양이온 계면 활성제로 표면 개질한 다공성 중공 실리카의 표면 특성

박영출·하윤식·이한철·강현섭·김종협·장윤호

인하대학교 공과대학 화학공학과

The Properties of Surface Modification of Quaternary Ammonium Cationic Surfactants on the Spherical Porous Hallow Silica

Young Chool Park, Youn Shick Ha, Han Chul Lee, Hyun Syup Kang,

Jong Hyup Kim, Yun Ho Chang

Dept. of Chemical Eng., Inha Univ., Inchun 420-751, Korea

서론

양이온 계면활성제는 head group이 양(+)전하를 갖는 계면 활성제이며, 섬유 유연제와 대전 방지제, 살균제, 아스팔트의 유화제, 윤활유의 부식 방지제, 도료의 분산제, 부유 선광제, 세정제, 삼퓨, 무기물 표면 개질제 등에 응용된다[1,2].

그리고 silica의 응용 분야는 고기능성 신소재 등 계면 활성제 만큼 많은 분야에서 광범위하게 사용되고 있다[3,4]. 그런데 이러한 silica는 표면개질에 의해 많은 변화를 가져왔다. 그중 가장 널리 이용되고 있는 방법은 silica powder에 대한 양이온 계면 활성제의 표면 개질에 관한 연구로서 선진국에서는 다양하게 연구되고 있다[5,6]. 그 응용 분야는 무기 분산제, 고분자 첨가제, 향균성 powder, column 충진 물질, 의약 분야 등의 다양한 응용 분야에 적용되고 있다.

본 연구에서는 양이온 계면활성제의 농도에 따른 표면장력으로 계면활성제의 CMC를 구하였고, 개질된 silica 입자는 제타전위와 유변학적 특성을 살펴보았다.

실험

1. 시료 및 시약

본 연구에서 silica의 표면 개질제로 사용한 양이온 계면활성제는 dodecyl trimethyl ammonium chloride (이하 DDTMAC), hexadecyl trimethyl ammonium chloride (이하 HDTMAC), octadecyl trimethyl ammonium chloride (이하 ODTMAC)는 고압반응기로 합성한 후, IR과 NMR로 확인하여 충분히 정제한 후 사용하였다. 그리고 개질하기 위한 silica는 spherical porous hallow silica이고, 순도 최소 99%이며, BET를 이용한 비표면적은 303 m2/g, pore size는 79.62 □, 입자경은 6.89 □m를 사용하였다.

2. 표면장력 측정

본 연구에서 실리카 개질에 사용된 양이온 계면활성제의 표면장력은 독일 KRUSS GMBH사의 KRUSS K10T Digital Tensiometer를 이용하여 25℃에서 ring method로 측정하였다.

3. 실리카 개질

1L 비이커에 silica 30g을 물 400g에 20min 동안 분산시킨 후, 양이온 계면활성제(DDTMAC, HDTMAC, 그리고 ODTMAC)를 dropping하여 실온에서 18시간 동안 교반하고, 이것을 여과하여 고형분을 125℃에서 2시간 동안 건조하였다.

4. 유변학적 특성

본 연구에서 개질된 silica의 유변학적 특성을 살펴보기 위하여 스웨덴 ReoLogica Instruments AB사의 STRESSTECH Rheometer를 사용하여 25℃에서 Corn plate를 이용하여 점도변화를 측정하였다. 2% methylhydroxylcellulose sodium salt 수용액에 표면 개질된 silica를 1%, 2.5% 비율로 각각 첨가하여 Rheometer로 shear rate의 변화에 따른 viscosity의 변화를 관찰하였다.

결과 및 고찰

실리카를 개질하기 위하여 사용한 양이온 계면활성제인 DDTMAC, HDTMAC, 그리고 ODTMAC를 농도에 따라 표면장력을 측정하여 각각의 CMC를 추정하였다. 그리고 spherical hallow porous silica에 양이온 계면활성제인 DDTMAC, HDTMAC 및 ODTMAC를 각각 0.5%, 1%, 3%, 5%, 10% 무게 농도로 silica particle을 표면 개질하여 표면 특성이 어떻게 변하는가를 Rheometer를 이용하여 shear rate의 변화에 따른 viscosity의 변화를 관찰하였다.

1. 표면 장력

Silica의 표면 개질을 위해 사용한 양이온 계면활성제의 농도에 따른 표면장력의 변화를 측정하였다. 먼저 Fig. 1, 2, 3 모두 계면활성제의 농도가 증가함에 따라 표면장력의 변곡점이 나타나는데 이때의 농도가 CMC 영역에 해당된다.

따라서 DDTMAC는 0.02 mol/L 영역에서, HDTMAC는 0.0015 mol/L 영역에서, 그리고 ODTMAC는 약 0.00035 mol/L 영역에서 농도변화가 거의 없는 것으로 보아 이때의 농도가 CMC에 해당되는 것으로 판단된다. 즉, 알킬 사슬의 길이가 증가함에 따라 CMC가 감소하는 현상을 나타내었다.

2. 유변학적 특성

양이온에 의해 개질된 silica의 표면 특성을 살펴보기 위해 Rheometer를 이용하여 전단속도(shear rate)에 따른 점도 변화를 측정하였다.

먼저 FIg. 4는 순수한 silica를 2% methylhydroxylcellulose sodium salt 수용액에 1 wt.% 및 2.5 wt.%의 무게비로 분산한 후 점도변화를 측정한 것이다. Silica 1 wt.%의 경우에는 점도변화가 거의 없었으며, 2.5 wt.%의 경우에도 약간의 점도 상승이 있을 뿐이다. 즉 2% methylhydroxylcellulose sodium salt 수용액에 silica를 분산하더라도 점도 변화는 매우 적은 것으로 판단된다.

Fig. 5는 양이온 계면활성제 DDTMAC 10 wt.%에 의해 표면 개질된 silica를 2% methylhydroxylcellulose sodium salt 수용액에 1 wt.% 및 2.5 wt.%의 무게비로 분산한 후 점도변화를 측정한 것이다. 그런데 Fig. 5에서는 Fig. 4와는 달리 1 wt.%에서도 약간의 점도 상승이 있었으며, 2.5 wt%에서는 상당한 점도의 상승이 나타났다. 즉, silica의 표면에 부착된 양이온 계면활성제의 알킬 사슬이 cellulose 수용액에서 부분적인 수소결합을 하기 때문에 점도 상승을 일으키는 것으로 판단된다.

참고 문헌

1. Zana R., Levy H., Papoutsi D., and Beinert G., Langmuir, 11, 3694(1995).

2. Davey T.W., Ducker W.A., Hayman A.R., and Simpson J., Langmuir, 14, 3210(1998).

3. Ketelson H.A., Pelton R., and Brook M.A., Langmuir, 12, 1134(1996).

4. Minor M., Linde A.J. Leeuwen H.P., and Lyklema J., Colloid and Surface A, 142, 165(1998).

5. Favoriti P., Monticone V., and Treiner C., J. Colloid & Interface Sci., 179, 173(1996).

6. Goloub T and Koopal L.K., Langmuir, 13, 673(1997).