HWAHAK KONGHAK, Vol.34, No.5, 636-643, October, 1996
졸-겔법에 의한 단분산 구형 실리카입자의 성장에 관한 연구
Growth of Monodispersed Spherical Silica Particles Prepared by Sol-Gel Method
초록
본 연구는 저온 공정의 특성에 기인하여 물질합성에 많은 장점을 가지고 있는 ’졸-겔 공정’을 이용하여 산업적으로도 이용가치가 높은 단분산 구형 실리카 입자를 제조함에 있어서, 공정에 참여하는 매개변수들의 영향을 알아보았으며, 또한 실리카 입자가 형성되고 성장하는 과정을 조사하므로서 이들의 성장 메카니즘과 각 반응조건에 따라 생성된 실리카 입자의 특성을 알아보았다. 본 연구에서 출발물질은 TEOS이며, 반응매개변수로서 [NH3],r(H2O/TEOS molar ratio), 온도 등을 선정하여 반응특성에 따라 출발물질인 TEOS분율과 실리카 입자들의 크기를 중합반응시간에 따라 추적하였다. 본 연구 조건에서 가수분해반응은 율속단계이며, 각 반응은 SN-2 반응에 의하여 수행됨을 확인할 수 있었다. 또한 실리카 입자들은 반응 초기에 일정한 수가 형성되며, 단분산 입자를 형성시키는 여러 모델들의 적용성을 검증해 본 결과, 실리카 입자들은 핵생성을 통하여 형성되는 미세입자들의 응집(aggregation)에 의하여 성장하는 것을 알 수 있었다. 본 연구조건에서는 구형의 실리카 입자가 형성되며, [NH3]와 [H2O]농도의 증가는 입자들의 크기를 증가시키며, [H2O]의 경우에는 어느 이상의 농도 증가는 오히려 입자 크기를 감소시킨다. 각 반응 조건에 따라 평균입자 크기는 약 187.44-483.33 nm이었으며, 이에 대한 표준편차는 1.7-2.9%로 균일하였으며 입자의 크기가 증가함에 따라 분포도가 좋아졌다. BET 측정결과에 따르면, 비표면적이 약 5.5 -23.4 m2/g으로 입자의 크기가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 평균 세공크기는 50-70 Å이었다.
From the formation of the monodispersed silica particle which is a valuable for the industry by Sol-Gel process, the effects of the parameters participated in the process, the growth mechanism and the characteristics of silica parti- cles for each reaction conditions are investigated. In this study, the precursor is TEOS(tetraethoxysilane) and the parameters are [NH3], r(H2O/Si molar ratio), temperature. To investigate about formation of final silica particles, the suspension which performs the polymerization is reacted with molybdic acid, and the evolutions of TEOS and silica particle size are investigated in the reaction time due to the characteristics of molybdic acid with the suspension. The kinetics were performed about the effects of these parameters. Hydrolysis is the rate limiting step and each reaction is performed by SN-2 reaction and reaction and steric effect exists due to the change of alkoxy group. From the results, a constant number of silica particle is formed at early reaction stage. Silica particles grow through the aggregation of smaller particles and nucleation is rate-limiting step for the growth of particles. In the conditions of this study, spherical silica particles are formed, [NH3] and [H2O] concentration increase the particle size but particle size decrease with [H2O] concentration which is a certain above region. Average particle sizes are 187.44-483.33mm and standard deviations in the average particle size are 1.7-2.9% with each experimental condition. From the BET results, specific surface area is 5.5-23.4 m2/g and these values decrease with increase size. The average pore size is 50-70Å.
- Lamer VK, Dinegar RH, J. Am. Chem. Soc., 72, 4847 (1950)
- Matsoukas T, Gulari E, J. Colloid Interface Sci., 124, 252 (1988)
- Feeney PJ, Napper DH, Gilbert RG, Macromolecules, 17, 2520 (1984)
- vanderWoude JHA, DeBruyn PL, Colloids Surf., 11, 391 (1983)
- Santacessaria E, Tonell M, Storti G, Pace RC, J. Colloid Interface Sci., 111, 44 (1986)
- Iler RK, J. Colloid Interface Sci., 75, 138 (1980)
- Coudurier M, Baudru R, Bull. Soc. Chim. Fr., 9, 3147 (1971)
- Hoebbel D, Wieker W, Z. Anorg. Allgem. Chem., 450, 148 (1973)
- Iler RK, "The Chemistry of Silica," John Wiley & Sons Inc. (1979)
- Goto K, Okura T, Jpn. Anal., 4, 175 (1955)
- Alexander GB, J. Am. Chem. Soc., 75, 5655 (1953)
- Alexander GB, AAPG Bull., 61, 1563 (1957)
- Hoebbel D, Wieker W, Stade H, Z. Anorg. Allgem. Chem., 366, 139 (1969)
- VanHelden AK, Jansen JW, Vrji A, J. Colloid Interface Sci., 81(2), 354 (1981)
- Bogush GH, Tracy MA, Zukoski CF, J. Non-Cryst. Solids, 104, 95 (1988)
- Yoon HS, Park HS, Kim SH, HWAHAK KONGHAK, 32(4), 557 (1994)
- Brinker CJ, J. Non-Cryst. Solids, 100, 30 (1988)
- Hunter RJ, "Foundations of Colloid Science," Oxford (1987)
- Yoon HS, Hwang UY, Park HS, HWAHAK KONGHAK, 34(5), 556 (1996)
- Nielson AE, "Kinetics of Precipitation," Pergamon, London (1964)