KR101247271B1 - 표면처리가 된 실리카 에어로겔 분말의 제조방법 및 제조시스템 - Google Patents

표면처리가 된 실리카 에어로겔 분말의 제조방법 및 제조시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리카 에어로겔 분말에 친수성 또는 소수성을 부여할 수 있는 실리카 에어로겔 분말의 제조방법 및 제조시스템을 제공하는 것에 있다. 상기 실리카 에어로겔 분말 제조방법은, 실리카 하이드로겔 생성단계, 건조단계 및 표면특성 조절단계를 구비한다. 상기 하이드로겔 생성단계는 물유리용액, 무기산, 오가노실란 화합물 및 유기용매를 이용하여 실리카 하이드로겔을 생성한다. 상기 건조단계는 상기 실리카 하이드로겔을 건조하여 실리카 에어로겔 분말을 생성한다. 상기 표면특성 조절단계는 플라즈마 가스를 이용하여 상기 실리카 에어로겔 분말의 물 분자와 결합하는 성질을 조절한다.

Description

표면처리가 된 실리카 에어로겔 분말의 제조방법 및 제조시스템 {System and method for manufacturing a silica aerogel powder with finished surface}
본 발명은 실리카 에어로겔 분말의 제조방법 및 제조시스템에 관한 것으로, 특히 실리카 에어로겔 분말에 친수성을 부여하거나 소수성을 부여하는 표면처리가 된 실리카 에어로겔 분말의 제조방법 및 제조시스템에 관한 것이다.
SiO2ㆍnH2O의 화학식을 가지는 실리카 겔(silica gel)은, 작은 구멍들이 서로 연결되어 튼튼한 그물조직의 규산(SiO2) 입자로 90% 이상의 높은 기공률과 600㎡/g 이상의 비표면적을 가지는 나노 다공질 구조를 가지며, 규산입자들 사이에 용매인 물 등이 들어가 굳어버린 비결정형의 입자이다. 표면적이 매우 넓어 물이나 알코올 등을 흡수하는 능력이 매우 뛰어나 제습제로 많이 사용될 뿐만 아니라, 단열 물질, 촉매 담체 및 절연 물질 등으로 활용될 수 있다.
친수성은 물 분자와 쉽게 결합하는 성질을 의미하며 소수성은 이와는 반대로 물 분자와 쉽게 결합하지 못하는 성질을 의미한다. 상기와 같은 다양한 활용분야가 있는 실리카 에어로겔 분말에 친수성 및 소수성이 더 부여된다면, 실리카 에어로겔 분말의 사용범위는 더욱 확대될 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 실리카 에어로겔 분말에 친수성 또는 소수성을 부여할 수 있는 실리카 에어로겔 분말의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 실리카 에어로겔 분말에 친수성 또는 소수성을 부여할 수 있는 실리카 에어로겔 분말 제조시스템을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 실리카 에어로겔 분말 제조방법은, 실리카 하이드로겔 생성단계, 건조단계 및 표면특성 조절단계를 구비한다. 상기 하이드로겔 생성단계는 물유리용액, 무기산, 오가노실란 화합물 및 유기용매를 이용하여 실리카 하이드로겔을 생성한다. 상기 건조단계는 상기 실리카 하이드로겔을 건조하여 실리카 에어로겔 분말을 생성한다. 상기 표면특성 조절단계는 플라즈마를 이용하여 상기 실리카 에어로겔 분말의 물 분자와 결합하는 성질을 조절한다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 실리카 에어로겔 분말 제소시스템은, 원료공급부, 혼합부, 건조부, 회수부 및 표면특성 조절부를 구비한다. 상기 원료공급부는 정재수, 물유리, 오가노실란 화합물, 무기산 및 적어도 한 종류의 유기용매 중 일부의 원료는 혼합하여 그리고 나머지는 그대로 혼합부에 전달한다. 상기 혼합부는 상기 원료공급부로부터 전달받은 원료들을 혼합하여 실리카 하이드로겔을 생성한다. 상기 건조부는 상기 실리카 하이드로겔을 건조하여 실리카 에어로겔 분말을 생성한다. 상기 회수부는 상기 혼합부 및 상기 건조부에서 사용된 원료 중 기화되는 일부의 원료를 회수한다. 상기 표면특성 조절부는 상기 건조부로부터 출력되는 상기 실리카 에어로겔 분말의 친수성 및 소수성 중 하나의 성질을 가지게 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실리카 에어로겔 분말 제조방법 및 제소시스템에 의해 생성된 실리카 에어로겔 분말은 일반적인 에어로겔 분말의 특성 이외에도, 친수성 또는 소수성의 물리적 성질이 있으므로, 활용범위가 확대되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실리카 에어로겔 분말의 제조방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 실리카 에어로겔 분말의 제조시스템을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 실리카 에어로겔 분말의 제조시스템의 일부를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 핵심 아이디어는, 건조 중 또는 건조가 완료된 실리카 에어로겔 분말을 플라즈마 이온이 존재하는 영역을 통과시킴으로써, 실리카 에어로겔 분말에 친수성 또는 소수성을 부여하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실리카 에어로겔 분말의 제조방법을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 실리카 에어로겔 분말의 제조방법은, 실리카 하이드로겔 생성단계(110), 건조단계(120), 표면특성 조절단계(130) 및 실리카 에어로겔 분말 포집단계(140)를 구비한다.
실리카 하이드로겔 생성단계(110)는 물유리용액, 무기산, 오가노실란 화합물 및 유기용매를 이용하여 실리카 하이드로겔을 생성한다. 실리카 하이드로겔 생성단계에서는 1차적으로 분산액을 생성하는데, 분산액은 실리카 에어로겔 분말을 합성하는데 사용되는 전구물질(precursor)인 물유리용액과 오가노실란 화합물(organosilanle compound)을 유기용매에 분산시킨 물질이다. 여기서 물유리용액은 이온 교환을 하지 않은 물유리용액, 오가노실란 화합물은 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane, HMDS) 그리고 유기용매는 비극성 유기용매를 의미한다. 비극성 유기용매는 n-헥산용액(n-hexane solution), n-헵탄용액(n-Heptane solution), 톨루엔(toluene) 및 크실렌(Xylene) 중 하나를 사용하거나 이들 용액이 적어도 둘 이상 혼합된 혼합액을 사용한다. 실리카 하이드로겔은 분산액에 질산(HNO3)과 같은 무기산을 첨가하여 겔화반응과 용매교환을 동시에 수행하여 얻을 수 있다.
건조단계(120)는 실리카 하이드로겔에 포함된 나트륨 이온(Na+)과 물을 건조시킨다.
표면특성 조절단계(130)는 플라즈마를 이용하여 상기 실리카 에어로겔 분말의 물 분자와 결합하는 성질을 조절하며, 상기 실리카 에어로겔이 친수성을 가지게 하는 친수성 부여단계 및 상기 실리카 에어로겔이 소수성을 가지게 하는 소수성 부여단계 중 적어도 하나를 구비한다. 여기서 친수성 부여단계에서는 실리카 에어로겔을 일반 공기, 산소, 질소 또는 이들을 결합한 플라즈마 영역 속으로 통과시킴으로써, 그리고 소수성 부여단계에서는 실리카 에어로겔을 메탄(CH4), 옥탄(C8H18) 및 불화탄소(CF2, CF3) 중 적어도 하나로 이루어진 플라즈마 영역 속으로 통과시킴으로써, 각각 친수성 및 소수성을 가지는 실리카 에어로겔 분말이 제조된다.
도 2는 본 발명에 따른 실리카 에어로겔 분말의 제조시스템을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 실리카 에어로겔 분말의 제소시스템은, 원료공급부(210), 혼합부(220), 건조부(230), 회수부(240), 보일러/히터(250), 표면특성 조절부(260) 및 포집부(270)를 구비한다.
원료공급부(210)는 정재수, 물유리, 오가노실란 화합물, 무기산 및 적어도 한 종류의 유기용매 중 일부의 원료는 혼합하여 그리고 나머지는 그대로 혼합부에 전달한다. 혼합부(220)는 원료공급부(210)로부터 전달받은 원료들을 혼합하여 실리카 하이드로겔을 생성한다. 건조부(230)는 실리카 하이드로겔을 건조하여 실리카 에어로겔 분말을 생성한다. 회수부(240)는 혼합부(230) 및 건조부(220)에서 사용된 원료 중 기화되는 일부의 원료를 회수한다.
표면특성 조절부(260)는 건조부(230)로부터 출력되는 상기 실리카 에어로겔 분말의 친수성 및 소수성 중 하나의 성질을 가지게 하며, 플라즈마 가스 공급장치(261) 및 플라즈마 모듈(263)을 구비한다.
플라즈마 가스 공급장치(261)는 건조부(230)로부터 출력되는 실리카 에어로겔 분말이 포집부(270)로 전달되는 연결관에 연결된 관을 통해 플라즈마 용 가스를 공급한다. 플라즈마 모듈(263)은 연결관에 공급된 가스를 플라즈마 상태가 되도록 하며, 연결관을 감싸는 플라즈마 전극(264) 및 플라즈마 전극에 전원을 공급하는 플라즈마 전원장치(265)를 구비한다. 플라즈마 가스 공급장치(260)는 친수성 용 가스로는 일반 공기, 산소, 질소 또는 이들을 결합한 가스를 상기 연결관에 공급하고, 소수성 용 가스로는 메탄(CH4), 옥탄(C8H18) 및 불화탄소(CF2, CF3) 중 적어도 하나로 이루어진 가스를 상기 연결관에 공급한다.
보일러/히터(250)는 혼합부(220) 및 건조부(230)에 열매체를 공급하는 보일러 및 혼합부(220) 및 건조부(230)에 열풍을 전달하는 히터 중 적어도 하나는 포함한다. 포집부(270)는 표면특성 조절부(260)로부터 출력되는 친수성 또는 소수성 중 하나의 성질을 가지는 실리카 에어로겔 분말을 수집한다.
도 3은 도 2에 도시된 실리카 에어로겔 분말의 제조시스템의 일부를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 실리카 에어로겔 분말은 제1연결관(P1)을 통해 포집부(270)에 전달되며, 일부 제1연결관(P1)의 주위는 플라즈마 전극부(264)에 의해 둘러쌓여 있고, 제1연결관(P1) 중간에는 플라즈마 가스 공급부(261)로부터 생성된 가스가 플라즈마 모듈(263)에 전달되는 통로인 제2연결관(P2)가 연결되어 있다.
플라즈마 전극부(264)에는 코일(복수 개의 원들)이 감겨 있으며, 코일에 플라즈마 전원장치(265)로부터 전력이 공급되면, 코일에 의해 둘러싸인 내부에는 강력한 전기장이 형성된다. 플라즈마 가스 공급부(261)로부터 공급된 가스는 강력한 전기장으로부터 에너지를 얻어 플라즈마 상태가 된다.
플라즈마 가스를 생성하는데 사용된 플라즈마 모듈(263) 및 플라즈마 용 가스 공급장치(261)는 일 예를 든 것으로, 본 발명의 효과를 얻기 위한 플라즈마 장치는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
100: 실리카 에어로겔 분말 제조방법
110: 실리카 하이드로겔 생성단계 120: 건조단계
130: 표면특성 조절단계 140: 포집단계
200: 실리카 에어로겔 분말 제조시스템
210: 원료공급부 220: 혼합부
230: 건조부 240: 회수부
250: 보일러/히터 260: 표면특성 조절부
261: 플라즈마용 가스 공급장치 263: 플라즈마 모듈
264: 플라즈마 전극부 265: 플라즈마 전원장치
270: 포집부

Claims (9)

  1. 물유리용액, 무기산, 오가노실란 화합물 및 유기용매를 이용하여 실리카 하이드로겔을 생성하는 실리카 하이드로겔 생성단계;
    상기 실리카 하이드로겔을 건조하여 실리카 에어로겔 분말을 생성하는 건조단계; 및
    플라즈마를 이용하여 상기 실리카 에어로겔 분말의 물 분자와 결합하는 성질을 조절하는 표면특성 조절단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 분말의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 표면특성 조절단계는,
    상기 실리카 에어로겔이 친수성을 가지게 하는 친수성 부여단계; 및
    상기 실리카 에어로겔이 소수성을 가지게 하는 소수성 부여단계 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 분말의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 친수성 부여단계에서는 상기 실리카 에어로겔을 일반 공기, 산소, 질소 또는 이들을 결합한 플라즈마 영역 속으로 통과시키고,
    상기 소수성 부여단계에서는 상기 실리카 에어로겔을 메탄(CH4), 옥탄(C8H18) 및 불화탄소(CF2, CF3) 중 적어도 하나로 이루어진 플라즈마 영역 속으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 분말의 제조방법.
  4. 정재수, 물유리, 오가노실란 화합물, 무기산 및 적어도 한 종류의 유기용매 중 일부의 원료는 혼합하여 그리고 나머지는 그대로 혼합부에 전달하는 원료공급부;
    상기 원료공급부로부터 전달받은 원료들을 혼합하여 실리카 하이드로겔을 생성하는 혼합부;
    상기 실리카 하이드로겔을 건조하여 실리카 에어로겔 분말을 생성하는 건조부;
    상기 혼합부 및 상기 건조부에서 사용된 원료 중 기화되는 일부의 원료를 회수하는 회수부; 및
    상기 건조부로부터 출력되는 상기 실리카 에어로겔 분말의 친수성 및 소수성 중 하나의 성질을 가지게 하는 표면특성 조절부를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 분말 제조시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 실리카 에어로겔 분말 제조시스템은,
    상기 표면특성 조절부로부터 출력되는 친수성 또는 소수성 중 하나의 성질을 가지는 실리카 에어로겔 분말을 수집하는 포집부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 분말 제조시스템.
  6. 제5항에 있어서, 표면특성 조절부는,
    상기 건조부로부터 출력되는 상기 실리카 에어로겔 분말이 상기 포집부로 전달되는 연결관에 연결된 관을 통해 플라즈마 용 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급장치; 및
    상기 연결관에 공급된 상기 가스를 플라즈마 상태가 되도록 하는 플라즈마 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 분말 제조시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마 모듈은,
    상기 연결관을 감싸는 플라즈마 전극부; 및
    상기 플라즈마 전극부에 전원을 공급하는 플라즈마 전원장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 분말 제조시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 플라즈마 가스 공급장치는,
    친수성 용 가스로는 일반 공기, 산소, 질소 또는 이들을 결합한 가스를 상기 연결관에 공급하고,
    소수성 용 가스로는 메탄(CH4), 옥탄(C8H18) 및 불화탄소(CF2, CF3) 중 적어도 하나로 이루어진 가스를 상기 연결관에 공급하는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔 분말 제조시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 혼합부 및 상기 건조부에 열매체를 공급하는 보일러 및
    상기 혼합부 및 상기 건조부에 열풍을 전달하는 히터 중 적어도 하나는 더 포함하는 실리카 에어로겔 분말 제조시스템.
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