화학공학실험화학공학실험

Sol-GelSol-Gel 법에 의한법에 의한 SiOSiO22 Gel Gel 제조제조

목 차목 차1. 실험 목적2. 실험 이론3. 실험 기구4. 시약 5. 실험 방법

1. 1. 실험목적실험목적

Sol-Gel 법을 이용하여 구형의 SiO2 를 제조한다 .

2. 2. 실험 이론실험 이론콜로이드Sol 과 GelSol-Gel 법SiO2

콜로이드콜로이드 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 .

SolSol 과 과 GelGel

Sol: 액상에 고체입자가 분산되어 있는 콜로이드 .

( 예 ) 먹물 , 잉크 , 아교 , 녹말 , 우유 , 크림 , 마요네즈 , 비눗물 등

Gel: sol 의 입자들이 물리적인 힘으로 연결되어 형성(gelation) 된 망상조직 .

( 예 ) 실리카겔 , 젤리 , 비스킷 , 한천 , 단백질 , 버터 , 묵 등

HistoryHistory Chemist

Ebelmen(1846) Geffcken, Graham, Hurd, Kistler (1930s)

Mineralogist Homogeneous powder 의 제조 radioactive oxide 의 작은 구체 제조

Ceramic Industry 60 년대 후반에서 70 년대 초반에 관심 Levene & Thomas(1972), Dislich (1971) Ceramic fiber Yamme, Yoldas(1970s)

Sol-GelSol-Gel 법법

용액에서 졸 및 겔의 상태를 거친 후 가열하여 유리를 만드는 방법으로 종래의 용융유리에 비해 저온에서 생성되기 때문에 유리조성의 선택범위가 넓어진다 .

solventextraction

evaporation of solvent

gelationevaporation

Sol-GelSol-Gel 법 분류법 분류 알콕사이드 졸겔법 * 직경이 3 ~ 4nm 인 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 ~ 500nm 의 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 * 최종적으로 기공이 제거된 소자

Sol-GelSol-Gel 법의 특징법의 특징저온합성가능각종형상 및 미세구조 조절 가능균질성향상환경친화적 , 생산성향상수산기가 생성되는 원료는 모두 사용 가능유 - 무기 하이브리드

기본반응 – 수화반응 & 축합반응

가수분해반응 :

물 축합반응 :

알코올 축합반응 :

Sol-GelSol-Gel 법의 원리법의 원리Uniform particle Sol Gel Aging ☞ ☞ ☞ ☞Solvent drying Sintering☞

Sol-GelSol-Gel 법에 작용하는 요인법에 작용하는 요인pH 의존성온도 의존성산 - 염기 촉매 의존성유도 효과 .입체 효과 .Solvent effect

H2O 와 전구체의 비 (R 값 )

pH 의존성

pH 의존성

온도 의존성온도가 높아지면 SiO2 용해도가 높아지지만 pH변화에는 안정적으로 변동이 없다 . 하지만 pH 10 이 넘으면 용해도는 급격하게 증가한다 .

산 - 염기 촉매 의존성

H2O/TEOS 몰 비 (R), R 값에 대한 겔 시간의 변화

3. 3. 실험기구실험기구Hot Plate온도 제어기 ( 온도 조절기 )3 구 플라스크Dropping FunnelMagnetic Bar전자저울

Hot Plate

온도 제어기 ( 온도 조절기 )

3 구 플라스크

Dropping Funnel

Magnetic Bar

전자저울

4. 4. 시 약시 약에탄올증류수염산TEOS

※ 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 HCl 의 수용액 . 보통 무색이며 물에 대한 용해도가 큼 .

분자량 : 36.5

끓는점 : 108.584 (1atm℃ 하에서 )

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

※ TEOS 는 물과 반응성이 아주 뛰어나므 로 가능한 빠르게 처리해야 함 .

(CH3CH2O)4Si + 4H2O →

(OH)4Si + 4CH3CH2OH

(OH)4Si → SiO2 + 2H2O

※ ※ SiOSiO22

흡착력이 강한 규산의 Gel.무색 또는 황갈색이며 투명 혹은 반투명인

분말의 형태를 가짐 .모스경도 : 4.5~5밀도 : 2~2.5g/ ㎤보통 합성물은 규산나트륨 수용액에 염산과

반응한 후 물로 세척하여 건조시켜 얻음 .인체에 무해한 제습제 .

※ ※ SiOSiO22

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. 5. 실험방법실험방법

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

(1) 시료를 도표와 같이 정량한다 .※ 이때 , 물의 양은 HCl 과 EtOH 에 포함된 물도

고려해야함 .

(2) 3 구 플라스크에 준비된 에탄올을 넣고 TEOS 를 천천히 넣어준다 .

※ 주의 : TEOS 는 공기중의 산소 ( 혹은 물 ) 와 반응성이 있으므로 가능한 빠르게 처리한다 .

(3) 이 합성용액을 급격히 교반하는 상태에서 물을 한 방울씩 (dropwise) 넣어준다 .

(4) 5 분 후 HCl 을 조금씩 넣어주고 공기가 들어가지 않도록 잘 말린다 .

(5) 온도 제어기로 반응온도를 50℃ 로 일정하게 유지하며 1.5 시간 동안 반응시킨다 .

(6) 반응이 끝난 후 합성된 sol 을 drying oven 에 50℃ 로 하루 정도 aging 후 만들어진 wet gel 을 관찰한다 .

The End The End - Thank you -- Thank you -