KR20150126573A - Silica coated zinc oxide-polymer resin matrix and use thereof - Google Patents

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KR20150126573A
KR20150126573A KR1020150148167A KR20150148167A KR20150126573A KR 20150126573 A KR20150126573 A KR 20150126573A KR 1020150148167 A KR1020150148167 A KR 1020150148167A KR 20150148167 A KR20150148167 A KR 20150148167A KR 20150126573 A KR20150126573 A KR 20150126573A
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Abstract

The present invention is a silica-coated zinc oxide nanoparticle preparing method, a silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix preparing method using the same, and a use thereof. More specifically, the silica-coated zinc oxide nanoparticle preparing method can be used to adjust the thickness of the silica coating. The present invention can coat the surface of coated zinc oxide nanoparticles with silica at an appropriate thickness to prevent the photocorrosion of the nanoparticles while exhibiting an excellent photocatalytic activity inhibitory effect. According to the present invention, the silica-coated zinc oxide nanoparticles can exhibit a visible light transmission function as well as an excellent UV absorbing function. The silica-coated nanoparticles can be fused and mixed with a polymer resin to significantly increase the dispersion rate of the nanoparticles and block the pores on the silica-coated surface of the nanoparticles, thereby preventing the nanoparticles from being decomposed by an acid.

Description

실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스 및 그 용도{SILICA COATED ZINC OXIDE-POLYMER RESIN MATRIX AND USE THEREOF}[0001] SILICA COATED ZINC OXIDE-POLYMER RESIN MATRIX AND USE THEREOF [0002]

본 발명은 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스 및 그 용도에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리카 코팅 두께가 조절되는 실리카 코팅된 산화아연 나노입자를 이용한, 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스 및 그 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix and its use, and more particularly to a silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix using silica-coated zinc oxide nanoparticles whose silica coating thickness is controlled, Lt; / RTI >

지구 온난화 및 기타 요인에 의해 지구 표면에 자외선 방사 레벨이 증가되고 있다. 자외선은 인간의 피부에 유해한 영향을 미친다. 장시간 자외선에 노출되면, 고성능 직물 같은 폴리머는, 강도를 잃고 품질이 악화된다. 고 에너지 자외선은 균일 결합 절단(homolytic bond cleavage)에 의해 활성 산소를 생성하기 때문에 성능이 저하되고 빠른 속도로 폴리머를 단량체로 분해한다. 폴리머 분해는 적절한 자외선 흡수 물질과 폴리머를 혼합함으로써 예방될 수 있다. 이러한 물질은 생성된 자유 라디칼을 퀀칭(quenching)하거나 고 에너지 자외선을 반사, 분산 또는 흡수하는 방법으로 작용할 수 있다. 자외선 차단제로서 산화아연 나노입자을 충진함으로써, 폴리머 및 직물은 보호될 수 있다. Global warming and other factors are increasing the level of ultraviolet radiation on the Earth's surface. Ultraviolet rays have harmful effects on human skin. When exposed to ultraviolet light for a long time, polymers such as high-performance fabrics lose strength and deteriorate in quality. High-energy ultraviolet rays generate active oxygen by homolytic bond cleavage, which degrades the performance and decomposes the polymer into monomers at a rapid rate. Polymer degradation can be prevented by mixing the polymer with a suitable ultraviolet absorbing material. These materials can act as a way to quench the free radicals produced, or to reflect, disperse or absorb high energy ultraviolet radiation. By filling zinc oxide nanoparticles as an ultraviolet screening agent, polymers and fabrics can be protected.

고투명도을 지닌 나노 크기의 초미세 산화아연 입자는 넓은 범위의 UV 파장에 대한 차단제로 작용한다. 무기 재료인 산화아연은 광전자, 포토닉스 및 섬유 산업에서 기능을 중요한 기능을 수행한다. 나노화된 산화화연은 반도체 성질, 체적 대비 높은 표면적 비율 및 높은 UV 흡수도 때문에 태양전지, 다이오드, 전도 필름, 촉매, 가스 센서, 광 발광 디바이스, 항균제, 상처 드레싱제, 셀 라벨링(cell labeling), UV 차단제 등에 적합한 특성이 있다. 한편, 높은 표면 에너지 및 큰 표면적 때문에, 산화아연 나노입자는 쉽게 응집하는 경향이 있다. 따라서, 순수(bare) 산화아연의 표면은 더 나은 분산을 위해 개질될 필요가 있다. 동시에, 산화아연 나노입자의 광촉매 활성은 더 안전한 UV 흡수제로 만들기 위해 감소될 필요성이 있다.Nano-sized ultrafine zinc oxide particles with high transparency serve as blocking agents for a wide range of UV wavelengths. Zinc oxide, an inorganic material, performs important functions in the optoelectronics, photonics and textile industries. Nanostructured oxide nanoparticles can be used for solar cells, diodes, conduction films, catalysts, gas sensors, photoluminescent devices, antimicrobial agents, wound dressings, cell labeling, UV Blocking agents and the like. On the other hand, due to their high surface energy and large surface area, zinc oxide nanoparticles tend to agglomerate easily. Therefore, the surface of the bare zinc oxide needs to be modified for better dispersion. At the same time, the photocatalytic activity of zinc oxide nanoparticles needs to be reduced to make them safer UV absorbers.

대한민국 공개특허 10-2010-0008690Korean Patent Publication No. 10-2010-0008690

본 발명은 광안정성이 우수한 실리카 코팅된 산화아연 나노입자를 이용한 실리카 코팅된 산화아연-고분자 수지 매트릭스 및 그 용도를 제공한다.The present invention provides a silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix using silica-coated zinc oxide nanoparticles having excellent light stability and uses thereof.

실리카 코팅된 산화아연 나노입자 제조방법은 물, 유기용매 및 촉매를 혼합하는 단계(단계 a); 상기 혼합물에 산화아연 나노입자 및 실리케이트를 첨가하여 초음파 처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 졸-겔 공정을 수행하고 원심분리에 의해 고형물을 분리하는 단계(단계 b); 및 상기 고형물을 건조하여 실리카가 코팅된 산화아연 나노입자를 제조하는 단계(단계 c)를 포함한다. 상기 방법은 상기 산화아연 나노입자 첨가량을 기준으로 하여, 이에 대한 실리케이트의 첨가량을 조절하는 것에 의해 실리카 코팅의 두께를 조절할 수 있다. 즉 일정량의 산화아연 나노입자에 대하여 실리케이트의 첨가량을 조절하는 방법으로 실리카 코팅의 두께를 조절할 수 있다. The method for preparing silica coated zinc oxide nanoparticles comprises mixing water, an organic solvent and a catalyst (step a); Adding a zinc oxide nanoparticle and a silicate to the mixture to perform a sol-gel process comprising ultrasonication and separating the solid material by centrifugation (step b); And drying the solid to produce silica-coated zinc oxide nanoparticles (step c). The method may adjust the thickness of the silica coating by adjusting the addition amount of the silicate on the basis of the amount of the zinc oxide nanoparticles added. That is, the thickness of the silica coating can be controlled by adjusting the amount of the silicate added to a certain amount of the zinc oxide nanoparticles.

상기 유기용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸아세테이트, 클로로포름 및 헥산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함 할 수 있다.The organic solvent may include at least one selected from the group consisting of ethanol, methanol, propanol, butanol, ethyl acetate, chloroform, and hexane.

상기 촉매는 수산화암모늄일 수 있다.The catalyst may be ammonium hydroxide.

상기 실리케이트는 테트라에틸 오르쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate)일 수 있다.The silicate may be tetraethyl orthosilicate.

상기 단계 b는 10~30℃에서 5~30분간 초음파 처리하고, 4000 ~ 6000 rpm으로 원심분리하는 단계일 수 있다. 상기 단계 c 건조는 50~80℃에서 10~24시간 동안 수행할 수 있다.The step (b) may be a step of sonicating at 10 to 30 ° C for 5 to 30 minutes and centrifuging at 4000 to 6000 rpm. The drying of the step c may be carried out at 50 to 80 ° C for 10 to 24 hours.

상기 산화아연 나노입자와 실리케이트는 10:1~10의 중량비로 혼합될 수 있다. 더욱 바람직하게는 10:7~9의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 범위로 혼합하는 경우 광안정성이 매우 우수한 가장 적절한 두께의 실리카 코팅을 얻을 수 있다.The zinc oxide nanoparticles and the silicate may be mixed in a weight ratio of 10: 1 to 10. More preferably in a weight ratio of 10: 7 to 9. When mixed in the above range, a silica coating having the most appropriate thickness, which is excellent in light stability, can be obtained.

상기 고분자 수지는 폴리(에틸렌-코-아크릴산)((poly)ethylene-co-acrylic acid))일 수 있다. The polymeric resin may be poly (ethylene-co-acrylic acid).

도 1을 참조하여 부연 설명하면, 산화아연 나노입자는 NH4OH의 존재 하에서 가수 분해 및 후속 축합을 통해 TEOS에 의해 실리카로 코팅될 수 있다. 이러한 졸 - 겔 법에서, TEOS는 전구체로 작용하고 NH4OH는 촉매로 작용할 수 있다. 산화아연 나노입자의 표면은 OH의 층으로 코팅될 수 있고, TEOS를 나노 입자 혼합물에 첨가시, 실란 물질은 나노 입자 표면에서의 ZnO-Si-OH 결합을 형성하기 위해 가수분해를 시작할 수 있다. 추가적으로, 외부 표면에 남겨진 OH기에 의해, 측면으로 중합반응이 발생할 수 있고. 12시간 ~ 24시간 정도가 경과되는 동안 나노입자를 둘러싸고 있는 실리카 쉘이 형성될 수 있다.1, zinc oxide nanoparticles can be coated with silica by TEOS through hydrolysis and subsequent condensation in the presence of NH 4 OH. In this sol-gel process, TEOS acts as a precursor and NH 4 OH can act as a catalyst. The surface of the zinc oxide nanoparticles can be coated with a layer of OH, and when TEOS is added to the nanoparticle mixture, the silane material can begin hydrolysis to form ZnO-Si-OH bonds at the surface of the nanoparticles. In addition, OH groups left on the outer surface can cause side-to-side polymerization. A silica shell surrounding the nanoparticles may be formed over a period of 12 hours to 24 hours.

본 발명에 따르면 상기 방법에 의해 실리카 코팅된 산화아연 나노입자 제조를 제조하는 단계; 및 상기 실리카가 코팅된 산화아연 나노입자에 고분자 수지를 용융 혼합하여 용융 혼합물을 제조하고 압출 성형하는 단계를 포함하는 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, there is provided a method of preparing a zinc oxide nanoparticle, comprising: preparing a silica-coated zinc oxide nanoparticle preparation by the method; And a step of melt-mixing the silica-coated zinc oxide nanoparticles with a polymer resin to prepare a molten mixture and extrusion molding the silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix.

상기 실리카가 코팅된 산화아연 나노입자는, 상기 용융 혼합물 전체 중량기준으로 1~10중량%일 수 있고 더욱 바람직하게는 2~5중량%일 수 있다.The silica-coated zinc oxide nanoparticles may be 1 to 10 wt%, and more preferably 2 to 5 wt%, based on the total weight of the molten mixture.

산화아연 나노입자가 없거나, 더 낮거나 더 높은 wt% 나노입자가 사용되면, UV 조사시 전체 시스템에 손상을 줄 수 있고 바람직하지 않은 결과를 일으킬 수 있다.If zinc oxide nanoparticles are not present or lower or higher wt% nanoparticles are used, the UV system can damage the entire system and cause undesirable results.

상기 용융 혼합은 150~200℃에서 스크류 속도 150~250rpm으로 수행될 수 있다. 상기 범위에서 용융 혼합이 수행되면 산화아연 나노입자가 고분자 수지 상에 균일하게 고분산될 수 있다.The melt mixing may be carried out at a temperature of from 150 to 200 DEG C at a screw speed of from 150 to 250 rpm. When the melt mixing is performed in the above range, the zinc oxide nanoparticles can be uniformly and highly dispersed on the polymer resin.

또한 본 발명에 따르면, 상기 방법에 의해 제조된 실리카 코팅된 산화아연 나노입자로서, 상기 산화아연 나노입자의 표면은 실리카로 코팅된 나노입자를 제공할 수 있다. 상기 코팅의 두께는 6~8nm일 수 있다. 상기 범위 두께의 실리카 코팅으로 이루어지는 경우 매우 우수한 광안정성을 나타낼 수 있다.According to the present invention, there is also provided a silica-coated zinc oxide nanoparticle produced by the above method, wherein the surface of the zinc oxide nanoparticle is provided with silica-coated nanoparticles. The thickness of the coating may be between 6 and 8 nm. When the silica coating has the above-mentioned range of thickness, excellent light stability can be exhibited.

상기 실리카 코팅된 산화아연 나노입자는 자외선 차단용으로 이용될 수 있다.The silica-coated zinc oxide nanoparticles may be used for ultraviolet light shielding.

또한 본 발명에 따르면, 실리카 코팅된 산화아연 나노입자 및 고분자 수지를 포함하여 이루어지고, 상기 산화아연 나노입자 표면은 실리카로 코팅되어 있고, 고분자 수지 전체에 상기 나노입자가 균일하게 분포되어 있는 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스를 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention, there is provided a zinc oxide nanoparticle comprising silica-coated zinc oxide nanoparticles and a polymer resin, wherein the surface of the zinc oxide nanoparticles is coated with silica, and the silica nanoparticles are uniformly distributed throughout the polymer resin Zinc oxide-polymer resin matrix.

상기 실리카가 코팅된 산화아연은 상기 6~8nm 두께의 실리카 코팅이 형성된 것일 수 있다. 상기 범위 두께의 실리카 코팅으로 이루어지는 경우 매우 우수한 광안정성을 나타낼 수 있다.The silica-coated zinc oxide may be a silica coating having a thickness of 6 to 8 nm. When the silica coating has the above-mentioned range of thickness, excellent light stability can be exhibited.

상기 실리카가 코팅된 산화아연 함량은 실리카 코팅된 산화아연- 고분자 수지 매트릭스 전체 중량 기준으로 1~10중량% 일 수 있고, 더욱 바람직하게는 2~5 중량%일 수 있다. 나노입자가 없거나, 더 낮거나 더 높은 wt% 나노입자가 사용되면, UV 조사시 전체 시스템에 손상을 줄 수 있고 바람직하지 않은 결과를 일으킬 수 있다.The silica-coated zinc oxide content may be 1 to 10 wt%, more preferably 2 to 5 wt%, based on the total weight of the silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix. If nanoparticles are absent or lower or higher wt% nanoparticles are used, UV irradiation can damage the entire system and cause undesirable results.

상기 실리카가 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스는 자외선 차단용 조성물로 이용될 수 있다.The silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix may be used as a composition for blocking ultraviolet rays.

또한 본 발명에 따르면 상기 방법에 의하여 제조된 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스를 포함하는 자외선 차단용 조성물을 제공할 수 있다.Also, according to the present invention, it is possible to provide a UV-blocking composition comprising the silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix prepared by the above method.

본 발명에 따르면, 산화아연 나노입자의 표면을 적절한 두께의 실리카로 코팅함으로써 나노입자의 광부식(photocorrosion)을 방지할 수 있고, 우수한 광촉매 활성 억제효과를 나타낼 수 있다.According to the present invention, it is possible to prevent photocorrosion of nanoparticles and to exhibit an excellent photocatalytic activity inhibiting effect by coating the surface of zinc oxide nanoparticles with an appropriate thickness of silica.

또한 본 발명에 따른 실리카 코팅된 산화아연 나노입자는 우수한 UV 차폐 기능 뿐 만 아니라 가시광선 투과 기능도 나타낼 수 있다.In addition, the silica-coated zinc oxide nanoparticles according to the present invention can exhibit not only excellent UV shielding function but also visible light transmission function.

또한 본 발명에 따르면 실리카 코팅된 나노입자에 고분자 수지를 용융 혼합함으로써 나노입자의 분산율을 획기적으로 높일 수 있고, 나노입자의 실리카로 코팅된 표면에 존재하는 기공의 차단이 가능하여 산에 의해 나노입자가 분해되는 현상을 방지할 수 있다.According to the present invention, the dispersion ratio of the nanoparticles can be remarkably increased by melt-mixing the polymer resin into the silica-coated nanoparticles, and the pores present on the silica-coated surface of the nanoparticles can be blocked, Can be prevented from being degraded.

도 1은 산화아연 나노입자의 실리카 코팅과 관련된 졸-겔 공정의 개략도이다.
도 2는 (a)비교예 1(bare ZnO 나노입자)과 (b)실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자)의 FT-IR 스펙트라 분석결과이다.
도 3은 (A)비교예 1(bare ZnO 나노입자), (B)실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자), (C)실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)의 HR-TEM 이미지 분석결과와 (D)비교예 1(bare ZnO 나노입자), (E) 실시예1(thin Si-ZnO 나노입자), (F)실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)의 EDX 분석 결과이다.
도 4는 비교예 1(bare ZnO 나노입자), 실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자), 실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)의 PL 강도 분석 결과이다.
도 5는 비교예 1(bare ZnO 나노입자), 실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자), 실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)의 메틸렌 블루 분해 정도를 분석한 결과이다.
도 6는 비교예 1(Z1~Z4) 및 실시예 2(SZ1~SZ4)의 UV-Vis 흡수 스펙트라 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 코팅된 산화아연 나노입자-고분자 수지 매트릭스의 합성 공정을 나타내는 개략도이다.
도 8은 (A)비교예 2(PEAA 수지), (B)비교예 3(bare ZnO/PEAA), (C)실시예 3(thick Si-ZnO/PEAA)의 FE-SEM 이미지 분석결과와 (ⅰ)비교예 2, (ⅱ)비교예 3, (ⅲ)실시예 3의 EDX 스펙트라 분석결과이다.
도 9는 (ⅰ)(a)비교예 1(bare ZnO 나노입자), (b)실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자)와 (ⅱ)(a)비교예 2(PEAA 수지), (b)비교예 3(bare ZnO/PEAA), (c)실시예 3(thick Si-ZnO/PEAA)의 UV-Vis 투과 스펙트라 분석결과이다.
Figure 1 is a schematic view of a sol-gel process involving silica coating of zinc oxide nanoparticles.
FIG. 2 shows FT-IR spectra analysis results of (a) Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles) and (b) Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles).
FIG. 3 shows HR-TEM images of (A) Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles), (B) Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles) and (C) Example 2 The results of the analysis are the EDX analysis results of (D) Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles), (E) Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles) and (F) Example 2 .
FIG. 4 shows the PL intensity analysis results of Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles), Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles), and Example 2 (thick Si-ZnO nanoparticles).
5 shows the results of analysis of methylene blue decomposition degree of Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles), Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles) and Example 2 (thick Si-ZnO nanoparticles).
6 shows the UV-Vis absorption spectrum analysis results of Comparative Examples 1 (Z1 to Z4) and Example 2 (SZ1 to SZ4).
FIG. 7 is a schematic view showing a synthesis process of a silica-coated zinc oxide nanoparticle-polymer resin matrix according to an embodiment of the present invention.
Fig. 8 shows the FE-SEM image analysis results of (A) Comparative Example 2 (PEAA resin), (B) Comparative Example 3 (bare ZnO / PEAA) and (C) Example 3 (thick Si- ZnO / PEAA) (I) Comparative Example 2, (ii) Comparative Example 3, and (iii) EDX spectral analysis results of Example 3.
9 is a graph showing the results of (a) Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles), (b) Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles) ) Comparative Example 3 (bare ZnO / PEAA), (c) UV-Vis transmission spectral analysis of Example 3 (thick Si-ZnO / PEAA).

이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 내용은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 명확하게 전달하기 위하여 제공되는 것으로 본 발명의 범위가 이하의 설명으로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 나타나 있으며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. The scope of the present invention is defined by the appended claims and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

실시예 1: 실리카 코팅된 산화아연 나노입자(thin Si-ZnO 나노입자) 제조 Example 1: Preparation of silica-coated zinc oxide nanoparticles (thin Si-ZnO nanoparticles)

ZnO의 용액 (30 wt% in 에탄올, Advanced Nano Particles Co., Ltd), 테트라에틸 오르쏘실리케이트 (TEOS, 99.999 %, Sigma-Aldrich, USA), 에탄올 (99.9 %, 삼전화학, 한국), 수산화 암모늄(NH4OH, 25 ~ 28 %, DC화학, 한국), 아세트산 (99.5 %, 삼전화학, 한국), 폴리(에틸렌-코-아크릴산) (PEAA 수지, 다우 케미컬(주)), 메틸렌 블루 (0.05 wt% 솔루션 in 워터, Sigma-Aldrich USA)를 사용 하였다. (30 wt% in ethanol, Advanced Nano Particles Co., Ltd.), tetraethylorthosilicate (TEOS, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA), ethanol (99.9% (NH 4 OH, 25-28%, DC Chemical, Korea), acetic acid (99.5%, Samcheon Chemical, Korea), poly (ethylene-co- acrylic acid) (PEAA resin, Dow Chemical) wt% solution in water, Sigma-Aldrich USA).

실리카가 코팅된 ZnO 나노입자는 다음과 같은 졸-겔 공정에 따라 합성하였다. 에탄올 35 ㎖, 물 15 ㎖ 및 NH4OH 10 ㎖(pH 12)를 100 ㎖ 둥근 바닥 플라스크에 넣고 교반하였다. 0.5g의 ZnO의 분산체 및 TEOS의 적당량(ZnO와 TEOS의 중량비를 10:3 으로 함)을 반응 플라스크에 주입하였다. 10분간 초음파 처리한 후, TEOS의 완전 가수 분해를 위해, 이 콜로이드 분산체를 12시간 동안 교반하였다. 그 다음 고형분을 5,000 rpm(Sigma,, 2-6PK) 에서 원심 분리에 의해 회수하고, 에탄올로 연속적으로 3 회 세척 한 다음 60 ℃ 진공 오븐에서 12시간 건조시켜 2nm 두께의 실리카 코팅이 형성된 산화아연 나노입자(thin Si-ZnO 나노입자)를 제조하였다. Silica - coated ZnO nanoparticles were synthesized by sol - gel process as follows. Ethanol 35 ㎖, 15 ㎖ water and NH 4 OH 10 ㎖ (pH 12 ) was stirred in 100 ㎖ round bottom flask. 0.5 g of ZnO dispersion and an appropriate amount of TEOS (weight ratio of ZnO to TEOS of 10: 3) were injected into the reaction flask. After sonication for 10 minutes, the colloidal dispersion was stirred for 12 hours for complete hydrolysis of TEOS. The solids were then recovered by centrifugation at 5,000 rpm (Sigma, 2-6PK), washed successively three times with ethanol and then dried in a vacuum oven at 60 占 폚 for 12 hours to obtain a 2 nm thick silica coated zinc oxide nano (Thin Si-ZnO nanoparticles) were prepared.

실시예 2: 실리카 코팅된 산화아연 나노입자(thick Si-ZnO 나노입자) 제조Example 2: Manufacture of silica-coated zinc oxide nanoparticles (thick Si-ZnO nanoparticles)

나머지 조건은 상기와 동일한 조건으로 구성하고 TEOS의 양만 다르게 하여(ZnO와 TEOS의 중량비를 10:8로 함) 두께가 7nm인 실리카 코팅이 형성된 산화아연(thick Si-ZnO 나노입자)를 제조하였다.The remaining conditions were the same as above and zinc oxide (thick Si-ZnO nanoparticle) having a silica coating formed with a thickness of 7 nm was prepared by varying the amount of TEOS (weight ratio of ZnO and TEOS to 10: 8).

실시예Example 3: 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스( 3: Silica coated zinc oxide-polymer resin matrix ( thickthick SiSi -- ZnOZnO // PEAAPEAA 매트릭스) 제조 Matrix) manufacturing

고분자 수지로 PEAA 수지를 사용하였다. PEAA 수지의 아크릴산 함량은 약 20 중량%이었다. 우선 PEAA 수지 펠릿, 상기 실시예 2에 따른 나노입자(thick Si-ZnO 나노입자)분말을 혼합하였다. 상기 실시예 2에 따른 나노입자의 함량은 전체 혼합물 기준으로 3 중량%로 설정하였다. 그 다음 스크류 속도 200rpm으로 180℃에서 용융 블렌딩하고, 트윈-스크류 압출기(Bautek Co., ba-11)를 사용하여 압출하였다. 이러한 펠릿을 180℃에서 600kg/cm2 로 프레스기(세진기술주식회사)를 사용하여 1mm 두께의 필름 형태로 매트릭스(thick Si-ZnO/PEAA 매트릭스)를 형성하였다. 샘플을 액체질소로 절단하여 분석에 사용하였다.PEAA resin was used as the polymer resin. The acrylic acid content of the PEAA resin was about 20% by weight. First, the PEAA resin pellets and the powder of the thick-Si-ZnO nanoparticles according to Example 2 were mixed. The content of the nanoparticles according to Example 2 was set at 3 wt% based on the total mixture. Then melt-blended at 180 DEG C at a screw speed of 200 rpm and extruded using a twin-screw extruder (Bautek Co., ba-11). These pellets were formed into a film (thick Si-ZnO / PEAA matrix) in the form of a film having a thickness of 1 mm at a temperature of 180 ° C and a pressure of 600 kg / cm 2 using a press machine (Seijin Technology Co., Ltd.). The sample was cut into liquid nitrogen and used for analysis.

비교예Comparative Example 1 One

ZnO의 용액 (30 wt% in 에탄올, Advanced Nano Particles Co., Ltd)을 60 ℃ 진공 오븐에서 12시간 건조시켜 산화아연 나노입자(bare ZnO 나노입자)를 제조하였다Zinc oxide nanoparticles (bare ZnO nanoparticles) were prepared by drying a solution of ZnO (30 wt% in ethanol, Advanced Nano Particles Co., Ltd.) in a vacuum oven at 60 캜 for 12 hours

비교예Comparative Example 2  2

상기 실시예 3에서 사용한 것과 동일한 수지 펠릿을 이용하여(산화아연 나노입자는 첨가하지 않음) 동일한 방법으로 매트릭스(PEAA 수지 매트릭스)를 형성하였다.A matrix (PEAA resin matrix) was formed by the same method using the same resin pellets as used in Example 3 (zinc oxide nanoparticles were not added).

비교예Comparative Example 3 3

실시예 2에 따른 나노입자(thick Si-ZnO 나노입자)이외에 비교에 1에 따른 나노입자를 사용하고, 다른 조건은 상기 실시예 3과 동일하게 하여 1mm 두께의 필름형태로 매트릭스(bare ZnO/PEAA 매트릭스)를 형성하였다In addition to the nanoparticles (thick Si-ZnO nanoparticles) according to Example 2, nanoparticles according to Comparative Example 1 were used, and other conditions were the same as Example 3 except that bare ZnO / PEAA Matrix)

실험예Experimental Example 1:  One: FTFT -- IRIR (( FourierFourier transformtransform infraredinfrared ) 스펙트라 분석) Spectra analysis

(a)비교예 1(bare ZnO 나노입자) 및 (b) 실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자)에 대한 FT-IR 분광기 (Bruker, IFS-66/S)에 의한 스펙트라 분석결과를 도 2에 나타내었다. 1,550~1,700cm-1 및 3,100~3,600cm-1에서의 피크는 물의 하이드록시기에서 기인할 수 있다. 980~1,190cm-1의 Si-O-Si 비대칭 스트레칭 진동 밴드는 (b) 실시예 1의 스펙트럼에서만 발견되었다. Si-ZnO 본드(bond) 형성은 Si-O-Si와 관련된 700~750cm-1에서의 피크 세기 감소에 의해 확인되었다. 이것은 실리카 층의 존재 및 실리카 층이 산화아연 나노입자에 성공적으로 코팅되었다는 것을 증명하는 것이다.(Bruker, IFS-66 / S) to (a) Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles) and (b) Example 1 (thin Si- ZnO nanoparticles) Respectively. The peaks at 1,550 to 1,700 cm -1 and 3,100 to 3,600 cm -1 can be attributed to the hydroxyl groups of water. ~ Si-O-Si asymmetric 980 stretching vibration band of 1,190cm -1 was found only in the spectrum of Example 1 (b). Si-ZnO bond formation was confirmed by a decrease in peak intensity at 700-750 cm < -1 > associated with Si-O-Si. This demonstrates the presence of the silica layer and that the silica layer has been successfully coated onto the zinc oxide nanoparticles.

실험예Experimental Example 2:  2: HRHR -- TEMTEM 이미지,  image, EDXEDX 및 제타 전위 분석 And zeta potential analysis

(A) 비교예 1(bare ZnO 나노입자), (B) 실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자), (C)실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)의 HR-TEM 이미지를 X-ray 분광기(Tecnai G2 TF 30ST)로 분석한 결과를 도 3에 나타내었다. 구별 가능한 실리카 코팅(화살표로 표시)에 둘러쌓인 ZnO 코어가 명확히 나타난다. 얇은 층의 실리카 코팅은 도 3(B)에서 관찰되었다. 2nm의 두께로 나노입자를 불균일하게 덮고 있다. 도 3(C)는 두꺼운 형태의 균일한 실리카 층을 나타내고 있다. 7nm 두께이고 이는 고농도의 실리케이트로부터 기인한다. ZnO 나노입자 상에 형성된 실리카 층은 EDX 및 제타 전위 측정에 의해 추가로 분석하였다. (D)비교예 1(순수 ZnO 나노입자), (E)실시예 1(얇은 Si-ZnO 나노입자), (F)두꺼운 Si-ZnO 나노입자를 EDX 분석(Tecnai G2 TF 30ST)하여 그 결과를 도 3(D, E 및 F)에 나타내었다. 이는 Zn, O 및 Si를 포함하는 코어와 실리카 쉘의 화학적 성분을 반영한다. 아울러, 상기 나노입자의 원소 정량 분석 결과를 비교하여 표 1에 나타내었다. EDX 분석에서, 실리카 0.02 중량 %는 얇은 Si-ZnO 나노입자에서 관찰되었고 반면 두꺼운 Si-ZnO 나노입자에는 실리카 0.19 중량 %가 관찰되었다. 이러한 중량 차이는 2nm ~ 7nm로 구성한 실리카 두께 차이에서 기인한다. 도 3(E) 및 (F)의 실리카 퀀터티 피크는 상기 TEM 이미지와 잘 일치하였다(도 3(B) 및 (C) 참조).HR-TEM images of (A) Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles), (B) Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles) and (C) Example 2 ray spectrometer (Tecnai G2 TF 30ST). The results are shown in FIG. A ZnO core surrounded by a distinctive silica coating (indicated by the arrow) is clearly visible. A thin layer of silica coating was observed in Figure 3 (B). The nanoparticles are non-uniformly covered with a thickness of 2 nm. Fig. 3 (C) shows a thick, uniform silica layer. 7 nm thick, which is due to the high concentration of silicate. The silica layer formed on the ZnO nanoparticles was further analyzed by EDX and zeta potential measurements. (D) Comparative Example 1 (pure ZnO nanoparticles), (E) Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles), (F) Thick Si-ZnO nanoparticles were subjected to EDX analysis (Tecnai G2 TF 30ST) 3 (D, E and F). This reflects the chemical composition of the core and silica shell, including Zn, O and Si. Table 1 shows the results of elemental quantitative analysis of the nanoparticles. In the EDX analysis, 0.02 wt% of silica was observed in thin Si-ZnO nanoparticles whereas 0.19 wt% of silica was observed in thick Si-ZnO nanoparticles. This weight difference is due to the difference in silica thickness comprised between 2 nm and 7 nm. The silica quantitative peaks in Figures 3 (E) and 3 (F) agreed well with the TEM image (see Figures 3 (B) and 3 (C)).

SampleSample 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 ElementElement Weight %Weight% Atomic%Atomic% Weight %Weight% Atomic%Atomic% Weight %Weight% Atomic%Atomic% C (K)C (K) 41.8141.81 65.5665.56 19.3219.32 40.1240.12 40.8740.87 65.5565.55 O (K)O (K) 19.5819.58 23.0523.05 24.7124.71 38.5238.52 18.6318.63 22.4322.43 Si (K)Si (K) 0.000.00 0.000.00 0.020.02 0.020.02 0.190.19 0.130.13 Zn (K)Zn (K) 38.6138.61 11.3811.38 55.9355.93 21.3321.33 40.2940.29 11.8711.87

제타 전위 분석(Malvern Zeta-Sizer 3000HS)은 pH 7에서 일렉트로카이네틱 분석(electrokinetic analysis)을 위해 수행하였다. 비교예 1은 +31.0mV 값을 나타내었다. 실시예 1은 -23.7mV, 실시예 2는 -43.6mV 의 값을 나타내었다. 실시예 2의 높은 네거티브 제타전위는 표면에 다수의 Si-OH 그룹을 포함하는 벌키한 실리카 층 때문이다.Zeta potential analysis (Malvern Zeta-Sizer 3000HS) was performed for electrokinetic analysis at pH 7. Comparative Example 1 showed a value of + 31.0 mV. Example 1 showed -23.7 mV and Example 2 showed -43.6 mV. The high negative zeta potential of Example 2 is due to the bulk silica layer containing a large number of Si-OH groups on the surface.

빛이 광촉매 활성을 갖는 반도체(ZnO) 표면에 조사되면, 결합 에너지가 더 약해지기 때문에 전자-정공 쌍이 표면에 확산된다. 이 전자와 정공은 강한 산화 능력을 가진 자유 라디칼을 생성하기 위해 주변의 산소 또는 물과 상호 작용한다. 이에 의해 염료 및 고분자와 같은 유기 화합물이 분해된다(J. Yao, C.X. Wang, Int. J. Photo. 643182(2010) 1-6.). 또한, 상기 반도체 나노 입자의 광부식(photocorrosion)은 입자의 포토 에칭을 일으키는 에너지 갭을 증가시키고, 더 큰 입자가 형성되도록 응집을 발생시킨다(T. Torimoto, J.P. Reyes, K. Iwasaki, B. Pal, T. Shibayama, K. Sugawara, H. Takahashi, B. Ohtani, J. Am. Chem. Soc. 125(2003) 316-7.). 이러한 사실을 고려하여, 본 발명은 ZnO 나노입자의 광부식(photocorrosion)을 방지하기 위하여, 나노 입자의 표면을 실리카로 코팅하였다.When light is irradiated on the surface of a semiconductor (ZnO) having photocatalytic activity, the binding energy becomes weaker, so that electron-hole pairs diffuse to the surface. These electrons and holes interact with the surrounding oxygen or water to produce a free radical with strong oxidizing ability. This decomposes organic compounds such as dyes and polymers (J. Yao, C. X. Wang, Int. J. Photo. 643182 (2010) 1-6.). In addition, photocorrosion of the semiconductor nanoparticles increases the energy gap causing photoetching of the particles and causes agglomeration to form larger particles (T. Torimoto, JP Reyes, K. Iwasaki, B. Pal , T. Shibayama, K. Sugawara, H. Takahashi, B. Ohtani, J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 316-7.). In consideration of this fact, in order to prevent photocorrosion of ZnO nanoparticles, the surface of the nanoparticles is coated with silica.

실험예 3: PL 강도(PL intensity) 분석Experimental Example 3: PL intensity analysis

자외선 조사 후 나노입자들의 PL 반응을 분석하여 도 4에 나타내었다. 광분해의 정도는 분광형광계(spectrofluorometer, Varian Cary Eclipse)를 사용하여 PL 강도의 변화를 측정함으로써 간접적으로 측정하였다. 비교예 1(bare ZnO 나노입자), 실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자), 실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)를 72 시간 동안의 UV라이트(CN-6 UV 램프, 365 ㎚와 60 HZ)에 노출시키고, 각각의 PL 강도 반응을 4시간마다 기록하였다.The PL reaction of the nanoparticles after UV irradiation was analyzed and shown in FIG. The extent of photodegradation was measured indirectly by measuring the change in PL intensity using a spectrofluorometer (Varian Cary Eclipse). (Bare ZnO nanoparticles), Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles) and Example 2 (thick Si-ZnO nanoparticles) were irradiated with UV light (CN-6 UV lamp, 365 nm 60 HZ), and the respective PL intensity responses were recorded every 4 hours.

시간이 경과됨에 따라 비교예 1은 광 조사에 대하여 낮은 광안정성을 나타내었다. PL은 72시간 이후 80% 까지 감소하였다. 대조적으로, 실시예 2는 전체 노출 시간 경과 후에도 단지 5%의 감소만 나타내었다. 한편, 실시예 1은 전체 노출 시간 동안 비교예 1보다 약 50% 정도 낮은 감소율을 나타내었으나 실시예 2보다는 높은 감소율을 나타내었다. 이는 광부식을 방지하기에는 다소 얇은 실리카 층 때문이다. 상기와 같은 결과는 ZnO 나노입자를 덮고 있는 두꺼운 실리카 쉘이, 단색 광 노출 후, 자유 라디칼 생성 또는 포토에칭과 관련된 여기 전자를 방지하기 때문이다. 실리카 코팅된 ZnO 나노입자에 비해, 코팅되지 않은 입자는 강한 빛에 쉽게 공격 받아, 포토에칭에 의해 불안정하게 된다. 이는 고 에너지 조사(irradiation)에 의한 에너지 갭 형태의 표면 결함 때문에 반도체성 나노입자의 광 안정성이 감소하였기 때문이라고 할 것이다.As time elapsed, Comparative Example 1 showed low light stability for light irradiation. PL decreased to 80% after 72 hours. In contrast, Example 2 showed only a 5% decrease after the entire exposure time. Meanwhile, Example 1 showed a reduction rate of about 50% lower than that of Comparative Example 1 during the entire exposure time, but showed a higher reduction rate than Example 2. This is due to the rather thin silica layer to prevent photocorrosion. This is because the thick silica shell covering the ZnO nanoparticles prevents excited electrons associated with free radical generation or photoetching after monochromatic light exposure. Compared to silica coated ZnO nanoparticles, uncoated particles are easily attacked by strong light and become unstable by photoetching. This is due to the fact that the optical stability of the semiconducting nanoparticles is reduced due to energy gap-type surface defects due to high-energy irradiation.

실험예 4: MB(methylene blue)의 광분해 분석Experimental Example 4: Photolysis analysis of MB (methylene blue)

수용성 MB 솔루션에 대한 비교예 1(bare ZnO 나노입자), 실시예 1(thin Si-ZnO 나노입자), 실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)의 광분해 기작을 평가하기 위해, 광촉매(ZnO 나노입자)를 MB 수용액에 분산시키고 완전한 물리적 흡착 평형을 달성하기 위해 어두운 환경에서 30분 동안 교반하였다. 이어서, 반응 혼합물에 광분해 연구를 위해, 최대 180분 UV 광으로 조사하였다. 그리고 나서 일정한 간격으로, 반응 용기에서 가져온 샘플을, 입자 방해를 피하기 위하여, 신속하게 원심 분리 하였다. 상층액을 664.1 ㎚에서 UV-VIS 스펙트럼에 의해 측정(Varian Inc., Cary 5000)하였다. 흡광도를 측정하고, 시간의 함수로서 플로팅하였다. MB 분해 정도는 다음의 식 [R. Wang, J.H. Xin, Y. Yang, H. Liu, L. Xu, J.Hu, Appl. Surf. Sci. 227(2004) 312-317.]을 사용하여 계산하였다 :To evaluate the photodegradation mechanism of Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles), Example 1 (thin Si-ZnO nanoparticles) and Example 2 (thick Si-ZnO nanoparticles) for water-soluble MB solution, a photocatalyst Particles) were dispersed in MB aqueous solution and stirred for 30 minutes in a dark environment to achieve complete physical adsorption equilibrium. The reaction mixture was then irradiated with UV light for up to 180 minutes for photodecomposition studies. Then, at regular intervals, samples taken from the reaction vessel were quickly centrifuged to avoid particle interference. The supernatant was determined by UV-VIS spectroscopy (Varian Inc., Cary 5000) at 664.1 nm. Absorbance was measured and plotted as a function of time. The degree of MB decomposition is expressed by the following equation [R. Wang, J.H. Xin, Y. Yang, H. Liu, L. Xu, J. Hu, Appl. Surf. Sci. 227 (2004) 312-317.]:

남은 MB (%) = (A0-A/A0) × 100 %Remaining MB (%) = (A 0 -A / A 0 ) × 100%

(A0 = 초기 흡광도, A = 변수 흡광도).(A 0 = initial absorbance, A = variable absorbance).

도 5에서, MB 잔존량 변화와 조사 시간(irradiation time)의 관계를 나타내었다. 실시예 1, 2 각각에서, 55% 및 12%의 MB 분해(degradation)가 관찰되었다. 이 결과는 실리카 코팅된 나노입자가 광분해를 감소시켜 준다는 것을 의미한다. 실리카 코팅되지 않은 나노입자에 자외선이 조사되면 표면에서 전자/정공의 이동이나 산소 활성종의 형성을 일으키는데, 이는 빠르게 MB를 파란색에서 무색으로 분해한다. 실시예 1는 상당한 광안정성을 개선하지만 자외선 조사 시간에 증가됨에 따라 MB 분해 또한 증가되는 경향을 나타내었다. 이는 불균일한 실리카 층 때문이다. In Fig. 5, the relationship between the change in MB residual amount and the irradiation time is shown. In each of Examples 1 and 2, MB degradation of 55% and 12% was observed. This result implies that silica-coated nanoparticles reduce photodegradation. When ultraviolet light is irradiated on the non-silica-coated nanoparticles, electron / hole migration or formation of oxygen-active species occurs on the surface, which quickly breaks the MB from blue to colorless. Example 1 improved significant light stability, but MB decomposition also increased as UV irradiation time increased. This is due to an uneven silica layer.

ZnO에 대한 TEOS의 비율을 증가하여, 7 nm 두께의 실리카 쉘 형성한 실시예 2는 우수한 광촉매 활성 억제효과를 나타내었는 바, ZnO 나노입자의 표면에 균일하게 형성된 실리카 층의 차페 효과 때문이라고 할 것이다. SiO2층은 표면상에 ZnO에서 발생된 전자/정공의 움직임을 방지하는 장벽으로 작용한다. 따라서 얇은 실리카 쉘보다 두꺼운 실리카 쉘을 갖는 산화아연 나노입자가 광분해에 강한 저해성 즉 광안정성을 나타낼 수 있다고 할 것이다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 코팅된 산화아연 나노입자는 우수한 UV 흡수 기능 뿐 만 아니라 가시광선 투과 기능도 나타낸다. Example 2 in which the ratio of TEOS to ZnO was increased to form a silica shell with a thickness of 7 nm showed an excellent photocatalytic activity inhibiting effect and was attributed to the chafing effect of the silica layer uniformly formed on the surface of the ZnO nanoparticles . The SiO 2 layer acts as a barrier to prevent the movement of electrons / holes generated in ZnO on the surface. Therefore, zinc oxide nanoparticles having a silica shell thicker than a thin silica shell may exhibit photodegradation-inhibiting properties, that is, light stability. In addition, the silica-coated zinc oxide nanoparticles according to an embodiment of the present invention exhibit not only excellent UV absorption but also visible light transmission function.

도 6에서는 비교예 1(bare ZnO 나노입자)과 실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)의 UV-VIS 흡수 스펙트라 분석(Varian Inc., Cary 5000) 결과를 나타내었다. 상이한 농도의 수용성 아세트산을 산(acid)용액 매체로서 사용하였다. 순수한 물 100 ㎖에, 비교예 1(bare ZnO 나노입자)과 실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)의 현탁액과 함께 아세트산을 각각 첨가하였다. 30분 동안 교반한 후, 샘플을 UV-VIS 분광기로 분석하였다. 나노입자의 농도를 일정하게 유지하고, 아세트산 농도에 따른(표 2 참조) UV-VIS 흡수 반응을 측정하였다. 비교예 1의 경우 370 nm에서 흡수 피크를 나타내었다. 초기 흡광도 세기는 아세트산 없는 경우에서 가장 높았다. 그러나 비교예 1에 따른 나노입자(Z2~Z4)의 흡광도 세기는 아세트산 농도가 증가함에 따라 감소하였다. 이는 산에 의해 ZnO의 용해가 완전하게 이루어졌다는 것을 나타낸다. 아세트산의 수용액은 ZnO을 아연 아세테이트 복합체로 변형하고, 이는 UV 광을 흡수하지 않는다. 가장 높은 아세트산 농도에서 흡수 피크는 관찰되지 않았다. 실시예 2에 따른 ZnO 나노입자(SZ1 - SZ4)의 흡광도는 비교예 1에 따른 나노입자와 유사한 흡광도 강도 감소 경향을 나타내었다. ZnO 상에 형성된 실리카 코팅은 많은 마이크로 및 메조 기공을 가지고 있으며, 이러한 기공은 ZnO의 표면에서 산과 직접 접촉할 수 있게 한다. 고농도 수용성 아세트산은, 실리카 층이 두꺼운지 얇은지 관계없이 모든 ZnO을 용해시킨다.FIG. 6 shows UV-VIS absorption spectral analysis (Varian Inc., Cary 5000) of Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles) and Example 2 (thick Si-ZnO nanoparticles). Different concentrations of aqueous acetic acid were used as the acid solution medium. To 100 ml of pure water was added acetic acid with a suspension of Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles) and Example 2 (thick Si-ZnO nanoparticles), respectively. After stirring for 30 minutes, the sample was analyzed by UV-VIS spectroscopy. The concentration of the nanoparticles was kept constant and UV-VIS absorption was measured according to acetic acid concentration (see Table 2). In the case of Comparative Example 1, an absorption peak was exhibited at 370 nm. The initial absorbance intensity was highest in the absence of acetic acid. However, the absorbance intensity of the nanoparticles (Z2 to Z4) according to Comparative Example 1 decreased with increasing acetic acid concentration. This indicates that the dissolution of ZnO was completely performed by the acid. An aqueous solution of acetic acid transforms ZnO into a zinc acetate complex, which does not absorb UV light. No absorption peak was observed at the highest acetic acid concentration. The absorbance of the ZnO nanoparticles (SZ1 - SZ4) according to Example 2 showed a tendency to decrease in absorbance intensity similar to that of the nanoparticles according to Comparative Example 1. The silica coating formed on ZnO has many micro- and mesopores, and these pores allow direct contact with acids on the surface of ZnO. High-concentration water-soluble acetic acid dissolves all ZnO regardless of whether the silica layer is thick or thin.

Sample codeSample code 아세트산Acetic acid 비교예 1
(Bare ZnO 나노입자)
Comparative Example 1
(Bare ZnO nanoparticles)
Sample codeSample code 아세트산Acetic acid 실시예 2
(Thick Si-ZnO 나노입자)
Example 2
(Thick Si-ZnO nanoparticles)
Z1Z1 NoneNone 0.002mol
(0.163g)
0.002 mol
(0.163 g)
SZ1SZ1 NoneNone 0.002mol
(0.203g)
0.002 mol
(0.203 g)
Z2Z2 0.002mol
(0.120g)
0.002 mol
(0.120 g)
0.002mol
(0.163g)
0.002 mol
(0.163 g)
SZ2SZ2 0.002mol
(0.120g)
0.002 mol
(0.120 g)
0.002mol
(0.203g)
0.002 mol
(0.203 g)
Z3Z3 0.003mol
(0.180g)
0.003 mol
(0.180 g)
0.002mol
(0.163g)
0.002 mol
(0.163 g)
SZ3SZ3 0.003mol
(0.180g)
0.003 mol
(0.180 g)
0.002mol
(0.203g)
0.002 mol
(0.203 g)
Z4Z4 0.004mol
(0.240g)
0.004 mol
(0.240 g)
0.002mol
(0.163g)
0.002 mol
(0.163 g)
SZ4SZ4 0.004mol
(0.240g)
0.004 mol
(0.240 g)
0.002mol
(0.203g)
0.002 mol
(0.203 g)

실험예 5: UV 차폐 효과Experimental Example 5: UV Shielding Effect

해당 필름의 투과 스펙트럼을 측정함으로써 나노 입자 및 PEAA가 혼입된 나노입자의 UV 차폐 물성을 비교하였다. 용융 블렌딩된 나노 입자/ PEAA 매트릭스(도 7 참조)를 필요한 크기의 얇은 필름으로 잘라 더 UV-VIS 분광 광도계 FE-SEM-EDX에 의해 분석 하였다. 도 8에서는 (A) 비교예 2(PEAA 수지), (B)비교예 3(bare ZnO/PEAA 매트릭스), (C)실시예 3(thick Si-ZnO/PEAA 매트릭스)의 FE- SEM 이미지를 나타내었다. 비교예 2는 입자가 없는 평평하고 매끄러운 표면 형태를 나타내었다. 비교예 3은 덩어리로 관찰되는 순수(bare) ZnO 나노입자가 수지에 불균일하게 붙어있는 형태를 나타내었다. 실시예 3의 경우, 수지 전체의 표면에 실리카가 코팅된 ZnO 나노입자 매우 균일하게 분포되어 있는 형태를 나타내었다. 이는 광자 여기에 의한 더 높은 원자량의 나노 입자 때문에 수지 표면에서 발견되는 밝은 점으로 쉽게 구별되었다. 용융 혼합 공정에 의한, 실리카가 코팅된 ZnO 나노입자의 완전한 고 분산체가 보다 효율적인 차광 폴리머 매트릭스를 생성하였다고 판단된다. By measuring the transmission spectrum of the film, the UV shielding properties of nanoparticles and PEAA incorporated nanoparticles were compared. The melt-blended nanoparticles / PEAA matrix (see FIG. 7) was cut into thin films of the required size and further analyzed by the UV-VIS spectrophotometer FE-SEM-EDX. 8 shows an FE-SEM image of (A) Comparative Example 2 (PEAA resin), (B) Comparative Example 3 (bare ZnO / PEAA matrix) and (C) Example 3 (thick Si-ZnO / PEAA matrix) . Comparative Example 2 exhibited a flat, smooth surface with no particles. In Comparative Example 3, bare ZnO nanoparticles observed as agglomerates were unevenly attached to the resin. In the case of Example 3, silica-coated ZnO nanoparticles were uniformly distributed on the entire surface of the resin. This was easily distinguished by the bright spots found on the resin surface due to the higher atomic weight of the nanoparticles due to photon excitation. It has been determined that the complete high dispersion of silica-coated ZnO nanoparticles by the melt mixing process produced a more efficient shading polymer matrix.

용융 혼합된 실리카가 코팅된 ZnO는 PEAA 수지 층에 삽입되는데, 이때, OH 그룹 및 실리카가 코팅된 ZnO의 표면에서 실리카 층의 불완전한 결합은 고체-금속 복합체를 형성하도록 PEAA의 카르보닐기와 약한 상호 작용을 형성할 수 있다. 기본적으로, 실리카 입자는 아크릴과 같은 약한 산에 의해 쉽게 분해되지 않는다. 그러나, 상기 도 6의 결과는, 실리카가 코팅된 ZnO 나노입자가 아세트산에 의해 완전하게 분해되었다는 것을 보여주었다. 이는 실리카 층에 존재하는 마이크로 및 메조 기공을 통해 ZnO의 표면에 산이 직접 접촉하기 때문이다. 그러나 PEAA와 실리카가 코팅된 ZnO 나노입자를 용융 혼합하는 동안 그러한 기공은 차단(blocking)되기 때문에 ZnO는 PEAA의 산(acid) 그룹과 직접 접촉 할 수 없게 되기 때문에 실시예 3(Si-ZnO/PEAA)는 비교예 3(bare ZnO/PEAA)에 비하여 산 분해에 대하여 강한 안정성을 나타내었다고 판단된다.ZnO coated with melt-mixed silica is inserted into the PEAA resin layer. At this time, incomplete bonding of the silica layer on the surface of the OH group and silica coated ZnO results in weak interaction with the carbonyl group of PEAA to form a solid-metal complex . Basically, the silica particles are not easily decomposed by weak acids such as acrylic. However, the results of FIG. 6 above showed that the silica-coated ZnO nanoparticles were completely decomposed by acetic acid. This is because the acid directly contacts the surface of ZnO through the micro- and mesopores present in the silica layer. However, since ZnO can not be in direct contact with the acid group of PEAA because such pores are blocked during melt mixing of PEAA and silica coated ZnO nanoparticles, ) Exhibited strong stability against acid decomposition as compared with Comparative Example 3 (bare ZnO / PEAA).

도 8(i, ii, iii)은 EDX 분석결과이다. 원소의 스펙트럼은 비교예 3(ZnO/PEAA 매트릭스)에서 Zn의 존재, 실시예 3(Si-ZnO/PEAA 매트릭스)에서 Zn 및 Si의 존재를 나타내었다. 비교예 2(PEAA 수지)에서는 아무것도 확인되지 않았다(C 및 O는 지지 기판에서 유래됨).8 (i, ii, iii) are the EDX analysis results. The elemental spectrum showed the presence of Zn in Comparative Example 3 (ZnO / PEAA matrix) and the presence of Zn and Si in Example 3 (Si-ZnO / PEAA matrix). In Comparative Example 2 (PEAA resin), nothing was confirmed (C and O are derived from the supporting substrate).

도 9는 (i) (a) 비교예 1(bare ZnO 나노입자), (b) 실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자) 및 (ii) (a) 비교예 2(PEAA 수지 매트릭스), (b) 비교예 3(bare ZnO/PEAA 매트릭스), (c) 실시예 3(Si-ZnO/PEAA 매트릭스)의 UV-vis 투과 스펙트라 분석 결과이다. 도 9에서 나타내듯이, 비교예 2(PEAA 수지 매트릭스)는 빛에 대하여 가장 높은 투과도를 나타내었다. 비교예 3의 경우, 약 96%의 자외선이 나노입자 수지 매트릭스를 투과하는 결과를 나타내었다. 산화아연은 단독으로 존재할 때, 우수한 자외선 차폐효과를 나타내었으나, 비교예 2, 3에서는 높은 투과도를 나타내었는 바, PEAA 수지에 존재하는 PEAA 수지에 존재하는 산(acid) 그룹에 의해 산화아연이 분해되었기 때문이라고 판단된다. 실시예 3의 경우, 대략 97% 정도의 자외선 차폐 물성을 나타내었다. 380nm 이하에서는 더 낮은 투과도를 나타내었는 바, 이는 반도체 나노결정(ZnO) 때문이라고 판단된다. 여기서 반도체 나노결정의 흡수 끝(edge)은 밴드 갭과 관련된다.FIG. 9 is a graph showing the results of (a) Comparative Example 1 (bare ZnO nanoparticles), (b) Example 2 (thick Si-ZnO nanoparticles) and (ii) Comparative Example 2 (PEAA resin matrix) b) Comparative Example 3 (bare ZnO / PEAA matrix), and (c) Example 3 (Si-ZnO / PEAA matrix). As shown in Fig. 9, Comparative Example 2 (PEAA resin matrix) exhibited the highest transmittance to light. In the case of Comparative Example 3, about 96% of ultraviolet light was transmitted through the nanoparticle resin matrix. Zinc oxide exhibited excellent ultraviolet shielding effect when present alone, but Comparative Examples 2 and 3 showed high transmittance. As a result, zinc oxide was decomposed by an acid group present in the PEAA resin present in the PEAA resin . In the case of Example 3, the ultraviolet shielding property was about 97%. At 380 nm and below, the transmittance was lower than that of semiconductor nanocrystals (ZnO). Where the absorption edge of the semiconductor nanocrystals is related to the bandgap.

가시광 영역에서, 실시예 3(Si-ZnO/PEAA 매트릭스)은 비교예 3(bare ZnO/PEAA 매트릭스)에 비해 800nm에서 약 50% 감소된 투과도를 나타내었다. 이는 ZnO 코어 사이즈에 기초한다. 사이즈가 작을수록 더 우수한 가시광 투과도 및 우수한 자외선 차폐 효과를 나타낼 수 있다. 실시예 3(thick Si-ZnO/PEAA 매트릭스)은 실시예 2(thick Si-ZnO 나노입자)와 유사한 투과 스펙트라를 나타내었고, 실시예 3은 PEAA 수지가 첨가되었음에도 폴리머의 분해를 유발하지 않고 우수한 자외선 차폐 물성을 나타내었다. 이러한 결과는 산화아연 나노입자를 둘러싸고 있는 실리카 층 두께의 증가에 의해 자외선에 의한 PEAA 수지의 분해가 방지되고, PEAA에 의한 산화아연의 산 분해(acid dissolution)가 방지되기 때문이라고 판단된다. 상기에서 설명한 바와 같이 용융 혼합 공정에 의해 실리카 코팅된 산화아연 - PEAA 매트릭스(실시예 3 참조)는 자외선 차폐 물성을 상당히 개선시키므로 이는 나일론 4(Nylon 4) 등을 이용한 자외선 차단 섬유 등을 제조하는데 이용될 수 있다.In the visible region, Example 3 (Si-ZnO / PEAA matrix) showed a transmittance reduced by about 50% at 800 nm compared to Comparative Example 3 (bare ZnO / PEAA matrix). This is based on the ZnO core size. The smaller the size, the better the visible light transmittance and the superior ultraviolet shielding effect. Example 3 (thick Si-ZnO / PEAA matrix) showed a transmission spectrum similar to that of Example 2 (thick Si-ZnO nanoparticles). Example 3 shows that even though the PEAA resin was added, Shielding properties. These results indicate that the increase of the thickness of the silica layer surrounding the zinc oxide nanoparticles prevents the decomposition of PEAA resin by ultraviolet rays and prevents the acid dissolution of zinc oxide by PEAA. As described above, since the silica-coated zinc oxide-PEAA matrix (see Example 3) by the melt mixing process significantly improves ultraviolet shielding property, it is used for producing ultraviolet shielding fibers using nylon 4 or the like .

Claims (5)

입자 표면에 실리카가 코팅된 산화아연 나노입자가, 고분자 수지 전체에 균일하게 분포된 형태를 갖는 실리카 코팅 산화아연-고분자 수지 매트릭스로서,
상기 고분자 수지는 폴리(에틸렌-코-아크릴산)이고,
용융 혼합 방법에 의하여 제조되어, 나노입자의 표면에 코팅된 실리카 층의 기공이 차단된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는,
실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스.
A silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix having zinc oxide nanoparticles in which silica is coated on the surface of particles is uniformly distributed throughout the polymer resin,
Wherein the polymer resin is poly (ethylene-co-acrylic acid)
Characterized in that it has a structure in which the pores of the silica layer coated on the surface of the nanoparticles are blocked by a melt mixing method.
Silica coated zinc oxide - polymeric resin matrix.
청구항 1에 있어서,
상기 실리카가 코팅된 산화아연은 상기 6~8nm 두께의 실리카 코팅이 형성된 것을 특징으로 하는 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스.
The method according to claim 1,
Wherein the silica-coated zinc oxide is formed with the silica coating having a thickness of 6 to 8 nm.
청구항 1에 있어서,
상기 실리카가 코팅된 산화아연 함량은 실리카 코팅된 산화아연- 고분자 수지 매트릭스 전체 중량 기준으로 2~5중량%인 것을 특징으로 하는 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스.
The method according to claim 1,
Wherein the zinc oxide-coated silica-coated zinc oxide-polymeric resin matrix is 2-5 wt% based on the total weight of the silica-coated zinc oxide-polymeric resin matrix.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 실리카가 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스는 자외선 차단용 조성물로 이용되는 것을 특징으로 하는 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스.
The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix is used as an ultraviolet-shielding composition.
청구항 4의 실리카 코팅된 산화아연-고분자수지 매트릭스를 포함하는 자외선 차단용 조성물.
A composition for ultraviolet protection comprising the silica-coated zinc oxide-polymer resin matrix of claim 4.
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