KR20130051304A - Super hydrophobic silica aerogel powders - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초소수성 실리카 에어로겔 분말에 관한 것이다.
The present invention relates to superhydrophobic silica airgel powder.
에어로겔(aerogel)은 현재까지 알려진 고체 중에서 가장 높은 기공률을 갖는 고다공성 물질로서, 대표적인 무기 에어로겔인 실리카 에어로겔은 실리카 전구체 용액을 졸-겔 중합 반응시켜 겔을 만든 후, 초임계조건 혹은 상압조건 하에서 건조하여 공기가 가득차 있는 기공구조의 에어로겔을 얻는다. 따라서, 내부 공간의 대부분이 비어있는 독특한 기공구조로 인해 에어로겔이 관심을 끌고 있는 슈퍼 단열성, 저경량, 흡음성, 저유전율 등의 물성이 발현된다. Aerogel (aerogel) is a highly porous material having the highest porosity among the solids known to date, a representative inorganic aerogel, silica airgel is a gel sol-gel polymerization reaction of a silica precursor solution, and then dried under supercritical or atmospheric conditions To obtain an airgel with a pore structure filled with air. Therefore, due to the unique pore structure in which most of the inner space is empty, physical properties such as super insulation, low weight, sound absorption, and low dielectric constant that are attracting airgel are expressed.
에어로겔의 가장 큰 장점은 종래 스티로폼 등의 유기 단열재보다 낮은 0.300 W/m·K 이하의 열전도율을 보이는 슈퍼단열성(super-insulation)이다. 현재 한국산업규격(KS)에서 정해진 비드법 스티로폼 단열판의 열전도율은 최고등급인 1호 제품이 20℃에서 0.036W/m·K 이하이다. 실리카 에어로겔은 이보다 낮은 열전도율을 보이는 것으로 여러 기술문헌에서 보고되고 있으며, 무기질 성분의 난연성은 유기단열재의 치명적인 약점인 화재 취약성과 화재시 유해가스 발생을 해결할 수 있기 때문에 실리카 에어로겔과 같은 슈퍼단열성을 보이는 난연성 무기 단열재의 개발이 절실히 요구되고 있다.The biggest advantage of the airgel is super-insulation, which exhibits a thermal conductivity of 0.300 W / m · K or lower, which is lower than that of conventional thermal insulation materials such as styrofoam. At present, the thermal conductivity of the bead-based styrofoam insulation board specified by the Korean Industrial Standard (KS) is less than 0.036W / m · K at 20 ℃. Silica aerogels have been reported in various technical literatures with lower thermal conductivity, and the flame retardancy of the inorganic components is super flame retardant like silica aerogels because it can solve the fire fragility and the harmful gas generated in the fire, which are fatal weaknesses of organic insulating materials. There is an urgent need for the development of inorganic insulating materials.
에어로겔의 슈퍼단열성능은 매우 적은 2~5 wt% 함량의 고체(실리카) 열전도 효과와 공기에 의한 대류 열전달을 방지하는 메조기공 크기의 기공구조 형성에 기인하는 결과로 알려져 있다. 공기 기체분자의 평균자유행로가 65nm 이고 에어로겔의 평균기공크기는 이보다 작은 메조기공크기로 형성되어 있어서 기체분자의 열전달을 방해하게 된다. 메조기공(mesopores)이 가득차 있는 에어로겔의 기공구조는 매우 높은 다공성을 보여 거시적인 물성으로 매우 낮은 밀도를 보이게 된다. 지금까지 여러 문헌자료는 에어로겔의 기공구조와 저밀도 특성을 구현하기 위한 여러 제조방법을 보고하고 있으나, 아직 충분한 저유전율, 큰비표면적, 낮은 열전도율, 낮은 밀도 및 높은 기공율을 갖는 에어로겔은 보고되고 있지 아니하며, 이에 대한 연구가 절실한 실정이다.
The super insulation performance of aerogels is known to be due to the formation of mesoporous-sized pore structures that prevent the convective heat transfer by air and the solid (silica) heat transfer effect of very small 2 ~ 5 wt% content. The average free path of the air gas molecules is 65 nm and the average pore size of the airgel is formed to be smaller than that of the mesopore, which interferes with the heat transfer of the gas molecules. The pore structure of aerogels filled with mesopores shows very high porosity, resulting in very low density with macroscopic properties. Until now, many literatures have reported various manufacturing methods to realize pore structure and low density characteristics of airgel, but airgel with sufficient low dielectric constant, large specific surface area, low thermal conductivity, low density and high porosity has not been reported. The research on this is urgently needed.
본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 충분한 저유전율, 큰 비표면적, 낮은 열전도율, 낮은 밀도, 및 높은 기공율을 갖는 초소수성 실리카 에어로겔을 제공하는 데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a superhydrophobic silica airgel having sufficient low dielectric constant, large specific surface area, low thermal conductivity, low density, and high porosity.
본 발명은 평균 입경이 100 ~ 10,000㎚, 그 평균 기공 크기가 5 ~ 10㎚이며, 그 유전율이 1.1~1.5 인 초소수성 실리카 에어로겔 분말을 제공한다.The present invention provides a superhydrophobic silica airgel powder having an average particle diameter of 100 to 10,000 nm, an average pore size of 5 to 10 nm, and a dielectric constant of 1.1 to 1.5.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 비표면적은 900~1300m2/g이며, 열전도도는 0.01~0.03W/m·K 이며, 밀도는 0.02~0.04g/cm3이며, 기공율은 95 ~ 99.9%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The specific surface area of the superhydrophobic silica airgel powder is 900 ~ 1300m 2 / g, thermal conductivity is 0.01 ~ 0.03W / m · K, density is 0.02 ~ 0.04g / cm 3 , porosity can be 95 ~ 99.9% However, the present invention is not limited thereto.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말은, 이온 교환을 하지 않은 물유리 용액을 전구물질로 하고, 알칼리성 pH를 갖는 올가노실란 화합물의 전체 투입량 중 40~60중량%을 무기산과 함께 첨가한 후, 상기 올가노실란 화합물의 전체 투입량 중 나머지 40~60중량%를 첨가하여 표면 개질 및 겔화하여 하이드로겔을 생성하는 제 1단계; 상기 하이드로겔을 비극성 용매 내에 침지시켜 용매 교환 및 Na+ 이온을 제거하는 제 2단계; 및 상기 용매 교환된 하이드로겔을 상압 하에서 건조하는 제 3단계를 거쳐 제조될 수 있다. The superhydrophobic silica airgel powder is a precursor of water glass solution without ion exchange, and 40 to 60% by weight of the total amount of the organosilane compound having an alkaline pH is added together with the inorganic acid, and then the organosilane A first step of surface modification and gelation by adding the remaining 40-60 wt% of the total amount of the compound to generate a hydrogel; Dipping the hydrogel in a nonpolar solvent to remove solvent and Na + ions; And it can be prepared through a third step of drying the solvent-exchanged hydrogel under atmospheric pressure.
상기 물유리 용액은, 전제 물유리 용액 100 부피% 대비 1~30 부피%의 물유리와 70~99 부피%의 증류수로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The water glass solution may include 1 to 30% by volume of water glass and 70 to 99% by volume of distilled water, compared to 100% by volume of the total water glass solution, but is not limited thereto.
상기 올가노실란 화합물은 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane; HMDS)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The organosilane compound may be hexamethyldisilazane (HMDS), but is not limited thereto.
상기 무기산은 아세트산, 질산, 및 염산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The inorganic acid may be at least one selected from the group consisting of acetic acid, nitric acid, and hydrochloric acid, but is not limited thereto.
상기 용매 교환 및 Na+ 이온을 제거는 상온 이상 60℃ 미만의 조건에서 10 시간 이내에 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The solvent exchange and removal of Na + ions may be made within 10 hours at room temperature or more and less than 60 ℃, but is not limited thereto.
상기 비극성 용매는 헥산 또는 헵탄이거나 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The nonpolar solvent may be hexane or heptane or a mixture thereof, but is not limited thereto.
상기 건조는 80~110℃의 온도에서 20~80분간 교반하는 제 1 건조 단계; 140~160℃의 온도에서 30~50분간 교반하는 제 2 건조 단계; 및 건조기류를 발생시켜 건조하는 제 3 건조 단계를 포함하는 분리된 공정으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The drying is a first drying step of stirring for 20 to 80 minutes at a temperature of 80 ~ 110 ℃; A second drying step of stirring at a temperature of 140 to 160 ° C. for 30 to 50 minutes; And a third drying step of generating and drying a dryer, but is not limited thereto.
상기 비극성 용매는 상기 건조 과정 중에 증기의 응축에 의해 재수집될 수 있다. The nonpolar solvent may be recollected by condensation of steam during the drying process.
상기 제 2단계와 상기 제 3단계 사이에 상기 하이드로겔을 물로 수세하는 단계 또는 상기 제 2단계와 상기 제 3단계 사이에 상기 하이드로겔에 진공을 가해 수분을 제거하는 단계 또는 상기 제 2단계와 상기 제 3단계 사이에 상기 하이드로겔을 물로 수세한 다음 진공을 가해 수분을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 가능하다.
Washing the hydrogel with water between the second step and the third step or removing water by applying a vacuum to the hydrogel between the second step and the third step, or the second step and the It is possible to further include the step of removing the water by washing the hydrogel with water between the third step and then applying a vacuum.
본 발명에 따른 초소수성 실리카 에어로겔 분말은 충분한 저유전율, 큰 비표면적, 낮은 열전도율, 낮은 밀도, 및 높은 기공율로 인하여 경량의 단열체 또는 절연체를 제공할 수 있으며, 상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말을 이용한 경량의 단열체 또는 절연체가 기존에 사용되고 있던 스티로폼을 대체하여, 스티로폼이 가지고 있던 화재 취약성과 발화시 유해가스가 발생되는 문제를 해결할 수 있으며, 이는 산업적인 관점에서 매우 중요한 의미를 갖는다.
The superhydrophobic silica airgel powder according to the present invention can provide a lightweight insulator or insulator due to sufficient low dielectric constant, large specific surface area, low thermal conductivity, low density, and high porosity, and is lightweight using the superhydrophobic silica airgel powder. Insulator or insulator of Styrofoam can replace the existing Styrofoam, which can solve the problem of fire vulnerabilities and harmful gases generated during ignition, which is very important from an industrial point of view.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 실리카 에어로겔 분말에 대한 FT-IR의 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 실리카 에어로겔 분말에 대한 SEM의 이미지이다.1 is a flowchart illustrating a method of preparing a superhydrophobic silica airgel powder according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the analysis results of the FT-IR for the superhydrophobic silica airgel powder according to an embodiment of the present invention.
3 is an SEM image of a superhydrophobic silica airgel powder according to one embodiment of the present invention.
본 발명은 유전율이 1.1~1.5인 초소수성 실리카 에어로겔 분말을 제공한다.The present invention provides a superhydrophobic silica airgel powder having a dielectric constant of 1.1 to 1.5.
상기 유전율의 범위를 갖는 초소수성 실리카 에어로겔 분말로 인하여, 난연성 및 단열성이 매우 우수한 실리카 에어로겔을 절연체로서 사용할 수 있어 그 산업적 의미가 매우 크다. Due to the superhydrophobic silica airgel powder having the above dielectric constant range, silica airgel excellent in flame retardancy and heat insulation can be used as an insulator, and its industrial meaning is very large.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 비표면적은 900~1300m2/g의 범위로 이와 같은 범위에서 낮은 밀도 및 높은 기공도로 인하여 경량인 에어로겔 분말을 얻을 수 있다. The specific surface area of the superhydrophobic silica airgel powder is in the range of 900 ~ 1300m 2 / g to obtain a lightweight airgel powder due to low density and high porosity in this range.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 열전도도는 0.01~0.03W/m·K의 범위로 종래 기 보고된 실리카 에어로겔 분말의 열전도도에 비하여 현저히 낮으며, 이와 같은 범위의 열전도도를 갖는 초소수성 실리카 에어로겔 분말을 이용하여 난연성 및 절연성이 매우 우수한 경량의 단열체 제공이 가능하다.The thermal conductivity of the superhydrophobic silica airgel powder is significantly lower than that of the conventional silica airgel powder in the range of 0.01 to 0.03 W / m · K, and the superhydrophobic silica airgel powder having such thermal conductivity By using it is possible to provide a lightweight insulator excellent in flame retardancy and insulation.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 밀도는 0.02~0.04g/cm3의 범위로, 이 범위에서 초경량의 절연체 또는 단열체 등의 제품을 만드는 것이 가능하다. The density of the superhydrophobic silica airgel powder is in the range of 0.02 ~ 0.04g / cm 3 , it is possible to make products such as ultra-light insulators or heat insulators in this range.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 평균 입경은 100 ~ 10,000㎚의 범위이며, 평균 기공 크기는 5 ~ 10㎚의 범위인 것이 적당하며, 이 범위에서 유전율 및 열전도율이 충분히 낮은 초소수성 실리카 에어로겔 분말을 제공할 수 있다. The average particle diameter of the superhydrophobic silica airgel powder is in the range of 100 ~ 10,000nm, the average pore size is in the range of 5 ~ 10nm is appropriate, in this range to provide a superhydrophobic silica airgel powder with sufficiently low dielectric constant and thermal conductivity. Can be.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 기공율은 95 ~ 99.9%로 이 범위에서, 비표면적이 넓은 초소수성 실리카 에어로겔 분말을 제공할 수 있다.
The porosity of the superhydrophobic silica airgel powder is 95 to 99.9% in this range, it is possible to provide a superhydrophobic silica airgel powder having a large specific surface area.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 제조방법 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to Figure 1, a method for producing a superhydrophobic silica airgel powder according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 초소수성 실리카 에어로겔 분말은,Superhydrophobic silica airgel powder according to the present invention,
이온 교환을 하지 않은 물유리 용액을 전구물질로 하고, 알칼리성 pH를 갖는 올가노실란 화합물의 전체 투입량 중 40~60중량%을 무기산과 함께 첨가한 후, 상기 올가노실란 화합물의 전체 투입량 중 나머지 40~60중량%를 첨가하여 표면 개질 및 겔화하여 하이드로겔을 생성하는 제 1단계;A water glass solution without ion exchange is used as a precursor, and 40 to 60% by weight of the total amount of the organosilane compound having an alkaline pH is added together with the inorganic acid, followed by the remaining 40 to 30% of the total amount of the organosilane compound. Adding a 60% by weight to surface modification and gelation to produce a hydrogel;
상기 하이드로겔을 비극성 용매 내에 침지시켜 용매 교환 및 Na+ 이온을 제거하는 제 2단계; 및Dipping the hydrogel in a nonpolar solvent to remove solvent and Na + ions; And
상기 용매 교환된 하이드로겔을 상압 하에서 건조하는 제 3단계를 거쳐 제조된다.
The solvent exchanged hydrogel is prepared through a third step of drying under normal pressure.
본 발명은 초소수성 실리카 에어로겔 분말을 제조하는 제 1단계에서 물유리의 표면 개질 및 겔화를 위하여 첨가하는 올가노실란 화합물을 2번에 나누어 투입함에 특징이 있다. The present invention is characterized in that the first step in preparing the superhydrophobic silica airgel powder is divided into two times the organosilane compound added for the surface modification and gelation of water glass.
구체적으로 상기 제 1단계에서는 물유리를 규산(silicic acid)로 만들기 위한 무기산을 전량 투입하며, 동시에 올가노실란 화합물을 전체 투입량 중 일부를 투입한 후, 일정 시간 간격을 두고 나머지 올가노실란 화합물을 투입한다.Specifically, in the first step, the total amount of inorganic acid for making the water glass into silicic acid is added, and at the same time, a part of the total amount of the organosilane compound is added, and the remaining organosilane compound is added at regular intervals. do.
상기와 같이 올가노실란 화합물을 2번에 나누어 투입하는 경우, 초기 투입된 많은 양의 무기산과 물유리가 충분히 교반 되어 충분한 양의 규산이 생성된 뒤, 상기 규산이 올가노실란 화합물과 반응하여 표면 개질 및 겔화된 하이드로겔을 생성하게 되어, 상기 하이드로겔의 겔화 속도 및 겔화의 정도가 향상되는 효과가 있다.When the organosilane compound is added in two portions as described above, a large amount of inorganic acid and water glass initially introduced are sufficiently stirred to generate a sufficient amount of silicic acid, and the silicic acid reacts with the organosilane compound to modify the surface and To produce a gelled hydrogel, there is an effect that the gelation rate and degree of gelation of the hydrogel is improved.
일 례로 상기 제 1단계는 물유리 용액에 무기산 및 올가노실란 화합물을 1차 투입한 후, 약 120~500rpm의 속도로 약 5~10분간 교반한 후, 나머지 올가노실란 화합물을 2차 투입한 후, 약 70~90 rpm의 속도로 약 3분간 교반 하여 진행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
For example, in the first step, the inorganic acid and the organosilane compound are first added to the water glass solution, and then stirred for about 5 to 10 minutes at a speed of about 120 to 500 rpm, followed by the second addition of the remaining organosilane compound. , But may proceed by stirring for about 3 minutes at a speed of about 70 ~ 90 rpm, but is not limited thereto.
상기 물유리 용액은 이온 교환을 하지 않은 물유리 용액을 사용하는데, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 종래 물유리의 표면 개질 단계 이전에 행해지는 이온교환을 통해 나트륨 이온을 제거하지 않고, 물유리의 표면 개질 후인 제 2단계에서, 용매 교환을 통하여 하이드로겔로부터 나트륨 이온을 제거하도록 구성된다.The water glass solution uses a water glass solution that is not ion exchanged, as shown in FIG. 1, in the present invention, the surface modification of the water glass is removed without removing sodium ions through ion exchange performed before the surface modification step of the conventional water glass. In a second step, which is later, it is configured to remove sodium ions from the hydrogel through solvent exchange.
즉, 본 발명은 이온 교환하지 않은 물유리 용액에 무기산과 올가노실란(organosilane) 화합물을 첨가하고 코-프리커서(co-precursor)법을 이용하여 하이드로겔(hydrogels)을 제조한다. 이때 사용되는 올가노실란(organosilane) 화합물은 알칼리성 pH를 갖는 것으로 표면 개질 및 겔화 작용을 한다.That is, the present invention adds an inorganic acid and an organosilane compound to the water glass solution that is not ion-exchanged, and prepares hydrogels using a co-precursor method. The organosilane compound used at this time has an alkaline pH and performs surface modification and gelling.
상기 물유리 용액은, 전체 물유리 용액 100 부피% 대비 1~30 부피%의 물유리와 70~99 부피%의 증류수인 것이 적당하며, 바람직하게는 10~20 부피%의 물유리와 80~90 부피%의 증류수인 것이 적당하다. 상기 물유리 및 증류수의 함량이 상기 범위를 벗어난 경우 올가노실란 화합물로 표면 개질된 물유리의 겔화가 용이하지 않아 바람직하지 않다. The water glass solution is preferably 1 to 30% by volume of water glass and 70 to 99% by volume of distilled water relative to 100% by volume of the total water glass solution, preferably 10 to 20% by volume of water glass and 80 to 90% by volume of distilled water. It is suitable to be. If the content of the water glass and distilled water is out of the range it is not preferable because the gelation of the water glass surface-modified with the organosilane compound is not easy.
상기 알칼리성 pH를 갖는 올가노실란 화합물로는 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane; HMDS)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.As the organosilane compound having an alkaline pH, hexamethyldisilazane (HMDS) may be used, but is not limited thereto.
상기 무기산은 아세트산, 질산, 및 염산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The inorganic acid may be used one or more selected from the group consisting of acetic acid, nitric acid, and hydrochloric acid, but is not limited thereto.
상기 제 2단계에서는 하이드로겔의 망상조직에 존재하는 간극수(pore water)를 물과 혼합되지 않는 비극성 용매로 교환하며, 이때 하이드로겔에 포함되어 있는 Na+이온은 물과 친화력이 더 우수하므로 간극수를 따라 하이드로겔로부터 제거가 이루어진다.In the second step, the pore water present in the reticular tissue of the hydrogel is exchanged with a nonpolar solvent which is not mixed with water. In this case, Na + ions contained in the hydrogel have a better affinity with water, thus making the pore water easier. Accordingly the removal is made from the hydrogel.
구체적으로, 상기 제 2단계에서 비극성 용매 내에 하이드로겔을 침지시킨다. 그러면, 상기 하이드로겔의 망상조직으로부터 물이 배출되고, 비극성 용매가 간극(pores) 속으로 침투함으로써, 용매교환(solvent exchange)과 나트륨 이온의 제거가 한 번의 공정으로 완료된다.Specifically, the hydrogel is immersed in the nonpolar solvent in the second step. Then, water is discharged from the network of the hydrogel, and a nonpolar solvent penetrates into pores, so that solvent exchange and removal of sodium ions are completed in one step.
상기 비극성 용매로는 n-헥산(n-hexane) 또는 헵탄을 사용하거나, 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. As the nonpolar solvent, n-hexane (n-hexane) or heptane may be used, or a mixture thereof may be used, but is not limited thereto.
이러한 용매 교환 및 나트륨 이온의 제거는 상온 이상의 60℃ 미만 조건에서 10시간 이내에 행한다. 만일, 상온에서는 10시간 이상이 소요되면, 비극성 용매로 사용되는 휘발성이 강한 헥산 등이 장시간 방치되어 간극수를 치환할 비극성 용매가 증발되거나, 매우 많은 양의 비극성 용매를 사용하여야 하므로, 용매 치환이 용이하지 않고, 60℃ 이상에서 용매 교환 및 나트륨 이온의 제거가 이루어진다면, 비극성 용매로 주로 사용되는 헥산의 끓는점이 69℃이므로, 비극성 용매가 용매 치환에 참여하지 아니하고, 끓기 때문에 바람직하지 않다. 바람직하기로는, 휘발성이 강하며, 낮은 끓는점을 갖는 비극성 용매의 성질을 고려해 40℃ 조건에서 3시간 이내에 행하는 것이 적당하다.Such solvent exchange and removal of sodium ions are carried out within 10 hours under conditions of less than 60 ° C above room temperature. If 10 hours or more is required at room temperature, volatile solvents such as hexane, which are used as nonpolar solvents, are left for a long time, and the nonpolar solvent to replace the pore water must be evaporated, or a very large amount of nonpolar solvent must be used. If the solvent exchange and the sodium ions are removed at 60 ° C. or higher, the boiling point of hexane, which is mainly used as the non-polar solvent, is 69 ° C., so that the non-polar solvent does not participate in the solvent substitution and is not preferable. Preferably, it is suitable to carry out within 3 hours at 40 ° C. in consideration of the properties of a nonvolatile solvent having high volatility and low boiling point.
본 발명에서는 상기 제 2단계 후에 하이드로겔을 물로 수세하는 과정을 더 수행함으로써, 하이드로겔에 일부 존재할 수 있는 나트륨 이온을 더욱 확실하게 제거할 수도 있다. In the present invention, by further performing a process of washing the hydrogel with water after the second step, it is possible to more reliably remove some sodium ions that may be present in the hydrogel.
또한, 상기 제 2단계 후에 하이드로겔에 진공을 가해 수분을 제거하거나, 하이드로겔을 물로 수세한 다음 진공을 가해 수분을 제거할 수도 있다. 즉, 후술할 건조 과정을 수행하기 전에 미리 진공을 가해 수분을 제거함으로써 하이드로겔을 보다 용이하게 건조할 수 있고, 부수적으로는 일부 헥산도 제거하는 효과가 있다.In addition, after the second step, the hydrogel may be subjected to a vacuum to remove moisture, or the hydrogel may be washed with water and then vacuumed to remove the moisture. That is, the hydrogel can be dried more easily by applying vacuum in advance before performing the drying process to be described later, and additionally, there is an effect of removing some hexane.
제 3단계에서는 비극성 용매로 간극이 치환된 하이드로겔을 건조시켜 초소수성 실리카 에어로겔 분말을 제조하는 단계로, 상기 건조는 80~110℃의 온도에서 20~80분간 교반하는 제 1 건조 단계; 140~160℃의 온도에서 30~50분간 교반하는 제 2 건조 단계; 및 건조기류를 발생시켜 건조하는 제 3 건조 단계를 포함하는 분리된 공정으로 이루어지는 것이 적당하며, 상기 건조가 이와 같이 진행되는 경우 건조 효율을 향상시킬 수 있고, 실리카 에어로겔 분말의 밀도를 낮출 수 있어 바람직하다. In the third step to dry the hydrogel with a gap substituted with a non-polar solvent to prepare a superhydrophobic silica airgel powder, the drying is a first drying step of stirring for 20 to 80 minutes at a temperature of 80 ~ 110 ℃; A second drying step of stirring at a temperature of 140 to 160 ° C. for 30 to 50 minutes; And a third drying step of drying and generating a dryer, and when the drying is performed in this way, the drying efficiency may be improved, and the density of the silica airgel powder may be lowered. Do.
상기 제 1 건조 단계는 비극성 용매로 간극이 치환된 하이드로겔에 잔류하고 있는 잔류 용매의 제거 및 용매 교환시 형성된 기공의 공간을 확보하기 위한 것이다. The first drying step is to secure the space of the pores formed during the removal and solvent exchange of the residual solvent remaining in the hydrogel in which the gap is replaced with a non-polar solvent.
상기 제 2 건조 단계는 상기 제 1 건조 단계 후에 남아 있는 물 또는 남아 있는 모든 유기물(유기 용매 등)을 제거하기 위한 것이다. The second drying step is for removing water remaining after the first drying step or any organic matter (such as organic solvent) remaining.
본 발명은 상기 제 1 건조 단계 및 제 2 건조 단계를 통하여 기존의 170~200℃ 이상의 높은 온도에서 장시간 건조하던 건조 공정을 지양하고, 건조 온도 및 건조 시간을 줄여 에너지 절감을 통한 경제성 및 실리카 에어로겔 분말의 생산성을 증진시켰다.The present invention avoids the drying process for a long time at a high temperature of 170 ~ 200 ℃ or more through the first drying step and the second drying step, and economic efficiency and energy saving silica airgel powder by reducing the drying temperature and drying time Increased productivity.
상기 제 1 건조 단계 및 제 2 건조 단계 후에는 건조기류를 발생시켜 건조하는 제 3 건조 단계를 진행하며, 상기 제 3 건조 단계는 반응로의 하부에서 제트기류를 발생시켜 진행될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
After the first drying step and the second drying step proceeds to the third drying step of generating and drying the dryer, the third drying step may be performed by generating a jet stream at the bottom of the reactor, but is not limited thereto. no.
본 발명에서는 상기 제 3 건조 단계 후에 당 업계에서 통상적으로 사용하는 안정화 공정을 더 추가할 수 있다. In the present invention, after the third drying step, a stabilization process commonly used in the art may be further added.
또한, 상기 건조 과정 중에 증발된 비극성 용매 증기를 응축에 의해 재수집하여, 비극성 용매를 재사용할 수도 있다.
In addition, the nonpolar solvent vapor evaporated during the drying process may be recollected by condensation to reuse the nonpolar solvent.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 인하여 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited by the following Examples.
실시예Example
이온교환 과정을 거치지 않은 물유리 75㎖와 증류수 425㎖를 혼합한 물유리 용액을 일정한 교반 조건하에서 30㎖의 헥사메틸디실라잔과 44㎖의 질산을 첨가하여 250~450 rpm에서 5~10분간 교반하여 물유리의 일부를 표면 개질 시킨 후, 다시 헥사메틸디실라잔 30㎖를 추가로 첨가하여 완전히 표면 개질된 하이드로겔을 형성한다.A water glass solution containing 75 ml of water glass and 425 ml of distilled water, which had not been subjected to the ion exchange process, was added to 30 ml of hexamethyldisilazane and 44 ml of nitric acid under constant stirring conditions, and stirred at 250 to 450 rpm for 5 to 10 minutes. After surface modification of a portion of the water glass, an additional 30 ml of hexamethyldisilazane is added again to form a completely surface modified hydrogel.
그 후 얻어진 하이드로겔의 용매 교환 및 나트륨 이온의 제거를 위해, n-헥산(600ml) 내에 상기 하이드로겔을 침지시킨 후, 40℃의 온도에서 3~5시간 동안 방치한다. Thereafter, for solvent exchange of the obtained hydrogel and removal of sodium ions, the hydrogel is immersed in n-hexane (600 ml), and then left at a temperature of 40 ° C. for 3 to 5 hours.
그 후 건조공정은 1차 건조로에서 100℃의 온도로 1시간 동안 교반 하고, 2차 건조로에서 150℃의 온도로 40분간 교반 하여 건조시킨다. 끝으로 반응로의 하부에서 제트기류를 발생시켜 3차 건조를 시킨다.Thereafter, the drying process is stirred for 1 hour at a temperature of 100 ℃ in the primary drying furnace, and dried for 40 minutes at a temperature of 150 ℃ in the secondary drying furnace. Finally, jet streams are generated at the bottom of the reactor for tertiary drying.
이러한 과정을 통하여 초소수성 실리카 에어로겔 분말 68.3g을 얻었다.
Through this process, 68.3 g of superhydrophobic silica airgel powder was obtained.
실험예Experimental Example
1. FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 분석1.Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) Analysis
상기와 같은 방법으로 제조된 하이드로겔의 코프리커서(co-precursor)법에 의한 표면 개질을 확인하기 위해 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 분석을 실시하였다. 도 2는 상기 실시예에 따른 초소수성 실리카 에어로겔 분말에 대한 FT-IR의 분석 결과를 나타낸 그래프로서, 도 2에 나타난 바와 같이 Si-CH3 피크(Peak)가 존재하였고, 이로 인해 코프리커서(co-precursor)법에 의한 표면 개질을 확인할 수 있었다.
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) analysis was performed to confirm the surface modification by the co-precursor method of the hydrogel prepared as described above. Figure 2 is a graph showing the analysis results of the FT-IR for the superhydrophobic silica airgel powder according to the embodiment, as shown in Figure 2, the Si-CH 3 peak (Peak), which is due to the coprecursor ( Surface modification by co-precursor) method was confirmed.
2. 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 평가2. Evaluation of Superhydrophobic Silica Airgel Powder
(1) 유전율(1) permittivity
상기실시예에 따라서 제조된 초소수성 실리카 에어로겔분말의 유전율을 측정하기 위하여 구리기판을 모노리스형태로 만들어 하부전극으로 사용하고 에어로겔 모노리스 상부에 Ag 전극을 스퍼터하여 M-I-M구조를 형성하였다. 그리고 HP 4155 Semiconductor Parameter Analyzer를 사용하여 유전율을 측정하였다. 측정결과는 표 1에 나타내었다.In order to measure the dielectric constant of the superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above embodiment, a copper substrate was formed in a monolithic form, and used as a lower electrode, and an Ag electrode was sputtered on the airgel monolith to form an M-I-M structure. The dielectric constant was measured using an HP 4155 Semiconductor Parameter Analyzer. The measurement results are shown in Table 1.
(2) 비표면적(2) specific surface area
상기 실시예에 따라 제조된 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 비표면적을 BET분석법에 의하여 측정하였다. 측정결과는 표 1에 나타내었다. The specific surface area of the superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above example was measured by BET analysis. The measurement results are shown in Table 1.
(3) 열전도도(3) thermal conductivity
상기 실시예에 따라 제조된 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 열전도도를 KSL1016에 의하여 측정하였다. 측정결과는 표 1에 나타내었다.The thermal conductivity of the superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above example was measured by KSL1016. The measurement results are shown in Table 1.
(4) 밀도(4) density
상기 실시예에 따라 제조된 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 밀도를 KSL1621에 의하여 측정하였다. 측정결과는 표 1에 나타내었다.The density of the superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above example was measured by KSL1621. The measurement results are shown in Table 1.
(5) 평균 입경(5) average particle diameter
상기 실시예에 따라 제조된 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 평균 입경을 입도 분석에 의하여 측정하였다. 측정결과는 표 1에 나타내었다.The average particle diameter of the superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above example was measured by particle size analysis. The measurement results are shown in Table 1.
(6) 평균 기공 크기(6) average pore size
상기 실시예에 따라 제조된 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 평균 기공 크기를 BET 분석법에 의하여 측정하였다. 측정결과는 표 1에 나타내었다.The average pore size of the superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above example was measured by BET analysis. The measurement results are shown in Table 1.
(7) 기공율(7) porosity
상기 실시예에 따라 제조된 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 밀도가 0.022g/mL의 저밀도이고, 비결정질 실리카의 이론밀도가 2.2g/mL이므로, 상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 기공율을 계산할 수 있으며, 이를 표 1에 나타내었다.
Since the density of the superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above example is 0.022 g / mL and the theoretical density of amorphous silica is 2.2 g / mL, the porosity of the superhydrophobic silica airgel powder can be calculated, and the table 1 is shown.
3. SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석3. SEM (Scanning Electron Microscopy) Analysis
상기 실시예에 따라 제조된 초소수성 실리카 에어로겔 분말은 SEM(Scanning Electron Microscopy)을 통해 에어로겔의 나노 다공질 구조를 확인하였다. 도 3은 상기 실시예에 따라 제조된 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 SEM의 이미지이다.
The superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above example confirmed the nanoporous structure of the airgel through SEM (Scanning Electron Microscopy). 3 is an SEM image of a superhydrophobic silica airgel powder prepared according to the above embodiment.
이상에서 본 발명의 초소수성 실리카 에어로겔 분말에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.Although the technical details of the superhydrophobic silica airgel powder of the present invention have been described together with the accompanying drawings, this is illustrative of the best embodiment of the present invention and is not intended to limit the present invention.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations within the scope of the appended claims without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명은 에너지 분야, 환경 분야, 전기/전자 분야 및 기타 분야에 다양하게 이용할 수 있다. 즉, 에너지 분야에서는 투명/반투명 절연체, 폴리우레탄 대체품, 건축 내외장재로 사용이 가능하고, 환경 분야에서는 기/액 분리용 필터, VOC/NOx 제거용 촉매 장치에 적용이 가능하며, 전기/전자 분야에서는 반도체용 층간 절연막, 극초단파 회로 소재로 사용이 가능하고, 기타 분야에서는 흡음 페인트, 흡음 패널, 기타 흡음 소재 및 냉광 원료로 사용이 가능하다.The present invention can be variously used in the energy field, the environment field, the electric / electronic field, and other fields. In other words, it can be used as transparent / translucent insulator, polyurethane substitute, building interior and exterior materials in the energy field, and can be applied to gas / liquid separation filter and catalyst device for VOC / NOx removal in the environmental field. It can be used as an interlayer insulating film for semiconductors, microwave circuit materials, and in other fields, it can be used as sound absorbing paints, sound absorbing panels, other sound absorbing materials, and cold light raw materials.
Claims (16)
A superhydrophobic silica airgel powder having an average particle diameter of 100 to 10,000 nm and an average pore size of 5 to 10 nm, and having a dielectric constant of 1.1 to 1.5.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 비표면적은 900~1300m2/g인 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method of claim 1,
The specific surface area of the superhydrophobic silica airgel powder is a super hydrophobic silica airgel powder, characterized in that 900 ~ 1300m 2 / g.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 열전도도는 0.01~0.03W/m·K 인 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method of claim 1,
The superhydrophobic silica airgel powder has a thermal conductivity of 0.01 to 0.03 W / m · K.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 밀도는 0.02~0.04g/cm3인 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method of claim 1,
The superhydrophobic silica airgel powder has a density of 0.02 to 0.04 g / cm 3 , the superhydrophobic silica airgel powder.
상기 초소수성 실리카 에어로겔 분말의 기공율은 95 ~ 99.9%인 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method of claim 1,
The superhydrophobic silica airgel powder has a porosity of 95 to 99.9%, the superhydrophobic silica airgel powder.
이온 교환을 하지 않은 물유리 용액을 전구물질로 하고, 알칼리성 pH를 갖는 올가노실란 화합물의 전체 투입량 중 40~60중량%을 무기산과 함께 첨가한 후, 상기 올가노실란 화합물의 전체 투입량 중 나머지 40~60중량%를 첨가하여 표면 개질 및 겔화하여 하이드로겔을 생성하는 제 1단계;
상기 하이드로겔을 비극성 용매 내에 침지시켜 용매 교환 및 Na+ 이온을 제거하는 제 2단계; 및
상기 용매 교환된 하이드로겔을 상압 하에서 건조하는 제 3단계를 거쳐 제조된 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method of claim 1, wherein the superhydrophobic silica airgel powder,
A water glass solution without ion exchange is used as a precursor, and 40 to 60% by weight of the total amount of the organosilane compound having an alkaline pH is added together with the inorganic acid, followed by the remaining 40 to 30% of the total amount of the organosilane compound. Adding a 60% by weight to surface modification and gelation to produce a hydrogel;
Dipping the hydrogel in a nonpolar solvent to remove solvent and Na + ions; And
Superhydrophobic silica airgel powder, characterized in that prepared by the third step of drying the solvent-exchanged hydrogel under normal pressure.
상기 물유리 용액은, 전제 물유리 용액 100 부피% 대비 1~30 부피%의 물유리와 70~99 부피%의 증류수인 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
The water glass solution is superhydrophobic silica airgel powder, characterized in that 1 to 30% by volume of water glass and 70 to 99% by volume of distilled water compared to 100% by volume of the total water glass solution.
상기 올가노실란 화합물은 헥사메틸디실라잔(hexamethyldisilazane; HMDS)인 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
The organosilane compound is hexamethyldisilazane (hexamethyldisilazane; HMDS), characterized in that the superhydrophobic silica airgel powder.
상기 무기산은 아세트산, 질산, 및 염산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
The inorganic acid is superhydrophobic silica airgel powder, characterized in that at least one selected from the group consisting of acetic acid, nitric acid, and hydrochloric acid.
상기 용매 교환 및 Na+ 이온을 제거는 상온 이상 60℃ 미만의 조건에서 10 시간 이내에 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
The solvent exchange and the removal of Na + ions is superhydrophobic silica airgel powder, characterized in that made in 10 hours or more under a condition of less than 60 ℃.
상기 비극성 용매는 헥산 또는 헵탄이거나 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
The non-polar solvent is superhydrophobic silica airgel powder, characterized in that hexane or heptane or a mixture thereof.
80~110℃의 온도에서 20~80분간 교반하는 제 1 건조 단계;
140~160℃의 온도에서 30~50분간 교반하는 제 2 건조 단계; 및
건조기류를 발생시켜 건조하는 제 3 건조 단계를 포함하는 분리된 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method of claim 6, wherein the drying
A first drying step of stirring at a temperature of 80 to 110 ° C. for 20 to 80 minutes;
A second drying step of stirring at a temperature of 140 to 160 ° C. for 30 to 50 minutes; And
A superhydrophobic silica airgel powder, comprising a separate process comprising a third drying step of generating and drying a dryer.
상기 비극성 용매는 상기 건조 과정 중에 증기의 응축에 의해 재수집되는 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
Wherein said nonpolar solvent is recollected by condensation of steam during said drying process.
상기 제 2단계와 상기 제 3단계 사이에 상기 하이드로겔을 물로 수세하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
The superhydrophobic silica airgel powder, further comprising the step of washing the hydrogel with water between the second step and the third step.
상기 제 2단계와 상기 제 3단계 사이에 상기 하이드로겔에 진공을 가해 수분을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
The hydrophobic silica airgel powder of claim 2, further comprising the step of removing moisture by applying a vacuum to the hydrogel between the second step and the third step.
상기 제 2단계와 상기 제 3단계 사이에 상기 하이드로겔을 물로 수세한 다음 진공을 가해 수분을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 실리카 에어로겔 분말.
The method according to claim 6,
The hydrophobic silica airgel powder further comprises the step of washing the hydrogel with water between the second step and the third step and then applying a vacuum to remove water.
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