상수 공업용수 및 하천수를 활용한 균일한 실리카 나노입자 합성 및 전기감응형 스마트유체로의 응용

김하영,제갈석,이능히,사민기,김동현,김민상,김지원,윤창민 유기성자원학회 2023 유기물자원화 Vol.31 No.1

This study describes the successful synthesize strategy for the silica nanoparticles utilizing various water sources, including tap, industrial, and stream waters without using deionized water. Also, as-synthesized silica nanoparticles are employed as dispersive materials for the electro-responsive smart fluid application. Specifically, homogeneous silica nanoparticles with sizes of 500–700nm are successfully prepared in large scale at once (ca. 12.0 g) with the described experimental method and showing similar structural and chemical characteristics with silica nanoparticles synthesized using the deionized water. The size of silica nanoparticles are varied according to the ion conductivity differences of tap, industrial, stream water, and deionized water. The size of silica nanoparticles decresed with the increased ion conductivity, indicating the ion suppression of growth of silica nanoparticles. Moreover, as-synthesized silica nanoparticles from various water sources of electro-responsive characteristic are investigated by the smart fluid application. The smart fluids containing silica nanoparticles synthesized by tap, industrial, and stream water exhibited higher shear stress compared to the deionized water, owing to the more rigid fibril-like structures formed by the smaller silica nanoparticles. Conclusively, uniform silica nanoparticles from various water sources without any purification are able to successfully prepared without usage of deionized water and resulting silica nanoparticles manifested higher electro-responsive performance. 본 연구에서는 증류수를 사용하지 않고 상수, 공업용수 및 하천수를 활용하여 균일한 실리카 나노입자를성공적으로 제조하는 방법에 대해 제시하였다. 또한, 제조된 실리카 나노입자들은 전기감응형 스마트유체의 분산물질로 적용하였다. 상세히는, 다양한 종류의 물을 사용하여 500–700nm 사이즈의 실리카 나노입자를 한 번의 실험으로 대량 제조(약 12.0g) 하였으며 증류수를 활용하여 합성한 750nm 사이즈의 실리카 나노입자와 동일한 형태학적화학적 특성을 가지고 있음을 확인하였다. 다양한 물을 사용하여 제조한 실리카 나노입자의 사이즈는 이온전도도에 따라 변화하였다. 이온전도도가 높으면 높을수록 제조된 실리카 나노입자의 크기가 작아짐을 확인할 수 있었고, 이는 이온들이 실리카 나노입자의 성장을 억제하기 때문이다. 또한, 제조한 실리카 나노입자들을 전기감응형 스마트유체로 응용하였다. 그 결과, 상수, 공업용수 및 하천수를 활용하여 제조한 실리카 나노입자가 증류수를 활용하여합성한 실리카 나노입자 대비 높은 전단응력을 나타냄을 확인할 수 있었고, 이는 작은 사이즈의 실리카 나노입자가전기장 하에서 더 강한 사슬 구조를 형성하기 때문이다. 결론적으로, 본 연구를 통해 다양한 물을 증류수와 같이정제하지 않고 사용하여 실리카 나노입자를 성공적으로 제조할 수 있음을 확인하였고, 해당 입자들이 전기감응형스마트유체 응용에서 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.

나노실리카 혼입률이 실리카퓸 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 4성분계 고강도 순환잔골재 모르타르의 역학적 성능에 미치는 영

김성우,문래교,조은비,정철우 한국건설순환자원학회 2023 한국건설순환자원학회 논문집 Vol.11 No.2

In order to maximize the utilization of recycled fine aggregate, high strength mortar made of 100 % recycled fine aggregate was prepared, and its physical properties were evaluated to determine the possibility of using recycled fine aggregate as structural aggregate. The effect caused by the amount of nanosilica on the physical properties of w/b 0.2 recycled fine aggregate mortar consisting of cement, silica fume, and blast furnace slag. To improve the dispersion of nanosilica inside mortar, an aqueously dispersed nanosilica solution by ultrasonic tip sonication was prepared, and incorporated into the mortar to evaluate changes in mortar flow, porosity and compressive strength depending on nanosilica content. According to the experimental results, mortar flow decreased as the replacement ratio of nano-silica increased. As the replacement ratio of nanosilica increased up to 0.75 %, the porosity decreased and the compressive strength increased, but, at a replacement ratio of 1 %, the porosity increased and the compressive strength decreased. It was confirmed that the nano-silica replacement ratio of 0.75 % was optimum proportion to maximize the mechanical performance of high-strength recycled fine aggregate mortar. 본 연구에서는 순환잔골재 사용량 증대를 목적으로 순환잔골재만 혼입한 고강도 모르타르를 제조하고 이의 물성을 분석하여, 순환잔골재의 구조용 골재로서의 활용가능성을 파악하고자 하였다. 시멘트, 실리카퓸 및 고로슬래그 미분말을 함유한 물결합재비 0.2 시멘트 모르타르에, 나노실리카를 추가로 혼입하고 이의 치환율을 변화시켜, 나노실리카 혼입량 변화가 순환잔골재모르타르의 물성 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 시험체 제작 시 결합재 내부에서의 나노실리카 분산도 향상을 위해, 초음파 처리한 수분산된 나노실리카 수용액을 활용하였고, 나노실리카의 혼입률은 1 %까지 변화시켜 모르타르 플로우, 공극률및 압축강도의 변화를 평가하였다. 실험 결과에 따르면, 나노실리카의 혼입률이 증가할수록 모르타르 플로우는 감소하였으며, 나노실리카 혼입률 0.75 %까지는 혼입율을 높일수록 공극률은 감소하고 압축강도는 증가하였으나, 치환율 1 %에서는 공극률의 상승 및 압축강도의 저하가 관찰되어, 나노실리카 혼입률 0.75 %가 성능 최적화를 위해 가장 적절한 혼입 비율인 것을확인할 수 있었다.

융합 바이오 이미징을 위한 염료 도핑 된 실리카 나노입자의 형광 특성에 관한 연구

김기출 중소기업융합학회 2018 융합정보논문지 Vol.8 No.5

형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자는 DNA 마이크로 에레이와 같은 바이오 라벨링 및 바이오 이미징에 활용되고 있으며, 높은 생체 적합성과 낮은 독성 및 높은 친수성의 특성을 가지고 있어 많은 주목을 받고 있는 기능성 나노소재이다. 본 논문에서는 형광 유기염료를 에탄올과 탈이온수에 각각 용해시킨 후 형광염료를 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시키는 방법과 화학적으로 도핑 시키는 방법으로 실리카 나노입자를 합성한 후 365 nm 파장의 자외선을 조사하여 형광특성을 분석하였다. 연구결과 형광 염료를 물리적으로 흡착시킨 실리카 나노입자보다 화학적으로 형광 염료를 도핑 시킨 실리카 나노입자의 형광특성이 우수하였으며, 도핑 된 형광 염료의 양이 많을수록 형광특성이 우수하였다. 형광 염료를 용해시키는 용매의 경우, 에탄올이 탈이온수와 비교하여 탁월한 형광 특성을 나타내었다. 또한 순수한 형광 염료와 형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자의 광안정성을 조사한 결과, 형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자의 광안정성이 보다 우수한 것으로 나타났다. 이러한 연구결과를 바탕으로 형광염료가 최적으로 도핑 된 실리카 나노입자를 바이오 이미징 에이전트로 사용한다면 높은 광안정성과 형광특성으로 인하여 인체 내부의 생체 모니터링에 유용하게 활용될 것으로 전망된다. The functional nanomaterials of fluorescent dye-doped silica nanoparticles(NPs) are applied to bio applications such as bio-labeling of DNA micro-array, and bio-imaging. Organic dye-doped fluorescent silica NPs exhibit excellent bio-compatibility, non-toxic, and highly hydrophilic properties. In this study, organic fluorescent dyes were dissolved in ethanol, and deionized(DI) water. Organic fluorescent dyes were physically adsorbed to silica NPs and chemically doped to silica NPs. The fluorescence characteristics(FLC) was investigated by UV lamp irradiation of 365 nm wavelength. As results, the FLC of dye-doped silica NPs exhibits better than dye-adsorbed silica NPs and the FLC was improved with the increase of concentration of doped-dyes. The fluorescent organic dyes were well dissolved in ethanol than DI water. The photostability of dye-doped silica NPs was superior than pure fluorescent organic dye. The FLC of optimized dye-doped silica NPs would be applied to agent of non-invasive fluorescence bio-imaging in live cell and in vivo.

나노실리카 및 실리카흄 대체율에 따른 차수재의 특성

강석표,이희라,강혜주,남성영,김춘식 한국건설순환자원학회 2019 한국건설순환자원학회 논문집 Vol.7 No.1

광산의 약 80%가 휴광 또는 폐광된 광산으로 대부분 적절한 환경처리시설 없이 방치되어 있다. 폐광산 주변 지역은 산성광산배수와 침출수 유출 등의 문제가 발생되고 있으며, 이로 인한 지반 침하는 싱크홀 발생으로 안전사고를 유발시킬 수 있다. 본 연구에서는 기존 고로슬래그 미분말 기반 광산 차수재의 나노 실리카 및 실리카흄 대체율 변화에 따른 차수재의 기초특성을 검토하기 위해 플로우, 압축강도, 흡수율, 기공특성, 수화특성을 실시하였다. 그 결과 나노실리카 및 실리카흄의 대체율이 증가할수록 나노실리카의 시험체는 실리카흄의 시험체보다 플로우, 압축강도가 증가하고 흡수율은 감소하였다. 기공특성의 경우 나노실리카 및 실리카흄 대체율이 증가할수록 기공량이 감소하는 것으로 나타났으며 특히 직경 10~1,000nm의 모세관 기공량이 감소하는 것으로 나타났다. 선 회절분석 및 SEM 측정은 Plain과 실리카흄 5% 대체 시험체와 비교할 경우 수화생성물의 피크 위치가 거의 동일하게 나타났다. 나노실리카 및 실리카흄의 사용은 광산 차수재의 수밀성 향상이 가능할 것으로판단되며 경제성을 고려하여 적절히 사용한다면 광산 차수재의 재료로서 활용 가능할 것으로 판단된다.

나노실리카 코팅섬유를 보강재로 사용한 시멘트 모르타르의 강도회복

이수진 ( Su-jin Lee ),원종필 ( Jong-pil Won ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

본 연구에서는 농업시설물의 보강재로서 섬유를 사용한 시멘트 모르타르의 강도회복성능을 평가하였다. 자세히는 시멘트 복합체 보강용 마이크로 폴리프로필렌 섬유의 표면에 나노실리카를 코팅함으로써 균열면에서의 추가 반응생성물을 생성하도록 하였고 이를 통해 시멘트 복합체가 자기치유성능을 가지도록 하였다. 나노실리카는 졸-겔법을 통해 합성하여 마이크로 폴리프로필렌 섬유의 표면에 생성하였다. 합성된 나노실리카의 존재여부는 졸-겔법 전후의 질량변화, 물흡수율 및 수용성 물질여부, 및 현미경 표면관찰을 통해 정량적·정성적으로 확인하였다. 나노실리카 코팅섬유를 보강재로 사용한 시멘트 모르타르의 자기치유성능은 강도회복성능을 통해 평가하였다. 강도회복성능은 KS L ISO 679에 따른 휨강도 시험을 통해 평가하였고 나노실리카 코팅섬유의 혼입률은 코팅하지 않은 마이크로 폴리프로필렌섬유의 최소권장혼입률인 0.9kg/㎥을 사용하였다. 강도회복성능은 재령 28일 표준양생이 완료된 시험편에 대한 휨시험을 통해 얻은 극한하중의 60%를 재하하여 균열을 발생시킨 시편을 사용하였다. 균열이 발생한 시편에 대한 추가양생을 통해 나노실리카 코팅섬유로 부터의 자기치유를 유도하였다. 실험결과, 나노실리카 코팅섬유를 농업시설물의 보강재로 사용시 시멘트 재료의 강도회복에 유의한 영향이 있는 것을 확인하였다.

나노실리카를 함유한 불소실란으로 코팅된 유리 표면의 발수 특성

이수,김건민,Lee, Soo,Kim, Keun Min 한국응용과학기술학회 2019 한국응용과학기술학회지 Vol.36 No.2

친수성 및 소수성 나노실리카를 tetraethyl orthosilicate(TEOS)를 커플링제로 사용하여 유리 표면에 거친 스파이크 구조 형성과 반응성 hydroxyl기를 동시에 도입한 후 불소를 함유한 실란으로 2차 코팅처리하여 궁극적으로 발수성 유리 표면 형성의 최적 조건을 확립하는 연구를 수행하였다. 소수성 나노실리카인 실리카 에어로졸을 이용한 초소수 도막의 형성은 나노실리카 표면에 반응성인 -OH기가 존재하지 않아 내구성이 있는 소수성 도막을 형성할 수 없었다. 이에 반하여 친수성기를 가진 나노실리카와 가수분해된 TEOS를 포함하는 코팅액 이용하여 유리 표면을 1차 코팅한 후 2차로 trichloro-(1H,1H,2H,2H)perfluorooctylsilane(TPFOS) 용액으로 코팅하여 $150^{\circ}$ 이상의 수접촉각을 가지는 초소수 표면을 제조하였으며, $1^{\circ}$ 이하의 물 슬라이딩각을 보여 초발수성도 동시에 가지고 있었다. 이에 덧붙여 친수성 나노실리카의 함량이 증가할수록 광투과도가 감소하였으며, TPFOS 용액에 의해서도 광투과도가 감소하였다. 코팅된 유리시편의 내구성 50회 문지름까지는 초소수성을 유지하였으나, 200회 문지름에서는 단지 소수성만을 유지하였다. 결론적으로 최적의 코팅액의 조건은 친수성 나노실리카의 함량이 0.3 g인 HP3 코팅액을 2회 코팅한 후 2차로 TPFOS 용액으로 코팅하는 것이었다. 이렇게 제조된 코팅액은 광투과도가 중요한 솔라셀의 표면 처리제로 사용이 가능할 것으로 판단된다. Hydrophilic and hydrophobic nanosilica and tetraethyl orthosilicate (TEOS) as a coupling agent was used to form a coarse spike structure as well as an excellent reactive hydroxyl groups on the glass surface. Then, a second treatment was carried out using a trichloro-(1H,1H,2H,2H)perfluorooctylsilane(TPFOS) solution for ultimate water repellent glass surface formation. The formation of hydrophobic coating layer on glass surface using silica aerosol, which is hydrophobic nanosilica, was not able to form a durable hydrophobic coating layer due to the absence of reactive -OH groups on the surface of nanosilica. On the other hand, a glass surface was first coated with a coating liquid prepared with hydrophilic hydroxyl group-containing nanosilica and hydrolyzed TEOS, and then coated with a TPFOS solution to introduce a hydrophobic surface on glass having a water contact angle of $150^{\circ}$ or more. The sliding angle of the coated glass was less than $1^{\circ}$, which meant the surface had a super water-repellent property. In addition, as the content of hydrophilic nanosilica increased, the optical transmittance decreased and the optical transmittance also decreased after 2nd coating with the TPFOS solution. The super-hydrophobic property of the coated glass was remained up to 50 times of rubbing durability test, but only hydrophobic property was shown after 200 times of rubbing durability test. Conclusively, the optimal coating conditions was double 1st coatings with the HP3 coating solution having a hydrophilic nanosilica content of 0.3 g, and subsequent 2nd coating with the TPFOS solution. It is believed that the coating solution thus prepared can be used as a surface treatment agent for solar cells where light transmittance is also important.

탄소섬유 직물의 표면 개선을 위한 나노실리카의 입도 및 분산 안정성에 대한 연구

염현수,홍성걸 한국콘크리트학회 2022 콘크리트학회논문집 Vol.34 No.4

이 연구에서는 다양한 방법으로 합성된 비정질 나노실리카의 입도 및 분산 안정성을 분석하였으며, 이러한 요소가 합성된 나노실리카로 표면 개선된 탄소섬유 직물과 시멘트 복합체 간 부착 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 실험 결과, 합성 나노실리카의 입도 분포 및 분산 안정성은 다양한 요인에 영향을 받았으며, 이러한 요인들이 정밀하게 제어되어야 원하는 입도 분포 및 형상을 갖는 단분산 비정질 나노실리카의 합성이 가능하다. 합성된 나노실리카의 입도 분포 및 분산 안정성은 탄소섬유 직물 표면의 증착 수준과 직접적인 상관관계를 보였다. 하지만, 시멘트 복합체와의 부착 성능 실험 결과는 나노실리카의 입도 분포 및 분산 안정성과 뚜렷한 상관관계를 보이지 않았으며, 그 원인은 표면 거칠기 등과 같은 3차원적인 형상 정보로부터 추론할 수 있었다. 이 연구에서 도출된 결론은 나노실리카의 증착을 통해 탄소섬유 직물의 표면을 개선하는 경우, 시멘트 복합체와의 부착 성능을 효과적으로 향상시키기 위한 방향성을 제시하였다고 판단된다.

현무암 섬유의 나노실리카 입자 개질에 따른 시멘트 모르타르와 섬유 계면의 부착강도 특성

서동주,박종건,권호찬,송기창,허광희 한국콘크리트학회 2024 콘크리트학회논문집 Vol.36 No.2

현무암 섬유는 시멘트계 복합체와의 부착성능이 매우 낮아 건설 재료로서의 적용이 제한적이다. 본 연구에서는 시멘트 모르타르에서 현무암 섬유의 계면 부착특성을 향상시키기 위해, 알칼리성 환경하에서 실란커플링제인 GPTMS(glycidoxypropyl trimethoxysilane)와 TEOS(tetraethyl orthosilicate)의 화학적 결합에 의해 현무암 섬유의 표면을 나노실리카 입자로 개질하였다. 현무암 섬유의 조성과 미세구조를 SEM, EDS 및 FT-IR로 특성화하고 분석하였다. 나노실리카 입자는 현무암 섬유의 표면에 완전히 덮여 균일하게 분포되어, 결과적으로 나노실리카 입자의 얇은 층이 형성되는 것으로 나타났다. 아울러, 시멘트 모르타르 내에 매입된 현무암 섬유의 계면 부착강도에 대한 새로운 표면개질 방법의 효과를 검증하기 위해 단일섬유 인발시험도 수행하였다. 실험 결과, 나노실리카로 개질된 현무암 섬유 시멘트 모르타르(basalt fiber cement mortar, BFCM)의 계면 부착강도는 개질되지 않은 BFCM에 비해 상당히 향상된 것으로 나타났다. 단일섬유 인발시험 및 SEM 분석 결과는 현무암 섬유 표면의 나노실리카 입자가 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면 결합력을 증가시켜 시멘트 모르타르 내에 현무암 섬유의 가교 효과를 향상시키고, 최종적으로 시멘트 모르타르의 계면 부착강도가 향상된 것으로 나타났다. Basalt fiber exhibits notably low bonding performance with cement-based composites, limiting its application as a construction material. We aimed to enhance the interfacial bond properties of basalt fibers in cement mortar by modifying their surface with nano-silica particles through chemical bonding of GPTMS (glycidoxypropyl trimethoxysilane) and TEOS (tetraethyl orthosilicate), a silane coupling agent. The composition and microstructure of the basalt fiber were characterized and analyzed using SEM, EDS, and FT-IR imaging techniques. The resulting nano-silica particles were completely covered and uniformly distributed on the surface of the basalt fibers, forming a thin layer. In addition, a single fiber pull-out test was performed to verify the effect of the new surface modification method on the interfacial bond strength of basalt fibers embedded in cement mortar. The experimental results showed that the interfacial bond strength of basalt fiber cement mortar (BFCM) modified with nano-silica was significantly enhanced compared to unmodified BFCM. Single fiber pull-out experiments and SEM analysis revealed that nano-silica particles on the surface of basalt fibers increased the interfacial bond strength between the fibers and the cement matrix. This enhancement facilitated the bridging effect of basalt fibers in the cement mortar, ultimately improving the interfacial bond strength of the cement mortar.

소듐실리케이트계 나노실리카를 혼입한 시멘트의 철근부식평가

강석표 청운대학교 건설환경연구소 2015 청운대학교 건설환경연구소 논문집 Vol.10 No.1

Nano Technology holds excellent mechanical, electrical, thermal, and chemical properties has been actively utilized. in the electronic information industry, alternative energy, in the field of composite materials. Application of nano technology in the construction industry limited as a matter of economics. The study reviewed rebar corrosion evaluation other than the nano-silica based on an ethyl silicate Sodium silicate nano-silica is mixed in cement in an effort to solve the economic problems of the construction industry. As a result, Cement mixed with the nano-silica based sodium silicate is effective chloride resistance properties and corrosion protection efficiency because of corrosion of reinforced rarely it occurs in every trial period. 나노기술이 뛰어난 기계적, 전기적, 열적, 화학적 특성을 보유하여 전자정보산업, 대체에너지분야 및 복합소재분야에서 활발히 활용되고 있지만 아직까지 건설산업분야에서는 경제적 측면의 문제로 인하여 제한적인 현재시점에서 제조원가를 낮추기 위한 노력으로 효율성이 높은 소듐실리케이트계 나노실리카를 시멘트에 혼입하여 철근부식평가를 검토하였다. 그 결과 소듐실리케이트계 나노실리카를 혼입한 시멘트의 경우 모든 시험기간에서 철근의 부식이 거의 발생하지 않아 콘크리트의 내염성능 향상 및 방식성능 확보에 효과적임을 확인할 수 있었다.

나노압입을 이용한 나노실리카 콘크리트의 시멘트 매트릭스 미세구조 분석

문지호,김정중,염광수,임남형,이학은 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-

콘크리트의 배합에 있어서 포졸란 물질의 사용은 수화된 시멘트내의 칼슘 실리케이트 수화물을 증가시키고 미세 공극을 채워줌으로써 콘크리트의 투수성을 감소시킨다. 또한 콘크리트 내의 전체 염기량을 낮추어 알카리 골재반응에 의한 균열의 방지에도 효과가 있다. 본 연구에서는 포졸란 물질 중 반응성이 가장 우수한 나노실리카를 사용한 콘크리트 시멘트의 미세구조를 나노압입을 이용하여 분석할 것이다. 물질 표면의 경도를 측정하여 물질의 강도 및 강성을 파악하는 방법은 금속에 대하여 100여년간 수행되어 왔다. 콘크리트의 강도를 파악하는데 있어서도 슈미트 햄머를 이용하여 콘크리트의 표면경도를 측정하고 강도와 연관 짓는 방법이 널리 사용되고 있다. 나노압입 실험은 이러한 이론적인 배경을 바탕으로 나노 스케일의 압입 시험기를 사용하여 시멘트 페이스트를 구성하고 있는 미세구조의 기계적 특성을 파악하는 방법이다. 향후 콘크리트의 동결융해 실험, 알카리 골재 반응, 프리스트레스 강선과의 접착력 실험과 연계하여 균열에 대한 높은 내구성을 요구하는 콘크리트의 제작에 최적화된 나노실리카의 배합비를 산출하기 위한 기초연구로 사용될 것이다.