특성을 나타내는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법을 제공한다.
상기 친수성 마그네타이트 나노입자의 합성은, 페릭클로라이드(FeCl3?6H2O)와 페러스 클로라이드(FeCl2?4H2O)가 혼합된 용액에 우레아 및 암모니아수 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 첨가하고 교반하면서 반응시키는 단계와, 반응생성물인 침전물을 선택적으로 분리하는 단계 및 선택적으로 분리된 침전물을 건조하여 친수성 마그네타이트 나노입자를 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하는 단계는, 철 아세틸아세토네이트(Fe(acac)3) 1～10 mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10～100 mmol, 올레인산(Oleic acid) 1～6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 1～6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 10～1000 mmol를 혼합한 후에 100～200℃에서 스터링하면서 질소 분위기에서 가열한 후, 200～400℃로 가열하여 마그네타이트 나노입자를 합성하는 단계와, 침전물인 마그네타이트 나노입자를 세정하는 단계 및 세정된 마그네타이트 나노입자를 선택적으로 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 친수성 마그네타이트 나노입자를 소수성으로 표면개질하는 것은, 상기 친수성 마그네타이트 나노입자를 올레인산 용액에 첨가하여 반응시키는 단계 및 올레이산으로 표면이 개질된 소수성 마그네타이트 나노입자를 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 마그네타이트 전구체 용액은, 철 아세틸아세토네이트(Fe(acac)3) 1～10 mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10～100 mmol, 올레인산(Oleic acid) 1～6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 1～6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 10～1000 mmol이 혼합된 용액일 수 있다.
상기 실리카 에어로젤은, 실란을 수화 반응시켜 실란계 졸을 합성하는 단계와, 상기 실란계 졸의 pH를 7.0~11.0의 범위가 되게 조절하는 단계와, pH가 조절된 실란계 졸을 축합 반응 시켜 젤화시키는 단계와, 젤화된 조성물을 에이징 시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시키는 단계와, 젤에 함유된 용매를 액상의 이산화탄소로 용매치환하는 단계 및 상기 이산화탄소를 초임계 상태로 만들어 건조하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 실란계 졸을 합성하는 단계는, 실란을 알코올 용매에 0.1～5M의 농도가 되도록 혼합한 후, 물의 양을 실란 대비 0.1～10 몰비가 되도록 첨가하고, 산의 농도가 5×10-4～0.5M이 되게 산성 용액을 첨가하여 알콕시드가 수화 반응을 일으키게 하여 실란계 졸을 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 실리카 에어로젤은, 실란을 수화 반응 시켜 실란계 졸을 합성하는 단계와, 테트라에틸 오르소실리케이트 또는 테트라메틸 오르소실리케이트를 수화 반응시켜 알콕시드 실리카졸을 합성하는 단계와, 실란계 졸과 알콕시드 실리카졸을 혼합한 후, pH가 7.0～11.0이 되도록 조절하고 축합 반응 시켜 젤화시키는 단계와, 젤화된 조성물을 에이징 시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시키는 단계와, 젤에 함유된 용매를 액상의 이산화탄소로 용매치환하는 단계 및 상기 이산화탄소를 초임계 상태로 만들어 건조하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 실란계 졸을 합성하는 단계는, 실란을 알코올 용매에 0.1～5M의 농도가 되도록 혼합한 후, 물의 양을 실란 대비 0.1～10 몰비가 되도록 첨가하고, 산의 농도가 5×10-4～0.5M이 되게 산성 용액을 첨가하여 알콕시드가 수화 반응을 일으키게 하여 실란계 졸을 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 알콕시드 실리카졸을 합성하는 단계는, 테트라에틸 오르소실리케이트 또는 테트라메틸 오르소실리케이트를 알코올 용매에 0.1~5M의 농도가 되도록 혼합한 후, 물의 양을 테트라에틸 오르소실리케이트 또는 테트라메틸 오르소실리케이트 대비 0.1~10 몰비가 되도록 첨가하고, 산의 농도가 5×10-4~0.5M이 되게 산성 용액을 첨가하여 알콕시드가 수화 반응을 일으키게 하여 알콕시드 실리카졸을 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 초상자성을 갖는 마그네타이트 나노입자가 합성되고, 이를 이용하여 기공 내에 마그네타이트 나노입자가 함유된 실리카 에어로젤을 제조하여 자성온열치료(magnetic hyperthermia treatment)에 적용할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 마그네이타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤은 스텐트의 피복재에 응용되어 스텐트 시술 후 환자의 환부에서 콜레스트롤이나 악성종양과 같은 세포가 증식하여 장기를 재협착하였을 경우 자장을 인가하고 국소부위에 40℃ 이상의 온도를 가열하는 것에 의하여 치료할 수 있는 장점이 있다.
마그네이타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤에 유도자기장을 인가하는 것에 의하여 온도를 수분 내지 수십분 이내에 70℃까지 상승시키는 효과를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 자성온열치료 효과를 부여하는 것이 가능하고, 따라서 스텐트의 재협착을 방지하고, 악성종양을 온열에 의하여 죽이는 치료 효과를 가져올 수 있다.
또한, 실리카 에어로젤 내부 기공 내에 파크리탁셀, 젬시타빈과 같은 항암제를 탑재하는 것에 의하여 항암제를 시의적절하게 인체 내에서 원하는 곳에 배출하여 암을 치료하는 데에도 사용할 수 있다.
도 1은 자성온열 치료를 위한 개념도이다.
도 2는 스텐트와 피복재가 결합된 상태를 보여주는 사진이다.
도 3a는 실리카 에어로젤의 샘플 사진이다.
도 3b는 실리카 에어로젤에 마그네타이트 나노입자를 복합화한 샘플의 사진이다.
도 4a는 마그네타이트 나노입자를 합성한 후 실리카 에어로젤에 넣어서 복합화한 샘플의 X-선회절 패턴이다.
도 4b는 마그네타이트 나노입자를 합성한 후 실리카 에어로젤에 넣은 후 마그네틱 바로 스터링하여 얻은 분말 샘플의 X-선회절 패턴이다.
도 5a는 마그네타이트 나노입자가 복합화된 실리카 에어로젤 샘플의 투과전자현미경 사진이다.
도 5b는 실리카 에어로젤 내부에 복합화되지 않은 마그네타이트 나노입자의 투과전자현미경 사진이다.
도 6은 마그네타이트 나노입자가 복합화된 실리카 에어로젤을 주사전자현미경과 부착된 에너지 분산 성분 스펙트럼으로 성분을 분석한 그래프이다.
도 7은 마그네타이트 나노입자가 복합화된 실리카 에어로젤 샘플의 샘플진동자장측정기(VSM)로 자기특성을 분석한 그래프이다.
도 8은 열분해법에 의해 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하기 위한 장비 사진이다.
도 9는 CO2 초임계 건조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 스텐트와 피복재가 결합된 상태를 보여주는 사진이다.
도 3a는 실리카 에어로젤의 샘플 사진이다.
도 3b는 실리카 에어로젤에 마그네타이트 나노입자를 복합화한 샘플의 사진이다.
도 4a는 마그네타이트 나노입자를 합성한 후 실리카 에어로젤에 넣어서 복합화한 샘플의 X-선회절 패턴이다.
도 4b는 마그네타이트 나노입자를 합성한 후 실리카 에어로젤에 넣은 후 마그네틱 바로 스터링하여 얻은 분말 샘플의 X-선회절 패턴이다.
도 5a는 마그네타이트 나노입자가 복합화된 실리카 에어로젤 샘플의 투과전자현미경 사진이다.
도 5b는 실리카 에어로젤 내부에 복합화되지 않은 마그네타이트 나노입자의 투과전자현미경 사진이다.
도 6은 마그네타이트 나노입자가 복합화된 실리카 에어로젤을 주사전자현미경과 부착된 에너지 분산 성분 스펙트럼으로 성분을 분석한 그래프이다.
도 7은 마그네타이트 나노입자가 복합화된 실리카 에어로젤 샘플의 샘플진동자장측정기(VSM)로 자기특성을 분석한 그래프이다.
도 8은 열분해법에 의해 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하기 위한 장비 사진이다.
도 9는 CO2 초임계 건조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 '나노'라 함은 나노미터(㎚) 단위의 크기로서 1㎚ 내지 1000㎚ 범위의 크기를 의미하는 것으로 사용한다.
한편, 실리카 에어로젤(aerogel)은 90% 이상의 기공률을 갖는 다공성 실리카 소재로서, 특히 단열성능이 기존의 재료보다 몇 배 우수하여 차세대 단열소재로서 주목받고 있는 재료이다.
본 발명자는 실란계 졸을 이용하거나 실란계 졸과 알콕시드 실리카졸을 적정 배합 비율로 혼합하여 복합화하고 이를 건조하는 공정에서 초임계 건조공정을 이용하여 실리카 에어로젤 제조 방법을 개발하였다. 이와 같은 방법으로 제조된 실리카 에어로젤은 밀도가 낮고 기공율이 높으며 기계적인 유연성을 갖고 또한 소수성(hydrophobicity)을 갖기 때문에 에어로젤의 응용 가능성을 높일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리카 에어로젤 제조방법은, 메틸트리에톡시실란(methyl triethoxy silane; 이하 'MTEOS'라 함)과 같은 실란으로부터 졸을 합성하고 pH를 조절하는 단계를 포함한다. 또한, 하이브리드 실리카 에어로젤을 제조하는 경우에는 테트라에틸 오르소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; 이하 'TEOS'라 함), 테트라메틸 오르소실리케이트(tetramethyl orthosilicate; 이하 'TMOS'라 함)와 같은 알콕시드로부터 실리카졸을 합성한 후 pH를 조절하는 단계를 더 포함한다.
실란계 졸은 MTEOS와 같은 실란(silane)을 알코올 용매에 혼합하고, 일정량의 물과 산성 용액을 첨가하여 수화 반응을 시켜 합성할 수 있다. 상기 실란은 MTEOS 외에도 메틸트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 글리시독시프로필디메틸에톡시실란 등을 사용할 수 있으며, 상기 물질들을 혼합하여 사용할 수도 있다. 예컨대, MTEOS와 같은 실란을 메탄올과 같은 알코올 용매에 0.1～5M의 농도가 되도록 혼합한 후, MTEOS:H2O의 몰비가 1:0.1～10 정도(바람직하게는 1:5)가 되도록 물을 첨가하고, 산의 농도가 5×10-4～0.5M이 되게 염산이나 질산과 같은 산성 용액을 첨가하여 수화 반응을 일으키게 하여 실란계 졸을 합성할 수 있다. 실란계 졸에 6～10M의 암모니아를 첨가하여 pH가 7～11이 되도록 한 후 축합 반응을 통하여 안정적인 젤(gel)을 형성할 수 있다.
실란계 졸의 경우 6M～10M의 고농도의 암모니아수를 사용하여 pH를 조절하는 것이 바람직한데, 이는 MTEOS와 같은 실란은 축합 반응에 참여하지 않는 메틸기가 있어서 축합반응이 쉽게 일어나지 않기 때문에 1M과 같은 저농도의 암모니아수를 사용하면 젤화 시간이 매우 길어지기 때문이다. 6M～10M 정도의 고농도 암모니아수를 사용하여 pH를 7～11 정도로 맞추어주고, 50℃ 정도의 전기 오븐에 넣어두면 24시간 이내에 젤화 반응이 종결될 수 있다.
알콕시드 실리카졸은 TEOS 또는 TMOS를 알코올 용매에 혼합하고, 일정량의 물과 산성 용액을 첨가하여 수화 반응을 시켜 합성할 수 있다. 예컨대, TEOS를 메탄올과 같은 알코올 용매에 0.1～5M의 농도가 되도록 혼합한 후, 물의 양을 TEOS 대비 0.1～10 몰비가 되도록 첨가하고, 산의 농도가 5×10-4～0.5M이 되게 염산이나 질산과 같은 산성 용액을 첨가하여 알콕시드가 수화 반응을 일으키게 하여 알콕시드 실리카졸을 합성할 수 있다. 알콕시드 실리카졸에 0.1～5M(바람직하게는 1M) 정도의 암모니수를 첨가하여 pH가 5～7이 되게 하면서 축합 반응을 시켜 안정적인 젤(gel)을 형성할 수 있다.
알콕시드 실리카졸의 경우 높은 농도의 암모니아수를 첨가하여 pH를 조절하면 실리카 입자가 형성되기 쉽기 때문에 낮은 농도(예컨대, 0.1～5M, 바람직하게는 1M)의 암모니아수를 이용하여 pH를 5～7 정도로 조절하는 것이 바람직하며, pH가 7 이상인 경우 너무 빨리 젤화가 진행되어 균일한 젤을 형성하기 어려운 단점이 있다.
하이브리드 실리카 에어로젤을 형성하는 경우에는, 알콕시드 실리카졸과 실란계 졸을 일정 배합 비율로 혼합하여 하이브리드 실리카졸이 형성되도록 한다.
통상적인 방법으로 실리카 에어로젤을 제조하는 경우, 90% 이상의 1～50㎚ 크기의 나노다공성 물질이기 때문에 쉽게 부서지는 단점이 있는데, 알콕시드 실리카졸에 실란계 졸을 적절한 배합 비율로 혼합하여 사용함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 상기 알콕시드 실리카졸과 실란계 졸의 배합 비율은 20～80:80～20(부피비)로 조절하는 것이 바람직하다. 메틸트리에톡시실란(MTEOS)과 같은 실란의 함량에 따라서 합성된 하이브리드 에어로젤의 기계적인 유연성 및 소수성 정도가 달라지게 된다. 실란의 함량이 증가할수록 유연성 및 소수성이 커지고, 반대로 실란의 함량이 감소할수록 유연성 및 소수성이 작아지게 되므로 유연성 및 소수성을 고려하여 상기의 범위 내에서 실란의 함량을 적절하게 조절하는 것이 바람직하다.
알콕시드 실리카졸과 실란계 졸을 혼합하여 형성한 하이브리드 실리카졸에 대하여 1～10M의 암모니아수를 첨가하여 pH가 7～11이 되도록 조절하고 축합 반응이 일어나게 하여 젤화시킨다. 하이브리드 실리카졸을 형성하는 경우에는 실란계 졸과 알콕시드 실리카졸을 각각 합성한 후, 실란계 졸과 알콕시드 실리카졸 각각에 대하여 pH를 조절함이 없이 실란계 졸과 알콕시드 실리카졸을 혼합한 후 pH를 조절하는 것이 생산성 등의 측면에서 유리하여 경제적이다. 실란계 졸은 pH를 조절하는 것만으로는 축합 반응이 잘 일어나지 않으므로, 하이브리드 실리카졸을 약 50℃의 전기 오븐에 일정시간(예컨대, 6시간) 동안 넣어두면 젤화가 일어날 수 있다.
상기 젤화된 조성물을 에이징(aging)시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시켜 준다. 상기 에이징은 물질을 적당한 온도에 장시간 방치함으로써 화학적 변화가 완전히 이루어지도록 하는 방법으로서, 본 발명에서는 에탄올이나 메탄올 내 10～60℃ 온도에서 에이징을 수행하는 것이 바람직하며, 젤 내부의 수분이 에탄올이나 메탄올로 치환되고, 젤의 고체 네트워크가 강화되어서 젤의 강도가 강화되는 이점이 있기 때문에 상기 조건에서 에이징 시키는 것이 바람직하다.
에이징된 조성물에 대하여 초임계 건조 공정을 수행한다. 이산화탄소(CO2)는 상온 및 상압에서는 기체 상태이지만 임계점(supercritical point)이라고 불리는 일정한 온도 및 고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는 상태, 즉 임계 상태가 되며, 이 임계 상태에 있는 이산화탄소를 초임계 이산화탄소라고 한다. 초임계 이산화탄소는 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가지며, 확산이 빠르고 열전도성이 높아 실리카 에어로젤(또는 하이브리드 실리카 에어로젤)의 건조 공정에 유용하게 사용될 수 있다.
이와 같은 초임계 이산화탄소를 이용한 초임계 건조 공정은 초임계 건조 반응기 안에 에이징된 조성물을 넣은 다음, 액체 상태의 CO2를 펌프를 이용하여 채우고 실리카 에어로젤 내부의 알코올 용매를 CO2로 치환하는 용매치환 공정을 수행하고, 그 후에 일정 승온 속도(예컨대, 1℃/min)로 일정 온도(예컨대, 40℃)로 올린 다음, 일정 압력(이산화탄소가 초임계 상태가 되는 압력 이상의 압력으로서, 예컨대 9.5MPa)을 유지하여 이산화탄소의 초임계 상태에서 일정 시간(예컨대, 6시간) 동안 유지한다. 일반적으로 이산화탄소는 31℃의 온도, 7.38MPa의 압력에서 초임계 상태가 된다. 이산화탄소가 초임계 상태가 되는 일정 온도 및 일정 압력에서 일정 시간(예컨대, 2～12시간, 바람직하게는 6시간) 동안 유지한 다음, 서서히 압력을 제거하여 초임계 건조 공정을 완료할 수 있다. 상술한 초임계 건조 공정은 저온의 초임계 상태에서 건조를 수행하는 저온 초임계 건조공정으로 고온의 초임계 상태에서 수행하는 공정에 비하여 안전하고 에너지 소모가 작다는 이점이 있다. 또한, 에어로젤 실리카젤은 에탄올이나 메탄올과 같은 휘발성의 알코올 용매를 사용하므로 보다 안전한 저온 초임계 공정을 이용하는 것이 바람직하다.
도 9는 초임계 건조장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 9를 참조하여 초임계 건조장치(100)를 이용하여 실리카 에어로젤을 건조하는 방법에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
초임계 건조 반응기(110) 안에 에이징된 조성물을 넣고, 이산화탄소(CO2)는 이산화탄소 공급탱크(120)로부터 펌프(pump)(130)에 의해 초임계 건조 반응기(110)로 공급된다. 초임계 건조 반응기(110)에 공급된 액체 상태의 이산화탄소에 의해 실리카 에어로젤 내부의 용매가 CO2로 치환되게 된다. 이때, 초임계 건조 반응기(110)의 온도는 상온(10～30℃), 초임계 건조 반응기(110)의 압력은 100～1,000bar일 때가 용매치환의 효율이 좋다. 공급되는 이산화탄소는 액체 상태의 이산화탄소로서 초임계 건조 반응기(110) 내에서 실리카 에어로젤 내부의 용매와 용이하게 치환될 수 있으며, 용매가 이산화탄소와 충분히 용매 치환되면 이산화탄소를 초임계 상태로 만들기 위하여 용매를 배수조(140)로 배출하는 것이 바람직하다.
가열 수단(미도시)을 이용하여 초임계 건조 반응기(110) 내부의 온도를 일정 온도(예컨대, 40℃) 및 일정 압력(9.5MPa)으로 올려 이산화탄소가 초임계 상태가 되게 만들고, 초임계 상태에서 일정 시간 동안 유지하여 실리카 에어로젤을 건조한다. 이때, 펌프(130)에 의해 이산화탄소가 펌핑되고 열교환기(150)를 거쳐 일정 온도 및 고압의 초임계 상태로된 이산화탄소를 초임계 건조 반응기(110)로 공급할 수도 있다.
초임계 건조 공정이 완료되면, 밸브(V3)의 개폐를 통해 임계 상태보다 낮은 압력으로 만들어 초임계 건조 반응기(110) 내부의 압력을 서서히 낮춘다. 초임계 이산화탄소는 임계상태보다 낮은 압력으로 인해 이산화탄소로 기체화되며, 기체화된 이산화탄소(CO2)는 기체 공급 탱크(120)로 이송되어 재순환되거나 외부로 배출되게 된다. 미설명된 V1, V2 및 V4는 밸브를 의미한다.
상기 CO2 초임계 건조 공정을 수행하게 되면 건조되어 나노 크기(1㎚ 이상 1㎛ 미만의 나노미터 단위의 크기)의 기공을 갖는 다공성의 실리카 에어로젤을 얻을 수 있다.
상술한 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공에 자장에 비례하지만 일정 자장의 크기를 넘으면 일정한 값으로 포화되는 초상자성 특성을 나타내는 입자를 포함하는 마그네타이트 나노입자들이 함유되게 함으로써 자기온열치료(magnetic hyperthermia treatment)에 적용할 수 있다.
상기 마그네타이트 나노입자는 상기 실리카 에어로젤에 대하여 0.01～90중량% 함유된 것이 바람직하며, 상기 마그네타이트 나노입자는 1～50㎚의 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법은, 친수성 마그네타이트 나노입자를 합성하거나, 합성된 친수성 마그네타이트 나노입자를 소수성으로 표면개질하거나 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하는 단계 및 친수성 마그네타이트 나노입자가 함유된 용액에 다공성의 친수성 실리카 에어로젤을 침적시키거나, 소수성으로 표면개질된 마그네타이트 나노입자 또는 합성된 소수성 마그네타이트 나노입자가 함유된 용액에 다공성의 소수성 실리카 에어로젤을 침적시켜 상기 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공에 마그네타이트 나노입자를 분산시키는 단계를 포함한다.
이하에서, 친수성 마그네타이트 나노입자를 합성하는 방법과, 합성된 친수성 마그네타이트 나노입자를 합성하여 소수성으로 표면개질하여 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하거나 소수성 마그네타이트 나노입자를 직접 합성하는 방법을 설명하고, 이를 이용하여 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 공침법을 이용하여 친수성 마그네타이트 나노입자를 합성하는 방법을 설명한다.
페릭클로라이드(FeCl3?6H2O)와 페러스 클로라이드(FeCl2?4H2O)가 혼합된 용액을 준비한다. 상기 용액은 페릭클로라이드(FeCl3?6H2O)와 페러스 클로라이드(FeCl2?4H2O)가 2:1의 몰비로 혼합된 용액인 것이 바람직하다.
상기 용액에 우레아, 암모니아수 또는 우레아와 암모니아수를 첨가하고 40～90℃의 온도에서 교반하면서 반응시킨다. 상기 반응에 의해 반응생성물인 침전물이 생성되게 된다.
상기 침전물은 산 용액, 증류수 등으로 세정하고, 세정된 침전물을 원심분리기를 이용하여 원심분리하여 선택적으로 분리해낸다.
선택적으로 분리된 침전물을 100～200℃의 온도에서 건조하게 되면 친수성 마그네타이트 나노입자를 얻을 수 있다. 실험에 의하면, 직경 10～20 ㎚의 크기를 갖는 친수성 마그네타이트 나노입자를 합성할 수 있었다.
이와 같이 얻어진 친수성 마그네타이트 나노입자는 소수성으로 표면개질할 수 있다. 상기 표면개질은 상기 친수성 마그네타이트 나노입자를 올레인산 용액에 첨가하여 반응시키고 건조하면 올레이산으로 표면이 개질되어 소수성을 나타내는 마그네타이트 나노입자를 얻을 수가 있다.
한편, 소수성 마그네타이트 나노입자를 열분해법을 이용하여 직접 합성할 수도 있다. 소수성 마그네타이트 나노입자는, 철 아세틸아세토네이트(Fe(acac)3) 1～10 mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10～100 mmol, 올레인산(Oleic acid) 1～6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 1～6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 10～1000 mmol를 혼합한 후에 100～200℃에서 스터링하면서 질소 분위기에서 가열한 후, 200～400℃로 가열하면서 소정 시간(예컨대, 1시간)을 유지하면 침전물이 형성되고, 냉각한 후, 침전물을 산용액 또는 증류수로 세정하고, 세정된 침전물을 원심분리를 이용하여 선택적으로 분리하여 건조하여 얻을 수 있다.
친수성 마그네타이트 나노입자가 함유된 용액에 다공성의 친수성 실리카 에어로젤을 침적시키거나, 소수성으로 표면개질된 마그네타이트 나노입자 또는 합성된 소수성 마그네타이트 나노입자가 함유된 용액에 다공성의 소수성 실리카 에어로젤을 침적시켜 상기 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공에 마그네타이트 나노입자가 분산되게 하여 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 제조할 수 있다. 이때, 다공성 실리카 에어로젤은 벌크 상태로 침적시킬 수도 있고, 다공성 실리카 에어로젤을 분쇄하여 분말 상태로 만든 후에 첨적시킬 수도 있다.
마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 제조하는 다른 예로서, 마그네타이트 나노입자를 형성하기 위한 마그네타이트 전구체 용액에 다공성 실리카 에어로젤을 침적시키고, 마그네타이트 나노입자를 형성하기 위하여 상기 다공성 실리카 에어로젤이 침적된 상기 마그네타이트 전구체 용액의 온도를 200～400℃의 온도를 가열하여 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공 내에서 마그네타이트 나노입자가 합성되게 할 수도 있다.
철 아세틸아세토네이트(Fe(acac)3) 1～10 mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10～100 mmol, 올레인산(Oleic acid) 1～6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 1～6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 10～1000 mmol를 혼합한 후에 100～200℃에서 스터링하면서 질소 분위기에서 가열한 마그네타이트 전구체 용액에 다공성 실리카 에어로젤을 침적시키고, 실리카 에어로젤이 침적된 상기 마그네타이트 전구체 용액의 온도를 200～400℃의 온도로 가열하여 소정 시간 유지하게 되면 실리카 에어로젤의 기공으로 스며든 상기 마그네타이트 전구체 용액으로부터 마그네타이트 나노입자가 합성되게 된다. 이때, 다공성 실리카 에어로젤은 벌크 상태로 침적시킬 수도 있고, 다공성 실리카 에어로젤을 분쇄하여 분말 상태로 만든 후에 첨적시킬 수도 있다.
이와 같이 얻어진 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤은 도 1에 도시된 바와 같이 자성온열치료에 적용할 수 있는데, 1㎑～1㎒, 바람직하게는 200～300㎑에서 교류전류를 코일에 100A～10㎄, 바람직하게는 5㎄ 내외로 흘리는 것에 의하여 유도자장을 형성하고 이를 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤에 인가하는 것에 의하여 자장 에너지를 열에너지로 변환시켜서 40℃ 이상의 온열을 발생시켜서 치료할 수 있다.
이하에서, 본 발명에서 실험한 시험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 시험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<열분해법에 의한 소수성 마그네타이트 나노입자 제조>
도 8에 도시된 바와 같이 콘덴서, 기계적인 스터러, 써모커플, 히팅맨틀이 구비된 플라스크를 이용하여 열분해법으로 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하였다. 철 아세틸아세토네이트 (Fe(acac)3) 2mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10mmol, 올레인산(Oleic acid) 6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 105mmol을 혼합한 후에 200℃에서 스터링하면서 질소 분위기에서 가열한 후, 온도를 올려 320℃에서 1시간 동안 가열하여 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하였다.
도 5b는 이렇게 합성한 소수성 마그네타이트 나노입자의 투과전자현미경 사진이다. 도 5b를 참조하면, 철 아세틸아세토네이트를 이용하여 합성한 마그네타이트 나노입자의 경우 크기가 10㎚ 크기로 큐빅형의 마그네타이트 나노입자가 형성된 것을 알 수 있다. 저배율과 고배율 사진에서 보면 나노입자의 크기는 일정한 크기를 갖는 것을 볼 수 있었다.
<다공성 실란계 실리카 에어로젤의 제조>
반응용기 내에서 메틸트리에톡시실란(MTOES)을 메탄올에 1M의 농도가 되게 혼합하고, 물을 첨가하여 MTEOS:H2O의 몰비가 5가 되게 한 다음, 산의 농도가 5×10-4M이 되게 질산(HNO3)을 첨가하여 수화반응이 일어나게 하여 실란계 졸을 합성하였다. 6M의 암모니아수를 이용하여 상기 실란계 졸의 pH가 11이 되도록 조절한 후, 50℃의 전기 오븐에서 젤화가 일어나도록 축합 반응을 진행시켜 젤화시켰다. 이때 용매가 증발하면 수축이 일어나기 때문에 반응용기를 밀폐하여 반응을 시켰다.
젤화된 조성물에 대하여 50℃에서 메탄올에서 에이징 과정을 24시간 진행하였다.
초임계 건조장치를 이용하여 액체 이산화탄소로 용매치환하고, 40℃ 온도 및 9.5MPa의 압력 하에서 6시간 동안 CO2 초임계 건조를 통하여 실란계 실리카 에어로젤을 합성하였다.
<다공성 알콕시드계 실리카 에어로젤의 제조>
반응용기 내에서 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS)를 에탄올에 1M의 농도가 되게 혼합하고, 물을 첨가하여 TEOS:H2O의 몰비가 5가 되도록 한 다음, 산의 농도가 5×10-4M이 되게 염산(HCl)을 첨가하여 수화반응이 일어나게 하여 알콕시드 실리카졸을 합성하였다. 상기 알콕시드 실리카졸에 1M의 암모니아수(NH4OH)를 첨가하여 pH가 7이 되도록 조절하여 축합 반응을 통하여 젤화를 시켰다.
젤화된 조성물에 대하여 50℃에서 메탄올에서 에이징 과정을 24시간 진행하였다.
초임계 건조장치를 이용하여 액체 이산화탄소로 용매치환하고, 40℃의 온도 및 9.5MPa의 압력 하에서 6시간 동안 CO2 초임계 건조를 통하여 알콕시드계 실리카 에어로젤을 합성하였다.
<하이브리드 실리카 에어로젤의 제조>
위의 예에서 합성한 실란계 졸에 알콕시드 실리카졸을 50:50의 부피비로 혼합한 후 6M의 암모니아수를 이용하여 pH가 9가 되도록 조절하여 하이브리드 실리카졸을 합성하였다.
상기 하이브리드 실리카졸에 50℃에서 축합 반응을 통하여 젤화를 시켰다.
젤화된 조성물에 대하여 50℃에서 메탄올에서 에이징 과정을 24시간 진행하였다.
초임계 건조장치를 이용하여 액체 이산화탄소로 용매치환하고, 40℃의 온도 및 9.5MPa의 압력 하에서 6시간 동안 CO2 초임계 건조를 통하여 하이브리드 실리카 에어로젤을 합성하였다.
<마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤 샘플의 제조>
마그네타이트 나노입자와 실리카 에어로젤을 복합화하기 위하여 위에서 합성한 실리카 에어로젤을 마그네타이트 나노입자 합성을 위한 마그네타이트 전구체(precursor) 용액에 실리카 에어로젤을 침적시켰다. 이때 실리카 에어로젤은 전구체 용액을 완전히 용해시킨 200℃에서 침적시키고 실리카 에어로젤의 내부에 전구체 용액이 들어가게 하여 실리카 에어로젤 내부에서 마그네타이트 나노입자가 생성될 수 있게 하였다. 상기 마그네타이트 전구체(precursor) 용액은, 철 아세틸아세토네이트 (Fe(acac)3) 2mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10mmol, 올레인산(Oleic acid) 6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 105mmol을 혼합한 용액을 사용하였다.
마그네타이트 나노입자가 생성되는 도중에 외부의 산소 혹은 물과 반응하면 Fe2O3가 생성될 수 있기 때문에 질소(N2) 혹은 아르곤(Ar)과 같은 불활성 분위기에서 반응을 진행시켜야 한다.
실리카 에어로젤이 침적된 상기 마그네타이트 전구체 용액의 온도를 320℃의 온도로 가열하여 1시간 동안 유지하여 실리카 에어로젤의 기공으로 스며든 상기 마그네타이트 전구체 용액으로부터 마그네타이트 나노입자가 합성되게 하였다.
실리카 에어로젤을 벌크 상태로 전구체 용액에 넣을 경우에는 실리카 에어로젤 내부에 마그네타이트 나노입자가 스며들기 어려울 수 있기 때문에 실리카 에어로젤을 분말 상태로 만들고 실리카 에어로젤 분말을 전구체 용액에 넣게 되면 마그네타이트 나노입자가 실리카 에어로젤 내부에 잘 스며들어서 도 4b에서 보는 바와 같이 마그네타이트 나노입자의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 피크가 크게 나타난다.
다른 방법으로, 철 아세틸아세토네이트 (Fe(acac)3) 2mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10mmol, 올레인산(Oleic acid) 6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 105mmol을 혼합한 후에 200℃에서 스터링하면서 질소 분위기에서 가열한 후, 온도를 올려 320℃에서 1시간 동안 가열하여 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성 후, 다공성 실리카 에어로젤을 침적시켜 실리카 에어로젤 내의 기공으로 마그네타이트 나노입자가 스며들게 하였다.
도 5a는 마그네타이트 나노입자가 기공에 함유된 실리카 에어로젤 샘플의 투과전자현미경 사진이고, 도 5b는 실리카 에어로젤 내부에 복합화되지 않은 마그네타이트 나노입자의 투과전자현미경 사진이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 형성된 마그네타이트 나노입자는 정육면체의 입방정 형태로 각형의 형태를 나타내고 크기는 10㎚ 크기인 것을 확인할 수 있다. 마그네타이트 나노입자가 실리카 에어로젤 내부의 기공 내부에 존재하는 것을 통하여 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에서 보는 바와 같이 X-선회절을 통해서도 실리카 에어로젤 내에 마그네타이트 입자가 존재하기 때문에 비정질 실리카 상 내에서 마그네타이트의 X-선회절 피크가 나타나는 것을 알 수 있다. 하지만, 마그네타이트 나노입자를 형성한 후 벌크의 실리카 에어로젤 내부에 복합화한 경우는 마그네타이트 나노입자의 X-선회절 피크 강도가 실리카 에어로젤 분말을 복합화하여 형성한 경우보다는 작은데, 이를 통하여 내부에 마그네타이트 나노입자의 복합 정도가 작은 것을 알 수 있다. 복합화한 샘플의 사진을 보면 마그네타이트 나노입자가 스며들어서 하얀색의 실리카 에어로젤이 검정색으로 변화한 것을 확인할 수 있다(도 3b 참조).
<마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 자성특성 >
표 1에서 보는 바와 같이 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 앞서 설명한 다양한 방법으로 복합화하여 샘플을 제조하였다. 제조된 샘플도 벌크 형태와 분말 형태로 나누어지고 실리카 에어로젤을 침적하는 시기를 마그네타이트 나노입자가 생성되기 전과 생성된 후로 나누었는데, 도 7에서 보는 바와 같이 마그네타이트 나노입자가 생성된 이후에라도 실리카 에어로젤을 넣고 스터링에 의하여 분말 형태로 형성할 경우(SF5)가 가장 마그네타이트 나노입자가 많이 복합화되어 자화 정도가 가장 큰 것을 알 수 있었으며, 그 다음에는 마그네타이트 나노입자를 생성시킨 후 실리카 에어로젤을 침적시킨 벌크 샘플(SF3)이 자화 정도가 컸고, 그 다음에는 마그네타이트 나노입자를 생성하기 전에 넣은 샘플(SF7)이었으며, 마지막으로 가장 큰 실리카 에어로젤 샘플을 마그네타이트 나노입자가 생성되기 전에 넣어서 복합화한 SF10 샘플이었다.
표 2에서 보는 바와 같이 SF5인 경우 마그네타이트 나노입자가 10중량% 함유되었으며, SF3는 4중량%, SF7은 2중량% 그리고 SF10인 경우 0.06중량% 함유되었음을 알 수 있다.
| SF3 | SF5 | SF7 | SF10 |
| 마그네타이트 전구체 용액을 200℃로 가열하고 320℃에서 리플럭스(reflux) 후 실리카 에어로젤을 넣고 냉각시킴 | 200℃의 마그네타이트 전구체 용액에 실리카 에어로젤을 침적시킨 후 320℃ 리플럭스때 마그네틱바로 교반 | 200℃의 마그네타이트 전구체 용액에 실리카 에어로젤을 넣은 후, 320℃ 리플럭스를 함(N2 분위기(5cc/m)) | 대형의 실리카 에어로젤을 침적시킨 후, 이때 대량의 공기가 들어감. 그 후 320℃에서 리플럭스 하여 합성 |
| 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 벌크 상태로 얻음: 자성 성질 가짐 | 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 분말 상태로 얻음. 자성 성질 가짐 | 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤을 벌크 상태로 얻음. 자성 성질 가짐 | 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤 투입 후 300℃ 리플럭스때 부서짐 |
| Magnetite | 70~77 | 100 |
| SF5 | 7.0544 | 10 |
| SF3 | 2.8030 | 4 |
| SF7 | 1.627 | 2 |
| SF10 | 0.4664 | 0. 06 |
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 초임계 건조 반응기 120: 이산화탄소 공급 탱크
130: 펌프 140: 배수조
150: 열교환기
130: 펌프 140: 배수조
150: 열교환기
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- 친수성 마그네타이트 나노입자를 합성하거나, 합성된 친수성 마그네타이트 나노입자를 소수성으로 표면개질하거나 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하는 단계; 및
친수성 마그네타이트 나노입자가 함유된 용액에 다공성의 친수성 실리카 에어로젤을 침적시키거나, 소수성으로 표면개질된 마그네타이트 나노입자 또는 합성된 소수성 마그네타이트 나노입자가 함유된 용액에 다공성의 소수성 실리카 에어로젤을 침적시켜 상기 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공에 마그네타이트 나노입자를 분산시키는 단계를 포함하며,
상기 마그네타이트 나노입자는 자장에 비례하지만 일정 자장의 크기를 넘으면 일정한 값으로 포화되는 초상자성 특성을 나타내는 입자를 포함하며,
상기 실리카 에어로젤은,
실란을 수화 반응시켜 실란계 졸을 합성하는 단계;
상기 실란계 졸의 pH를 7.0~11.0의 범위가 되게 조절하는 단계;
pH가 조절된 실란계 졸을 축합 반응 시켜 젤화시키는 단계;
젤화된 조성물을 에이징 시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시키는 단계;
젤에 함유된 용매를 액상의 이산화탄소로 용매치환하는 단계; 및
상기 이산화탄소를 초임계 상태로 만들어 건조하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
- 마그네타이트 나노입자를 형성하기 위한 마그네타이트 전구체 용액에 다공성 실리카 에어로젤을 침적시키는 단계;
마그네타이트 나노입자를 형성하기 위하여 상기 다공성 실리카 에어로젤이 침적된 상기 마그네타이트 전구체 용액의 온도를 200～400℃의 온도를 가열하는 단계; 및
상기 다공성 실리카 에어로젤 내의 기공 내에서 마그네타이트 나노입자가 합성되는 단계를 포함하며,
상기 마그네타이트 나노입자는 자장에 비례하지만 일정 자장의 크기를 넘으면 일정한 값으로 포화되는 초상자성 특성을 나타내는 입자를 포함하며,
상기 실리카 에어로젤은,
실란을 수화 반응시켜 실란계 졸을 합성하는 단계;
상기 실란계 졸의 pH를 7.0~11.0의 범위가 되게 조절하는 단계;
pH가 조절된 실란계 졸을 축합 반응 시켜 젤화시키는 단계;
젤화된 조성물을 에이징 시켜 젤 내부의 망목구조를 강화시키는 단계;
젤에 함유된 용매를 액상의 이산화탄소로 용매치환하는 단계; 및
상기 이산화탄소를 초임계 상태로 만들어 건조하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 친수성 마그네타이트 나노입자의 합성은,
페릭클로라이드(FeCl3?6H2O)와 페러스 클로라이드(FeCl2?4H2O)가 혼합된 용액에 우레아 및 암모니아수 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 첨가하고 교반하면서 반응시키는 단계;
반응생성물인 침전물을 선택적으로 분리하는 단계; 및
선택적으로 분리된 침전물을 건조하여 친수성 마그네타이트 나노입자를 얻는 단계를 포함하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 소수성 마그네타이트 나노입자를 합성하는 단계는,
철 아세틸아세토네이트(Fe(acac)3) 1～10 mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10～100 mmol, 올레인산(Oleic acid) 1～6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 1～6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 10～1000 mmol를 혼합한 후에 100～200℃에서 스터링하면서 질소 분위기에서 가열한 후, 200～400℃로 가열하여 마그네타이트 나노입자를 합성하는 단계;
침전물인 마그네타이트 나노입자를 세정하는 단계; 및
세정된 마그네타이트 나노입자를 선택적으로 분리하는 단계를 포함하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 친수성 마그네타이트 나노입자를 소수성으로 표면개질하는 것은,
상기 친수성 마그네타이트 나노입자를 올레인산 용액에 첨가하여 반응시키는 단계; 및
올레이산으로 표면이 개질된 소수성 마그네타이트 나노입자를 건조하는 단계를 포함하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 마그네타이트 전구체 용액은,
철 아세틸아세토네이트(Fe(acac)3) 1～10 mmol, 1,2 헥사데칸디올(1,2-Hexadecanediol) 10～100 mmol, 올레인산(Oleic acid) 1～6 mmol, 올레일아민(Oleylamine) 1～6 mmol 및 벤질에테르( Benzyl ether) 10～1000 mmol이 혼합된 용액인 것을 특징으로 하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
- 삭제
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 실란계 졸을 합성하는 단계는,
실란을 알코올 용매에 0.1～5M의 농도가 되도록 혼합한 후, 물의 양을 실란 대비 0.1～10 몰비가 되도록 첨가하고, 산의 농도가 5×10-4～0.5M이 되게 산성 용액을 첨가하여 알콕시드가 수화 반응을 일으키게 하여 실란계 졸을 합성하는 단계를 포함하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
- 제4항 또는 제5항에 있어서,
테트라에틸 오르소실리케이트 또는 테트라메틸 오르소실리케이트를 수화 반응시켜 알콕시드 실리카졸을 합성하는 단계를 더 포함하며,
상기 실란계 졸의 pH를 7.0~11.0의 범위가 되게 조절하는 단계와 pH가 조절된 실란계 졸을 축합 반응 시켜 젤화시키는 단계는,
실란계 졸과 알콕시드 실리카졸을 혼합한 후, pH가 7.0～11.0이 되도록 조절하고 축합 반응 시켜 젤화시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
- 삭제
- 제12항에 있어서, 상기 알콕시드 실리카졸을 합성하는 단계는,
테트라에틸 오르소실리케이트 또는 테트라메틸 오르소실리케이트를 알코올 용매에 0.1~5M의 농도가 되도록 혼합한 후, 물의 양을 테트라에틸 오르소실리케이트 또는 테트라메틸 오르소실리케이트 대비 0.1~10 몰비가 되도록 첨가하고, 산의 농도가 5×10-4~0.5M이 되게 산성 용액을 첨가하여 알콕시드가 수화 반응을 일으키게 하여 알콕시드 실리카졸을 합성하는 단계를 포함하는 마그네타이트 나노입자가 기공 내에 함유된 실리카 에어로젤의 제조방법.
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| CN105854744B (zh) * | 2016-05-17 | 2018-09-11 | 浙江大学 | 一种磁性纳米颗粒/SiO2气凝胶及其制备方法以及处理高放废液的方法 |
| CN116328716B (zh) * | 2023-03-09 | 2024-05-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种以铸造渣为原料制备的超疏水性氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法与应用 |
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