Colloidal silica를 이용한 potassium polysilicate의 합성과 물성

김보윤, 이한철, 장윤호

인하대학교 화학공학과

Synthesis and Properties of potassium polysilicate using colloidal silica

Bo-Yoon Kim, Han-Chul Lee, Yoon-Ho Chang

Department of Chemical  Engineering, Inha University

1. 서론

환경문제가 주요 사회문제로 부각되면서 유해한 VOC를 저감시킬 수 있는 환경친화성 물질에 대한 관심이 고조되고 있다. 전자재료의 thin film coating, 선박, 교량의 부식방지용 paint 등에 적용할 수 있는 유기용매를 사용하지 않는 수용성 무기 binder의 제조에 대해 연구하였다.  본 연구에서는 sodium silicate를 사용하여  colloidal silica의 제조 및 colloidal silica의 입자크기 제어 및 물성에 대해조사하였고, 실리카겔 대신에  colloidal silica 용액을 사용하여 potassium polysilicate를 합성하여,  SiO2 / K2O의 몰비(MR) 및  silica의 농도 변화에 따른 유변학적 특성을 확인하였다.

2. 이론

콜로이드 실리카는 표면에 다수의 수산기를 가지고 있으며, 내부에는 시로키산 결합(Si-O-Si)을 이루고 있다. sodium silicate 용액에서 Na이온을 제거한 실록산은 , monomer가 중합반응으로 입자를 형성하고, 이 입자가 자라난 후 사슬형태로 연결되어 액체상 전체로 망구조를 이루어 겔화되는,  3단계로 고분자화 반응이 진행된다. 첫 번째 단계에서는 Si-O-Si 결합 반응이 진행되어 3차원적인 입자가 형성되고, 두 번째 단계인 입자의 성장은 Ostwald 성장 메카니즘에 의하여 일어난다. 일정한 크기로 성장할때까지  monomer를  공급하면서 온도를 조절하면 입자가 성장하게된다[1]. colloida silica는 pulverized silica와 crystaline quartze에 비해 물에 대한 용해도가 10배 이상이며 비표면적 이 매우 커 화학적 반응성이 크므로 potassium polysilcate를 합성하기가 용이하다[2].

potassium silicate의 생성은 다음과 같다.

SiO2(monomer) + KOH  →  potassium polysilicate(SiO2/K2O)

potassium silicate의 SiO2/K2O 몰비는 colloidal silica의 량과 KOH량의 조절로 가능하다.  SiO2/K2O의 몰비(MR)가 1-2인 경우에는 SiO3이온이나 HSiO이온 형태로 존재하고 몰비가 증가할수록 실리카의 형태가 바뀌어 3차원적 구조나 전하를 띤 입자를 형성되므로  화합물의 사용처에 적합한 SiO2/K2O의 MR를 유지하는 것이 필요하다.

3. 실험

3-1 colloidal silica 제조

silica 농도 23-30%, SiO2/Na2O 몰비 3.1-3.5인 sodium silicate solution을  초순수로  실리카 농도 3-6%로 희석한 후 황산으로 중화하고 양이온교환수지를 사용하여 Na이온을 제거한 후 2번의 열처리를  거쳐 size별 colloidal silica를 제조하였다.

제조한 colloidal silica의 입자크기 및 분포는  dynamic light scattering 방법을 이용한 Particle Size Analyzer 4700(Malveron Instrument U.K.)을 사용하였다.

3-2  potassium polysilicate 제조

colloidal silica 용액에 KOH를 첨가하여 SiO2/K2O 몰비(MR)를 조절하였다. 위의 공정을 도시하면 다음과 같다.

Fig. 1. Manufacturing Process of Potassium Polysilicate

3-3 물성 실험

Colloidal silica의 물성으로 입자크기에 따른 유변학적 특성을 살펴보았다.  colloidal silica를 size별로 KOH와 반응시켜 고몰비 potassium silicate의 합성 가능성을 확인하였고 SiO2/K2O의 MR와  SiO2농도 변화에 따른 potassium polysilicate의 유변학적 특성을 확인하였다. 유변학적 특성을 조사하기 위하여 Reological Instruments(REOLOGICA사의 STRESSTECH Rheometer)를 사용하였다.

4.결과

4-1 Colloidal silica 제조와 물성

1차 가열공정을 통하여 입자를 성장시키고 가열속도를 달리하여 80℃에서 aging 시간에 따라 평균입자경을 45nm까지 상승 시킬 수 있었다. 2차 가열공정을 통해서는 140nm까지 조절할 수 있었으며, TEM을 통해 구형임을 알 수 있었다. Fig. 2는 열처리속도에 따른 입자의 성장상태를 나타낸 것이다. 이 공정에서는 초기형성된 particle에 active silica가 축적되었고 온도가 상승함에 따라 polymerization되었으며, 공존한  Na이온은 colloidal silica의 안전성에 기여했다고 사료된다. Fig.3은 실리카의 농도와 size변화에 대한 점도변화이다.  colloidal silica는 입자 크기 또는 농도가 증가할수록 shear  rate( 20 - 140 1/s)에 따른 viscosity는 일정하고, 30nm 일 때  점도 변화가 가장 작고, 입경이 증가 할 수 록 증가하는 것으로 나타났 다. 따라서 점도 변화가 뚜렷한 60, 90, 120nm의 경우 점도변화를  [eqn: f( phi , R_r )= 1.4 -10 phi · r + 480 phi^2 ·R_r^2] 와 같은 식으로 나타낼 수 있다.

4-2. potassium silicate의 제조와 물성

Fig.4는 농도 8.5%, 평균입자경 110nm, 30nm, 10nm, 3nm의 colloidal silica를 사용하여 potassium silicate를 제조후, 농도 및 MR의 변화에 따른  투명도를 확인하기 위한 turbidity 분석 결과를 도시한 것이다. 110nm 평균입자를 가지는 colloidal silica로 silicate를 제조한 경우 MR 3.8이상에서 탁도가 증가하였고, 30,10nm collodilal silica로 제조한 경우 4.8에서 증가함을 알 수 있었다. 한편 5nm이하의 colloidal silica로 제조한 silicate에서는 MR 5.3까지 4.8NTU의 투명도가 유지되었다. Fig. 5는 SiO2농도 8.5%를 기준으로 MR(SiO2/K2O) 3.5, 4.0, 4.5로 제조한 potassium silicate를 shear rate에 따른 점도를 도시한 것이다. 이그림에서 silica의 농도가 같을때 KOH를 첨가하는 양의 변화는 점도변화에 거의 영향을 미치지 않으며, shear rate25-110 l/s에서 변형속도와 응력의 관계가 거의 직선적인 Newtonia flow를 나타내고 있다. Fig. 6, 7은 MR 4.5, 5.3에서 potassium silicate의 온도 변화에 따른 점도의 변화를 도시한 것이다. 온도가 상승함에 따라 점도가 감소하고 있으며 온도가 증가할수록 점도차가 작아짐을 알 수 있다. 즉, potassium silicat의 점도는 K2O농도 영향이 매우 미약함을 알 수 있고, 점도를 제어할 때에는 SiO2농도 조절이 필요함을 알 수 있다.

5. 참고문헌

1. Hoafcio: "Chemical Society", Washington, DC, 51~60 (1990).

2. Ralph K.Iler: " The Chemistry of Silica" John Wiley & Sons. Inc., New York,        123~130.(1979)