분산제 기술소개

1. 분산 기술
유색 도료를 생산할 때 좋은 분산 품질은 가장 어려운 요소 중 하나입니다. 분산 공정에는 건조 안료를 안료 분산액으로 변환하는 작업이 포함되며, 이는 최종 색상 성능과 안정성을 달성할 수 있을 만큼 완전히 분산되고 안정적이어야 합니다. 이는 수지, 안료, 용매 및 분산제의 사용이 중요한 역할을 하는 복잡한 공정입니다.
2. 분산과정
채도와 착색력이 높은 고품질 코팅은 우수한 안료 분산, 최적화된 안료 입자 크기 및 장기 안정성이 특징입니다.
액체 코팅에서 안료의 분산 과정은 세 가지 과정으로 나눌 수 있습니다.

분산과정

안료 습윤: 안료를 덮고 있는 공기와 습기가 수지 용액으로 대체됩니다. 고체/기체 인터페이스(안료 또는 공기)는 고체/액체 인터페이스(안료 또는 수지 용액)로 변환됩니다.
분쇄 단계: 높은 전단력을 통해 안료 덩어리가 더 작은 단위, 바람직하게는 1차 입자로 분해됩니다.
안정화: 안료 분산액은 제어되지 않은 응집의 형성을 방지하기 위해 분산제에 의해 안정화됩니다. 현탁액 안정화는 수지를 안료 표면에 흡착함으로써 달성됩니다.
2.1 습윤 단계
습윤 단계는 안료를 덮고 있는 공기와 습기를 수지 용액으로 대체하는 단계입니다.
안료 입자와 레진의 상호작용을 통해 원래의 안료 입자가 습윤되어 액상 코팅의 성능을 향상시킵니다. 분산제는 안료 표면에 흡착되어 액체/고체 표면이 상호 작용하고 기체/고체 표면을 대체하도록 돕습니다.
습윤 효율은 주로 안료와 매체의 상대 표면 장력과 점도에 따라 달라집니다. 흡착 메커니즘은 주로 안료의 화학적 특성과 분산제의 유형에 따라 달라집니다.
2.2 분쇄 단계
습윤 단계 이후에는 안료 입자를 응집시키고 덩어리를 제거해야 합니다. 이는 일반적으로 기계적 작용을 위한 고전단 연삭 장비에 의해 제공됩니다.
분쇄 단계에서 내부 응집력의 굳어짐을 극복해야 합니다. 시스템은 전단을 통해 더 작은 입자를 생성하고 분쇄기와 같은 전단력을 사용하여 안료 덩어리를 분해합니다.
안료는 기계적 전단에 의해 개별 입자로 분해되어 캐리어와 접촉하는 표면적이 넓어지므로 표면을 적시는 데 더 많은 첨가제가 필요합니다. 일단 분산되면 1차 입자는 다시 응집되는 경향이 있습니다. 이 과정을 응집이라고 합니다.
분쇄 공정은 응집 제거 공정으로 볼 수 있습니다. 안정성이 부족하면 착색력이 감소하고 광택이 감소하며 유변성이 변경될 수 있습니다.
2.3 안료 분산의 안정성
안료 분산액은 도장 후 저장 단계나 적용 및 필름 형성 중에 안정적으로 유지되어야 합니다.
안정한 분자가 안료 표면에 흡착되어 안정화가 이루어지므로 입자는 다른 입자가 연결부에 너무 가까이 접근하여 응결을 일으키는 것을 방지할 만큼 충분한 반발력을 갖게 됩니다.
안정적인 안료 분산의 두 가지 주요 메커니즘이 설명됩니다.
1. 정전기 안정성은 수성 시스템에서만 작동합니다. 동일한 전하를 가진 두 입자가 가까이 있으면 반발 효과가 발생합니다. 결과적으로 쿨롱 반발성 하전 입자는 시스템을 안정적으로 유지합니다.

전하 반발

2. 수성 및 용매 기반 시스템에 대한 훨씬 더 강력한 응용 분야는 입자 간 접촉을 불가능하게 만드는 안료 입체 안정화(고체 입자의 표면이 폴리머로 완전히 덮임)입니다. 폴리머와 용매(유기 용액 또는 물) 사이의 강한 상호 작용은 폴리머가 서로 밀접하게 접촉하는(응집) 것을 방지합니다.

입체 장애

안정제

입체 안정성은 안료 표면에 흡착된 수지층이나 폴리머 세그먼트에 따라 달라집니다. 기본적인 요구 사항은 폴리머 세그먼트가 충분히 용해된다는 것입니다. 이는 폴리머 사슬 세그먼트가 자유롭게 확장될 수 있음을 의미하기 때문에 중요합니다. 폴리머 세그먼트가 잘 용해되지 않는 시스템에서는 폴리머 세그먼트가 안료 표면에서 서로 가까워지는 경향이 있으며 반발력이 입자 간의 인력을 극복하기에는 부족하여 응집이 발생합니다.
3. 분산제 계열
코팅 및 잉크 산업에서는 분산제 선택이 중요한 문제입니다. 디자이너는 가장 적합한 제품을 찾기 위해 코팅의 최종 적용, 코팅 시스템(수성, 용제 기반) 및 기타 첨가제 간의 관계를 고려해야 합니다.
분산제의 역할은 분산 과정을 향상시키고 미세한 입자 크기를 보장하여 수지 용액에서 안료를 안정화시키는 것입니다. 앞서 언급했듯이 효과적인 분산제는 안료 습윤, 분산 및 안정화의 세 가지 주요 기능을 가지고 있습니다. 분산제는 일반적으로 수성 코팅과 용제 기반 코팅으로 구분됩니다.
분산제는 화학 구조에 따라 고분자 분산제와 계면활성제의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 이 두 종류의 분산제 간의 주요 차이점은 분자량, 안정성 메커니즘 및 저장 안정성입니다.
3.1 고분자 분산제
고분자 분산제는 입체 장애 안정화 메커니즘을 통해 페인트, 코팅 및 잉크 시스템을 안정화합니다.
입자 표면에 강력하게 흡착하는 특수 고정 그룹이 있어야 하며 원하는 용매 또는 수지 용액에 입체 안정성을 제공하는 폴리머 세그먼트를 포함해야 합니다.

계면활성제
말단 그룹이 있는 기능 그룹
BAB 블록 공중합체
ABA 블록 공중합체
랜덤 공중합체
소수성 공중합체

고분자 분산제는 상당히 높은 분자량으로 인해 다른 유형의 분산제와 구별됩니다.
구조적 특성으로 인해 고분자 분산제는 안료 표면의 여러 지점에 동시에 흡착되어 내구성 있는 흡착층을 형성합니다. 이상적인 입체 안정성은 폴리머 사슬이 잘 용해되고 적절하게 늘어남으로써 달성되므로 주변 수지 용액과의 상용성이 높아야 합니다. 이러한 상용성이 방해를 받으면 고분자 사슬의 입체 장애가 붕괴되어 안정성을 잃게 됩니다. 첨가제가 더욱 효과적이려면 안료 표면을 흡착하는 능력이 지속적이고 영구적이어야 합니다. 따라서 안료 입자의 표면 특성은 첨가제의 효능과 관련이 있습니다. 이온 결합 구조를 갖는 무기 안료와 같이 표면 극성이 높은 안료는 다양한 분산제를 비교적 쉽게 흡착합니다.
그러나 결정이 비극성 개별 분자로 구성된 유기 안료와 같이 비극성 표면을 갖는 안료의 경우 기존 첨가제로는 적절한 흡착을 얻기가 어렵습니다. 다양한 고정 그룹을 가진 고분자 분산제는 비극성 표면의 안료에 매우 효과적인 고정 기능을 제공합니다.
물 속에서 안료를 안정화시키는 전통적인 방법을 사용하면 플라즈마나 다른 베타 전위가 존재하는 안료와 같은 불순물로 인해 안정된 전하가 방해를 받는 경우가 많습니다. 이는 손상 효과가 있어 반발력이 감소합니다. 입체적 안정성은 이 문제를 피할 수 있습니다. 이로 인해 고분자 분산제는 기존의 습윤제나 분산제로는 응집을 방지하기 어려운 유기안료를 포함한 모든 종류의 안료를 분산시키는데 매우 적합합니다.
3.1.1 입체 장애 세그먼트
폴리머 세그먼트의 특성은 폴리머 분산제의 성능에 매우 중요합니다. 사슬조각이 완전히 용해되지 않으면 안료 표면에 붕괴되어 입자가 뭉치거나 응집되어 빛의 손실, 착색력의 저하 등이 발생합니다.
고분자 분산제의 분자량은 반데르발스 힘을 극복할 수 있을 만큼 충분히 긴 사슬 세그먼트를 제공해야 합니다.
체인 세그먼트가 너무 짧으면 응집을 방지할 만큼 두꺼운 장벽을 제공하지 못합니다. 이는 분자량이 너무 작으면 분산액이 불안정해지며 점도가 증가하고 착색력이 감소한다는 것을 의미합니다.
세그먼트가 너무 길면 뒤로 접히는 경향이 있습니다. 이는 분자량이 너무 크면 성능이 저하된다는 것을 의미합니다. 이상적인 세그먼트는 시스템 내에서 자유롭게 이동할 수 있어야 합니다. 앞서 언급했듯이 한쪽 끝에 고정 그룹이 있는 사슬 세그먼트는 최고의 입체 장애를 나타냅니다.
마지막으로, 더 나은 코팅 성능을 달성하려면 고분자 분산제는 용매 휘발 및 수지 가교 단계에서도 코팅 수지 시스템에 완전히 용해되어야 합니다.
3.1.2 고정 그룹
화학 유형에 따라 안료 표면의 특성이 다르기 때문에 다양한 화학 그룹을 고분자 분산제의 고정 그룹으로 사용할 수 있습니다. 고분자 분산제의 광범위한 고정 그룹은 무기 안료 및 극성 안료에 대한 우수한 분산을 만듭니다. 실제 앵커링은 다양한 메커니즘을 통해 발생할 수 있습니다.
(1) 이온 또는 산성/알칼리성 그룹을 통한 고정
안료 입자가 상대적으로 활성인 표면(예: 무기 안료)을 갖는 경우, 한쪽의 안료 입자 표면에는 전위가 있고 반대쪽은 역전하를 띤 원자 또는 작용기가 있는 이온 쌍 결합을 형성할 수 있습니다. 반대편에는 분산제. 그 경우는 그림 6a에 나와 있으며 유기 용매는 일반적으로 유전 상수가 낮아 전하 분리에 도움이 되지 않기 때문에 효율적입니다.

이온성 또는 산성/염기성 그룹 메커니즘
양극 표면의 음극 고정 그룹
불균일한 표면 음극 고정 그룹
불균일한 표면 양극 앵커 그룹
실제로, 많은 무기 안료 입자의 표면은 양전하 부분과 음전하 부분이 모두 포함되어 매우 고르지 않습니다. 따라서 일반적으로 양전하 또는 음전하를 띤 앵커 그룹을 사용할 수 있는 고분자 분산제가 안료를 더 잘 분산시킬 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 도 6b 및 6c에 도시된 바와 같이.
하전된 또는 산성/알칼리성 표면에 폴리머 사슬을 고정하는 데 사용할 수 있는 예로는 아민; 암모늄 및 4차 암모늄 그룹;
카르복실산, 술폰산, 인산, 산성 그룹 및 그 염, 황산 및 인산 그룹.
(2) 수소결합기에 의한 고정
대부분의 유기 안료와 일부 상대적으로 불활성인 무기 안료(예: 석영)는 표면에 전하가 없지만 에스테르, 케톤, 에테르와 같은 수소 결합 공여체 또는 수용체 그룹을 가질 수 있습니다. 따라서, 안료의 고정기와 고분자 분산제 사이에 수소결합이 형성될 수 있다. 개별 수소 결합이 약하더라도. 그러나 고분자 분산제에 수소 결합 공여체와 수용체가 많이 포함되어 있으면 안료 입자와 분산제 사이에 여전히 강한 상호 작용이 있을 것입니다.

수소결합 메커니즘

폴리아민과 폴리올은 모두 수소 결합 공여자 또는 수용체로서 수소 결합을 통해 안료를 고정하는 데 사용될 수 있습니다. 폴리에테르는 수소 결합 수용체를 통해 안료를 고정하는 데 사용할 수 있습니다.
(3) 극성 그룹을 통한 고정
유기안료 표면의 극성기는 고분자 분산제의 앵커 말단에 있는 극성기와 상호작용합니다. 다시 말하지만, 이러한 상호작용은 상대적으로 약한 경향이 있지만, 이러한 그룹이 여러 개 있는 고분자 분산제는 강하게 상호작용합니다.
폴리우레탄은 일반적으로 사용되는 극성 고정 그룹입니다.

기계 그룹 메커니즘

3.2 계면활성제 분산제
계면활성제는 저분자량의 전통적인 분산제입니다. 계면활성제 분자는 안료와 수지 용액 사이의 표면 장력을 감소시킵니다.
이러한 표면 활성은 계면활성제 구조가 두 개의 서로 다른 용해성 또는 극성 그룹 세트를 포함하기 때문에 발생합니다.
수성 시스템에서 극성 그룹은 친수성 그룹이라고 하며, 비극성 그룹은 소수성 또는 친유성 그룹이라고 합니다. 비수성 시스템에서는 극성 그룹을 소유성(oleophobic)이라고 하고 비극성 그룹을 친유성(lipophilic)이라고 합니다. 계면활성제는 화학 구조에 따라 분류되며, 보다 구체적으로는 극성 그룹(음이온성, 양이온성, 전기적으로 중성, 비이온성)에 따라 분류됩니다.
고분자 분산제와 마찬가지로 그 효과는 다음에 따라 달라집니다.
● 안료 표면에 흡착된 극성 그룹, 고정 그룹은 아미노, 카르복실, 술폰산, 인산 또는 그 염일 수 있습니다.
● 입자 주변 매질의 비극성 사슬 표현. 분자의 이 부분(지방족 또는 지방족 방향족 세그먼트)은 수지 시스템과 호환성이 높아야 합니다.
계면활성제 분산제의 안정화 메커니즘은 전하 방해입니다. 극성 그룹은 안료 입자 주위에 이중 전기층을 형성합니다. 브라운 운동으로 인해 안료 입자는 액체 매질에서 종종 서로 충돌하므로 페인트 혼합 단계에서 재응집되는 경향이 강합니다.
계면활성제는 화학 구조의 안정성(예: 저분자량)과 전하 장애로 인해 다음과 같은 결함을 일으킬 수 있습니다.
물 민감성: 계면활성제는 일반적으로 코팅에 대해 물에 민감한 경향이 있으므로 실외 적용에는 적합하지 않습니다.
● 거품 형성: 코팅에 포함된 많은 계면활성제는 거품을 생성하여 표면 결함(피쉬 아이, 수축 구멍 등)을 초래합니다. 분쇄 단계에서 거품이 나타나면 생산 능력 손실도 발생합니다.
● 층간 접착력에 영향을 미침
지난 몇 년 동안 이러한 결함을 최소화하고 소포/탈포 또는 어려운 기질 습윤과 같은 최종 페인트에 여러 가지 다른 이점을 제공하기 위해 표면 활성제가 개발되었습니다.
4. 분산제의 복용량
가장 적합한 분산제를 선택하는 것은 종종 어렵고, 그 복용량에는 특별한 지침이 필요합니다.
분산제의 선택은 안료의 표면 특성과도 관련이 있습니다. 안료 표면의 극성도 유기 안료(비극성)에서 무기 안료(극성)까지 다양합니다. 이는 분산제의 고정 그룹 선택도 최적의 흡착을 위해 중요하다는 것을 의미합니다. 무기안료에는 음이온 고정기를 선택하는 것이 더 좋고, 유기안료에는 양이온 고정기를 선택하는 것이 더 적합합니다.
안료의 표면적에 따라 사용되는 분산제의 양도 결정됩니다. 일반적으로 금액이 너무 적으면 최상의 결과를 얻을 수 없습니다. 양이 너무 많으면 과밀화로 인해 입체장애의 두께가 줄어들지만 최상의 효과를 얻을 수 없습니다.
일반적으로 가장 적합한 투여량 범위는 안료 표면적 제곱미터당 고분자 분산제 2~2.5mg입니다.
2~2.5mg/m2 폴리머 투여량 수준을 중심으로 단계별 평가가 이루어져야 합니다. 페이스트 점도 측정은 최적의 양 중 가장 낮은 값을 선택하기 위한 기초를 제공할 수 있지만, 광택이나 색상 강도를 측정하여 최적 투여량의 최대 값을 나타낼 수도 있습니다.