중정석은 높은 밀도, 안정적인 화학적 특성, 무독성, 그리고 강력한 방사선 흡수성 등의 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있습니다. 표면 개질은 중정석의 성능을 향상시키고 적용 범위를 확장하는 중요한 수단이 되었습니다.
중정석은 재생 불가능한 자원입니다. 중정석의 주성분은 BaSO₄입니다. 이론적 조성과 비교하여 천연 중정석은 동형 치환으로 인해 소량의 Sr, Pb, Ca를 함유하고 있습니다. 중정석은 사방정계 결정계를 가진 황산염 광물입니다. 물리적 및 화학적 특성이 비교적 안정적입니다. 물과 염산에 잘 녹지 않습니다. 높은 밀도, 우수한 충진성, 무독성, 비자성, 강한 방사선 흡수성, 우수한 광학적 특성 등의 장점을 가지고 있습니다. 중요한 무기 화학 제품으로서 석유화학, 건축 자재, 플라스틱, 코팅, 고무, 자동차 브레이크 패드 산업 등에서 널리 사용됩니다.
중정석을 필러로 사용하면 무기/고분자 복합 재료의 가공 성능, 물리적 특성 및 화학적 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 수지의 양과 전체 비용을 크게 절감합니다. 그러나 중정석의 친수성, 유기 고분자 매트릭스와의 계면 특성 차이, 그리고 표면 효과로 인해 유기 재료에 중정석이 고르게 분산되기 어렵습니다. 중정석과 고분자 간의 이러한 물리적 및 화학적 특성 차이는 복합 재료의 전반적인 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 현재 가장 효과적인 해결책은 중정석의 표면 개질입니다. 이를 통해 개질제가 표면에 흡착층 또는 단층 필름을 형성할 수 있습니다. 이를 통해 표면 특성이 변경되고 분산성 및 유기 재료와의 상용성이 향상됩니다. 이를 통해 중정석의 적용 범위가 확대되고 제품의 부가가치가 향상됩니다.
중정석의 표면 개질 및 충전재로서의 응용은 널리 연구되어 왔습니다. 사용 가능한 표면 개질 방법은 무엇입니까? 다양한 종류의 중정석과 그 특정 용도에 맞는 적절한 개질 방법을 어떻게 선택할 수 있습니까?
현재, 중정석의 주요 표면 개질 방법으로는 표면 화학 코팅, 기계화학적 처리, 화학 증착 등이 있습니다.
1. 표면 화학 코팅 방법
표면 화학 코팅 방법은 화학적 상호작용을 이용해 입자 표면에 개질제를 균일하고 안정적으로 코팅하여 입자의 표면 특성을 변경합니다.
Xiao Qin 등은 도데실황산나트륨을 개질제로 사용했습니다. 개질 후, 중정석 입자 표면에 코팅이 형성되었습니다. 이 연구에서는 등유 내 중정석의 침전 속도와 부피가 크게 감소하는 것을 발견했습니다. 중정석의 성질은 친수성에서 친유성으로 변화하여 접촉각이 150.8°로 증가했습니다. Zhou Hong 등은 이 방법을 사용하여 중정석의 소수성을 조절했습니다. 이 방법은 등유 내 분산성을 향상시키고 입자 크기와 응집을 줄였습니다. 이는 중정석 표면의 불포화 양이온이 스테아르산 이온과 올레산나트륨 이온과 반응하여 긴 탄화수소 사슬을 가진 유기 코팅을 형성했기 때문입니다.
표면 개질제는 중정석 표면에 흡착되거나 표면의 수산기와 반응하여 화학 결합을 형성하여 유기 코팅을 형성합니다. 이는 입체 반발력이나 정전기력에 의한 입자 응집을 방지하여 분산성을 향상시킵니다. 이 방법은 복잡하지만 효과도 더 뛰어납니다. 따라서 대규모 적용을 위해서는 공정 최적화 및 코팅 효율 향상이 필수적입니다.
2. 기계화학적 방법
기계화학적 방법은 주로 기계적 힘을 이용하여 입자 표면을 활성화하고, 입자와 개질제 사이의 화학 반응을 촉진하여 표면 코팅을 달성합니다.
황샹양(Huang Xiangyang) 등은 습식 볼 밀링법을 적용하여 고분자 분산제와 중정석 원료를 함께 분쇄하였다. 기계적 힘을 가하면 분말의 입자 크기가 감소하고, 표면의 활성화 부위가 중정석 표면에서 분산제의 중합을 촉진하였다. 이를 통해 필요한 개시제의 양을 줄이고, 미세한 입자 크기와 높은 분산성을 가진 활성 중정석 분말을 얻을 수 있었으며, 코팅의 분산성과 안정성을 크게 향상시켰다.
Chen Youshuang 외 연구진은 고속 믹서의 기계적 힘을 이용하여 중정석 표면에 스테아르산을 성공적으로 코팅했습니다. 이들의 실험은 고무의 새로운 보강재로서 카본 블랙을 대체할 수 있는 활성 중정석 분말을 생산했습니다. 연구진은 적정량의 활성 중정석을 첨가했을 때 중정석/고무 복합재의 기계적 특성이 향상됨을 확인했습니다. 이러한 향상은 기계화학적 개질이 입자 응집을 방지하는 능력에 기인합니다. 또한, 고분자 매트릭스 내에서의 분산성과 상용성도 향상됩니다.
Wang 등은 기계화학적 습식 분쇄를 통해 중정석/TiO₂ 복합 재료를 제조했습니다. 그 결과, 습식 분쇄 중 방출되는 기계적 에너지가 중정석 표면에 이산화티타늄 코팅을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 코팅 효과는 공분쇄 속도 및 시간 등의 요인에 의해 영향을 받았습니다. 최적의 조건에서 중정석/TiO₂ 복합 재료의 안료 특성은 순수 TiO₂와 유사한 것으로 나타났습니다.
중정석의 기계화학적 변형 메커니즘:
이 방법은 주로 초미세 분쇄 및 기타 강력한 기계적 힘을 이용하여 분말 입자의 표면 자유 에너지를 의도적으로 활성화합니다. 이는 표면 구조와 특성을 변화시키고, 격자 변형 및 전위를 유발합니다. 또한, 개질제와의 반응성을 향상시키고, 분말 활성을 개선하며, 입자 분포를 더욱 균일하게 하고, 매트릭스와의 계면 결합을 강화합니다. 기계화학적 개질 공정은 비교적 간단하고 비용 효율적이며, 이미 널리 실용화되고 있습니다.
특히 입자 크기가 큰 중정석에 적합합니다. 그러나 나노 크기의 중정석의 경우, 단일 기계화학적 개질법의 효과는 제한적입니다. 따라서 향후 개발은 분말과 개질제 간의 상호작용 균일성 향상에 집중해야 합니다. 이를 통해 개질제 사용량을 줄이고, 복합 개질 기술을 통해 코팅 효과를 향상시키며, 제트 밀이나 허니콤 믹서와 같은 새로운 장비를 도입하여 공정을 간소화하고 에너지 소비를 줄이며 환경 친화성을 향상시켜야 합니다.
3. 화학 증착법
화학적 증착법은 입자 현탁액에 개질제 또는 침전제를 첨가하여 반응시켜 입자 표면에 침전시키는 방법입니다. 침전 후, 세척, 여과, 건조, 소성 등의 공정을 거쳐 입자 표면에 견고한 코팅을 형성합니다. 이 방법은 입자의 광학적, 전기적, 자기적, 열적 특성을 향상시킵니다.
Hu Xinghang 등은 두 가지 개질된 분말 슬러리를 혼합, 교반, 여과, 건조 및 분쇄하여 중정석/이산화티타늄 복합 안료를 제조하였다. 그 결과, 소수성 조절 후 중정석 표면이 TiO₂ 입자로 균일하게 코팅되었다. 생성된 복합 안료는 순수 이산화티타늄과 유사한 흡유력과 은폐력을 나타내어 대체 안료로 사용될 수 있었다.
Zhou 등은 TiOSO₄ 용액을 화학적 침전법으로 사용하였는데, 이 방법에서는 가수분해와 침전이 가수분해 복합체를 형성했습니다. 불순물을 제거하고 건조, 소성하여 중정석/TiO₂ 복합 입자를 얻었습니다. 이 연구에서 중정석과 TiO₂는 화학적 상호작용을 통해 강하게 결합되어 있음을 확인했습니다. 그 결과, 균일하고 치밀한 구조를 가진 복합 분말이 생성되었으며, TiO₂와 유사한 색소 특성을 나타냈습니다.
중정석의 화학적 증착 변형 메커니즘:
이 방법은 주로 화학 반응에 의존하여 중정석 입자 표면에 개질제를 증착시켜 하나 이상의 코팅층을 형성합니다. 코팅은 입자의 표면 활성을 감소시키고, 응집을 방지하며, 다양한 매질에서 중정석의 분산성과 안정성을 향상시킵니다. 이 방법은 특히 무기 표면 개질제에 적합합니다. 그러나 반응 공정 제어가 어렵고, 균일한 코팅을 얻는 것이 여전히 어려운 과제입니다. 따라서 공정 제어성을 향상시키기 위해 증착 균일성에 영향을 미치는 공정 변수와 그 기저 메커니즘을 규명하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
중정석의 세 가지 표면 개질 방법 중 화학적 표면 코팅 방법은 비교적 복잡한 공정을 필요로 합니다. 기계화학적 방법은 입자 크기가 큰 중정석에 주로 적합합니다. 화학적 증착 방법은 공정 제어에 어려움을 겪습니다. 따라서 여러 기술을 결합한 복합 개질 방법이 유망한 개발 방향으로 떠오르고 있습니다. 이러한 방법은 개별 개질 공정의 한계를 보완할 수 있습니다.
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