코팅제 배합에서의 초음파 활용

코팅제와 도료 배합에는 안료, 충전제, 화학 첨가제, 가교제 및 유변학 조절제와 같은 다양한 성분이 사용됩니다. 초음파는 코팅제 내 이러한 성분의 분산, 유화, 해응집 및 분쇄에 효과적인 수단입니다.

코팅제 배합에서 초음파는 다음과 같은 용도로 사용됩니다:

• 수계 시스템에서 고분자의 유화
• 안료의 분산 및 미세 분쇄
• 고성능 코팅제 내 나노소재의 크기 감소

코팅제는 크게 수성 수지 및 코팅제와 용제형 수지 및 코팅제의 두 범주로 나뉩니다. 각 유형에는 고유한 과제가 있습니다. VOC 저감을 요구하는 지침과 높은 용제 가격은 수성 수지 코팅 기술의 성장을 촉진합니다. 초음파 처리를 사용하면 이러한 친환경 시스템의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

초음파 처리를 통한 코팅제 배합 개선

초음파는 건축용, 산업용, 자동차용 및 목재용 코팅제의 배합 개발자가 착색력, 내스크래치성, 내균열성, 내자외선성 또는 전기 전도성과 같은 코팅 특성을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이러한 코팅 특성 중 일부는 금속 산화물(TiO₂, 실리카, 세리아, ZnO, …)과 같은 나노 크기 소재를 첨가하여 구현됩니다.

초음파는 고점도 제품의 소포(갇힌 기포 제거) 및 탈기(용존 가스 제거)에도 도움을 줍니다. 액체의 초음파 공기 제거 및 탈기에 대해 자세히 알아보세요!

초음파 분산 기술은 실험실, 벤치탑 및 산업 생산 규모에서 사용할 수 있고 시간당 10 톤을 초과하는 처리량을 달성할 수 있어 연구 개발 단계와 상업 생산에 적용되고 있습니다. 공정 결과는 쉽고 선형적으로 규모를 확대하여 재현할 수 있습니다.

Hielscher 초음파 장치는 에너지 효율이 매우 높습니다. 이 장치는 입력 전력의 약 80–90%를 액체 내 기계적 운동으로 변환합니다. 이를 통해 처리 비용이 상당히 낮아집니다.

아래 링크에서 다음 용도에 고성능 초음파를 사용하는 방법을 자세히 알아볼 수 있습니다:

• 수계 시스템에서 고분자의 유화,
• 안료의 분산 및 미세 분쇄,
• 및 나노소재의 크기 감소.

초음파 처리를 이용한 유화 중합

기존 코팅제 배합은 기본적인 고분자 화학을 활용합니다. 수성 코팅 기술로의 전환은 원료 선택, 특성 및 배합 방법에 영향을 미칩니다.

수성 코팅제 등에 사용되는 기존 유화 중합에서는 입자가 중심에서 표면을 향해 형성됩니다. 동역학적 요인은 입자의 균질성과 형태에 영향을 미칩니다.

초음파 처리는 고분자 에멀젼을 생성하는 데 두 가지 방식으로 사용될 수 있습니다.

• 하향식: 유화/분산을 통해 큰 고분자 입자의 크기를 줄여 더 작은 입자를 생성
• 상향식: 입자 중합 전 또는 중합 중에 초음파 사용

 

이 영상에서는 퍼지 가능한 캐비닛에 장착된 인라인 운전용 2 킬로와트 초음파 시스템을 보여 줍니다. Hielscher는 화학, 제약, 화장품, 석유화학 공정 및 용매 기반 추출 공정 등 거의 모든 산업 분야에 초음파 장비를 공급합니다. 이 퍼지 가능한 스테인리스강 캐비닛은 위험 구역에서 운전하도록 설계되었습니다. 이를 위해 고객은 밀폐된 캐비닛을 질소나 신선한 공기로 퍼지하여 가연성 가스나 증기가 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있습니다.

 

미니에멀젼 내 나노입자형 고분자

미니에멀션에서 입자를 중합하면 입자 크기를 잘 제어하면서 분산된 고분자 입자를 제조할 수 있습니다. K. Landfester (2001)가 제시한 미니에멀션(나노반응기라고도 함)에서의 나노 크기 고분자 입자 합성은 고분자 나노입자를 형성하는 데 탁월한 방법입니다. 이 접근법은 에멀션 내에 다수 존재하는 작은 나노구획(분산상)을 나노반응기로 활용합니다. 이 나노반응기에서는 입자가 개별적으로 한정된 액적 내에서 고도로 병렬적인 방식으로 합성됩니다. Landfester (2001)는 자신의 논문에서 크기가 거의 균일하고 서로 매우 동일한 입자를 생성하기 위한 나노반응기 내 중합을 매우 높은 완성도로 제시합니다. 위 이미지는 미니에멀션에서 초음파 보조 중부가 반응으로 얻은 입자를 보여줍니다.

높은 전단(초음파 처리)을 가하여 생성하고 안정화제(유화제)로 안정화한 작은 액적은 후속 중합으로 경화할 수 있으며, 저온에서 용융되는 재료의 경우에는 온도를 낮추어 경화할 수 있습니다. 초음파 처리는 배치 공정과 생산 공정에서 크기가 거의 균일한 매우 작은 액적을 생성할 수 있으므로 최종 입자 크기를 잘 제어할 수 있습니다. 나노입자를 중합하기 위해 친수성 단량체는 유기상에, 소수성 단량체는 물에 유화할 수 있습니다.

입자 크기를 줄이면 전체 입자 표면적도 동시에 증가합니다. 왼쪽 그림은 구형 입자의 경우 입자 크기와 표면적 사이의 상관관계를 보여줍니다. 따라서 에멀션을 안정화하는 데 필요한 계면활성제의 양은 전체 입자 표면적에 따라 거의 선형적으로 증가합니다. 계면활성제의 종류와 양은 액적 크기에 영향을 미칩니다. 음이온성 또는 양이온성 계면활성제를 사용하면 30–200nm의 액적을 얻을 수 있습니다.

코팅의 안료

유기 및 무기 안료는 코팅 배합의 중요한 구성 요소입니다. 안료 성능을 극대화하려면 입자 크기를 잘 제어해야 합니다. 안료 분말을 수성, 용제형 또는 에폭시 시스템에 첨가하면 개별 안료 입자는 큰 응집체를 형성하는 경향이 있습니다. 이러한 응집체를 해체하고 개별 안료 입자를 분쇄하기 위해 기존에는 로터–스테이터 믹서나 교반식 비드 밀과 같은 고전단 장치를 사용해 왔습니다. 초음파 처리는 코팅 제조의 이 단계에서 매우 효과적인 대안입니다.

아래 그래프는 초음파 처리가 진주광택 안료의 크기에 미치는 영향을 보여줍니다. 초음파는 입자 간의 고속 충돌을 통해 개별 안료 입자를 분쇄합니다. 초음파 처리의 두드러진 장점은 캐비테이션 전단력의 강력한 작용으로, 분쇄 매체(예: 비드, 진주형 구슬)를 사용할 필요가 없다는 점입니다. 입자는 최대 1000km/hr에 이르는 매우 빠른 액체 제트에 의해 가속되면서 격렬하게 충돌하여 작은 조각으로 부서집니다. 입자 마모를 통해 초음파로 분쇄한 입자의 표면이 매끄러워집니다. 전반적으로 초음파 분쇄 및 분산은 미세하고 균일한 입자 분포를 형성합니다.

 

초음파 처리는 모든 입자를 더 일관되게 처리하므로, 초음파 분쇄 및 분산은 고속 혼합기와 매체 밀보다 우수한 성능을 보이는 경우가 많습니다. 일반적으로 초음파 처리는 더 작은 입자 크기와 좁은 입도 분포를 만들어 냅니다(안료 분쇄 곡선). 큰 입자는 일반적으로 가공성, 광택, 저항성 및 광학적 외관에 악영향을 주므로, 이는 안료 분산액의 전반적인 품질을 향상시킵니다.

입자 분쇄 및 마쇄는 초음파 캐비테이션으로 인한 입자 간 충돌을 기반으로 하므로, 초음파 반응기는 상당히 높은 고형분 농도(예: 마스터배치)를 처리하면서도 우수한 입자 크기 감소 효과를 낼 수 있습니다. 아래 표는 TiO2의 습식 분쇄 사진을 보여 줍니다.

아래 그래프는 초음파 처리를 통한 Degussa 아나타제형 이산화티타늄의 해응집에 대한 입도 분포 곡선을 보여 줍니다. 초음파 처리 후 곡선의 폭이 좁아지는 것은 초음파 처리의 전형적인 특징입니다.

고성능 코팅의 나노 크기 소재

나노기술은 여러 산업으로 확산되고 있는 신흥 기술입니다. 나노소재와 나노복합재는 예를 들어 내마모성과 내스크래치성 또는 자외선 안정성을 높이기 위해 코팅 배합에 사용되고 있습니다. 코팅에 적용할 때 가장 큰 과제는 투명도, 선명도 및 광택을 유지하는 것입니다. 따라서 빛의 가시광선 스펙트럼에 대한 간섭을 피하려면 나노입자가 매우 작아야 합니다. 많은 응용 분야에서 이 크기는 100nm보다 훨씬 작습니다.

고성능 성분을 나노미터 범위로 습식 분쇄하는 것은 나노공학 코팅 배합에서 핵심 단계가 됩니다. 가시광선에 간섭하는 모든 입자는 흐림과 투명도 저하를 유발합니다. 따라서 매우 좁은 입도 분포가 필요합니다. 초음파 처리는 고체의 미세 분쇄에 매우 효과적인 수단입니다. 액체 내 초음파 / 음향 캐비테이션은 고속 입자 간 충돌을 일으킵니다. 기존의 비드 밀 및 페블 밀과 달리 입자 자체가 서로를 분쇄하므로 분쇄 매체가 필요하지 않습니다.

예를 들어 Panadur(독일)과 같은 기업들은 인몰드 코팅 내 나노소재의 분산 및 해응집에 Hielscher 초음파 처리기를 사용합니다. 인몰드 코팅의 초음파 분산에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

위험 환경에서 가연성 액체 또는 용매를 초음파 처리할 수 있는 ATEX 인증 처리기가 제공됩니다. ATEX 인증 초음파 처리기 UIP1000-Exd에 대해 자세히 알아보세요!