KR101938654B1 - 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법 및 이로부터 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고비표면적 및 고기공부피를 갖는 초경량의 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법 및 이를 통하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔에 관한 것이다. 이에 따른 제조방법은 종래 기술 대비 상대적으로 생산비용이 절감되어 경제성이 우수할 뿐 아니라, 건조 시 수축현상이 억제되어 기공구조의 붕괴가 효과적으로 방지될 수 있어 고비표면적 및 고기공부피 등의 고기공 특성을 가지면서 초경량의 특성을 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 고비표면적 및 고기공부피를 갖는 초경량의 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법 및 이를 통하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔에 관한 것이다.
실리카 에어로겔(aerogel)은 90~99.9% 정도의 기공율과 1~100 nm 범위의 기공크기를 갖는 초다공성의 고비표면적 물질로서, 뛰어난 초경량/초단열/초저유전 등의 특성을 갖는 재료이기 때문에 에어로겔 소재 개발연구는 물론 투명단열재 및 환경 친화적 고온형 단열재, 고집적 소자용 극저유전 박막, 촉매 및 촉매 담체, 슈퍼 커패시터용 전극, 해수 담수화용 전극 재료로서의 응용연구도 활발히 진행되고 있다.
실리카 에어로겔의 가장 큰 장점은 종래 스티로폼 등의 유기 단열재보다 낮은 0.300 W/mK 이하의 열전도율을 보이는 슈퍼단열성(super-insulation)이다. 또한, 유기단열재의 치명적인 약점인 화재 취약성과 화재시 유해가스 발생을 해결할 수도 있다.
상기와 같은 실리카 에어로겔은 건조 시 발생하는 수축현상에 의한 구조붕괴를 방지하기 위하여, 소수성의 실리카 에어로겔를 제조한 후 열분해공정을 통해 표면개질제를 제거하는 방법을 통해 제조되고 있다.
구체적으로, 실리카 에어로겔은 TEOS(Tetra ethyl ortho silicate) 또는 물유리를 산촉매로 가수분해시켜 실리카 졸을 제조하고 여기에 염기성 촉매를 첨가하고 축합반응시켜 친수성인 습윤겔을 제조하는 단계(제1 단계); 상기 습윤겔을 숙성시키는 단계(제2 단계); 상기 숙성된 습윤겔을 유기용매에 넣어 습윤겔 내 존재하는 물을 유기용매로 치환시키는 용매치환 단계(제3 단계); 상기 용매치환된 습윤겔에 표면개질제를 첨가하여 장시간 동한 개질반응 시켜 소수성의 습윤겔을 제조하는 단계(제4 단계); 소수성의 습윤겔을 세척하고 건조하여 소수성의 실리카 에어로겔을 제조하는 단계(제5 단계); 및 상기 에어로겔을 열분해하는 단계(제6 단계)를 통해 제조되고 있다.
한편, 근래에는 실리카 에어로겔의 활용 범위를 더욱 확대시키기 위하여 상기 실리카 에어로겔이 본래 가지는 특성에 기계적 물성을 향상시키는 방안이 검토되고 있으며, 일례로 산화금속이 도입된 산화금속-실리카 복합 에어로겔이 개발되고 있다.
일반적으로 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 물유리 용액에 금속이온 용액 및 산촉매를 첨가하고 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 습윤겔을 세척 및 건조하는 단계(단계 2)를 통하여 제조되고 있다(도 1 참고). 그러나, 상기의 방법을 통하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 건조 시 발생하는 심한 수축현상에 의하여 구조가 붕괴되어 비표면적, 기공부피 등이 현저히 저하되는 등 산업에 적용하기에는 부적합한 물성을 나타내는 문제가 있다. 또한, 상기의 수축현상을 억제하기 위하여 건조 전 표면장력이 비교적 낮은 유기용매로 세척하는 단계를 수행하고 있으나, 수축현상 억제 효과에 한계가 있어 고비표면적 및 고기공부피를 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔 제조에는 적합하지 않으며, 다량의 유기용매가 필요하여 경제성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 다량의 유기용매를 필요치 않아 경제성이 우수하면서, 건조 시 수축현상을 효과적으로 억제시킬 수 있어 고비표면적, 고기공부피 특성을 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조할 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래 기술 대비 생산비용이 절감되어 경제성이 우수하면서, 건조 시 수축현상을 효과적으로 억제하여 고비표면적, 고기공부피 등 고기공 특성을 갖는 초경량의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조할 수 있는 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 제조방법으로 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1 물유리 용액에 금속이온 용액을 첨가하고 1차 반응시켜 산화금속-실리카 복합 응집물을 제조하는 단계(단계 1); 상기 응집물에 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매를 첨가하고 2차 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하는 단계(단계 3)를 포함하고, 상기 단계 1의 금속이온 용액은 제1 산촉매를 포함하며, 상기 단계 2의 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 5 부피% 내지 500 부피%로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 제조방법에 의하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제공한다.
본 발명에 따른 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법은 종래 기술 대비 상대적으로 생산비용이 절감되어 경제성이 우수할 뿐 아니라, 건조 시 수축현상이 억제되어 기공구조의 붕괴가 효과적으로 방지될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기의 제조방법으로부터 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 고비표면적 및 고기공부피 등의 고기공 특성을 가지면서 초경량의 특성을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법은 에어로겔 산업에 용이하게 적용할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 구체적인 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래의 일반적인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 1단계 구조강화 공정을 통한 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단계 구조강화 공정을 통한 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1은, 종래의 일반적인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 1단계 구조강화 공정을 통한 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단계 구조강화 공정을 통한 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 고비표면적, 고기공부피 등의 고기공 특성을 가지면서, 초경량 특성을 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 제공한다.
일반적으로 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 물유리 용액에 금속이온 용액 및 산촉매를 첨가하고 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 습윤겔을 세척 및 건조하는 단계(단계 2)를 통하여 제조되고 있다(도 1 참고). 그러나, 상기의 방법을 통하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 건조 시 발생하는 심한 수축현상에 의하여 상기 에어로겔의 망상구조가 붕괴되어 비표면적, 기공부피 등의 기공특성이 좋지 못하여 산업에 적용하기에는 부적합한 문제가 있다. 또한, 상기의 수축현상을 억제하기 위하여 건조 전 표면장력이 비교적 낮은 유기용매로 세척하는 단계를 수행하고 있으나, 수축현상 억제 효과에 한계가 있어 고비표면적 및 고기공부피를 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔 제조에는 적합하지 않으며, 다량의 유기용매가 필요하여 경제성이 저하되는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 생산단가가 절감되어 경제성이 우수하면서, 고비표면적, 고기공부피 등의 고기공 특성을 가지면서 초경량 특성을 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 제공한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1단계 구조강화 공정을 통한 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 2단계 구조강화 공정을 통한 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법은 제1 물유리 용액에 금속이온 용액을 첨가하고 1차 반응시켜 산화금속-실리카 복합 응집물을 제조하는 단계(단계 1); 상기 응집물에 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매를 첨가하고 2차 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하는 단계(단계 3)를 포함하고, 상기 단계 1의 금속이온 용액은 제1 산촉매를 포함하며, 상기 단계 2의 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 5 부피% 내지 500 부피%로 첨가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어 "제1 물유리 용액". "제2 물유리 용액" 및 "제3 물유리 용액"에서 물유리 용액은 물유리에 증류수를 첨가하고 혼합한 희석용액을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 물유리는 이산화규소(SiO2)와 알칼리를 융해해서 얻은 규산알칼리염인 소듐 실리케이트(Sodium silicate, Na2SiO3)일 수 있다. 상기 "제1", "제2" 및 "제3"은 첨가 순서를 구분하기 위한 것일 수 있다. 즉, 상기 "제1 물유리 용액", "제2 물유리 용액" 및 "제3 물유리 용액"은 각각 순차적으로 1차 반응, 2차 반응 및 3차 반응에 첨가되는 물유리 용액을 나타내는 것일 수 있다. 또한, 경우에 따라 각 물유리 용액 내 물유리 농도가 상이함을 나타내는 것일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어 "제1 산촉매", "제2 산촉매" 및 "제3 산촉매"에서 "제1", "제2" 및 "제3"은 첨가 순서를 구분하기 위한 것일 수 있다. 즉, 상기 "제1 산촉매", "제2 산촉매" 및 "제3 산촉매"는 각각 순차적으로 1차 반응, 2차 반응 및 3차 반응에 첨가되는 산촉매를 나타내는 것일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어 "1차 반응", "2차 반응" 및 "3차 반응"은 각각 졸-겔 반응을 나타내는 것일 수 있으며, 상기 "2차 반응" 및 "3차 반응"은 각각 구조강화를 위한 공정일 수 있다. 여기에서, 상기 "졸-겔(sol-gel)반응"은 실리콘이나 금속 알콕사이드 단위 전구체 물질로부터 망상구조를 형성시키는 것으로, 예컨대 실리콘과 물이 반응하여 금속에 하이드록시(-OH) 작용기를 형성하는 가수분해 반응(hydrolysis)이 일어난 후, 두 개의 하이드록시 작용기로부터 하나의 물 분자가 동시에 금속-산소간의 결합을 형성하는 축합반응(condensation)을 거쳐 반응물과 반응물이 서로 연결되어 성장하는 반응을 나타내는 것일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어 "구조강화"는 산화금속-실리카가 형성하는 망상구조 강화를 나타내는 것으로, 졸-겔 반응을 여러 차례 유도함으로써 수행되는 것일 수 있으며, 본 발명에서 사용되는 용어 "구조"는 특별한 언급이 없는 한 망상구조를 나타내는 것일 수 있다. 여기에서, 상기 망상구조(network structure)는 원자배열이 1종 혹은 그 이상의 종류로 되어 있는 어떤 특정한 다각형이 이어진 평면 그물 모양의 구조 또는 특정 다면체의 정점, 모서리, 면 등을 공유하여 3차원 골격구조를 형성하고 있는 구조를 나타내는 것일 수 있다.
상기 단계 1은 산화금속-실리카 복합 응집물을 제조하기 위한 단계로 제1 물유리 용액에 금속이온 용액을 첨가하고 1차 반응시켜 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 1은 반응기에 제1 물유리 용액을 투입한 후 금속이온 용액을 첨가하고 1차 졸-겔 반응을 수행하여 산화금속-실리카 복합 응집물을 제조하는 단계이다. 이때, 상기 산화금속-실리카 복합 응집물은 산화금속-실리카 복합 겔화물을 나타내는 것일 수 있다.
상기 제1 물유리 용액은 용액 내 물유리의 농도가 0.125 M 내지 1.0 M인 것일 수 있다. 즉, 상기 물유리 용액은 0.125 M 내지 1.0 M로 물유리를 함유하는 것일 수 있다. 만약, 상기 물유리 농도가 0.125 M 미만인 경우에는 상기 응집물이 너무 큰 다공성의 망상구조를 형성하게 되고 건조 시 수축현상이 심화되어 결과적으로 매우 높은 탭 밀도 및 낮은 기공율을 갖는 물성이 좋지 못한 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 형성하게 될 수 있으며, 상기 물유리 농도가 1.0 M을 초과하는 경우에는 상기 응집물이 다공성의 망상구조를 형성하지 못하고 치밀한 구조체가 될 수 있어 최종적으로 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 비표면적이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 금속이온 용액은 금속 화합물, 제1 산촉매 및 용매를 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 용매에 금속 화합물을 용해시킨 후 제1 산촉매를 첨가하고 혼합하여 제조된 혼합물일 수 있다. 상기 금속이온 용액은 용액 내 금속이온의 농도가 0.125 M 내지 1.0 M인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속이온 용액은 칼슘 이온(Ca2+)과 마그네슘 이온(Mg2 +)을 포함하는 이성분 금속이온 용액인 것일 수 있으며, 이때 상기 칼슘 이온(Ca2 +)과 마그네슘 이온(Mg2 +)의 몰비는 1:0.3 내지 3.0일 수 있다. 즉, 상기 금속이온 용액은 칼슘 화합물 및 마그네슘 화합물을 용매에 용해시켜 제조된 것일 수 있으며, 상기 칼슘 화합물 및 마그네슘 화합물은 각각 염화칼슘의 수화물 및 염화마그네슘의 수화물일 수 있다. 구체적으로는, 상기 칼슘 화합물은 염화칼슘 2수화물(CaCl2·2H2O)일 수 있고, 상기 마그네슘 화합물은 염화마그네슘 6수화물(MgCl2·6H2O)일 수 있다. 또한, 상기 용매는 상기 칼슘 화합물과 마그네슘 화합물을 충분히 용해시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 증류수일 수 있다.
또한, 상기 금속이온 용액은 pH가 0.1 내지 4일 수 있으며, 상기 pH는 금속이온 용액 내 포함된 제1 산촉매에 의하여 조절된 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 금속이온 용액은 전술한 바와 같이 용매에 금속 화합물을 용해시킨 후 제1 산촉매를 첨가하고 혼합하여 제조된 혼합물일 수 있으며, 상기 제1 산촉매 첨가 전 pH는 8 내지 11일 수 있다. 즉, 상기 금속이온 용액은 제1 산촉매를 포함함으로써 상기 범위의 pH를 나타낼 수 있으며, 이에 후술하는 1차 반응이 용이하게 이뤄질 수 있다. 상기 금속이온 용액 내 제1 산촉매의 함량은 특별히 제한되지 않고 금속이온 용액의 pH가 상기의 범위를 나타내는 양으로 포함하는 것일 수 있다.
상기 제1 산촉매는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 염산, 질산, 아세트산, 황산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다. 상기 제1 산촉매는 후술하는 제2 산촉매 및 제3 산촉매와 동일한 물질이거나 상이한 물질일 수 있다.
또한, 상기 금속이온 용액은 용액 내 금속이온과 제1 물유리 용액 내 물유리 가 용이하게 반응할 수 있는 양으로 첨가하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 상기 금속이온 용액은 제1 물유리 용액과 금속이온 용액이 5:1 내지 1:5의 부피비가 도도록 첨가하는 것일 수 있다. 더욱 구체적으로는 상기 금속이온 용액은 제1 물유리 용액 대비 1:1의 부피비로 첨가하는 것일 수 있다. 만약, 상기 금속이온 용액을 상기 부피비 범위를 갖는 양으로 제1 물유리 용액에 첨가하는 경우에는 서로 상이한 pH를 갖는 제1 물유리 용액과 금속이온 용액이 혼합되어 1차 반응에 용이한 pH 범위를 조성함으로써 산화금속-실리카 복합 응집물이 용이하게 제조될 수 있다.
이때, 상기 1차 반응은 pH 4 내지 7에서 수행되는 것일 수 있으며, 상기 1차 반응의 pH 범위는 전술한 바와 같이 서로 상이한 pH를 갖는 제1 물유리 용액과 금속이온 용액을 상기 부피비로 혼합함으로써 조절되는 것일 수 있다.
또한, 상기 1차 반응은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 교반하면서 수행하는 것일 수 있으며, 상기 교반은 마그네틱 바 또는 mechanical mixer를 이용하여 100 rpm 내지 500 rpm으로 회전시키는 것일 수 있다.
상기 단계 2는 망상구조가 강화된 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하기 위한 단계로, 상기 산화금속-실리카 복합 응집물에 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매를 첨가하고 2차 반응시켜 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매는 상기 산화금속-실리카 복합 응집물에 순차적으로 첨가하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 2차 반응은 상기 산화금속-실리카 복합 응집물 내 망상구조를 강화시키기 위한 구조강화 공정으로, 상기 산화금속-실리카 복합 응집물에 제2 물유리 용액을 첨가하여 가수분해 반응을 일으킨 후 제2 산촉매를 첨가하여 축합반응을 유도함으로써 수행할 수 있다.
상기 제2 물유리 용액은 전술한 바와 같이 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 5 부피% 내지 500 부피%로 첨가하는 것일 수 있다. 구체적으로는, 상기 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 5 부피% 내지 300 부피%, 더욱 구체적으로는 20 부피% 내지 200 부피%로 첨가하는 것일 수 있다. 또한, 상기 제2 물유리 용액 내 물유리의 농도가 0.5 M 내지 3.0 M인 것일 수 있으며, 구체적으로는 0.8 M 내지 2.0 M인 것일 수 있다.
또한, 상기 제2 산촉매는 제2 산촉매 첨가 전 pH 대비 첨가 후 pH가 40% 내지 65% 수준으로 감소되는 양으로 첨가하는 것일 수 있으며, 예컨대 제2 산촉매 첨가 전 pH는 8 내지 10일 수 있고 제2 산촉매 첨가 후 pH는 4 내지 6일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 단계 2의 2차 반응 이후에 제3 물유리 용액 및 제3 산촉매를 첨가하고 3차 반응시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 3차 반응은 2차 반응과 마찬가지로 구조강화 공정 일 수 있으며, 상기 제3 물유리 용액 및 제3 산촉매는 순차적으로 첨가하는 것일 수 있다. 즉, 상기 2차 반응과 마찬가지로 제3 물유리 용액을 첨가하여 가수분해를 일으킨 후 제3 산촉매를 첨가하여 축합반응을 유도함으로써 수행할 수 있다.
여기에서, 상기 제3 물유리 용액은 전술한 제2 물유리 용액과 총 합계량이 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 20 부피% 내지 200 부피%가 되도록 첨가하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제3 물유리 용액은 제2 물유리 용액의 첨가량에 따라 조절되는 것일 수 있으며, 예컨대 상기 제2 물유리 용액과 제3 물유리 용액을 합하여 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 총 100 부피%로 첨가할 때, 상기 제2 물유리 용액으로 60 부피%를 첨가하면 제3 물유리 용액은 나머지 40 부피%로 첨가하는 것일 수 있다.
또한, 상기 제2 물유리 용액과 제3 물유리 용액은 총 합계량이 제1 물유리 용액 대비 전술한 비율로 첨가하는 것이면 크게 제한하지 않고 목적하는 바에 따라 적절한 비율로 나누어 첨가하는 것일 수 있으나, 상기 제2 물유리 용액이 제3 물유리 용액 대비 상대적으로 더 큰 비율을 가지거나, 동일한 비율은 갖는 것일 수 있다.
또한, 상기 제3 물유리 용액 내 물유리 농도는 0.5 M 내지 3.0 M일 수 있으며, 구체적으로는 0.8 M 내지 2.0 M인 것일 수 있다. 이때, 상기 제3 물유리 용액은 제2 물유리 용액과 동일한 것이거나, 상이한 것일 수 있다. 즉, 제2 물유리 용액과 제3 물유리 용액은 동시에 동일 농도로 만들어진 것을, 목적에 따라 분할하여 각각 2차 반응 및 3차 반응에 사용한 것일 수 있다.
상기 제3 산촉매는 제3 산촉매 첨가 전 pH 대비 첨가 후 pH가 40% 내지 65% 수준으로 감소되는 양으로 첨가하는 것일 수 있으며, 예컨대 제3 산촉매 첨가 전 pH는 8 내지 10일 수 있고 제3 산촉매 첨가 후 pH는 4 내지 6일 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참고하여 상기 2차 반응 및 3차 반응을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 단계 1에서 제조된 산화금속-실리카 복합 응집물 내 망상구조를 강화시키기 위한 구조강화 공정을 포함할 수 있으며, 상기 구조강화 공정은 2차 반응만 수행한 1단계 구조강화 공정(도 2 참고) 또는 2차 반응 및 3차 반응을 순차적으로 수행한 2단계 구조강화 공정(도 3 참고)일 수 있으며, 구체적으로는 2차 반응 및 3차 반응을 순차적으로 수행한 2단계 구조강화 공정(도 3 참고)일 수 있다.
구체적으로, 도 2를 참고하면 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 산화금속-실리카 복합 응집물에 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매를 순차적으로 첨가하고 2차 반응시킴으로써 망상구조가 강화된 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조할 수 있다.
또한, 도 3을 참고하면 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제조방법은 산화금속-실리카 복합 응집물에 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매를 순차적으로 첨가하고 2차 반응(1차 구조강화 공정)시켜 망상구조가 강화된 제1 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하고, 제조된 제1 산화금속-실리카 복합 습윤겔에 제3 물유리 용액 및 제3 산촉매를 순차적으로 첨가하고 3차 반응(2차 구조강화 공정)시킴으로써 망상구조가 더욱 강화된 제2 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 전술한 바와 같이 2차 반응 또는 2차 반응 및 3차 반응을 통한 구조강화 공정을 수행함으로써 구조가 강화된 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조할 수 있으며, 이에 후술하는 건조 시에 발생하는 수축현상이 억제될 수 있어 구조붕괴가 억제될 수 있으며 결과적으로 고비표면적, 고기공부피 등의 고기공 특성을 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법은 상기 2차 반응 및 3차 반응 이후에 제4 물유리 용액 및 제4 산촉매를 첨가하고 4차 반응시키는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 3차 구조강화 공정을 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제4 물유리 용액은 제2 물유리 용액 및 제3 물유리 용액과의 총 합계량이 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 20 부피% 내지 200 부피%가 되도록 첨가하는 것일 수 있고, 상기 제2 물유리 용액 및 제3 물유리 용액의 첨가량에 따라 조절되는 것일 수 있다.
또한, 상기 제4 물유리 용액은 제2 물유리 용액과 동일한 물유리 농도를 갖는 동일 물질인 것일 수 있고, 상기 제4 산촉매는 제1 산촉매와 동일하거나 포함되는 것일 수 있다.
또한, 상기 4차 반응은 2차 반응과 동일한 조건하에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 단계 3은 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하기 위하여 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하는 단계이다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 건조 전 세척하는 단계를 더 수행할 수 있으며, 상기 세척은 반응 중 발생된 불순물(예컨대, 미반응물, 부산물 등)을 제거하여 고순도의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 얻기 위한 것으로 특별히 제한되지 않고 당업계에 통상적인 방법을 통하여 수행하는 것일 수 있다.
예컨대, 상기 세척은 산화금속-실리카 복합 습윤겔에 증류수 또는 유기용매를 첨가하고, 20분 내지 1시간 동안 교반하여 수행하는 것일 수 있으며, 상기 유기용매는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 알코올일 수 있다. 만약, 상기 세척을 유기용매를 사용하여 수행할 경우에는 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔 내 존재하는 수분이 상대적으로 표면장력이 낮은 알코올로 치환됨으로써 건조 시 발생하는 수축현상이 추가적으로 억제될 수 있다.
상기 건조는 상기 산화금속 실리카 복합 습윤겔에서 수층을 분리하여 제거한 후 100℃ 내지 190℃의 온도 조건 하에서 1시간 내지 4시간 동안 상압건조하여 수행하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 제조방법에 의하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 에어로겔은 산화금속이 실리카에 도핑되어 있는 것일 수 있으며, 상기 산화금속은 산화마그네슘(MgO) 및 산화칼슘(CaO)의 조합일 수 있다. 즉, 상기 에어로겔은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO) 및 실리카(SiO2)를 포함하는 것일 수 있다.
여기에서, 상기 도핑(doping)은 순수한 물질에 제한된 양의 외부 물질을 첨가하는 것을 나타내는 것으로, 예컨대 실리카의 망상구조 내에 산화금속이 결합되어 있는 것을 나타내는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 에어로겔은 비표면적이 400 m2/g 내지 800 m2/g이고, 탭 밀도가 0.12 g/ml 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 기공부피가 1.2 cm3/g 내지 3.0 cm3/g일 수 있으며, 기공직경이 10 nm 내지 25 nm인 것일 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 2에 나타낸 바와 같은 단계를 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
구체적으로, 제1 물유리 용액(물유리 농도 0.33 M)에 염산을 포함하는 금속이온 용액(금속이온 농도 0.5 M, Mg2 +:Ca2 +=2:1 몰비)을 물유리 용액 대비 1:1의 부피비로 첨가하여 산화금속-실리카 복합 응집물을 제조하였다. 상기 응집물에 제2 물유리 용액(물유리 농도 0.5 M)을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 134 부피%로 첨가하여 혼합한 후 염산을 pH 5(첨가 전 pH 대비 60% 수준)가 될 때까지 첨가하고 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 제조된 산화금속 실리카 복합 습윤겔을 에탄올로 세척한 후 함수율 100%내로 고/액분리하고, 150℃의 오븐에서 1시간 동안 상압건조시켜 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 총 반응시간은 2시간이었다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1이었다.
실시예 2
제2 물유리 용액으로 물유리 농도 0.83 M인 것을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 80.7 부피%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2 + 및 Ca2 +)의 몰비가 2:1이었다.
실시예 3
제2 물유리 용액으로 물유리 농도 3.0 M인 것을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 22.3 부피%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1 이었다.
실시예 4
도 3에 나타낸 바와 같은 단계를 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
구체적으로, 제1 물유리 용액(물유리 농도 0.33 M)에 염산을 포함하는 금속이온 용액(금속이온 농도 0.5 M, Mg2 +:Ca2 +=2:1 몰비)을 물유리 용액 대비 1:1의 부피비로 첨가하여 산화금속-실리카 복합 응집물을 제조하였다. 상기 응집물에 제2 물유리 용액(물유리 농도 0.83 M)을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 40.35 부피%로 첨가하여 혼합한 후 염산을 pH 5(첨가 전 pH 대비 60% 수준)가 될 때까지 첨가하고 반응시켜 제1 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 여기에 제3 물유리 용액(물유리 농도 0.83 M)을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 40.35 부피%로 첨가하여 혼합한 후 염산을 pH 5(첨가 전 pH 대비 60% 수준)가 될 때까지 첨가하고 반응시켜 제2 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 제조된 제2 산화금속 실리카 복합 습윤겔을 에탄올로 세척한 후 함수율 100%내로 고/액분리하고, 150℃의 오븐에서 1시간 동안 상압건조시켜 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 총 반응시간은 2시간이었다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1이었다.
실시예 5
제2 물유리 용액 및 제3 물유리 용액으로 물유리 농도 2 M인 것을 각각 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 16.75 부피%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2 + 및 Ca2 +)의 몰비가 2:1이었다.
실시예 6
제1 물유리 용액(물유리 농도 0.33 M)에 염산을 포함하는 금속이온 용액(금속이온 농도 0.5 M, Mg2 +:Ca2 +=2:1 몰비)을 물유리 용액 대비 1:1의 부피비로 첨가하여 산화금속-실리카 복합 응집물을 제조하였다. 상기 응집물에 제2 물유리 용액(물유리 농도 0.83 M)을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 26.9부피%로 첨가하여 혼합한 후 염산을 pH 5(첨가 전 pH 대비 60% 수준)가 될 때까지 첨가하고 반응시켜 제1 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 여기에 제3 물유리 용액(물유리 농도 0.83 M)을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 26.9 부피%로 첨가하여 혼합한 후 염산을 pH 5(첨가 전 pH 대비 60% 수준)가 될 때까지 첨가하고 반응시켜 제2 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 여기에 제4 물유리 용액(물유리 농도 0.83 M)을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 26.9 부피%로 첨가하여 혼합한 후 염산을 pH 5(첨가 전 pH 대비 60% 수준)가 될 때까지 첨가하고 반응시켜 제3 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 제조된 제3 산화금속 실리카 복합 습윤겔을 에탄올로 세척한 후 함수율 100%내로 고/액분리하고, 150℃의 오븐에서 1시간 동안 상압건조시켜 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 총 반응시간은 2시간이었다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2 + 및 Ca2 +)의 몰비가 2:1이었다.
실시예 7
제1 물유리 용액으로 물유리 농도 0.25 M인 것을 사용하고, 제2 물유리 용액을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 90.4 부피%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2 + 및 Ca2+)의 몰비가 2:1이었다.
실시예 8
제1 물유리 용액으로 물유리 농도 0.25 M인 것을 사용하고, 제2 물유리 용액과 제3 물유리 용액을 각각 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 45.2 부피%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1이었다.
실시예 9
제1 물유리 용액으로 물유리 농도 0.25 M인 것을 사용하고, 제2 물유리 용액과 제3 물유리 용액을 각각 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 18.75 부피%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1이었다.
실시예 10
금속이온 용액으로 금속이온 농도 0.13 M인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 1:0.13 이었다.
실시예 11
금속이온 용액으로 금속이온 농도 1.0 M인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 1:1 이었다.
비교예 1
도 1에 나타낸 바와 같은 단계를 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
구체적으로, 물유리 용액(물유리 농도 0.5 M)에 염산을 포함하는 금속이온 용액(금속이온 농도 0.17M, Mg2 +:Ca2 +=2:1 몰비)을 물유리 용액 대비 1:1.4의 부피비로 첨가하고 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 에탄올로 세척한 후 함수율 100%내로 고/액분리하고, 150℃의 오븐에서 1시간 동안 상압건조시켜 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 총 반응시간은 2시간이었다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1 이었다.
비교예 2
물유리 농도 1.0 M인 물유리 용액을 사용하고, 금속이온 농도 0.33 M인 금속이온 용액을 물유리 용액 대비 1:1.5 부피비로 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1이었다.
비교예 3
제2 물유리 용액으로 물유리 농도 0.25 M인 것을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 268 부피%로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1이었다.
비교예 4
제2 물유리 용액으로 물유리 농도 4.0 M인 것을 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 16.8부피%로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 2:1이었다.
비교예 5
금속이온 용액으로 금속이온 농도 0.05 M인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 1:0.05이었다.
비교예 6
금속이온 용액으로 금속이온 농도 1.5 M인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일한 방법을 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 전체 반응에 사용된 물유리 용액 내 실리카(SiO2) 대 금속이온 용액 내 금속이온(Mg2+ 및 Ca2+)의 몰비가 1:1.5이었다.
실험예
상기 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 6에서 제조한 각 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 물성 비교 분석을 위하여, 각 에어로겔의 탭 밀도(tap density, g/ml), 비표면적(BET, m2/g), 기공부피(Vpore, cm3/g) 및 기공직경(Dpore, nm)을 측정하였다. 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
1) 탭 밀도(tap density, g/ml)
탭 밀도는 탭 밀도 측정기(Jolting Volumeter Type STAVII)를 이용하여 2500회 Tapping 후 측정하였다.
2) 비표면적(BET, m2/g), 기공부피(Vpore, cm3/g) 및 기공직경(Dpore, nm)
비표면적, 기공부피 및 기공직경은 ASAP 2010 장치(Micrometrics 社)를 이용하여 부분압(0.11<p/p0<1)에 따른 질소의 흡/탈착량으로 분석하였다.
| 구분 | 탭 밀도(g/ml) | 비표면적(m2/g) | 기공부피(cm3/g) | 기공직경(nm) |
| 실시예 1 | 0.11 | 450 | 1.36 | 10.5 |
| 실시예 2 | 0.10 | 500 | 1.98 | 10.4 |
| 실시예 3 | 0.12 | 450 | 1.24 | 10.0 |
| 실시예 4 | 0.09 | 700 | 2.51 | 12.8 |
| 실시예 5 | 0.09 | 650 | 2.01 | 12.2 |
| 실시예 6 | 0.09 | 700 | 2.49 | 12.7 |
| 실시예 7 | 0.09 | 490 | 1.31 | 11.4 |
| 실시예 8 | 0.08 | 670 | 2.30 | 13.4 |
| 실시예 9 | 0.09 | 625 | 1.86 | 10.2 |
| 실시예 10 | 0.11 | 530 | 1.26 | 10.4 |
| 실시예 11 | 0.11 | 550 | 1.20 | 10.1 |
| 비교예 1 | 0.085 | 400 | 0.47 | 8.8 |
| 비교예 2 | 0.092 | 380 | 0.51 | 4.9 |
| 비교예 3 | 0.16 | 500 | 1.60 | 13.0 |
| 비교에 4 | 0.25 | 350 | 0.70 | 10.7 |
| 비교예 5 | 0.13 | 535 | 0.94 | 9.8 |
| 비교예 6 | 0.14 | 480 | 0.89 | 9.5 |
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 따라 제조된 실시예 1 내지 11의 산화금속-실리카 복합 에어로겔이 비교예 1 내지 6 의 산화금속-실리카 복합 에어로겔에 비하여 전반적으로 비표면적, 기공부피 및 기공직경이 증가하고 탭 밀도가 낮은 것을 확인하였다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2에 나타난 바와 같은 구조강화 단계를 통해 제조된 실시예 1의 산화금속-실리카 복합 에어로겔과 구조강화 단계를 포함하지 않는 제조방법에 의하여 제조된 비교예 1 및 비교예 2의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 비교한 결과, 사용된 실리카 및 금속이온의 비율이 동일함에도 불구하고 실시예 1의 산화금속-실리카 복합 에어로겔이 비교예 1 및 비교예 2의 산화금속-실리카 복합 에어로겔 대비 유사한 정도의 탭 밀도를 나타내면서 각각 기공부피가 290% 및 270% 수준, 기공직경이 120% 및 210% 수준 및 비표면적이 110% 및 120% 수준으로 증가하였다. 이는, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법은 구조강화 단계를 포함함으로써 목적하는 우수한 물성을 갖는 에어로겔을 용이하게 제조할 수 있음을 나타내는 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예 따른 도 2에 나타난 바와 같이 구조강화 단계를 통해 제조하되 제2 물유리 용액의 물유리 농도가 본 발명에서 제시하는 농도보다 낮은 것을 사용하여 제조된 비교예 3의 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 경우 실시예 1의 산화금속-실리카 복합 에어로겔과 비교하여 실리카 및 금속이온의 총 사용 비율이 동일하고 같은 구조강화 단계를 거쳐 제조되었음에도 불구하고 탭 밀도가 45% 이상 크게 증가하였다.
아울러, 본 발명의 일 실시예 따른 도 2에 나타난 바와 같이 구조강화 단계를 통해 제조하되 제2 물유리 용액의 물유리 농도가 본 발명에서 제시하는 농도보다 높은 것을 사용하여 제조된 비교예 4의 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 경우 실시예 3의 산화금속-실리카 복합 에어로겔과 비교하여 실리카 및 금속이온의 총 사용 비율이 동일하고 같은 구조강화 단계를 거쳐 제조되었음에도 불구하고 탭 밀도가 220% 이상 크게 증가하고 비표면적 및 기공부피는 각각 78% 및 50% 수준으로 급격히 감소하였다. 이는, 본 발명의 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 구조강화 단계에서 사용되는 제2 물유리 용액의 농도가 목적하는 물성의 에어로겔을 제조하는 데 중요한 일 요소일 수 있음을 나타내는 것이다.
Claims (24)
1) 제1 물유리 용액에 금속이온 용액을 첨가하고 1차 반응시켜 산화금속-실리카 복합 응집물을 제조하는 단계;
2) 상기 응집물에 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매를 첨가하고 2차 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계; 및
3) 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하는 단계를 포함하고,
상기 단계 1)의 금속이온 용액은 제1 산촉매를 포함하고, 금속이온 용액 내 금속이온의 농도는 0.125 M 내지 1.0 M이며,
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 5 부피% 내지 500 부피%로 첨가하고, 상기 제2 물유리 용액 내 물유리의 농도는 0.5 M 내지 3.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
2) 상기 응집물에 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매를 첨가하고 2차 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계; 및
3) 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하는 단계를 포함하고,
상기 단계 1)의 금속이온 용액은 제1 산촉매를 포함하고, 금속이온 용액 내 금속이온의 농도는 0.125 M 내지 1.0 M이며,
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 5 부피% 내지 500 부피%로 첨가하고, 상기 제2 물유리 용액 내 물유리의 농도는 0.5 M 내지 3.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 물유리 용액 내 물유리의 농도는 0.125 M 내지 1.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 제1 물유리 용액 내 물유리의 농도는 0.125 M 내지 1.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 금속이온 용액은 칼슘 이온(Ca2 +)과 마그네슘 이온(Mg2 +)을 포함하는 이성분 금속이온 용액인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 금속이온 용액은 칼슘 이온(Ca2 +)과 마그네슘 이온(Mg2 +)을 포함하는 이성분 금속이온 용액인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 금속이온 용액 내 칼슘 이온(Ca2 +)과 마그네슘 이온(Mg2 +)의 몰비는 1:0.3 내지 3.0인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 금속이온 용액 내 칼슘 이온(Ca2 +)과 마그네슘 이온(Mg2 +)의 몰비는 1:0.3 내지 3.0인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 금속이온 용액은 pH가 8 내지 11인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 금속이온 용액은 pH가 8 내지 11인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 금속이온 용액은 제1 물유리 용액 대 금속이온 용액이 5:1 내지 1:5의 부피비가 되도록 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 금속이온 용액은 제1 물유리 용액 대 금속이온 용액이 5:1 내지 1:5의 부피비가 되도록 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 1)의 1차 반응은 pH 4 내지 7에서 수행되는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 단계 1)의 1차 반응은 pH 4 내지 7에서 수행되는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 5 부피% 내지 300 부피%로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 5 부피% 내지 300 부피%로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 20 부피% 내지 200 부피%로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액은 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 20 부피% 내지 200 부피%로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액 내 물유리의 농도는 0.8 M 내지 2.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액 내 물유리의 농도는 0.8 M 내지 2.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매는 순차적으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 단계 2)의 제2 물유리 용액 및 제2 산촉매는 순차적으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 제2 산촉매는 제2 산촉매 첨가 전 pH 대비 첨가 후 pH가 40% 내지 65% 수준으로 감소되는 양으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 제2 산촉매는 제2 산촉매 첨가 전 pH 대비 첨가 후 pH가 40% 내지 65% 수준으로 감소되는 양으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 2차 반응은 pH 4 내지 6에서 수행되는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 2차 반응은 pH 4 내지 6에서 수행되는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 2) 이후에 제3 물유리 용액 및 제3 산촉매를 첨가하고 3차 반응시키는 단계를 더 포함하고,
상기 제3 물유리 용액은 제2 물유리 용액과의 총 합계량이 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 20 부피% 내지 200 부피%가 되도록 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 단계 2) 이후에 제3 물유리 용액 및 제3 산촉매를 첨가하고 3차 반응시키는 단계를 더 포함하고,
상기 제3 물유리 용액은 제2 물유리 용액과의 총 합계량이 제1 물유리 용액 100 부피% 대비 20 부피% 내지 200 부피%가 되도록 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 16에 있어서,
상기 제3 물유리 용액 내 물유리 농도는 0.5 M 내지 3.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 제3 물유리 용액 내 물유리 농도는 0.5 M 내지 3.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 16에 있어서,
상기 제3 물유리 용액 및 제3 산촉매는 순차적으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 제3 물유리 용액 및 제3 산촉매는 순차적으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 18에 있어서,
상기 제3 산촉매는 제3 산촉매 첨가 전 pH 대비 첨가 후 pH가 40% 내지 65% 수준으로 감소되는 양으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 제3 산촉매는 제3 산촉매 첨가 전 pH 대비 첨가 후 pH가 40% 내지 65% 수준으로 감소되는 양으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 16에 있어서,
상기 제1 산촉매, 제2 산촉매 및 제3 산촉매는 서로 독립적으로 염산, 질산, 아세트산, 황산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 제1 산촉매, 제2 산촉매 및 제3 산촉매는 서로 독립적으로 염산, 질산, 아세트산, 황산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 3)의 건조는 100℃ 내지 190℃이 온도 조건 하에서 1시간 내지 4시간 동안 상압건조하여 수행하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
상기 단계 3)의 건조는 100℃ 내지 190℃이 온도 조건 하에서 1시간 내지 4시간 동안 상압건조하여 수행하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
비표면적이 400 m2/g 내지 800 m2/g이고, 탭 밀도가 0.12 g/ml 이하이며, 기공직경이 10 nm 내지 25 nm이고, 기공부피가 1.2 cm3/g 내지 3.0 cm3/g인 청구항 1에 기재된 제조방법으로부터 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔.
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