물유리는 기존의 silicon alkoxide보다 훨씬 단가가 저렴하여 상업화에 유리하다는 장점을 나타낸다. 물유리 기반 실리카 에어로겔의 제조에서 산 촉매에 의한 중합 과정이 최종 미세 기공구조 특성에 상당한 영향을 끼치는데, 본 연구에서는 이러한 산 촉매의 종류와 양에 대한 물유리 기반 실리카 에어로겔의 비표면적, 기공 크기 분포 등 각 경우에 해당하는 물성 및 그에 따른 차이를 연구하였다. 최종 생성물의 물성을 통해 물유리 기반 실리카 에어로겔은 중합 반응에 관여하는 산 촉매의 종류와 농도, 몰수에 의해 영향을 받고, 특히 산 촉매의 몰수에 의한 영향이 몰 농도에 의한 영향보다 크게 작용함을 확인하였다. 기존 방식으로 4M염산 촉매를 첨가할 경우 비표면적이 $394m^2/g$, 기공의 부피가 2.20 cc/g, 평균 기공 지름이 22.3 nm이며 기공률이 92.53%인 실리카 에어로겔을 합성할 수 있었다. 반면 4M의 황산 촉매를 적정량의 몰수인 73 mmol로 투입하여 최종 물유리 기반 실리카 에어로겔을 제조할 경우 비표면적은 $516m^2/g$, 기공의 부피는 3.10 cc/g, 평균 기공 지름은 24.1 nm, 기공률은 96.1%로, 기존의 산 촉매를 투입하여 만든 물유리 기반 실리카 에어로겔보다 전반적으로 기공구조의 특성이 향상됨을 확인하였다.
물유리는 기존의 silicon alkoxide보다 훨씬 단가가 저렴하여 상업화에 유리하다는 장점을 나타낸다. 물유리 기반 실리카 에어로겔의 제조에서 산 촉매에 의한 중합 과정이 최종 미세 기공구조 특성에 상당한 영향을 끼치는데, 본 연구에서는 이러한 산 촉매의 종류와 양에 대한 물유리 기반 실리카 에어로겔의 비표면적, 기공 크기 분포 등 각 경우에 해당하는 물성 및 그에 따른 차이를 연구하였다. 최종 생성물의 물성을 통해 물유리 기반 실리카 에어로겔은 중합 반응에 관여하는 산 촉매의 종류와 농도, 몰수에 의해 영향을 받고, 특히 산 촉매의 몰수에 의한 영향이 몰 농도에 의한 영향보다 크게 작용함을 확인하였다. 기존 방식으로 4M 염산 촉매를 첨가할 경우 비표면적이 $394m^2/g$, 기공의 부피가 2.20 cc/g, 평균 기공 지름이 22.3 nm이며 기공률이 92.53%인 실리카 에어로겔을 합성할 수 있었다. 반면 4M의 황산 촉매를 적정량의 몰수인 73 mmol로 투입하여 최종 물유리 기반 실리카 에어로겔을 제조할 경우 비표면적은 $516m^2/g$, 기공의 부피는 3.10 cc/g, 평균 기공 지름은 24.1 nm, 기공률은 96.1%로, 기존의 산 촉매를 투입하여 만든 물유리 기반 실리카 에어로겔보다 전반적으로 기공구조의 특성이 향상됨을 확인하였다.
Water glass is much cheaper than silicon alkoxide, so it has advantage for commercialization. A condensation by acid catalyst makes considerable effect about the properties of water glass based silica aerogel among many factors in silica aerogel process. The pore structural properties of water glass...
Water glass is much cheaper than silicon alkoxide, so it has advantage for commercialization. A condensation by acid catalyst makes considerable effect about the properties of water glass based silica aerogel among many factors in silica aerogel process. The pore structural properties of water glass based silica aerogel such as specific surface area and pore size distribution have been investigated through the changes in the amount and the kinds of acid catalyst. It has been confirmed that water glass based silica aerogel is affected by various conditions of catalyst in the condensation reaction such as the kind, concentration, and the amount of mole of acid catalyst on the properties of final products. Especially, it is checked that the effect of mole of acid is more prominent than that of concentration. In the case for conventional method with introducing 4M HCl in condensation step, the silica aerogel could be synthesized which has $394m^2/g$ of specific surface area, 2.20 cc/g of pore volume, 22.3 nm of average pore size, and 92.53% of porosity. On the other hand, when 4M sulfuric acid was used with 73 mmol at the condensation step of water glass based silica aerogel, the pore structural characteristics of water based silica aerogel showed better properties than the case of using HCl, for example, specific surface area was measured as $516m^2/g$, and pore volume, average pore diameter, and porosity were obtained as 3.10 cc/g, 24.1 nm, and 96.1%, respectively.
Water glass is much cheaper than silicon alkoxide, so it has advantage for commercialization. A condensation by acid catalyst makes considerable effect about the properties of water glass based silica aerogel among many factors in silica aerogel process. The pore structural properties of water glass based silica aerogel such as specific surface area and pore size distribution have been investigated through the changes in the amount and the kinds of acid catalyst. It has been confirmed that water glass based silica aerogel is affected by various conditions of catalyst in the condensation reaction such as the kind, concentration, and the amount of mole of acid catalyst on the properties of final products. Especially, it is checked that the effect of mole of acid is more prominent than that of concentration. In the case for conventional method with introducing 4M HCl in condensation step, the silica aerogel could be synthesized which has $394m^2/g$ of specific surface area, 2.20 cc/g of pore volume, 22.3 nm of average pore size, and 92.53% of porosity. On the other hand, when 4M sulfuric acid was used with 73 mmol at the condensation step of water glass based silica aerogel, the pore structural characteristics of water based silica aerogel showed better properties than the case of using HCl, for example, specific surface area was measured as $516m^2/g$, and pore volume, average pore diameter, and porosity were obtained as 3.10 cc/g, 24.1 nm, and 96.1%, respectively.
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문제 정의
중합 반응에 첨가하는 산 촉매의 조건을 변화시켜 최종적으로 각각의 물유리 기반 실리카 에어로겔이 완성되었다. 각 샘플의 특성을 파악함으로써 산 촉매가 최종 생성물에 미치는 영향을 알아보았다. (a)는 4M 염산으로, 본 실험의 대조군으로서의 역할을 하였다.
본 연구를 통해 산 종류 및 첨가량에 따른 물유리 기반 실리카 에어로겔의 기공 구조의 차이를 연구하였다. 산 촉매의 종류가 다르지만 농도 및 투입량은 같을 경우, 염산을 투입한 경우가 최종 생성물의 비표면적이 394 m2/g, 기공 부피는 2.
본 연구에서는 에어로겔 제조 단가를 낮추어 상업화에 기여하고자 상압 건조 방식을 채택하였고, 전구체로는 저렴한 전구체인 물유리를 이용하여 물유리 기반 실리카 에 어로겔을 제조하였다. 그리고 중합 반응에서 쓰이던 산 촉매인 염산을 대체하여 비부식성 강산의 일종인 황산을 이용하였다.
제안 방법
(a)와 동일한 몰 농도인 4M이며 몰수 역시 같은 황산을 산 촉매로 첨가하여 최종적으로 물유리 기반 실리카 에어로겔을 제조하였다.
760, USA)를 사용하여 500-4000 cm-1 범위에서 그래프 내에 존재하는 peak의 위치와 모양을 통해 화학적 결합 구조를 파악하였다. FT-IR peak 분석을 위해 모든 샘플은 powder 형태로 만든 후 그래프 양상을 관찰하였다. 해당 FT-IR 그래프는 Fig.
Fourier transform infrared(FT-IR) spectrometer(Perkin Elmer, Model No. 760, USA)를 사용하여 500-4000 cm-1 범위에서 그래프 내에 존재하는 peak의 위치와 모양을 통해 화학적 결합 구조를 파악하였다. FT-IR peak 분석을 위해 모든 샘플은 powder 형태로 만든 후 그래프 양상을 관찰하였다.
이 단계 역시 습윤겔의 기계적 강도를 증가시켜 건조 시에 생기는 수축의 정도를 감소시켜 준다. 그리고 메탄올을 제거한 후 표면 개질 과정을 수행하였다. 메탄올과 헥세인, TMCS를 1 : 1 : 1의 부피비가 되도록 투입한 다음, 반응기를 밀봉하여 50℃의 오븐 내에서 24시간 동안 표면 개질 단계를 거치고 이후 표면 개질 혼합액을 제거하였다.
또한 각 샘플의 기공 및 입자의 모양을 입체적으로 인식하기 위하여 scanning electron microscopy(JEOL, JSM 7001F, Japan)으로 표면의 양상을 측정하였다. 또한 BrunauerEmmett-Teller(BET) 표면 분석기(Quantachrome, autosorbiQ, USA)를 통해 산 촉매에 따른 비표면적을 측정하였고, 마찬가지로 본 장비를 통해 Barrett-Joyner-Teller(BJH) method를 산출하여 기공의 크기, 기공 부피 등 전반적인 기공구조 분포 양상을 관찰하였다.
1에 제시하였다. 또한 각 샘플의 기공 및 입자의 모양을 입체적으로 인식하기 위하여 scanning electron microscopy(JEOL, JSM 7001F, Japan)으로 표면의 양상을 측정하였다. 또한 BrunauerEmmett-Teller(BET) 표면 분석기(Quantachrome, autosorbiQ, USA)를 통해 산 촉매에 따른 비표면적을 측정하였고, 마찬가지로 본 장비를 통해 Barrett-Joyner-Teller(BJH) method를 산출하여 기공의 크기, 기공 부피 등 전반적인 기공구조 분포 양상을 관찰하였다.
그리고 중합 반응에서 쓰이던 산 촉매인 염산을 대체하여 비부식성 강산의 일종인 황산을 이용하였다. 또한 황산의 몰 농도를 유지하되, 투입량을 감소시켜서 만든 물유리 기반 실리카 에어로겔을 비롯해 황산 농도를 감소시키는 대신 기존 염산 첨가 몰수와 동일한 몰수를 첨가하여 제조한 생성물 역시 본 실험에서 샘플로 활용하였다. 염산과 황산의 동일 몰수를 이용하여 만든 샘플, 그리고 투입한 산 촉매의 기타 조건들을 다르게 설정한 샘플을 포함하여 각 샘플의 기공구조 형성 특성 등을 상호 간 비교 분석하였다.
또한 황산의 몰 농도를 유지하되, 투입량을 감소시켜서 만든 물유리 기반 실리카 에어로겔을 비롯해 황산 농도를 감소시키는 대신 기존 염산 첨가 몰수와 동일한 몰수를 첨가하여 제조한 생성물 역시 본 실험에서 샘플로 활용하였다. 염산과 황산의 동일 몰수를 이용하여 만든 샘플, 그리고 투입한 산 촉매의 기타 조건들을 다르게 설정한 샘플을 포함하여 각 샘플의 기공구조 형성 특성 등을 상호 간 비교 분석하였다.
그 다음 과량의 헥세인을 투입하여 50℃의 오븐 내에서 24시간 동안 에이징(aging) 과정을 실시하였다. 헥세인을 제거한 후 50℃에서 1시간, 200℃에 서 1시간 동안 습윤겔에 대해 건조 과정을 시행하여 최종적으로 상압 건조 물유리 기반의 실리카 에어로겔을 제조하였다.
대상 데이터
각 샘플의 특성을 파악함으로써 산 촉매가 최종 생성물에 미치는 영향을 알아보았다. (a)는 4M 염산으로, 본 실험의 대조군으로서의 역할을 하였다. 또한 (b), (c), (d)는 황산인데, (b)는 (a)와 동일한 몰 농도인 4M이며 몰수 역시 같은 황산을 산 촉매로 첨가하여 최종적으로 물유리 기반 실리카 에어로겔을 제조하였다.
본 연구에서는 에어로겔 제조 단가를 낮추어 상업화에 기여하고자 상압 건조 방식을 채택하였고, 전구체로는 저렴한 전구체인 물유리를 이용하여 물유리 기반 실리카 에 어로겔을 제조하였다. 그리고 중합 반응에서 쓰이던 산 촉매인 염산을 대체하여 비부식성 강산의 일종인 황산을 이용하였다. 또한 황산의 몰 농도를 유지하되, 투입량을 감소시켜서 만든 물유리 기반 실리카 에어로겔을 비롯해 황산 농도를 감소시키는 대신 기존 염산 첨가 몰수와 동일한 몰수를 첨가하여 제조한 생성물 역시 본 실험에서 샘플로 활용하였다.
이론/모형
상압 건조 물유리 기반 실리카 에어로겔 제조 방식에 근거하여 해당 실험을 실시하였다.18) 물유리에 비이온수를 첨가하여 비중이 1.
성능/효과
(c)의 경우 (a), (b)와 동일한 농도의 황산을 이용하였으나 몰수가 상대적으로 더 적으므로 발열이 감소하여 안정된 겔화 속도로 중합 반응이 진행되었고, 따라서 기공 균질도가 높은 에어로겔이 형성되었다. Table 2 를 통해 (c)의 물성을 확인해보면 기공 부피는 3.10 cc/g 으로 가장 크고, 기공률 역시 96.1%로 해당 특성이 샘플들 중 가장 우수하다는 것을 파악할 수 있다. (d)의 경우 dV/dD가 0.
05) 등 여러 독특한 물성을 지니고 있다.1) 넓은 비표면적을 가져 약물 전달자, 오일 흡착제, 기체 저장 매체, 전극소재, 센서소재 등으로 이용 가능하고, 많은 기공으로 인해 최종적으로는 열전도도가 감소하기 때문에 단열재로서의 역할이 가능하다. 이외에도 고온단열재로의 우주항공소재나 단열 방음용 건축소재, 정밀화학 분야의 필터소재 등 다방면에서 이용될 수 있는 차세대 물질로 알려져 있다.
몰수를 적게 하였으므로 중합 반응의 속도는 느려져 상대적으로 겔화 시간은 증가하였으나, 습윤겔 내부 비이온수의 몰분율은 감소하여 Si-O-Si 결합은 상대적으로 강해졌다. 따라서 건조 과정 중 기공이 무너지는 정도가 감소하여 96.1%의 기공률을 가지고 비표면적 역시 516 m2/g으로 크게 증가 하였다. 또한 기공의 크기 분포도 비교적 균질한 결과가 나타났다.
이는 상대적으로 묽은 황산을 이용하여 중합 반응을 진행하였으므로 습윤겔 내 Si-O-Si의 결합이 제대로 형성되지 못해서 건조 시 수축이 많이 일어났기 때문에 기공 크기의 증가 폭이 작게 된 것이다. 마지막으 로 농도를 유지한 채 황산의 몰수를 감소시켜 최종적으 로 제조된 물유리 기반 실리카 에어로겔은 비표면적, 기공 부피, 기공률 등의 물성이 향상되었다. 몰수를 적게 하였으므로 중합 반응의 속도는 느려져 상대적으로 겔화 시간은 증가하였으나, 습윤겔 내부 비이온수의 몰분율은 감소하여 Si-O-Si 결합은 상대적으로 강해졌다.
마지막으 로 농도를 유지한 채 황산의 몰수를 감소시켜 최종적으 로 제조된 물유리 기반 실리카 에어로겔은 비표면적, 기공 부피, 기공률 등의 물성이 향상되었다. 몰수를 적게 하였으므로 중합 반응의 속도는 느려져 상대적으로 겔화 시간은 증가하였으나, 습윤겔 내부 비이온수의 몰분율은 감소하여 Si-O-Si 결합은 상대적으로 강해졌다. 따라서 건조 과정 중 기공이 무너지는 정도가 감소하여 96.
본 연구를 통해 산 종류 및 첨가량에 따른 물유리 기반 실리카 에어로겔의 기공 구조의 차이를 연구하였다. 산 촉매의 종류가 다르지만 농도 및 투입량은 같을 경우, 염산을 투입한 경우가 최종 생성물의 비표면적이 394 m2/g, 기공 부피는 2.20 cc/g, 기공률은 92.53%로 황산을 투입하여 합성한 생성물보다 물성이 우수함을 알 수 있었다. 기존의 염산 촉매와 동일한 몰 농도와 투입량의 황산을 이용할 경우, 비표면적 비표면적이 350 m2/g, 기공 부피는 0.
이는 특정한 산 촉매 농도 및 투여량에서 겔화 속도는 지연되지만, 그만큼 겔화가 안정하게 진행되면서 기공의 크기 분포가 균일해지기 때문이다. 최종적으로 산 촉매에 따른 최종 생성물의 물성 차이가 존재하며, 염산 대신 황산을 이용하여 물성이 우수한 물유리 기반 실리카 에어로겔을 제조할 수 있음을 알았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초임계 건조 방식이란?
에어로겔 제조를 위한 습윤겔의 건조 방식으로는 초임계 건조 방식과 상압 건조 방식이 있다. 초임계 건조 방식은 용매의 기화 시 표면 장력 때문에 발생하는 기공의 수축을 방지하기 위해 용매를 초임계 유체 상태가 되도록 조건을 설정하는 방식이다. 따라서 이 방식을 통해 최종적으로 생성된 에어로겔은 기공률이 일반적으로 98% 이상으로 높은 편에 속한다.
초임계 건조 방식의 단점은?
따라서 이 방식을 통해 최종적으로 생성된 에어로겔은 기공률이 일반적으로 98% 이상으로 높은 편에 속한다. 하지만 초임계 장치의 가격이 비싸며, 일반적으로 240o C 이상의 고온, 7.93 MPa 이상 의 고압의 조건에서 건조가 실시되기 때문에 안전성이 다 소 결여되어 있어 위험하다는 것이 단점으로 작용한다. 17) 반면 상압 건조 방식은 상압에서 행해지는 건조 방식이므로 상대적으로 초임계 건조 방식보다 안전하고 비용도 더 낮은 장점을 가지지만, 용매 교환 및 표면 개질제 세척으로 인해 과량의 용매가 사용 된다는 단점도 내포하고 있다.
초임계 건조 방식과 비교했을 때, 상압 건조 방식의 장단점은?
93 MPa 이상 의 고압의 조건에서 건조가 실시되기 때문에 안전성이 다 소 결여되어 있어 위험하다는 것이 단점으로 작용한다. 17) 반면 상압 건조 방식은 상압에서 행해지는 건조 방식이므로 상대적으로 초임계 건조 방식보다 안전하고 비용도 더 낮은 장점을 가지지만, 용매 교환 및 표면 개질제 세척으로 인해 과량의 용매가 사용 된다는 단점도 내포하고 있다. 1)
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