KR20040106097A

KR20040106097A - 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법

Info

Publication number: KR20040106097A
Application number: KR1020030037301A
Authority: KR
Inventors: 문병영; 김흥섭
Original assignee: 주식회사 나노피크; 김학철
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2004-12-17

Abstract

본 발명은 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법을 게시한다. 본 발명에 따른 코팅 방법은, 다공성 실리카 겔이 가지는 3차원적 구조에 기초한 기계적 용도가 발현되도록 실리카 겔을 코팅 처리하는 방법에 대한 것으로서, (a) 규산 나트륨으로부터 미세 기공이 있는 다공성 실리카 겔 분말을 생성하는 단계; (b) 액체 분위기에서 상기 실리카 겔 분말의 단위 입자 표면에 존재하는 친수성기를 소수화하는 단계; 및 (c) 상기 소수화된 실리카 겔을 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 다공성 실리카 겔의 3차원적 구조에 기초한 충격 감쇄와 같은 기계적 특성의 발현이 다공성 실리카 겔에서 이루어진다.

Description

다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법{Method for hydrophobic coating of mesoporous silica gel}

본 발명은 다공성 무기재료 물질의 코팅 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 충격 감쇄용 물질로 이용되는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅처리 방법에 대한 것이다.

산업용 다공성 실리카 겔((OH)₃Si-O-Si(OH)₃)은 인위적으로 제조되는 비정질 실리카의 일종으로 큰 다공성도와 높은 순도를 가지는 것이 특징이다.

일반적으로 실리카 겔은 하기 화학식1과 같이 규산 나트륨을 황산과 반응시켜 규산을 얻은 후, 하기 화학식2와 같이 규산에서 물을 제거(탈수축합 반응)하여얻는다.

<화학식1>

Na₂O₃.3SiO₂+ H₂SO₄→ Si(OH)₄+ Na₂SO₄

<화학식2>

2Si(OH)₄→ (HO)₃Si-O-Si(OH)₃+ H₂O

상기 화학식2에 의해 얻어지는 실리카 겔은 균일한 크기의 초기 입자를 구성하며, 실리카 겔의 다공성도를 좌우하는 3차원적 구조는 실록세인(siloxane) 결합의 전파(단량체→올리고머(oligomer)→중합체→집합체)에 의해 얻어진다.

도1은 실리카 겔의 제조 방법에서 입자 생성의 초기 조건을 제어함으로써 얻을 수 있는 실리카 겔의 다양한 3차원적 구조를 보여주고 있다. 도1의 (a)는 단일 유로 구조를, 도1의 (b)는 이중유로 구조를, 도1의 (c)는 미로 구조를 그리고 도1의 (d)는 내부에 중공이 있는 중공구조를 보여준다. 각 구조의 실리카 겔은 공통적으로 나노 레벨의 미세한 기공을 가진다.

도1에 도시된 바와 같이, 다공성 실리카 겔은 미세 기공 및/또는 중공을 가지고 있기 때문에 큰 표면적을 가지게 된다. 예를 들어, 한 티스푼의 실리카 겔은 테니스 코트의 면적보다 큰 표면적을 가진다. 또한, 실리카 겔은 하이드록실 그룹인 OH 기를 가지고 있어서 물에 대한 강한 친화력을 가지고 있다. 이에 따라, 실리카 겔은 수분 흡착제로서의 용도로 널리 이용되고 있다. 실리카 겔은 그 이외에도 페인트 생산과정에서는 소광제(광택제어물질)로, 석유화학에서는 필름이 달라붙는것을 막아주는 개구제(antiblocking agent)로, 맥주 제조 공정에서는 단백질을 흡착하여 저장기간을 늘려주는 흡착제 등으로 다양하게 이용된다. 이러한 실리카 겔의 용도들은 모두 실리카 겔의 독특한 화학적 또는 물리적 특성에서 비롯된 것들이다.

한편, 도1에서 볼 수 있듯이 실리카 겔은 미시적인 관점에서 적절한 방법만 있다면 미세 기공을 통해 입자 내부에 있는 공기를 압축시켰다가 다시 팽창시킴으로써 일을 발생시킬 수 있는 독특한 구조를 가지고 있다. 만약 실리카 겔 내부에서 공기 압축 및 팽창이 가역적으로만(비록 근사적이더라도) 이루어진다면 실리카 겔은 흡습제로서의 용도 이외에 다양한 기계적 용도가 발현될 수 있다.

하지만 상기 미세 기공을 통한 공기 압축 및 팽창은 미세 기공의 사이즈(나노 레벨)와 그 크기의 불균일성을 고려할 때 피스톤과 같은 기계적 방식의 적용은 상식적으로 불가능하다. 만약, 실리카 겔의 미세 기공을 통한 공기 압축 및 팽창을 실현하고자 한다면 미세 기공을 통한 유체 유동 방식이 거론될 수 있다.

실리카 겔의 입자 내부에서 유체를 방출시키는 방법은 별론으로 하고, 유체를 실리카 겔의 미세 기공으로 유입시키는 일 방법으로는 실리카 겔을 소액성 유체, 예컨대 물에 분산시켜 비 침전 상태인 콜로이드 상으로 만들고 외부에서 콜로이드 유체에 압력을 인가해 주는 방법을 상정해 볼 수 있다. 하지만, 전술한 바와 같이 상기 실리카 겔은 기본적으로 친수성기인 OH 기를 함유하여 강한 친수성을 띄기 때문에, 실리카 겔 입자 내에 물 유입을 위한 압력이 인가되기도 전에 이미 물이 입자의 내부로 침투되어 버려 상기한 바와 같은 입자 내 공기 압축은 효율적으로 이루어지지 않는 문제가 있다.

또한 어떠한 방법이 되었든 실리카 겔의 미세 기공을 통해 유체를 유입하여 입자 내부의 공기를 압축시켰다 하여도 미세 기공을 통한 유체의 방출 또한 원활하게 이루어지지 않는다. 그 이유는 상술한 바와 같이 실리카 겔 입자가 강한 친수성을 띄기 때문이다.

결국, 종래의 실리카 겔로는 실리카 겔의 물리적 또는 화학적 물성에 기초한 용도 이외에 실리카 겔 입자의 구조를 이용한 기계적 용도를 발현시키는 데는 근본적인 한계가 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 다공성 실리카 겔이 가지는 3차원 구조를 이용하여 실리카 겔을 전혀 새로운 용도, 즉 기계적 용도(예컨대, 충격 감쇄 등)로도 사용될 수 있도록 하는 실리카 겔의 코팅 처리 방법을 제공하는데 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도1은 다공성 실리카 겔 입자의 각종 3차원적 구조를 도시한 입자 구조도.

도2는 상기 실리카 겔 입자의 미세 기공에 형성된 소수화 코팅층의 화학 결합 태양을 도시한 화학 결합도.

도3은 본 발명의 실시예에 따라 소수화 코팅 처리된 실리카 겔을 이용한 콜로이드 감쇄기의 구조를 도시한 단면도.

도4는 상기 실리카 겔 입자의 미세 기공에 형성되는 물유입 반항력을 설명하기 위한 도면.

도5는 상기 콜로이드 감쇄기를 병과 병목 이론으로 모델링하고 피스톤의 압축과 복원 과정을 열역학적으로 설명하기 위한 도면.

도6은 상기 콜로이드 감쇄기에 외란이 인가될 때 실리카 겔 입자의 미세 기공으로 물이 유입되는 과정을 도시한 도면.

도7은 상기 콜로이드 감쇄기의 압축과 복원 과정을 열역학적으로 해석하기 위한 PV 상태도.

도8은 실험을 통하여 얻은 상기 콜로이드 감쇄기의 에너지 이력 곡선.

도9는 포이젤 유동 모델에 의한 유체 유동 개념을 설명하기 위한 도면.

도10은 포이젤 클리핑 모델에 의한 유체 유동 개념을 설명하기 위한 도면.

도11은 실리콘 오일과 실리카 겔 입자와, 물과 실리카 겔 입자를 이용한 콜로이드 감쇄기에 외란이 작용했을 때의 압력변화 사이클을 보여 주는 그래프.

도12 및 도13은 본 출원인이 실험을 수행할 때 사용한 장치의 구성도.

도14 내지 도23은 상기 실험을 통하여 얻은 각종 그래프.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법은, 다공성 실리카 겔이 가지는 3차원적 구조에 기초한 기계적 용도가 발현되도록 실리카 겔을 코팅처리하는 방법에 있어서, (a) 규산 나트륨으로부터 미세 기공이 있는 다공성 실리카 겔 분말을 생성하는 단계; (b) 액체 분위기에서 상기 실리카 겔 분말의 단위 입자 표면에 존재하는 친수성기를 소수화하는 단계; 및 (c) 상기 소수화된 실리카 겔을 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 실리카 겔 입자는 기계적 용도의 발현을 위해 나노 사이즈의 미세 기공을 가지는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 상기 미세 기공은 1~10nm 의 디멘션을 가진다.

본 발명에 있어서, 상기 실리카 겔 입자는 기계적 용도의 발현을 위해 미로구조, 단일유로 구조, 이중유로 구조 또는 미로구조를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계는, 규산 나트륨을 증류수 분위기에서 황산과 반응시키는 단계; 및 상기 반응 결과물을 건조시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 친수성기의 소수화는 실리카 겔 입자 표면의 친수성기와 할로겐화된 실란, 할로겐화된 알킬실란 또는 디메칠라민실란과의 화학반응에 의해 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 액상 분위기는 무수화 톨루엔이 제공한다.

본 발명은, 상기 (c) 단계를 진행하기 전에 소수화된 실리카 겔을 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 세정은 무수화 톨루엔, 툴루엔, 아세톤, 아세톤과 물의 혼합물, 아세톤 또는 디에틸에테르를 이용하여 이루어진다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법은 다공성 실리카 겔이 가지는 3차원적 구조에 의해 기계적 용도가 발현되도록 실리카 겔을 코팅 처리하는 방법에 대한 것이다. 이를 위해, 먼저 규산 나트륨으로부터 미세 기공이 있는 다공성 실리카 겔 분말을 생성한다. 본 발명의 실시예에서는, 상기 실리카 겔 분말을 생성하기 위해 규산 나트륨을 증류수 분위기에서 24시간 동안 황산과 반응시킨 다음, 반응 결과물을 진공 분위기 및 약 80 ℃의 온도에서 4시간 동안 건조시킨다. 이러한 실리카 겔 제조 방법은 당업자에게 공지된 일 방법이며 여기에서 설명된 방법 이외에도 당업자에게 공지된 여러 가지 다른 방법에 의해 다공성 실리카 겔 분말의 제조가 가능함은 물론이다. 이렇게 생성된 실리카 겔 분말은 미세 기공을 가지기 때문에 큰 표면적을 가지며 어느 정도 친수성기인 OH 기를 가진다(입자의 내부와 표면에). 본 발명의 실시예를 통하여 생성되는 실리카 겔 분말은 도1의 (c)에 도시된 미로 구조를 가진다. 그리고 실리카 겔 입자에 있는 미세 기공의 디멘션은 나노 사이즈 레벨, 예컨대 1~10nm 의 크기를 가진다. 한편 본 발명의 실시예에서 적용된 방법과 다른 방법이 사용되면 도1의 (a), (b) 및 (d)에 도시된 3차원적 구조도 구현 가능함은 물론이다.

상기한 바에 따라 실리카 겔 분말이 얻어지면 그 다음으로 실리카 겔 분말을구성하는 단위 입자의 표면에 있는 친수성기의 소수화 단계를 진행한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 소수화는 액상 분위기에서 실리카 겔의 표면을 충분한 시간 동안 할로겐화된 실란, 할로겐화된 알킬실란 또는 디메칠아민실란에 노출시킴으로써 이루어진다. 상기 액상 분위기는 무수화 톨루엔, 톨루엔, 아세톤, 아세톤과 물의 혼합물(1:1 비율), 아세톤 또는 디에틸에테르가 제공할 수 있다. 그리고 소수화 처리가 원활하게 이루어지도록 하기 위해 피리딘(pyridine)과 같은 반응 촉매가 상기 액상분위기에 첨가될 수 있다. 이와 같이 소수화 처리가 이루어지면 실리카 겔 입자에 있는 미세 기공의 내면에 소정 두께의 소수화 코팅층이 형성된다. 상기 소수화 처리는 주요하게는 실리카 겔 입자의 표면에 분포하는 친수성기인 OH 기와 소수화 코팅 물질의 화학반응에 의해 이루어진다.

도2는 상기 실리카 겔 입자의 미세 기공의 내면에 형성된 소수화 코팅층의 화학결합 상태을 보여준다. 도2를 참조하면 상기 소수화 코팅층은 상기 실리카 겔 입자의 표면에 분포하는 OH 기와의 화학반응으로 생성된 n-알킬실란(n-alkylsilane)의 선형 체인으로 이루어져 있다. 상기 선형 체인은 할로겐화된 알킬실란이 입자 표면에 분포하는 OH 기와 반응하여 입자의 표면에 코팅된 것으로서, 도2에는 소수화 코팅층이 n-알킬실란의 분자체''(n=18: 이하 C18)(도2의 A 참조) 또는''(n=1: 이하 C1)(도2의 B 참조)의 선형 체인으로 이루어진 예가 도시되어 있다. 상기 소수화 코팅층의 두께는 상기 선형 체인의 길이에 의존한다. 상기 소수화 코팅층이 C1인 경우 코팅층의 두께는 0.3 nm 정도가 되고,상기 소수화 코팅층이 C18인 경우 코팅층의 두께는 1.2 nm 정도가 된다.

본 발명의 실시예에서, 실리카 겔의 소수화 처리가 이루어지면 그 다음으로 실리카 겔을 소정 시간(약 1시간) 동안 비 반응성 세정액으로 세정한다. 이러한 비 반응성 세정액으로는 무수화 톨루엔, 톨루엔, 아세톤, 물과 아세톤의 혼합물 또는 디에틸에테르가 사용될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실리카 겔의 세정이 완료되면, 마지막으로 실리카 겔을 소정의 온도(약 60 ℃)로 가열하면서 대기 분위기에서 건조시킨다. 이로써 본 발명에 따른 실리카 겔의 소수화 코팅 처리는 완료되며 이렇게 얻어진 실리카 겔은 기계적 용도, 특히 충격 감쇄용 물질로서 사용가능하다.

상기 실리카 겔이 가지는 특이한 3차원 구조를 이용하여 충격 감쇄와 같은 특성을 발현시키기 위해서는 물과 같은 소액성 유체에 콜로이드 상으로 분산시켜 콜로이드 유체의 형태로 이용하는 것이 바람직하다. 도3은 본 발명에 따라 소수화 처리된 실리카 겔을 이용한 콜로이드 감쇄기의 일 예를 도시한다.

도3을 참조하면, 상기 콜로이드 감쇄기(100)는 스프링과 오리피스 등이 있는 종래의 유압 감쇄기와 비교하였을 때 그 구조가 매우 간단하다. 상기 콜로이드 감쇄기(100)는 실린더(110)와, 실린더 로드(130)에 결합되어 상기 로드(130)를 매개로 한 외란에 의한 기계적 에너지 인가 또는 제거시 상기 실린더(110)의 내면을 따라 왕복 운동하는 피스톤(120)과, 상기 실린더(110)의 내부에 실장되어 상기 피스톤(120)을 매개로 인가되는 외란에 의한 기계적 에너지를 소산시키는 콜로이드 유체(160)를 포함한다. 상기 피스톤(120)의 외주에는 상기 콜로이드 유체(160)가 상기 실린더(110)와 피스톤(120)의 미세한 간극으로 유출되는 것을 방지하는 환형 실링(135)이 구비된다.

상기 콜로이드 유체(160)는 분산유체인 물(140)와, 이 물(140)에 콜로이드 상으로 분산되어 있는, 본 발명에 따라 소수화 코팅 처리된 미세 기공이 있는 다공성 실리카 겔(150)을 포함한다.

상기 콜로이드 유체(160)는 피스톤(120)의 압축으로 전달되는 외란에 의한 기계적 에너지를 소산시키는데, 특히 실리카 겔(150)이 그 기능을 담당한다.

보다 구체적으로, 상기 실리카 겔(150)은 외란 인가시 물(140)이 단위 입자의 내부로 유입되었다가 외란 제거시 물(140)이 입자의 외부로 방출될 수 있는 유로의 기능을 하는 나노 사이즈 레벨의 미세 기공을 가진다.

미세 기공을 통한 물(140)의 유동시 실리카 겔(150) 입자에서는 공기(입자 내부에는 수증기도 포함되어 있으나 그 량이 적으므로 이하에서는 이를 무시하기로 한다)의 압축과 팽창이 일어남으로써 외란에 의한 기계적 에너지의 소산이 이루어진다. 이는 후술하겠지만 공기의 압축과 팽창 과정에서 에너지 소산이력 현상이 실험적으로 관찰된다는 점으로부터 뒷받침된다. 이러한 에너지 소산이력 현상은 상기 미세 기공에 형성되어 있는 소수화 코팅층에 의해 유발되는 큰 라플라스 모세관 압력과 입자 내 공기와 물(140)의 경계를 기준으로 입자 내부에 형성되는 공기압(물(140)의 증기압도 포함되나 그 크기가 작으므로 여기에서는 이를 무시하기로 한다)이 미세 기공을 통한 물(140)의 유동 양상을 주로 결정한다는 것에 의해 발생된다.

상기 미세 기공은 후술할 포이젤 클리핑(Poiseuille clipping) 모델에 의한 유체의 슬립 유동에 의해 외란에 의한 기계적 에너지를 소산시킨다. 상기 슬립 유동은 물(140)의 분자 또는 그 클러스터의 슬립 유동을 의미한다. 도4는 이러한 실리카 겔 입자의 특이성을 개념적으로 보여준다.

도4를 참조하면, 소수화 처리된 실리카 겔 입자는 물에 분산되어 있을 때 유체에 아무런 외란이 가해지지 않으면 미세 기공을 통해 물을 입자의 내부로 유입시키지 않는다. 이는 입자 내부에 있는 공기압과 소수화 코팅층 표면에서의 물의 표면장력에 의해 미세 기공에 형성되는 큰 라플라스 모세관 압력이 물의 유입을 저지하는 현상에 의해 설명될 수 있다. 실리카 겔 입자 내로의 물 유입을 저지하는 압력은 하기 식1에 의해 표현될 수 있다.

(1)

위 수학식1에서 σ는 물의 표면장력을, θ는 소수화 코팅층에 대한 물의 접촉 각도를, a는 실리카 겔 입자에 있는 미세 기공의 반경을 나타낸다(이하, 상기 압력 P는 물유입 반항력이라 칭한다). 그리고 상기 입자의 내부에는 어느 정도의 수증기압이 있으나 이는 공기압과 비교할 때 그 크기가 작아 물리적 의미가 크지 않으므로 이하에서는 설명의 편의를 위해 상기 수증기압에 대한 언급은 생략하기로한다.

한편, 상기 식1에 따른 물유입 반항력보다 큰 압력을 콜로이드 유체에 인가하는 외란이 발생되면, 상기 실리카 겔 입자는 미세 기공을 통하여 물을 입자의 내부로 유입시킨다. 이 때, 상기 미세 기공에는 소수화 코팅층이 형성되어 있어 물 분자 또는 물분자 클러스터의 점성 유착이 방해되기 때문에 미세 기공을 통한 분산 유체의 입자 내 유입은 용이하게 이루어진다. 그리고 콜로이드 유체에 인가되었던 외란이 제거되면 상기 식1에 따른 물유입 반항력이 물을 입자의 외부로 배출시키는 힘으로 주로 작용하여 입자 내로 유입되었던 물을 미세 기공을 통하여 외부로 배출시키게 된다. 이러한 외부 외란 인가 또는 제거에 따라 실리카 겔 입자의 미세 기공에서 발생되는 물의 유동은 실리카 겔 입자에 의한 외부 충격 에너지 소산 메카니즘을 제공한다. 외부 충격 에너지의 소산은 외란이 작용될 때 미세 기공을 통한 물 유입으로 입자 내로 공기를 압축하는 과정에서 입자에 대해 행해진 일과 외란이 제거되었을 때 입자 밖으로 물을 배출하는 과정에서 입자가 한 일의 차이로 발생하게 된다. 이론적으로, 콜로이드 유체 내에서 소산된 에너지의 총 량은 전체 실리카 겔 입자에서 소산된 에너지의 총합으로 표현될 수 있다.

상술한 바를 바탕으로 거시적인 관점에서 도3을 다시 참조하면, 상기 콜로이드 감쇄기(100)는 외란에 의한 기계적 에너지가 피스톤(120)을 매개로 인가되면, 피스톤(120)이 A 방향으로 이동함으로써 실린더(110)에 담긴 콜로이드 유체(160)를 압축한다. 이 때, 물(140)은 비압축성을 가지므로 실리카 겔 입자(150)의 표면에 대한 법선 방향으로 압력이 작용된다. 이 때 압력이 상기 식1에 따른 물유입 반항력보다 크면, 상기 콜로이드 유체(160)에 담긴 실리카 겔 입자(150)에 존재하는 미세 기공으로 물이 유입되므로써 입자 내부에 있는 공기를 압축시키게 된다. 반대로, 외란에 의한 기계적 에너지의 인가가 해제되면 실리카 겔 입자(150)의 소수화 처리를 통하여 미세 기공의 내벽에서 발생되는 표면장력에 의한 라플라스 모세관 압력과 입자 내부에 존재하는 공기압에 의한 물유입 반항력이 입자 내부로 유입되었던 물을 입자의 미세 기공을 통하여 밖으로 밀어내게 된다. 이러한 과정은 공기 압축-공기 팽창 행정으로 모델링이 가능하며 1회 행정이 이루어지면 실리카 겔 입자에서 외란에 의한 기계적 에너지의 소산이 이루어지게 되는 것이다. 이러한 에너지 소산은 공기 압축 행정과 공기 팽창 공정에서 표면장력에 의해 행해진 일의 차이로 발생하게 된다. 콜로이드 유체(160)에 포함되어 있는 실리카 겔 입자(150) 레벨에서 발생되는 에너지 소산량을 모두 합하면 콜로이드 유체(160)에 의한 전체 에너지 소산량을 계산할 수 있다.

도5는 상기 콜로이드 감쇄기에서 외란에 의한 기계적 에너지를 실리카 겔 입자 레벨에서 소산시키는 메카니즘을 병과 병목 이론(Neck-Bottle Theory)을 이용하여 모델링하여 보여주는 개념도이다. 상기 병과 병목 이론에 의한 콜로이드 감쇄기의 모델링은 실리카 겔 입자에 포함되어 있는 미세 기공에 의한 유로를 제외한 내부 중공(입자 전체의 총합)과 상기 유로(입자 전체의 총합)의 체적을 각각 병( bottle)(180)과 병목(neck)(170)으로, 그리고 전체 실리카 겔 입자에 포함되어 있는 공기를 병속의 공기(190)로 매핑하는 것에 의해 달성된다. 물론, 실리카 겔 입자에는 본 발명에 따라 소수화 코팅층이 형성되어 있는 사실은 상기 병목(170)과병(180)의 내면에 소수화 코팅층이 형성되어 있다는 것으로 매핑 가능하다.

이하에서는 도5를 참조하여 본 발명에 따라 제조된 실리카 겔을 이용한 콜로이드 감쇄기의 피스톤 압축 복원 싸이클을 살펴보고, 열역학 이론을 적용하여 콜로이드 감쇄기의 효율과 에너지 소산 과정에서 발생되는 열량을 계산하여 보기로 한다.

도5를 참조하면, 콜로이드 감쇄기로 외부에서 충격 에너지가 인가되면 피스톤의 이동으로 압축력을 받는 물이 병목(170)을 통해 병(180) 내부로 공기(190)를 압축하며 유입되는 것으로 볼 수 있다. 이는 콜로이드 감쇄기가 외란에 의해 압축(F)을 받으면 물은 다공성 입자인 실리카 겔 입자의 미세 기공으로 이루어진 유로를 통해 입자 내부로 유입되어 입자 내부의 공기를 압축하는 것과 동일하다. 한편, 콜로이드 감쇄기에 가해진 외란이 제거되어지면, 병목(170)을 통해 병(180) 내부로 유입된 물은 병목(170)에서 발생하는 표면 장력과 공기압에 의해 병 밖으로 밀려나게 되며 압축되었던 공기는 다시 팽창하게 된다. 이는 콜로이드 감쇄기에서 외란이 제거되면 다공성 입자인 실리카 겔 입자의 미세 기공으로 이루어진 유로를 통해 입자 내부로 유입되었던 물이 입자 밖으로 배출되는 것과 동일하다. 이 때, 병(180) 밖으로의 물 배출은 주요하게는 병목(170)에서 발생되는 표면장력에서 기인된다. 즉, 물이 밖으로 밀려나는 원리는 본 발명에 따라 소수화 코팅처리를 한 다공성 입자의 미세 기공으로 이루어진 유로에서 큰 표면장력이 발생하였기 때문이다. 이러한 원리에 의해 콜로이드 유체가 외부 충격에 대한 완충 역할을 할 수 있게 되는 것이며 그 결과로 콜로이드 감쇄기의 기능이 구현되게 되는 것이다.

상술한 바와 같이, 외란에 대응한 콜로이드 감쇄기의 작동 과정은 병과 병목이론에 의해 이상화한 과정으로 표현될 수 있고, 이 과정은 압축 과정과 압축 해제후 복원 과정으로 나뉜다. 상기 압축 과정과 압축 해제 후 복원 과정은 도5의 (a)와 (b)에 각각 나타내었다.

먼저, 압축 과정에서, 외란에 의해 피스톤에 인가되는 기계적 에너지는 피스톤을 통해 콜로이드 유체에 압력으로 전달되어 분산 유체인 물의 유동을 야기한다. 물은 압축성의 거의 없으므로 정적 변화를 시작하며, 상기 식1에 따른 유체유입 반항력을 이기는 충격 에너지가 유입되면 병목(170)으로 물이 유입되기 시작한다. 이는 미시적인 관점에서 도6에 도시된 바와 같이 피스톤 압축 과정에서 실리카 겔 입자의 미세 기공으로 물이 유입되는 것과 같다. 물이 유입되면 병목(170) 및 병(180)부 내에 있는 공기가 압축되어 압축 일이 발생되므로 공기와 물의 접촉 계면으로 한정되는 열역학적 시스템의 내부 에너지는 증가하게 된다. 병목(170)으로 유입된 물은 공기를 병 중앙으로 압축해 들어가며 공기의 압축성은 이미 물유입 반항력을 누르기 위해 소모한 에너지 외에 잔류 에너지를 흡수하는 완충의 역할을 한다(도5의 (a)의 1→2→3→4).

상기한 피스톤 압축 과정과 달리 압축 해제 후 복원 과정에서는 공기의 압축성에 따른 팽창력으로 대기압 수준의 압력이 될 때까지 복원 과정을 거치고 병목(170) 부위의 공기는 공기압과 물의 표면장력에 의해 야기되는 라플라스 모세관 압력에 의해 밖으로 밀려 나가게 된다. 이러한 과정에서 병목(170)을 통해 유입되었던 물은 다시 밖으로 배출되어 짐으로써 콜로이드 감쇄기는 외란이 인가되기전의 상태로 복원된다(도5의 (b)의 5→6→7→8). 이 때 물과 공기의 접촉 계면으로 한정되는 열역학적 시스템의 내부 에너지는 이상적인 상태에서는 외란이 있기 전의 상태로 복원된다. 왜냐하면 피스톤 압축 과정에서 발생된 압축일로 증가된 내부 에너지는 피스톤 복원 과정에서 공기의 팽창일로 다시 소모되기 때문이다. 하지만 실제로는 병목(170)을 통하여 물이 배출되는 과정에서 발생되는 물분자 클러스터의 극소 점성 마찰력과 공기의 부피변화에 따른 열 발생으로 상기 열역학적 시스템의 내부 에너지는 외란이 있기 전의 상태로 완전히 복원되지는 않는다. 후술할 실험예에서 볼 수 있듯이 인가된 기계적 에너지가 피스톤 압축 및 복원 행정에서 소산되는 과정에서 약 3%는 열로 변환되게 된다.

도5에 도시된 바와 같은 피스톤 압축 및 복원 과정은 도7에 도시된 바에 따라 열역학적 해석이 가능하다. 도7에서는 물과 공기의 접촉 계면에 의해 한정되는 부피 유동 공간을 열역학 해석을 위한 열역학 시스템으로 간주하였다.

보다 구체적으로 도7를 참조하면, 본 발명에 따라 소수화 코팅 처리된 실리카 겔을 이용한 상기 콜로이드 감쇄기는 전체적으로는 열역학 사이클 법칙을 따른다. 1-2 과정은 정적 과정으로써 압력은 증가하나 외란에 의한 기계적 에너지가 물유입 반항력을 이기지 못하는 상태를 나타낸다. 이 때, 상기 열역학 시스템의 내부 에너지는 변화가 없고 압력만 상수적으로 비례 증가한다. 2-3 과정은 외란에 의한 충격 에너지가 물유입 반항력을 이김으로써 정압 상태에서 물이 병목(170)을 통하여 유입되는 과정으로 엔탈피의 변화가 없이 내부 에너지의 변화만이 일어난다. 내부 에너지의 변화는 물 유입에 의해 공기에 대한 압축 일이 발생되었다는 사실에서기인된다. 3-4 과정은 열역학적 시스템이 임계 상태를 벗어나 공기의 부피 변화 없이 압력이 계속 증가하는 과정으로, 이 때 시스템의 공기압은 극대값에 이르게 된다. 4-3' 과정은 외란의 제거로 피스톤이 복귀하는 초기 과정으로써 이 과정에서는 임계 상태를 벗어났던 열역학적 시스템이 정상 상태로 복귀된다. 3'-5 과정은 외란이 제거되었어도 공기 팽창일은 아직 발생되지 않는 과정으로써 이 과정에서는 공기의 체적은 일정한 상태에서 압력만이 상수적으로 감소한다. 3'-5 과정에서 공기 팽창일이 발생되지 않는 것은 외란이 제거되었어도 물과 공기의 계면에는 아직 유체유입 반항력을 이기는 힘이 존재하기 때문이다. 5-6 과정은 유체유입 반항력에 의해 물이 병목(170)을 통해 밖으로 배출되면서 공기가 팽창되고 그 결과로 공기 팽창일이 발생되는 과정으로써 이 과정에서는 압력이 일정하게 유지된 상태에서 열역학적 시스템의 부피만이 증가하게 된다. 이로써 외란에 의해 가해진 기계적 에너지의 소산을 위한 사이클이 종료되고 이러한 사이클은 기계적 에너지의 인가가 있을 때마다 반복되어진다. 외부열의 입출입이 없는 이상적인 경우에 피스톤 압축과 복원과정은 가역 과정을 따르는 사이클이 된다.

상술한 콜로이드 감쇄기의 압축, 압축해제 과정에서 발생한 에너지를 열역학적으로 해석하여 그 효과를 기존의 유압 감쇄기와 비교하면 다음과 같다. 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산 사이클의 엔탈피는 하기 식2와 같이 계산할 수 있다.

(2)

여기서, T는 절대 온도, Q는 발생열량, α 는 팽창계수(The expansion coefficient) 그리고 E는 소산된 에너지를 나타낸다. 따라서 에너지 소산 사이클 동안 콜로이드 감쇄기에서 외부로 전달되는 열량은 하기 식3과 같이 계산되어진다.

(3)

만일, 여기에T = 293.16K, E = 100J 그리고, α_water= 10^-4K^-1값을 적용하면, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

(4)

다시 말하면, 본 발명에 따라 소수화 코팅처리된 실리카 겔을 이용한 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산과정에서 발생되는 열량은 소산된 에너지의 대략 3%임을 알 수 있다. 이 에너지 소산과정을 실험적으로 검증하기위해 E = 100 J 일 때의 발생 열량을 계산하여 보았는데, 그 결과는 도8과 같다.

도8을 참조하면, 콜로이드 감쇄기의 기본 개념은 외란에 의해 피스톤에 가해지는 힘(Force)과 실린더의 변위(stroke) 선도의 압축과 압축 해제 곡선 상에서 이력현상(hysteresis)이 발생한다는 것으로 설명할 수 있다. 그리고 소산된 에너지는 이력곡선의 면적과 동일하므로 쉽게 계산할 수 있다. 결과적으로 분산 유체인 물이 콜로이드 유체에 있는 실리카 겔 입자를 통과하면서 흡수되는 에너지 현상을 기초로 하는 이러한 원리를 충격이나 진동에 의한 에너지의 감쇄 장치에 적용할 수 있게 되는 것이다.

실험에 의하면 콜로이드 감쇄기에 1kW 파워의 진동기를 1시간동안 부하를 작용시켰을 때의 온도 상승량은 20 ℃이다. 하지만 동일한 작동 환경 하에서 기존의 유압 감쇄기에서의 온도 상승량은 이론적으로 대략 2000 ℃가 된다. 이러한 결과는 앞서 언급한 열역학적 계산식을 이용하여 설명이 가능하다. 콜로이드 감쇄기의 경우에는 소산된 에너지량이 1kW 일 때, 에너지 소산 사이클 동안 열 발생량은 대략 30W가 된다. 발생된 열이 대류적으로 소산된다 하더라도, 온도 상승량은 거의 무시할 만하다. 콜로이드 감쇄기의 경우 이러한 현상이 가장 중요한 장점이라 할 수 있다.

한편, 일반적으로 관로 내에서의 유체 유동은 도9에 도시된 바와 같은 포이젤(poiseuille) 유동 모델을 따른다. 이 포이젤 유동 모델은 유체의 무한히 작은 요소가 충분히 많은 수의 입자를 가지고 유체 자체의 물성을 유지할 수 있는 상태로 유동하는 경우에 적용된다. 그런데 본 발명에 따라 소수화 코팅처리된 실리카 겔 입자의 미세 기공을 통한 분산 유체의 유동은 일반적인 유체의 유동과는 다르게 해석되어야 한다. 이는 상술한 콜로이드 감쇄기에서의 외란에 의한 기계적 에너지 소산 과정에서 열이 작게 발생된다는 사실에서 기인된다.

만약, 기존의 유압 감쇄기와 본 발명에 따라 소수화 코팅 처리된 실리카 겔을 이용한 콜로이드 감쇄기에서의 유체 유동이 포이젤 유동 모델을 따른다고 가정할 경우, 감쇄기에서의 기계적 에너지 소산은 유체 유동 내의 점성력에 의해 발생한다고 볼 수 있다. 이 때 유체 유동 내의 점성력에 의한 마찰력 F_f은 하기 식5에 의해 정의된다.

(5)

여기서, μ는 유체 동점성계수, ν_p, D_p는 각각 피스톤의 속도와 직경, 그리고 L, a 는 각각 좁은 유체 유로의 길이와 반경을 나타낸다. 유압 감쇄기와 콜로이드 감쇄기에 동일한 피스톤의 속도와 직경을 적용시키면, 마찰력의 비는 각각의 감쇄기 외부로 전달되는 발열량(Q)의 비로 하기 식6과 같이 표현할 수 있다(CD; 콜로이드 감쇄기, HD; 유압 감쇄기).

(6)

여기에,,

, L_CD=r₂-r₃=500nm ,

a_CD= r₁= 10nm ,a_HD=1mm ,L_HD=5mm 값을 적용하면,

과 같은 결과를 얻을 수 있다. 다시 말하면, 포이젤 유동과 관련한 계산 방법을 이용하면, 기존의 유압 감쇄기보다 콜로이드 감쇄기에서 더 많은 양의 열이 발생하여야 한다. 그러나 실제로, 콜로이드 감쇄기의 실험적 고찰 결과는 거의 열이 발생하지 않는다. 결과적으로, 소수화 코팅처리된 나노 사이즈의 미세 기공을 통한 유체의 흐름에 대해서는 기존의 포이젤 유동의 가정이 적용될 수 없음을 보여 주고 있다. 따라서 본 발명에 따라 소수화 처리된 다공성 입자의 미세 기공을 통한 유체의 흐름은 분자 동력학을 고려한 유동 모델이 적용되어야 한다.

미세 기공을 통한 유체 흐름을 해석하는 모델의 선택은 유체 유동의 기본 특성 중 하나인 누센 수(Knudsen number)를 계산하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 누센 수는 하식 식7과 같이 정의된다.

(7)

여기서,는 유동 유체간 분자간 자유 경로 거리(Molecular free path),은 유체가 유동되는 영역에서의 유체 특성 거리(Characteristic dimension)를 나타낸다.

인 경우, 유동은 연속체 유동으로 간주하여 포이젤 유동 모델을 적용할 수 있다. 그러나인 경우의 유체 유동은 연속체 유동의 특성을 가지지만, 유체의 유동 내에서 슬립 현상이 발생된다. 이러한 높은 누센 수를 가지는 유체 유동은 크리핑(creeping) 유동 모델을 적용할 수 있다. 콜로이드 감쇄기의 콜로이드 유체에 분산되어 있는 실리카 겔 입자의 미세 기공의 경우, 분산 유체인 물의 분자간 자유 경로 거리는 0.1 nm 이고, 특성 거리은 r₁= 1~10nm 이다. 따라서 콜로이드 감쇄기에서 입자의 미세 기공을 통한 분산 유체인 물의 유동은 누센 수가영역에 분포한다. 이러한 유동은 미세 기공으로 된 유로 벽면과 물분자 클러스터 층간의 경계층간에 슬립 현상을 수반하며 큰 누센 수를 가지는 클러스터(macro-molecular) 흐름으로 볼 수 있다. 그리고 이러한 포이젤 크리핑 유동에서는 유동의 유선 형성이 무점성 유동에서와 동일하게 나타난다. 유체의 유동 내에서 발생하는 슬립 현상은 유체가 유로 내 벽면에서 접착력을 잃어버리고 벽면을 따라 흐르며 표면을 따라 미끄러짐이 발생하는 현상을 말한다. 상기 콜로이드 유체 내의 다공성 입자의 나노 사이즈 미세 기공으로 된 유로에는 소수화코팅층이 형성되어 있는데, 이 코팅층은 벽면에 고정되어 슬립이 발생되지 않는 경계층을 이룬다. 그러나 이 코팅층의 경계층은 유체 유동 내 유체를 이루는 분자 클러스터 상호간의 점성력으로 인해 벽면에서 윤활 역할을 하게 된다. 그래서, 상기 미세 기공으로 된 유로에서의 전체적인 흐름은 코팅층에서의 유체의 슬립으로 보여진다. 결과적으로, 유체의 유동에서의 마찰력과 이로 인한 열 발생량은 거의 무시될 수 있다.

도10는 소수화 처리된 실리카 겔 입자의 미세 기공을 통한 유체의 흐름을 포이젤 크리핑 유동 모델에 따라 모델링하여 도시한 것이다.

도10을 참조하면, 나노 레벨의 미세 기공을 통한 유체 유동에 있어서 유로의 직경을 10 nm, 유체의 분자로 이루어진 클러스터의 크기를 2 nm로 가정하면, 상기 유로 내에는 5층의 마크로 분자 유동 경계층이 형성된다. 유로 벽면의 소수화 코팅층은 유로의 벽면에 강하게 부착되어 있고 이것이 유로 내에 노출 표면을 형성한다. 포이젤 클리핑 유동에서는 각각의 분자층 유동이 서로 독립적으로 흘러가며, 각각의 분자층 유동의 속도 분포는 도10의 (b)와 같다. 이 때 각 층간에는 약한 상호 작용이 발생하여 마치 기차의 레일 위를 두개의 기차가 평행하게 서로 다른 속도로 달리고 있는 것처럼 미끄러짐이 발생한다. 그리고 각 분자층 내부의 속도 변화량이 거의 0에 가깝기 때문에 전단 응력은 거의 존재하지 않는다.

각각의 분자의 흐름으로 인한 경계층 유동 사이에서는 속도 변화량이 0이 아니다. 그러나 분자층 유동 사이의 점성에 의한 전단력이 거의 0에 가깝기 때문에 전단 응력 또는 무시할 만한 수준이 된다. 이에 따라 미세 기공을 통하여 유동하는유체의 마찰과 콜로이드 감쇄기의 열발생은 거의 무시할 수 있는 것이다.

본 발명에 따라 소수화 코팅처리된 실리카 겔을 이용한 콜로이드 감쇄기와 종래의 유압 감쇄기의 에너지 소산 효율을 비교하여 보는 것은 매우 중요하다. 감쇄기의 효율는 외란에 의한 압력 변화 사이클 동안 소산된 에너지 E 와 사이클 중 압축 공정에서 가해진 에너지의 비로 하기 식8과 같이 정의할 수 있다.

(8)

각 감쇄기의 최대 효율 값은 하기 식9 및 10과 같이 표현할 수 있다.

(9)

(10)

만일 피스톤 직경, 분말의 크기r₁= 6.5 nm(미세 기공), r₃=317 nm(중공) 로 가정하면, 각 감쇄기의 최대 효율은= 0.51,= 0.98과 같이 계산되어진다. 따라서 대략 콜로이드 감쇄기의 효율이 기존의 유압감쇄기의 2배 정도로 높은 것을 확인할 수 있다.

도11은 두 가지 경우, 즉 실리콘 오일과 실리카 겔 입자, 물과 실리카 겔 입자를 이용한 콜로이드 감쇄기에 외란이 작용했을 때의 압력변화 사이클을 보여 주고 있다. 각각의 경우 발생된 에너지 소산량의 비를 나타내면 하기 식11과 같다.

(11)

물과 실리콘 오일의 경우, 표면장력은 각각0.073 N/m 및0.015 N/m 이다. 표면장력에 의한 힘으로 인해서 발생한 에너지 손실을 고려하여 계산한 소산된 에너지의 이론적인 비는 하기 식12와 같이 나타낼 수 있다.

(12)

위와 같은 결과는 실험으로 얻어진 결과와 잘 일치함을 알 수 있다.

한편, 콜로이드 감쇄기의 나노 사이즈 레벨의 유로 내 유동을 기존의 포이젤 유동이라 가정한다면, 소산된 에너지의 비는 하기 식13과 같이 유체 동점성 계수의 비로 나타낼 수 있다.

(13)

포이젤 유동에 대한 가정을 통해서 얻어진 계산 결과는 실험치와 서로 상이한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터, 기존의 포이젤 유동에 대한 가정 및 이론은 콜로이드 감쇄기의 유체 유동에는 적용될 수가 없음을 다시 한번 확인할 수 있다.

실 험 예

본 출원인은 정적 하중 상태에서 본 발명에 따라 소수화 코팅처리된 실리카 겔을 이용한 콜로이드 감쇄기에 대한 각종 실험을 수행하였다. 이 실험은 본 발명에 따라 제조된 실리카 겔이 충격 감쇄용 물질 등 다양한 기계적 용도로 사용될 수 있음을 뒷받침해 줄 것이다. 본 실험예에서는 콜로이드 감쇄기에 미로구조의 소수화 정도가 서로 상이한 다공성 실리카 겔 입자를 사용하였다. 소수화 처리를 위한 표면 코팅에는 짧은 분자 간 결합 거리를 가지는 클로로알킬실란을 사용하였다. 아래 표1은 본 실험에서 사용된 실리카 겔 입자의 특성을 보여주고 있다.

< 표 1 >

실리카 겔	PCS[%]	[nm]	[nm]	Density	Pore volume
A	0	-	-	0.187	-
B	20	9.1	1316	0.120	1.331
C	41	10.6	2103	0.294	1.093
D	94	12.8	1729	0.283	1.032

본 출원인은 도12 및 도13에 도시된 바와 같은 가역적 콜로이드 감쇄기의 정적 하중 실험 장치를 구축하였다.

도12 및 도13을 참조하여 실험장치의 구성을 상세하게 살펴보면, 콜로이드 유체의 감쇄 작용은 고압 실린더내의 실험 챔버에서 발생한다. 직경 D가 20 mm 인 고압 실린더와 고압용 압력 게이지, 및 스레드 플러그(thread plug)가 챔버를 구성한다. 실험 챔버는 구리 가스킷과 O형 고리(ring), 및 V형 패킹으로 밀폐되어 있고, 최고 120MPa 정도의 고압이 발생된다. 직경 D_ha가 80 mm 인 저압 실린더는 직경비 (D_ha/ D )²= 16 을 유지하고 펌프 압력 P_p의 유압 증폭기 역할을 한다. 낮은피스톤 속도 또는 주파수의 정적 실험은 수동 펌프(핸드 펌프)를 이용하여 수행하였다. 피스톤의 이동 최대 속도는 하기 식14로 구하였다.

(14)

상기 식14에 의할 때 수동 펌프에서 유체가 최대 유량가 5 ml/s 의 비율로 전달되었을 때, 피스톤의 최대속도는 1 mm/s 가 된다. 콜로이드 감쇄기의 피스톤이 5~200 mm/s 정도의 임계 속도 영역에 다다를 때까지는 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산 사이클은 등온상태(isothermal)를 유지한다. 그리고 피스톤의 임계속도는 사용된 실리카 겔 입자의 특징에 따라 바뀐다. 피스톤이 임계 속도 영역을 넘어선 상태에서는 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산 사이클이 준 단열 상태(Quasi-adiabatic)가 된다. 본 실험예에서는 예상대로 주목할 만한 큰 발열 현상이 발생하지 않았다.

콜로이드 감쇄기에 대한 정적 실험에서 실린더의 변위(S), 콜로이드 감쇄기 챔버 내의 압력(p), 그리고 챔버 내의 온도(T)를 측정하였다. 이러한 실험 데이터는 측정시간 t 에 따라 고속 푸리에 변환장치(FFT Analyzer - Fast Fourier Transform Analyzer)에 하기 식15, 16 및 17과 같이 기록된다.

p = p (t) (15)

S = S (t) (16)

T = T (t) (17)

측정 압력과 이에 반응하여 피스톤이 변위되기까지의 시간은 무시하였기 때문에 가역적 콜로이드 감쇄기의 정적 이력곡선에서 압력은 하기 식18과 같은 변위의 함수로 나타내어진다.

p = p (S) (18)

이하 본 실험을 통하여 얻은 결과를 각 분석 인자별로 상세하게 설명한다.

도14는 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산 이력곡선에 대한 소수화(hydrophobicity) 처리 정도의 영향을 보여 주고 있다. 소수화 처리가 되지 않은 친수성의 실리카 겔 A는 에너지 소산현상이 전혀 발생하지 않는다. 왜냐하면, 실리카 겔은 친수성을 강하게 띄고 있기 때문에 대기압 상태 하에서 분산 유체인 물이 다공성 입자의 유로 내로 유입되어 그 안에 항상 내재되어 있기 때문이다. 결과적으로 콜로이드 감쇄기를 구성하기 위해서는 다공성 입자에 대한 소수화 처리가 반드시 요구되어진다.

도15는 T=25 ℃에서 실리카 겔 D(M=2.5g)에서 최대 가압 하중에 대한 콜로이드 감쇄기의 에너지 소산량에 대한 영향을 보여 주고 있다. 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지량을 나타내는 이력곡선의 면적이 가압 하중을 증가시킴에 따라 점차 증가함을 알 수 있다. 좀 더 정확하게 살펴보면, 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지 량은 하기 식19 및 20와 같이 표현할 수 있다.

(19)

(20)

여기서, P_L, P_U는 각각 가압시 압력과 가압 해제시 압력을 나타내고 있다. 도15에 나타난 각 이력곡선의 결과에 위 식 19 및 20을 적용시키면, 도16에 나타난 바와 같이 압력에 따른 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지량과 에너지 소산 효율의 변화량을 구할 수 있다. 최대 효율 97%는 최적의 압력 16.5MPa에서 발생함을 알 수 있다. 기존의 유압 감쇄기의 효율이 51%인 것과 비교해 볼 때, 설계된 콜로이드 감쇄기는 유압 감쇄기의 대략 2배의 효율을 보여 주고 있다. 압력이 25MPa보다 큰 영역에서는 소산된 에너지 증가량이 상대적으로 적지만, 압력이 증가할수록 효율은 더 떨어지는 경향을 보여준다. 이러한 경향은 압력이 클 경우 실리카 겔 내에 유입되었던 물이 압축 해제후 복원 과정에서 완전히 외부로 배출되지 않음으로 인해 기인된다.

도17은 T=25 ℃ 에서 실리카 겔 D의 질량(M=1.0, 1.5, 2.0, 2.5 and 3.5g)에 따른 콜로이드 감쇄기의 이력곡선의 변화를 보여주고 있다. 최적의 실리카 겔 양까지는 질량이 증가함에 따라 이력곡선의 면적도 증가하지만, 임계 질량을 넘어선 영역에서는 에너지 소산량이 줄어드는 경향을 보인다. 밀도가 ρ= 0.283 g/㎤인 경우, 하기 식21을 이용하여 구해진다(표1 참조).

(21)

분산 유체인 물의 체적 V_w은 도18에 나타난 바와 같이 일정한 실험 챔버의 체적과 실리카 겔의 체적의 차이로 구해진다. 각각의 체적값을 이용하여 무차원화된 실리카 겔의 체적은 실리카 겔의 질량 M의 함수로 하기 식22와 같이 나타낼 수 있다.

(22)

도17의 이력곡선에 대하여 식19 및 20을 적용하면, 무차원화된 실리카 겔의 체적에 대한 콜로이드 감쇄기의 소산된 에너지와 에너지 소산 효율의 변화량을 도19에 나타난 바와 같이 알 수 있다.

도18 및 도19를 참조하면, 실리카 겔의 질량이 M=3g, 물의 체적이 V_w= 3.1㎤이고 체적비가= 3.1인 경우, 에너지 소산량과 에너지 소산 효율이 최대값을 가지는 것을 알 수 있다. 이것은 물의 질량에 대한 최적 체적비가= 1.033 ㎤/g 이고, 이 최적 체적비는 실리카 겔 다공 입자내 나노 유로가 차지하는 체적(1.032 ㎤/g)과 근사적으로 일치함을 확인할 수 있다(표1 참조).

도20은 실리카 겔 B, C, 및 각각의 혼합비가 1:1인 실리카 겔 혼합물의 경우의 콜로이드 감쇄기의 이력곡선을 나타내고 있다. 실리카 겔 B 및 C를 혼합한 경우의 이력곡선은 실리카 겔 B 및 C 각각의 이력곡선 선형 조합과 같이 그 사이에서 발생함을 알 수 있다. 이러한 실험의 결과는 각각 다른 정도의 소수화 정도와 서로 다른 다공구조의 입자들의 혼합으로 콜로이드 감쇄기의 이력 정도를 제어할 수 있다는 사실을 보여 준다.

도21은 최대압력이= 16MPa이고, 작동 온도가 T=25 ℃인 경우, 실리카 겔 D(M=2.5 g)에 대해 첫 번째와 n 번째 이력곡선을 보여 주고 있다. 첫 번째 이력곡선은 두 번째 이력곡선보다 더 큰 것을 확인할 수 있다. 그리고 이 이력곡선은 시간이 지남에 따라 반복해서 동일하게 나타나므로 가역적이라고 간주할 수 있다.

도22는 콜로이드 감쇄기에 대해 연속적인 하중 상태 하에서의 이력곡선을 나타낸다. 하중 상태는 5.5, 12, 17 및 20.5MPa 로 연속적으로 증가시켰다. 이 때, 각각의 하중 상태 이후에는 0 MPa로 하중을 해제한 후 다시 다음 단계의 하중을 가하였다. 콜로이드 감쇄기의 이력곡선 면적은 가한 하중이 최적의 값에 이를 때까지 하중이 증가함에 따라 증가하다가, 최적의 값 이후의 압력에서는 점차 감소한다는 사실을 알 수 있다. 이러한 거동은 도23에 잘 나타나 있다.

도23은 콜로이드 감쇄기의 소산에너지 변화량을 가해진 압력에 대해서 잘 보여주고 것으로서, 가해지는 연속적인 압력에 대해서 첫 번째 이력곡선과 가역성을 띄는 n번째 사이클 동안의 이력곡선을 나타내 주고 있다. 최적의 압력값은 연속 하중상태나 가역성을 띄는 사이클에서 거의 동일하게 대략 16.5MPa 인 것을 확인할 수 있다. 25MPa 이상의 높은 압력 조건하에서는 이력 사이클이 비가역성을 나타내며, 두 번째 사이클은 거의 사라져 버린다. 이러한 현상은 에너지 소산 사이클의 압축 및 압축 해제 공정이 끝난 후 다공성 나노 입자내에 분산 유체인 물이 남아 있고, 나노 유로 표면에서의 표면장력이 압축 해제 공정 동안 분산 유체를 입자 외부로 밀어 내지 못하기 때문이다.

콜로이드 감쇄기의 가역성(reversibility)은 사용된 나노 유로 입자의 구조가 이중 유로 또는 중공형 구조를 사용하여 감쇄기를 구성하였을 때에 나타날 수 있다. 이러한 입자 구조들은 입자내 큰 체적을 가질 수 있고 압축 해제 공정 시 유입된 작동 유체를 쉽게 배출할 수 있다. 그러나 작동 압력이 낮은 환경 하에서는 미로 구조의 다공성 입자를 이용하여도 콜로이드 감쇄기의 가역적 작동을 가능하게한다는 사실을 도21 및 도23에서 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예 및 실험예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따른 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법은 다공성 실리카 겔의 3차원적 구조에 기초한 충격 감쇄와 같은 기계적 특성을 발현시킨다. 이러한 기계적 특성 발현은 다공성 실리카 겔의 소수화 처리된 미세 기공을 통한 유체 유동으로 입자 내부의 공기를 근사적으로 및 가역적으로 압축 및 팽창시킴으로 인해 가능해진다. 본 발명에 따라 코팅처리된 실리카 겔은 물과 혼합시켜 콜로이드 유체로 만든 후 외란에 의한 충격 에너지를 소산시키는 콜로이드 감쇄기를 구현하는데 이용할 수 있다. 이러한 콜로이드 감쇄기는 구조가 간단하고 그 효율이 종래의 유압 감쇄기보다 2-3배 가량 높다.

Claims

다공성 실리카 겔이 가지는 3차원적 구조에 기초한 기계적 용도가 발현되도록 실리카 겔을 코팅 처리하는 방법에 있어서,

(a) 규산 나트륨으로부터 미세 기공이 있는 다공성 실리카 겔 분말을 생성하는 단계;

(b) 액체 분위기에서 상기 실리카 겔 분말의 단위 입자 표면에 존재하는 친수성기를 소수화하는 단계; 및

(c) 상기 소수화된 실리카 겔을 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.
제1항에 있어서,

상기 실리카 겔 입자는 기계적 용도의 발현을 위해 나노 사이즈의 미세 기공을 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.
제2항에 있어서,

상기 미세 기공은 1~10nm 의 디멘션을 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.
제1항에 있어서,

상기 실리카 겔 입자는 기계적 용도의 발현을 위해 미로구조, 단일유로 구조, 이중유로 구조 또는 미로구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는,

규산 나트륨을 증류수 분위기에서 황산과 반응시키는 단계; 및

상기 반응 결과물을 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.
제1항에 있어서,

상기 친수성기의 소수화는 실리카 겔 입자 표면의 친수성기와 할로겐화된 실란, 할로겐화된 알킬실란 또는 디메칠라민실란과의 화학반응에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.
제1항에 있어서,

상기 액상 분위기는 무수화 톨루엔이 제공하는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 (c) 단계를 진행하기 전에,

소수화된 실리카 겔을 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.
제8항에 있어서,

상기 세정은 무수화 톨루엔, 툴루엔, 아세톤, 아세톤과 물의 혼합물, 아세톤 또는 디에틸에테르를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 실리카 겔의 소수화 코팅 방법.