infrared spectra and thermal properties of sodium silicate...

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[Research Paper] 대한금속 · 재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 56, No. 1 (2018) pp.72-78 72 DOI: 10.3365/KJMM.2018.56.1.72 규산나트륨 수용액의 분자결합구조 및 열적특성 연구 류영복 · 이만식* 한국생산기술연구원 친환경재료공정그룹 Infrared Spectra and Thermal Properties of Sodium Silicate Solutions Young Bok Ryu and Man Sig Lee * Green Mateials & Process Group, Korea Institute of Industrial Technology(KITECH), Ulsan 44413, Republic of Korea Abstract: An inorganic binder is a good way to mitigate the environmental issues of organic binders containing phenol, formaldehyde, etc. One of the most representative materials in the field of inorganic moulding sand binders is a group of binder systems based on alkali silicate compounds, however, many aspects need to be improved, such as flowability, usable time and moisture resistance. In order to develop and improve inorganic binders, it is necessary to understand the characteristics of raw materials and utilize them appropriately. In this study, FT-IR analysis and thermal properties of aqueous sodium silicate solution were investigated. The FT-IR analysis results indicated, that asymmetric vibrations had higher wavenumber than their symmetric vibrations and also the stretching vibrations appeared at higher energies than the deformation vibrations. FT-IR analysis of Na 2 SiO 3 showed that the asymmetric stretching vibration absorption band of Si-O(Na) was indicated at around 1030 cm -1 , and the absorption bands due to hydrated unit molecules were observed in the sodium silicate solution. As a result of TGA analysis of the dried sample, the weight loss of about 16% which was confirmed to be due to pyrolysis of the silanol group up to 500 o C, and an XRD analysis of the dried sample after heat treatment was confirmed that quartz crystals were formed at 900 o C or higher. (Received August 31, 2017; Accepted October 31, 2017) Keywords: sodium silicate solutions, FT-IR, thermal properties 1. 알칼리 실리케이트는 soda, potash, lithia 같은 알칼리 금속과 구성된 규산염을 일컫는다 [1]. 보통 실리카를 탄산 나트륨과 고온에서 반응시키는 것으로 무수 메타규산나트 (anhydrous sodium metasilicate) 얻을 있으며, 물에 녹일 경우 시중에 판매되는 물유리의 형태를 가지 된다. 물에 용해된 물유리는 알칼리금속의 종류, 실리카 알칼리금속산화물의 비와 용액의 농도( 수분함량) 따라 다양한 특성을 나타낸다. 일반적으로 실리카(SiO 2 ) 알칼리금속산화물(M 2 O) 무게 비를 R W , 비를 R M 으로 표기하는데, 성분비교시 효과적으로 활용할 있다. 규산 나트륨의 경우 R M = 1.032Rw, 규산포타슘은 R M = 1.568R W 비율을 가지므로 환산하기도 용이하다. 규산나 트륨은 액상 또는 고상, 결정질 혹은 비정질 분말로 사용 되고 있다. 무수 규산나트륨은 독립적으로 거동하는 SiO 3 2- 이온이 아닌 모서리를 공유하는 {SiO 4 } 사면체로 구성 사슬형태의 고분자 음이온이다 [2-4]. 수분이 함유될 5, 9 수화물로 독립거동하며 안정적으로 존재하는데 수분함량은 R(SiO 2 /M 2 O) 비와 함께 규산염 수용액에 대한 독특한 조성과 용액의 밀도 등으로 정의된다. 물유리 불리는 규산나트륨 수용액의 R M 비는 1.5~4 일반적이 . 고상의 결정질 규산나트륨은 종종 결정수를 함유하기 하나, 시판되는 제품으로는 orthosilicate(Na 2 O·0.5SiO 2 ), metasilicate(Na 2 O·SiO 2 ) 그리고 disilicate(Na 2 O·2SiO 2 )알려져 있다. 공기 중에서는 이산화탄소를 흡수하여 양의 규산이 석출되므로, 강한 접착력을 보인다. 강한 알카 *Corresponding Author: Man Sig Lee [Tel: +82-52-980-6630, E-mail: [email protected]] Copyright The Korean Institute of Metals and Materials

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[Research Paper] 대한금속 ·재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 56, No. 1 (2018) pp.72-78 72

DOI: 10.3365/KJMM.2018.56.1.72

규산나트륨 수용액의 분자결합구조 및 열적특성 연구

류영복 · 이만식*

한국생산기술연구원 친환경재료공정그룹

Infrared Spectra and Thermal Properties of Sodium Silicate Solutions

Young Bok Ryu and Man Sig Lee*

Green Mateials & Process Group, Korea Institute of Industrial Technology(KITECH), Ulsan 44413, Republic of Korea

Abstract: An inorganic binder is a good way to mitigate the environmental issues of organic binders

containing phenol, formaldehyde, etc. One of the most representative materials in the field of inorganic

moulding sand binders is a group of binder systems based on alkali silicate compounds, however, many

aspects need to be improved, such as flowability, usable time and moisture resistance. In order to develop and

improve inorganic binders, it is necessary to understand the characteristics of raw materials and utilize them

appropriately. In this study, FT-IR analysis and thermal properties of aqueous sodium silicate solution were

investigated. The FT-IR analysis results indicated, that asymmetric vibrations had higher wavenumber than

their symmetric vibrations and also the stretching vibrations appeared at higher energies than the

deformation vibrations. FT-IR analysis of Na2SiO3 showed that the asymmetric stretching vibration

absorption band of Si-O(Na) was indicated at around 1030 cm-1, and the absorption bands due to hydrated

unit molecules were observed in the sodium silicate solution. As a result of TGA analysis of the dried sample,

the weight loss of about 16% which was confirmed to be due to pyrolysis of the silanol group up to 500 oC,

and an XRD analysis of the dried sample after heat treatment was confirmed that quartz crystals were formed

at 900 oC or higher.

(Received August 31, 2017; Accepted October 31, 2017)

Keywords: sodium silicate solutions, FT-IR, thermal properties

1. 서 론

알칼리 실리케이트는 soda, potash, lithia와 같은 알칼리

금속과 구성된 규산염을 일컫는다 [1]. 보통 실리카를 탄산

나트륨과 고온에서 반응시키는 것으로 무수 메타규산나트

륨(anhydrous sodium metasilicate)을 얻을 수 있으며, 이

를 물에 녹일 경우 시중에 판매되는 물유리의 형태를 가지

게 된다. 물에 용해된 물유리는 알칼리금속의 종류, 실리카

와 알칼리금속산화물의 몰 비와 용액의 농도(수분함량)에

따라 다양한 특성을 나타낸다. 일반적으로 실리카(SiO2)와

알칼리금속산화물(M2O)의 무게 비를 RW, 몰 비를 RM으로

표기하는데, 성분비교시 효과적으로 활용할 수 있다. 규산

나트륨의 경우 RM = 1.032Rw, 규산포타슘은 RM =

1.568RW의 비율을 가지므로 환산하기도 용이하다. 규산나

트륨은 액상 또는 고상, 결정질 혹은 비정질 분말로 사용

되고 있다. 무수 규산나트륨은 독립적으로 거동하는 SiO32-

이온이 아닌 각 모서리를 공유하는 {SiO4} 사면체로 구성

된 사슬형태의 고분자 음이온이다 [2-4]. 수분이 함유될 경

우 5, 9수화물로 독립거동하며 안정적으로 존재하는데 용

액 중 수분함량은 R(SiO2/M2O)비와 함께 규산염 수용액에

대한 독특한 조성과 용액의 밀도 등으로 정의된다. 물유리

로 불리는 규산나트륨 수용액의 RM비는 1.5~4가 일반적이

다. 고상의 결정질 규산나트륨은 종종 결정수를 함유하기

도 하나, 시판되는 제품으로는 orthosilicate(Na2O·0.5SiO2),

metasilicate(Na2O·SiO2) 그리고 disilicate(Na2O·2SiO2)로

알려져 있다. 공기 중에서는 이산화탄소를 흡수하여 겔 모

양의 규산이 석출되므로, 강한 접착력을 보인다. 강한 알카*Corresponding Author: Man Sig Lee

[Tel: +82-52-980-6630, E-mail: [email protected]]

Copyright ⓒ The Korean Institute of Metals and Materials

류영복 · 이만식 73

리성인 물유리를 산으로 중화시켜 생성된 침전물을 건조시

킨 것이 흡습제로 널리 이용되고 있는 실리카겔이다. 이

밖에도 물유리의 다양한 특성을 이용하여 세척첨가제, 주

조용 바인더, 접착제, 표면코팅제(콘크리트, 자동차, 방염처

리섬유 등), 굴착유체(Drilling fluids), 제지공정 탈묵증진제

및 표백제, 수처리제, 내화재, 염료보조제, 촉매(제올라이트)

원료 등 광범위하게 사용되고 있다 [5-8].

최근 활발히 연구되고 있는 주물사용 무기바인더는 수용

성 염 화합물 기반의 salt binder [9,10]와 알칼리실리케이

트 수용액을 이용하는 silicate binder [11,12]가 있다. salt

binder 시스템에서 바인더는 salt, 물 및 기타 첨가제로 구

성되어 있으며, 주물사와 혼합될 때 습윤성을 가지는 혼련

사가 된다. 이 혼련사를 특정 모양의 형틀에 넣어 고온에

서 탈수시킬 때 바인더의 결정화가 진행되어 주조가 가능

한 강도를 가지는 주형이 된다. 폴리인산나트륨이나 황산

마그네슘이 바인더의 주원료로 사용되고 있으나, 황산마그

네슘의 경우 습도조절 문제로 규산염 기반의 원료물질로

대체되고 있으며, 이 공정으로 발생되는 폐주물사의 경제

적 재생이 어렵다는 단점이 있다. silicate binder는 물유리

기반의 혼합물로서 다양한 방법을 이용하여 경화시킬 수

있다. 이산화탄소나 액체 에스테르를 이용하여 화학적으로

경화시키는 방법과 건조기술을 이용하여 binder 구성성분

의 물리적 결합을 유도하여 경화시키는 방법이 있다. 일반

적으로 성형재료를 건조하여 얻은 주형의 강도는 화학적

경화를 통해 얻은 주형의 강도보다 높은 것으로 알려져 있

으며, 화학원료가 더 이상 투입되지 않는 건조법이 더욱

친환경적이며 무기바인더의 도입취지에 부합한다 할 수

있다. 무기바인더의 친환경적 요인을 극대화하고 기술저

변을 확대하기 위해서는 주물사와 바인더가 혼합된 상태

에서의 유동성과 가사시간, 주조이후 주물과 모래의 이형

성 등의 개선이 요구되며, 특히 binder가 가지는 특유의

흡습성을 극복하기 위한 방안이 필요한 실정이다. 하지만

아직까지 규산염 수용액의 거동에 대한 이해와 자료는 부

족하고 대체로 경험적인 조작에 의존하여 사용하고 있는

경우가 많다.

따라서 본 연구에서는 다양한 환경에서 적용가능한 주

조용 무기바인더의 개발을 위해, 기존 무기바인더 시스템

에서 가장 널리 이용되고 있는 silicate계 바인더를 대상

으로 주원료인 규산나트륨 수용액의 분자거동과 열적거동

을 살펴보고자 하였다. 규산나트륨 수용액과 원료물질로

사용되는 SiO2, Na2O, Na2SiO3의 FT-IR분석은 사용 환

경에 따른 관능기의 변화를 살펴봄으로써 분자거동을 예

측하는데 활용하였다. 또한 규산나트륨 건조체의 TG-DTA

분석으로 열처리 특성변화를 예측하고, XRD, SEM을 이

용하여 다양한 온도에 노출(열처리)된 시료의 특성변화를

관찰하여 열적 환경 변화가 물성변화에 미치는 영향을 검

토하였다.

2. 실 험

본 연구에서 사용한 시약은 표 1과 같이 주요 물성치

와 함께 표기하였으며, 별도의 전처리 없이 그대로 사용

하였다.

시료의 다양한 IR 피크를 확인하고, 혼합물질의 작용기

변화를 관찰, 규명하기 위해 FT-IR(4700, JASCO)를 이용

하였다. IR 분석은 KBr로 압축된 pellet 시료를 준비하여

측정하였고, 시료와 KBr의 무게비가 1:100(시료:KBr)이 되

도록 혼합하여 일정량을 고압으로 압축하여 pellet을 제작

하였다. 모든 시료는 4 cm-1의 해상도로 4000~450 cm-1 범

위로 16회 스캔하여 축적된 스펙트럼을 얻었으며, 측정 전

대기 중의 물과 이산화탄소의 background 스펙트럼을 확

보하여 보정하였다.

규산나트륨 수용액의 열적특성을 살펴보기 위해 TG-

DTA(DTG-60H, Shimadzu)분석을 실시하였다. 분석을 위

해 규산나트륨 수용액은 105 oC에서 24시간 동안 충분히

건조하여 유발로 분쇄하고, 체가름(sieving)하여 40 mesh

(425 µm)이하의 크기로 선별된 것을 사용하였다. 분석조건

은 공기분위기에서 10 oC/min의 승온속도로, 1,000 oC까지

Table 1. Properties of used materials

Materials ManufacturerMWa

(g/mol)

Density

(g/cm3)

Assay

(%)Remark

SiO2 Alfa Aesar 60.09 2.65 99.90% 1.5micron

Na2O Aldrich 61.98 2.27 80% Na2O2(20%)

Na2SiO3 Aldrich 122.06 2.61 100%

SSSb Ace nanochem. - 1 or more 46.5% Na2(SiO2)x·xH2Oa Molecular Weightb Sodium Silicate Solution (KS M 1415 Type 3)

74 대한금속 ·재료학회지 제56권 제1호 (2018년 1월)

측정하였다.

열처리된 시료의 결정구조와 온도에 따른 상변화를 관찰

하기 위해 X-선 회절분석기(XRD, X’Pert-MPD System,

PHILLIPS)를 사용하였다. 40 kV, 30 mA에서 Cu-Kα

target (wavelength 1.54056Å)을 사용하여 scan 속도를

0.04°/s로 하고 2 theta(θ)의 범위는 5~80°로 설정하여 측

정하였다. 이와 함께 전계 방사형 주사 전자현미경(Field

Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM, SU-8020,

Hitachi)을 이용하여 입자의 크기 및 외형을 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. Infrared Spectra

그림 1은 SiO2, SiO2와 Na2O 혼합물 그리고 Na2SiO3

시료의 FT-IR spectra이다. SiO2 spectrum에서 1110 cm-1

부근의 흡수밴드는 Si-O-Si 비대칭 신축진동에 의한 것이

고, 550 cm-1와 473 cm-1 부근의 흡수밴드는 O-Si-O 변형

진동에 의한 것으로 알려지고 있다 [13,14]. 800 cm-1 부근

의 흡수밴드는 가교결합 산소(bridging oxide or inter-

tetrahedral)의 Si-O-Si 신축진동에 의한 것이며, 950 cm-1

부근의 흡수밴드는 Si-OH와 관련된 것으로 알려져 있다

[13]. SiO2 입자표면의 흡착수에 의한 흡수밴드가 3400 cm-1,

1630 cm-1 부근에서 관찰되었으며, 수소결합에 관여하지 않

고 있는 –OH 흡수밴드도 3660 cm-1에서 관찰되었다

[15,16].

SiO2와 Na2O를 1:1(몰비)로 단순히 혼합하여 측정한

스펙트럼에서는 수분에 의한 밴드와 함께 1100 cm-1,

950 cm-1, 810 cm-1, 550 cm-1, 473 cm-1 에서 SiO2와 동일

한 흡수밴드가 나타났다. 이중 550 cm-1와 473 cm-1부근의

흡수밴드도 O-Si-O의 변형진동에 의한 것이지만, 산소원자

에 인접하는 원자에 따라 흡수밴드가 구분될 것으로 판단

된다. 1450 cm-1 부근의 흡수밴드는 공기 중 CO2와 Na2O

가 반응하거나 흡착되어 발생된 Na2CO3에 의한 것으로 나

타났다 [17,18]. 880 cm-1 는 Si-O 신축진동에 의한 흡수밴

드로 SiO2의 IR 스펙트럼에서 나타난 950 cm-1의 silanol

group의 proton이 Na+이온으로 치환되면서 생성되는 것과

800 cm-1 가교 산소 (Si-O-Si)가 비가교 산소(Si-O-Na)로

변화하면서 생성된 것으로 판단된다 [19]. 이는 SiO2보다

작은 800, 950 cm-1 부근의 흡수밴드와 혼합시료에서 처음

나타나고, Na2SiO3 시료에서 더 분명해지는 880 cm-1 부근

의 흡수밴드를 확인함으로써 예측가능하다. 고체상태의 치

환반응은 일부 자연적으로 발생될 수 있지만 유발(mortar)

내 혼합물 분쇄과정과 KBr pellet 제조 시 압축과정에서

생성되었을 것으로 판단된다.

Na2SiO3는 전체적으로 Si-O 진동에 의한 흡수밴드를 나

타냈으며, 산소원자에 결합된 원자에 따라 흡수밴드의 파

수가 다르게 나타났다. Si-O 비대칭신축진동에 해당하는

IR 밴드는 1030 cm-1, 960 cm-1에 해당하며, 960 cm-1는

산소인접 원자가 Si일 경우인 것 [20]으로 SiO2의 Si-O-Si

밴드가 red-shift되었음을 알 수 있다. Si-O 대칭신축진동에

해당하는 IR 밴드는 880 cm-1과 710 cm-1이며, 880 cm-1

밴드에는 산소와 Na+가 인접할 경우 [19]이고, 710 cm-1에

는 Si가 결합된 경우 [21]를 지시하고 있다. 590 cm-1,

505 cm-1 은 O-Si-O의 변형진동에 의한 흡수밴드로 각각

Na+이온 [20,22]과 Si [22]가 산소와 결합하는 경우이다. 지

금까지의 결과를 종합적으로 살펴보면 대칭성 진동 보다

비대칭성 진동이 높은 파수에서 나타났으며, 신축진동이 변

형진동보다 높은 파수에서 관찰되는 것을 확인하였다. 또

한 Si-O에서 산소와 결합한 물질이 Si일 때보다 Na+이온

일 경우에 높은 주파수에서 활성화되었다. 따라서

1030 cm-1 부근에서 발생한 흡수밴드는 Si-O(Na)의 비대칭

신축진동에 의한 것으로 판단된다. 지금까지 언급된 흡수

밴드를 표 2와 같이 정리하였다.

그림 2는 시판되고 있는 sodium silicate solution(KS

M 1415 3종) [23]의 IR spectrum을 Na2SiO3의 spectrum

과 비교한 것이다. 수분에 의한 흡수밴드가 관찰되었으며,

주요 흡수밴드는 1140, 1020, 890, 770, 620 cm-1로 나타

났다. Si-O의 흡수밴드 중, 1140 cm-1은 산소원자가 proton

과 결합한 작용기의 비대칭 신축진동에 의한 것이다. 이

밖에 수용액의 protons과 관련된 밴드인 770 cm-1는 (H)O-

Si-O(H)의 비대칭 변형진동, 620 cm-1는 (H)O-Si-O(Na)의

비대칭 변형진동에 기인 [22]한 것으로 H+가 용액 내 존재

Fig. 1. FTIR spectra of SiO2, SiO2 + Na2O and Na2SiO3.

류영복 · 이만식 75

하는 양이온 중 전기음성도가 가장 커 원활한 OH결합이

유도되는 것으로 보인다 [24]. 1020 cm-1 부근의 흡수밴드는

Si-O(Na) 비대칭 신축진동에 의한 것으로 Na2SiO3에서 지

시된 것 [22]과 비교할 때 red-shift되었으며, 890 cm-1 부

근의 흡수밴드는 Si-O(Na)의 대칭 신축진동에 의한

것 [19]으로 Na2SiO3에서 나타난 흡수밴드에 비해 blue-

shift되는 것을 확인하였다. 또한 Na2SiO3와는 달리 Si-

O(Si)결합은 관찰되지 않았으며, 이는 수분이 없는 상태에

서는 가교결합(Si-O-Si)이 비교적 안정한 상태를 유지하지

만, 수분과 접촉하여 수화되기 시작하면 보다 더 안정한

결합상태를 제공하기 때문일 것으로 판단된다.

3.2. Thermal Properties

규산나트륨 수용액의 열적 사용 환경에 따른 시료의 특

Table 2. Assignments of IR vibrations of SiO2, SiO2+Na2O and Na2SiO3

Frequencies (cm-1) Assignments Ref.

SiO2

3660 stretching vibration of O-H (free OH group) [15,16]

3400 stretching vibration of H2O molecules (hydrogen bonding) -

1630 bending vibration of H2O molecules -

1110 Si-O-Si asymmetric stretching vibration [13]

950 Si-O(H) stretching vibration [13]

800 Si-O-Si symmetric stretching vibration (inter-tetrahedral Si-O-Si) [13]

550 O-Si-O asymmetric deformation vibration [14]

473 O-Si-O symmetric deformation vibration [13]

SiO2 + Na2O

3660 stretching vibration of O-H (free OH group) [15,16]

3420 stretching vibration of H2O molecules (hydrogen bonding) -

1626 bending vibration of H2O molecules -

1450 O-C-O streching vibration of Na2CO3 [17,18]

1100 Si-O-Si asymmetric stretching vibration [13]

950 Si-O(H) stretching vibration [13]

880 Si-O(Na) symmetric stretching vibration [19]

810 Si-O-Si symmetric stretching vibration (inter-tetrahedral Si-O-Si) [13]

550 O-Si-O asymmetric deformation vibration [14]

473 O-Si-O symmetric deformation vibration [13]

Na2SiO3

1450 O-C-O streching vibration of Na2CO3 [17,18]

1030 Si-O(Na) asymmetric stretching vibration -

960 Si-O(Si) asymmetric stretching vibration [20]

880 Si-O(Na) symmetric stretching vibration [19]

710 Si-O(Si) symmetric stretching vibration [21]

590 (Na)O-Si-O(Na) asymmetric deformation vibration [20,22]

505 (Si)O-Si-O(Si) asymmetric deformation vibration [22]

Fig. 2. FTIR spectra of sodium silicate solution(SSS) comparingwith Na2SiO3.

76 대한금속 ·재료학회지 제56권 제1호 (2018년 1월)

성변화를 살펴보기 위해 105 oC에서 24시간동안 건조시

켜 얻은 시료를 열분석(TG-DTA) 하였으며, 그 결과를

그림 3에 나타내었다. 최초 150 oC까지 무게 변화는 없었

으며, 이후 500 oC까지 약 16%의 무게 감량을 보였다.

이는 건조시료 중 수분이 완전히 제거되었음을 의미하며,

150~ 500 oC 사이의 무게감량은 DTA곡선 상에 나타나는

175 oC 인근의 흡열피크와 연관된 것으로 시료 표면에 결

합되어있는 silanol group(Si-OH)의 OH기가 열분해되면

서 발생한 것으로 판단된다. 500 oC이후부터 1000 oC까

지는 약 0.4%의 미미한 무게 감량을 보였으며, DTA곡

선 상의 600 oC와 887 oC 인근에서 미세한 변화가 감지

되는 것으로 보아 결정생성, 결정구조변화 등 시료의 구

조적 특성변화가 따를 것으로 예측된다. 이러한 결과로

물유리는 105 oC에서 24시간 건조시킬 경우, 표면에 물

리흡착된 수분이 완전히 제거됨을 알 수 있으며, Si와

결합한 OH기는 500 oC의 열처리만으로 제거할 수 있음

을 확인하였다.

열분석 결과의 추가확인을 위해 건조시료를 다양한 온도

로 열처리하였다. 시료에 노출되는 열이 아주 짧은 시간에

이루어진다는 가정하에, 열처리는 상온에서 샘플을 노출시

켜 평균 14 oC/min 승온속도로 설정된 온도에 도달하자마

자 공랭시킨 경우와 설정 온도에서 10분 동안 노출시킨

공랭시킨 경우로 구분하여 실시하였다. 또한 규산나트륨 수

용액의 주성분 SiO2인 점을 감안하여, 열처리 온도는 상압

에서 순수한 SiO2의 열변이 온도로 알려진 573 oC (α-

quartz)와 870 oC (β-quartz)를 기준으로 100 oC 간격으로

설정하였다. 열처리 온도에 따른 시료의 XRD 분석 결과

를 그림 4에 나하지만 열처리 온도가 900 oC일 때 두 조

건 모두 2θ = 26.7o부근에서 quartz상의 주피크에 해당하는

Table 3. Assignments of IR vibrations of sodium silicatesolution(SSS)

Frequencies

(cm-1)Assignments Remarks Ref.

SSS Na2SiO3

1630bending vibration of H2O

molecules- -

1140Si-O(H) asymmetric

stretching vibration- [22]

1020Si-O(Na) asymmetric

stretching vibration 1030 -

890Si-O(Na) symmetric

stretching vibration 880 [19]

770(H)O-Si-O(H) asymmetric

deformation vibration 710 [22]

620(H)O-Si-O(Na) asymmetric

deformation vibration 590 [22]

Fig. 3. TG-DTA curve of drying sodium silicate; black line-TGA,red line-DTA.

Fig. 4. XRD patterns of sodium silicate prepared at differenttemperature; (a) up to set temperature and (b) at set temperature for 10 min.

류영복 · 이만식 77

(101)면이 나타났으며, (100)면에 해당하는 2θ = 22.1o부근

의 피크는 승온단계의 시료에서만 관찰되기 시작했다.

(101)면의 피크만을 단순 비료할 경우, 승온단계 시료가 설

정온도에서 열처리된 시료보다 큰 intensity를 보였으

며 [25], 이는 단순히 열처리환경에서 오래 노출되었기 때

문으로 판단된다. 다른 여러 가지 변수를 배제하고, 온도에

따른 결정성 변화특성만 감안할 경우, 특정 고온영역, 즉

800 oC 이하의 사용환경에서는 상변이가 수반되지 않으므

로 안정하게 사용할 수 있을 것이라 판단된다.

규산나트륨 수용액 건조시료를 상온에서 평균 14 oC/

min의 승온속도로 설정온도까지 노출시킨 시료의 미세구

조변화를 그림 5와 같이 예시하였다. 300 oC 이하에서는

열적환경 노출에 의해 내부물질이 기포로 배출되면서 그

잔재물과 형태가 유지되는 것을 관찰되었으며, 400 oC부

터 모재표면에 모재와 조성이 다를 것으로 추정되는 미

립종이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 열처리 온도가

증가할수록 모재표면에 생성되는 미립종의 크기는 전체적

으로 성장하였고, 그 수 또한 많아졌다. 이러한 현상은

주조용 무기바인더가 고온의 금형 또는 용탕과 접촉할 경

우 주물사와 함께 서로 달라붙는 요인이 될 수 있다.

XRD분석결과와 비교해 볼 때, 열처리 온도가 900 oC 이

하에서의 모재표면에서 생성되는 물질은 비정질의 SiO2

일 가능성이 높으며, 900 oC 이상의 비교적 고온에서 결

정상(quartz)으로 변이되었을 것으로 예측된다. 이는 건조

시료가 노출되는 열적조건, 즉 열처리 온도, 노출시간에

따라 고유 특성의 변화가 수반될 수 있음을 예측하는 자

료로 활용할 수 있다.

4. 결 론

중자용 무기바인더의 주요 원료 중 하나인 규산나트륨

수용액의 FT-IR 분석과 열적특성을 조사하였으며, 조사한

결과는 다음과 같다.

(1) Na2SiO3의 FTIR 분석 결과 대칭성진동 보다 비대칭

성진동이, 변형진동보다 신축진동의 흡수밴드가 높은 파수

에서 관찰되었으며, Si-O의 산소와 결합된 물질이 Si일 때

보다 Na+일 경우에 높은 주파수에서 활성화된다는 사실을

통해 1030 cm-1 부근에서 발생한 흡수밴드가 Si-O(Na)의

비대칭신축진동에 기인한 것으로 추론 할 수 있었다.

(2) Sodium Silicate Solution의 IR 분석결과 Na2SiO3에

서 관찰되었던 가교산소(Si-O-Si)가 사라지고 Si-O-H의 다

양한 흡수밴드가 관찰되면서 수분이 존재할 경우 수화된

단위분자로 거동한다는 것을 확인하였다.

(3) 규산나트륨 건조시료의 열분석 결과 500 oC까지 약

16%의 silanol기(S-OH)에 의한 무게 감량을 확인하였으며,

DTA 분석결과 600 oC 그리고 887 oC에서 열적변화가 있

음을 확인하였으나 XRD 분석결과 900 oC로 처리한 입자

에서 quartz상이 생성되는 것을 확인하였다.

(4) 열처리된 입자의 미세구조를 관찰한 결과 400 oC 이

상에서 처리된 시료에서 결정상(또는 조성이 다른 물질)이

모재 표면에서 생성되는 것을 확인하였으며, 이러한 현상

은 400 oC 이상의 용탕주입 시 주물과 모래가 서로 달라

붙을 원인이 될 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(과제번호

:10051955)과 한국생산기술연구원 연구개발적립금사업(과

제번호:UR170016)으로 수행된 연구결과입니다.

Fig. 5. SEM images of sodium silicate prepared at differenttemperature.

78 대한금속 ·재료학회지 제56권 제1호 (2018년 1월)

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