기존의 바나듐 레독스 흐름전지(vanadium redox flow battery, VRFB)에서 사용하고 있는 과불소계이오노머인 나피 온(Nafion)은 전해질에 존재하는 바나듐 이온의 투과도가 높아, 바나듐 이온이 분리막을 투과하여 반대쪽 전해질로 교차 이동 하는 문제를 갖고 있다. VRFB에서 바나듐 이온의 투과는 서로 다른 산화수를 갖는 바나듐 이온이 부반응을 일으켜 충전, 방전 용량의 감소를 야기하고, 장기적인 성능 감소를 일으키는 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 SiO2에 3-aminopropyl group이 도입된 나노입자(fS)를 Nafion에 분산시켜 바나듐 이온의 투과를 감소시키고, VRFB의 장기적인 성능 의 향상을 도모하고자 하였다. SiO2에 붙어 있는 아민기(-NH2)가 Nafion의 술폰산 음이온(SO3 -)과 이온결합을 형성함과 동시 에, 암모늄 양이온(-NH3 +)의 양전하가 바나듐 이온에 대해 Gibbs-Donnan 효과를 나타내어 낼 것이라고 기대하였다. fS를 섞은 Nafion 용액의 pH와 Nafion-fS 막의 IEC 측정을 통해 암모늄 양이온과 술폰산 음이온의 이온결합이 존재하는 것을 확인하였고, fS의 양이 많아질수록 바나듐 이온의 투과도가 감소하는 것을 확인하였다. VRFB 단위 전지에 제조한 복합막을 도입하였을 때, 150 mA/cm2의 전류밀도에서 충방전 사이클을 200회 반복 진행하여도 방전용량을 최대 80%까지 유지할 수 있었다.

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. 소수 성 나노실리카인 실리카 에어로졸을 이용한 초소수 도막의 형성은 나노실리카 표면에 반응성인 -OH기가 존재하지 않아 내구성이 있는 소수성 도막을 형성할 수 없었다. 이에 반하여 친수성기를 가진 나노 실리카와 가수분해된 TEOS를 포함하는 코팅액 이용하여 유리 표면을 1차 코팅한 후 2차로 trichloro-(1H,1H,2H,2H)perfluorooctylsilane(TPFOS) 용액으로 코팅하여 150o 이상의 수접촉각을 가지는 초소수 표면을 제조하였으며, 1o 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.

최근, 실리카는 코팅제 및 복합체의 충전제로 많이 사용되고 있으며 상용성을 증가시키기 위하여, 실리카 표면의 실라놀기를 커플링제와 반응시켜 특정한 작용기를 도입하는 표면 처리가 사용되고 있다. 본 연구에서는 초임계이산화탄 소를 용매로 사용하여 실리카 나노 파티클을 실란커플링제로 표면 개질 하는 반응을 연구하였다. 실란커플링제로 3-(trimethoxysilyl)propylmethacrylate (MPS), (3-Glycidoxypropyl) trimethoxysilane (GPS), (3-aminopropyl)trimethoxysilane (APS) 세 가지 종류를 사용하였다. TGA 측정 시 감소된 양은 실리카의 표면 개질된 실란커플링제의 비율로 볼 수 있다. MPS로 개질된 실리카는 6시간 반응 시 6%, 12시간 반응 시 7%, 24시간 반응 시 9% 감소하였다. APS로 개질된 실리카는 6, 12 및 24시간 반응 시 15% 감소를 보였다. GPS로 개질된 실리카는 6시간 반응 시 6%, 12시간 반응 시 10%, 24시간 반응 시 30% 감소되었다. 가수 분해 된 GPS의 수산기가 실리카 표면의 에폭 사이드 그룹과 반응 할 수 있기 때문에 반응 시간이 길어질수록 GPS 비율이 증가합니다.

내열성이 우수하며, 태양광 모듈의 유리 표면에 방담성(antifogging) 및 방오성(antifouling) 을 동시에 부여하여 효율을 향상시키기 위한 친수성 코팅액을 제조하기 위해 초친수성과 우수한 방담효 과를 나타내는 Tween 20과 데카플루오로부탄과 폴리에틸렌글리콜 성분으로 구성된 불소계면활성제 수 용액에 방오성 부여를 위하여 나노실리카를 분산하였다. 고온 처리에서 나노실리카의 함량에 따른 방담 효과는 모든 코팅액이 우수하였으나, 방오 효과는 나노실리카의 함량이 6 wt%일 때부터 나타났다. 불소 계면활성제의 함량이 증가할수록 초기 접촉각이 증가하며 방담 효과도 500회 wiping까지 잘 유지되었 다. 방오 효과 역시 불소계면활성제의 함량에 상관없이 우수하여 불소계면활성제의 적절한 첨가량은 0.1 wt%이상 이면 충분하였다. AFM 결과로부터 불소계면활성제가 0.1 wt%에서 0.3 wt%가 첨가된 경우 코팅 표면의 프랙탈구조가 확실히 나타나 방오성 향상에 기여하였다. 코팅된 유리의 투과도는 불소계면 활성제가 0.1 wt% 첨가된 TL-1의 경우가 가장 높았으며 더 많은 양의 불소계면활성제를 첨가할 경우 오히려 투과도 향상은 미미하였다. 이러한 결과는 앞의 AFM 결과에서 나타난 표면 조도가 높으며 프랙 탈구조 형성도 잘 일어난 TL-1 코팅액의 결과와 잘 일치하는 것이다.

태양광 발전의 효율을 높이기 위한 실란 커플링제와 나노 무기산화물을 첨가한 계면활성제를 이용한 친수성 코팅액을 제조하여 태양광 모듈의 유리 표면에 도포하여 김서림 방지(antifogging) 및 내오염성(antifouling)을 부여하였다. 1% 친수성 코팅액에 나노 무기산화물인 LudoxⓇ를 첨가한 경우 LudoxⓇ의 농도에 관계없이 초친수성 과 우수한 antifogging 효과를 나타내었다. 그러나 유리에 대한 antifouling 효과는 LudoxⓇ를 10% 이상 첨가하였을 때부터 발현되었다. 또한, pH 4에서 가수분해한 TEOS를 첨가한 코팅액의 경우 TEOS를 0.7% 첨가한 경우 steam test 결과 antifogging 효과를 유지하였으며, 코팅한 유리 표면을 젖은 킴와이 프로 100회 문지른 후에도 pollution test 결과 antifouling 효과를 유지하였다. 또한, AFM을 이용하여 표면 거칠기(Rq)를 확인한 결과 TEOS를 너무 많이 첨가하면 가장 높은 표면 거칠기 값을 보였으며 코 팅된 표면의 상태도 매우 불규칙하였다. TEOS가 0.7% 첨가된 경우 비교적 높은 표면 거칠기 값과 안 정된 표면 상태를 나타내었다. 결론적으로 김서림 방지 특성만을 위하여는 나노 무기산화물인 LudoxⓇ는 필요없으나, antifouling의 효과를 나타내기 위해서는 최소 10%의 LudoxⓇ가 첨가되어야 하며, 우수한 내구성을 나타내기 위해서 는 0.7%의 TEOS를 첨가해야 한다.

The sol-gel method is the simplest method for synthesizing monodispersed silica particles. The purpose of this study is to synthesize uniform, monodisperse spherical silica nanoparticles using tetraethylorthosilicate (TEOS) as the silica precursor, ethanol, and deionized water in the presence of ammonia as a catalyst. The reaction time and temperature and the concentration of the reactants are controlled to investigate the effect of the reaction parameters on the size of the synthesized particles. The size and morphology of the obtained silica particles are investigated using transmission electron microscopy and particle size analysis. The results show that monodispersed silica particles over a size range of 54-504 nm are successfully synthesized by the sol-gel method without using any additional process. The nanosized silica particles can be synthesized at higher TEOS/H2O ratios, lower ammonia concentrations, and especially, higher reaction temperatures.

Salined water electrolysis is one of representative commercial processes to produce valued chemicals such as chlorine, hydrogen. The most important issue in the electrolysis is to reduce energy consumption. A plausible solution is to accelerate Na+ion transport through cation exchange membranes and to reduce interfacial resistance with electrodes. The conventional membrane materials are based on PFSAs such as Nafion®. In spite of their robust chemical resistance, there are several critical demerits including expensive production cost and difficult tuning capability. For this, a SPAES random copolymer-silica nanocomposite is used as a membrane matrix with a high ionic conductivity and radiation-grafted with a highly sulfonated poly(strylene) to provide a branched polymer architecture for improved interfacial characteristics.

나노실리카가 코팅된 유리 표면은 나노실리카 표면에 존재하는 친수성 수산기로 인해 방담성 이 매우 증가하나, 실외에 설치된 유리에 코팅된 경우는 비에 의해 씻겨 나가 방담 특성의 내구성이 급 격히 감소한다. 또한 나노실리카가 코팅된 유리 표면의 토폴로지는 광투과율 또는 반사방지 특성을 좌우 하는 매우 중요한 인자이다. 이러한 나노실리카 코팅의 특성에 관한 내구성을 향상시키기 위하여 가교제 로 테트라에틸오르소실리케이트 (TEOS)를 사용하여 나노실리카 (Ludox) 현탁액으로 친수성 나노실리카 피막을 제조하였다. 산성 또는 염기성 수용액 중에서의 TEOS의 가수 분해 최적 조건도 물에 대한 접촉 각 측정을 통하여 조사하였다.산성 또는 염기성 수용액 중에서의 TEOS의 가수 분해 최적 조건도 물에 대한 접촉 각 측정을 통하여 조사하였다. pH=4의 산성 조건에서 1.5 wt% 나노실리카-TEOS 코팅액으로 얻은 최종 투명한 친수성 코팅층은 매우 향상된 친수성에 대한 내구성뿐만 아니라, 코팅하지 않은 유리에 비해 약 2 % 포인트 정도 높은 가시광투과율을 나타내었다.

The present study is undertaken to evaluate the effect of volume fraction on the results of Charpy impact test for the rubber matrix filled with nano sized silica particles composites. The Charpy impact tests are conducted in the temperature range 0°C and –10°C. The range of volume fraction of silica particles tested are between 11% to 25%. The critical energy release rate GIC of the rubber matrix composites filled with nano sized silica particles is affected by silica volume fraction and it is shown that the value of GIC decreases as volume fraction increases. In regions close to the initial crack tip, fracture processes such as matrix deformation, silica particle debonding and delamination, and/or pull out between particles and matrix which is ascertained by SEM photographs of Charpy impact fracture surfaces.

Synthesis of nano-silica using water glass in a Sol-Gel process is one of several methods to manufacture nano-silica. In nano-silica synthesized from water glass, there are various metal impurities. However, synthesis of nano-silica using water glass in a Sol-Gel process is an interesting method because it is relatively simple and cheap. In this study, nano-silica was synthesized from water glass; we investigated the effect of pH on the synthesis of nano-silica. The morphology of the nanosilica with pH 2 was flat, but the surface of the nano-silica with pH 10 had holes similar to small craters. As a result of ICPOES analysis, the amount of Na in the nano-silica with pH 2 was found to be 170 mg/kg. On the other hand, the amount of Na in the nano-silica with pH 10 was found to be 56,930 mg/kg. After calcination, the crystal structure of the nano-silica with pH 2 was amorphous. The crystal structure of the nano-silica with pH 10 transformed from amorphous to tridymite. This is because elemental Na in the nano-silica had the effect of decreasing the phase transformation temperature

Silica nano-powder (SNP) is an inorganic material able to provide high-performance in various fields because of its multiple functions. Methods used to synthesize high purity SNP, include crushing silica minerals, vapor reaction of silica chloride, and a sol-gel process using TEOS and sodium silicate solution. The sol-gel process is the cheapest method for synthesis of SNP, and was used in this study. First, we investigated the shape and the size of the silica-powder particles in relation to the variation of HCl and sodium silicate concentrations. After drying, the shape of nano-silica powder differed in relation to variations in the HCl concentration. As the pH of the solution increased, so did the density of crosslinking. Initially, there was NaCl in the SNP. To increase its purity, we adopted a washing process that included centrifugation and filtration. After washing, the last of the NaCl was removed using DI water, leaving only amorphous silica powder. The purity of nano-silica powder synthesized using sodium silicate was over 99.6%.

The friction and wear characteristics of the rubber matrix composites filled with nano sized silica particles were investigated at ambient temperature by pin-on-disc friction test. The volume fraction of silica particles was 19%. The cumulative wear volume and wear rate of these materials on counterpart roughness were determined experimentally. The major failure mechanisms were lapping layers, deformation of matrix, ploughing, debonding of particles, fracture of particles and microcracking by scanning electric microscopy photograph of the tested surface. The cumulative wear volume showed a tendency to increase with increase of sliding distance. The wear rate of these composites tested indicated low value as increasing the sliding distance.

본 연구에서는 졸-겔, 용매치환, 표면개질, 상압건조 공정과 계면활성제에 의한 템플레이팅(templating) 공법 및 소결 공정을 이용하여 실리카 에어로겔 모노리스와 메조포러스 실리카 모노리스를 각각 합성하였다. 제조된 두 종류의 실리카 모노리스는 균열이 없이 비교적 투명하였으며, 매우 높은 기공율(92-94%) 및 비표면적(800 - 840 m²/g)과 수 십 nm 수준의 기공 크기를 갖는 것으로 확인되었다. 표면개질을 적용한 실리카 에어로겔 샘플이 스피링백 효과로 인하여 메조포러스 실리카 모노리스에 비해 더욱 미세하고 균질한 나노 기공 구조를 보였을 뿐만 아니라, 그 단열 성능도 더욱 우수한 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 합성된 두 종류의 실리카 모노리스를 중간층으로 적용한 복층 창유리의 단열성능을 측정된 모노리스의 열전도도와 이론식을 근거로 조사한 결과, 기존의 상업적으로 응용되는 공기층 삽입 복층 창유리에 비해 우수한 단열 성능을 보이는 것으로 나타났다.

Nanotechnology has become one of the fastest developing technologies and recently applied to a variety of industries. Thus, increasing number of nano materials including various nanoparticles would be discharged into wastewater and consequently entering a biological wastewater treatment process. However, the impact of the nano particles on biological wastewater treatment has not been estimated intensively. In this research, we investigated the effect of silica nanoparticle on the oxygen uptake rates (OURs) of activated sludge used in a conventional wastewater treatment process. The inhibition (%) values were estimated from the results of OURs experiments for the silica nanoparticles with various sizes of 10-15, 45-50, and 70-100 nm and concentrations of 50, 250, and 500 ppm. As results, the inhibition value was increased as the size of silica nano particles decreased and the injected concentration increased. The maximum inhibition value was investigated as 37.4 % for the silica nanoparticles with the size of 45-50 nm and concentration of 50 ppm. Additionally, the effect of size and concentration on the inhibition should be considered cautiously in case that the aggregation of particles occurred seriously so that the size of individual particles was increased in aquatic solution.

The characteristics of abrasive wear of the rubber matrix composites filled with nano sized silica particles were investigated at ambient temperature by pin-on-disc friction test. The range of volume fraction of silica particles tested are between 11% to 25%. The cumulative wear volume and friction coefficient of these materials on particle volume fraction were determined experimentally. The major failure mechanisms were lapping layers, deformation of matrix, ploughing, deboding of particles and microcracking by scanning electric microscopy photograph of the tested surface. The cumulative wear volume showed a tendency to increase nonlinear with increase of sliding distance. As increasing the silica particles of these composites indicated higher friction coefficient.

Nano-sized β-SiC nanoparticles were synthesized combined with a sol-gel process and a carbothermal process. TEOS and carbon black were used as starting materials for the silicon source and carbon source, respectively. SiO2 nanoparticles were synthesized using a sol-gel technique (Stober process) combined with hydrolysis and condensation. The size of the particles could be controlled by manipulating the relative rates of the hydrolysis and condensation reactions of tetraethyl orthosilicate (TEOS) within the micro-emulsion. The average particle size and morphology of synthesized silicon dioxide was about 100nm and spherical, respectively. The average particles size and morphology of the used carbon black powders was about 20nm and spherical, respectively. The molar ratio of silicon dioxide and carbon black was fixed to 1:3 in the preparation of each combination. SiO2 and carbon black powders were mixed in ethanol and ball-milled for 12 h. After mixing, the slurries were dried at 80˚C in an oven. The dried powder mixtures were placed in alumina crucibles and synthesized in a tube furnace at 1400~1500˚C for 4 h with a heating rate of 10˚C/min under flowing Ar gas (160 cc/min) and furnace cooling down to room temperature. SiC nanoparticles were characterized by XRD, TEM, and SAED. The XRD results showed that high purity beta silicon carbide with excellent crystallinity was synthesized. TEM revealed that the powders are spherical shape nanoparticles with diameters ranging from 15 to 30 nm with a narrow distribution.

Hollow silica spheres were prepared by spray drying of precursor solution of colloidal silica. The precursor solution is composed of 10-20 nm colloidal silica dispersed in a water or ethanol-water mixture solvent with additives of tris hydroxymethyl aminomethane. The effect of pH and concentrations of the precursor and additives on the formation of hollow sphere particles was studied. The spray drying process parameters of the precursor feeding rate, inlet temperature, and gas flow rate are controlled to produce the hollow spherical silica. The mixed solvent of ethanol and water was preferred because it improved the hollowness of the spheres better than plain water did. It was possible to obtain hollow silica from high concentration of 14.3 wt% silica precursor with pH 3. The thermal conductivity and total solar reflectivity of the hollow silica sample was measured and compared with those values of other commercial insulating fillers of glass beads and TiO2 for applications of insulating paint, in which the glass beads are representative of the low thermal conductive fillers and the TiO2 is representative of infrared reflective fillers. The thermal conductivity of hollow silica was comparable to that of the glass beads and the total solar reflectivity was higher than that of TiO2.

Carbon nanotube(CNT) plays an essential role in various fields of nano based science and technology. Recently, silica coated CNT composites are interested because they are useful for the optical, magnetical, and catalytic applications. In this report, carboxyl groups were introduced on the MWCNT using nitric acid. In order to maximize the silica encapsulation efficiency, carboxyl groups of MWCNT reacted with a silane coupling agent were used to prepare silica coated MWCNT. Due to their strong interaction between modified MWCNT and TEOS. Silica layer with a controllable thickness was achieved. Silica coated MWCNT were further utilized as the template for the synthesis of hollow silica nanotubes after 800℃ calcination.

The relative viscosity was measured at different filler loadings for a cycloaliphatic epoxy resin and hexahydro-4-methylphthalic anhydride hardener system filled with micro/nano hybrid silica. Various empirical models were fitted to the experimental data and a fitting parameter such as critical filler fractions (φmax) was estimated. Among the models, the Zhang-Evans model gave the best fit to the viscosity data. For all the silica loadings used, ln (relative viscosity) varied linearly with filler loadings. Using the Zhang-Evans model and the linearity characteristics of the viscosity change, simple methods to predict the relative viscosity below φmax are presented in this work. The predicted viscosity values from the two methods at hybrid silica fractions of φ = 0.086 and 0.1506 were confirmed for a micro:nano = 1:1 hybrid filler. As a result, the difference between measured and predicted values was less than 11%, indicating that the proposed predicting methods are in good agreement with the experiment.

Surface modification of silica nanoparticles was investigated using an aerosol self assembly. Stearic acid was used as surface treating agent. A two-fluid jet nozzle was employed to generate an aerosol of the colloidal suspension, which contained 20 nm of silica nanoparticles, surface modifier, and ethyl alcohol. Powder properties such as morphology, specific surface area and pore size distribution were analyzed by SEM, BET and BJH methods, respectively. Surface properties of the silica power were analyzed by FT-IR. The OH bond of the SiO2 surface was converted to a C-H bond. It was revealed that the hydrophilic surface changed to a hydrophobic one due to the aerosol self assembly. Morphology of the surface treated powder was nanostructured with lots of pores having an average diameter of around 2 μm. Depending on the stearic acid concentration (0.25 to 1.0 wt%), the pore size distribution of the particles and the degree of hydrophobicity ranged from 1.5 nm to 180 nm and 29.6% to 50.2%, respectively.