[논문]흄드실리카로부터 제조된 실리카졸의 분산인자 상관성 연구

박민경; 김훈; 임형미; 최진섭; 김대성

doi:10.3740/mrsk.2016.26.3.136

흄드실리카로부터 제조된 실리카졸의 분산인자 상관성 연구
Correlation Research of Dispersion Factors on the Silica Sol Prepared from Fumed Silica 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.26 no.3, 2016년, pp.136 - 142

박민경 (한국세라믹기술원 에코복합소재센터) , 김훈 ((주)한테크) , 임형미 (한국세라믹기술원 에코복합소재센터) , 최진섭 (인하대학교 화학.화학공학융합학과) , 김대성 (한국세라믹기술원 에코복합소재센터)

Abstract ▼ AI-Helper

To study the dispersion factors of silica sol prepared from fumed silica powder, we prepared silica sol under an aqueous system using a batch type bead mill. The dispersion properties of silica sol have a close relationship to dispersion factors such as pH, milling time and speed, the size and amount of zirconia beads, the solid content of fumed silica, and the shape and diameter of the milling impellers. Especially, the silica particles in silica sol were found to show dispersion stability on a pH value above 7, due to the electrostatic repulsion between the particles having a high zeta potential value. The shape and diameter of the impellers installed in the bead mill for the dispersion of fumed silica was very important in reducing the particle size of the aggregated silica. The median particle size ($D_{50}$) of silica sol obtained after milling was also optimized according to the variation of the size and amount of the zirconia beads that were used as the grinding medium, and according to the solid content of fumed silica. The dispersion properties of silica sol were investigated using zeta potential, turbiscan, particle size analyzer, and transmission electron microscopy.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

fumed silica의 분말과 밀링 후 실리카졸의 입자 형상과 크기는 TEM(Transmission Electron Microscopy, JEM-2000EX, JEOL, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 또한 fumed silica의 제타전위, 밀링 후의 실리카졸의 입도 및 입도분포는 각각 전기영동광산란(Electrophoretic Light Scattering) 및 동적광산란(Dynamic Light Scattering)을 사용하여 입도 및 제타전위분석기(ELS-Z, Otsuka Electronics, Japan)을 사용하여 측정하였다.
밀링 속도는 분산기에 설정되어있는 속도인 530, 1600, 2100 rpm 조건에서 비교하였다. fumed silica의 양은 250 ml 증류수 대비 5~20 g(고형분 함량 2~8 wt%) 으로 각각 밀링하여 비교하였다. 밀링에 사용되는 지르코니아 비드 크기는 각각 0.
그 다음 이 슬러리를 배치식 비드밀 분산기(Alesco Co., Japan) 하에서 지르코니아 비드(Cenotec Co.) 0.1 φ 1 kg과 530 rpm의밀링속도에서 3시간동안 시간별로 분산된 실리카졸 샘플을 취하여 분산특성을 비교하였다.
4(d)는 분산하고자 하는 물질인 fumed silica 고형분 함량에 따른 분산특성을 관찰하기 위해, 이 분말을 수계에 분산시켜 고형분 함량을 2~8 wt%로 조건을 변화하면서 밀링에 의한 분산을 진행하였다. 기본 조건인 fumed silica 10 g (4 wt%) 대비 이차 증류수 250 ml에서 fumed silica를 5, 15, 20 g으로 무게비에 맞추어 각각 밀링하였다. Fig.
fumed silica의 분말과 밀링 후 실리카졸의 입자 형상과 크기는 TEM(Transmission Electron Microscopy, JEM-2000EX, JEOL, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 또한 fumed silica의 제타전위, 밀링 후의 실리카졸의 입도 및 입도분포는 각각 전기영동광산란(Electrophoretic Light Scattering) 및 동적광산란(Dynamic Light Scattering)을 사용하여 입도 및 제타전위분석기(ELS-Z, Otsuka Electronics, Japan)을 사용하여 측정하였다.
) 및 1 M KOH로 조절하였다. 또한 밀링시간에 따른 분산특성은 매시간마다 샘플을 채취하여 최대 5시간동안 밀링하여 비교하였다. 밀링 속도는 분산기에 설정되어있는 속도인 530, 1600, 2100 rpm 조건에서 비교하였다.
또한, 비드밀에 장착된 임펠러 형상 및 크기에 따른 영향을 비교하였다. 주로 비드밀 장치는 가운데 축에 장착된 임펠러가 회전하면서 용매내에서 비드와 밀링시료가 분쇄 분산되는 방식인데, 이때 밀링에 사용된 임펠러는 형상 제작의 용이성을 위해 polyethylene(PE) 재질을 가공하여 밀링 후의 분산특성을 비교하는데 적용하였다.
분산인자에 따른 실리카졸을 제조하기 위해 상기의 기본 실험조건하에서 다양한 분산인자를 변경하여 실험하였다. 먼저, fumed silica의 제타전위 값에 근거하여 pH 3, 5, 7, 10인 조건에서 밀링하여 실리카졸을 제조하였다. 이때, pH는 1 M HNO3 (Dae Jung Co.
또한 밀링시간에 따른 분산특성은 매시간마다 샘플을 채취하여 최대 5시간동안 밀링하여 비교하였다. 밀링 속도는 분산기에 설정되어있는 속도인 530, 1600, 2100 rpm 조건에서 비교하였다. fumed silica의 양은 250 ml 증류수 대비 5~20 g(고형분 함량 2~8 wt%) 으로 각각 밀링하여 비교하였다.
밀링에 사용되는 지르코니아 비드 크기는 각각 0.1, 0.3 φ로 비교하여 밀링하였으며, 비드 함량은 0.5, 0.75, 1, 1.5 kg으로 조건을 달리하였다.
분산인자에 따른 실리카졸을 제조하기 위해 상기의 기본 실험조건하에서 다양한 분산인자를 변경하여 실험하였다. 먼저, fumed silica의 제타전위 값에 근거하여 pH 3, 5, 7, 10인 조건에서 밀링하여 실리카졸을 제조하였다.
비드밀 밀링 시 사용되는 비드의 크기와 함량에 대한 영향을 관찰하기 위해 비드 0.1, 0.3 φ로 각각 밀링한후 입도분석하였다.
1 φ 비드로 함량을 달리하여 밀링 후 입도분석하여 나타낸 그래프이다. 비드의 양은 0.5, 0.75, 1, 1.5 kg 4가지 조건에서 비교실험하였다. 배치식 비드밀에 사용되는 1 L 비커 대비 비드 0.
입도가 58 nm인 실리카졸을 제조하였다. 실리카졸 제조를 위해 분산인자로서 비드밀 장비내의 비드 크기 및 함량, 임펠라 크기 및 형상, 밀링시간 및 속도, fumed silica의 고형분 함량, 용매의 pH 등에 따른 분산인자별 상관성을 연구하고 실리카 나노졸의 분산성을 최적화하였다.
실리카졸 제조를 위해 실험부분에 서술한 기본 밀링조건하에서 다양한 분산인자 (밀링시간, 밀링속도, 고형분 함량, 비드 크기 및 첨가량)에 따른 분산안정성과의 상관성을 관찰하였다.
2(b)에서 보는 바와 같이 100~600 nm, 5~60 μm의 미립자와 응집된 입자가 있는 넓은 입도분포가 관찰되었으며 D₅₀은 15μm 인 것을 알 수 있다. 이때, 입도분포 측정은 fumed silica 분말을 증류수에 넣고 밀링없이 실리카 슬러리 상으로 제조하여 관찰하였다. Fig.
5(b)에 나타내었다. 임펠러의 형태는 Fig. 1에서 보는 바와같이 순서대로 기존의 flat disc 형태, 홀이 있고 하단에 propeller 형태로 된 디스크, 홀이 있고 하단이 톱니바퀴 형태로 되어있는 cap disc 형태의 3종 임펠러를 적용하여 제조한 실리카 졸의 입도를 관찰하였다. 그 결과 입도 D₅₀은 순서대로 70, 67, 58 nm 로 작은 홀에 하단이 톱니바퀴 형태로 되어 있는 임펠러로 밀링한 결과가 가장 좋았다.
또한, 비드밀에 장착된 임펠러 형상 및 크기에 따른 영향을 비교하였다. 주로 비드밀 장치는 가운데 축에 장착된 임펠러가 회전하면서 용매내에서 비드와 밀링시료가 분쇄 분산되는 방식인데, 이때 밀링에 사용된 임펠러는 형상 제작의 용이성을 위해 polyethylene(PE) 재질을 가공하여 밀링 후의 분산특성을 비교하는데 적용하였다. Fig.
입도가 58 nm인 실리카졸을 제조하였다. 특히, 실리카졸 제조 시에 다양한 분산인자로서 분산매의 pH, 실리카의 함량, 비드의 크기와 함량, 밀링시간과 속도 등 분산인자에 대한 상관성 연구를 통해 실리카졸 입도를 최적화하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 fumed silica 응집분말을 수계에서 배치식 비드밀 장비 및 다양한 분산인자를 최적화하여 D₅₀ 입도가 58 nm인 실리카졸을 제조하였다. 실리카졸 제조를 위해 분산인자로서 비드밀 장비내의 비드 크기 및 함량, 임펠라 크기 및 형상, 밀링시간 및 속도, fumed silica의 고형분 함량, 용매의 pH 등에 따른 분산인자별 상관성을 연구하고 실리카 나노졸의 분산성을 최적화하였다.
본 연구에서는 fumed silica로부터 수계에 분산시킨 후 배치식 비드밀 분산기로 밀링하여 D₅₀ 입도가 58 nm인 실리카졸을 제조하였다. 특히, 실리카졸 제조 시에 다양한 분산인자로서 분산매의 pH, 실리카의 함량, 비드의 크기와 함량, 밀링시간과 속도 등 분산인자에 대한 상관성 연구를 통해 실리카졸 입도를 최적화하였다.

성능/효과

1) 초기 수계에서의 fumed silica 슬러리의 pH는 10, 실리카의 함량은 4 wt.%, 비드의 크기 및 함량은 0.
일반적으로 문헌에 의하면 fumed silica의 등전점은 pH 2이고 pH가 증가함에 따라 제타전위 값이 증가함을 알 수 있다.¹⁷⁾ 이는 실리카 입자의 표면이 pH 7 이상에서 정전기적 반발력이 우수하여 다른 영역의 pH보다 분산이 용이함을 알 수 있다. 또한 pH 7 이하에서는 zeta potential 값이 −30 mV보다 감소하면서 pH 2 부근에서 등전점을 형성하며 분산된 입자간에 응집으로 인해 불안정해지는 것을 알 수 있다.
2) 배치식 비드밀에 장착하는 임펠러의 크기가 클수록 회전력이 증가하여 밀링효과가 뛰어남을 볼 수 있었고, 임펠러 형상의 경우 디스크에 홀이 있고 디스크 하단이 톱니바퀴 형태로 된 cap disc형태로 밀링한 실리카졸이 가장 낮은 입도를 나타내었다.
3) 최적조건으로 밀링한 fumed silica의 입자는 TEM 이미지로 확인하였을 때 밀링 전 50 nm 이하의 나노 입자들이 응집된 망상구조를 보인 것과 달리 응집이 풀어져 있는 것을 알 수 있다. 또한 중간입도 D₅₀은 15 μm에서 58 nm로 크게 감소한 것을 알 수 있으며, 밀링 전의 입도분포는 0.
7) 이러한 fumed silica 입자를 기계적 에너지를 이용한 볼밀, 비드밀 등의 방법으로 분쇄·분산하면 응집된 입자를 단분산 시킬 수 있다.
1에서 보는 바와같이 순서대로 기존의 flat disc 형태, 홀이 있고 하단에 propeller 형태로 된 디스크, 홀이 있고 하단이 톱니바퀴 형태로 되어있는 cap disc 형태의 3종 임펠러를 적용하여 제조한 실리카 졸의 입도를 관찰하였다. 그 결과 입도 D₅₀은 순서대로 70, 67, 58 nm 로 작은 홀에 하단이 톱니바퀴 형태로 되어 있는 임펠러로 밀링한 결과가 가장 좋았다. 이는 Fig.
이 식에 의거하면 W가 감소할수록, m, v가 증가할수록 E_W가 증가한다. 따라서 밀링되는 입자가 작을수록, 비드의 무게가 무거울수록, 입자와 비드의 속도와 충돌 횟수가 많을수록 에너지가 증가한다. 또한 비드 크기의 경우 그 크기가 작을수록 표면적이 크기 때문에 충돌횟수 n을 증가시키므로 에너지가 증가한다.
5, 10에서 각각 3시간 동안 밀링하여 얻은 실리카졸의 입도 D₅₀ 및 D_max 결과를 비교한 그래프이다. 또한 pH 를 조절하여 밀링한 실리카졸의 입도는 pH 4, 7.5, 10에서의 입도 D₅₀은 각각 105, 95, 70 nm이며, pH 10에서 밀링한 졸의 입도가 가장 낮은 것을 알 수 있다. 이는 Fig.
또한 각각의 pH 조건에서 밀링한 졸의 제타 전위를 측정해보았을 때 pH 4, 7.5, 10에서 밀링한 졸의 제타전위는 각각 −22, −31, −38 mV로서 pH가 증가할수록 밀링한 졸의 제타전위의 절대값이 크게 증가하여 pH 10에서 밀링한 졸의 제타전위가 가장 안정한 것을 알 수 있다.
또한 pH 7 이하에서는 zeta potential 값이 −30 mV보다 감소하면서 pH 2 부근에서 등전점을 형성하며 분산된 입자간에 응집으로 인해 불안정해지는 것을 알 수 있다. 또한 밀링 전 fumed silica의 제타전위보다 fumed silica 밀링 후 졸의 제타전위 절대값이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 각각의 pH 조건에서 밀링한 졸의 제타 전위를 측정해보았을 때 pH 4, 7.
또한 중간입도 D50은 15 μm에서 58 nm로 크게 감소한 것을 알 수 있으며, 밀링 전의 입도분포는 0.1~1, 5~60 μm 로 두 개의 Broad 한 피크가 검출되었으나 밀링 후 30~300nm 로 밀링 전보다 좁은 입도분포를 보이는 고분산된 실리카졸이 제조되었음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비드밀 장치의 방식은 어떻게 되는가?	또한, 비드밀에 장착된 임펠러 형상 및 크기에 따른 영향을 비교하였다. 주로 비드밀 장치는 가운데 축에 장착된 임펠러가 회전하면서 용매내에서 비드와 밀링시료가 분쇄 분산되는 방식인데, 이때 밀링에 사용된 임펠러는 형상 제작의 용이성을 위해 polyethylene(PE) 재질을 가공하여 밀링 후의 분산특성을 비교하는데 적용하였다. Fig.
	고분산 나노 졸의 최적화를 위한 방법은?	나노 분산졸 제조를 위해서는 무기 산화물의 종류 및 특성의 이해, 용매의 선택, 밀링장비 및 밀링조건 등 여러 분산 인자에 따른 충분한 이해를 통해 고분산 나노 졸을 최적화 할 수 있다. 이와 관련하여 탄산칼슘 분산을 위한 고분자첨가량 및 pH에 따른 점도변화 등에 보고한 바 있다.
	실리카의 특성에 따른 활용은 어떻게 되는가?	실리카는 지구상에 가장 흔한 원소로서 다양한 응용분야에 널리 적용되는 소재 중에 하나로서, 화학적으로 안정하며 강도, 흡착 등의 물리화학적 특성이 우수한 무기물이다. 특히, 제조방법에 따라 졸, 겔, 흄드계 입자 등 여러 형태로 존재하며 각각의 특성에 따라 난연제, 연마재, 코팅제, 흡착 담체, 단열재, 잉크 및 도료, 접착제, 레진 등 상업적으로 다양한 용도로 널리 사용되고 있다.1-3)

참고문헌 (20)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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