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문제 정의
- 본 연구에서는 계면활성제를 사용하여 다량의 유해한 폐수가 발생되어 상업화되어있는 합성법과 달리 안료의 합성 공정에서 여러 반응 온도에서 crude를 합성한 후 고온, 고압에서 균일한 입자 컨트롤 및 빠른 입자 성장의 효과를 가지는 autoclave[11,12]를 도입하여 온도, 용매 종류, 용매 함유량에 따른 다양한 조건으로 결정화 처리하여 계면활성제를 첨가하지 않고 친환경적으로 시료를 제조하였다. 이러한 시료의 분산성 및 분산 안정성, 색력, 입자크기에 미치는 영향을 고찰하였다.
제안 방법
- 결정화 처리된 시료를 감압 여과하고, 증류수 약 1000 mL로 세척한 후, 약 80 ℃에서 약 24 h 동안 건조하여 황색의 고체 결정(수율 96∼97%)을 수득하였다.
- 본 연구에서는 benzimidazolone 안료를 다양한 조건에서 반응하고 결정화 처리하여 합성하였다. 조작변수로는 커플링 반응 온도, 결정화 온도, 용매 종류 및 함유량별 결정화 처리를 통하여 시료의 입자크기, 회절 강도 비, 색상 및 색력, 침강 높이, 점도를 고찰하였다.
- 뿐만 아니라 피부병, 기형발생 등으로 인한 인체 유해성 문제가 증가되어 친환경적이면서 무해한 새로운 합성 방법이 많이 연구되고 있다[10]. 본 연구에서는 계면활성제를 사용하여 다량의 유해한 폐수가 발생되어 상업화되어있는 합성법과 달리 안료의 합성 공정에서 여러 반응 온도에서 crude를 합성한 후 고온, 고압에서 균일한 입자 컨트롤 및 빠른 입자 성장의 효과를 가지는 autoclave[11,12]를 도입하여 온도, 용매 종류, 용매 함유량에 따른 다양한 조건으로 결정화 처리하여 계면활성제를 첨가하지 않고 친환경적으로 시료를 제조하였다. 이러한 시료의 분산성 및 분산 안정성, 색력, 입자크기에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 시료들을 30 ℃의 커플러 수용액에서 커플링 반응 후, 용매 함유량에 따른 결정화 영향을 조사하기 위하여 증류수와 dimethyl sulfoxide (DMSO) 용매를 약 0, 10, 25% 및 100%로 각각 혼합한 후, 시료와 혼합 용매를 약 10 : 90 wt% 비로 혼합하여 가압 장치에 넣고 약 120 ℃에서 약 1 h 동안 각각 결정화 처리하였다. 결정화된 시료들의 결과들을 Figure 9와 Table 3에 나타내었다.
- 시료들을 커플링 합성할 때, 커플러 수용액의 온도 영향을 조사하기 위하여 0, 10, 20 및 30 ℃의 커플러 수용액들에 5 ℃의 디아조 수용액을 약 2 h 동안 천천히 적가하면서 균일하게 혼합한 후, 80 ℃에서 1 h 동안 가열하여 시료들을 합성하였다. 합성된 시료들의 결과들을 Figures 3∼4에 나타내었다.
- 시료들의 구조 분석 및 결정학적 특성은 FT-IR spectrophotometer(GX, Perkin Elmer, USA)와 X-ray Diffraction (XRD; X’pert MPD system, Philips Co. Ltd, England)를 이용하여 각각 측정하였다.
- 시료들의 커플링 반응 후, 결정화 온도에 따른 영향을 비교 분석하기 위하여 30 ℃의 커플러 수용액으로 커플링 반응 후, 80 ℃에서 1 h 동안 가열하여 얻어진 시료와 증류수를 약 10 : 90 wt% 비로 혼합하여 가압 장치에 넣고 약 100, 120 ℃ 및 140 ℃에서 약 1 h 동안 각각 결정화하였다. 시료들의 결과들을 Figures 5∼6과 Table 1에 나타내었다.
- Ltd, England)를 이용하여 각각 측정하였다. 시료의 미세구조를 분석하기 위해 field emission scanning electron microscope(FE-SEM: JSM-6700F, JEOL, Japan)와 transmission electron microscope (TEM; JEM-2000, JEOL, Japan)로 입자의 크기와 형상을 측정하였고 article size analyzer (PSA: Scattero Scope1, Qudix, Korea)로 시료의 입도를 측정하였다. 색상은 Hoover’s muller를 이용하여 아마인유에 시료를 분산하여 color difference meter (SP62, X-rite, USA)를 이용하여 분석하였다.
- 디아조 수용액과 커플러 수용액을 아래의 조건으로 제조하였다. 제조한 두 수용액을 여러 커플링 온도로 합성한 후 다양한 온도와 용매조건으로 시료를 결정화하였다[14].
- 본 연구에서는 benzimidazolone 안료를 다양한 조건에서 반응하고 결정화 처리하여 합성하였다. 조작변수로는 커플링 반응 온도, 결정화 온도, 용매 종류 및 함유량별 결정화 처리를 통하여 시료의 입자크기, 회절 강도 비, 색상 및 색력, 침강 높이, 점도를 고찰하였다. 커플링 반응 온도 및 결정화 온도가 증가할수록 입자 크기, 회절 강도 비가 증가하고 침강 높이와 색력이 증가하는 경향성을 나타내었다.
- 최종 생성물은 감압 여과하고 증류수 약 1000 mL로 세척한 후, 약 80 ℃에서 약 24 h 동안 건조하여 황색의 고체 결정(수율 97∼98%)을 수득하였다.
- 커플링 반응으로 합성된 시료들을 결정화하기 위하여 30 ℃의 커플러 수용액으로 합성된 시료와 용매를 약 10 : 90 wt% 비로 혼합하여 가압 장치에 넣고 약 100, 120 ℃ 및 140 ℃에서 약 1 h 동안 결정화처리하였다. 이때 사용된 용매로는 극성도가 각각 다른 isopropyl alcohol(IPA), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), 증류수를 각각 사용하였다.
대상 데이터
- , 99%)는 모두 정제 없이 그대로 사용하였다. autoclave 후처리 공정 시 사용된 용매로는 hexane(Duksan Chemical Co., 99.5%), isopropyl alcohol (Duksan Chemical Co., 99.5%), methyl isobutyl ketone (Duksan Chemical Co., 99.5%), ethanol (Duksan Chemical Co., 99.5%), N,N-dimethylacetamide(Duksan Chemical Co., 99.7%), tetrahydrofuran (Duksan Chemical Co., 99.5%), N-methylpyrrolidone (Duksan Chemical Co., 99.5%), dimethyl sulfoxide (Duksan Chemical Co., 99.8%), 측정 시 사용된 toluene(Sigma-Aldrich Co., 99%)을 모두 정제 없이 그대로 사용하였다.
- 본 실험에서는 1,2-(bis-(amino-phenoxy)-ethane (Zibo Shengma Chemical Co., 99%), 5-acetoacetylamino-benzimidazolone (Toyo Ink Co., 98%)를 기본 출발 물질로 사용하였고, 모두 정제 없이 그대로 사용하였다.
- 커플링 반응으로 합성된 시료들을 결정화하기 위하여 30 ℃의 커플러 수용액으로 합성된 시료와 용매를 약 10 : 90 wt% 비로 혼합하여 가압 장치에 넣고 약 100, 120 ℃ 및 140 ℃에서 약 1 h 동안 결정화처리하였다. 이때 사용된 용매로는 극성도가 각각 다른 isopropyl alcohol(IPA), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), 증류수를 각각 사용하였다. 결정화 처리된 시료를 감압 여과하고, 증류수 약 1000 mL로 세척한 후, 약 80 ℃에서 약 24 h 동안 건조하여 황색의 고체 결정(수율 96∼97%)을 수득하였다.
- 0326 mol)을 투입한 후 약 20 min 동안 교반하였다. 증류수 약 20 mL에 녹인 sodium nitrite(2.6 g, 0.037 mol) 수용액을 천천히 적가하면서 상기 제조된 용액에 투입한 후 30 min 동안 교반하여 1,2-(bis-(amino-phenoxy)-ethane 디아조 수용액을 제조하였다.
- 합성에 사용하는 hydrochloric acid (Sigma-Aldrich Co., 37%), sodium nitrite (Sigma-Aldrich Co., 97%), sodium hydroxide (Sigma-Aldrich Co., 97%), acetic acid (Sigma-Aldrich Co., 99.7%), 분산 유도체로 사용하는 butylamine (Sigma-Aldrich Co., 99%), dodecylamine(Alfa Aesar Co., 98%), dimethyl-5-aminoisophthalate (Alfa Aesar Co., 98%), o-anisidine (Alfa Aesar Co., 99%), (3-aminopropyl)triethoxy-silane(Alfa Aesar Co., 98%), 2-ethyl hexylamine (Alfa Aesar Co., 98%), 4-aminobenzoic acid (Alfa Aesar Co., 99%)는 모두 정제 없이 그대로 사용하였다. autoclave 후처리 공정 시 사용된 용매로는 hexane(Duksan Chemical Co.
데이터처리
- 색상은 Hoover’s muller를 이용하여 아마인유에 시료를 분산하여 color difference meter (SP62, X-rite, USA)를 이용하여 분석하였다. 시료의 분산 특성은 Turbiscan (Classic MA 2000, Formulaction Inc., France)로 시료 0.5 g을 원통형 유리셀 내에 증류수 50 mL에 분산한 후 24 h 동안 방치 후 다중 광 산란 법으로 시료의 침강 높이를 측정하여 분산 안정성을 비교하였다[13].
이론/모형
- 색상은 Hoover’s muller를 이용하여 아마인유에 시료를 분산하여 color difference meter (SP62, X-rite, USA)를 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 결정화 온도가 증가할수록 시료의 색상은 녹색 계통 노란색상을 나타내었고 결정화 처리 용매의 극성도 증가에 따라 붉은 계통의 노란색을 나타내었다. DMSO 용매를 사용하여 결정화 처리한 시료는 상대적으로 큰 입자크기, 높은 회절 강도 비와 침강 높이를 나타내었고 증류수와 혼합하여 처리할 경우 결정화 효과가 극대화되는 것을 확인하였다.
- 커플링 반응 온도 및 결정화 온도가 증가할수록 입자 크기, 회절 강도 비가 증가하고 침강 높이와 색력이 증가하는 경향성을 나타내었다. 결정화 온도가 증가할수록 시료의 색상은 녹색 계통 노란색상을 나타내었고 결정화 처리 용매의 극성도 증가에 따라 붉은 계통의 노란색을 나타내었다. DMSO 용매를 사용하여 결정화 처리한 시료는 상대적으로 큰 입자크기, 높은 회절 강도 비와 침강 높이를 나타내었고 증류수와 혼합하여 처리할 경우 결정화 효과가 극대화되는 것을 확인하였다.
- 반대로 DMSO 용매와 같이 극성도가 높은 용매를 사용하여 얻어진 S4 시료는 둥근 막대형의 약 1 μm 이상의 상대적으로 큰 입자크기를 확인하였고 용매의 극성도가 높을수록 입자 성장 속도가 빠른 것을 확인할 수 있었다.
- 이는 고온의 결정화 온도, 용매 처리로 인한 재결정화에 기인한 것으로 사료된다[17]. 시료 입자의 성장으로 입자 간의 인력 상쇄로 분산성이 향상되어 침강 높이는 높아졌다. 시료들의 색상과 색력 분석 결과를 Table 2에 나타내었다.
- 140 ℃에서는 큰 입자 성장으로 침강 속도가 증가하여 분산성 저하로 침강 높이와 색력 감소를 나타내었다. 시료의 색상 결과를 살펴보면, 결정화 온도가 증가할수록 a* 값의 감소, b* 값의 증가로 greenish하면서 yellowish한 색상을 나타내었다. 이러한 색상 변화는 입자크기 변화에 따른 입자크기가 작을수록 과도가 증가하고 입자크기가 클수록 투과도가 감소하는 현상[1], 결정화 온도 증가에 따른 구형 또는 타원형에서 막대형으로의 입자 형태변화에 기인한 것으로 사료되며[15], L 값의 증가로 색상이 밝아졌다.
- 입자 크기 성장에 따라 X선 회절 강도 비도 같이 증가하였다. 시료의 침강 높이는 높아지며 색력도 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 높은 온도의 커플러 수용액으로 합성된 시료의 경우 입자 성장으로 비표면적이 감소하여 시료 입자 상호 간의 van der Waals 인력 상쇄되어 안정한 분산성을 제공하므로 침강 높이가 높아지고 색력이 증가하였다[14,16].
- 주어진 결과들을 살펴보면, 결정화 온도가 증가할수록 입자들 상호 간의 회합이 촉진되어 입자 성장 속도가 증가하여 반응 온도 증가와 마찬가지로 입자크기와 X선 회절 강도 비가 증가하는 상관관계를 나타내었다. 이러한 입자 성장에 따른 비표면적 감소로 입자 간의 van der Waals 인력이 상쇄되어 입자 간의 응집과 일정 시간 경과 후 재 응집 발생이 저하되어 분산 안정성 향상에 기인하여 침강 높이가 증가하고 색력이 향상되었다. 140 ℃에서는 큰 입자 성장으로 침강 속도가 증가하여 분산성 저하로 침강 높이와 색력 감소를 나타내었다.
- 시료들의 결과들을 Figures 5∼6과 Table 1에 나타내었다. 주어진 결과들을 살펴보면, 결정화 온도가 증가할수록 입자들 상호 간의 회합이 촉진되어 입자 성장 속도가 증가하여 반응 온도 증가와 마찬가지로 입자크기와 X선 회절 강도 비가 증가하는 상관관계를 나타내었다. 이러한 입자 성장에 따른 비표면적 감소로 입자 간의 van der Waals 인력이 상쇄되어 입자 간의 응집과 일정 시간 경과 후 재 응집 발생이 저하되어 분산 안정성 향상에 기인하여 침강 높이가 증가하고 색력이 향상되었다.
- 주어진 결과를 살펴보면 혼합용매의 DMSO 용매 대비 증류수 비율이 증가할수록 약 450∼500 nm의 입자크기로 입자가 성장하였다.
- 시료들의 색상과 색력 분석 결과를 Table 2에 나타내었다. 주어진 결과를 살펴보면, 용매의 극성도가 증가함에 따라 a* 값, b* 값이 증가하여 reddish 하면서 yellowish한 색상을 나타내었고 L 값의 증가로 색상이 밝아졌다.
- 합성된 시료들의 결과들을 Figures 3∼4에 나타내었다. 주어진 그림들을 살펴보면, 커플러 수용액의 온도가 상승할수록 시료의 입자 크기는 약 50 nm에서 약 141 nm로 증가하였다. 이는 커플러 수용액의 온도가 증가하면 커플링 반응으로 합성되는 입자들이 용매에 대한 용해도가 증가하여 입자들 상호 간의 회합이 촉진되어 결정화로 인하여 입자들의 성장이 촉진되기 때문이다[1].
- 조작변수로는 커플링 반응 온도, 결정화 온도, 용매 종류 및 함유량별 결정화 처리를 통하여 시료의 입자크기, 회절 강도 비, 색상 및 색력, 침강 높이, 점도를 고찰하였다. 커플링 반응 온도 및 결정화 온도가 증가할수록 입자 크기, 회절 강도 비가 증가하고 침강 높이와 색력이 증가하는 경향성을 나타내었다. 결정화 온도가 증가할수록 시료의 색상은 녹색 계통 노란색상을 나타내었고 결정화 처리 용매의 극성도 증가에 따라 붉은 계통의 노란색을 나타내었다.
- 이는 끊는 점이 낮은 증류수의 비율 증가로 공비점이 낮아져 autoclave 반응기 내부의 압력 증가로 용매 내의 입자 포화도가 증가하여 회합이 촉진되어 상대적으로 큰 입자크기를 나타내는 것으로 사료된다[11,12]. 혼합 용매의 증류수 비율이 높을수록 큰 입자의 성장으로 입자 간의 인력 상쇄로 응집 완화에 기인한 분산성 향상으로 높은 침강 높이를 나타내고 점도는 감소하였다. 한편, DMSO 용매가 첨가되지 않은 D1 시료의 경우 용매를 혼합하지 않고 증류수로 결정화하여 내부 압력은 가장 높게 증가하였으나 낮은 침강 높이로 분산성 저하를 나타내며 점도 또한 증가하였다.
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