친수성 향상 카본 블랙 분말 입자는 물에서의 분산 안정성을 향상시키고 극성 매질과의 상용성을 높이는 데 핵심적인 역할을 합니다. 이는 코팅, 잉크, 고무 복합재 등의 분야에서 매우 중요합니다.
표면 화학 가감
산화 변형
- 기체상 산화: 오존, 산소 또는 플라즈마 처리가 산소 함유 작용기(예: 카르복실기 및 하이드록실기)를 도입하는 데 사용됩니다. 카본 블랙 표면. 예를 들어, 산소 플라즈마 처리는 표면의 산소 함량을 크게 증가시키고, 접촉각을 40° 미만으로 줄이며, 분산 안정성을 향상시킵니다.
- 액상 산화: 질산이나 과산화수소와 같은 산화제가 사용됩니다. 질산 산화(10% 농도, 70°C, 3시간)는 표면의 유기물을 효과적으로 제거하고 친수성을 향상시킵니다.
- 양극 산화/플라즈마 산화: 전기장에서 산화 반응을 가속화하여 기존 방식 대비 30% 이상 효율을 높입니다. 단, 산소 함유기의 과도한 산화 및 분해를 방지하기 위해 온도 제어가 필요합니다.
접목 수정
- 폴리아크릴산 그래프팅: pH=3에서 0.5% 과황산암모늄 개시제를 2시간 사용하였더니, 물에 대한 카본블랙의 분산 안정성이 50%만큼 향상되었다.
- 설폰산기를 갖는 공중합체(예: 2-아크릴아미도-2-메틸프로판설포네이트 나트륨): 정전기적 반발을 통해 분산을 강화하기 위해 강력한 친수성 그룹을 도입합니다.
- 자유라디칼 중합 그래프팅: 초음파 조사 하에서 친수성 폴리머(폴리아크릴산 및 폴리스티렌 설포네이트 등)가 카본블랙 표면에 접목됩니다.
- 빗살모양 공중합체 접목: 폴리에텐설포네이트(PSS) 소듐을 사용하여 π-π 공액 반응을 통해 카본 블랙 표면에 흡착시킨 후 12시간 볼 밀링합니다. 생성된 카본 블랙 분산액은 안정적이며 고무 습식 블렌딩에 적합합니다.
물리적 코팅 및 분산제 가감
중합체 코팅
- 마이크로에멀젼 중합 코팅: 예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜 유도체나 음이온성 계면활성제(예: AKN-2290)를 사용하여 카본 블랙 분말을 코팅합니다. 카본 블랙과 계면활성제의 질량비는 1:0.05-1이며, 고속 전단으로 친수성 껍질을 형성합니다.
- 상분리 코팅: 소수성 카본 블랙은 계면 자체 조립을 통해 친수성 폴리머(폴리비닐알코올 등)로 코팅되어 >95% 활성화 효율을 갖는 코어-쉘 구조를 형성합니다.
분산제 적용
- 음이온/비이온 계면활성제: 도데실황산나트륨과 O-시리즈(O-10~O-35)가 그 예입니다. 이들은 카본블랙의 표면 장력을 감소시켜 습윤성을 향상시킵니다.
- 실란 커플링제: Si-69(TESPT)와 같은 예는 일반적으로 다음과 같이 사용됩니다. 화이트 카본 블랙, 소수성 그룹을 카본 블랙과 결합하고 친수성 그룹을 노출시켜 카본 블랙 분말을 변형하지만 이 과정은 비용이 더 많이 듭니다.
프로세스 최적화 및 보조 기술
기계-화학적인 치료
- 볼 밀링 활성화: 카본블랙을 폴리스티렌 설포네이트나트륨(PSS)과 12시간 동안 볼 밀링합니다. 기계적 힘은 응집체를 분해하는 반면, PSS는 π-π 흡착을 통해 친수성을 향상시킵니다. 이 방법은 천연 고무 복합재에 이상적입니다.
- 초음파 조사: 50%는 접목 반응 시간을 단축하고, 에너지 소비를 낮추며, 과도한 열로 인한 그룹 분해를 방지합니다.
플라즈마 치료
- 진공 조건에서 산소 플라즈마 처리를 하면 5분 이내에 표면 산소 작용기가 증가하여 30%에 의한 분산(D값)이 향상되고 오염물질이 발생하지 않습니다.
소금 유도 조립
- 미량 양이온(예: Li⁺ 또는 Na⁺)을 첨가하면 양이온-π 상호작용을 통해 카본블랙과 물 사이의 계면 친화력이 향상됩니다. 접촉각 히스테리시스 효과가 크기 때문에 수계 시스템에 적합합니다.
애플리케이션 검증 및 성능 최적화
- 고무 복합재: 친수성 카본블랙은 라텍스 혼합에 사용될 경우 40%에 의한 인열강도를 향상시키고 충전제 분산 균일성을 크게 향상시킵니다.
- 수성 잉크/코팅제: 폴리아크릴산을 접목한 카본블랙으로 개선 입자 크기 안정성이 뛰어나 잉크젯 인쇄 중 막힘 현상이 줄어듭니다.
- 환경 고려 사항: 배기가스 회수와 결합된 폐쇄형 과립화 시스템은 먼지 배출량을 90% 이상 줄입니다.
결론
카본 블랙 분말의 친수성 향상의 핵심은 극성 작용기를 도입하고 입체 장애를 강화하는 것입니다. 저비용의 경우, 산화 개질(액상 질산 산화) 또는 계면활성제 코팅이 선호됩니다. 고성능을 위해서는 폴리아크릴산 또는 빗살형 공중합체를 이용한 초음파 보조 그래프팅과 볼 밀링이 이상적입니다. 친환경 공정의 경우, Si-69 커플링제와 함께 산소 플라즈마 처리를 하면 효율과 환경적 이점을 모두 얻을 수 있습니다.