규토, 이산화규소라고도 알려진 실리카는 중요한 무기화학 원료입니다. 독특한 표면 구조와 입자 형태 덕분에 실리카는 뛰어난 안정성, 보강 능력, 증점성 및 요변성을 나타냅니다. 이러한 특성으로 인해 실리카는 고무, 코팅, 플라스틱 등 다양한 분야에서 중요한 무기 충전재로 사용됩니다. 그러나 실리카의 잠재력을 최대한 활용하고 다양한 유기 매트릭스와의 호환성을 향상시키기 위해서는 다음과 같은 연구가 필요합니다. 표면개질 실리카가 자주 사용됩니다. 이 공정은 특정 용도에 맞게 실리카의 특성을 조정하는 데 중요합니다.
표면 개질 실리카의
내부 폴리실록산 구조와 표면 활성 실라놀기는 침전 실리카를 매우 친수성으로 만들어 유기상에서의 습윤성과 분산성을 저하시킵니다. 표면의 히드록실기는 높은 표면 에너지를 생성하여 응집을 유발하고, 이는 제품 성능에 영향을 미칩니다. 생산 과정에서 이는 응집, 친수성, 높은 비용, 낮은 효율, 그리고 과도한 에너지 소비로 이어집니다. 증가하는 환경적 압력 속에서 비용 절감, 효율 향상, 그리고 표면 소수성 향상은 특히 중요해졌습니다.
실리카 표면에는 세 가지 유형의 하이드록실기가 있습니다.
- 분리된 하이드록실기자유롭고 영향을 받지 않습니다.
- 제미날 하이드록실기, 두 개의 하이드록실기가 동일한 실리콘 원자에 결합된 경우
- 연관된 하이드록실기, 서로 수소 결합되어 있습니다.
표면 실리카의 변형 표면의 하이드록실기와 화학적으로 반응하여 실라놀기를 제거하거나 감소시키는 개질제를 사용하여 표면 특성을 변경하는 것을 포함합니다.
개량 실리카 성능 데이터: 접촉각, 인열 강도 및 마모 손실
아래 표는 동료 평가를 거친 연구 논문과 업계 조사에서 보고된 주요 성능 개선 사항을 요약한 것입니다.
| 성과 지표 | 미변성 실리카 | 변성 실리카 | 개선 | 원천 |
|---|---|---|---|---|
| 물 접촉각 | 약 13.6° | 최대 85.1° (Te-114 변형 포함) | +526% | 페르페미커, 2026 |
| 물 접촉각 | ~97° (폴리이미드 에어로젤) | 136° (PDMS 변형) | +40% | 페르페미커, 2026 |
| 인열 강도 (실리콘 고무) | 침전 실리카: 낮음 | 15.37 kN/m (2# 변성 실리카) | 침전 실리카와 흄드 실리카 모두보다 우수합니다. | 중국 분말 네트워크, 2025 |
| 인장 강도 변화 (노화 후) | — | +2.05% (2# 변성 실리카) | 최소한의 변화, 최고의 노화 저항성 | 중국 분말 네트워크, 2025 |
| 비표면적 | ~137 m²/g | 173.7 m²/g (U-613 비닐실란 함유) | +27% | 재료과학 저널 |
| 인장 강도 (SBR 고무) | 기준선 | +4.5% | 강화된 보강재 | 고무타이어 네트워크, 2021 |
| 파단 시 신장률 (SBR 고무) | 기준선 | +9% | 향상된 유연성 | 고무타이어 네트워크, 2021 |
| DIN 마모 손실 (SBR 고무) | 기준선 | −21% | 내마모성이 더 우수합니다 | 고무타이어 네트워크, 2021 |
핵심 요약개질된 실리카는 소수성을 향상시킬 뿐만 아니라(접촉각이 최대 20°까지 증가함) 526%뿐만 아니라 기계적 특성에서도 측정 가능한 개선을 제공합니다. 즉, 더 높은 인열 강도, 더 나은 노화 저항성, 그리고 훨씬 낮은 마모 손실을 나타냅니다.
실란 커플링제 개량제 및 기타 일반적인 개량제
일반적인 개질제로는 유기 할로겐화 실란이 있습니다., 실란 커플링제, 실릴아민, 실록산 및 알코올 화합물. 이러한 시약은 실리카 표면의 하이드록실기와 화학적으로 결합하거나 이를 대체하여 소수성, 분산성 및 유기 재료와의 호환성을 향상시킵니다.
최근 연구에서 주목할 만한 결과:
- KH570으로 개질된 실리카 소수성이 크게 향상되었으며, 실라놀 하이드록실 흡수 피크가 현저히 약화되었습니다.
- KH550 및 티탄산염 커플링제 Te-114 두 방법 모두 나노 SiO₂ 표면을 효과적으로 개질하며, Te-114(200%) 개질을 통해 가장 높은 접촉각을 얻을 수 있습니다. 85.1°
- 초음파 보조 변형 활성화 지수를 달성할 수 있습니다. 100% 최적 조건 하에서 (조절제 6mL, 1시간 처리)
시장 기회: 왜 지금인가?
전 세계 침전 실리카 시장은 고무, 타이어 및 코팅 산업의 수요 증가에 힘입어 상당한 성장세를 보이고 있습니다.
| 시장 지표 | 데이터 | 원천 |
|---|---|---|
| 세계 침전규소 시장(2025) | US$ 44억 | QYResearch, 2026 |
| 세계 침전규소 시장 (2032년 전망) | US$ 60억 7천만 | QYResearch, 2026 |
| 연평균 성장률(2026~2032년) | 4.7% | QYResearch, 2026 |
| 글로벌 시장 평균 판매 가격(2025년) | 톤당 약 1,100달러 | QYResearch, 2026 |
| 글로벌 판매량(2025년) | 약 4백만 톤 | QYResearch, 2026 |
| 산업 총마진율(2025년) | ~25% | QYResearch, 2026 |
아시아 태평양 지역, 특히 중국, 인도, 동남아시아는 2030년까지 주요 성장 동력이 될 것으로 예상됩니다. 환경 규제와 지속가능성 트렌드가 고성능, 에너지 효율 제품 개발을 장려함에 따라, 개질 실리카는 핵심 성장 동력으로 자리매김하고 있습니다. 이처럼 성장하는 시장에서.
표면 개질 공정
개질제의 특성에 따라 표면 개질은 다음과 같이 분류될 수 있습니다. 본질적인 그리고 무기물 변형. 그중 유기 변형이 가장 널리 사용됩니다. 유기 변형의 핵심 기술은 유기 실란 처리로, 실리카 표면의 히드록시기를 유기 작용기로 대체하는 기술입니다.
유기 개질법은 일반적으로 건식, 습식, 가압 열법으로 구분됩니다. 현재 선진국에서는 흄드 실리카 개질에 주로 건식법을 사용하고 있습니다.
건식법의 장점:
- 후처리 단계가 적어 간단한 공정입니다.
- 훈증 실리카 생산 공정과 쉽게 통합됩니다.
- 대규모 산업 생산에 적합합니다.
건식법의 단점:
- 수정자의 소모가 많습니다.
- 높은 장비 표준과 엄격한 운영 조건이 필요합니다.
- 비교적 높은 생산비용.
그만큼 습식 개질법 또한 일반적으로 사용되며 주로 두 가지 접근 방식이 포함됩니다.
습식법의 장점:
- 수정자 소모량이 낮습니다.
- 간단한 공정과 필요한 장비의 감소.
- 생산 비용이 낮아지고 품질 관리가 개선됩니다.
습식법의 단점:
- 복잡한 후처리 과정.
- 환경오염 문제.
- 산업적 대량 생산에 맞게 확장하기 어려움.
또 다른 습식 수정 접근 방식에는 다음이 포함됩니다. 현장 수정 실리카 침전 과정에서 효율성과 통합성을 향상시킬 수 있습니다.
비교: 건식 방법 vs. 습식 방법
| 특징 | 건식법 | 습식 방법 |
|---|---|---|
| 수정자 소비 | 높은 | 낮추다 |
| 장비 요구 사항 | 높은 기준, 엄격한 조건 | 간단하고, 요구 사항이 적습니다. |
| 생산 비용 | 상대적으로 높음 | 낮추다 |
| 프로세스 복잡성 | 간단한 과정, 후처리 단계 감소 | 복잡한 후처리 과정 |
| 품질 관리 | 일관성이 있고 제어하기 쉽습니다. | 품질 관리 개선 보고됨 |
| 환경적 영향 | 상대적으로 더 친환경적인 | 오염 문제 |
| 산업적 확장성 | 대량 생산에 적합 | 확장하기 어렵다 |
| 완성 | 흄드 실리카 생산 공정과 손쉽게 통합 가능 | 강수 중 현장 수정이 가능합니다 |
에픽 파우더의 관점건식 방법은 대규모 산업 응용 분야에서 뛰어난 확장성과 제품 일관성을 제공하는 반면, 습식 방법은 소량 배치 또는 특수 제형에 비용 효율적일 수 있습니다. 최종 선택은 생산량, 품질 요구 사항 및 환경 규제 전략에 따라 달라집니다.
일반적인 수정자 및 수정 원칙
일반적인 개질제로는 유기 할로겐화 실란, 실란 커플링제, 실릴아민, 실록산, 알코올 화합물 등이 있습니다. 이러한 시약은 실리카 표면의 히드록시기에 화학적으로 결합하거나 치환하여 소수성, 분산성 및 유기 물질과의 상용성을 향상시킵니다.
변형 실리카의 응용
변성 실리카는 고무 제품에서 중요한 보강제로, 밝은 색상의 소재에 카본 블랙을 사용할 수 없는 경우를 대체합니다. 타이어 제조에서 변성 실리카를 첨가하면 고무의 기계적 강도가 향상되고, 히스테리시스 손실이 감소하며, 구름 저항이 낮아지고, 우수한 젖은 노면 미끄럼 방지 성능이 유지됩니다.
실란트와 접착제에서 변성 실리카는 분산성, 상용성 및 제품 내구성을 향상시킵니다. 코팅에서 실리카는 일반적인 무광제 역할을 합니다. 변성 실리카를 사용하면 분산성이 향상되고 응집이나 침전 문제가 줄어듭니다.
일반 실리카와 비교했을 때, 개질 실리카는 전반적인 성능이 더 뛰어나고 적용 범위가 더 넓습니다.
결론
변성 실리카는 일반 실리카의 우수한 특성을 유지할 뿐만 아니라, 향상된 소수성과 향상된 표면 특성을 특징으로 합니다. 이는 응용 분야를 크게 확장합니다. 지속적인 경제 발전에 따라 변성 실리카에 대한 시장 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다. 변성 실리카를 위한 환경 친화적이고 비용 효율적인 대량 생산 기술 개발은 향후 실리카 제조업체의 핵심 방향이 될 것입니다.
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— 제이슨 왕, 엔지니어