수산화 알루미늄: 왜 직접 사용할 수 없나요?
무기 양쪽성 수산화물인 수산화알루미늄(Al(OH)3, ATH)은 매우 효율적인 난연성, 연기 억제제 및 충진 특성을 가지고 있습니다. 열 분해 시 독성 또는 부식성 가스를 생성하지 않으며, 고분자 유기 재료의 난연성 충진재로 사용될 수 있습니다. 현재 ATH의 난연제 사용은 매년 증가하고 있으며, ATH는 전 세계적으로 가장 중요한 무기 난연제로 자리 잡았습니다.
개질 후 난연성
일반적으로 제조업체는 고분자 유기 재료의 난연성을 향상시키기 위해 분말 형태의 수산화알루미늄(ATH)을 가연성 재료에 충진하거나, 가연성 재료 표면에 ATH가 함유된 난연성 코팅제를 코팅합니다.
또한, ATH는 세 개의 수산기(-OH)를 포함하고 있기 때문에 표면이 비대칭적이고 극성이 높습니다. 표면의 수산기는 친수성과 소유성을 나타내므로, 고분자 유기 재료에 첨가 시 응집되기 쉽고, 이는 재료의 기계적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다.
따라서 수산화알루미늄은 사용 전에 표면 개질되어야 합니다.
수산화알루미늄 표면 개질
표면 개질은 무기 분말 재료의 특성을 최적화하는 핵심 기술 중 하나로, 무기 분말의 적용 성능과 가치를 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 무기 입자의 표면 개질은 무기 입자 표면에 하나 이상의 물질을 흡착 또는 캡슐화하여 코어-쉘 복합 구조를 형성하는 것을 의미합니다. 이 공정은 본질적으로 다양한 물질의 복합 공정입니다.
개질제의 종류 및 특성
분말 표면 개질제에는 여러 종류가 있지만, 표준화된 분류 방법은 없습니다. 무기 분말 개질용 개질제는 주로 계면활성제와 커플링제의 두 가지 범주로 나뉩니다.
(1) 커플링제
커플링제는 유기 고분자와 무기 필러로 구성된 다양한 복합 재료 시스템에 적합합니다. 커플링제로 표면을 개질하면 무기물과 고분자의 상용성 및 분산성이 향상됩니다. 무기물의 표면은 친수성 및 소유성에서 친유성 및 소수성으로 변하여 유기 고분자와의 친화성이 증가합니다.
커플링제는 다양하며, 화학 구조와 조성에 따라 유기 복합체, 실란, 티타네이트, 알루미네이트의 네 가지 주요 범주로 분류할 수 있습니다.
(2) 계면활성제
계면활성제는 극소량 사용 시 물질의 표면 또는 계면 특성을 크게 변화시킬 수 있는 물질입니다. 계면활성제에는 고급 지방산과 그 염, 알코올, 아민, 에스테르와 같은 음이온성, 양이온성, 비이온성 계면활성제가 포함됩니다. 계면활성제의 분자 구조는 고분자 분자와 유사하게 한쪽 끝에 긴 사슬 알킬기가 있고 다른 쪽 끝에는 카르복실기, 에테르, 아미노기와 같은 극성기가 있는 것이 특징입니다.
개질 효과는 어떻게 측정할 수 있습니까?
개질된 수산화알루미늄은 신뢰할 수 있습니까? 얼마나 신뢰할 수 있습니까? 이를 위해서는 개질 효과의 평가 및 특성화가 필요합니다.
현재 수산화알루미늄 난연제의 난연 효과는 재료의 산소 지수, 수직 및 수평 가연성 지수, 연기 발생, 열중량 분석, 연소 중 기계적 특성 시험과 같은 직접적인 방법을 통해 평가할 수 있습니다. 또는 분말 흡광도, 활성화 지수, 오일 흡수량을 측정하여 개질 효과를 간접적으로 시험하는 간접적인 방법을 통해 평가할 수 있습니다.
(1) 흡광도
개질되지 않은 ATH는 표면에 친수성 및 소유성 수산기를 가지고 있어 물에 용해되거나 바닥에 자유롭게 가라앉습니다. 개질 후 ATH의 표면은 친수성 및 소유성이 되어 개질되지 않은 형태와 완전히 반대되는 표면 특성을 갖게 됩니다. ATH는 바닥에 용해되거나 가라앉지 않고 표면에만 떠 있을 수 있습니다. 그러나 개질된 ATH는 오일(예: 유동 파라핀)에 잘 용해되거나 침전될 수 있습니다.
(2) 활성화 지수
변성되지 않은 ATH는 표면 히드록시기(-OH)의 특성으로 인해 매우 강한 극성을 가지므로 유사한 물성을 가진 물에 용해되거나 자유롭게 침전될 수 있습니다. 변성 후, ATH는 표면에 친유성기 층이 부착되고, 표면 히드록시기(-OH)는 그 안에 캡슐화됩니다. 변성 효과가 좋을수록 ATH 표면의 친유성기 피복률이 높아지고, 변성된 ATH가 물 표면에 더 많이 떠오릅니다.
(3) 흡유량
흡유량을 측정하려면 ATH에 피마자유를 첨가하고 교반해야 합니다. 변성 전, ATH는 친수성과 소유성을 가지고 있기 때문에 구형을 형성하기 위해 더 많은 피마자유가 필요합니다. 표면 변성 후에는 친수성과 소유성이 되어 폴리머 내 ATH의 분산성을 향상시키고 분말 응집으로 인해 형성되는 공극을 줄입니다.
초강력 소재 이해 - NdFeB
소결 NdFeB는 가장 초기의 제조 공정이자 가장 보편적으로 적용 가능한 공정으로, 희토류 영구자석 소재의 급속한 발전을 주도해 왔습니다. 강한 자기 이방성과 저렴한 원료 투입을 특징으로 하는 소결 NdFeB는 여러 국가의 연구 대상이 되었습니다. 소결 NdFeB 영구자석 소재는 분말 야금법을 활용합니다. 제련된 합금을 분말로 만들어 자기장 내에서 성형체로 압축합니다. 성형체는 불활성 가스 또는 진공 상태에서 소결하여 치밀화를 이룹니다. 또한, 자석의 보자력을 향상시키기 위해 일반적으로 시효 열처리가 필요합니다. 공정 흐름은 다음과 같습니다. 원료 준비 → 제련 → 분말 준비 → 프레스 → 소결 및 템퍼링 → 자기 시험 → 연삭 → 가공 → 전기 도금 → 완제품.
소결 NdFeB와 달리, 본드 자석의 개별 분말 입자는 충분히 높은 보자력을 가져야 합니다. 분말 제조 공정 중 높은 보자력에 필요한 다상 구조와 미세 구조가 심각하게 손상되면 양호한 본드 자석을 생산할 수 없습니다. 따라서 급속 담금질 자성 분말을 용융-방사하는 방법을 사용하여 고온 용융 합금을 고속 회전하는 수냉식 구리 휠에 먼저 붓거나 분사하여 두께 100μm의 얇은 스트립을 형성합니다.
열간 프레스/열간 변형 자석 제조에는 주조 합금을 직접 사용하는 대신 급속 담금질된 Nd-Fe-B 자성 분말을 사용해야 합니다. 과냉각(급속 냉각) 조건을 적용하면 더 미세한 입자 또는 비정질 자성 분말을 제조할 수 있습니다. 열간 프레스 및 열간 변형 과정에서 입자는 가열되어 단일 도메인 크기에 가까워져 최종 자석에서 높은 보자력을 얻습니다. 열간 프레스 공정은 자성 분말을 금형에 넣고 고온에서 압력을 가하여 등방성 고체 밀도의 자석으로 성형하는 과정입니다.
응용 분야
영구 자석 모터
영구 자석 모터에서 여자(excitation)에 영구 자석을 사용하면 전력 소비를 줄이고 에너지를 절약할 뿐만 아니라 모터 성능도 향상됩니다.
자기 기계
자기 기계는 자석의 같은 극의 반발력이나 다른 극의 인력을 이용하여 작동합니다. 이를 위해서는 높은 잔류 자속밀도와 높은 고유 보자력을 가진 영구 자석이 필요합니다. 또한, 다른 극 간의 인력 원리를 이용하여 비접촉식 전동 장치를 구성할 수 있으며, 마찰 및 소음이 없는 등의 장점을 제공합니다. 따라서 고성능 Nd-Fe-B 자석은 광산 기계의 구동 부품, 위성 및 우주선의 자이로스코프 및 터빈의 자기 베어링, 의료 장비의 심장 기능 보조용 원심 펌프의 회전자 베어링 등에 널리 사용됩니다.
항공우주
희토류 영구 자석 소재는 로켓 발사, 위성 위치 확인, 통신 기술에 필수적인 요소입니다. 고성능 소결 Nd-Fe-B는 레이더용 마이크로파 송수신 시스템에 특히 유용합니다. 일정한 자기장과 교류 마이크로파 자기장의 결합 효과를 활용하여 강자성 공명을 발생시켜 마이크로파 순환기, 절연체 등을 제작할 수 있습니다. 가전
3C 가전은 소결 NdFeB의 중요한 후속 산업으로 자리매김해 왔습니다. 소결 NdFeB는 높은 자기 에너지 제품과 같은 특성을 가지고 있어 3C 가전 제품의 소형화, 경량화, 박형화 추세에 부합합니다. VCM, 휴대폰 선형 모터, 카메라, 헤드폰, 스피커, 스핀들 구동 모터와 같은 전자 부품에 널리 사용됩니다.
네오디뮴 철 붕소 폐기물 재활용: 놓칠 수 없는 보물 창고
네오디뮴 철 붕소(NdFeB) 영구 자석은 뛰어난 자기적 특성으로 풍력 발전, 신에너지 자동차, 전자 제품에 널리 사용되어 "자석의 왕"이라는 칭호를 얻었습니다. 그러나 NdFeB 자석 생산 공정에서 발생하는 스크랩 비율은 최대 30%에 달하며, 수명이 짧다는 점과 더불어 NdFeB 폐기물의 양이 매우 많습니다.
이러한 폐기물에는 최대 30%의 희토류 원소가 함유되어 있어 1차 희토류 광석 함량을 훨씬 초과하여 매우 귀중한 2차 자원입니다. NdFeB 폐기물에서 희토류 원소를 효율적으로 회수하는 것은 희토류 자원 확보, 환경 오염 감소, 그리고 지속 가능한 개발 촉진에 매우 중요합니다.
NdFeB 폐기물의 특성 및 출처
NdFeB 폐기물은 주로 자석 제조 공정에서 발생하는 스크랩, 불량 제품, 그리고 자석이 포함된 폐기 전자 제품에서 발생합니다. 화학적 조성이 복잡하여 주요 희토류 원소인 Nd와 Pr 외에도 보자력 향상을 위해 Dy와 Tb와 같은 원소가 첨가되고, 전반적인 성능 향상을 위해 Co, Al, Cu와 같은 원소가 첨가됩니다. 희토류 원소(REE) 함량에 따라 NdFeB 폐기물은 저희토류(REE < 20%), 중희토류(20%~30%), 고희토류(> 30%)의 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
현재 NdFeB 폐기물의 재활용 공정은 주로 건식제련, 습식제련, 그리고 새로운 재활용 기술로 나뉩니다.
(I) 건식제련 재활용 공정
건식제련 재활용은 고온 반응을 통해 철에서 희토류 원소를 분리합니다. 주요 방법으로는 선택적 산화, 염소화 분리, 액체 합금화, 슬래그-금속 용융 분리 등이 있습니다.
선택적 산화는 희토류 원소가 철보다 산소 친화도가 훨씬 높다는 사실에 기반합니다. 고온에서 희토류 원소는 선택적으로 산화되어 산화물을 형성하고, 이 산화물은 금속 철에서 분리됩니다. 나카모토(Nakamoto) 등은 산소 분압을 정밀하게 제어하여 순도 95% 이상, 회수율 99% 이상의 혼합 희토류 산화물을 성공적으로 제조했습니다.
염소화 분리는 희토류 원소와 염소 사이의 강한 친화력을 활용합니다. NH4Cl, FeCl2, MgCl2와 같은 염소화제를 사용하여 희토류 원소를 분리 전 염화물로 전환합니다. 우다(Uda)는 FeCl2를 염소화제로 사용하여 800℃에서 반응시켜 희토류 회수율 95.9%, 제품 순도 99%를 달성했습니다.
액상 합금화법은 희토류 원소와 철 사이의 다른 금속에 대한 친화력 차이를 활용하여 희토류 원소와 철의 효과적인 농축 및 분리를 달성합니다. 희토류 원소인 Nd는 Ag, Mg 등과 다양한 저융점 합금을 형성할 수 있습니다.
슬래그-금속 분리법은 NdFeB 폐기물 내 희토류 원소가 산소와 더 쉽게 결합한다는 특성에 기반합니다. NdFeB 폐기물 내 모든 금속은 금속 산화물로 전환됩니다. 동시에, 슬래깅제의 고온에서 산화철은 환원 조건을 조절하여 금속 Fe로 전환됩니다.
(II) 습식 회수 공정
습식 회수는 현재 가장 널리 사용되는 방법으로, 주로 전용해법, 염산 우선 용해법, 복염 침전법, 용매 추출법이 있습니다.
(III) 새로운 재활용 공정
새로운 재활용 기술은 수소 폭발, 생물침출, 전기화학적 방법을 포함한 기존 방법의 높은 에너지 소비 및 심각한 오염 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다.
다양한 재활용 공정과 환경 영향 비교
건식 제련 공정은 유속이 짧고 처리 용량이 크지만 에너지 소비량이 높고 단일 희토류 원소를 분리하는 데 어려움이 있습니다. 습식 제련 공정은 회수율이 높고 제품 순도가 높지만 산 소비량이 많고 폐수 처리 비용이 높습니다. 생물침출 및 전기화학적 방법과 같은 새로운 공정은 환경 친화적이지만 대부분 실험실 단계에 있으며 아직 대규모 적용은 이루어지지 않았습니다.
환경 영향 측면에서, 기존의 재활용 공정은 강산, 강알칼리, 고온을 사용하는 경우가 많아 다량의 폐액과 폐가스를 발생시켜 환경 부하를 증가시킵니다. 따라서 친환경적이고 저소비형 재활용 공정 개발이 매우 중요합니다.
NdFeB 폐기물 재활용은 희토류 자원 부족을 완화하고 환경 오염을 줄이는 핵심 방법입니다. 기술 혁신과 정책적 지원을 통해 NdFeB 재활용 산업은 친환경, 저비용, 짧은 공정, 높은 회수율을 목표로 발전하여 지속 가능한 발전에 새로운 활력을 불어넣을 것입니다.
고무산업에서의 무기분말소재의 응용 및 개발
고무는 운송, 기계, 전자, 방위 등 국가 경제의 여러 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 고무는 분자간 인력이 약하고, 자유 부피가 크며, 자기 결정성이 낮다는 단점이 있어 고무 소재의 강도와 탄성률이 낮고 내마모성이 저하됩니다. 따라서 이러한 용도의 요구 사항을 충족하기 위해서는 무기 비금속 필러를 첨가하는 것이 필수적입니다.
일반적으로 고무에 사용되는 무기 비금속 필러는 주로 보강, 충진(부피 증가) 및 비용 절감, 가공 성능 향상, 가황 특성 조절, 특수 기능 부여 등의 기능을 합니다.
고무에 일반적으로 사용되는 무기 비금속 광물 필러
(1) 실리카
실리카는 현재 고무 산업에서 카본 블랙 다음으로 두 번째로 널리 사용되는 보강제입니다. 실리카의 화학식은 SiO₂·nH₂O이며, 입자 구조에는 많은 공극이 있습니다. 이러한 공극이 2nm~60nm 범위에 있을 때 다른 폴리머와 쉽게 결합하는데, 이것이 실리카가 보강제로 사용되는 주된 이유입니다. 보강제로서 실리카는 재료의 내마모성과 인열 저항성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 타이어의 기계적 성질을 크게 향상시킬 수 있으며, 자동차, 계측기, 항공우주 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.
(2) 경질 탄산칼슘
경질 탄산칼슘은 고무 산업에서 가장 오래되고 널리 사용되는 충전제 중 하나입니다. 고무에 다량의 경질 탄산칼슘을 첨가하면 제품의 부피를 증가시켜 값비싼 천연 고무를 절약하고 비용을 절감할 수 있습니다. 경질 탄산칼슘 충전 고무는 순수 고무 가황물보다 더 높은 인장 강도, 내마모성 및 인열 강도를 얻을 수 있습니다. 천연 고무와 합성 고무 모두에서 상당한 보강 효과를 나타내며, 점도 조절에도 효과적입니다. 케이블 산업에서는 일정 수준의 절연성을 제공할 수 있습니다. (3) 카올린
카올리나이트는 일반적인 점토 광물인 함수 알루미노실리케이트입니다. 고무에 실제로 적용하면 고무의 탄성, 차단성, 신율 및 굽힘 강도가 향상됩니다. 스티렌-부타디엔 고무(SBR)에 변성 카올리나이트를 첨가하면 고무의 신율, 인열 강도 및 쇼어 경도가 크게 향상되고 수명도 연장됩니다.
(4) 점토
점토는 생산 공정 요건에 따라 타이어 제조 과정에서 첨가될 수 있습니다. 점토는 비용 절감을 위해 충전제로 사용되지만, 고무와의 결합을 용이하게 하기 위해서는 활성화된 점토여야 합니다. 활성화 또는 변성 점토는 배합에서 카본 블랙을 부분적으로 대체할 수 있습니다.
연구에 따르면 점토의 양이 증가함에 따라 고무 배합물의 경도, 300% 인장 응력 및 인장 강도가 약간 감소하지만, 가황 시스템을 조정하여 이를 보상할 수 있습니다. 트레드 배합에 사용할 경우, 시스템 최적화 후 구름 저항을 줄일 수도 있습니다.
(5) 황산바륨
타이어 고무 및 벨트와 같은 고무 제품의 노화 방지 및 내후성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 또한 고무 제품의 표면 평활성을 향상시킬 수 있습니다. 분말 고무 충진재로서 분말 도포율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 경제적 측면에서도 뚜렷한 이점을 제공합니다.
(6) 활석
활석 분말은 일반적으로 일반 산업용 활석 분말과 초미립 활석 분말로 구분됩니다. 전자는 고무 충진재로서 보강 역할을 하지 않으며 고무의 물성 향상에 미치는 영향이 미미합니다. 따라서 일반 산업용 활석 분말은 분리제로 자주 사용됩니다. 반면 초미립 활석 분말은 보강 효과가 우수합니다. 고무 충진재로 사용할 경우 고무 자체의 인장 강도는 실리카가 생성하는 효과와 동일합니다.
(7) 흑연
흑연은 층상 규산염 비금속 광물에 속하며 열전도도, 전기 전도성 및 윤활성이 우수합니다. 흑연을 고무 필러로 사용하는 것은 몬모릴로나이트에 사용하는 것과 유사한 공정을 거치는데, 특수 기술을 사용하여 흑연을 나노 크기의 입자로 분쇄하는 것입니다. 이 나노 입자가 고무 매트릭스와 결합하면 고무의 다양한 기능적 특성이 향상됩니다. 예를 들어, 전기 전도성, 열 전도성, 기밀성, 기계적 특성이 모두 크게 향상됩니다.
분말 구형화 기술의 유형 및 응용 분야
현대 산업과 과학의 필수적인 요소인 분말 구형화 기술은 분말의 표면 특성과 물리적 특성을 개선하고, 재료 성능을 최적화하며, 다기능적 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 현재 분말 구형화 기술은 제약, 식품, 화학, 환경 보호, 재료, 야금, 3D 프린팅 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다.
구형 분말 제조 기술은 화학, 재료 과학, 공학 분야의 전문 지식을 포함한 여러 학문 분야를 아우릅니다. 아래에서는 분말 구형화에 관련된 다양한 기술을 살펴보겠습니다.
기계적 성형법
기계적 성형법은 주로 충돌, 마찰, 전단과 같은 일련의 기계적 힘을 이용하여 입자를 소성 변형하고 흡착합니다. 연속 가공을 통해 입자의 밀도가 높아지고, 날카로운 모서리는 충격력에 의해 점차 매끄럽고 둥글게 처리됩니다. 기계적 성형법은 고속 충격 분쇄기, 매체 교반 분쇄기, 기타 분쇄 장비를 사용하여 미세 분말 재료를 생산합니다. 이러한 방법은 건식 및 습식 분쇄와 결합하여 더 미세한 입자 크기, 더 좁은 입자 크기 분포, 그리고 특정 구형화 속도를 가진 분말 재료를 생산합니다.
기계적 성형은 천연 흑연, 인조 흑연, 시멘트 입자의 구형화 및 성형에 널리 사용됩니다. 또한 취성 금속 또는 합금 분말의 파쇄 및 분쇄에도 적합합니다. 기계적 성형은 다양한 저가 원료를 활용하여 기존 자원을 최대한 활용합니다. 단순성, 환경 친화성, 산업적 확장성 등의 장점을 제공합니다. 그러나 이 방법은 재료 선택성이 낮고 가공된 입자의 구형도, 탭 밀도, 수율을 보장할 수 없습니다. 따라서 품질 요건이 낮은 구형 분말 생산에만 적합합니다.
분무 건조
분무 건조는 액체 물질을 분무하여 작은 물방울로 만든 다음, 뜨거운 공기 흐름 속에서 빠르게 증발시켜 고체 입자로 응고시키는 과정입니다. 분무 건조의 장점은 단순성과 제품 특성 제어의 용이성입니다. 주로 군용 폭발물 및 배터리 분야에서 사용됩니다.
기상 화학 반응
기상 화학 반응은 기체 상태의 원료를 사용하거나 고체 원료를 기체 상태로 증발시켜 화학 반응을 통해 원하는 화합물을 생성합니다. 이 화합물은 빠르게 응축되어 다양한 물질의 초미립 구형 분말을 생성합니다.
수열법
수열법은 고온 고압 조건의 반응기를 사용하며, 물이나 유기 용매를 화학 반응의 반응 매질로 사용합니다. 수열 온도, 수열 시간, pH, 용액 농도 등의 변수를 조절하여 입자 크기를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
침전법
침전법은 용액 내에서 화학 반응을 통해 금속 이온과 특정 침전제를 결합하여 미세한 반고체 콜로이드 입자를 생성하고 안정한 현탁액을 형성합니다. 이후, 정적 숙성, 느린 교반, 또는 용액 환경 변화와 같은 침전 반응 조건을 추가로 조정함으로써, 이러한 콜로이드 입자는 점차 응집되어 구형으로 성장하여 1차 구형 침전물을 형성합니다. 생성된 침전물은 건조 또는 소성되어 최종적으로 구형 분말 물질을 생성합니다.
졸-겔법
졸-겔법은 일반적으로 졸 제조, 겔 형성, 그리고 구형 분말 형성의 세 단계로 구성됩니다. 열처리는 구형 분말의 구조와 특성을 더욱 개선하여 입자 크기와 형태를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
마이크로에멀젼법
마이크로에멀젼법은 액-액 2상 시스템 제조법입니다. 이 방법은 용해된 전구체를 포함하는 유기 용매를 수용액에 첨가하여 작은 물방울을 포함하는 에멀젼을 형성합니다. 그런 다음 핵 형성, 합체, 응집, 그리고 열처리를 통해 구형 입자가 형성됩니다. 마이크로에멀전 공정은 나노입자 및 유무기 복합 재료 제조에 널리 사용됩니다.
플라즈마 구형화
첨단 기술의 급속한 발전과 새로운 나노소재 및 새로운 제조 공정에 대한 절실한 필요성으로 인해 플라즈마 화학의 연구 및 응용에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 고온, 고엔탈피, 높은 화학 반응성, 그리고 반응 분위기 및 온도 조절이 가능한 플라즈마 구형화는 고순도의 작은 입자 구형 분말을 생산하는 데 이상적입니다.
다른 방법으로는 폭연, 가스 연소 화염 펠릿화, 초음파 분무, 원심 분무, 와이어 절단, 펀칭, 재용융, 그리고 펄스 미세기공 분무 등이 있습니다.
질화규소 분말의 표면을 어떻게 개질하나요?
질화규소 분말의 표면 개질은 주로 다양한 물리적 및 화학적 방법을 통해 분말 표면을 처리하여 입자의 물리적 및 화학적 특성을 개선하는 것을 포함합니다.
표면 개질은 분말 입자 간의 상호 인력을 줄여 분말이 매질에 더 잘 분산되도록 하고 분말 슬러리의 분산성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 질화규소 분말의 표면 활성을 향상시켜 다른 물질과의 상용성을 높이고 새로운 특성을 개발할 수 있습니다.
분말 표면 개질의 주요 원리는 분말과 표면 개질제 간의 상호작용을 통해 분말 표면의 습윤성을 향상시키고 수성 또는 유기 매질에서의 분산성을 개선하는 것입니다.
1. 표면 코팅 개질
표면 코팅 개질 기술은 물리적 또는 화학적 흡착을 이용하여 코팅 재료를 코팅 대상물 표면에 균일하게 부착시켜 균일하고 완전한 코팅층을 형성합니다. 코팅 공정 중 형성되는 코팅층은 일반적으로 단층입니다.
코팅 개질은 일반적으로 무기 및 유기 코팅으로 분류됩니다. 무기 코팅은 주로 세라믹 입자 표면에 적절한 산화물 또는 수산화물을 증착하여 분말을 개질하는 방식이지만, 이러한 개질은 물리적 특성에만 영향을 미칩니다. 반면, 유기 코팅은 코팅 재료로 유기 물질을 선택하는 방식입니다. 이러한 유기 물질은 분말 입자 표면의 작용기와 결합하여 표면에 선택적으로 흡착되어 코팅층의 특성을 분말에 부여합니다.
이 개질 기술은 비용이 저렴하고 단계가 간단하며 제어가 용이하지만, 그 결과는 제한적입니다.
2. 표면 산 및 알칼리 처리
세라믹 성형 공정에는 일반적으로 고형분 함량이 높고 점도가 낮은 세라믹 슬러리가 필요합니다. 분말 표면의 전하 밀도는 슬러리의 유동 특성 및 분산성에 상당한 영향을 미칩니다. 세라믹 분말 표면 세척(산 및 알칼리 처리)은 분말의 표면 전하 특성을 변화시킬 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 개질 방법은 질화규소 분말을 다양한 농도의 산 또는 알칼리 용액과 완전히 혼합하고 세척하는 과정을 포함합니다.
동시에, 특정 농도의 알칼리 처리는 세라믹 분말 표면과 반응할 수도 있습니다. 왕용밍(Wang Yongming) 등의 연구에 따르면 알칼리 세척은 탄화규소 분말 표면의 실라놀 함량을 감소시켜 산화도를 낮추고, 입자 간의 정전기적 반발력을 변화시키며, 슬러리의 유변학적 특성을 향상시킬 수 있습니다.
3. 분산제 개질
다양한 종류의 세라믹 분말 간의 차이를 바탕으로, 적절한 분산제를 선택하거나 새로운 분산제를 설계하는 것은 세라믹 슬러리의 고형분 함량을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 첨가되는 분산제의 종류와 양은 세라믹 특성에 미치는 영향을 크게 변화시킬 수 있습니다.
분산제는 일반적으로 친수성과 소수성 구조를 모두 가지고 있으며, 이러한 친수성기와 소수성기 간의 상호작용을 통해 세라믹 슬러리의 분산 특성을 조절합니다. 분산제에는 계면활성제 또는 고분자 전해질이 포함되며, 계면활성제에는 양이온성 계면활성제와 음이온성 계면활성제가 포함됩니다.
고분자 전해질에는 폴리비닐 설폰산, 폴리아크릴산, 폴리비닐 피리딘, 폴리에틸렌이민 등이 있습니다. 분산제는 분말 표면과 화학적 및 물리적 흡착을 포함한 흡착 반응을 거쳐 입자 간 힘(반데르발스 힘 및 정전기적 반발력)과 입체 장애 효과를 유발할 수 있습니다.
4. 표면 소수성 개질
표면 소수성 개질은 세라믹 분말의 히드록실기를 탄화수소기, 장쇄 알킬기, 시클로알킬기와 같은 소수성기로 변환하는 것을 포함합니다. 이러한 유기기는 세라믹 분말 표면에 결합하여 강력한 소수성 효과를 발휘하여 분산 매질 내 분산을 개선하고 응집을 방지합니다.
질화규소 분말 표면에 고분자를 접목하면, 긴 고분자 사슬은 분말 표면에 부착되고, 다른 쪽 끝의 친수성 사슬은 수용액 내로 확장됩니다. 분산 과정 전체에서 분말 입자는 긴 폴리머 사슬에 의해 발생하는 입자 간 반발과 입체 장애를 모두 겪게 되며, 이로 인해 슬러리 분산이 더 좋아집니다.
카올린의 4가지 혁신적인 응용 분야 및 전망
1:1 층상 규산염 광물인 카올린은 분산성, 가소성, 소결성, 내화성, 이온 교환성, 화학적 안정성 등 다양한 특성을 자랑하여 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 현재 카올린의 응용 분야는 주로 세라믹, 제지, 내화물과 같은 전통적인 산업에 집중되어 있습니다.
1. 고성능 복합재
복합재에 카올린을 적용하면 재료의 표면 특성(흡착 성능 등)을 향상시킬 수 있습니다.
복합재에 카올린을 적용하면 흡착력 향상, 전기적 특성 향상, 열 안정성/내화성 향상, 기계적 안정성 향상 등의 이점을 얻을 수 있습니다. 그러나 실제 적용에는 복합재에서 카올린의 분산성 및 계면 상용성이 부족하여 효과가 제한될 수 있다는 과제가 여전히 존재합니다.
향후 연구 방향에는 카올린의 분산성 및 매트릭스 재료와의 상용성을 개선하기 위한 더욱 효율적이고 친환경적인 카올린 표면 개질 기술 개발이 포함됩니다. 에너지 수확, 폐수 처리, 화재 안전 등 특정 응용 분야의 요구를 충족하는 다기능 카올린 기반 복합재 설계를 모색하고, 나노 스케일 가공 및 분자 조작을 통해 카올린의 비표면적과 활성점 수를 더욱 증가시켜 성능을 향상시킵니다. 또한, 카올린 복합재의 저비용 친환경 생산 공정을 촉진하고, 대규모 적용을 위해 지능형 제조 기술을 통합하기 위한 노력이 필요합니다.
2. 다공성 재료: 분자체 분야
분자체는 다양한 분자를 선택적으로 흡착하는 규칙적인 기공 구조를 가진 재료입니다. 정유, 석유화학, 농업, 수처리 분야에서 널리 사용됩니다. 실리카와 알루미나가 풍부한 흔하고 저렴한 천연 광물인 카올린은 제올라이트 분자체를 합성하는 데 직접 사용될 수 있습니다. 기존의 잠재적으로 독성이 있는 실리콘 및 알루미늄 원료와 비교했을 때, 카올린은 환경 친화적일 뿐만 아니라 비용을 절감하고 합성 공정을 간소화합니다.
카올린은 소성 및 산 침출과 같은 간단한 전처리를 통해 규산염 및 알루미나 활성을 활성화할 뿐만 아니라, 주형제 조작 및 온도 최적화를 통해 분자체 성능을 더욱 향상시킵니다.
3. 생물의학
카올린은 우수한 생체적합성, 높은 비표면적, 화학적 불활성, 콜로이드 특성, 그리고 요변성을 특징으로 하는 나노규산염 점토 광물의 한 종류입니다. 생물의학 분야에서 연구는 기본적인 약물 전달체 응용 분야에서 유전자 치료 및 3D 바이오 프린팅과 같은 더욱 복잡한 생물의학 응용 분야로 점차 전환되고 있습니다. 카올린의 응용 분야는 단순한 물리적 지지 및 약물 방출에서 세포 성장 및 유전자 전달을 촉진하는 복잡한 시스템으로 확장되었습니다.
4. 에너지 저장
에너지 저장은 항상 뜨거운 주제였습니다. 효율적이고 지속 가능한 에너지 저장 솔루션을 찾는 것은 전 세계적인 에너지 문제를 해결하는 핵심 방법 중 하나입니다. 독특한 구조와 다기능성을 갖춘 카올린은 에너지 저장에 이상적인 후보로 자리 잡았습니다. 카올린은 리튬 이온 배터리, 슈퍼커패시터, 미생물 연료 전지 등 다양한 에너지 저장 장치에 사용됩니다.
카올린의 미래 응용 분야 전망은 다음과 같습니다.
a. 혁신적인 소재 연구 개발은 카올린 나노 가공 및 표면 개질 기술에 중점을 두고 전자, 에너지 저장 및 기타 분야에서 카올린의 성능을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 예를 들어, 카올린 기반 나노복합체는 폴리머 또는 탄소 기반 소재와 결합하여 기계적 강도와 전도성을 향상시켜 개발할 수 있습니다.
b. 카올린은 수처리 및 토양 복원과 같은 환경 문제, 특히 중금속 제거 및 오염 물질 흡착에 대한 해결책을 제공할 잠재력을 가지고 있습니다.
c. 학제 간 기술의 통합은 약물 전달 시스템 또는 생체 활성 스캐폴드 개발을 위해 생명공학을 통합하는 등 생물 제약 분야에서 카올린의 혁신적인 응용을 촉진할 것입니다.
d. 친환경 소재에 대한 시장 수요가 증가함에 따라, 기업들은 혁신적인 발견을 고온 내구성 카올린 세라믹이나 경량 복합재와 같은 경쟁력 있는 제품으로 전환하기 위해 R&D 기관과의 협력을 강화해야 합니다.
e. 지속 가능한 개발에 대한 전 세계적인 관심과 정책 지원, 그리고 경제적 타당성은 카올린 R&D 및 응용 분야의 방향에 영향을 미칠 것입니다. 따라서 업계는 자원 가용성과 비용 최적화를 면밀히 모니터링하는 동시에, 복잡한 국제 환경에 대처하기 위해 위험 관리를 강화하고 글로벌 경쟁력을 강화해야 합니다.
화장품용 SDS 개질 황산바륨
화장품 불투명화제는 잡티를 감추고 피부를 밝게 하는 효과를 내는 핵심 성분입니다. 이러한 불투명화제의 분산성과 안정성은 제품 성능과 유통기한에 직접적인 영향을 미칩니다.
황산바륨은 높은 굴절률, 우수한 불투명도, 그리고 화학적 안정성으로 인해 화장품에 널리 사용됩니다. 그러나 응집되는 경향으로 인해 화장품에서의 적용에 제약이 있습니다.
본 연구에서는 볼 밀링을 이용하여 초미립 황산바륨을 제조하고, 표면 개질 및 분산 공정을 최적화하여 화장품 매트릭스에서 황산바륨의 분산성과 안정성을 조사합니다.
1. 개질 방법
(1) 황산바륨의 전처리
산업용 황산바륨을 건조하고 200메시 체로 여러 번에 걸쳐 체질했습니다. 각 배치마다 황산바륨 100g을 스테아르산 0.5g과 함께 2롤 밀에서 3분간 혼합했습니다. 롤의 간격을 최소로 조정하고 6회 통과시킨 후, 2mm 간격으로 최종 통과시켜 초기 혼합을 완료했습니다. 혼합된 황산바륨을 80°C에서 4시간 동안 건조하여 전처리된 생성물을 얻었습니다.
(2) 표면 개질
기본 제형 100부에 전처리된 황산바륨을 다양한 비율로 첨가하고 60°C에서 표면 개질했습니다. 개질 과정에서 도데실황산나트륨 1.5부를 첨가하고 혼합물을 완전히 혼합했습니다. 롤의 간격을 최소로 조정하고 6회 통과시킨 후 평평하게 펴서 개질된 황산바륨을 얻었습니다.
(3) 분산액 제조
개질된 황산바륨을 기계적 교반과 초음파 분산을 병행하여 다양한 비율로 기본 제형에 분산시켰습니다. 구체적으로, 일정량의 개질된 황산바륨을 칭량하여 탈이온수에 첨가하고 10분 동안 초음파 분산시켰습니다. 그런 다음, 기본 제형을 교반하면서 천천히 첨가하고 혼합물을 30분 더 교반했습니다.
2. 최적 개질 공정 및 성능 평가
(1) 최적 개질 공정
체계적인 연구를 통해 최적의 공정 조건을 결정했습니다. 산업용 황산바륨을 200메시 체로 체질하고 60°C에서 4시간 동안 건조했습니다. 표면 개질제로 도데실황산나트륨을 황산바륨 중량의 1.5%로 사용하고, 60°C에서 2시간 동안 개질했습니다. 분산 공정에서 황산바륨 함량은 15~20%, 분산 온도는 60°C, 분산 시간은 15분, 시스템 pH는 8.0~8.5로 조절했습니다. 기계적 교반과 초음파 분산을 병행했습니다.
이러한 조건에서 생성된 분산 시스템은 다음과 같은 특성을 나타냈습니다. 주요 입자 크기가 0.8~1.2μm인 균일한 입자 크기 분포; 7일 이내에 심각한 침전 없이 우수한 분산 안정성을 보였으며, 균일하고 연속적인 필름으로 탁월한 커버력을 보였습니다.
(2) 화장품 적용 평가
제조된 황산바륨 분산액을 화장품 제형에 적용하여 평가했습니다. 파운데이션 크림에 개질된 황산바륨 분산액을 15% 첨가한 결과, 우수한 커버력과 쾌적한 사용감을 보였으며, 베이스 매트릭스와의 상용성이 우수하고 상분리 현상도 없었습니다.
컨실러 제형에 분산액을 20% 첨가한 결과, 커버력이 크게 향상되고 안정성이 우수하며 자연스럽고 오래 지속되는 효과를 보였습니다.
최적화된 공정을 통해 제조된 황산바륨 분산액이 화장품 분야에서 탁월한 성능을 발휘함을 평가 결과에서 확인할 수 있습니다. ALPA는 귀사의 제품 가치를 극대화하기 위한 초미분 분쇄 및 분류 전문 기업입니다. 중정석의 초미분 분쇄 및 분류 전문 기업입니다.
신에너지 분야에서 몬모릴로나이트의 잠재력
몬모릴로나이트(MMT)는 층상 규산염 광물입니다. 알루미늄-산소 팔면체 구조에서 원자가가 높은 알루미늄 원자는 원자가가 낮은 원자로 쉽게 치환되어 층 사이에 음전하를 띠게 됩니다. 층간 구조의 안정성을 유지하기 위해 몬모릴로나이트는 주변에서 Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+, K+와 같은 양이온을 흡착합니다. 이러한 특성은 몬모릴로나이트에 강력한 흡착 및 양이온 교환 능력을 부여합니다. 이러한 독특한 구조와 교환 능력은 몬모릴로나이트가 신에너지 기술 분야에서 응용될 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.
리튬 배터리 소재
(1) 고체 전해질
수많은 연구에 따르면, 몬모릴로나이트(MMT)는 새로운 무기 필러로서 고체 고분자 전해질(SPE)의 이온 전도도와 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
(2) 인공 SEI층 구축
인공 고체 전해질 계면(SEI) 필름에서 층상 몬모릴로나이트-리튬(Li-MMT)은 SEI층에 우수한 기계적 특성을 부여하고 Li+ 수송 채널을 제공하여 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 데 도움을 줍니다. Li-MMT의 빠른 Li+ 채널 덕분에 Li-MMT SEI층으로 조립된 Li-LiFePO4 전지는 우수한 속도 성능을 나타내며, 1C 속도에서 400회 충방전 후에도 90.6%의 높은 용량 유지율을 유지합니다.
(3) 분리막 최적화
MMT는 뛰어난 흡착 특성으로 인해 분리막 최적화에 사용됩니다. 상용 PE 분리막과 비교하여 Li-MMT로 개질된 분리막은 전극/전해질 계면에서 Li+ 농도가 더 높아 선택적 리튬 증착을 줄이고, 국부적인 전류 밀도를 약화시키며, 덴드라이트 성장을 억제합니다.
(4) 액체 전해질 최적화
리튬 금속 배터리 시스템에서 몬모릴로나이트는 PEO 전해질에 비해 금속 리튬과 더 강한 친화력을 나타내며, 제타 전위는 +26 mV로 몬모릴로나이트 표면 근처에서 리튬 이온의 농축을 촉진합니다. 리튬 이온의 흡착 및 분리에 따라 과전압은 -57.7 mV로 약간 증가하여 리튬 이온이 몬모릴로나이트에서 이동하여 구리 집전체 표면에 증착되도록 합니다.
(5) 캐리어 재료
슈퍼커패시터
템플릿 재료
아타풀자이트, 몬모릴로나이트, 할로이사이트, 규조토와 같은 일부 천연 광물은 특정 형태를 가지며, 이는 특정 형태의 다공성 탄소 재료를 합성하는 템플릿으로 일반적으로 사용됩니다. 또한, 미네랄 템플릿 방법을 사용하여 특정 형태의 전도성 고분자를 합성할 수 있습니다. (2) 전극 캐리어 재료
특정 형태의 활물질을 얻고, 동시에 비정전용량을 향상시키며, 사이클 안정성을 개선하기 위해, 몬모릴로나이트 및 할로이사이트와 같은 광물 표면에 활물질을 담지할 수 있습니다.
메탄 저장 재료
현재 연구자들은 기존의 압축 천연가스 및 액화 천연가스 기술의 대안으로 경제적이고 편리하며 안전한 흡착 기반 천연가스 저장 기술을 연구하고 있습니다. 연구에 따르면 점토 광물은 셰일가스 저장소의 형성 및 개발에 긍정적인 역할을 하며 가스 저장 능력을 가지고 있는 것으로 나타났습니다.
전기촉매 재료
전기촉매는 전극/전해질 계면에서 전하 이동 반응을 가속화하는 촉매의 한 유형으로, 전기화학적 수소 발생, 산소 발생, NOx 환원과 같은 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 몬모릴로나이트와 같은 점토 광물은 입자 응집 방지, 증감제 분자 안정성 향상, 반응 선택성 향상을 위해 광전기촉매 전극 반응 성분의 담체로 널리 사용되어 왔습니다.
상변화 열에너지 저장 재료
상변화 열에너지 저장 재료(PCM)는 상변화 과정에서 열 흡수 또는 방출을 이용하여 열에너지를 저장하고 방출하는 새로운 유형의 기능성 소재입니다. 천연 광물은 상변화 열에너지 저장 분야에서 중요한 역할을 합니다. 한편, 천연 광물 자체는 우수한 무기 상변화 재료이며, 적절한 핵제와 증점제를 첨가하면 고성능 상변화 열에너지 저장 재료로 가공될 수 있습니다. 또한, 광물의 다공성 구조는 상변화 열에너지 저장 재료의 우수한 담체 역할을 할 수 있습니다.
이산화티타늄 분말 코팅 개질
이산화티타늄 분말(티타늄 화이트)의 표면 개질은 분산성, 내후성, 광택, 화학적 안정성 등의 성능을 향상시키는 중요한 방법입니다. 일반적인 표면 개질 기술은 크게 무기 코팅, 유기 코팅, 복합 코팅의 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 다음은 이러한 방법에 대한 자세한 분류와 간략한 소개입니다.
무기 코팅 개질
이 방법은 이산화티타늄 입자 표면에 무기 산화물 또는 염 층을 코팅하여 물리적 장벽을 형성하여 화학적 안정성과 광학적 특성을 향상시키는 것입니다.
1. 산화물 코팅
원리: 금속 산화물 수화물(예: SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ 등)을 이산화티타늄 입자 표면에 침전시켜 균일한 코팅층을 형성합니다.
공정: 일반적으로 액상 증착법을 사용하는데, 이 경우 금속염(예: 규산나트륨, 황산알루미늄)을 이산화티타늄 슬러리에 첨가하고 pH를 조절하여 금속 산화물 수화물을 표면에 침전시킵니다.
2. 복합 산화물 코팅
원리: 두 가지 이상의 금속 산화물(예: Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂ 등)로 코팅하여 각 성분의 장점을 결합합니다.
특징: 탁월한 전반적인 성능. 예를 들어, Al₂O₃-SiO₂ 코팅은 분산성과 내후성을 동시에 향상시켜 까다로운 자동차 코팅 및 코일 코팅에 적합합니다.
3. 염 코팅
원리: 금속염(예: 인산염, 규산염, 황산염 등)을 사용하여 이산화티타늄 입자 표면에 불용성 염층을 형성합니다.
유기 코팅 개질
이 방법은 유기 화합물을 이산화티타늄 표면의 히드록시기와 반응시켜 유기 분자층을 형성하여 유기 매질과의 상용성을 향상시킵니다. 1. 커플링제 코팅
원리: 커플링제(실란, 티타네이트, 알루미네이트 등)의 양친매성 구조를 이용하여, 한쪽 말단은 이산화티타늄 표면의 하이드록시기에 결합하고 다른 쪽 말단은 유기 매트릭스(예: 수지, 폴리머)와 반응합니다.
기능:
실란 커플링제: 수성 시스템에서 이산화티타늄의 분산성을 향상시키며, 수성 코팅 및 잉크에 일반적으로 사용됩니다.
티타네이트/알루미네이트 커플링제: 플라스틱 및 고무와 같은 유성 시스템에서의 상용성을 향상시켜 가공 중 응집을 줄입니다.
2. 계면활성제 코팅
원리: 계면활성제(지방산, 설폰산염, 4차 암모늄염 등)는 물리적 흡착 또는 화학 반응을 통해 이산화티타늄 표면에 부착되어 전하층 또는 소수성 층을 형성합니다.
3. 폴리머 코팅
원리: 중합 반응을 통해 이산화티타늄 표면에 폴리머(아크릴레이트, 에폭시 수지, 실록산 등)를 접목합니다.
기능:
두꺼운 코팅층을 형성하여 화학적 공격으로부터 보호하고 내후성과 기계적 특성을 향상시킵니다.
특정 수지와의 상용성을 향상시켜 고성능 복합재 및 코팅에 적합합니다.
4. 유기실리콘 코팅
원리: 폴리실록산(실리콘 오일, 실리콘 수지 등)의 낮은 표면 에너지를 이용하여 이산화티타늄 입자를 코팅합니다.
기능: 표면 장력을 감소시키고 분산성과 윤활성을 향상시키며, 잉크 및 화장품에 일반적으로 사용됩니다.
복합 코팅 개질
무기 및 유기 코팅의 장점을 결합한 이중 코팅 공정(순차적 또는 동시적)은 상호 보완적인 성능을 달성합니다.
1. 무기-유기 순차 코팅
공정: 먼저 무기 산화물(예: SiO₂)로 물리적 장벽을 형성한 후, 커플링제 또는 폴리머를 사용하여 유기 개질합니다.
특징: 내후성과 상용성의 균형을 이루며, 고성능 건축용 코팅 또는 자동차 OEM 도료에 적합합니다. 2. 무기-유기 동시 코팅
공정: 무기 및 유기 코팅제를 동일한 반응 시스템에 동시에 투입하여 코어-쉘 구조를 형성합니다.
특징: 코팅층은 더욱 강력한 접착력과 현저히 향상된 성능을 나타내며, 고급 응용 분야(예: 항공우주 코팅, 나노 복합재)에 적합합니다.
기타 특수 코팅 기술
1. 나노입자 코팅
원리: 나노입자(예: 나노-SiO₂, 나노-ZnO)를 코팅에 사용하면 자외선 차단 및 투명도가 향상되며, 자외선 차단 화장품 및 광학 코팅에 일반적으로 사용됩니다.
2. 마이크로캡슐화
원리: 이산화티타늄 입자를 고분자 마이크로캡슐에 캡슐화하고, 캡슐 파열 조건(예: 온도, pH)을 조절하여 이산화티타늄을 방출하는 방식으로, 스마트 코팅 및 서방형 시스템에 적합합니다.
다양한 코팅 방법은 적용 분야(예: 코팅, 플라스틱, 잉크, 화장품)와 성능 요구 사항(내후성, 분산성, 상용성 등)에 따라 선택됩니다.