KR100651243B1 - 구형 실리카의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 규산나트륨을 출발물질로 하여 침전 실리카를 제조하되, 이때 분산제를 첨가하여 교반속도 조절 및 유화반응시간 조절을 통해 실리카 입자크기를 간단히 제어할 수 있도록 한 구형실리카의 제조방법을 제공한다.

이를 위해, 규산나트륨(Na₂·nSiO₂, 여기서 n은 2 내지 4의 정수)을 출발물질로 하여 분산제의 존재 하에서 유화반응시키고, 이를 산과 반응시키는 방법으로 수행되며, 유화반응시 1,000~2,000rpm으로 교반속도를 조절하여 평균입경이 0.5 내지 5㎛ 범위 내에서 조절되면서 1.2~10㎛ 범위의 입도 분포를 갖는 구형 실리카를 얻는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 유화반응 교반속도를 조절하는 간단한 방법으로 실리카의 입자 크기를 제어할 수 있게 되어 수득율을 제고할 수 있고, 고품질, 고가의 실리카 입자를 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

규산소다, 침전실리카, 구형실리카, 유화제, MC, 입자크기, 입도분포

Description

구형 실리카의 제조 방법{Manufacturing method for spherical silica}

도 1은 본 발명의 구형 실리카 겔의 제조공정도이다.

도 2는 유화반응 교반속도를 1000rpm으로 조절하여 생성된 실리카의 입자 형태를 확인하기 위해 도시한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

도 3은 유화반응 교반속도를 1500rpm으로 조절하여 생성된 실리카의 입자 형태를 확인하기 위해 도시한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

*도면 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 - 유화기 2 - 반응조

3 - 용매 및 분산제 탱크 4 - 물유리 및 희석탱크

5 - 펌프 6 - 여과기

7 - 가열 및 숙성조 8 - 용매 회수탱크

9 - 펌프 10 - 해쇄기

11 - 대기조 12 - 탈수기

13 - 건조기 14 - 분쇄기

본 발명은 구형 실리카의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 규산나트륨을 출발물질로 하여 이를 유화시키는 데 있어서 분산제로서 실리콘계 오일을 첨가하여 교반속도를 조절함으로써 용이하게 실리카의 입자크기를 제어할 수 있는 구형 실리카의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 실리카 입자는 흡습제, 화장품 첨가제, 촉매 담지체, 디스플레이용 격막 등 다양한 분야에서 상당한 활용가치를 가지고 있다.

실리카의 제조방법으로는 크게 습식법(Wet Process)과 건식법(Dry Process)으로 구분할 수 있는 바, 습식법을 이용해 겔 타입 실리카(Gel Type Silica)와 침전 실리카(Precipitated Silica)를 제조할 수 있으며, 건식법을 이용하여 흄드 실리카(Fumed Silica) 및 ARC 프로세스 실리카 등을 제조할 수 있다.

종래 실리카 입자 제조방법의 일예로는 일본특허 공개 제62-8915호에 개시된 비정질 실리카 내지 실리카알루미나 구상입자 및 그 제조방법, 일본특허 공개 제62-76395호에 개시된 24면체상 규산질 입자 및 그 제법, 국내특허 제30387호에 개시된 구형 실리카겔의 제조방법 및 장치, 국내특허 공개 제2002-25138호에 개시된 초미세분말 산화규소의 제조방법 및 국내특허 공개 제2003-45499호에 개시된 구형 실리카 분말의 제조방법 등이 있는데, 이들 방법에서는 실리카의 입자 크기를 제어하는 방법을 개시하고 있지 못하며, 입도 분포가 넓어 수득율에서 불리한 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 종래 구형 실리카의 제조방법에 있어서 입자 크기의 제어가 어려운 문제점을 해결하고 좁은 입도 분포로서 구형 실리카를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것으로서, 규산나트륨을 출발물질로 하여 이를 유화반응 시키는데 있어서 교반속도를 조절하고, 유화반응 시간을 조절한 결과, 실리카의 입자 크기를 용이하게 제어할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 용이하게 입자 크기를 제어하면서 좁은 입도 분포를 갖도록 구형의 실리카를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구형 실리카의 제조방법은, 규산나트륨(Na₂·nSiO₂, 여기서 n은 2 내지 4의 정수)을 출발물질로 하여 분산제의 존재 하에서 유화반응시키고, 이를 산과 반응시키는 방법으로 수행되는 바, 이때 유화반응은 1,000~2,000rpm으로 교반속도를 조절하여 입자 크기가 0.5 내지 5㎛로 조절되고, 입도 분포가 1.2~10㎛ 범위로 조절된 구형 실리카를 제조하는 것을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 구형 실리카의 제조방법은 규산나트륨(Na₂·nSiO₂, 여기서 n은 2 내지 4의 정수)을 출발물질로 하여 분산제의 존재 하에서 유화반응시키고, 이를 산과 반응시키는 방법으로 수행되며, 유화반응시 1,000~2,000rpm으로 교반속도를 조절하여 평균입경이 0.5 내지 5㎛ 범위 내에서 조절되면서 1.2~10㎛ 범위의 입도 분포를 갖는 구형 실리카를 얻는 것이다.
특히 본 발명은 규산나트륨(Na₂·nSiO₂, 여기서 n은 2 내지 4의 정수)을 알킬렌 할라이드 유기용매 및 분산제의 존재 하에 1,000~2,000rpm으로 교반하여 유화시키는 제 1단계;
상기 제 1단계의 유화반응이 완료된 후 탄산가스, 암모니아수 및 산을 투입하여 반응시켜 결정화하는 제 2단계;
제 2단계의 반응물에 암모니아 가스를 주입하는 제 3단계;
상기 제 3단계의 반응물에 물을 첨가하고 저속으로 교반하면서 층분리시키는 제 4단계;
제 4단계에서 층분리된 용제층을 회수하고, 수층을 가열하는 제 5단계; 및
상기 제 5단계의 가열된 액을 해쇄하고, 세척, 탈수하여 얻어진 케익을 건조시켜 평균입경이 0.5~5㎛로 조절되며, 입도분포 1.2~10㎛인 구형 실리카 입자를 제조하는 제 6단계;를 포함하는 구형 실리카 입자의 제조방법이 특징이다.

본 발명에 따른 구형 실리카를 제조하는 방법을 첨부된 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 규산나트륨(Na₂·nSiO₂, 여기서 n은 2 내지 4의 정수)을 출발물질로 하여, 알킬렌 할라이드 용매, 및 분산제의 존재 하에 1,000~2,000rpm으로 교반하여 유화시킨다.

구체적으로는, 물유리 및 희석탱크(4)에서 규산나트륨과 물을 섞는다. 한편, 유화기(1)에는 알킬렌 할라이드 용매, 구체적으로는 메틸렌클로라이드에 분산제를 투입한 후 1,000 내지 2,000rpm으로 교반하면서, 희석해둔 규산나트륨을 펌프(5)를 사용하여 유화기(1)에 투입하여 20분 내지 1시간 동안 반응시킨다. 이때, 분산제로는 실리콘계 오일을 사용하는 바, 이때는 1종 이상의 실리콘계 오일을 혼용할 수 있다. 이같은 분산제의 사용은 용매에 규산나트륨이 고르게 분산되어 다공성 실리카 입자형태를 갖게 하는 역할을 한다. 분산제의 사용량은 용매를 기준으로 하여 5중량% 내외인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 실리카의 입도분포를 조절하는 인자는, 유화기에서의 교반속도 조절에 있는 바, 실리콘계 오일을 분산제로 사용하면서 유화반응 교반속도를 1,000 내지 2,000rpm으로 조절하면 0.5 내지 5㎛의 평균입경을 갖도록 입자크기를 조절하면서, 입도분포가 1.2 내지 10㎛ 범주로 좁혀진 구형의 실리카를 얻을 수 있게 된다. 이는 경제적으로 고품질, 고가의 구형 실리카 입자를 제조할 수 있는 방법이다.

상기와 같이 유화기(1)에서 유화반응이 완료되고 나면, 반응조(2)로 이송하고 여기에 탄산가스, 암모니아수 및 산을 투입하여 반응시켜 결정화 반응을 수행한 다. 구체적으로는 유화반응 종료 후 반응조로 이송하고, 여기에 탄산가스를 주입하면서 벽면에 제품이 달라 붙지 않도록 암모니아수를 점적하면서 10 내지 15rpm 정도로 교반한다. 20분 내지 60분 정도 반응한 후 산을 첨가하여 pH를 2 내지 3이 되도록 한다.

반응조(2)에서는 규산나트륨과 산, 구체적으로는 황산과의 반응이 이루어지는 바, 이때는 pH 2 내지 3이 되도록 황산을 첨가하여 30분 내지 2시간 동안 반응을 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 규산나트륨과 산의 사용비는 규산나트륨을 기준으로 하여 1:0.5 내지 1:0.7중량비인 것이 통상 바람직하다.

그리고 나서, 반응조(2)에 암모니아 가스를 주입하여 반응조를 알칼리 분위기로 조절한다. 구체적으로는 pH 9 내지 12가 되도록 암모니아 가스를 주입한다.

그리고 나서, 여기에 물을 첨가하여 층분리를 수행한다.

층분리된 용제층을 회수하여 용제 회수탱크(8)로 보내고, 나머지 수층을 가열 및 숙성시킨다. 이는 가열 및 숙성조(7)에서 수행된다. 구체적으로는 80 내지 100℃에서 가열하면서 1 내지 5시간 동안 숙성시킨다.

그 다음은, 숙성된 액을 해쇄기(10)로 이송하여 해쇄하는 단계이다. 그리고, 세척 및 탈수하여 이를 건조기(13)에 넣어 100 내지 130℃에서 15 내지 20시간 동안 건조한 다음, 분쇄하면 목적하는 구형 실리카 입자를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것 은 아니다.

실시예 1

Na₂ · nSiO₂ 2㎏에 물 50㎖을 섞어 용기(4)에 적재하였다.

이와는 별도로, CH₂Cl₂ 6L에 실리콘계 오일 1.05g을 분산제로 혼합하여 유화기(1)에 투입한 후 1,000rpm의 속도로 교반을 시작하면서 상기에서 희석된 규산나트륨을 ℓ유화기(1)에 투입하여 30분 동안 반응시켰다.

유화반응이 종료된 후 반응조(2)로 이송하여 탄산가스를 5ℓ/min 되도록 주입하고, 용기 안쪽면에 제품이 달라붙지 않도록 암모니아수를 점적하면서 12rpm 정도로 교반하였다. 25분 반응 후 pH2~3이 될 때까지 H₂SO₄을 투입하였다(규산나트륨:황산의 사용비: 규산나트륨을 기준으로 1:0.5중량비). pH2~3를 유지하면서 2시간 반응 후 암모니아가스를 주입하여 pH11로 조절한 다음, 물 200㎖를 투입, 분리하여 용매층은 분리하여 용매 회수탱크(8)로 보내고, 수층을 가열 및 숙성조(7)로 이송하여 100℃로 가열하면서 1시간 숙성하였다. 숙성 후 해쇄기(10)로 이송하여 20분간 해쇄한 후 원심분리기를 이용하여 5시간 탈수하여 건조기(13)에 넣어 125℃에서 17시간 건조 한 후 분쇄하여 실리카 입자를 수득하였다. 수득율은 84% 이었다.

얻어진 실리카 입자에 대해 SEM을 관찰하여 도 2에 나타내었다. 그 결과, 실리카 입자는 평균입경이 5㎛이고, 입도분포가 3.6 내지 7.2㎛임을 확인할 수 있었다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 입자를 제조하되, 다만 유화반응에 있어서의 교반속도를 1,500rpm으로 실시하였다. 수득율은 89%이었다.

얻어진 실리카 입자에 대해 SEM을 관찰하여 도 3에 나타내었다. 그 결과, 실리카 입자는 평균입경이 2.7㎛이고, 입도분포가 1.3 내지 3.8㎛임을 확인할 수 있었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 유화반응 교반속도를 조절하는 간단한 방법으로 실리카의 입자 크기를 제어할 수 있게 되어 수득율을 제고할 수 있고, 고품질, 고가의 실리카 입자를 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 규산나트륨(Na₂·nSiO₂, 여기서 n은 2 내지 4의 정수)을 알킬렌 할라이드 유기용매 및 분산제의 존재 하에 1,000~2,000rpm으로 교반하여 유화시키는 제 1단계;

   상기 제 1단계의 유화반응이 완료된 후 탄산가스, 암모니아수 및 산을 투입하여 반응시켜 결정화하는 제 2단계;

   제 2단계의 반응물에 암모니아 가스를 주입하는 제 3단계;

   상기 제 3단계의 반응물에 물을 첨가하고 저속으로 교반하면서 층분리시키는 제 4단계;

   제 4단계에서 층분리된 용제층을 회수하고, 수층을 가열하는 제 5단계; 및

   상기 제 5단계의 가열된 액을 해쇄하고, 세척, 탈수하여 얻어진 케익을 건조시켜 평균입경이 0.5~5㎛로 조절되며, 입도분포 1.2~10㎛인 구형 실리카 입자를 제조하는 제 6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형 실리카의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 분산제로는 실리콘계 오일을 사용하는 것을 특징으로 하는 구형 실리카의 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 유화반응은 20분 내지 1시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 구형 실리카의 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 산으로는 황산을 사용하는 것을 특징으로 하는 구형 실리카의 제조방법.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 규산나트륨과 산은 규산나트륨을 기준으로 하여 1:0.5 내지 1:0.7 중량비가 되도록 사용되는 것을 특징으로 하는 구형 실리카의 제조방법.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2단계는 pH2 내지 3에서 20분 내지 1시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 구형 실리카의 제조방법.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 3단계는 pH 9 내지 12가 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 구형 실리카의 제조방법.

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