고분자 재료는 금속, 세라믹과 함께 현대 산업의 3대 주요 소재 시스템 중 하나입니다. 생활용품, 전자, 전기 부품, 케이블 제조, 자동차 부품, 건축 자재 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다. 그러나 대부분의 고분자는 탄소 사슬 골격을 가지고 있어 가열 시 쉽게 분해되어 가연성 가스를 생성합니다. 결과적으로 화염에 노출되면 쉽게 발화하여 인간의 안전과 재산에 심각한 위협을 초래합니다. 따라서 수산화알루미늄, 가장 널리 사용되는 무할로겐 난연제 중 하나인 난연제는 폴리머의 난연 성능을 향상시키는 중요한 접근법이 되었으며, 재료 과학에서 중요한 연구 주제가 되었습니다.
고분자의 연소 메커니즘과 난연 전략
본질적으로 고분자 연소는 열분해 과정입니다. 일정 온도까지 가열되면 고분자 사슬이 끊어지면서 휘발성 가연성 물질이 생성되고, 이 물질은 화염 영역에서 자유 라디칼 연쇄 반응에 참여하여 연소를 더욱 심화시킵니다. 이 과정에서 다량의 열이 방출되고, 이 열은 다시 물질로 유입되어 지속적인 열 분해를 유발하고 악순환을 형성합니다.
이러한 메커니즘을 기반으로 현재 난연 전략은 주로 두 가지 접근 방식에 초점을 맞춥니다.
기체상 난연성
연소 영역에서 자유 라디칼 연쇄 반응을 방해하여 연소 효율을 낮춥니다.
응축상 난연성
열 전달을 차단하거나 보호용 탄화층을 형성하여 열과 가연성 분해 생성물이 화염 구역으로 이동하는 것을 방지합니다.
이러한 효과를 얻기 위해 다양한 난연제가 개발되었습니다. 이러한 난연제는 열을 흡수하고, 불활성 기체를 방출하고, 자유 라디칼을 포집하거나, 탄화를 촉진하는 방식으로 작용합니다. 난연제의 종류에 따라 화학적인 난연제는 구조적으로 유기계와 무기계로 크게 나눌 수 있다.
많은 산업이 무기 난연제로 전환하는 이유
할로겐계 난연제와 같은 일부 유기 난연제는 매우 효과적이지만, 열분해 생성물은 독성이나 환경적 위험을 초래할 수 있습니다. 점점 더 엄격해지는 환경 규제에 따라 업계에서는 더욱 안전하고 환경 친화적인 무기 난연제로 전환하고 있습니다.
무기 난연제의 장점：
- 무독성, 저연기 발생
- 높은 열 안정성과 낮은 화학 반응성
- 비교적 낮은 비용과 높은 허용 적재 수준
모든 무기 난연제 중에서, 수산화알루미늄(Al(OH)₃, ATH) 가장 널리 사용되고 있으며 난연제 산업에서 "오랫동안 선호되는" 제품으로 여겨집니다.
수산화알루미늄이 왜 그렇게 인기가 있을까?
가장 많이 사용되고 가장 널리 사용되는 무기 난연제인 ATH는 전선 및 케이블 컴파운드, 고무 제품, 열경화성 수지, 열가소성 수지, 건축 자재를 포함한 거의 모든 폴리머 난연 시스템에서 사용됩니다. ATH의 주요 장점은 다음과 같습니다.
1. 강한 흡열 분해(물리적 열 흡수 및 냉각)
ATH는 약 200~300°C에서 흡열 분해를 겪습니다.
Al(OH)₃ → Al2O₃ + 3H2O↑
이 반응은 상당한 열을 흡수하고 수증기를 방출하는데, 이는 가연성 가스를 희석하고 연소 속도를 늦춥니다.
2.보호 알루미나층 형성(응축상 보호)
생성된 Al₂O₃는 재료 표면에 밀도가 높고 안정적인 세라믹과 같은 층을 형성하여 산소를 차단하고 폴리머의 추가적인 열 분해를 방지합니다.
3. 안전하고 환경 친화적이며 비용 효율적입니다.
ATH는 화학적으로 안정적이며 유독 가스를 발생시키지 않습니다. 또한, 국제 환경 규정을 준수합니다. 풍부한 자원과 저렴한 가격으로 인해 난연성 및 기능성 충전재로 사용하기에 적합하며, 기계적 특성과 단열성을 향상시키고 연기 발생을 줄여줍니다.
4. 매우 넓은 적용 범위
ATH는 분해 온도가 적당하므로 폴리올레핀, PVC, 고무와 같은 가공 온도가 낮은 폴리머에 특히 적합합니다.
일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 전선 및 케이블: 50%–65% ATH 로딩이 포함된 저연성 할로겐 프리 케이블 컴파운드
- 건축 자재: 단열 보드, 난연성 알루미늄 복합 패널, 지하철/터널 복합재
- 자동차 및 운송: EV 배터리 팩 소재, 내장 부품, 철도 운송 부품
- 전자제품 및 가전제품: PCB 라미네이트, 가전제품 하우징, 플러그 및 소켓
- 고무 컨베이어 벨트: 광산용 난연성 정전기 방지 벨트
수산화알루미늄에도 단점이 있다.
주요 단점은 다음과 같습니다.
- 높은 적재 수준(일반적으로 UL94 V-0의 경우 40%–65%)은 기계적 강도와 용융 흐름을 감소시킬 수 있습니다.
- 높은 친수성과 소수성 고분자와의 호환성이 낮으므로 표면 처리가 필요합니다(실란, 티타네이트, 스테아르산 등)
그러나 초미세 분쇄(D50 < 2 μm), 표면 개질, 나노-ATH 및 수산화마그네슘과의 상승적 사용의 발전으로 이러한 문제는 크게 완화되었습니다.
수산화 알루미늄의 제조 및 분쇄 기술:
난연성 시스템에서 ATH의 성능은 다음과 밀접하게 관련됩니다. 입자 크기, 입자 크기 분포, 비표면적, 그리고 표면 특성이 중요합니다. 따라서 고품질 ATH는 안정적이고 정밀한 분쇄 및 분급 공정에 의존해야 합니다.
1. 원료 공급원 및 전처리
산업용 ATH는 일반적으로 바이엘(Bayer) 공정을 통해 생산됩니다. 원료 ATH 입자는 종종 응집되고 비교적 큰 입자 크기를 보입니다. 폴리머 시스템의 성능 요건을 충족하려면 추가 분쇄가 필요합니다.
2. 연삭 장비 선택: 입자 크기 제어의 핵심
다양한 응용 분야에는 다양한 입자 크기가 필요합니다.
- 케이블 컴파운드: D50 = 1–10 μm
- 코팅제/접착제: 더 좋은 등급
- 고급 마스터배치: D97 < 10 μm, 좁은 크기 분포
일반적인 분쇄 솔루션은 다음과 같습니다.
볼밀 + 에어 분류 시스템
- D50 1–8 μm ATH의 대규모, 안정적인 생산에 이상적입니다.
- 정밀한 입자 크기 제어로 D97 10–15 μm 달성
- PVC, PP, 케이블 컴파운드에 널리 사용
- 향상된 입자 모양 및 분산성
제트 밀(에어 제트 밀)
- 초미세 충격 분쇄를 위해 고속 공기 흐름을 사용합니다.
- D97 3~5μm 또는 그보다 미세한 초미세 분말을 생산합니다.
- 엔지니어링 플라스틱, 투명 소재, 광학 등급 제형에 적합
- 매체 오염이 없어 높은 순도를 보장합니다.
수직 롤러 밀, 핀밀, 임팩트 밀
- 중간 미세도 등급에 적합(D50 5–30 μm)
- 건축자재 및 고무제품에 사용
- 더 높은 출력, 더 낮은 운영 비용
3. 분류 기술: 좁은 PSD와 높은 안정성 보장
고정밀 터빈 또는 다중 휠 분류기는 미세 입자와 조립 입자를 분리하여 ATH에 다음과 같은 기능을 제공합니다.
- 좁은 입자 크기 분포
- 폴리머 멜트에서 시스템 점도가 낮아짐
- 균일 분산
- 더욱 안정적이고 효율적인 난연 성능
특히 고부하 케이블 화합물의 경우 입자 크기 안정성은 기계적 특성과 압출 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
4. 표면 개질: 폴리머 매트릭스와의 호환성 향상
PP, PE와 같은 비극성 폴리머는 무기 충전재와의 상용성이 좋지 않아 표면 처리가 필수적입니다.
일반적인 커플링 에이전트
- 티타네이트
- 실란
- 알루미네이트
수정 프로세스
연속 개질제 + 고전단 혼합
이익
- 낮은 용융 점도
- 더 나은 분산
- 더 높은 허용 필러 로딩
- 향상된 기계적 특성
와이어 및 케이블 컴파운드에서 고품질 ATH는 표면 처리를 거쳐야 합니다. 코팅 우수한 가공 안정성과 전기 절연 성능을 달성합니다.
결론
폴리머의 난연 성능 향상은 장기적이고 중요한 과제입니다. 수많은 난연제 중에서도 수산화알루미늄은 열 흡수, 방수, 보호층 형성, 안전성, 그리고 친환경성으로 두각을 나타냅니다. 수산화알루미늄은 난연성을 향상시키는 동시에 점점 더 엄격해지는 규정을 충족하여 케이블, 건설, 자동차, 전자 제품 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있습니다.
난연 기술이 발전함에 따라 ATH는 앞으로도 핵심적인 역할을 할 것입니다. 특히 고효율 제형, 시너지 시스템, 정밀 응용 분야에서 더욱 그렇습니다.
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— 게시자 에밀리 첸