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.
나노 아연 산화물의 6가지 주요 개질 방법
나노 산화아연은 새로운 유형의 기능성 미세 무기 화학 물질입니다. 작은 입자 크기와 넓은 비표면적 덕분에 화학, 광학, 생물학 및 전자 분야에서 독특한 물리화학적 특성을 가지고 있습니다. 항균 첨가제, 촉매, 고무, 염료, 잉크, 코팅, 유리, 압전 세라믹, 광전자 및 일상 화학 분야에 널리 사용되며 개발 및 활용 가능성이 매우 높습니다.
그러나 나노 산화아연은 넓은 비표면적과 높은 비표면 에너지로 인해 강한 표면 극성을 나타내고 자가 응집되기 쉬우며, 유기 매질에 균일하게 분산되기 어려워 나노 효과가 크게 제한됩니다. 따라서 나노 산화아연 분말의 분산 및 표면 개질은 나노물질을 매트릭스에 적용하기 전에 필수적인 처리 과정입니다.
1. 계면활성제 개질
계면활성제 개질은 계면활성제의 정전기적 상호작용을 통해 나노물질 표면에 유기 코팅을 형성하여 유기 매트릭스와의 상용성을 향상시키는 과정입니다.
계면활성제 개질은 간단한 공정이지만, 일반적으로 그 효과가 낮아 나노물질 표면에 안정적이고 견고한 코팅을 형성하기 어렵습니다.
2. 기계화학적 개질
기계화학적 개질은 기계적 힘을 이용하여 나노물질의 물리적 및 화학적 특성을 변화시켜 다른 물질과의 친화도와 반응성을 향상시킵니다.
그러나 기계화학적 개질은 일반적으로 시간이 오래 걸리고 나노물질에 대한 결과가 좋지 않습니다.
3. 고에너지 개질
고에너지 개질은 플라즈마 또는 방사선 처리를 이용하여 유기 화합물 단량체를 중합하여 나노물질 표면을 코팅하는 것을 포함합니다.
고에너지 개질은 일반적으로 앞의 두 가지 방법보다 더 나은 결과를 얻지만, 높은 에너지 소비와 기술적 어려움과 같은 단점이 있습니다.
4. 에스테르화 개질
에스테르화는 고급 지방산이나 불포화 유기산과 같은 개질제에 존재하는 카르복실산기를 이용하여 나노물질 표면의 히드록실기와 반응시켜 에스테르화를 달성하는 표면 개질 방법입니다.
에스테르화법은 간단하지만 개질 효과가 약하며 일반적으로 커플링제와 함께 사용해야 합니다.
5. 고분자 그래프팅
고분자 그래프팅은 먼저 나노물질 표면에 고분자 단량체를 그래프팅한 후, 중합 반응을 일으켜 탄소 사슬을 연장하고, 마지막으로 고분자가 나노물질 전체를 코팅하도록 하는 과정입니다.
고분자 그래프팅법은 조작이 복잡하고, 개질 효과는 다양한 요인의 영향을 받기 때문에 광범위한 적용을 달성하기 어렵습니다.
6. 커플링제 개질
커플링제는 실리콘 또는 금속 원소를 기반으로 하며, 양쪽에 무기 및 유기 매트릭스에 결합할 수 있는 두 개의 서로 다른 작용기를 가지고 있습니다. 이 세 가지 성분이 함께 작용하여 나노물질의 화학적 개질을 달성합니다. 나노 산화아연은 APS 실란 커플링제로 개질되었습니다. 개질된 나노 산화아연과 개질되지 않은 나노 산화아연을 모두 무수 에탄올에 분산시켜 태양전지의 전자 전달층 재료로 사용되는 인쇄 잉크를 제조했습니다. 두 잉크의 성능을 비교했습니다. 그 결과, 개질된 나노 산화아연은 무수 에탄올에 더 잘 분산되고 12개월 동안 응집 상태를 유지하는 것으로 나타났습니다. 이 물질을 사용하여 제조된 전자 수송층 재료는 더 높은 전자 전달 효율을 나타냈으며, 더 얇은 두께에서도 소자 성능 기준을 충족할 수 있었습니다.
나노 산화아연은 글리실옥시 및 아미노 작용기를 갖는 실란 커플링제를 사용하여 화학적으로 개질되었습니다. 개질된 나노 산화아연과 개질되지 않은 나노 산화아연 모두 에폭시 코팅에 첨가하여 내후성 시험을 수행했습니다. 그 결과, 글리실옥시 실란 커플링제로 개질된 나노 산화아연을 포함하는 에폭시 코팅은 450시간의 가속 풍화 후 접촉각, 색상 및 카르보닐기의 변화가 현저히 적었으며, 이는 개질되지 않은 나노 산화아연을 포함하는 에폭시 코팅에 비해 내후성이 현저히 향상되었음을 보여줍니다.
커플링제 방법은 공정이 간단하고, 개질 효과가 우수하며, 비용이 저렴하기 때문에 가장 유망한 개질 방법입니다.
위에서 언급한 다양한 표면 개질 방법을 비교하고, 개질 효과와 개질 난이도를 모두 고려하면 에스테르화 방법과 커플링제 방법이 나노물질의 표면 개질에 더 적합하다는 것을 알 수 있다.
소성 알루미나는 세라믹 산업 발전에 중요한 지원이 되었습니다.
고온에서 소성된 산업용 알루미나로 만든 무기 비금속 재료인 소성 알루미나는 여러 가지 놀라운 특성을 가지고 있습니다. 첫째, 높은 경도가 특징입니다. 모스 경도는 9로 다이아몬드에 이어 두 번째로 높습니다. 이로 인해 소성 알루미나로 만든 세라믹 제품은 뛰어난 내마모성을 지니며, 장기간 사용 시에도 외관과 구조적 안정성을 유지합니다. 둘째, 뛰어난 고온 내성을 지녀 수천 도를 넘는 고온에서도 변형이나 손상 없이 견딜 수 있어 고온 세라믹 분야에서 특히 유용합니다. 또한, 소성 알루미나는 뛰어난 화학적 안정성을 나타내며 다른 물질과 화학 반응을 일으키지 않아 세라믹 제품의 안정적인 성능을 보장합니다.
유약에서 소성 알루미나의 주요 기능
고순도, 고경도, 뛰어난 화학적 안정성으로 인해 소성 알루미나는 유약, 특히 가정용 세라믹, 건축용 세라믹, 특수 세라믹에 널리 사용됩니다. 실제 적용 시, 유약 표면의 경도와 내마모성을 크게 향상시켜 사용 중 긁힘과 마모를 효과적으로 줄여 세라믹 제품의 수명을 연장합니다. 또한 유약의 화학적 안정성을 향상시켜 산 및 알칼리 부식 위험을 줄이고 제품의 내오염성과 내구성을 향상시킵니다. 또한, 소성 알루미나를 적절히 첨가하면 유약의 용융 온도와 점도를 조절하여 유동성을 향상시키고, 핀홀 및 유약 수축과 같은 결함을 방지하여 더욱 매끄럽고 균일한 유약 표면을 얻을 수 있습니다. 또한, 고유한 광학적 특성은 유약의 광택을 조절하여 무광 유약에 섬세한 질감을 더하고 광택 유약의 광택 균일성을 향상시켜 다양한 세라믹 제품의 디자인 요구 사항을 충족합니다.
안료 적용 시, 소성 알루미나는 산화철 및 산화코발트와 같은 금속 산화물 안료의 안정적인 운반체 역할을 하고, 고온에서 안료의 휘발 또는 확산을 억제하며, 유약의 블루밍 및 탈색을 방지할 수 있습니다. 특히 고온 유약에서 색상 농도와 색조의 일관성을 유지하여 풍부하고 오래 지속되는 세라믹 장식 효과를 얻는 데 도움을 줍니다. 세라믹 유약의 고성능 및 고안정성 개발을 촉진하는 핵심 요소입니다.
마그네시아-칼슘 내화물에서 희토류 산화물의 작용 메커니즘
원소의 특성은 성능을 결정하며, 희토류 원소도 예외는 아닙니다. 희토류 원소의 성능은 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 경도, 결정 구조, 녹는점과 같은 물리적 특성을 결정하는 주요 요인은 원자 반지름과 이온 반지름입니다. 희토류 금속은 원자 번호가 증가함에 따라 녹는점이 높아지지만, 이러한 경향은 일정하지 않습니다. 희토류 원소는 일반적으로 최외각 s 및 d 오비탈 전자를 잃고 +3 원자가 상태를 형성하여 희토류 산화물을 형성합니다. 이 +3 원자가 상태는 희토류 원소의 특징적인 산화 상태입니다. 희토류 산화물은 녹는점이 2000°C를 초과하며 비휘발성입니다. 희토류 산화물은 전자 전도성과 이온 전도성을 모두 가진 혼합 전도성 반도체입니다. 전자 전도성은 전자와 정공의 전도를 의미하며, 이온 전도성은 산소 공극 내에서 산소 이온의 이동, 즉 본질적으로 산소 이온 전도를 의미합니다.
4f 전자의 광학적 및 자기적 특성을 기반으로 희토류 원소를 매트릭스 구성 요소 또는 기능 중심으로 직접 사용하는 것 외에도, 화학 반응성 및 큰 이온 반경과 같은 화학적 특성을 활용하여 재료의 미세 구조를 변형하여 성능을 향상시킬 수 있습니다. 희토류 도핑된 기능성 반도체 세라믹이 대표적인 예입니다. 내화 재료에 희토류 산화물을 첨가하면 재료의 고유 강도와 인성을 향상시킬 뿐만 아니라 소결 온도와 생산 비용도 절감할 수 있습니다.
무독성, 고효율, 그리고 고유한 물리적 및 화학적 특성으로 인해 희토류 화합물은 야금, 화학 공학, 세라믹 분야의 주요 응용 분야에서 수소 저장 및 발광과 같은 고성능 복합 재료 분야의 고급 응용 분야로 발전하면서 광범위한 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 세라믹 재료에 희토류 산화물을 적용하는 연구는 광범위한 관심을 불러일으켰습니다. 연구에 따르면 희토류 산화물을 첨가하면 세라믹 재료의 성능이 크게 향상되어 다양한 응용 분야에서 품질과 성능을 보장할 수 있습니다. 또한, 희토류 산화물은 플럭스로서 소결을 촉진하고, 세라믹의 미세 구조를 개선하며, 도핑 및 개질을 제공할 수 있습니다.
희토류 산화물은 첨가제로서 내화 재료의 특성을 개선하여 성능 향상 및 새로운 기능 부여에 있어 독특하고 중요한 이점을 보여줍니다. 소량의 희토류 산화물을 첨가하면 마그네시아-칼슘 내화물의 밀도가 증가하여 밀도와 내식성이 향상됩니다.
희토류 산화물은 마그네시아-칼슘 내화물의 첨가제로 사용되어 소결성, 치밀성, 미세 구조, 결정상 조성, 상온 굽힘 강도 및 파괴 인성을 향상시켜 마그네시아-칼슘 내화물에 대한 시장 성능 요건을 충족합니다. 마그네슘-칼슘 내화물에 희토류 산화물을 첨가하는 세 가지 주요 메커니즘이 있습니다. (1) 플럭스로서 첨가제는 소결을 촉진할 수 있습니다. 마그네슘-칼슘 내화재의 소결 온도는 일반적으로 높으며, 소결 과정에서 치밀화를 저해하는 요인들이 많습니다. 희토류 산화물을 첨가하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 희토류 산화물의 고유한 특성으로 인해 내화재에 희토류 산화물을 첨가하면 내부 구조가 변화하여 마그네슘-칼슘 내화재의 소결이 촉진됩니다. (2) 희토류 산화물은 마그네슘-칼슘 내화재의 미세 구조를 개선할 수 있습니다. 희토류 산화물을 첨가하면 내화재의 내부 미세 구조가 개선되어 결정립계 이동 속도가 감소하고, 결정립 성장이 억제되며, 치밀한 구조 형성에 도움이 됩니다. (3) 희토류 산화물의 도핑 변형. 내화재 제조 과정에서 희토류 산화물을 도핑하면 시편의 결정 형태가 변화하여 부피가 변합니다. 이러한 변화는 굽힘 저항성과 인성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 내화재 제조 공정에서 재료의 관련 특성을 개선하고 최적화하기 위한 첨가제 첨가 연구는 항상 많은 관심을 받아 왔습니다. 현재 연구에서는 마그네시아 칼슘 모래 원료가 소결이 어렵고 수화되기 쉽다는 문제에 중점을 두고 있습니다. 주요 첨가제로는 ZrO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃, 희토류 산화물 등이 있습니다.
10개 산업에 황산바륨의 적용
황산바륨은 대부분의 사람들에게 생소한 용어이며, 화학에 익숙하지 않은 사람들조차도 위험한 화학물질로 여길 수 있습니다. 그러나 황산바륨은 우리 일상생활 어디에나 존재하며, 종종 제조품의 형태로 나타납니다. 예를 들어, 가정의 대부분의 플라스틱 제품, 에어컨, 자동차 플라스틱 부품, 슈퍼마켓 비닐봉지, 페인트, 코팅제, 유리에는 모두 황산바륨이 함유되어 있을 수 있습니다.
10대 주요 산업에서의 황산바륨 활용
1. 석유 산업: 석유 및 가스전 시추용 머드 첨가제용 200메시 및 325메시 중정석 분말.
2. 화학 산업: 중정석 염화 공장은 중정석을 원료로 사용하여 리토폰, 침전 황산바륨, 탄산바륨을 생산합니다.
3. 페인트 및 코팅 산업: 중정석은 페인트 및 코팅의 충전재로 사용되어 침전 황산바륨, 리토폰, 이산화티타늄, 활성 실리카와 같은 고가의 원료를 대체할 수 있습니다. 도료 점도 조절 및 선명하고 안정적인 색상 구현에 적합합니다.
4. 플라스틱 산업: 중정석은 ABS 플라스틱 원료의 필러로 사용되어 광택을 더하는 동시에 강도, 강성, 내마모성을 향상시킵니다.
5. 고무 산업: 500메시 이하의 중정석 분말은 고무 제품의 필러로 널리 사용되어 경도, 내산성, 내알칼리성, 내수성을 향상시키면서 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 천연 및 합성 고무의 강화재로도 탁월합니다.
6. 제지 산업: 고미립 중정석 분말은 화이트보드 및 코팅지의 필러 및 코팅 필러로 사용되어 백색도와 표면 피복성을 향상시킬 수 있습니다. 제품 사양: 325메시, 400메시, 600메시, 800메시, 1250메시, 1500메시, 2000메시, 2500메시, 3000메시, 4000메시, 5000메시, 6000메시.
7. 시멘트 산업
시멘트 생산에 중정석과 형석 복합 광화제를 첨가하면 시멘트의 백색도와 강도를 높일 수 있습니다. 바륨 시멘트, 중정석 모르타르, 중정석 콘크리트를 만드는 데 사용할 수 있으며, 이러한 중정석은 X선 차폐가 필요한 건물에 사용될 수 있습니다.
8. 유리 산업
유리의 광학적 안정성, 광택 및 강도를 높이기 위해 탈산제, 청징제, 플럭스로 사용할 수 있습니다.
9. 건설 산업
콘크리트 골재, 포장재, 습지대 매설 배관 보강재, 원자력 시설, 원자력 발전소, X선 실험실 차폐재의 납 시트 대체재로 사용되어 도로 표면의 수명을 연장할 수 있습니다.
10. 세라믹 산업
중정석 분말은 세라믹 및 기타 산업에서 고품질 충전재로도 사용할 수 있습니다. 현재 세라믹 산업에서 황산바륨의 사용량은 감소하는 반면, 규회석 분말의 사용량은 증가하고 있습니다.
위에서 언급한 10가지 산업 분야의 응용 분야는 모두 사람들의 생계에 매우 중요하고 필수적입니다. 이는 무기 비금속 광물 분말인 황산바륨의 중요한 역할과 광범위한 응용 분야를 보여줍니다.