KR20170071285A - 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법 및 이로부터 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔 - Google Patents

산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법 및 이로부터 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입자크기가 균일하고 기공특성이 우수한 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법 및 이를 통하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔에 관한 것이다. 이에 따른 제조방법은 종래 기술 대비 상대적으로 생산비용이 절감되어 경제성이 우수할 뿐 아니라, 건조 시 수축현상이 억제되어 기공구조의 붕괴가 효과적으로 방지될 수 있다.
따라서, 상기의 제조방법으로 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 낮은 탭 밀도를 나타내면서 오븐건조를 통해 제조된 종래의 산화금속-실리카 복합 에어로겔 대비 비표면적이 크고 기공특성이 우수할 수 있다.

Description

산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법 및 이로부터 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔{Preparation method of metal oxide-silica complex aerogel and metal oxide-silica complex aerogel produced by the same}
본 발명은 입자크기가 균일하고 기공특성이 우수한 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법 및 이를 통하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔에 관한 것이다.
실리카 에어로겔(aerogel)은 90~99.9% 정도의 기공율과 1~100 nm 범위의 기공크기를 갖는 초다공성의 고비표면적 물질로서, 뛰어난 초경량/초단열/초저유전 등의 특성을 갖는 재료이기 때문에 에어로겔 소재 개발연구는 물론 투명단열재 및 환경 친화적 고온형 단열재, 고집적 소자용 극저유전 박막, 촉매 및 촉매 담체, 슈퍼 커패시터용 전극, 해수 담수화용 전극 재료로서의 응용연구도 활발히 진행되고 있다.
실리카 에어로겔의 가장 큰 장점은 종래 스티로폼 등의 유기 단열재보다 낮은 0.300 W/m·K 이하의 열전도율을 보이는 슈퍼단열성(super-insulation)이다. 또한, 유기단열재의 치명적인 약점인 화재 취약성과 화재시 유해가스 발생을 해결할 수도 있다.
상기와 같은 실리카 에어로겔은 건조 시 발생하는 수축현상에 의한 구조붕괴를 방지하기 위하여, 소수성의 실리카 에어로겔를 제조한 후 열분해공정을 통해 표면개질제를 제거하는 방법을 통해 제조되고 있다.
구체적으로, 실리카 에어로겔은 TEOS(Tetra ethyl ortho silicate) 또는 물유리를 산촉매를 이용하여 가수분해시켜 실리카 졸을 제조하고 여기에 염기성 촉매를 첨가하여 축합반응시켜 친수성인 습윤겔을 제조하는 단계(제1 단계); 상기 습윤겔을 숙성시키는 단계(제2 단계); 상기 숙성된 습윤겔을 유기용매에 넣어 습윤겔 내 존재하는 물을 유기용매로 치환시키는 용매치환 단계(제3 단계); 상기 용매치환된 습윤겔에 표면개질제를 첨가하여 장시간 동한 개질반응 시켜 소수성의 습윤겔을 제조하는 단계(제4 단계); 소수성의 습윤겔을 세척하고 건조하여 소수성의 실리카 에어로겔울 제조하는 단계(제5 단계); 및 상기 에어로겔을 열분해하는 단계(제6 단계)를 통해 제조되고 있다.
한편, 근래에는 실리카 에어로겔의 활용 범위를 더욱 확대시키기 위하여 상기 실리카 에어로겔이 본래 가지는 특성에 기계적 물성을 향상시키는 방안이 검토되고 있으며, 일례로 산화금속이 도입된 산화금속-실리카 복합 에어로겔이 개발되고 있다.
일반적으로 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 물유리 용액에 금속이온 용액 및 산촉매를 첨가하고 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 습윤겔을 세척 및 오븐건조하는 단계(단계 2)를 통하여 제조되고 있다(도 1 참고). 그러나, 오븐건조를 이용한 상기의 제조방법으로 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 오븐건조 시 열이 전도를 통해 산화금속-실리카 복합 습윤겔 표면부터 서서히 건조되어 내부로의 열 전달이 늦어지게 되고 이에 건조가 불균일하게 일어나는 문제가 있다. 이로 인하여 전체적인 건조 시간이 길어져 상기 습윤겔 내 용매의 표면장력에 의하여 기공의 수축현상이 크게 발생하게 되고 결과적으로 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 비표면적, 기공부피 등이 현저히 저하되어 산업에 적용하기에는 부적합한 물성을 나타내는 문제가 있다. 또한, 상기의 수축현상을 억제하기 위하여 건조 전 표면장력이 비교적 낮은 유기용매로 세척하는 단계를 수행하고 있으나, 수축현상 억제 효과에 한계가 있어 고비표면적 및 고기공부피를 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔 제조에는 적합하지 않으며, 다량의 유기용매가 필요하여 경제성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 다량의 유기용매를 필요치 않아 경제성이 우수하면서, 건조 시 수축현상을 효과적으로 억제시킬 수 있어 고비표면적, 고기공부피 특성을 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조할 수 있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.
KR2008-0084241 A
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래 기술 대비 상대적으로 제조공정이 단순하고 제조시간이 짧아 경제성이 우수할 뿐 아니라 건조 시 수축현상을 억제할 수 있어 비표면적이 크고 기공특성이 우수한 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조할 수 있는 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 제조방법으로 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 물유리 용액에 금속이온 용액 및 산촉매를 첨가하고 혼합하여 산화금속-실리카 습윤겔을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하는 단계(단계 2)를 포함하고, 상기 건조는 분무건조를 통해 수행하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기의 제조방법으로부터 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제공한다.
본 발명에 따른 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법은 종래 기술 대비 상대적으로 생산비용이 절감되어 경제성이 우수할 뿐 아니라, 건조 시 수축현상이 억제되어 기공구조의 붕괴가 효과적으로 방지될 수 있다.
따라서, 상기의 제조방법으로 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 낮은 탭 밀도를 나타내면서 오븐건조를 통해 제조된 종래의 산화금속-실리카 복합 에어로겔 대비 비표면적이 크고 기공특성이 우수할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 구체적인 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래의 일반적인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 제공한다.
일반적으로 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 물유리 용액에 금속이온 용액 및 산촉매를 첨가하고 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 습윤겔을 세척 및 오븐건조하는 단계(단계 2)를 통하여 제조되고 있다(도 1 참고). 그러나, 오븐건조를 통한 상기의 방법을 통하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 건조 시 발생하는 심한 수축현상에 의하여 상기 에어로겔의 망상구조가 붕괴되어 비표면적, 기공부피 등의 기공특성이 좋지 못하여 산업에 적용하기에는 부적합한 문제가 있다. 또한, 상기의 수축현상을 억제하기 위하여 건조 전 표면장력이 비교적 낮은 유기용매로 세척하는 단계를 수행하고 있으나, 수축현상 억제 효과에 한계가 있어 고비표면적 및 고기공부피를 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔 제조에는 적합하지 않으며, 다량의 유기용매가 필요하여 경제성이 저하되는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 건조 시 수축현상이 억제되어 기공구조의 붕괴가 효과적으로 방지될 수 있는 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 제공한다.
이하, 도 2를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법은 물유리 용액에 금속이온 용액 및 산촉매를 첨가하고 혼합하여 산화금속-실리카 습윤겔을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하는 단계(단계 2)를 포함하고, 상기 건조는 분무건조를 통해 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법은 상기 단계 2의 건조 전 세척하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 세척은 증류수 또는 알코올을 이용하여 수행할 수 있다.
상기 단계 1은 물유리 용액과 금속이온 용액을 반응시켜 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하기 위한 단계로, 물유리 용액에 금속이온 용액 및 산촉매를 첨가하고 혼합하여 수행할 수 있다.
이때, 상기 금속이온 용액 및 산촉매는 동시에 물유리 용액에 첨가하거나, 순차적으로 물유리 용액에 금속이온 용액을 첨가하여 혼합한 후 산촉매를 첨가하여 혼합하는 것일 수 있다.
상기 혼합은 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 교반을 통하여 수행할 수 있으며, 상기 교반은 마그네틱 바를 이용하여 300 rpm 내지 500 rpm으로 1시간 내지 3시간동안 수행하는 것일 수 있다.
상기 물유리 용액은 물유리에 증류수를 첨가하고 혼합한 희석 용액인 것일 수 있으며, 상기 물유리는 이산화규소(SiO2)와 알칼리를 융해해서 얻은 규산알칼리염인 소듐 실리케이트(Sodium silicate, Na2SiO3)일 수 있다. 상기 물유리 용액은 용액 내 물유리의 농도가 0.025 M 내지 3.0 M인 것일 수 있다. 즉, 상기 물유리 용액은 0.025 M 내지 3.0 M로 물유리를 함유하는 것일 수 있다. 만약, 상기 물유리 농도가 0.025 M 미만인 경우에는 에어로겔의 구조가 제대로 형성되지 않을 수 있으며, 에어로겔이 형성되었다 하더라도 건조 시 발생하는 수축현상을 견디지 못하고 구조가 붕괴되어 물성이 현저히 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 물유리 농도가 3.0 M을 초과하는 경우에는 에어로겔 구조의 밀도가 높아 건조 시 발생하는 수축현상은 견딜 수 있어 구조 붕괴에 의한 문제는 완화될 수 있으나, 비표면적 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 금속이온 용액은 금속 화합물을 용매에 용해시켜 제조된 것일 수 있으며, 상기 금속이온 용액 내 금속이온의 농도가 0.0083 M 내지 1.0 M인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속이온 용액은 칼슘 이온(Ca2 +)과 마그네슘 이온(Mg2 +)을 포함하는 이성분 금속이온 용액인 것일 수 있으며, 이때 상기 칼슘 이온(Ca2 +)과 마그네슘 이온(Mg2 +) 몰비는 1:2 내지 1:10일 수 있다. 즉, 상기 금속이온 용액은 칼슘 화합물 및 마그네슘 화합물을 용매에 용해시켜 제조된 것일 수 있으며, 상기 칼슘 화합물 및 마그네슘 화합물은 각각 염화칼슘 및 염화마그네슘이거나, 또는 각각 염화칼슘의 수화물 및 염화마그네슘의 수화물일 수 있다. 구체적으로는, 상기 칼슘 화합물은 염화칼슘 2 수화물(CaCl2·2H2O)일 수 있고, 상기 마그네슘 화합물은 염화마그네슘 6수화물(MgCl2·6H2O)일수 있다. 또한, 상기 용매는 상기 칼슘 화합물과 마그네슘 화합물을 충분히 용해시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 증류수일 수 있다.
또한, 상기 금속이온 용액은 용액 내 금속이온과 물유리 용액 내 물유리가 용이하게 반응할 수 있는 양으로 첨가하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 상기 금속이온 용액은 물유리 용액 내 함유되어 있는 물유리와 금속이온의 몰비가 3:1 내지 10:1이 되는 양으로 첨가하는 것일 수 있다.
상기 산촉매는 물유리 용액 내 물유리와 금속이온 용액 내 금속이온이 반응하여 형성한 산화금속-실리카 복합 졸의 겔화를 촉진시켜 산화금속-실리카 복합 겔을 용이하게 형성할 수 있도록 하는 역할을 하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 단계 1은 겔화가 용이하게 이루어질 수 있도록 pH 7 내지 8의 조건 하에서 수행되는 것일 수 있으며, 상기 pH는 상기 산촉매에 의하여 조절되는 것일 수 있다. 상기 산촉매의 사용량은 특별히 제한되지 않고 상기 범위의 pH로 조절할 수 있는 양으로 첨가하는 것일 수 있다.
상기 산촉매는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 염산, 질산, 아세트산, 황산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 단계 2는 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 복합 겔을 건조하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하기 위한 단계이다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하기 전 세척하는 단계를 더 수행할 수 있다.
상기 세척은 반응 중 발생된 불순물을 제거하여, 고순도의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 얻기 위한 것으로 특별히 제한되지 않고 당업계에 통상적인 방법을 통하여 수행하는 것일 수 있다.
예컨대, 상기 세척은 산화금속-실리카 복합 습윤겔에 세척 용매를 첨가하고, 20분 내지 1시간 동안 교반하여 수행하는 것일 수 있다. 상기 세척 용매는 알코올 또는 증류수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 건조는 분무건조를 통해 수행하는 것일 수 있다.
상기 분무건조는 건조챔버에 건조가스를 주입하고 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 분사시켜 열풍건조하여 수행하는 것일 수 있으며, 별도의 분쇄 공정 없이 균일한 크기를 갖는 분말을 수득할 수 있다.
구체적으로, 상기 분무건조는 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 정량펌프를 이용하여 노즐을 통해 건조챔버로 분사하고, 건조가스는 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔과 별도의 노즐 라인을 통해 건조챔버로 주입시켜 열풍건조하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 열풍건조는 가열된 건조가스에 분사된 산화금속-실리카 복합 습윤겔이 접촉함으로써 수행되는 것일 수 있다. 또한, 상기 분사는 0.13 l/h 내지 0.195 l/h의 속도로 산화금속-실리카 복합 습윤겔이 일정하게 노즐을 통해 건조챔버 내로 주입되도록 하는 것일 수 있으며, 건조챔버 내부온도는 140℃ 내지 200℃, 구체적으로는 180℃ 내지 200℃로 유지되는 것일 수 있다.
한편, 상기 건조가스는 당업계에 통상적으로 알려진 것일 수 있으며, 예컨대 압축공기 또는 질소가스일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 종래의 통상적인 상압건조가 아닌 분무건조를 통하여 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조함으로써 건조속도가 크게 향상되어 건조 중 상기 습윤겔 내 용매의 표면장력에 의한 수축현상이 억제될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 제조방법에 의하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 에어로겔은 산화금속이 실리카에 도핑되어 있는 것일 수 있으며, 상기 산화금속은 산화마그네슘(MgO) 및 산화칼슘(CaO)의 조합일 수 있다. 즉, 상기 에어로겔은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO) 및 실리카(SiO2)를 포함하는 것일 수 있다.
여기에서, 상기 도핑(doping)은 순수한 물질에 제한된 양의 외부 물질을 첨가하는 것을 나타내는 것으로, 예컨대 실리카의 망상구조 내에 산화금속이 결합되어 있는 것을 나타내는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 에어로겔은 비표면적이 100 m2/g 내지 450 m2/g인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화금속-실리카 복합 에어로겔은 0.08 g/ml 내지 0.13 g/ml의 탭 밀도를 갖는 것일 수 있으며, 기공 부피가 0.30 cm3/g 내지 1.0 cm3/g이고 평균입자 크기(D50)이 6 ㎛ 내지 12 ㎛일 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 2에 나타낸 바와 같은 단계를 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
구체적으로, 물유리 용액(물유리 농도 1.0 M)에 금속이온 용액(금속이온 농도 0.33 M, Mg2 +:Ca2 +=2:1 몰비)을 첨가하고 pH 7이 되도록 염산을 첨가한 후 60분 동안 교반하여 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 이때, 상기 금속이온 용액은 물유리 용액 내 물유리 대비 금속이온 용액 내 금속이온이 1/3 몰이 되는 양으로 첨가하였다. 제조된 습윤겔을 증류수로 3회 세척하고, 분무건조하여 분말 상태의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다. 이때, 상기 분무건조는 분무건조기 B-290(BuChi社)을 이용하여 건조챔버 내부온도를 180℃로 유지시키면서 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 0.13 l/h로 분사시켜 수행하였으며, 건조가스로는 압축공기를 l/h/로 상기 건조챔버 내부로 주입시켰다.
실시예 2
분무건조 시 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 0.195 l/h로 분사시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 분말 상태의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
실시예 3
물유리 용액으로 물유리 농도 2.0 M인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 분말 상태의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
비교예 1
도 1에 나타낸 바와 같은 단계를 통하여 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
구체적으로, 물유리 용액(물유리 농도 1.0 M)에 금속이온 용액(금속이온 농도 0.33 M, Mg2 +:Ca2 +=2:1 몰비)을 첨가하고 pH 7이 되도록 염산을 첨가한 후 60분 동안 교반하여 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하였다. 이때, 상기 금속이온 용액은 물유리 용액 내 물유리 대비 금속이온 용액 내 금속이온이 1/3 몰이 되는 양으로 첨가하였다. 제조된 습윤겔을 증류수로 3회 세척하고, 150℃의 오븐에서 2시간 동안 상압건조하여 분말 상태의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
비교예 2
물유리 용액으로 물유리 농도 2.0 M인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법을 통하여 분말 상태의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
비교예 3
분무건조 시 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 0.1 l/h로 분사시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 분말 상태의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
비교예 4
분무건조 시 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 0.23 l/h로 분사시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법을 통하여 분말 상태의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 4에서 제조한 각 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 물성 비교 분석을 위하여, 각 에어로겔의 탭 밀도(tap density, g/ml), 비표면적(BET, m2/g), 입자크기 및 기공특성(기공부피 및 기공크기)를 측정하였다. 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
1) 탭 밀도(tap density, g/ml)
탭 밀도는 탭 밀도 측정기(STAV II, J. Engelsmann AG)를 이용하여 측정하였다.
2) 비표면적(BET, m2/g) 및 기공특성
비표면적은 3 FLEX 장치(Micrometrics 社)를 이용하여 부분압(0.11<p/p0<1)에 따른 질소의 흡/탈착량으로 분석하였다.
3) 입자크기
입자크기는 S3500 장치(Microtrac 社)를 이용하여 건식으로 측정하였다.
구분 탭 밀도(g/ml) 비표면적(m2/g) 기공부피
(cm3/g)		 기공크기
(nm)		 입자크기
(D50, ㎛)
실시예 1 0.11 350 0.45 13.2 6.45
실시예 2 0.12 330 0.41 13.1 6.78
실시예 3 0.08 250 0.32 9.9 6.89
비교예 1 0.24 200 0.30 10.1 13.02
비교예 2 0.20 150 0.21 7.3 17.49
비교예 3 0.18 210 0.31 18.1 8.01
비교예 4 0.25 180 0.23 9.1 9.89
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 1 내지 실시예 3의 산화금속-실리카 복합 에어로겔이 비교예 1 내지 비교예 4의 산화금속-실리카 복합 에어로겔 대비 전반적으로 감소된 탭 밀도를 보이면서 입자크기가 균일하고 기공특성 및 비표면적이 우수한 것을 확인하였다.
구체적으로, 건조조건을 상이하게 한 것을 제외하고는 동일한 조건에서 제조된 실시예 1의 산화금속-실리카 복합 에어로겔과 비교예 1의 산화금속-실리카 복합 에어로겔 및 실시예 3의 산화금속-실리카 복합 에어로겔과 비교예 2의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 각각 비교한 결과, 실시예 1 및 실시예 3의 산화금속-실리카 복합 에어로겔이 가각 비교예 1 및 비교예 2의 산화금속-실리카 복합 에어로겔 대비 을 비교한 결과, 탭 밀도는 각각 약 46% 및 약 44% 수준으로 감소되고 비표면적은 각각 175% 및 167% 수준으로 향상되는 것을 확인하였다. 이는, 본 발명의 제조방법에 따른 분무건조를 통하여 건조할 경우 건조 시 기공의 수축현상이 억제될 수 있으며 이에 기공구조의 붕괴가 효과적으로 방지되는 것임을 의미하는 결과이다. 또한, 분무건조시 조건을 상이하게 한 것을 제외하고는 동일한 방법에 의하여 제조된 실시예 1의 산화금속-실리카 복합 에어로겔과 비교예 3의 산화금속-실리카 복합 에어로겔 및 실시예 2의 산화금속-실리카 복합 에어로겔과 비교예 4의 산화금속-실리카 복합 에어로겔을 각각 비교한 결과, 실시예 1과 실시예 2의 산화금속-실리카 복합 에어로겔이 비교예 3 및 비교예 4의 산화금속 실리카 복합 에어로겔 대비 각각 탭 밀도는 약 61% 및 48% 수준으로 감소하면서 비표면적은 약 167% 및 약 183% 수준으로 현저히 증가하는 것을 확인하였다. 이는, 분무건조 시의 조건, 예컨대 건조하고자 하는 산화금속-실리카 복합 습윤겔의 분사속도가 기공의 수축현상 억제에 영향을 미칠 수 있는 것을 나타내는 것이며, 본 발명에 따른 분사속도 조건이 목적하는 물성을 갖는 산화금속-실리카 복합 에어로겔 제조에 효과적일 수 있음을 나타내는 결과이다.

Claims (16)

1) 물유리 용액에 금속이온 용액 및 산촉매를 첨가하고 혼합하여 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 제조하는 단계; 및
2) 상기 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 건조하는 단계를 포함하고,
상기 건조는 분무건조를 통해 수행하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 물유리 용액 내 물유리의 농도는 0.025 M 내지 3.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 금속이온 용액 내 금속이온의 농도는 0.0083 M 내지 1.0 M인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 금속이온 용액은 칼슘 이온(Ca+)과 마그네슘 이온(Mg+)을 포함하는 이성분 금속이온 용액인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 금속이온 용액 내 칼슘 이온(Ca+)과 마그네슘 이온(Mg+)의 몰비는 1:2 내지 1:10인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 금속이온 용액은 물유리와 금속이온의 몰비가 3:1 내지 10:1이 되는 양으로 첨가하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 1)은 pH 7 내지 8인 조건하에서 수행되는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 산촉매는 염산, 질산, 아세트산, 황산 및 불산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 2)의 건조 전 세척하는 단계를 더 포함하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 분무건조는 건조챔버에 건조가스를 주입하고 산화금속-실리카 복합 습윤겔을 분사시켜 열풍건조하여 수행하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 분사는 0.13 l/h 내지 0.195 l/h의 속도로 하는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 건조챔버 내부온도는 140℃ 내지 200℃인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 열풍건조는 가열된 건조가스에 분사된 산화금속-실리카 복합 습윤겔이 접촉함으로써 수행되는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔의 제조방법.
청구항 1의 제조방법에 의하여 제조된 산화금속-실리카 복합 에어로겔.
청구항 16에 있어서,
상기 에어로겔은 비표면적이 100 m2/g 내지 450 m2/g인 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔.
청구항 16에 있어서,
상기 에어로겔은 0.08 g/ml 내지 0.13 g/ml의 탭 밀도를 갖는 것인 산화금속-실리카 복합 에어로겔.
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