KR910000294B1 - Process for synthesis of alumina-gol - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 아세틴아세톤의 첨가량(0.1몰. 0.5몰, 1.5몰) 달리하여 얻은 중합알루미나졸의 시간에 따른 점도를 나타낸 그래프.Figure 1 is a graph showing the viscosity over time of the polymerized alumina sol obtained by adding the amount of acetin acetone (0.1 mol. 0.5 mol, 1.5 mol).
제2도는 본 발명 방법으로 얻은 중합알루미나졸의 FT-IR 스펙트라.2 is an FT-IR spectra of the polymerized alumina sol obtained by the method of the present invention.
제3도는 종래방법으로 얻은 알루미나졸의 FT-IR 스펙트라.3 is an FT-IR spectra of alumina sol obtained by a conventional method.
제4도는 본 발명 섬유제조 장치의 단면도.4 is a cross-sectional view of the present invention fabric manufacturing apparatus.
제5도는 본 발명 무기섬유와 열처리 온도에 따른 X-ray 회절분속도.5 is an X-ray diffraction partial rate according to the present invention inorganic fiber and heat treatment temperature.
제6도는 본 발명 무기섬유의 소성후의 전자현미경사진으로 (a)는 524배, (b)는 1350배 확대사진임.6 is an electron micrograph after firing of the inorganic fiber of the present invention (a) is 524 times, (b) is 1350 times enlarged picture.
본 발명은 비수용액으로부터 중합상태의 고점성 알루미나졸을 합성하는 방법 및 이것을 이용하여 무기섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for synthesizing a highly viscous alumina sol in a polymerized state from a non-aqueous solution and a method for producing an inorganic fiber using the same.
이와같은 알루미졸은 수용액으로부터 만든 통상의 콜로이달 상태의 알루미나졸에 비해 점성이 높고 방사성이 우수하여 알루미나질 무기섬유 제조는 물론 코팅 및 바인더의 원료로서 종래의 콜로이달졸보다 성능이 월등하다.Such aluminazole has higher viscosity and superior radioactivity than conventional colloidal alumina sol made from aqueous solution, and is superior to conventional colloidal sol as a raw material for coating and binder as well as preparing alumina inorganic fibers.
종래방법에 의한 알루미나졸은 콜로이달 상태로서 점성이 매우 낮아 폴리에틸렌옥사드 등 수용성 고분자 물의 첨가없이는 방사에 적합한 점성과 작업성을 획득할수가 없었다. 그러나 본 발명에 의한 알루미나졸은 함유한 전구물질의 형이 콜로이달 같이 구형이 아니라 체인 형태의 것이므로 구조적으로 콜로이달의 경우보다 졸 자체의 점도가 매우 높다.The alumina sol according to the conventional method has a very low viscosity as a colloidal state and could not obtain viscosity and workability suitable for spinning without the addition of water-soluble high molecular water such as polyethylene oxide. However, the alumina sol according to the present invention has a very high viscosity of the sol itself structurally than the colloidal since the precursor is contained in a chain form rather than a spherical form.
본 발명에서는 알루미늄 알콕사이드를 거수분해시키되 수분의 양을 이론수분량 이하로 제한하여 알루미늄 원자주위의 알코올기의 일부만을 부분 수화시켜 체인 상태의 전구물질을 형성시킬수 있게 하였다. 부분 수화를 끝까지 유지시키기 위하여 안정한 화합결합을 형성하는 아세틸아세톤(Acetyl Acetone)을 사용하여 Al 주위의 알콜기 일부를 캡핑(Capping)시켰으며 중합반응중에 불필요한 수분의 영향을 배제하기 위하여 비수용액 중에서 반응시켰다.In the present invention, the aluminum alkoxide is hydrolyzed, but the amount of water is limited to less than the theoretical water content so that only a part of the alcohol group around the aluminum atom is partially hydrated to form a precursor in a chain state. To maintain partial hydration to the end, a portion of the alcohol group around Al was capped using acetylacetone, which forms a stable compound bond. I was.
또한 반응과 농축온도를 아세틸아세톤의 휘발점 이하로 유지시켰다. 이 알루미나졸의 주용도는 무기섬유 제조이며 그 외에도 복합재료 및 코팅 및 바인더의 재료에도 사용할수 있다.In addition, the reaction and concentration were maintained below the volatilization point of acetylacetone. The main use of this alumina sol is to make inorganic fibers, and it can be used for composite materials, coatings and binders.
본 발명의 합성방법을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the synthesis method of the present invention will be described in more detail.
본 발명은 출발물질로서 알루미늄 알콕사이드를 이용하여 이를 알코올에 용해시켜 처음에 안정한 화학결합을 일으키는 아세틸아세톤과 반응시킨후 물을 첨가하여 가수분해 반응을 시킨후 산을 첨가하여 중합반응시켜 안정한 중합졸을 형성하는 것으로서 첫번째 아세틸아세톤과의 반응은 다음과 같다.In the present invention, aluminum alkoxide is used as a starting material to dissolve it in alcohol and reacts with acetylacetone, which causes a stable chemical bond at first, followed by hydrolysis by addition of water, followed by polymerization with acid to add a stable polymerization sol. The first reaction with acetylacetone to form is as follows.
상기에서 A.A는 아세틸아세톤(CH3COCH2COCH3), R은 2급-부틸기 또는 이소-프로필기이다.In the above, AA is acetylacetone (CH 3 COCH 2 COCH 3 ), R is secondary-butyl group or iso-propyl group.
본 발명에서 사용되는 알루미늄 알콕사이드는 알루미늄 2급-부톡사이드 또는 알루미늄 이소-프로폭사이드이며 이들은 모두 맑은 졸을 형성한다. 알코올의 종류는 1-프로판올, 2-부탄올 등이 각각의 알콕사이드에 대하여 맑은 졸을 형성시킬수 있어 적합하게 사용된다. 알코올의 양은 많은 양은 관계없으나 나중에 분리의 문제가 있으며 작을 경우에는 침전이 생기므로, 알루미늄 2급-부톡사이드 1몰에 대하여 1-프로판올의 양은 3-6몰이 적당하며 알루미늄 이소-프로폭사이드 1몰에 대하여 이소-프로탄올의 양은 7-10몰이 적당하였다. 아세틸아세톤의 양도 중요한 인자의 하나로서 최대의 양은 알콕사이드 1몰에 대하여 1.5몰이며 그 이상을 첨가하면 다음과 같은 반응에 의하여 알루미늄 아세틸아세토네이트의 착화합물을 형성하여 침전물을 형성한다.The aluminum alkoxides used in the present invention are aluminum secondary-butoxide or aluminum iso-propoxide and they all form a clear sol. The alcohol is suitably used because 1-propanol, 2-butanol, and the like can form a clear sol for each alkoxide. The amount of alcohol does not matter, but there is a problem of separation later, and if it is small, precipitation occurs, so the amount of 1-propanol is suitably 3-6 mol to 1 mol of aluminum secondary-butoxide, and 1 mol of aluminum iso-propoxide. A suitable amount of iso-protanol was 7-10 mol relative to. The amount of acetylacetone is also an important factor. The maximum amount is 1.5 moles with respect to 1 mole of alkoxide, and when more is added, complexes of aluminum acetylacetonate are formed by the following reaction to form precipitates.
아세틸아센톤화가 일어난 투명한 졸에다 물을 첨가하면 가수분해 반응이 일어나며 그 반응은 다음과 같다.When water is added to the transparent sol where acetylacetonation has occurred, a hydrolysis reaction occurs.
이 반응에서도 역시 물의 양에 따라 반응이 달라지며, 물의 양이 많을경우 급격한 겔화가 일어나 투명한 졸의 형성이 어려우며 물의 양이 작을 경우도 역시 급격한 겔화가 일어나 바람직하지 않다. 따라서 알콕사이드 1몰에 대하여 물의 양은 0.25-1.25몰이 적당하다.In this reaction, too, the reaction varies depending on the amount of water. When the amount of water is large, rapid gelation occurs, making it difficult to form a transparent sol, and even when the amount of water is small, the rapid gelation is also undesirable. Therefore, the amount of water is preferably 0.25-1.25 moles per 1 mole of alkoxide.
가수분해된 용액은 산을 첨가하여 고분자 형태의 졸을 형성시키는데 이때의 반응은 다음과 같다.The hydrolyzed solution is added with acid to form a polymer sol. The reaction is as follows.
1)의 반응식은 이상적인 고분자화 반응식이며 2)의 반응식은 가수분해가 일어나지 않은 미반응물이 고분자화되는 반응식이다. 1)에서 OR은 물과 반응하여 OH결합을 이루고 ROH를 생성시킬수도 있다. 이때 촉매로서 첨가되는 산의 종류는 강산이 적합하며 산의 양이 과다하면 급격한 겔화가 일어나며 산이 없거나 작을경우 고분자화 반응이 일어나기는 하나 그 속도가 감소한다. 즉 산이 촉매 역할을 하여 산이 반응을 더욱 가속화시킨다. 산의 양은 알콕사이드 1몰에 대하여 염산의 경우 1.5몰까지가 적당하다. 그후 축합반응에 의하여 다음과 같은 알루미나중합졸을 형성한다.The reaction of 1) is an ideal polymerization reaction, and the reaction of 2) is a reaction in which unreacted materials that do not undergo hydrolysis are polymerized. OR in 1) may react with water to form an OH bond and generate ROH. At this time, the acid added as a catalyst is suitable for strong acid. If the amount of acid is excessive, rapid gelation occurs, and if the acid is small or small, the polymerization reaction occurs, but the rate decreases. That is, acid acts as a catalyst, which accelerates the reaction. The amount of acid is suitably up to 1.5 moles for hydrochloric acid per mole of alkoxide. Thereafter, the alumina polymerization sol is formed by the condensation reaction.
이와같이 형성한 졸은 건조기에서 80-90℃로 건조하면 100시간후 PH는 7.8에서 13.3으로 점도는 10cps에서 108cps로 변화하므로 방사에 적당한 105-107cps일때 제4도의 섬유 제조장치를 이용하여 무기섬유를 제조한다.Thus after the formation of the sol is dried when the dryer to 80-90
제4도는 원심분리방법을 이용한 본 발명 섬유 제조장치의 개략적인 구성도이다.4 is a schematic configuration diagram of a textile manufacturing apparatus of the present invention using a centrifugal separation method.
본 발명의 장치는 몸체(1)와, 이 몸체의 상부에 설치된 가압장치(2)와, 그리고 상기 몸체의 내부에 축착된 실린더체(3) 및 상기 실린더체를 회전시켜주는 회전장치(4)와, 그리고 상기 실린더체를 가열시켜주는 가열기(5) 및 졸저장조(14)로 구성되어 있음을 알 수 있다.The apparatus of the present invention includes a body (1), a pressurizing device (2) installed on top of the body, a cylinder body (3) condensed inside the body and a rotating device (4) for rotating the cylinder body. And a
상기 몸체(1)는 내부가 공간부로 되어있다. 고리고 가압장치(2)는 외부의 압력수단(도시않됨)에 의하여 작동되어 졸저장조(14)중의 졸(6)이 일정한 속도로 후술하는 실린더체(3)에 떨어지도록 하였다.The body 1 has a space inside. The
실린더체(3)는 외주연에 일정한 간격으로 통공(7)들이 천공되어 있고, 회전축(11)에 축착되어 있으며 모터(9)와 감속기(10)의 동력에 의하여 회전축과 벨트(8)로 동력이 전달되도록 하였다.The cylinder body 3 is perforated with
그리고, 상기 실린더체(3)와 인접하여 가열기(5)를 설치하고, 이 가열기의 가열부(12)는 실린더체의 저부와 인접토록 구성하여서 일정한 온도로 가열시킬수 있도록 하였다.The
이와같은 본 발명의 장치는 몸체(1)의 내부에서 실린더체(3)과 회전장치(4)에 의하여 일정한 속도로 회전된다.Such a device of the present invention is rotated at a constant speed by the cylinder body 3 and the rotary device 4 inside the body 1.
위와같은 상태에서 가열기(5)에 의하여 실린더체가 일정한 온도로 가열유지되고, 외부의 압력수단에 의하여 가압장치(2)가 작동되어 졸조장조(14)중의 졸(6)이 일정한 속도로 실린더체(3)에 떨어진다In the above state, the cylinder body is heated and maintained at a constant temperature by the
상기 실린더체에 떨어진 졸(6)을 실린더체의 원심력에 의하여 실린더체에 형성된 통공(7)을 통하여 방사되어 단섬유(13)들이 연속적으로 제조된다.The sol 6 dropped to the cylinder body is spun through the through
[실시예 1]Example 1
3구 플라스크에 상온에서 이소-프로판올((CH3)2CHOH)를 4몰을 넣은 다음 알루미늄 2금-부톡사이드(Al(OC4H9)3) 1몰을 천천히 6-7분 동안에 걸쳐 떨어뜨리면 반투명의 용액이 된다. 여기에 교반기로 교반하면서 아세틸아세톤 0.5몰을 피펫을 통하여 떨어뜨리면 용액은 투명한 졸을 생성한다. 아세틸아세톤화 반응이 충분히 일어날수 있도록 2시간 이상 교반하고 그후 물을 1몰 첨가하였다. 물을 첨가하면 졸의 색깔이 엷어지나 투명한 졸의 상태가 그대로 유지된다. 충분한 가수분해를 위하여 1시간 동안 교반하고 그후 염산을 0.0015몰 첨가한후 이 용액을 다시 건조기에서 80℃로 건조하여 건조시간에 따른 PH와 점도를 측정한 바 각각 표 1 및 표 2와 같았다.4 mol of iso-propanol ((CH 3 ) 2 CHOH) was added to the three-necked flask at room temperature, and then 1 mol of aluminum di-butoxide (Al (OC 4 H 9 ) 3 ) was slowly dropped over 6-7 minutes. When dropped, it becomes a translucent solution. When 0.5 mol of acetylacetone was dropped through the pipette while stirring with a stirrer, the solution produced a transparent sol. The mixture was stirred for at least 2 hours so that the acetylacetonation reaction could sufficiently occur, and then 1 mol of water was added thereto. When water is added, the color of the sol becomes lighter, but the transparent sol remains intact. The mixture was stirred for 1 hour for sufficient hydrolysis, after which 0.0015 mol of hydrochloric acid was added, the solution was again dried at 80 ° C. in a drier, and the pH and viscosity were measured according to the drying time.
[표 1]TABLE 1
[표 2]TABLE 2
위의 졸을 건조시켜 1100℃ 이상으로 소성한 결과 전부 α-Al2O3로 전이하였음이 발견되었다.The above sol was dried and calcined at 1100 ° C. or higher to find that all of the sol was transferred to α-Al 2 O 3 .
[실험예]Experimental Example
아세틸아세톤 첨가량을 각가 1.5몰, 0.1몰로 변화시킨 이외는 실시예 1과 같이 설치하여 얻은 알루미나졸의 시간에 따른 점도 변화를 측정한바 제1도와 같았다.The viscosity change with time of the alumina sol obtained by installing in Example 1 except having changed the addition amount of acetylacetone into 1.5 mol and 0.1 mol was the same as FIG.
제1도에서 보는 바와같이 아세틸아세톤의 첨가량을 1.5몰, 0.1몰로 한 경우에는 건조시간 100시간 후에도 점도는 102cps를 넘지 못하나 실시예 1과 같이 0.5몰로 한 경우에는 100시간 이후의 점도가 108이상되어 방사성이 우수한 알루니마졸을 얻을수 있음을 알수 있었다.As shown in FIG. 1, when the amount of acetylacetone added was 1.5 mol or 0.1 mol, the viscosity did not exceed 10 2 cps even after 100 hours of drying time, but when 0.5 mol was used as in Example 1, the viscosity after 100 hours was 10 It was found that more than 8 it was possible to obtain aluminimazole having excellent radioactivity.
또한 본 발명 실시예 1의 방법으로 제조한 알루미나졸을 FT-IR로 분석한 결과는 제2도와 같았으며, 종래의 수용액에 의한 방법으로 제조한 알루미나졸을 FT-IR로 분석한 결과는 제3도와 같았는바 제2도와 제3도가 상이함으로 미루어 본 발명으로 제조한 알루미나졸은 종래방법으로 제조한 알루미나졸과 그 구조가 상이함을 알수 있다.In addition, the alumina sol prepared by the method of Example 1 of the present invention was analyzed by FT-IR as shown in FIG. 2, and the alumina sol prepared by the conventional aqueous solution by FT-IR was analyzed by the third result. The alumina sol prepared according to the present invention is different from the alumina sol prepared by the conventional method due to the fact that the second and the third degrees are different from each other.
상기 표 2에서 명백한 바와같이 본 발명으로 제조한 알루미나졸은 중합성 졸로서 별도의 첨가제를 첨가함이 없이 건조시간에 따라 점도를 조절할수 있어 고순도의 알루미나 섬유를 제조할수 있는 이외에 복합재료 및 코팅재료로 사용될 수 있다.As apparent from Table 2, the alumina sol prepared according to the present invention is a polymerizable sol, which can adjust the viscosity according to drying time without adding an additive, and thus can produce high purity alumina fibers. Can be used as
[실시예 2]Example 2
실시예 1에 의하여 합성한 알루미나졸을 80℃에서 97시간 건조하여 점도가 106cps가 되면 제4도의 졸저장조(14)에 넣은후 몸체(1) 내부의 실린더체(3)을 회전장치(4)에 의하여 3000RPM으로 회전시키고, 가열기(5)로 450℃로 가열하면서 가압장치를 작동시켜 졸저장조(14)중의 졸(6)을 실린더체(3)내로 5㎖/sec로 떨어뜨리면 실린더체에 떨어진 졸은 실린더체에 형성된 직경 495μ의 통공(7)을 통하여 방사되어 단섬유(13)가 제조된다.The alumina sol synthesized according to Example 1 was dried at 80 ° C. for 97 hours, and when the viscosity reached 10 6 cps, the alumina sol was placed in the
이와같이 제조한 단섬유를 열처리한바 제5도의 X-ray 회절분석에서 보는 바와같이 900℃ 이하에서는 무정형상태였고, 900℃에서 γ-Al2O3가 나타나기 시작하였고, 950℃에서 δ-Al2O3가 부분적으로 전이하였고, 1000℃에서 α-A12O3와 θ-Al2O3가 나타났으며 1050℃ 이상에서는 α-Al2O3가 주된 상으로 나타났다.As a result of heat-treating the short fibers thus prepared, as shown in X-ray diffraction analysis of FIG. 5, the amorphous fiber was amorphous below 900 ° C, γ-Al 2 O 3 began to appear at 900 ° C, and δ-Al 2 O at 950 ° C. Partially transitioned to 3 , α-A1 2 O 3 and θ-Al 2 O 3 appeared at 1000 ℃, α-Al 2 O 3 was the main phase above 1050 ℃.
또한 제조한 단섬유를 소성한바 제6도 전자현미경사진에서 보는 바와같이 섬유의 평균 입경은 약 70μm이고 섬유는 다결정 알루미나임을 확인할 수 있었다.In addition, when the prepared short fiber was fired, the average particle diameter of the fiber was about 70 μm and the fiber was polycrystalline alumina as shown in FIG.
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