보강 고무의 초음파 제조
- 보강 고무는 더 높은 인장 강도, 신율, 내마모성과 더 우수한 내노화 안정성을 나타냅니다.
- 카본 블랙(예: CNTs, MWNTs), 그래핀 또는 실리카와 같은 충전재는 원하는 재료 특성을 제공하려면 매트릭스에 균일하게 분산되어야 합니다.
- 고출력 초음파는 보강 성능이 높은 단분산 나노 입자의 탁월한 분포 품질을 제공합니다.
초음파 분산
초음파는 입자와 튜브의 분리 및 기능화를 크게 향상시키므로, 초음파 처리는 단분산 나노 입자와 나노튜브 같은 나노 소재를 분산하는 데 널리 사용됩니다.
초음파 분산 장비는 캐비테이션과 높은 전단력을 발생시켜 나노 입자와 나노튜브를 파쇄하고, 응집을 해체하며, 얽힘을 풀고 분산시킵니다. 초음파 처리 강도는 정밀하게 조절하고 제어할 수 있으므로, 나노 소재의 농도, 응집 및 정렬/얽힘을 고려하여 초음파 공정 매개변수를 완벽하게 조정할 수 있습니다. 따라서 나노 소재를 해당 소재의 고유한 요구 사항에 맞게 최적으로 처리할 수 있습니다. 개별적으로 조정된 초음파 공정 매개변수에 따른 최적의 분산 조건은 나노 첨가제와 나노 충전재의 탁월한 보강 특성을 갖춘 고품질의 최종 고무 나노복합재를 만들어냅니다.
초음파의 탁월한 분산 품질과 이를 통해 달성되는 균일한 분산 덕분에 매우 적은 충전재 첨가량만으로도 우수한 재료 특성을 얻을 수 있습니다.
산업용 초음파 시스템
초음파를 이용한 카본 블랙 보강 고무
카본 블랙은 고무, 특히 타이어용 고무에 내마모성과 인장 강도를 부여하는 가장 중요한 충전재 중 하나입니다. 카본 블랙 입자는 균일하게 분산하기 어려운 집합체를 형성하는 경향이 매우 강합니다. 카본 블랙은 페인트, 에나멜, 인쇄 잉크, 나일론 및 플라스틱 착색제, 라텍스 혼합물, 왁스 혼합물, 사진용 코팅 등에 흔히 사용됩니다.
초음파 분산은 응집을 해체하고 입자의 매우 높은 단분산성을 유지하면서 균일하게 혼합할 수 있게 합니다.
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초음파를 이용한 CNT / MWCNT 보강 고무
초음파 균질기는 공정 및 재료 요구 사항에 맞게 정밀하게 제어하고 조정할 수 있는 강력한 분산 시스템입니다. MWNTs 또는 SWNTs 같은 나노튜브는 손상(예: 절단) 없이 개별 튜브로 얽힘을 풀어야 하므로, 초음파 공정 매개변수의 정밀한 제어는 이러한 나노튜브를 분산하는 데 특히 중요합니다. 손상되지 않은 나노튜브는 높은 종횡비(최대 132,000,000:1)를 가지므로 복합재에 배합하면 탁월한 강도와 강성을 부여합니다. 강력하고 정밀하게 조정된 초음파 처리는 반데르발스 힘을 극복하여 나노튜브를 분산시키고 얽힘을 풀어, 탁월한 인장 강도와 탄성률을 갖춘 고성능 고무 소재를 만들어냅니다.
또한, 초음파 기능화는 다양한 응용 분야에서 활용할 수 있는 원하는 특성을 얻기 위해 탄소 나노튜브를 개질하는 데 사용됩니다.
나노 소재, 카본 블랙 또는 활성탄의 연속 분산을 위한 초음파 처리기.
초음파를 이용한 나노 실리카 보강 고무
초음파 분산기는 고무 고분자 용액에서 실리카(SiO2) 나노 입자를 매우 균일하게 분포시킵니다. 실리카(SiO2) 나노 입자는 중합된 스티렌–부타디엔 및 기타 고무에 단분산 입자로 균일하게 분포되어야 합니다. 단분산 나노 SiO2 입자는 보강제로 작용하여 인성, 강도, 신율, 굽힘 성능 및 내노화 성능을 크게 향상시킵니다. 나노입자에는 다음과 같은 원리가 적용됩니다. 입자 크기가 작을수록 입자의 비표면적이 커집니다. 표면적/부피(S/V) 비율이 높을수록 구조적 효과와 보강 효과가 향상되며, 이에 따라 고무 제품의 인장 강도와 경도가 증가합니다.
실리카 나노입자의 초음파 분산은 공정 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있게 하므로 구형 형태, 정밀하게 조절된 입자 크기 및 매우 좁은 입도 분포를 얻을 수 있습니다.
초음파로 분산한 실리카는 이를 통해 보강된 고무에 최고의 소재 성능을 제공합니다.
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보강 첨가제의 초음파 분산
초음파 처리는 다른 여러 나노입자 소재를 분산시켜 고무 복합재의 탄성률, 인장 강도 및 피로 특성을 향상시키는 것으로 입증되었습니다. 충전제와 보강 첨가제의 입자 크기, 형상, 표면적 및 표면 활성은 성능에 결정적인 영향을 미치므로, 강력하고 신뢰할 수 있는 초음파 분산기를 사용하는 방법은 마이크로 및 나노 크기의 입자를 고무 제품에 배합하는 데 가장 자주 사용되는 방법 중 하나입니다.
초음파 처리를 통해 고무 매트릭스에 균일하게 분포하거나 단분산된 입자로 혼입되는 대표적인 첨가제와 충전제에는 탄산칼슘, 카올린 점토, 흄드 실리카, 침강 실리카, 산화 흑연, 그래핀, 운모, 활석, 중정석, 규회석, 침강 규산염, 흄드 실리카 및 규조토가 있습니다.
올레산으로 기능화한 TiO2 나노입자를 스티렌-부타디엔 고무에 초음파로 분산시키면, 극소량의 올레산-SiO2 첨가만으로도 탄성률, 인장 강도 및 피로 특성이 크게 향상되며, 광분해와 열분해에 대한 보호제로 작용합니다.
- 알루미나 삼수화물(Al2O3)은 난연제로, 열전도율을 향상시키기 위해, 그리고 내트래킹성 및 내침식성을 위해 첨가됩니다.
- 산화아연(ZnO) 충전제는 상대 유전율과 열전도율을 높입니다.
- 이산화티타늄(TiO2)은 열전도율과 전기전도율을 향상시킵니다.
- 탄산칼슘(CaCO3)은 기계적 특성, 유변학적 특성 및 난연 특성 때문에 첨가제로 사용됩니다.
- 티탄산바륨(BaTiO3)은 열적 안정성을 높입니다.
- 그래핀과 산화 그래핀(GO)은 우수한 기계적, 전기적, 열적 및 광학적 소재 특성을 제공합니다.
- 탄소 나노튜브 (CNTs)는 인장 강도와 같은 기계적 특성뿐 아니라 전기전도율과 열전도율을 크게 향상시킵니다.
- 다중벽 탄소 나노튜브(MWNTs)는 영률과 항복 강도를 향상시킵니다. 예를 들어, 에폭시에 불과 1 wt.%의 MWNTs를 첨가하면 순수한 매트릭스에 비해 영률과 항복 강도가 각각 100%와 200% 증가합니다.
- 단일벽 탄소 나노튜브 (SWNTs)는 기계적 특성과 열전도율을 향상시킵니다.
- 탄소 나노섬유(CNF)는 강도, 내열성 및 내구성을 높입니다.
- 니켈, 철, 구리, 아연, 알루미늄 및 은과 같은 금속 나노입자는 전기전도율과 열전도율을 향상시키기 위해 첨가됩니다.
- 유기 나노소재인 몬모릴로나이트 등은 기계적 특성과 난연 특성을 향상시킵니다.
초음파 분산 시스템
Hielscher Ultrasonics는 타당성 시험용 소형 탁상형 시스템부터 고부하용 산업용 초음파 장치에 이르기까지 최대 장치당 16kW의 출력을 갖춘 다양한 초음파 장비를 제공합니다. 출력, 신뢰성, 정밀한 제어 가능성 및 견고성 덕분에 Hielscher의 초음파 분산 시스템은 마이크로 및 나노입자 제형 생산 라인에서 “핵심 일꾼” 역할을 합니다. 당사의 초음파 처리기는 수계 및 용매 기반 분산액을 높은 점도(최대 10,000cp)까지도 쉽게 처리할 수 있습니다. 다양한 소노트로드(초음파 혼), 부스터(진폭 증폭기/감쇠기), 플로우 셀 형상 및 기타 액세서리를 통해 초음파 분산기를 제품과 공정 요구 사항에 최적으로 맞출 수 있습니다.
Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로 즉시 24/7 연속 운전할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비의 견고성 덕분에 24/7 운전을 고부하 조건과 까다로운 환경에서 수행할 수 있습니다. Hielscher의 초음파 분산기는 대규모 상업 생산을 위해 전 세계에 설치되어 있습니다.
나노 분산액용 맞춤형 초음파 시스템
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장비 |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| 해당 없음 | 10–100L/min | UIP16000 |
| 해당 없음 | 더 큰 유량 | 클러스터 구성: UIP16000 |
문헌 / 참고 자료
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
알아두면 좋은 정보
합성고무
합성고무는 인공적으로 만든 모든 엘라스토머를 가리킵니다. 합성고무는 주로 석유 부산물로부터 합성한 고분자이며, 다른 고분자와 마찬가지로 다양한 석유 기반 단량체로 만듭니다. 가장 널리 사용되는 합성고무는 스티렌과 1,3-부타디엔의 공중합으로 얻는 스티렌-부타디엔 고무(SBR)입니다. 다른 합성고무는 이소프렌(2-메틸-1,3-부타디엔), 클로로프렌(2-클로로-1,3-부타디엔), 그리고 가교용으로 소량의 이소프렌을 첨가한 이소부틸렌(메틸프로펜)으로 제조합니다. 이러한 단량체와 기타 단량체를 다양한 비율로 혼합하여 공중합하면 다양한 물리적, 기계적, 화학적 특성을 지닌 제품을 생산할 수 있습니다. 단량체는 순수한 형태로 생산할 수 있으며, 최적의 특성을 얻도록 설계에 따라 불순물이나 첨가제의 첨가를 제어할 수 있습니다. 순수한 단량체의 중합은 더 정밀하게 제어할 수 있어 시스 및 트랜스 이중 결합을 원하는 비율로 얻을 수 있습니다.
합성고무는 천연고무와 마찬가지로 자동차 산업에서 타이어, 도어 및 창문용 프로파일, 호스, 벨트, 매트 및 바닥재에 널리 사용됩니다.
천연고무
천연고무는 인도고무 또는 카우추크라고도 합니다. 천연고무는 엘라스토머로 분류되며, 주로 유기 화합물인 폴리시스이소프렌의 고분자와 물로 이루어져 있습니다. 단백질, 먼지 등의 불순물이 미량 포함되어 있습니다. 고무나무 Hevea Brasiliensis에서 라텍스 형태로 얻는 천연고무는 기계적 특성이 우수합니다. 그러나 합성고무와 비교하면 천연고무는 특히 열적 안정성과 석유 제품과의 상용성 측면에서 재료 성능이 낮습니다. 천연고무는 단독으로 또는 다른 재료와 조합하여 폭넓은 용도로 사용됩니다. 주로 큰 신장비, 높은 반발 탄성 및 극히 높은 수밀성 때문에 사용됩니다. 고무의 녹는점은 약 180°C (356°F)입니다.
아래 표는 다양한 고무 종류의 개요를 보여줍니다:
| ISO | 기술 명칭 | 통용 명칭 |
|---|---|---|
| ACM | 폴리아크릴레이트 고무 | |
| AEM | 에틸렌-아크릴레이트 고무 | |
| AU | 폴리에스테르 우레탄 | |
| BIIR | 브로모 이소부틸렌 이소프렌 | 브로모부틸 |
| BR | 폴리부타디엔 | Buna CB |
| CIIR | 클로로 이소부틸렌 이소프렌 | 클로로부틸, 부틸 |
| CR | 폴리클로로프렌 | 클로로프렌, Neoprene |
| CSM | 클로로설폰화 폴리에틸렌 | Hypalon |
| ECO | 에피클로로히드린 | ECO, 에피클로로히드린, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | 에틸렌 프로필렌 | |
| EPDM | 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체 | EPDM, Nordel |
| EU | 폴리에테르 우레탄 | |
| FFKM | 과불화탄소 고무 | Kalrez, Chemraz |
| FKM | 불소화 탄화수소 | Viton, Fluorel |
| FMQ | 불소 실리콘 | FMQ, 실리콘 고무 |
| FPM | 불화탄소 고무 | |
| HNBR | 수소화 니트릴 부타디엔 | HNBR |
| IR | 폴리이소프렌 | (합성) 천연고무 |
| IIR | 이소부틸렌 이소프렌 부틸 | 부틸 |
| NBR | 아크릴로니트릴 부타디엔 | NBR, 니트릴, Perbunan, Buna-N |
| PU | 폴리우레탄 | PU, 폴리우레탄 |
| SBR | 스티렌 부타디엔 | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | 스티렌 에틸렌 부틸렌 스티렌 공중합체 | SEBS 고무 |
| SI | 폴리실록산 | 실리콘 고무 |
| VMQ | 비닐 메틸 실리콘 | 실리콘 고무 |
| XNBR | 아크릴로니트릴 부타디엔 카르복시 단량체 | XNBR, 카르복실화 니트릴 |
| XSBR | 스티렌 부타디엔 카르복시 단량체 | |
| YBPO | 열가소성 폴리에테르–에스터 | |
| YSBR | 스티렌 부타디엔 블록 공중합체 | |
| YXSBR | 스티렌 부타디엔 카르복시 블록 공중합체 |
SBR
스티렌–부타디엔 또는 스티렌–부타디엔 고무(SBR)는 스티렌과 부타디엔에서 유래한 합성 고무를 가리킵니다. 보강된 스티렌–부타디엔은 높은 내마모성과 우수한 내노화성이 특징입니다. 스티렌과 부타디엔의 비율이 고분자의 특성을 결정합니다. 스티렌 함량이 높으면 고무가 더 단단해지고 고무 특유의 성질이 줄어듭니다.
비보강 SBR의 한계는 보강하지 않았을 때의 낮은 강도, 낮은 복원력, 낮은 인열 강도(특히 고온에서), 불량한 점착성에서 비롯됩니다. 따라서 SBR의 특성을 개선하려면 보강제와 충전제가 필요합니다. 예를 들어, 카본 블랙 충전제는 강도와 내마모성을 크게 높이는 데 사용됩니다.
스티렌
스티렌(C8H8)은 에테닐벤젠, 비닐벤젠, 페닐에텐, 페닐에틸렌, 시나멘, 스티롤, diarex HF 77, 스티롤렌, 스티로폴 등 다양한 이름으로 알려져 있습니다. 화학식이 C6H5CH=CH2인 유기 화합물입니다. 스티렌은 폴리스티렌과 여러 공중합체의 전구체입니다.
벤젠 유도체이며, 쉽게 증발하는 무색의 유성 액체 형태입니다. 스티렌은 달콤한 냄새가 나지만 고농도에서는 덜 쾌적한 냄새로 바뀝니다.
비닐기가 존재하면 스티렌은 고분자를 형성합니다. 스티렌 기반 고분자는 폴리스티렌, ABS, 스티렌–부타디엔(SBR) 고무, 스티렌–부타디엔 라텍스, SIS(스티렌–이소프렌–스티렌), S-EB-S(스티렌–에틸렌/부틸렌–스티렌), 스티렌–디비닐벤젠(S-DVB), 스티렌–아크릴로니트릴 수지(SAN), 수지 및 열경화성 배합물에 사용되는 불포화 폴리에스터 등의 제품을 얻기 위해 상업적으로 생산됩니다. 이러한 재료는 고무, 플라스틱, 단열재, 유리섬유, 파이프, 자동차 및 보트 부품, 식품 용기, 카펫 뒷면재를 생산하는 데 중요한 구성 요소입니다.
고무의 용도
고무는 강도, 긴 수명, 내수성, 내열성 등 다양한 재료 특성을 지닙니다. 이러한 특성 덕분에 고무는 활용도가 매우 높아 여러 산업에서 사용됩니다. 고무의 주요 용도는 자동차 산업, 특히 타이어 생산입니다. 미끄럼 방지 성질, 부드러움, 내구성, 복원력 등의 추가적인 특성 덕분에 고무는 신발, 바닥재, 의료 및 보건 용품, 생활용품, 장난감, 스포츠용품과 그 밖의 다양한 고무 제품 생산에 매우 널리 사용되는 복합재입니다.
나노 첨가제 및 충전제
고무에 포함된 나노 크기의 충전제와 첨가제는 보강제 및 보호제로 작용하여 인장 강도, 내마모성, 인열 저항성, 히스테리시스 특성을 개선하고 고무의 광분해 및 열분해를 방지합니다.
실리카
실리카(SiO2, 이산화규소)는 동적 기계적 특성, 내열 노화성, 형태학적 특성과 관련된 재료 특성을 개선하기 위해 비정질 실리카(예: 흄드 실리카, 실리카 흄, 침강 실리카) 등 여러 형태로 사용됩니다. 실리카 충전 배합물은 충전제 함량이 증가함에 따라 점도와 가교 밀도가 증가합니다. 실리카 충전제의 양을 늘리면 경도, 탄성률, 인장 강도 및 마모 특성이 점진적으로 개선되었습니다.
카본 블랙
카본 블랙은 표면에 화학 흡착된 산소 복합체(카복실기, 퀴논기, 락톤기, 페놀기 등)가 결합되어 있는 준결정질 탄소의 한 형태입니다. 이러한 표면 산소 작용기는 일반적으로 “휘발성 복합체”라는 용어로 통칭됩니다. 이러한 휘발성 성분으로 인해 카본 블랙은 비전도성 물질입니다. 탄소–산소 복합체로 기능화된 카본 블랙 입자는 더 쉽게 분산됩니다.
카본 블랙은 부피 대비 표면적 비율이 높아 보강 충전제로 널리 사용됩니다. 인장 강도와 내마모성이 필수적인 거의 모든 고무 제품에는 카본 블랙이 사용됩니다. 고무의 보강이 필요하지만 검은색을 피해야 하는 경우에는 침전 실리카나 흄드 실리카가 카본 블랙의 대체재로 사용됩니다. 그러나 실리카 충전제를 사용하면 카본 블랙 충전 타이어보다 구름 손실이 낮아지므로, 실리카 기반 충전제는 자동차 타이어에서도 시장 점유율이 높아지고 있습니다.
아래 표는 타이어에 사용되는 카본 블랙의 종류를 개괄적으로 보여줍니다.
| 명칭 | 약어 | ASTM | 입자 크기 nm | 인장 강도 MPa | 상대 실험실 마모도 | 상대 도로 주행 마모도 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 초내마모성 퍼니스 블랙 | SAF | N110 | 20–25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
| 중간급 SAF | ISAF | N220 | 24–33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
| 고내마모성 퍼니스 블랙 | HAF | N330 | 28–36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
| 이가공성 채널 블랙 | EPC | N300 | 30–35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
| 고속 압출용 퍼니스 블랙 | FEF | N550 | 39–55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
| 고탄성률 퍼니스 블랙 | HMF | N660 | 49–73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
| 반보강성 퍼니스 블랙 | SRF | N770 | 70–96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| 미립자 열분해 블랙 | FT | N880 | 180–200 | 12.6 | 0.22 | – |
| 중립자 열분해 블랙 | MT | N990 | 250–350 | 9.8 | 0.18 | – |
산화 그래핀
SBR에 분산된 산화 그래핀은 타이어 제조에 중요한 재료 특성인 높은 인장 강도와 인열 강도뿐 아니라 뛰어난 내마모성과 낮은 구름 저항을 제공합니다. 산화 그래핀–실리카로 보강된 SBR은 친환경 타이어 생산과 고성능 고무 복합재 생산을 위한 경쟁력 있는 대안을 제공합니다. 그래핀과 산화 그래핀은 초음파 처리를 통해 성공적이고 안정적이며 손쉽게 박리할 수 있습니다. 그래핀의 초음파 제조에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!