고성능 접착제 배합 – 초음파 분산을 통한 개선

고성능 접착제는 다양한 (나노) 충전제와 첨가제가 함유된 에폭시, 실리콘, 폴리우레탄, 폴리설파이드 또는 아크릴계 시스템으로 구성되며, 이러한 충전제와 첨가제는 접착제에 접착 강도, 경량성, 내구성, 내열성 및 지속가능성과 같은 특수한 성능을 부여합니다. 고성능 접착제를 배합하려면 효율적이고 신뢰할 수 있는 혼합이 필요합니다. 초음파 분산과 유화는 다양한 성분을 고르게 결합하여 균질한 접착제 혼합물을 만드는 데 사용됩니다. 인라인 초음파 처리는 고점도 재료와 나노 충전제 함량이 높은 재료까지도 안정적이고 효과적으로 혼합하여 우수한 접착제를 생산합니다.

고성능 접착제 분산을 위한 초음파 고전단력

고성능 접착제는 탁월한 접착 강도, 내구성 및 경량성을 제공합니다. 최종 용도에 따라 정교한 배합비에 맞춰 고분자, 공중합체 및 여러 첨가제를 배합합니다.

접착제와 접착용 풀에 사용되는 에폭시, 실리콘, 폴리우레탄 및 아크릴계 시스템은 배합 제조업체에서 생산하며, 이들은 점착 부여제, 무기 충전제(탈크, 실리카, 알루미나 등), 유연화제, 점도 저감제, 착색제, 증점제, 촉진제, 접착 증진제 등을 첨가하여 접착제 기재를 개질합니다. 이러한 개질은 성능 및/또는 가공 편의성을 개선하거나 비용을 절감하는 등 여러 목적을 달성하기 위해 이루어집니다. 초음파 고전단 분산기는 다양한 에폭시계 시스템을 인라인으로 배합하는 데 이상적이며, 특정 용도의 요구 사항에 맞춘 접착제를 유연하게 생산할 수 있도록 합니다.

까다로운 분산 및 유화 용도를 위한 초음파 고전단 혼합기

고성능 초음파 처리기는 고전단 혼합기처럼 작동합니다. 초음파 / 음향 캐비테이션에 의해 극도로 높은 전단력이 생성되며, 이 전단력은 배치 및 인라인 유화, 분산, 밀링, 해응집 및 균질화 용도에 이상적입니다. 초음파 인라인 분산기를 사용하면 고형물 농도와 점도가 낮은 재료부터 높은 재료까지 쉽게 처리할 수 있습니다.

접착제 내 나노물질의 초음파 고전단 혼합

탄소 나노튜브(CNTs), 금속 나노입자, 나노 실리카, 나노 점토, 나노섬유 및 기타 여러 나노 크기 입자와 같은 나노물질은 나노 강화 고분자(나노복합재)를 생산하는 데 사용됩니다. 나노입자는 열경화성 고분자 접착제의 기계적 특성(예: 강성, 탄성), 전기적 특성(예: 전도성), 기능적 특성(예: 투과성, 유리 전이 온도, 탄성률) 및 파괴 성능을 변화시키는 능력으로 잘 알려져 있습니다. 나노물질은 접착 강도, 내구성, 전도성, 탄성 또는 내열성과 같은 특수한 고성능 특성을 부여할 뿐만 아니라, 나노구조 입자를 첨가하면 고분자의 차단 특성도 개선할 수 있습니다.
초음파로 생성된 음향 캐비테이션의 높은 전단력은 나노입자를 해응집하고 분산하며 심지어 일차 입자까지 파쇄하는 능력(즉, 초음파 밀링)으로 잘 알려져 있습니다. 이러한 초음파 힘을 나노입자와 기타 충전제가 함유된 고분자계 시스템에 가하면 매우 균일한 배합물을 얻을 수 있습니다. 초음파 분산은 고전단 블레이드 혼합기, 임펠러 혼합기 또는 밀과 같은 기존 전단 혼합 방식에 비해 에너지 소비가 적은 에너지 효율적인 방법입니다.

이 영상에서는 초음파 균질기 UP400St(Hielscher Ultrasonics)를 사용하여 에폭시 수지(Toolcraft L) 250mL에 흑연을 초음파로 혼합하고 분산시키는 과정을 보여드립니다. Hielscher Ultrasonics는 실험실이나 대량 생산 공정에서 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브, 나노와이어 또는 충전재를 분산시키는 장비를 제조합니다. 대표적인 용도로는 기능화 공정 중 나노소재와 마이크로소재의 분산, 수지나 고분자 내 분산이 있습니다.

Kaboori et al. (2013)은 초음파 처리가 몬모릴로나이트(MMT)의 층상 구조를 분산시키고 MMT 강화 PVA 접착제를 개발하는 데 효과적인 방법임을 입증했습니다. 초음파 처리는 낮은 첨가량(1% 및 2%)과 높은 첨가량(4%)에서 PVA 내 나노클레이를 신뢰성 있고 효율적으로 분산시키는 것으로 나타났습니다.
연구팀은 다음과 같이 밝혔습니다. “초음파 기법은 고전단 고속 혼합기와 달리 특히 높은 첨가량에서 나노클레이를 분산시키는 데 매우 효율적이다. 고속 혼합은 낮은 첨가량에서만 PVA 내 나노클레이를 분산시킬 수 있었으며, 다양한 조건에서 PVA의 접착 강도를 높였다. 고속 혼합에는 PVA 에멀션의 손상 가능성(혼합 중 사용되는 강한 전단력으로 인한 손상), 높은 비용, 높은 에너지 소비 등의 단점이 있다. 이에 비해 초음파 처리 기법은 PVA 에멀션에 미치는 부정적인 영향이 최소한이다. 또한 PVA 생산 전에 초음파 혼합을 수행할 수 있고 생산 공정 중에 나노클레이가 함유된 용액을 PVA에 첨가할 수 있으므로 초음파 처리 기법은 경제적이다. 본 논문과 이전 연구에서 얻은 결과 및 고속 혼합 대비 초음파 처리 기법의 장점을 고려하면, 산업적 규모로 PVA에 나노클레이를 첨가하는 것은 실현 가능해 보이며 목재용 접착제 제조업체에 권장할 수 있다.” (Kaboori et al., 2013)

접착제 생산에서 초음파의 탈기 효과

배합 결과를 크게 개선하는 초음파 처리의 또 다른 장점은 초음파 처리의 탈기 효과입니다. 고속 기계식 교반(예: 고전단 블레이드 혼합기)은 혼합물 내에 많은 기포를 생성하며, 경우에 따라 혼합물의 색이 밝아지는 것으로도 이를 알아볼 수 있습니다. 초음파 고전단 혼합은 초음파 처리 기법이 접착제 배합물에 기체를 유입시키지 않는다는 큰 장점이 있습니다. 대신 초음파는 이미 존재하는 기포를 합쳐 액체 표면으로 떠오르게 하며, 이곳에서 기체를 쉽게 제거할 수 있습니다. 이로써 초음파 처리는 액체와 접착제 배합물의 탈기 및 탈포를 촉진합니다. (Shadlou et al., 2014 참조)

산업용 접착제 배합을 위한 고성능 초음파 분산기

Hielscher Ultrasonics는 고성능 접착제, 고충전 수지 및 나노복합재 제조와 같은 고부하 응용 분야를 위한 고성능 초음파 분산기를 설계, 제조 및 공급합니다. Hielscher 초음파 처리기는 고분자, 수지, 코팅제 및 기타 고성능 소재에 나노소재를 분산시키기 위해 전 세계에서 사용됩니다.
Hielscher 초음파 분산기는 다양한 공급 흐름을 통해 원료를 공급받을 수 있으며, 제어된 유동 조건에서 여러 재료를 캐비테이션 혼합 구역으로 투입할 수 있습니다. 초음파 분산기는 저점도부터 고점도까지 신뢰성 있고 효율적으로 처리합니다. 원료와 목표 입자 크기 감소 수준에 따라 초음파 강도를 정밀하게 조절할 수 있습니다.
점성이 높은 고분자 페이스트, 나노 소재 및 고농도 고형물을 처리하려면 초음파 분산기가 높은 진폭을 지속적으로 생성할 수 있어야 합니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 처리기는 최대 부하로 연속 운전하면서 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 운전이 용이합니다. 고성능 접착제, 나노 강화 고분자 혼합물 및 나노복합재의 배합에 맞춰 초음파 공정 조건을 조정하려면 초음파 분산기를 높은 진폭으로 운전하고 진폭을 정밀하게 조절할 수 있어야 합니다.
초음파 진폭 외에도 압력은 매우 중요한 또 하나의 공정 변수입니다. 압력이 높아지면 초음파 캐비테이션의 강도와 전단력이 증가합니다. Hielscher의 초음파 반응기는 가압할 수 있어 더욱 강력한 초음파 처리 효과를 얻을 수 있습니다.
공정 모니터링과 데이터 기록은 연속 공정의 표준화와 제품 품질에 중요합니다. 탈착식 압력 및 온도 센서를 초음파 발생기에 연결하여 초음파 분산 공정을 모니터링하고 제어합니다. 초음파 에너지(순에너지 + 총에너지), 온도, 압력, 시간 등 모든 주요 공정 변수는 자동으로 기록되어 내장 SD 카드에 저장됩니다. 자동으로 기록된 공정 데이터에 접근하여 이전 초음파 처리 내역을 검토하고 공정 결과를 평가할 수 있습니다.
당사 디지털 초음파 시스템의 또 다른 사용자 친화적 기능은 브라우저 원격 제어입니다. 브라우저 원격 제어를 통해 어디서나 초음파 처리기를 원격으로 시작, 정지, 조절하고 모니터링할 수 있습니다.
당사의 고성능 초음파 분산기와 고성능 접착제 및 코팅제 생산에서의 활용에 대해 자세히 알아보려면 지금 문의해 주세요!
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.

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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.