본 연구에서는 yellow silicomolybdate method를 이용하여 규산나트륨 수용액의 특성, 핵 생성에 필요한 규산나트륨 수용액의 산화반응 특성 그리고 출발용액의 솔젤 반응특성을 기초로 하여 실리카 솔 형성에 대한 반응속도론적 고찰을 하였다. $SiO_2$를 2wt% 함유한 규산나트륨 수용액은 황산으로 산화시키기에 적당하였으며, 규산나트륨 수용액중의 나트륨 이온을 제거한 후, 안정된 실리 케이트 수용액을 얻기 위한 용액의 pH는 9 이상이었다. 규산종과 실리카 핵 표면 사이의 축중합 반응에 관한 속도론적 연구는 반응온도 $20{\sim}80^{\circ}C$, 수용액의 pH 10에서 수행하였다. 반응은 두 영역으로 구분되는데, 규산종의 농도가 높은 영역에서는 축중합 반응에 의해 제한을 받으며, 낮은 농도 영역에서는 화학흡착된 규산종이 실리카로 응축되는 공정에 영향을 미친다. 전체 축중합 반응은 규산종 농도의 1차 반응으로 진행되며, 축중합 반응은 무정형 실리카의 용해도에 접근하기 보다는 가평형점($C_x$) 향하여 진행된다. 본 연구조건에서 무정형 실리카의 용해열은 3.34 kcal/mol이었고 축중합 반응의 활성화에너지는 3.16 kcal/mol이었다.
본 연구에서는 yellow silicomolybdate method를 이용하여 규산나트륨 수용액의 특성, 핵 생성에 필요한 규산나트륨 수용액의 산화반응 특성 그리고 출발용액의 솔젤 반응특성을 기초로 하여 실리카 솔 형성에 대한 반응속도론적 고찰을 하였다. $SiO_2$를 2wt% 함유한 규산나트륨 수용액은 황산으로 산화시키기에 적당하였으며, 규산나트륨 수용액중의 나트륨 이온을 제거한 후, 안정된 실리 케이트 수용액을 얻기 위한 용액의 pH는 9 이상이었다. 규산종과 실리카 핵 표면 사이의 축중합 반응에 관한 속도론적 연구는 반응온도 $20{\sim}80^{\circ}C$, 수용액의 pH 10에서 수행하였다. 반응은 두 영역으로 구분되는데, 규산종의 농도가 높은 영역에서는 축중합 반응에 의해 제한을 받으며, 낮은 농도 영역에서는 화학흡착된 규산종이 실리카로 응축되는 공정에 영향을 미친다. 전체 축중합 반응은 규산종 농도의 1차 반응으로 진행되며, 축중합 반응은 무정형 실리카의 용해도에 접근하기 보다는 가평형점($C_x$) 향하여 진행된다. 본 연구조건에서 무정형 실리카의 용해열은 3.34 kcal/mol이었고 축중합 반응의 활성화에너지는 3.16 kcal/mol이었다.
The properties of sodium silicate solution were surveyed by using the yellow silicomolybdic method, and the formation of silica sol from sodium silicate solution and the growth of silica sol were investigated in this study. The $SiO_2$ content of 2 wt% in sodium silicate solution was prop...
The properties of sodium silicate solution were surveyed by using the yellow silicomolybdic method, and the formation of silica sol from sodium silicate solution and the growth of silica sol were investigated in this study. The $SiO_2$ content of 2 wt% in sodium silicate solution was proper to oxidize sodium silicate with sulfuric acid. After the removal of sodium ions in sodium silicate solution, the pH of silicate solution had to be controlled above 9 for the stabilization of silicate solution. The condensation between silicic acid species and silica nuclei surfaces has been studied at $20{\sim}80^{\circ}C$ and pH 10 in silicate solutions with silica nuclei. The reaction falls into two kinetics regimes, limited at high silicic acid species concentration by polymerization, but at lower concentration by a process whereby deposited silicic acid species condenses further to silica. The overall condensation is first-order in silicic acid species concentration, proceeded toward to pseudo equilibrium concentration, $C_x$, rather than the solubility of amorphous silica. The heat of solution of amorphous silica was 3.34 kcal/mol and exhibits an Arrhenius temperature dependence with an apparent activation energy of 3.16 kcal/mol in the range of $20{\sim}80^{\circ}C$.
The properties of sodium silicate solution were surveyed by using the yellow silicomolybdic method, and the formation of silica sol from sodium silicate solution and the growth of silica sol were investigated in this study. The $SiO_2$ content of 2 wt% in sodium silicate solution was proper to oxidize sodium silicate with sulfuric acid. After the removal of sodium ions in sodium silicate solution, the pH of silicate solution had to be controlled above 9 for the stabilization of silicate solution. The condensation between silicic acid species and silica nuclei surfaces has been studied at $20{\sim}80^{\circ}C$ and pH 10 in silicate solutions with silica nuclei. The reaction falls into two kinetics regimes, limited at high silicic acid species concentration by polymerization, but at lower concentration by a process whereby deposited silicic acid species condenses further to silica. The overall condensation is first-order in silicic acid species concentration, proceeded toward to pseudo equilibrium concentration, $C_x$, rather than the solubility of amorphous silica. The heat of solution of amorphous silica was 3.34 kcal/mol and exhibits an Arrhenius temperature dependence with an apparent activation energy of 3.16 kcal/mol in the range of $20{\sim}80^{\circ}C$.
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문제 정의
Yellow silicomolybdic acid가 생성되는 규산 단량체와 몰리브딕산의 반응은 콜로이드 실리카와 용해 반응상태를 조사하는데 아주 유용하게 이용되므로 본 연구에서는 Her에 의하여 제안된, yellow silicomolybdate method를 이용하여 실리케이트 수용액 중의 규산 종을 측정하여 실리카 솔의 형성과 반응특성을 알아보았다.
그러므로 본 연구에서는 저온 공정의 특성에 기인하여 물질 합성에 많은 장점을 가지고 있는 솔-젤 공정을 이용하여 규산나트륨 수용액으로부터 산업적으로 이용 가치가 높은 실리카 솔을 제조함에 있어, yellow silicomolybdate method를 이용하여 규산나트륨 수용액의 특성, 핵 생성에 필요한 규산나트륨 수용액의 산화 반응 특성, 그리고 출발용액의 솔-젤 반응을 기초로 하여 실리카 솔 형성에 대한 반응 속도론적 고찰을 검토하였다.
본 연구에서는 저온 공정의 특성에 기인하여 물질 합성에 많은 장점을 가지고 있는 솔-젤 공정을 이용하여 저가인 규산나트륨 수용액으로부터 산업적으로 이용가치가 높은 실리카 솔을 제조함에 있어서, yellow silicomolybdate method를 이용하여 규산나트륨 수용액의 특성과 핵 생성에 필요한 규산나트륨 수용액의 산화반응 특성 그리고 출발용액의 솔젤 반응을 기초로 하여 실리카 솔 형성에 대한 반응속도론적 고찰을 하고자 하였다.
제안 방법
2);">농도가 2000 Mg이 넘지 않도록 10 ml이내의 시료를 반응용액 총량이 50ml가 되도록 조절하여 첨가한 후, UV-Vis spectrophotometers. 410nm 파장에서의 흡광도를 측정하였다.
그러므로 규산종의 농도와 반응시간 사이의 미분치, 에 의하여 순간 반응속도를 알아보았다. Fig.
상당한 시간이 흘러야 한다. 그러므로 본 연구에서는 규산나트륨 수용액에 황산을 첨가함으로서 산화 반응에 의하여 실리카 핵을 형성시키는 공정을 도입하였다
'* 따라서 몰리브딕산과 느리게 반응하는 실리카 중합체로부터 빠르게 반응하는 단량체를 구별하는 것이 가능하다. 그러므로 본 연구에서는 반응성 실리케이트의 축중합 반응에 관한 반응속도론과 실리카입자의 성장과정을 고찰하기 위하여, 축중합 반응시간에 따라 시료를 채취하여 몰리브딕산과 반응시키면서, UV-Visible Spectrophotometer를 이용하여 흡광도 변화를 측정하였다.
그러므로 본 연구에서는 출발물질인 실리카 함량 2wt% 인 규산나트륨 수용액, 규산 단량체로만 구성되어 있는 TEOS[Si(OC2H5)4] 그리고 콜로이드 실리카 상용제품인 Ludox TM과 HS를 몰리브딕산과 반응시킬 때, 반응시간에 따른 410 nm 파장에서의 흡광도 변화를 비교하였다.
이때 규산나트륨 수용액의 SiO2 함량에 따라 실리카 핵이 함유된 수용액 또는 실리카 젤이 형성된다. 그러므로 탈이온수를 사용, 규산나트륨 수용액을 희석하여 용액 내 실리카 함량을 2-6 wt%가 되도록 조절한 후, 황산을 사용하여 희석된 규산나트륨 수용액의 pH를 9.5 로 조절하였다.
실리카 핵이 솔로 성장한다. 따라서 반응시간에 따른 규산종들의 농도를 측정하여 반응속도론적 고찰을 수행하였다.
본 연구에서는 솔-젤 반응이 진행되는 동안, 규산종 [Si(OH)4 단량체 또는 중합체]들이 황산 산화반응을 통하여 생성된 실리카 핵 표면으로 이동/축중합 반응에 의하여 실리카 핵이 솔로 성장한다. 따라서 반응시간에 따른 규산종들의 농도를 측정하여 반응속도론적 고찰을 수행하였다.
시험 방법은 혼합한 시약(C) 용액 40 ml에 Si의 농도가 2000 Mg이 넘지 않도록 10 ml이내의 시료를 반응용액 총량이 50ml가 되도록 조절하여 첨가한 후, UV-Vis spectrophotometers. 410nm 파장에서의 흡광도를 측정하였다.
음전하는 단량체 첨가에 의해 입자를 더욱 성장시키는 과정에서 촉매로 작용한다. 이렇게 황산에 의한 산화반응 후, 핵이 생성된 수용액에서 나트륨을 제거하기 위하여 이온교환 공정을 적용하였다. 이온교환은 회분식(batch) 방법을 사용하여 pH 2~3에서 시행되었다.
즉, 희석한 규산나트륨 수용액과 적정량의 양이온교환수지 (H+형)를 혼합하여 10분 동안 교반한 후 여과하였다. 이와 같이 황산산화반응에 의해 실리카 핵을 함유한, 나트륨 이온이 제거된 실리케이트 수용액과 산화 반응하지 않은 실리케이트 수용액에 각각 암모니아수를 첨가하여 pH 10 이상으로 조절한 후, 혼합하여 솔 젤 반응을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
따라서 용액 중의 SiO2 함량이 2wt% 이하가 되도록 규산나트륨 수용액을 탈이온수에 희석해야 했다. 그러므로 본 연구에서는 실리카 함량이 2wt%인 규산나트륨 수용액을 실리카 솔 제조 원료로 사용하였다.
이론/모형
Yellow silicomolybdate method를 이용한 실험용액 중 규산종의 농도 측정은 UV-Visible Spectrophotometer (Specord S100, Annalytik Jena AG)를 사용하였다.
몰리브딕산 용액은 Iler의 제조방법에 의하여 제조하였다."
성능/효과
솔"젤법, 분무열분해법 등이 많이 쓰인다.3- 솔젤법의 가장 큰 장점은 다른 방법들에 비해 저온 합성이 가능할 뿐만 아니라 나노 크기의 미립자 합성이 용이하고, 균질성을 향상시키며, 새로운 조성의 재료 합성이 쉽고, 생산 효율의 향상 등을 들 수 있다. 실리카 솔이란 일반적으로 입자 크기가 10-20 nm 정도인 실리카 입자들이 수용액에서 콜로이드 상태를 유지하는 용액으로서, 단위무게 당의 높은 비표면적과 신기능성으로 인하여 고온 및 고강도 내화물질의 제조, 코팅, 촉매 그리고 전자분야를 포함하는 다수의 산업용 연마재, 특히 웨이퍼 연마재 등으로 활용되고 있다.
만일 실리케이트 수용액에 규산 단량체만 존재한다면, 410 nm에서의 흡광도 세기는 반응시간에 따라 일정해야 한다. 그러나 흡광도 세기가 증가하는 것으로 보아 나트륨 이온이 제거된 실리케이트 수용액에는 규산 단량체 이외에 규산 중합체도 존재하는 것을 알 수 있으며, 이들이 용해되어 규산 단량체로 되어 몰리브딕산과 반응함으로서 흡광도 세기가 증가하는 것을 알 수 있다.
이것은 콜로이드 실리카가 몰리브딕산과 반응하기 위해서 우선 규산 단량체로 용해되어야 하는데, 이때 용해되는 속도가 아주 작음을 알 수 있다. 반면에 규산나트륨 수용액은 몰리브딕산과의 반응에 따른 흡광도 세기가 반응 2 분 이후에도 급격히 증가하는 것을 알 수 있으며, 따라서 규산나트륨 수용액에는 규산 단량체뿐만 아니라 비교적 용해속도가 빠른 중량체도 포함되어 있고, 이들이 용해되어 몰리브딕산과 반응하여 흡광도 세기가 반응시간이 경과함에 따라 점차적으로증가되는 것을 알 수 있다.
본 연구에서 출발물질로 사용한 규산나트륨 수용액의 SiO2 함유량은 400g/l로서 무게비로 환산하면 수용액에서 29 wt% 정도 함유되어 있으며, Na2O 함유량은 138g/l로서 무게비로 환산하면 10 wt% 함유되어 있다. 비중은 1.
6은 식 (2)의 데이터에 대하여 반응온도에 따른 순간 반응속도와 규산종 농도 사이의 상관관계를 나타내고 있다. 이 결과에 의하면 규산종 농도 Csa가 Cx 이상에서는 최소자승법에 의한 선형을 유지하고 있으며, 따라서 1차 반응에 일치하는 것을 알 수 있다. 그러나 CSA<CX 영역에서는 순간 반응속도가 변하지 않으며 따라서 0차 역반응에 해당한다.
2는 실리카 함량게 따른 산화된 규산나트륨 수용액의 상태를 보여주고 있다. 이 결과에 의하면, 실리카 함량 4-6 wt%인 규산나트륨 수용액은 pH 10 이하에서 산화되는 동안에 젤화 되었으며, 실리카 함량 2wt%인규산나트륨 수용액은 pH 9.5에서 수용액 상태를 유지하였다. 따라서 용액 중의 SiO2 함량이 2wt% 이하가 되도록 규산나트륨 수용액을 탈이온수에 희석해야 했다.
참고문헌 (18)
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Kirk-Othmer, 1982 : Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons Inc., New York
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Fleming, B. A., 1981 : Polymerization Kinetics and Ionization Equilibria in Aqueous Silica Solutions, Ph. D. dissertator. Prinston University
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