KR20150108462A - Preparation of size-controlled silica-zirconia composite sol by sol-gel - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a particle size-controlled silica-zirconia composite sol, and a method for preparing the same. The method of the present invention comprises the following steps (1)-(3): (1) adding a first hydrolysis solution to a silica precursor solution, and primarily hydrolyzing the mixture at 50 to 90°C for 30 minutes to 2 hours; (2) adding a zirconia precursor solution and a second hydrolysis solution to the mixture obtained in the step (1), and secondarily hydrolyzing and condensing the resultant mixture at 50 to 90°C for 1 to 24 hours; and (3) adding a third hydrolysis solution to the resultant mixture obtained in the step (2), and condensing the resultant mixture at 100 to 140°C for 4 to 24 hours while removing water. The silica-zirconia composite sol of the present invention: has uniform particle size distribution and a low aggregation value; and can be maintained stable without precipitation for a long period of time.

Description

졸겔법에 의한 크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법 {Preparation of size-controlled silica-zirconia composite sol by sol-gel}Preparation of Size-Controlled Silica-Zirconia Composite Sol by Sol-Gel Method Preparation of size-controlled silica-zirconia composite sol by sol-

본 발명은 졸겔법에 의한 크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 가수분해 반응속도 및 실리카 전구체의 농도를 조절함으로써 실리카-지르코니아 복합졸의 입자크기를 제어하는 것에 의해, 크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸을 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing a size-controlled silica-zirconia composite sol by a sol-gel method, and more particularly, to a method for controlling the particle size of a silica-zirconia complex sol by controlling the rate of hydrolysis reaction and the concentration of a silica precursor To a process for producing size-controlled silica-zirconia complex sols.

실리카-지르코니아 복합 졸은 일반적인 무기계 졸과 마찬가지로 높은 열적/화학적 안정성, 기계적 강도, 높은 비표면적 등과 같은 화학적/물리적 성질 등에 의해 널리 합성되고 있다. 실리카-지르코니아 복합입자는 세라믹 강인화(ceramic toughning), 알칼리-내성 유리, 수퍼 고체산 (solid super acid), 불균일 촉매화 (heterogeneous catalysis) 등에 응용이 되고 있는데, 이의 제조 시에 필요한 두 구성 물질 간의 혼합 정도에 따라 물성 및 특성이 다르게 나타난다. The silica-zirconia complex sol is widely synthesized by chemical / physical properties such as high thermal / chemical stability, mechanical strength, high specific surface area and the like, like general inorganic sol. Silica-zirconia composite particles have been applied to ceramic toughning, alkali-resistant glass, solid super acid, heterogeneous catalysis, and the like. The physical properties and properties differ depending on the degree of mixing.

실리카-지르코니아 복합 졸의 제조법으로는 기계적 혼합에 의한 제조, 지르코니아에 실리케이트의 재배열법, 함침법, 공침법 및 졸-겔법 등을 언급할 수 있는데, 이 중에서 졸-겔 공정은 물리적/화학적 성질 등에서 아주 효과적인 제조법 중의 하나이다 [S. Kang, K.-S. Park, D.-S. Bae, Synthesis and microstructure of silica-zirconia composite nanoparticles by a sol-gel processing, Eng. Res. Tech., 5(2005), p.367-371].Examples of the preparation method of the silica-zirconia complex sol include mechanical preparation, rearrangement of zirconia with silicate, impregnation, coprecipitation and sol-gel method. Among them, the sol-gel process can be used for physical / It is one of the most effective recipe [S. Kang, K.-S. Park, D.-S. Bae, Synthesis and microstructure of silica-zirconia composite nanoparticles by a sol-gel processing, Eng. Res. Tech. , 5 (2005), p.367-371).

졸-겔 공정은 금속 전구체 (metal alkoxide)의 가수분해 반응과 응축반응으로 일어나며 다양한 종류의 물질을 만들어 낼 수 있고 상대적으로 낮은 온도에서 원하는 물성을 얻을 수 있는 장점이 있으며 분자구조, 높은 비표면적, 기공의 제어가 모든 복합재료에서 일저한 분포를 이루는 특징을 가진다. 또한 둘 이상의 재료가 혼합 되어진 물질의 제조를 위한 졸-겔 공정의 응용 분야도 널리 알려져 있다. 예를들면, 스토버법 (Stㆆber method)에서는 이러한 방법으로 암모니아 촉매를 사용하여 알코올/물 용액에서 TEOS (tetraethylorthosilicate)와 다른 여러 가지 실리콘 알콕사이드로부터 150-500 nm 크기의 단분산 실리카 (silica, SiO2) 입자를 합성할 수 있다 [W. Stㆆber, A. Fing, E. Bohn, Controlled growth of monodispered silica spheres in the micro size range, J. Colloid Interface. Sci., 26 (1968), p.62-69]. The sol-gel process is performed by the hydrolysis and condensation of metal alkoxide. It can produce various kinds of materials and has the advantage of obtaining desired physical properties at a relatively low temperature. The molecular structure, high specific surface area, The pore control is characterized by a uniform distribution in all the composites. Also, applications of the sol-gel process for the production of materials in which two or more materials are mixed are widely known. For example, in the Stober method, ammonia catalysts are used in this way to convert 150 to 500 nm sized monodisperse silica (SiO 2, SiO 2) from various silicon alkoxides to tetraethylorthosilicate (TEOS) 2 ) particles [W. St ㆆ ber, A. Fing, E. Bohn, Controlled growth of monodispersed silica spheres in the micro size range, J. Colloid Interface. Sci. , 26 (1968), p.

한편, 실리카 입자는 일반적으로 졸-겔법에 의해서 상온에서 TEOS와 물, 산 혹은 염기 환경하에서 가수분해-축합 반응으로 진행된다. 이때 얻어지는 결과는 실리카와 같은 구조식을 가지나 촉매의 영향에 의해서 3차원 망상구조의 형성에 의한 유리로의 성장과 구형의 입자로 성장된다. 이 때의 반응 메커니즘은 Si(OC2H5)4 + 2H2O → SiO2 + 4C2H5OH의 식으로 표현이 된다. 일반적으로 산 촉매하에서는 가수분해 속도가 응축반응 속도에 비하여 상대적으로 빠르게 진행이 되는데 알콕사이드가 3차원 망상 구조를 형성하는 중합체성 졸(polymeric sol) 형태를 나타낸다. 그리고 촉매의 종류에 따라서 겔화되는 시간이 다른데 같은 농도에서 HF, 아세트산, 염산, 질산, 황산의 순으로 겔화 되는데 걸리는 시간이 증가한다고 보고 되었다. 반면에 염기촉매에서는 가수분해 반응 속도보다 응축반응 속도가 빠르며 구형의 콜로이달 입자를 얻을 수 있는데 사용되는 알코올의 종류, 반응 시 사용되는 촉매의 농도, 첨가되는 물의 양에 크게 영향을 받는다. 그러므로 합성 조건에 따라서 다양한 종류의 구조 또는 크기를 갖는 입자를 형성할 수 있게 된다. (C.J. Brinker and G.W. Schere, Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of sol-gel processing, ACADEMIC PRESS, INC.,1990; J. Mater. Process. Technol., 199 (2008), p.10-26.)On the other hand, silica particles generally undergo hydrolysis-condensation reaction at room temperature by sol-gel method under TEOS and water, acid or base environment. The results obtained have the same structure as silica but grow as spherical particles and glassy growth due to the formation of three dimensional network structure by the effect of catalyst. The reaction mechanism at this time is represented by the formula Si (OC 2 H 5 ) 4 + 2H 2 O → SiO 2 + 4C 2 H 5 OH. Generally, under acid catalysis, the hydrolysis rate is relatively faster than the condensation reaction rate. The alkoxide has a polymeric sol form that forms a three-dimensional network structure. It has been reported that the time taken for gelation in the order of HF, acetic acid, hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid increases at the same concentration, depending on the type of catalyst. On the other hand, in the case of the base catalyst, the condensation reaction rate is faster than the hydrolysis reaction rate and the spherical colloidal particles can be obtained, which is greatly influenced by the type of alcohol used, the concentration of the catalyst used in the reaction, and the amount of water added. Therefore, it is possible to form particles having various structures or sizes according to the synthesis conditions. (CJ Brinker and GW Schere, Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing, ACADEMIC PRESS, INC., 1990; J. Mater. Process. Technol., 199 (2008), p. )

코팅제 등으로 응용을 하기 위해서는 나노 크기의 실리카 입자와 연속상인 용매가 분산되어 있는 나노 입자 서스펜션(suspension) 형태의 졸에서 분산 안정성을 확보하는 것이 중요하다. 분산 안정성 확보를 위하여 영향을 주는 변수들은 pH, 용매에 녹아있는 염, 입자의 크기, 용매의 극성 등이 있다. 실리카 졸의 표면 작용기와 분산 용매에 따라서 분산 정도가 다른데, 예를 들어 톨루엔 같은 비극성 용매에 친수성 성질의 극성의 실리카가 분산이 되는 경우에는, 소수성 성질의 비극성 실리카와 비교할 때 응집(aggregation) 및 크리밍 (creaming) 현상이 많이 일어나고 극성 용매인 에탄올에 분산하는 경우에는 소수성 실리카 입자가 더 응집 및 크리밍 현상이 잘 나타난다고 보고되었다. 그러므로 입자 표면의 극성과 용매의 극성이 일치하는 경우에 더욱 좋은 분산 안정성을 확보할 수 있다. (Theories and Applications of Chem. Eng., 15 (2009), p. 2159-2162; J. Am. Ceram. Soc., 84 (2001), p.713-718)Coatings, etc., it is important to ensure dispersion stability in a nanoparticle suspension in which nano-sized silica particles and a continuous phase solvent are dispersed. Variables affecting dispersion stability include pH, salt dissolved in solvent, particle size, and solvent polarity. When the dispersibility of the silica sol varies depending on the surface functional groups and the dispersing solvent, for example, when polarity silica of hydrophilic nature is dispersed in a non-polar solvent such as toluene, aggregation and crease It has been reported that hydrophobic silica particles are more agglomerated and creaming phenomenon when the hydrophilic silica particles are dispersed in ethanol which is a polar solvent. Therefore, when the polarity of the particle surface and the polarity of the solvent coincide, better dispersion stability can be secured. J. Am. Ceram. Soc., 84 (2001), p. 713-718). ≪ / RTI >

실리카졸의 합성에서 가장 많이 사용되는 전구체는 TEOS이며, 지르코니아졸 합성을 위한 전구체는 지르코늄 아세테이트 (Zr x +·xCH3COOH), 지르코닐 클로라이드 옥타히드레이트 (ZrOCl2·8H2O), 지르코닐 니트레이트 히드레이트 (ZrO(NO3)2·xH2O), 지르코늄(IV) tert-부톡사이드 (Zr(OC4H9)4, ZrTB) 등을 예시할 수 있다. The precursor for the synthesis of zirconia sol is zirconium acetate (Zr x + .x CH 3 COOH), zirconyl chloride octahydrate (ZrOCl 2 .8H 2 O), zirconium acetate It can be exemplified butoxide (Zr (OC 4 H 9) 4, ZrTB) , etc. - zirconyl nitrate hydrate (ZrO (NO 3) 2 · x H 2 O), zirconium (IV) tert.

이러한 상황 하에서, 실리카 전구체 (예. TEOS) 및 지르코니아 전구체 (예. ZrTB)를 사용한 졸-겔법에 의한 다양한 크기의 입도 분포를 갖는 안정한 실리카-지르코니아 복합졸을 합성하고 그 제조 조건을 최적화하는 연구 및 발명에 대한 필요성이 있어 왔다. Under these circumstances, studies have been carried out to synthesize stable silica-zirconia complex sols with various size distributions by sol-gel method using silica precursor (eg, TEOS) and zirconia precursor (eg, ZrTB) There has been a need for invention.

본 발명자들은, 실리카 전구체를 1차로 가수분해하여 실리카 졸을 제조하고, 여기에 지르코니아 전구체를 첨가하여 결과된 혼합물을 2차로 가수분해시키고, 그런 다음 가수분해 용액을 추가로 첨가하여 가수분해 및 응축시킴으로써, 입도분포가 균일하고, 응집이 적고, 장기간 침전 형성 없이 안정적인 상태로 유지될 수 있는 실리카-지르코니아 복합졸을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다. The present inventors have found that by first hydrolyzing a silica precursor to prepare a silica sol, adding a zirconia precursor thereto, secondly hydrolyzing the resulting mixture, and then hydrolyzing and condensing the additional hydrolysis solution , A silica-zirconia composite sol can be produced which is uniform in particle size distribution, less aggregated, and can be maintained in a stable state without formation of a long-term precipitation, thereby completing the present invention.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 실리카-지르코니아 복합졸은, 입도분포가 균일하고, 응집이 적고, 장기간 침전 형성 없이 안정적인 상태로 유지될 수 있다. The silica-zirconia composite sol prepared according to the production method of the present invention can be maintained in a stable state without uniformity of particle size distribution, less aggregation, and long-term precipitation formation.

도 1은 본 발명의 제조방법을 도식화한 도면이며,
도 2는 실시예 1로 제조된 복합졸의 초기 입도분포도 (도 2a) 및 6개월 경과후의 상등액의 입도분포도 (도 2b)이다.
도 3은 비교예 1의 제조방법을 도식화한 도면이다.
도 4는 비교예 1에서 제조된 복합졸의 초기 입도분포도 (도 4a) 및 6개월 경과후의 상등액의 입도분포도 (도 4b)를 보여주는 그래프이다.
도 5은 비교예 1에서 제조된 복합졸의 입도 측정값의 분포를 보여주는 그래프이다.
도 6a~6d는 졸의 SEM 사진으로서, 실시예 1에서 제조된 실리카-지르코니아 복합졸(도 6a) 및 이의 침전물(도 6b), 그리고 실리카졸(도 6c) 및 지르코니아졸(도 6d)을 각각 나타낸다.
도 7a은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 평균입도 100 nm의 복합졸의 입도분포도이고, 도 7b는 실시예 1에서 제조된 평균입도 100 nm의 복합졸의 SEM 사진이다.
도 8은 실시예 1 (◇) 및 비교예 1 (◆)에서 TEOS 농도에 따른 제타전위 측정값의 분포를 보여주는 그래프이다.
Fig. 1 is a diagram illustrating a manufacturing method of the present invention,
Fig. 2 is an initial particle size distribution diagram (Fig. 2a) of the composite sol prepared in Example 1 and a particle size distribution diagram (Fig. 2b) of supernatant after 6 months.
Fig. 3 is a schematic diagram of the manufacturing method of Comparative Example 1. Fig.
FIG. 4 is a graph showing an initial particle size distribution diagram (FIG. 4A) of the composite sol prepared in Comparative Example 1 and a particle size distribution diagram (FIG. 4B) of the supernatant after 6 months.
FIG. 5 is a graph showing the distribution of particle size measurement values of the composite sol prepared in Comparative Example 1. FIG.
6A to 6D are SEM photographs of a sol, showing the silica-zirconia composite sol (FIG. 6A) and its precipitate (FIG. 6B) prepared in Example 1 and silica sol (FIG. 6C) and zirconia sol .
FIG. 7A is a particle size distribution chart of a composite sol having an average particle size of 100 nm prepared in Example 1 and Comparative Example 1, and FIG. 7B is an SEM photograph of a composite sol having an average particle size of 100 nm prepared in Example 1.
8 is a graph showing the distribution of zeta potential measurements according to TEOS concentration in Example 1 ()) and Comparative Example 1 (占).

본 발명의 첫 번째 목적은 하기 단계를 포함하는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법을 제공하는 것이다:A first object of the present invention is to provide a process for preparing a particle size-controlled silica-zirconia complex sol comprising the steps of:

(1) 실리카 전구체 용액을 1차 가수분해 용액을 첨가하고, 결과된 반응혼합물을 50~90℃, 구체적으로는 60~80℃의 온도에서 30분~2시간, 구체적으로는 40분~1시간30분 동안 1차 가수분해 반응시키고, (1) A silica precursor solution is added to a primary hydrolysis solution, and the resulting reaction mixture is heated at a temperature of 50 to 90 DEG C, specifically 60 to 80 DEG C, for 30 minutes to 2 hours, The mixture was subjected to a primary hydrolysis reaction for 30 minutes,

(2) 상기 단계 (1)에서 결과된 반응혼합물에 지르코니아 전구체 용액 및 및 2차 가수분해 용액을 첨가하고, 결과된 반응혼합물을 50~90℃, 구체적으로는 60~80℃의 온도에서 1~24시간동안 2차 가수분해 반응 및 응축반응시키고, (2) adding a zirconia precursor solution and a second hydrolyzed solution to the reaction mixture obtained in the step (1), and heating the resultant reaction mixture at a temperature of from 50 to 90 ° C, Followed by a secondary hydrolysis reaction and a condensation reaction for 24 hours,

(3) 상기 단계 (2)에서 결과된 반응혼합물에 3차 가수분해 용액을 첨가하고, 결과된 반응혼합물을 100~140℃, 구체적으로는 110~130℃의 온도에서 4~24시간, 구체적으로는 2~12시간 동안 물을 제거하면서 응축반응시킴. (3) adding a tertiary hydrolysis solution to the reaction mixture obtained in the step (2), and heating the resultant reaction mixture at a temperature of 100 to 140 ° C, specifically 110 to 130 ° C for 4 to 24 hours, Condensate by removing water for 2 to 12 hours.

본 발명의 두 번째 목적은, 상기 제조방법에 따라 제조되고 500 nm 이하, 구체적으로는 400 nm이하, 바람직하게는 300 nm 이하의 평균입도를 갖는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸을 제공하는 것이다. A second object of the present invention is to provide a particle size-controlled silica-zirconia composite sol prepared according to the above process and having an average particle size of 500 nm or less, specifically 400 nm or less, preferably 300 nm or less .

본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 전술한 1차 가수분해 용액은 EtOH, 물 및 염산의 혼합용액일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the above primary hydrolysis solution may be a mixed solution of EtOH, water and hydrochloric acid.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 전술한 실리카 전구체는 테트라알킬오르토실리케이트, 구체적으로는 테트라에틸오르토실리케이트 (TEOS) 또는 테트라부틸오르토실리케이트 (TBOS)로부터 선택될 수 있고; 전술한 지르코니아 전구체는 지르코늄 아세테이트 (Zr x +·xCH3COOH), 지르코닐 클로라이드 옥타히드레이트 (ZrOCl2·8H2O), 지르코닐 니트레이트 히드레이트 (ZrO(NO3)2·xH2O), 지르코늄(IV) tert-부톡사이드 (Zr(OC4H9)4, ZrTB)로 구성된 군에서 선택될 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, said silica precursor may be selected from tetraalkylorthosilicates, specifically tetraethylorthosilicate (TEOS) or tetrabutylorthosilicate (TBOS); The above-described zirconia precursors include zirconium acetate (Zr x + x CH 3 COOH), zirconyl chloride octahydrate (ZrOCl 2 .8H 2 O), zirconyl nitrate hydrate (ZrO (NO 3 ) 2 x H 2 O), zirconium (IV) tert -butoxide (Zr (OC 4 H 9 ) 4 , ZrTB).

본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 전술한 실리카 전구체, 지르코니아 전구체 및 물은 몰비 Si:Zr:H2O = 0.1~5 : 0.1~5 : 1~40의 비율로 사용될 수 있으며, 이때, 실리카 전구체는 단계 (1)에서 0.1~0.5 wt%의 초기농도로 사용되는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the silica precursor, zirconia precursor and water may be used in a molar ratio of Si: Zr: H 2 O = 0.1-5: 0.1-5: 1 to 40, The precursor is preferably used in step (1) at an initial concentration of 0.1 to 0.5 wt%.

본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따르며, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법은 하기 단계를 포함할 수 있다:According to one preferred embodiment of the present invention, the process for preparing a particle size-controlled silica-zirconia complex sol may comprise the following steps:

(1) 실리카 전구체, 에탄올, 물 및 염산을 포함하는 용액을 50~80℃의 온도에서 30분~2시간동안 겔화 및/또는 가수분해(1차 가수분해)시키고, (1) gelation and / or hydrolysis (primary hydrolysis) of a solution containing a silica precursor, ethanol, water and hydrochloric acid at a temperature of 50 to 80 캜 for 30 minutes to 2 hours,

(2) 상기 단계 (1)에서 결과된 반응혼합물에, 경우에 따라서는 에탄올, 물 및 염산을 추가로 첨가하고, 이어서 지르코니아 전구체를 첨가한 다음, 50~80℃의 온도에서 1~24시간 동안 가수분해 (2차 가수분해)시키고, (2) adding ethanol, water and hydrochloric acid, if appropriate, to the reaction mixture obtained in step (1) above, followed by addition of a zirconia precursor, and then heating at a temperature of 50 to 80 DEG C for 1 to 24 hours Hydrolysis (secondary hydrolysis)

(3) 상기 단계 (2)에서 결과된 반응혼합물에 에탄올, 물 및 염산을 추가로 첨가하고 100~140℃의 온도에서 4~24시간 동안 물을 제거하면서 응축반응을 수행함. (3) Ethanol, water and hydrochloric acid are further added to the reaction mixture obtained in the step (2), and the condensation reaction is carried out at a temperature of 100 to 140 ° C for 4 to 24 hours while removing water.

본 발명의 하나의 구현예에 따르며, 물은 상기 공정 전체 투입량의 1/4 이하의 양으로 사용될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, water can be used in an amount of less than 1/4 of the entire process input.

이하에 본 발명은 더욱 상세히 설명된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 있어서, 실리카-지르코니아 (SiO2-ZrO2) 복합졸은 실리카(SiO2) 부위 및 지르코니아(ZrO2) 부위가 서로 화학적으로, 예를들면 복합산화물 (SiZrO4) 형태로 연결되어 있는 SiO2-ZrO2 복합입자를 함유하는 졸을 의미하며, 예를들면, 실리카 입자 및 지르코니아 입자들이 복합산화물 형태의 화학적 결합으로 연결되어 있는 복합입자를 예시할 수 있다. 이러한 형태의 복합입자들은 복합산화물 (SiZrO4)로 된 복합입자와는 달리 제조가 복잡하고 입도조절이 어렵다는 문제가 있다. In the present invention, the silica-zirconia (SiO 2 -ZrO 2 ) composite sol is a composite oxide in which a silica (SiO 2 ) portion and a zirconia (ZrO 2 ) portion are chemically bonded to each other in the form of a composite oxide (SiZrO 4 ) Refers to a sol containing SiO 2 -ZrO 2 composite particles, for example, a composite particle in which silica particles and zirconia particles are connected by a chemical bond in the form of a composite oxide. Unlike the composite particles of the composite oxide (SiZrO 4 ), the composite particles of this type are complicated to manufacture and difficult to control the particle size.

본 발명에 있어서, 가수분해 반응 및 응축반응은 통상적인 실리카 또는 지르코니아 졸겔합성법에서 이용되는 원료 및 조건에 따라 수행될 수 있다. 가수분해용액은 실리카 전구체 및 지르코니아 전구체를 가수분해시키는데 사용되는 용액으로서, 용매, 물 및 촉매를 포함할 수 있는데, 용매로는 에탄올과 같은 수용성 유기용매를 언급할 수 있고, 촉매로는 염산과 같은 산촉매, 수산화나트륨, 염화암모늄과 같은 알칼리성 촉매를 언급할 수 있다. 바람직하게는, 가수분해 용액은 에탄올, 물 및 염산을 포함한다. 1차, 2차 및 3차 가수분해용액은 서로 동일 또는 상이할 수 있다. In the present invention, the hydrolysis reaction and the condensation reaction can be carried out according to the raw materials and conditions used in conventional silica or zirconia sol-gel synthesis methods. The hydrolysis solution may be a solution used to hydrolyze the silica precursor and the zirconia precursor, and may include a solvent, water, and a catalyst. As the solvent, a water-soluble organic solvent such as ethanol may be mentioned. As the catalyst, Alkaline catalysts such as an acid catalyst, sodium hydroxide and ammonium chloride can be mentioned. Preferably, the hydrolysis solution comprises ethanol, water and hydrochloric acid. The primary, secondary and tertiary hydrolysis solutions may be the same or different.

본 발명의 하나의 바람직한 구현예에 따르면, 실리카-지르코니아 복합졸은 하기 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다: According to one preferred embodiment of the present invention, the silica-zirconia complex sol can be prepared by a process comprising the steps of:

-단계 1: [실리카 전구체 용액 도입] Step 1: [Introduction of silica precursor solution]

반응기에 TEOS와 같은 실리카전구체 및 EtOH와 같은 용매를 도입한 다음, 온도를 50~90℃로 조절 한다. A silica precursor such as TEOS and a solvent such as EtOH are introduced into the reactor, and then the temperature is adjusted to 50 to 90 占 폚.

-단계 2 : [1차 가수분해 단계] - Step 2: [Primary hydrolysis step]

상기 단계 1의 실리카 전구체 용액에 1차 가수분해용액 (예. 에탄올과 같은 용매, 물 및 HCl)을 교반 하에 천천히 적가한 다음, 30분~2시간 동안 교반하여 A-1 1차 가수분해 반응용 용액을 주입하여 (실리카 전구체의 가수분해 반응)을 진행시키고, 이때, 물은 전체 투입량의 1/4~1/2의 양만 사용하는 것이 바람직하다. A primary hydrolysis solution (for example, a solvent such as ethanol, water and HCl) was slowly added dropwise to the silica precursor solution of the step 1 with stirring and then stirred for 30 minutes to 2 hours to obtain A-1 for the primary hydrolysis reaction (Hydrolysis reaction of the silica precursor) is carried out by injecting a solution, and at this time, it is preferable to use only 1/4 to 1/2 of the total amount of water.

-단계 3 : [지르코니아 전구체 용액 도입 및 2차 가수분해 단계] Step 3: [Introduction of zirconia precursor solution and secondary hydrolysis step]

상기 단계 2)에서 수득된 반응혼합물에, 고순도의 에탄올, 바람직하게는 물을 거의 함유하지 않는 고순도 에탄올 및 ZrTB와 같은 지르코니아 전구체를 포함하는 용액 B (지르코니아 전구체 용액)를 교반 하에 천천히 적가하고, 70℃에서 1~2시간 동안 교반하고 A-2를 천천히 주입하면서 2차 가수분해 반응 (지르코니아 전구체의 1차 가수분해 반응)을 진행시핀다.To the reaction mixture obtained in the step 2), a solution B (zirconia precursor solution) containing a high purity ethanol, preferably high purity ethanol containing little water, and a zirconia precursor such as ZrTB was slowly added dropwise with stirring, Deg.] C for 1 to 2 hours, and the secondary hydrolysis reaction (primary hydrolysis reaction of the zirconia precursor) proceeds while slowly injecting A-2.

-단계 4 : [3차 가수분해단계] Step 4: [tertiary hydrolysis step]

상기 단계 3)에서 수득된 반응혼합물에, 3차 가수분해용 용액 A-3를 첨가하여 2시간 동안 3차 가수분해 반응을 진행한 다음, HCl를 사용하여 용액의 pH를 조절할 수 있다. The tertiary hydrolysis solution A-3 is added to the reaction mixture obtained in the step 3), and then the tertiary hydrolysis reaction is carried out for 2 hours, and then the pH of the solution can be adjusted by using HCl.

-단계 5 : [응축단계] - Step 5: [condensation phase]

상기 단계 4)에서 수득된 반응혼합물을 100℃로 가열하고 약 30분 동안 안정화시킨 다음, 5℃/1~10분의 승온속도로 120~125℃로 가열하고, 약 8시간 동안 물을 증류로 제거하면서 응축반응을 수행한다. 이때, 증류되는 물은 컨덴서 하부에 설치된 드롭핑펀넬을 이용하여 조절함으로써, 반응계 내에 일정량 이상의 물이 존재할 수 있도록 한다.The reaction mixture obtained in the step 4) was heated to 100 DEG C and stabilized for about 30 minutes, then heated to 120 to 125 DEG C at a heating rate of 5 DEG C / 1 to 10 minutes, and water was distilled off for about 8 hours Condensation reaction is carried out while removing. At this time, the distilled water is adjusted by using a dropping funnel provided at the lower part of the condenser so that a certain amount of water can be present in the reaction system.

상기 단계 1~5의 반응은 필요에 따라 변형될 수 있다. The reactions of the above steps 1 to 5 may be modified as necessary.

실리카 전구체 (예. TEOS)와 지르코니아 전구체(예. ZrTB)가 1:1로 중합 반응할 때, 복합산화물 형태의 연결구조는 선형결합구조 또는 교차결합구조를 가질 수 있다 (참조 도 6). 가수분해 및 중합반응의 경우 전구체는 가수분해된 후 중합 반응에 의하여 거대 분자를 형성하게 되는데 이는 불활성 물질이 된다. 따라서 비휘발성 잔존 계수는 중합체성 물질의 잔존비율로 볼 수 있고, 이는 반응 속도를 평가하기 위해 사용될 수 있다. 이론적 잔존량은 완전한 교차결합일 때 0.7937이고 완전한 선형결합일 때 0.9536이므로, 일반적으로 실리카-지르코니아 복합졸 제조에서의 잔존량은 상기 수치 사이에 존재하게 된다 (J. Sol-Gel Sci. Technol., 53 (2010), p.93-99). When the silica precursor (eg, TEOS) and the zirconia precursor (eg, ZrTB) polymerize at a 1: 1 ratio, the complex oxide-like linkage structure may have a linear or cross-linking structure (see FIG. In the case of hydrolysis and polymerization, the precursor is hydrolyzed and then macromolecules are formed by the polymerization reaction, which is an inert material. Thus, the nonvolatile residual coefficient can be seen as the residual ratio of the polymeric material, which can be used to evaluate the reaction rate. Since the theoretical residual amount is 0.7937 at full cross-linking and 0.9536 at complete linear linkage, the residual amount in the preparation of silica-zirconia composite sol generally exists between these values (J. Sol-Gel Sci. Technol. 53 (2010), p. 93-99).

Si:Zr:H2O의 비를 달리하여 몰 비에 따른 잔존량 변화 및 촉매의 농도 변화에 따른 잔존량 변화를 살펴보면, 이론적 잔존량의 범위는 0.7937~0.9536 이지만, 이보다 높은 값은 응집되어 있는 상태를 나타내며, 낮은 값을 단분자로 존재하여 가수분해된 상태를 나타낸다. 일반적으로, 촉매농도에 따른 반응을 볼 때에는 Si:Zr:H2O의 몰비가 1:1:80이고 HCl 1.0wt%일 때 반응속도가 가장 빠르게 나타나고, 몰비가 1:1:80, HCl 0.2wt%, 24시간 반응에서 이론적 잔존량에 가장 잘 부합된다. 물의 비가 낮을수록 반응속도가 낮은 경향을 보인다. When the ratio of Si: Zr: H 2 O is varied, the theoretical residual amount is 0.7937 to 0.9536, but the higher the value is, State, and a low value exists as a single molecule, indicating a hydrolyzed state. In general, when the reaction was carried out according to the catalyst concentration, the reaction rate was the fastest when the molar ratio of Si: Zr: H 2 O was 1: 1: 80 and HCl 1.0wt%, the molar ratio was 1: 1: 80, wt%, 24 hours reaction. The lower the water ratio, the lower the reaction rate.

본 발명에 있어서, Si:Zr=1:1일 때, (Si+Zr):H2O의 몰비는 1:10~80, 구체적으로는 1:20~60, 바람직하게는 1:30~50을 가질 수 있다. 물의 비가 너무 적으면 반응속도가 느려지고, 물의 비가 너무 많으면 가수분해 반응이 빠르게 진행이 되어 반응의 제어에 어려움이 있다.In the present invention, when Si: Zr = 1: 1, the molar ratio of (Si + Zr): H 2 O is 1:10 to 80, specifically 1:20 to 60, Lt; / RTI > If the ratio of water is too low, the reaction rate becomes slow. If the water ratio is too high, the hydrolysis reaction proceeds rapidly, which makes it difficult to control the reaction.

전자현미경 사진을 비교하면, 실리카는 균일한 크기의 구상입자 형태를 가지만, 지르코니아는 미세한 입자들이 뭉쳐져 있고 응집된 크기 또한 여러 분포를 보이고 있다 (참조 도 6). 일반적으로, 지르코니아의 제조에서 물의 농도가 증가할수록 입자의 크기가 미세해지고 미세 입자의 응집력이 강해져서 응집정도에 따라서 입도 분석의 오차가 심하게 나타나므로, 낮은 물의 몰비에서 가수분해 반응속도를 조절하여 300nm 이하의 균일한 분포를 가지며 안정한 형태의 실리카-지르코니아의 합성을 위한 세공의 크기를 조절할 필요가 있다. Comparing electron micrographs, silica has spherical particle shapes of uniform size, while zirconia has a cluster of fine particles and a cohesive size distribution (see FIG. 6). Generally, as the concentration of water in zirconia production increases, the particle size becomes finer and the cohesion of fine particles becomes stronger. Therefore, the error of the particle size analysis becomes severe according to the degree of coagulation. Therefore, It is necessary to control the size of the pores for the synthesis of silica-zirconia having a uniform distribution and stable morphology below.

따라서, 본 발명에서는, 실리카 전구체의 농도를 저하시킴으로써, 예를들면 기존의 1.0 wt% 농도에서 본발명에서는 0.2wt%까지 감소시킴으로써, 물의 몰비를 조절하여 입도를 조절하고, 이에 의해 응집 정도를 감소시킬 수 있다. 또, 가수분해를 3단계에 걸쳐서 조절함으로써 반응속도를 조절하고 이에 의해 입도를 조절할 수 있다. Therefore, in the present invention, by reducing the concentration of the silica precursor, for example, by reducing the concentration of the silica precursor to 1.0 wt% in the present invention to 0.2 wt% in the present invention, the molar ratio of water is adjusted to control the particle size, . In addition, the hydrolysis can be controlled in three steps to adjust the reaction rate and thereby control the particle size.

일반적으로, 산촉매를 사용한 졸-겔 반응에서 가수분해 속도는 매우 빠르게 진행이 되고 이에 따라서 졸의 형태에 영향을 주게 된다. 기존의 방법에서는 실리카의 가수분해 후에 지르코니아를 주입하는 형태의 1단계 가수분해 과정을 가지고 있다. 본 발명에서는 가수분해 단계를 3차에 걸쳐서 나누어 진행시킴으로써 가수분해 속도를 조절하였으며, 이에 의해 큰 입자를 형성하는 것을 줄이면 안정한 상태의 실리카-지르코니아 복합졸을 형성할 수 있다. In general, in the sol-gel reaction using an acid catalyst, the rate of hydrolysis proceeds very rapidly and thus affects the morphology of the sol. The conventional method has a one-step hydrolysis process of injecting zirconia after the hydrolysis of silica. In the present invention, the rate of hydrolysis is controlled by dividing the hydrolysis step by three steps, thereby reducing the formation of large particles, thereby forming a stable silica-zirconia complex sol.

이렇게 제조된 실리카-지르코니아 복합졸은 입도분포가 균일하고, 응집이 적고, 장기간 침전형성없이 안정적인 상태로 유지될 수 있다.The silica-zirconia composite sol prepared as described above has a uniform particle size distribution, less aggregation, and can be maintained in a stable state without forming a long-term precipitation.

한편, 액체 속에 부유하는 콜로이드 입자들의 표면 대전량 정도를 나타내는 지표로서 전단영역(Shear boundary)와 벌크용액(Bulk solution)과의 전위차를 의미하는 제타전위가 많이 이용된다. 제타전위는 콜로이드의 안정도와 직접적인 관계가 있는데, 제타전위가 증가하면 콜로이드가 안정한 것을 의미하며 제타전위가 감소하면 콜로이드가 불안정한 것을 의미한다. 본 발명에 따른 실리카-지르코니아 복합졸의 안정성도 이러한 제타전위에 의해 확인될 수 있다. On the other hand, a zeta potential, which means a potential difference between a shear boundary and a bulk solution, is often used as an index indicating the degree of surface charge of colloidal particles suspended in a liquid. The zeta potential is directly related to the stability of the colloid. An increase in the zeta potential means that the colloid is stable, and a decrease in the zeta potential means that the colloid is unstable. The stability of the silica-zirconia complex sol according to the present invention can be confirmed by this zeta potential.

본 발명은 하기 실시예에 의해 더욱 상세히 설명될 수 있다. The present invention can be further illustrated by the following examples.

[실시예][Example]

실시예에서 사용된 약어는 다음과 같다:Abbreviations used in the examples are as follows:

TEOS: 테트라에톡시오르토실란, TEOS: tetraethoxyorthosilane,

ZrTB: 지르코늄(IV) tert-부톡사이드 ZrTB: Zirconium (IV) tert -butoxide

EtOH: 에탄올, EtOH: ethanol,

HCl: 염산.
HCl: hydrochloric acid.

실시예 1: Example 1:

하기 절차에 따라 실시카-지르코니아 복합졸 (SiO2-ZrO2)을 제조하였다. 사용된 물질명 및 종류는 하기 표 1에 기재한다:To prepare a zirconia complex sol (SiO 2 -ZrO 2) - carrying out a car according to the procedure. The names and types of materials used are listed in Table 1 below:

- 단계 1: [실리카 전구체 용액 도입] 자석식 교반기, 오일배쓰, 적가장치 (드로핑펀넬) 및 냉각콘덴서를 갖춘 3구 둥근바닥 플라스크(500 mL)에 TEOS 및 EtOH를 초기 농도에 맞게 도입한 다음, 온도를 70℃로 조절하고; Step 1: [Introduction of silica precursor solution] TEOS and EtOH were introduced into a 3-necked round bottom flask (500 mL) equipped with a magnetic stirrer, an oil bath, a dropping funnel (dropping funnel) and a cooling condenser, The temperature was adjusted to 70 캜;

- 단계 2 : [1차 가수분해 단계] 상기 단계 1)에서 수득된 실리카 전구체 용액에, 에탄올, 물 및 HCl를 포함하는 용액 A-1 (실리카 가수분해 용액)을 교반 하에 천천히 적가한 다음, 1시간 동안 교반하여 1차 가수분해 반응 (실리카 전구체의 가수분해 반응)을 진행시키고 (여기서, 물은 전체 투입량의 1/4~1/2의 양만 사용함); Step 2: [Primary hydrolysis step] To the silica precursor solution obtained in the above step 1), a solution A-1 (silica hydrolysis solution) containing ethanol, water and HCl was slowly added dropwise with stirring, For a period of time to proceed the primary hydrolysis reaction (hydrolysis reaction of the silica precursor), wherein water is used in an amount of only 1/4 to 1/2 of the total charge;

- 단계 3 : [지르코니아 전구체 용액 도입 및 2차 가수분해 단계] 상기 단계 2)에서 수득된 반응혼합물에, 고순도의 에탄올 및 ZrTB를 포함하는 용액 B (지르코니아 전구체 용액)를 교반 하에 천천히 적가하고, 70℃에서 1시간 동안 교반하고 2차 가수분해용 용액 A-2 (물은 전체 투입량의 1/4~1/2의 양만 사용함)를 첨가하여 2차 가수분해 반응을 1~12시간 진행시키고, Step 3: [Introduction of zirconia precursor solution and secondary hydrolysis step] To the reaction mixture obtained in the step 2), a solution B (zirconia precursor solution) containing high purity ethanol and ZrTB was slowly added dropwise with stirring, and 70 (1/4 to 1/2 of the total amount of water was added) to proceed the secondary hydrolysis reaction for 1 to 12 hours,

- 단계 4 : [3차 가수분해단계] 상기 단계 3)에서 수득된 반응혼합물에, 3차 가수분해용 용액 A-3 (물은 전체 투입량의 1/4~1/2의 양만 사용함)를 첨가하여 2시간 동안 3차 가수분해 반응을 진행하한 다음, HCl를 사용하여 용액의 pH를 조절하고, - Step 4: [Tertiary hydrolysis step] To the reaction mixture obtained in the step 3), a solution A-3 for tertiary hydrolysis (water is used in an amount of 1/4 to 1/2 of the total amount) is added After 3 hours of hydrolysis for 2 hours, the pH of the solution was adjusted using HCl,

- 단계 5 : [응축단계] 상기 단계 4)에서 수득된 반응혼합물을 100℃로 가열하고 약 30분 동안 안정화시킨 다음, 5℃/1~10분의 승온속도로 120~125℃로 가열하고, 약 8시간 동안 물을 증류로 제거하면서 응축반응을 수행한다. 이때, 증류되는 물은 컨덴서 하부에 설치된 드롭핑펀넬을 이용하여 조절함으로써, 반응계 내에 일정량 이상의 물이 존재할 수 있도록 한다. Step 5: [Condensation step] The reaction mixture obtained in step 4) is heated to 100 DEG C, stabilized for about 30 minutes, heated to 120 to 125 DEG C at a heating rate of 5 DEG C / Condensation reaction is carried out with removal of water by distillation for about 8 hours. At this time, the distilled water is adjusted by using a dropping funnel provided at the lower part of the condenser so that a certain amount of water can be present in the reaction system.

하기 표 1에 실시예 1에서 다양한 Si: Zr:H2O의 몰비로 제조된 실리카-지르코니아 복합졸의 평균입도 및 제타전위를 기재한다. Table 1 below shows the average particle size and zeta potential of silica-zirconia composite sol prepared at various molar ratios of Si: Zr: H2O in Example 1.

Sol nameSol name Si:Zr:H2OSi: Zr: H 2 O TEOS 농도 [wt%]TEOS concentration [wt%] 평균입도 [nm]Average particle size [nm] 제타전위
[mV]
Zeta potential
[mV]
초기Early 3개월후Three months later SZ-18SZ-18 1:1:41: 1: 4 1.01.0 198198 188188 20.720.7 SZ-19SZ-19 1:1:41: 1: 4 1.01.0 521.9521.9 680680 10.610.6 SZ-20SZ-20 1:1:41: 1: 4 0.50.5 162.2162.2 188188 32.432.4 SZ-21SZ-21 1:1:41: 1: 4 0.50.5 77.3877.38 62.562.5 27.527.5 SZ-22SZ-22 1:1:41: 1: 4 0.20.2 232232 293293 24.324.3 SZ-23SZ-23 1:1:41: 1: 4 0.20.2 189189 252252 26.926.9 SZ-30SZ-30 1:1:41: 1: 4 0.20.2 95.395.3 43.043.0

본 발명에 따라 제조된 복합졸은 평균입도가 300nm 이하이고, 6개월이 지난 상태에서도 침전으로 인한 층분리가 관측되지 않았다. 뿐만 아니라, 표 1은, 본 발명에서 제조된 복합졸은 3개월이 경과한 후에도 평균입도가 초기에 비해 크게 차이가 없음을 보여준다. 따라서, 본 발명에 따른 실리카-지르코니아 복합졸은 용액상태에서 안정성이 상당히 높은 것을 알 수 있다.The composite sol prepared according to the present invention had an average particle size of 300 nm or less and no layer separation due to precipitation was observed even after 6 months. In addition, Table 1 shows that the average particle size of the composite sol produced in the present invention does not significantly differ from the initial value even after 3 months have elapsed. Therefore, it can be seen that the stability of the silica-zirconia composite sol according to the present invention is remarkably high in a solution state.

비교예 1A (비교): Comparative Example 1A (comparative):

기존의 제조방법에 따라 비교용 실리카-지르코니아 복합졸 (SiO2-ZrO2)을 제조하였다.A comparative silica-zirconia composite sol (SiO 2 -ZrO 2 ) was prepared according to the conventional production method.

하기 절차에 따라 실시카-지르코니아 복합졸 (SiO2-ZrO2)을 제조하였다. 사용된 물질명 및 종류는 하기 표 2에 기재한다:To prepare a zirconia complex sol (SiO 2 -ZrO 2) - carrying out a car according to the procedure. The names and types of materials used are listed in Table 2 below:

-단계 1) 자석식 교반기, 오일배쓰, 냉각콘덴서를 갖춘 2구 둥근바닥 플라스크(500 mL)에 TEOS 및 EtOH 를 초기 농도에 맞게 도입한 다음, 온도를 70℃로 조절하고, Step 1) TEOS and EtOH were introduced into a 2-necked round bottom flask (500 mL) equipped with a magnetic stirrer, an oil bath and a cooling condenser at an initial concentration, then the temperature was adjusted to 70 DEG C,

-단계 2) 상기 단계 1)에서 수득된 TEOS 용액에, 가수분해용 용액 A으로서 에탄올, 물 및 HCl를 포함하는 용액을 교반 하에 천천히 적가한 다음, 1시간 동안 교반하여 가수분해 반응을 진행시키고, Step 2) To the TEOS solution obtained in the step 1), a solution containing ethanol, water and HCl as the hydrolysis solution A was slowly added dropwise with stirring, and the mixture was stirred for 1 hour to proceed the hydrolysis reaction,

단계 3) 상기 단계 2)에서 수득된 반응혼합물에, 가수분해용 용액 B로서 에탄올 및 ZrTB를 포함하는 용액 B를 교반 하에 천천히 적가한 다음, 1~24시간 동안 교반하여 가수분해 및 응축을 진행시키고, Step 3) To the reaction mixture obtained in the step 2), a solution B containing ethanol and ZrTB as the hydrolysis solution B was slowly added dropwise with stirring, and the mixture was stirred for 1 to 24 hours to progress hydrolysis and condensation ,

단계 4) 제조된 실리카-지르코니아 졸을 정제 및/또는 분리함.Step 4) Purification and / or separation of the prepared silica-zirconia sol.

(비교예 1A) 실리카-지르코니아 졸 합성(Si:Zr:H20 =1:1:8, HCl=0.2wt%)(Comparative Example 1A) Synthesis of silica-zirconia sol (Si: Zr: H 2 0 = 1: 1: 8, HCl = 0.2 wt%  단계step 초기 Early AA BB 시료명Name of sample TEOSTEOS EtOHEtOH H2OH 2 O HClHCl EtOHEtOH ZrTBZrTB EtOHEtOH 사용량(g)Usage (g) 3.00 3.00 270.09 270.09 2.08 2.08 0.11 0.11 10.00 10.00 4.72 4.72 10.00 10.00 mol ratiomol ratio 1.00 1.00 93.62 93.62 8.02 8.02 0.21 0.21 3.47 3.47 1.00 1.00 3.47 3.47

비교예 1B~F (비교): Comparative Examples 1B to F (Comparative):

상기 비교예 1A에 기재된 방법을 반복하여 실시카-지르코니아 복합졸 (SiO2-ZrO2)을 제조하였으며, 각 단계에서 사용된 물질의 사용 비율은 하기 표 3에 기재한다:And were prepared zirconia complex sol (SiO 2 -ZrO 2), the proportion of the material used in each step are described below in Table 3 by repeating the method described in Comparative Example 1A embodiment Car:

제조예Manufacturing example TEOS
(g)
TEOS
(g)
H2O
(g)
H 2 O
(g)
HCl
(g)
HCl
(g)
ZrTB
(g)
ZrTB
(g)
Si:Zr:H20 (몰비)Si: Zr: H 2 O (molar ratio) HCl (함량)HCl (content)
1B1B 3.03.0 5.25.2 0.110.11 4.724.72 1:1:201: 1: 20 0.2wt%0.2 wt% 1C1C 3.03.0 10.410.4 0.110.11 4.724.72 1:1:401: 1: 40 0.2wt%0.2 wt% 1D1D 3.03.0 20.820.8 0.110.11 4.724.72 1:1:801: 1: 80 0.2wt%0.2 wt% 1E1E 3.03.0 2.082.08 0.590.59 4.724.72 1:1:81: 1: 8 1wt%1wt% 1F1F 3.03.0 20.820.8 0.590.59 4.724.72 1:1:801: 1: 80 1wt%1wt%

하기 표 4에 비교예 1에서 다양한 Si: Zr:H2O의 몰비로 제조된 실리카-지르코니아 복합졸의 평균입도 및 제타전위를 기재한다. Table 4 below shows the average particle size and zeta potential of the silica-zirconia composite sol prepared at a molar ratio of various Si: Zr: H 2 O in Comparative Example 1.

비교예 1의 복합졸의 입도분석 및 제타전위
Particle size analysis and zeta potential of the composite sol of Comparative Example 1
Sol nameSol name Si:Zr:H2OSi: Zr: H 2 O TEOS 농도
[wt%]
TEOS concentration
[wt%]
HCl 농도
[wt%]
HCl concentration
[wt%]
평균입도 [nm]Average particle size [nm] 제타전위
[mV]
Zeta potential
[mV]
초기Early 6개월후6 months later SZ-1SZ-1 1:1:81: 1: 8 1.01.0 0.20.2 13831383 164164 8.88.8 SZ-2SZ-2 1:1:81: 1: 8 1.01.0 0.20.2 34.334.3 28.628.6 SZ-3SZ-3 1:1:801: 1: 80 1.01.0 0.20.2 652652 22.722.7 SZ-4SZ-4 1:1:81: 1: 8 1.01.0 1.01.0 20.620.6 4.04.0 SZ-5SZ-5 1:1:401: 1: 40 1.01.0 0.20.2 616616 274274 25.525.5 SZ-6SZ-6 1:1:801: 1: 80 1.01.0 1.01.0 22252225 587587 SZ-7SZ-7 1:1:801: 1: 80 1.01.0 0.20.2 166166 SZ-8SZ-8 1:1:801: 1: 80 1.01.0 1.01.0 364364 463463 SZ-9SZ-9 1:1:801: 1: 80 1.01.0 0.20.2 10711071 218218 SZ-10SZ-10 1:1:801: 1: 80 1.01.0 0.2 (NH4OH)0.2 (NH 4 OH) 730730 229229 SZ-11SZ-11 1:1:81: 1: 8 1.01.0 0.20.2 18.218.2 SZ-12SZ-12 1:1:401: 1: 40 1.01.0 0.20.2 186186 SZ-13SZ-13 1:1:801: 1: 80 1.01.0 0.20.2 170170 SZ-14SZ-14 1:1:201: 1: 20 1.01.0 0.20.2 135135 SZ-15SZ-15 1:1:201: 1: 20 1.01.0 0.20.2 109109

도 3은 기존의 일반적인 제조방법 및 비교예 1의 제조방법을 도식화한 것을 보여주고 있다. FIG. 3 shows a schematic diagram of a conventional general manufacturing method and a manufacturing method of Comparative Example 1.

도 4는 비교예 1로 제조된 복합졸의 입도 측정값을 나타내는데, 물의 몰비가 작을 때 작은 입자 크기를 나타내고 물의 몰비가 증가할수록 크기가 증가하는 경향을 보여주나, 그 입도 크기의 분포가 물의 몰비가 클수록 오차값이 크게 나타남을 알 수 있다. FIG. 4 shows the particle size of the composite sol prepared in Comparative Example 1, which shows a small particle size when the molar ratio of water is small and a tendency that the particle size increases as the molar ratio of water increases. However, The larger the error value is, the larger the error value is.

도 5은 실시예 1로 제조된 복합졸의 초기 입도분포도 (도 5a) 및 6개월 경과후의 상등액의 입도분포도 (도 5b)를 보여주는데, 물의 몰비가 큰 경우 입도분포가 넓은 범위에서 나타나는 것을 보여주는데, 이는 입자가 용액내에 균일하게 분포하기 보다는 몰비가 클수록 응집되어 있는 상태를 가지고 있기 때문에 입자 크기의 분포의 오차값이 지나치게 큰 경향을 보인다고 판단된다. 그리고 원액을 그대로 보존하고 6개월이 경과한 후 입도를 재측정한 결과 원액 그대로 보존한 대부분의 용액이 침전물이 나타났으며 상등액으로 재측정한 결과 평균 입자 크기가 감소하는 경향을 보였주었다. 이로부터 기존의 제조방법, 즉 실시예 1의 방법으로 제조된 복합졸은 불안정한 상태의 용액을 형성하고 있다고 판단된다. Fig. 5 shows the initial particle size distribution (Fig. 5a) of the composite sol prepared in Example 1 and the particle size distribution diagram of the supernatant after 6 months (Fig. 5b). It is shown that when the molar ratio of water is large, This is because the particle size distributions tend to be excessively large because the particles are in a state of agglomeration as the mole ratio is larger rather than being uniformly distributed in the solution. After 6 months of storage of the stock solution, re - measurement of the particle size showed that most of the solution retained as the undiluted solution showed sedimentation and the average particle size tended to decrease as a result of re - measurement with the supernatant. From this, it is judged that the conventional preparation method, that is, the composite sol prepared by the method of Example 1 forms an unstable solution.

시험예 1: 콜로이드 입자의 입도분석 비교Test Example 1: Comparison of particle size analysis of colloidal particles

제조방법이 상이하지만 평균입도가 100nm로 유사한 비교예 1의 복합졸(SZ-15) 및 실시예 1의 복합졸(SZ-30)에 대하여, 입도분석을 비교하였다. Particle size analysis was compared for the composite sol (SZ-15) of Comparative Example 1 and the composite sol (SZ-30) of Example 1, both of which had different average particle sizes of 100 nm.

도 7a에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 복합졸(SZ-30)은 비교예 1의 복합졸(SZ-15)에 비해 입도분포가 훨씬 더 좁아 입도분포가 균일한 것을 보여준다. 도 7b는 실시예 1의 복합졸(SZ-30)의 SEM 사진으로서, 매우 균일한 입도 분포를 보여준다. As shown in FIG. 7A, the composite sol (SZ-30) of Example 1 has a narrower particle size distribution than that of the composite sol (SZ-15) of Comparative Example 1, showing uniform particle size distribution. 7B is an SEM photograph of the composite sol (SZ-30) of Example 1, showing a very uniform particle size distribution.

시험예 2: 콜로이드 입자 안정성의 비교Test Example 2: Comparison of colloid particle stability

실시예 및 비교예에서 제조된 실시카-지르코니아 복합졸의 입자 안정성을 제타전위에 의해 확인할 수 있다 (표 1 및 표 4 참조). The particle stability of the practical ka-zirconia composite sol prepared in Examples and Comparative Examples can be confirmed by the zeta potential (see Table 1 and Table 4).

도 8에서 알 수 있는 바처럼, TEOS의 농도가 낮을 경우 제타전위가 증가하여 분산안정성을 나타내는 경향을 보이는데, 농도가 높은 경우보다 이온화되는 경향이 적어지고 그로 인해 입자의 형성이 선형적으로 발생하여 분산이 균일해질 것으로 예상된다. 농도가 높게 되면 용액에서 교차결합 가능성이 증가하여 입가 커지게 되고 상대적으로 분산안정성이 저하되어 제타전위가 감소하게 되는데, 농도가 높아지게 되면 이온 힘이 커지고, 더 압축된 이중층을 형성하여 제타전위 값이 낮아지게 된다. 즉, 이온들의 응집이 예상된다. As can be seen from FIG. 8, when the TEOS concentration is low, the zeta potential increases and the dispersion stability tends to be exhibited. The tendency of ionization is less than that at a high concentration, Dispersion is expected to be uniform. When the concentration is high, the possibility of cross-linking in the solution increases, and the zeta potential decreases due to the decrease in dispersion stability and relative stability. When the concentration is increased, the ion force becomes larger and a zeta potential value . That is, aggregation of ions is expected.

또한 용매에 의한 차이를 생각해 볼 수 있는데, 비교예 1 (표 4)에서는 EtOH 용매 중에서 제타전위를 측정하였으며, 실시예 1 (표 1) 에서는 물을 분산매로 사용하여 제타전위를 측정하였다. 일반적으로 제타전위 값의 증가가 용액내의 분산된 졸의 분산안정성 향상에 영향을 미치게 되는데, 도 8에서와 같이 실시예 1의 제타전위가 비교예 1의 제타전위보다 측정값이 높게 나타난다. 그 이유는 EtOH를 사용한 경우 물보다 덜 극성이기 때문에 이온화가 덜 일어남으로써, 선형적 분포를 보이는 입자들보다는 교차결합된 입자들이 더 많이 생성되는 현상이 예상되며, 결과적으로 실시예 1의 입자들이 비교예 1의 입자들보다 더 잘 분산되어 있는 것을 알 수 있다 (Chi Hoon Kang, Sung Wook Hong, Yong Tae Kang, Junemo Koo., The Effects of the Surfactant Type on the Nanofluids Stability., 대한설비공학회 2008 동계학술발표대회 논문집, p 275-280). The zeta potential was measured in EtOH solvent in Comparative Example 1 (Table 4), and the zeta potential was measured in Example 1 (Table 1) using water as a dispersion medium. Generally, an increase in the zeta potential value affects the dispersion stability improvement of the dispersed sol in the solution. As shown in FIG. 8, the zeta potential of Example 1 is higher than that of Comparative Example 1. The reason is that the use of EtOH is less polar than water and therefore less ionization is expected to result in more cross-linked particles than linearly distributed particles. As a result, (Chih Hoon Kang, Sung Wook Hong, Yong Tae Kang, Junemo Koo., The Effects of the Surfactant Type on the Nanofluids Stability. Proceedings, p. 275-280).

본 발명은 실리카-지르코니아 복합졸 또는 복합입자를 촉매, 촉매담체, 충전제, 필러 등으로 사용하는 산업분야에서 산업적으로 이용될 수 있다. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be industrially used in industrial fields in which silica-zirconia composite sol or composite particles are used as a catalyst, a catalyst carrier, a filler, a filler and the like.

Claims (11)

하기 단계를 포함하는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법:
(1) 실리카 전구체 용액을 1차 가수분해 용액을 첨가하고, 결과된 반응혼합물을 50~90℃의 온도에서 30분~2시간동안 1차 가수분해 반응시키고,
(2) 상기 단계 (1)에서 결과된 반응혼합물에 지르코니아 전구체 용액 및 및 2차 가수분해 용액을 첨가하고, 결과된 반응혼합물을 50~90℃의 온도에서 1~24시간동안 2차 가수분해 반응 및 축합 반응시키고,
(3) 상기 단계 (2)에서 결과된 반응혼합물에 3차 가수분해 용액을 첨가하고, 결과된 반응혼합물을 100~140℃의 온도에서 4~24시간 동안 물을 제거하면서 응축반응시킴.
A process for preparing a particle size-controlled silica-zirconia complex sol comprising the steps of:
(1) adding a primary hydrolysis solution of a silica precursor solution, subjecting the resulting reaction mixture to primary hydrolysis at a temperature of 50 to 90 ° C for 30 minutes to 2 hours,
(2) adding a zirconia precursor solution and a secondary hydrolysis solution to the reaction mixture obtained in the step (1), and subjecting the resulting reaction mixture to a secondary hydrolysis reaction at a temperature of 50 to 90 ° C for 1 to 24 hours And condensation reaction,
(3) adding a tertiary hydrolysis solution to the reaction mixture obtained in the above step (2), and causing the resulting reaction mixture to undergo condensation reaction at a temperature of 100 to 140 ° C for 4 to 24 hours while removing water.
제 1 항에 있어서, 전술한 가수분해 용액은 EtOH, 물 및 염산의 혼합용액인 것을 특징으로 하는, 크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법: The process for producing a size-controlled silica-zirconia composite sol according to claim 1, wherein the hydrolysis solution is a mixed solution of EtOH, water and hydrochloric acid. 제 1 항에 있어서, 전술한 실리카 전구체는 테트라알킬오르토실리케이트로 로부터 선택될 수 있고, 전술한 지르코니아 전구체는 지르코늄 아세테이트 (Zr x +·xCH3COOH), 지르코닐 클로라이드 옥타히드레이트 (ZrOCl2·8H2O), 지르코닐 니트레이트 히드레이트 (ZrO(NO3)2·xH2O), 지르코늄(IV) tert-부톡사이드 (Zr(OC4H9)4, ZrTB)로 구성된 군에서 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는, 크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법: The method of claim 1, wherein the aforementioned silica precursors may be selected from a tetraalkyl orthosilicate, the above-described zirconia precursor, zirconium acetate (Zr x + · x CH 3 COOH), zirconyl chloride octa hydrate (ZrOCl 2 · 8H 2 O), zirconyl nitrate hydrate (ZrO (NO 3 ) 2 x H 2 O), zirconium (IV) tert -butoxide (Zr (OC 4 H 9 ) 4 , ZrTB) Zirconia < / RTI > complex sol, characterized in that the size- 제 1 항에 있어서, 전술한 실리카 전구체, 지르코니아 전구체 및 물은 몰비 Si:Zr:H2O = 0.1~5 : 0.1~5 : 1~40의 비율로 사용되는 것을 특징으로 하는, 크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법. The method of claim 1, wherein the silica precursor, zirconia precursor and water are used in a molar ratio of Si: Zr: H 2 O = 0.1 to 5: 0.1 to 5: 1 to 40, A process for producing a silica-zirconia complex sol. 제 4 항에 있어서, 전술한 실리카 전구체는 단계 (1)에서 0.1~0.5 wt%의 초기농도로 사용되는 것을 특징으로 하는, 크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법: A process for producing a size-controlled silica-zirconia composite sol according to claim 4, characterized in that the above-described silica precursor is used in an initial concentration of 0.1 to 0.5 wt% in step (1) 제 1 항에 있어서, 하기 단계를 포함하는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법:
(1) 실리카 전구체, 에탄올, 물 및 염산을 포함하는 용액을 50~80℃의 온도에서 30분~2시간동안 1차 가수분해 반응시키고,
(2) 상기 단계 (1)에서 결과된 반응혼합물에 지르코니아 전구체를 첨가한 다음, 50~80℃의 온도에서 1~24시간동안 2차 가수분해 시키고,
(3) 상기 단계 (2)에서 결과된 반응혼합물에 에탄올, 물 및 염산을 추가로 첨가하고 100~140℃의 온도에서 4~24시간 동안 물을 제거하면서 응축반응을 수행함.
The method of claim 1, wherein the particle size-controlled silica-zirconia composite sol comprises the steps of:
(1) A solution containing a silica precursor, ethanol, water and hydrochloric acid is subjected to a primary hydrolysis reaction at a temperature of 50 to 80 캜 for 30 minutes to 2 hours,
(2) adding a zirconia precursor to the reaction mixture obtained in the step (1), then performing secondary hydrolysis at a temperature of 50 to 80 ° C for 1 to 24 hours,
(3) Ethanol, water and hydrochloric acid are further added to the reaction mixture obtained in the step (2), and the condensation reaction is carried out at a temperature of 100 to 140 ° C for 4 to 24 hours while removing water.
제 1 또는 6 항에 있어서, 전술한 단계 (1)에서, 물은 상기 공정 전체 투입량의 1/4 이하의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법. A process for producing a particle size-controlled silica-zirconia composite sol according to claim 1 or 6, wherein in step (1) described above, water is used in an amount of 1/4 or less of the total amount of the process . 제 1 또는 6 항에 있어서, 전술한 단계 (3)에서, 단계 (2)에서 결과된 반응혼합물에 에탄올, 물 및 염산을 추가로 첨가하고 2~3시간 동안 더욱 반응시킨 다음, 결과된 반응혼합물을 100~1400℃의 온도에서 4~24시간 동안 물을 제거하면서 응축반응시키는 것을 특징으로 하는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein in step (3) described above, the reaction mixture obtained in step (2) is further added with ethanol, water and hydrochloric acid and further reacted for 2 to 3 hours, Is subjected to a condensation reaction at a temperature of 100 to 1400 占 폚 for 4 to 24 hours while removing water, thereby producing a controlled particle size-controlled silica-zirconia composite sol. 제 8 항에 있어서, 전술한 단계 (3)에서, 단계 (2)에서 결과된 반응혼합물에 에탄올, 물 및 염산을 추가로 첨가하고 2~3시간 동안 더욱 반응시킨 다음, HCl을 사용하여 결과된 반응혼합물의 pH를 조절하고, 10분~1시간 동안 방치하여 안정화시키고, 2~5℃/10분의 승온속도로 온도를 천천히 승온시키는 것을 2~3회 추가로 반복하는 것을 특징으로 하는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법. 9. The process according to claim 8, wherein in step (3) described above, the reaction mixture obtained in step (2) is further reacted with ethanol, water and hydrochloric acid for a further 2 to 3 hours, The pH of the reaction mixture is adjusted and allowed to stand for 10 minutes to 1 hour to stabilize, and the temperature is slowly raised at a temperature rising rate of 2 to 5 DEG C / 10 minutes. Size-controlled silica-zirconia composite sol. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (3)에서 물은 반응 도중에 공비적으로 제거되는 것을 특징으로 하는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸의 제조방법. 2. The process of claim 1, wherein water is removed in an azeotropic manner during the reaction in step (3). 제 1 항의 방법에 따라 제조되고 300 nm 이하의 평균입도를 갖는, 입자크기-제어된 실리카-지르코니아 복합졸. A particle size-controlled silica-zirconia complex sol prepared according to the method of claim 1 and having an average particle size of 300 nm or less.
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