분쇄 공정을 미세 조정하는 데 몇 주를 투자합니다. 분석기에서 D50 값은 완벽해 보입니다. 그런데 일주일 후, 고객이 제품을 테스트해보고 결과가 일정하지 않다고 연락해 옵니다. 대개 분말 응집 현상 때문입니다. 30μm 미만의 분말은 입자가 벌크 재료처럼 거동하지 않습니다. 서로 달라붙고 뭉쳐서 애초에 설계했던 특성을 잃어버립니다. 이는 수율, 제품 사양, 그리고 최종 수익에 악영향을 미칩니다.
실제로 무엇이 원인인지, 그리고 어떤 분산 방법이 효과적인지 알아보겠습니다.
분말 응집을 유발하는 세 가지 물리적 힘
1. 반 데르 발스 힘
물질을 마이크론이나 나노미터 크기로 압축하면 입자 사이의 거리가 극적으로 줄어듭니다. 이 범위에서는 거시적 규모에서는 약한 반 데르 발스 힘이 중력보다 강해집니다. 입자들이 서로 끌어당겨 달라붙는 것입니다.
게다가 표면의 수소 결합과 흡착된 물은 분자 접착제처럼 작용합니다. 이러한 결합이 형성되면 더 이상 단순히 흩어진 입자가 아니라 결합된 클러스터가 됩니다.
2. 정전하
연삭 과정에서 마찰이 발생합니다. 마찰은 전하를 생성합니다. 새로 형성된 파단면은 양전하 또는 음전하를 띠게 되며, 이러한 전하는 균형을 유지하지 못합니다.
불안정한 대전 입자는 안정성을 찾으려 합니다. 이들은 반대 전하를 찾아 날카로운 모서리나 모서리에서 접촉하고 서로 결합합니다. 많은 건식 분쇄 회로에서 정전기만으로도 유효 생산량이 두 자릿수까지 떨어질 수 있습니다.
3. 공기 중의 습도
상대 습도를 주시하세요. 습도가 특정 값을 넘으면... 65%, 수증기는 입자 사이에서 응축됩니다. 이러한 미세한 액체 다리는 예상보다 훨씬 강한 모세관력으로 입자들을 서로 끌어당깁니다.
이것이 바로 대부분의 분말 가공 공장에서 건조 과정을 전처리 단계로 거치는 이유입니다. 이 단계를 생략하면 모든 공정에서 습기와 싸워야 합니다.
분산 방법
단 하나의 해결책은 없습니다. 올바른 접근 방식은 분말이 슬러리 상태인지 건조 상태인지에 따라 완전히 달라집니다.
액상 분산
| 방법 | 기구 | 장점 | 단점 | 일반적인 사용 |
|---|---|---|---|---|
| 기계적 방식(분쇄, 고전단 혼합) | 물리적 힘이 덩어리를 분리시킨다 | 간단하고, 장비는 표준적입니다. | 전단력이 멈추면 입자들이 다시 뭉쳐지며, 취성 재료는 파손될 수 있습니다. | 대형 응집체의 초기 분해 |
| 화학물질(계면활성제, 고분자, 전해질) | 표면 전하를 변경하거나 입체적 장애를 발생시킵니다. | 장기적인 안정성 - 입자들이 분리된 상태를 유지합니다. | 분말의 화학적 조성에 맞는 분산제를 선택하기 위한 테스트가 필요합니다. | 세라믹 슬러리, 배터리 음극 잉크, 코팅 |
| 초음파 | 캐비테이션은 충격파와 미세 제트를 발생시킵니다. | 첨가제 없이 나노 크기 응집체에 작용합니다. | 연구 개발 단계를 넘어 규모를 확장하기 어렵고, 과열은 역효과를 초래할 수 있습니다. | 실험실 작업, 고부가가치 소량 생산 |
실질적인 핵심 요점: 대부분의 산업용 액체 시스템에서 기계적 힘만으로는 분리가 일시적입니다. 믹서에서 덩어리를 분리해도 탱크 안에서 다시 뭉칩니다. 분리 상태를 유지하려면 적절한 화학 분산제를 첨가해야 합니다. 기계적 힘과 화학적 힘을 결합한 방식이 저희가 가장 권장하는 방법입니다.
기체상(건식) 분산
| 방법 | 기구 | 장점 | 단점 | 일반적인 사용 |
|---|---|---|---|---|
| 열 건조 | 수분을 증발시켜 액체 가교를 제거합니다. | 간단하며 대부분의 건식 공정에 필수적입니다. | 습기로 인한 응집 현상만 해결하고 정전기에는 아무런 효과가 없습니다. | 건조 분말의 전처리 |
| 기계식(공기 분사식 분쇄기, 분류기) | 고속 가스 또는 회전 부품은 전단력과 충격을 가합니다. | 분쇄/분류 공정 중 인라인으로 작동합니다. | 입자들은 기계를 빠져나온 직후 다시 응집됩니다. | 연속 생산 라인 |
| 정전기 충전(코로나 방전) | 모든 입자에 동일한 전하를 부여하여 서로 반발하게 합니다. | 단분산 구름에 매우 효과적입니다. | 특수 장비가 필요하며, 제어하기가 더 어렵습니다. | 분체 도장, 정전기 분류 |
건식 공정에서는 분류기를 소홀히 하지 마십시오. 제대로 조정된 공기 분류기는 최종 제품에서 응집물을 적극적으로 제거합니다. 이는 사후에 분산시키려고 하는 것보다 훨씬 간단한 해결책인 경우가 많습니다.
어떤 경로를 선택해야 할까요?
먼저 다음 네 가지 질문에 답하십시오.
- 습한가요, 건조한가요? 슬러리를 만들려면 화학적 방법과 기계적 방법을 함께 사용하십시오. 건조 분말이 필요하다면 건조 및 분류기 성능에 집중하십시오.
- 입자 크기는 어떻게 되나요? 1미크론 이하에서는 초음파 또는 정전기 방식이 더 적합합니다. 그 이상에서는 기계적 및 화학적 방식이 일반적으로 충분합니다.
- 처리량은 얼마인가요? 기계적 및 화학적 방식은 시간당 톤 단위로 처리할 수 있지만, 초음파 방식은 아직 그 정도 규모는 아닙니다.
- 첨가물을 섭취해도 괜찮으신가요? 순도가 중요한 경우(제약, 전자제품 등)에는 화학적 분산제를 사용하지 않고 물리적 방법을 사용하게 됩니다.
프로세스 제약 조건에 맞는 것을 선택하세요.
에픽 파우더
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응집 문제를 해결해야 하는데 어떤 방법이 적합한지 확신이 서지 않는다면 저희가 도와드리겠습니다. 분말 샘플을 보내주시면 실험실 규모의 장비(제트 밀, 분류기, 표면 개질제)를 사용하여 분산 효율을 측정하고, 데이터에 기반한 최적의 공정을 추천해 드립니다. 비용이나 의무 사항은 전혀 없습니다. 확실한 수치를 제공해 드립니다.
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— 제이슨 왕, 엔지니어