화학공학실험
Sol-Gel법에 의한 SiO2 Gel 제조
목 차 실험 목적 실험 이론 실험 기구 시약 실험 방법
1. 실험목적 Sol-Gel법을 이용하여 구형의 SiO2를 제조한다.
2. 실험 이론 콜로이드 Sol과 Gel Sol-Gel법 SiO2
콜로이드 물질의 분산상태를 나타내는 것으로 교질(膠質)이라고도 한다. 물질이 분자 또는 이온상태로 액체 중에 고르게 분산해 있는 것을 용액이라고 하는데, 이것에 대해서 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~100nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 응집하거나 침전하지 않고 분산된 상태를 콜로이드 상태라고 하며, 콜로이드 상태로 되어 있는 것 전체를 콜로이드라고 한다.
Sol과 Gel Sol: 액상에 고체입자가 분산되어 있는 콜로이드. (예) 먹물, 잉크, 아교, 녹말, 우유, 크림, 마요네즈, 비눗물 등 Gel: sol의 입자들이 물리적인 힘으로 연결되어 형성(gelation)된 망상조직. (예) 실리카겔, 젤리, 비스킷, 한천, 단백질,버터, 묵 등
History Chemist Mineralogist Ceramic Industry Ebelmen(1846) Geffcken, Graham, Hurd, Kistler (1930s) Mineralogist Homogeneous powder의 제조 radioactive oxide의 작은 구체 제조 Ceramic Industry 60년대 후반에서 70년대 초반에 관심 Levene & Thomas(1972), Dislich (1971) Ceramic fiber Yamme, Yoldas(1970s)
Sol-Gel법 용액에서 졸 및 겔의 상태를 거친 후 가열하여 유리를 만드는 방법으로 종래의 용융유리에 비해 저온에서 생성되기 때문에 유리조성의 선택범위가 넓어진다.
solvent extraction gelation evaporation evaporation of solvent
Sol-Gel법 분류 알콕사이드 졸겔법 * 직경이 3 ~ 4nm인 일차입자들이 겔 망목을 형성한다. * 입자들이 사슬로 뭉쳐지면서 겔 소지를 단단하게 한다. * 겔이 건조되면서 수축한다. * 수축이 더 진행되면서 소결중에 기공이 닫힌다. * 최종적으로 기공이 제거된 소자 콜로이드 졸겔법 * 평균 직경이 50 ~ 500nm의 균일한 콜로이드 입자로 된 졸 * 성형한 건조 수지에 조밀하게 충진된 입자들 * 기공의 크기가 점차 감소하지만 기공은 완전히 제거되지 않으 면서 소자의 점진적인 소 결과 수축의 진행
Sol-Gel법의 특징 저온합성가능 각종형상 및 미세구조 조절 가능 균질성향상 환경친화적, 생산성향상 수산기가 생성되는 원료는 모두 사용 가능 유-무기 하이브리드
Sol-Gel법의 원리 Uniform particle ☞ Sol ☞ Gel ☞ Aging ☞ Solvent drying ☞ Sintering 기본반응 – 수화반응 & 축합반응 가수분해반응 : 물 축합반응 : 알코올 축합반응 :
Sol-Gel법에 작용하는 요인 pH 의존성 온도 의존성 산-염기 촉매 의존성 유도 효과. 입체 효과. Solvent effect H2O와 전구체의 비 (R값)
pH 의존성
pH 의존성
온도 의존성 온도가 높아지면 SiO2용해도가 높아지지만 pH변화에는 안정적으로 변동이 없다. 하지만 pH 10이 넘으면 용해도는 급격하게 증가한다.
산-염기 촉매 의존성
H2O/TEOS 몰 비(R), R값에 대한 겔 시간의 변화
3. 실험기구 Hot Plate 온도 제어기(온도 조절기) 3구 플라스크 Dropping Funnel Magnetic Bar 전자저울
Hot Plate
온도 제어기(온도 조절기)
3구 플라스크
Dropping Funnel
Magnetic Bar
전자저울
4. 시 약 에탄올 증류수 염산 TEOS ※ SiO2
에탄올 – CH3CH2OH 특유한 냄새와 맛이 나는 무색 액체. 분자량 : 46.07 녹는점 : －114.5 ℃ 끓는점 : 78.3 ℃ 비중 : 0.7893
증류수 - H2O 물을 가열했을 때 발생하는 수증기를 냉각시켜 탈염(脫鹽) 정제된 물을 말한다. 분자량 : 18 녹는점 : 0 ℃ 끓는점 : 100 ℃
염산 - HCl 염화수소 HCl의 수용액. 보통 무색이며 물에 대한 용해도가 큼. 분자량 : 36.5 끓는점 : 108.584 ℃ (1atm하에서) 비중 : 1.180(35.4%)
TEOS(Tetra Ethly Ortho Silicate) 용매로서 THF, DMF 등 Aprotic 극성 용매가 가장 좋다. 화학식 : (CH3CH2O)4Si 분자량 : 208.33
※ TEOS는 물과 반응성이 아주 뛰어나므 로 가능한 빠르게 처리해야 함. (CH3CH2O)4Si + 4H2O → (OH)4Si + 4CH3CH2OH (OH)4Si → SiO2 + 2H2O
※ SiO2 흡착력이 강한 규산의 Gel. 무색 또는 황갈색이며 투명 혹은 반투명인 분말의 형태를 가짐. 모스경도 : 4.5~5 밀도 : 2~2.5g/㎤ 보통 합성물은 규산나트륨 수용액에 염산과 반응한 후 물로 세척하여 건조시켜 얻음. 인체에 무해한 제습제.
※ SiO2 용도 고온에 견디며 팽창률이 아주 작고 급격한 열변화에 강하므로 내열유리로 사용되며 자외선을 잘 통과하기 때문에 각종 광학장치에 사용. 그 밖에 피에조 전기의 특성이 있기 때문에 수정발진기에도 사용되며 비결정성인 것 특히 실리카겔은 흡습성이 있어서 건조제로 사용.
5. 실험방법 종 류 분자량 Mole % 사용몰수 TEOS 208.3 6.7 0.134 EtOH 155.94 25.8 시료를 도표와 같이 정량한다. ※ 이때, 물의 양은 HCl과 EtOH에 포함된 물도 고려해야함. 종 류 분자량 Mole % 사용몰수 TEOS 208.3 6.7 0.134 EtOH 155.94 25.8 0.516 H2O 18 67.3 1.346 HCl 17 0.2 0.004
(2) 3구 플라스크에 준비된 에탄올을 넣고 TEOS를 천천히 넣어준다. (3) 이 합성용액을 급격히 교반하는 상태에서 물을 한 방울씩(dropwise) 넣어준다. (4) 5분 후 HCl을 조금씩 넣어주고 공기가 들어가지 않도록 잘 말린다.
(5) 온도 제어기로 반응온도를 50℃로 일정하게 유지하며 1.5시간 동안 반응시킨다. (6) 반응이 끝난 후 합성된 sol을 drying oven에 50℃로 하루 정도 aging 후 만들어진 wet gel을 관찰한다.
The End - Thank you -