가용성규산염

가용성규산염이란?

가용성규산염(Soluble silicates)은 실리카(SiO2)와 알칼리금속(M2O)이 다양한 몰비(molar ratio)로 결합하고 있는 화합물로서, 가장 오래되고 친근한 무기질화합물 중의 하나입니다. 일반적으로 구조 내에 일부 물을 함유하고 있어서 M2O-nSiO2-xH2O의 분자식으로 표현됩니다. 물에 대한 용해성이 있기 때문에 ‘물유리(water glass)’라고도 합니다. 알칼리금속의 종류에 따라 규산나트륨(규산소다), 규산칼륨(규산가리), 리튬실리케이트가 있습니다. 규산나트륨의 산업적 시작은 1818년이지만 규산나트륨과 유사한 제품의 기원은 고대 페니키아시대까지 거슬러 올라갑니다. 가용성규산염이 일찍이 개발된 이유는 제조가 비교적 간단하기 때문입니다. 규산나트륨 또는 규산칼륨은 규사(SiO2)를 Na2CO3 또는 K2CO3과 함께 1100~1200℃에서 용융시킴으로써 만들어집니다. 이렇게 만들어진 유리는 고압 스팀과 함께 물에 녹아 “물유리”라고 알려진 투명하고 약간의 점성이 있는 액체가 됩니다.

물에 용해된 물유리는 실리카 대 알칼리금속의 몰비와 용액의 농도에 따라 다양한 특성을 나타내며 다양한 용도로 사용되고 있습니다. 접착 및 결합, 분산, 완충작용, 필름형성, 내부식성 등의 장점뿐만 아니라, 규산염의 환경적 안전성과 강하고 견고한 결합력, 사용취급상의 용이성, 내열성, 난연성 등은 규산염을 더욱 가치 있는 독특한 재료로서 주목을 받게 하고 있습니다. 규산염을 성공적으로 활용하는 관건은 목적에 맞게 제품의 특성을 최적화시키는 것입니다. 가용성규산염의 특성은 실리카 대 알칼리금속의 몰비, 알칼리금속의 종류, 용액의 농도 등에 의해서 결정됩니다.

(주)영일화성의 가용성규산염 제품들은 다음과 같습니다.

액상규산나트륨

액상규산칼륨

리튬실리케이트

용도 지향적으로 특별히 개발된 변성실리케이트 베이스의 무기질바인더시스템



[왼쪽:규산나트륨 유리 / 오른쪽:액상규산염]

※ 실리카(silica)와 규산염(silicate)

"실리카“는 무기합성물 이산화규소(SiO2)를 일컬으며 ”규산염“은 규소, 산소 그리고 하나 이상의 금속을 함유한 합성물을 일컫는 총칭입니다. 규산염은 자연적으로 발생되거나 합성될 수 있습니다. 자연적으로 발생된 규산염 광물은 지각의 90% 이상을 차지하고 있습니다. 용해된 실리카는 적은 양을 차지하지만 지구 수권(水圈)의 어디나 존재하는 성분입니다. 상용되고 있는 합성된 가용성규산염은 높은 농도를 갖기 때문에 자연 상태로 녹아 있는 실리카보다 높은 중합도를 갖지만, 물에 희석되어 탈중합화하면 자연 상태의 실리카와 구별할 수 없게 됩니다.

액상규산염의 물리적 특성

액상규산염의 가장 중요한 성질은 실리카 대 알칼리금속의 몰비와 용액의 농도입니다. 규산염 용액에는 규산이온모노머, 폴리규산이온 및 콜로이드상의 규산이온미셀(micells)이 다양한 형태로 함께 존재합니다. 그 형태는 실리카 대 알칼리금속의 몰비와 용액의 농도에 따라 다른 것으로 알려져 있습니다. 이에 따라 액상규산염의 응용상의 성질이 다르게 나타나기 때문에 용도에 따라 액상규산염을 선택할 때는 적정한 몰비와 농도가 선택되어야 합니다.

일반적으로 같은 용액 농도에서 몰비가 높아지면 분자량이 큰 폴리규산이나 콜로이드상의 미셀이 증가하기 때문에 점도가 상승합니다. 규산나트륨과 규산칼륨, 리튬실리케이트를 비교할 때, 규산칼륨이 규산나트륨보다, 리튬실리케이트가 규산칼륨보다 높은 몰비에서도 유동성이 좋습니다.

액상규산염의 화학적 특성

가장 대표적인 액상규산염인 규산나트륨을 중심으로 액상규산염의 화학적 특성을 기술합니다.

알칼리 완충작용

액상규산염은 알칼리를 제공하며, 훌륭한 알칼리 완충능력이 있습니다. 대개의 알칼리는 산성 물질에 중화되는 반면, 규산나트륨은 희석이 되어도 거의 같은 pH를 유지합니다.

표면 흡착작용

수용액 중의 규산염은 SiO44-의 강력한 음전하를 제공하여 용액 중의 미네랄과 금속산화물 표면에 쉽게 흡수됩니다. 미네랄 및 금속산화물의 용액 중 농도가 상당히 낮은 경우에도 이 작용은 일어납니다. 이러한 표면 흡착작용은 응집방지 및 분산에 효과가 좋아 세제산업, 제지산업, 세라믹산업 등에 활용되고 있습니다.

수화/탈수

규산염에서 물을 제거하면 점차적으로 끈적거리고 점성이 높아집니다. 비교적 적은 양의 물이 제거되어도 물유리는 매끈한 필름을 형성합니다. 3.3보다 높은 몰비를 갖는 규산나트륨은 필름형 바인더로서 적합합니다. 액상규산염의 몰비가 높을수록 건조가 더욱 빠릅니다. 내수성을 높이려면 어느 정도의 열 건조나 화학적 경화가 필요합니다.

겔화/폴리머화

겔화/폴리머화 반응은 액상규산나트륨의 pH가 10.7 아래로 떨어질 때 빨리 일어납니다. 규산염의 규산이온모노머, 폴리규산이온 및 콜로이드상의 규산이온미셀(micells)의 다양한 결합체들이 서로 교차결합(crosslinking)하여 폴리머를 형성합니다. 규산염의 폴리머화로 형성된 결합은 탈수에 의해 형성된 결합만큼 강하지는 않지만 내수성은 더 높습니다. 응집되는 재료 표면이 산성이거나 응집되는 재료가 고농도 CO2에 노출될 때 이 반응이 일어납니다. 겔화/폴리머화를 일으키기 위해 규산염에 경화제를 사용할 수 있습니다. 규산염과 경화제를 함께 사용하는 예는 그라우팅과 주조산업에서 찾아볼 수 있습니다.

산과의 반응

액상규산나트륨에 산을 첨가하면 중화반응에 의해 pH가 낮아지고, 규산이온 또는 폴리규산이온 끼리의 중합(실록산 결합)이 진행되어 점도가 상승합니다. 더욱 진행하면 겔(gel)이 됩니다. 점도의 상승 및 겔화 속도는 산의 종류, 산의 첨가량, 용액의 농도, 온도 등에 따라 다릅니다.

금속이온과의 반응

액상 규산나트륨은 Ca, Mg, Al, Ba 등의 금속이온들과 반응하여 불용성의 규산염 금속수화물 및 규산염 금속수산화물, 규산 등을 동시에 생성하여 겔화 됩니다. 이와 같은 반응으로 생성되는 규산화합물은 금속이온과 규산이온의 존재량에 의존합니다.

유기화합물과의 반응

글리옥살이나 에칠렌글리콜디아세테이트 등의 다가 알코올과 초산에스테르는 모두 알칼리 존재 하에서 글리콜산이나 초산을 생성하고 중화작용에 의해 규산나트륨을 겔화시킵니다. 메칠알코올, 에칠알코올, 아세톤 등의 유기용매를 가해도 겔화합니다만 이들은 단순히 탈수에 의한 것으로 물을 가하면 다시 용해됩니다.

액상규산염의 혼합 및 희석

점도가 다른 두 액상규산염을 혼합하거나 액상규산염을 물에 희석할 때, 혼합액의 점도는 몇 시간 때로는 며칠 동안이 지나야 안정화되는 것이 관찰됩니다. 이것은 올리고머의 평형 분포로 이어지는 분자의 재배열이 서서히 진행된다는 것을 나타냅니다. 또한 올리고머의 적어도 일부는 상당히 안정적인 기하학적 형태를 갖고 있기 때문에 형태의 전환, 즉 분자적 재배열이 다소 어렵다는 것을 의미합니다.