졸-겔법으로 합성된 ZrO2-SiO2 유리전구체의 결정화구조에 미치는 열처리의 영향분석 Influence analysis of heat treatment on crystalline structure of ZrO2-SiO2 glass precursor synthesized by sol-gel method원문보기
내구성 및 내알칼리성이 우수한 다공성 결정화 유리를 제조하기 위하여, zirconium propoxide의 몰농도비가 높은 금속알콕사이드를 출발물질로 하여 $xZrO_2-(1-x)SiO_2$ 구조의 유리전구체를 졸-겔법으로 합성하였다. 본 연구에서는 유리전구체를 500에서 $1,100^{\circ}C$의 범위에서 열처리하여, 열처리 조건이 유리전구체의 결정구조에 미치는 영향을 조사하였다. X-선 회절분석에 의하면, $600^{\circ}C$이상에서 결정피크가 발달하기 시작하였으며, 850$^{\circ}C$이상에 도달하면, 결정성은 확연하게 증가하였다. 그리고 열처리 온도가 증가함에 따라 결정 피크가 발달하며 $2{\theta}$ 값이 $35^{\circ}$, $50^{\circ}$ 및 $60^{\circ}$에서 각각 baddelyite, tetragonal-$ZrO_2$, zircon의 특성피크를 나타냈다.
내구성 및 내알칼리성이 우수한 다공성 결정화 유리를 제조하기 위하여, zirconium propoxide의 몰농도비가 높은 금속알콕사이드를 출발물질로 하여 $xZrO_2-(1-x)SiO_2$ 구조의 유리전구체를 졸-겔법으로 합성하였다. 본 연구에서는 유리전구체를 500에서 $1,100^{\circ}C$의 범위에서 열처리하여, 열처리 조건이 유리전구체의 결정구조에 미치는 영향을 조사하였다. X-선 회절분석에 의하면, $600^{\circ}C$이상에서 결정피크가 발달하기 시작하였으며, 850$^{\circ}C$이상에 도달하면, 결정성은 확연하게 증가하였다. 그리고 열처리 온도가 증가함에 따라 결정 피크가 발달하며 $2{\theta}$ 값이 $35^{\circ}$, $50^{\circ}$ 및 $60^{\circ}$에서 각각 baddelyite, tetragonal-$ZrO_2$, zircon의 특성피크를 나타냈다.
$xZrO_2-(1-x)SiO_2$ glass precursor with relatively high concentration of zirconium propoxide in metal alkoxide solution was obtained by sol-gel method and then heated at various temperature from 500 to $1,100^{\circ}C$ to investigate the effect of the thermal treatment on the ...
$xZrO_2-(1-x)SiO_2$ glass precursor with relatively high concentration of zirconium propoxide in metal alkoxide solution was obtained by sol-gel method and then heated at various temperature from 500 to $1,100^{\circ}C$ to investigate the effect of the thermal treatment on the crystalline structure of the glass precursor. Based on X-ray diffraction analysis, the crystalline peak was started to develop at temperature higher than $600^{\circ}C$, and the crystalline phase was considerably increased at $850^{\circ}C$ or higher. With increasing the thermal treatment temperature, the characteristic peaks, such as baddelyite, tetragonal-$ZrO_2$ and zircon, was shown at $35^{\circ}$, $50^{\circ}$ and $60^{\circ}$ of $2{\theta}$.
$xZrO_2-(1-x)SiO_2$ glass precursor with relatively high concentration of zirconium propoxide in metal alkoxide solution was obtained by sol-gel method and then heated at various temperature from 500 to $1,100^{\circ}C$ to investigate the effect of the thermal treatment on the crystalline structure of the glass precursor. Based on X-ray diffraction analysis, the crystalline peak was started to develop at temperature higher than $600^{\circ}C$, and the crystalline phase was considerably increased at $850^{\circ}C$ or higher. With increasing the thermal treatment temperature, the characteristic peaks, such as baddelyite, tetragonal-$ZrO_2$ and zircon, was shown at $35^{\circ}$, $50^{\circ}$ and $60^{\circ}$ of $2{\theta}$.
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문제 정의
본 연구에서는 내구성 및 내알칼리성이 우수한 다공성 결정화 유리를 제조하기 위하여, zirconium propoxide의 몰농도비가 높은 금속알콕사이드를 출발 물질로하는 졸-겔반응을 실시하였다. 금속알콕사이드용액으로 zirconium propoxide (Zr(OC3H7)4)와 TEOS (tetraethylorthosilicate, Si(OC2H5)4)를 선택하였고, zirconium propoxide와 TEOS의 몰비가 30%:70%로 하는 30ZrO2-70SiO2계 유리 전구체를 합성하여 결정화 유리를 제조하였다.
금속알콕사이드용액으로 zirconium propoxide (Zr(OC3H7)4)와 TEOS (tetraethylorthosilicate, Si(OC2H5)4)를 선택하였고, zirconium propoxide와 TEOS의 몰비가 30%:70%로 하는 30ZrO2-70SiO2계 유리 전구체를 합성하여 결정화 유리를 제조하였다. 본 연구에서는 특히, 가열처리 온도가 30ZrO2-70SiO2계 합성겔체의 결정상 변화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 X-선 회절법과 적외선 흡수 분광법을 적용하여 결정구조변화를 분석하였다.
제안 방법
그 후에 가수분해와 축중합 반응을 위해 40 °C로 유지하면서 합성된 졸의 가수분해를 위해 물을 가한 후 밀봉하여 건조기 50 °C에서 겔화를 진행시켰다.
금속 알콕사이드 용액 내에서 zirconium propoxide와 TEOS의 몰비가 30:70인 고농도의 zirconium propoxide를 출발물질로 하는 졸-겔반응으로 30ZrO2-70SiO2계 유리 전구체를 합성하고, 열처리 온도가 내열 알칼리 결정화유리의 결정성과 구조상에 미치는 영향을 조사하였다. X-선 회절분석에 의하면 열처리 온도가 증가함에 따라 결정 피크가 발달하며 2θ 값이 35°, 50° 및60°에서 각각 baddelyite, tetragonal-ZrO2, zircon의 특성피크를 나타냈으며, 이는 결정구조가 지로코니아와 동질이상임을 알 수 있었다.
본 연구에서는 250 mL 용량의 3구 둥근 플라스크를 반응기로 사용 하였고, 실리콘 오일로 중탕하여 반응온도를 조절하였으며, 용매 증발을 억제하기 위하여 환류 냉각기를 장착하였다. 금속 알콕사이드들은 반응성이 높아서 공기 중에 있는 수분과 접촉하여 쉽게 가수분해 되거나 이산화탄소와 반응하기 때문에 반응기 내부는 질소 분위기 상태에서 실험하였다. 한편, 균질한 30ZrO2-70SiO2계 전구체 용액을 얻기 위해 1몰의 TEOS에 에탄올을 혼합하고 촉매로써 HCl을 넣은 후 부분 가수분해 하기 위해서는 물을 3구 둥근 플라스크에 넣고 실온에서 30 min 교반하여 부분 가수분해 하였다.
소결반응이 완료된 샘플에 대해서는 결정질 상전이 변화 상태를 확인하기 위하여 일본 Rigaku사의 D/max-2C X-선 회절 분석기를 사용하였다. 또한 결합 구조 변화를 관찰하기 위하여 일본 Shimadzu사의 FT-IR 8700 적외선 분광기를 사용하여 분석 하였다.
또한 Table 1에 각 반응물간의 몰비를 제시하였다. 본 연구에서는 250 mL 용량의 3구 둥근 플라스크를 반응기로 사용 하였고, 실리콘 오일로 중탕하여 반응온도를 조절하였으며, 용매 증발을 억제하기 위하여 환류 냉각기를 장착하였다. 금속 알콕사이드들은 반응성이 높아서 공기 중에 있는 수분과 접촉하여 쉽게 가수분해 되거나 이산화탄소와 반응하기 때문에 반응기 내부는 질소 분위기 상태에서 실험하였다.
계 유리 전구체는 건조공정이 완료된 이후에, 500, 600, 700, 850, 900 및 1,100 °C에서 소결반응을 추가로 실시하여 최종적인 유리제품을 제조하였다. 소결반응이 완료된 샘플에 대해서는 결정질 상전이 변화 상태를 확인하기 위하여 일본 Rigaku사의 D/max-2C X-선 회절 분석기를 사용하였다. 또한 결합 구조 변화를 관찰하기 위하여 일본 Shimadzu사의 FT-IR 8700 적외선 분광기를 사용하여 분석 하였다.
졸-겔법으로 합성된 30ZrO2-70SiO2계 유리 전구체는 건조공정이 완료된 이후에, 500, 600, 700, 850, 900 및 1,100 °C에서 소결반응을 추가로 실시하여 최종적인 유리제품을 제조하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 내구성 및 내알칼리성이 우수한 다공성 결정화 유리를 제조하기 위하여, zirconium propoxide의 몰농도비가 높은 금속알콕사이드를 출발 물질로하는 졸-겔반응을 실시하였다. 금속알콕사이드용액으로 zirconium propoxide (Zr(OC3H7)4)와 TEOS (tetraethylorthosilicate, Si(OC2H5)4)를 선택하였고, zirconium propoxide와 TEOS의 몰비가 30%:70%로 하는 30ZrO2-70SiO2계 유리 전구체를 합성하여 결정화 유리를 제조하였다. 본 연구에서는 특히, 가열처리 온도가 30ZrO2-70SiO2계 합성겔체의 결정상 변화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 X-선 회절법과 적외선 흡수 분광법을 적용하여 결정구조변화를 분석하였다.
성능/효과
9,10 하지만, 460~470 cm−1부근에서 나타나는 OSi-O의 변형 진동에 의한 흡수피크는 열처리 온도가 높아질수록 그 강도가 증가하였고 모양도 뚜렷하게 나타났다.
각각의 결과들을 비교해 보면, 3,000~3,400 cm−1에서 나타나는 피크는 소결시료의 기공에 흡수되어 있었던 흡착수에 의한 O-H의 신축진동에 의한 것으로서 제조된 유리시료가 다공성 물질임을 보여주고 있다.
그리고 H-O-H의 굽힘 진동에 기인하는 1636 cm−1부근의 피크는 열처리 온도가 증가함에 따라 흡수강도가 감소하였으며, Si-O-Si의 비대칭 신축진동을 보여주는 1,080~1,200 cm−1부근의 흡수피크도 열처리온도가 증가함에 따라 강도가 감소하였다.
그림에서 보는 것과 같이 500 °C에서는 산봉우리 모양으로 비정질 형태의 결정구조를 나타내었지만, 600 °C에서 결정피크가 발달하기 시작하였고, 850 °C 이상에서는 결정피크가 확연하게 발달하여 결정상이 증가함을 확인할 수 있었다.
적외선 흡수 분광 분석에 의해 파장 460~470 cm−1, 800 cm−1 및 1,080~1,200 cm−1 흡수대는 Si-O-Si구조이고, 600 cm−1 흡수대는 Zr-O, 1610 cm−1 흡수대는 H-O-H 구조로 확인되었다.
한편, 열처리 온도가 높아짐에 따라 2θ 값이 41°에서 d값이 2.1 Å인 baddelyite 결정형태가 나타났고, 65°부근에서는 d값이 1.41 Å인 hexagonal 결정형태의 Zr만이 분리함을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결정화 유리를 제조하는데 많이 사용하는 용융법은 원료분말을 몇도에서 열처리하는가?
결정화 유리를 제조하는데 많이 사용되고 있는 용융법에서는 제조공정에서 결정상핵 생성물질을 함유하는 원료분말을 1,500-1,600 °C의 고온에서 열처리하여야 한다. 그리고 1,500 °C 이상의 고온에서 용융하여 얻은 비정질의 성형물을 결정화 유리로 재처리하는 결정화공정에서 유리에 불균질한 부분이 존재한다면 결정속도의 차이에 의해 이종결정이 석출되거나, 얼룩, 균열이 발생되기도 한다.
졸-겔법에 의한 결정화 유리제조방법의 단점은 무엇인가?
또한 유리의 결정크기를 조절하면, 기계적 강도가 큰 미결정 집합체를 만들 수있을 뿐만 아니라, 유리의 조성을 변화시키면 다양한 열팽창계수를 갖는 균질한 결정유리를 얻을 수 있다. 그러나 출발물질이 고가이며 졸-겔 제조 과정에서 큰 부피변화를 동반함으로써 균열이 쉽게 일어나고 제조 기간이 상대적으로 길다는 것은 극복해야만 하는 문제이다.3
졸-겔법에 의한 결정화 유리제조방법의 특징은 무엇인가?
한편, 졸-겔법에 의한 결정화 유리제조방법은 낮은 온도에서 균질한 유리를 제조할 수 있다는 점 이외에, 비정질 유리에 비하여 경화온도가 높아 내열성이 우수한 특성을 가지고 있다. 또한 유리의 결정크기를 조절하면, 기계적 강도가 큰 미결정 집합체를 만들 수있을 뿐만 아니라, 유리의 조성을 변화시키면 다양한 열팽창계수를 갖는 균질한 결정유리를 얻을 수 있다. 그러나 출발물질이 고가이며 졸-겔 제조 과정에서 큰 부피변화를 동반함으로써 균열이 쉽게 일어나고 제조 기간이 상대적으로 길다는 것은 극복해야만 하는 문제이다.
참고문헌 (11)
B. K. Kim et al., 'Inorganic Industrial Chemistry', Chung-Mun-Gak, Seoul, 1991.
J. H. Lee, 'Optical Glass', Bando Publication, Seoul, 1991.
C. W. Turner, Ceram. Bull., 70, 1487-1492 (1990).
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A. S. T. M. X-ray diffraction Index card file No. 31-707 (1991).
A. S. T. M. X-ray diffraction Index card file No. 6-0266 (1991).
M. Nogami, J. Non-Crystal. Solids, 69, 415-419 (1985).
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