(Dispersion) 안료분산 /분산제의 작용과 종류

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1. 서론

 
도료, 인쇄잉크, 화장품, 기타 안료분산체를 취급하는 공업분야에서 요구되는 기능 및 성능은 고도화되고 다양하며 안료분산은 항상 문제가 되는 큰 기술적 과제입니다. 안료 입자는 미세화됨에 따라 입자 자체가 본래 가지고 있는 성능이나 성질을 충분히 끌어냄으로써 효과를 발휘합니다. 그러나 비히클만으로는 충분한 분산성을 얻을 수 없는 경우가 많아, 습윤·분산제가 필요합니다. 소량 첨가하는 것만으로 효과를 발휘하는 습윤, 분산제는 매우 효과적이며 양호한 분산체나 제품을 만들 수 있는 지름길을 제공합니다.
본 글에서는 습윤, 분산제 작용에 대한 해설 및 최근 개발이 진행되고 있는 고분자형 첨가제를 포함한 폐사 제품도 함께 소개해 드리겠습니다.

 

2. 안료 입자의 산.염기
안료 분산 안정성은, 안료 입자에 대한 분산제의 젖음성이나 흡착성이 크게 좌우한다. 분산제-안료표면의 상호작용의 하나로 입자표면의 산·염기적 성질이 있으며 산성사이트, 염기성사이트, 불활성사이트 등이 존재하며 종류에 따라 다릅니다. 기본적으로 안료입자 표면의 산성 사이트에는 염기성 물질, 염기성 사이트에는 산성 물질이 흡착됩니다. 안료입자의 산염기성도 측정은 산성물질로 올레인산, 염기성 물질로 올레일아민을 사용하며 포화흡착량에서 구합니다. 그림-1과 같이 티타늄 (흰색)은 약간 염기성, 카본블랙은 강한 산성 등 표면상태가 안료의 종류에 따라 다르다는 것을 알 수 있습니다.

 

3. 습윤·분산제의 분류

습윤·분산제는 즉, 계면활성물질로 통상 탄화수소 사슬을 주체로 한 기름에 친숙한 소수성 기와 물에 잘 어울리는 친수기와 같은 극성 또는 친매성이 다른 2종 이상의 기능성 부분으로 이루어진 양친매성 화합물입니다.

습윤, 분산제로서 바람직한 성질은;
   1) 안료 / 액체 계면에의 배향성이 강하다.
   2) 무기·유기 안료와의 친화성이 강하다.
   3) 액체(비히클)와 적당한 상용성을 갖는다.

등을 들 수 있다. 습윤, 분산제의 분류를 정확하게 나타내기 위해서는 용액 안에서 해리되어 이온이 되는지의 유무가 적당하다고 판단됩니다.

 

그 중에서 비수계에 적합한 화합물은 이온성에 따라 대략 4종류로 분류할 수 있다.(그림-2)

① 음이온성 화합물
음전하를 가지는 비극성(소수기) 부분을 가지며, 비수계의 분산제로서 도료에서는 가장 많이 사용되고 있다.범용성이 있는 수지나 용매와의 친화성이 좋고 부작용도 적다는 등의 특징이 있다.
② 양이온성 화합물
양의 전하를 가지는 비극성(소수기) 부분을 가지며, 지방족 아민과 그 염류, 4급 암모늄염 등이 이용되고 있다.
③ 비이온성 화합물
수중에서 이온 해리하지 않는 수산기나 에테르 결합을 가진다.전하가 없어 안료 흡착도 약하지만 수계 도료에서는 많이 사용된다.
④ 고분자 화합물
이론 분자량이 수천에서 수만의 화합물로, 종래의 습윤·분산제에 비해 분자량이 크게 별항에 나타냈다. 도료의 유동성 및 분산 안정성 우수한 효과가 있다.

 

4. 습윤, 분산제의 작용
안료 분산 과정은 습윤, 기계적 분쇄, 분산 안정화의 세 과정으로 나누어 생각할 수 있다.실제 일반도료 제조에서 대략 습윤, 분산제가 작용하는 것은 도료 제조 시, 저장 시, 도장도막 형성 시의 3단계이다.

 

이하 각각의 작용을 나타내면;(그림-3)
[도료 제조시] 
○ 밀 베이스의 점도를 낮춘다
○ 안료 농도(PVC)를 높일 수 있다.
○ 분산시간의 단축을 도모할 수 있다.
[저장시]
○ 안료 응집 방지
○ 안료 침강 방지
[도장 및 도막 형성시]
○ 색상갈래 방지
○ 착색력 향상
○ 광택의 개량

 

이와 같이 습윤·분산제는 다방면에 나누어 사용할 수 있다.
이들 작용/효과는 안료입자/비히클(수지 등) 간의 계면장력을 낮추고 젖음성을 개량하거나 안료입자 표면의 전하를 컨트롤하거나 두꺼운 안정된 흡착층을 형성해 입자 간의 반데아발스 힘을 이겨내는 척력을 부여하는 등으로 발휘되어 분산성을 개선하고 있다고 생각됩니다.

 

이하생략

 

 

4. 분산제의 작용기구

고체 입자 사이에는, 반데어발스힘등의 인력이 작용해 응집하려고 한다. 이 응집하려고 하는 인력을 이겨낼 수 있는 힘, 척력을 입자에게 주면 응집이 없는 분산안정계를 얻을 수 있다.이 척력으로는 전기 이중층에 의한 정전척력이나 흡착층에 의한 입체장애척력 등이 있다.

 

5. 분산제에 요구되는 성질

   1) 필러표면에 배향성이강하고, 계면 장력을 저하시킬 것
   2) 필러 표면과의 친화성이 강해 탈착이 어려울 것
   3) 수지(용액에 대해  적당히 상용할 것

 

6. 분산제 소개

   1) 저분자량 분산제 

 

  2) 고분자량 분산제

  3) 분산제 사용예 : MLCC용 NIckel Paste의 분산성 평가

       - 분산배합

 

        - NI-paste의 유동곡선: 분산제를 사용하여 점도가 저하하고 작업성이 향상됨

      - 페이스트의 경시점도 변화: 분산제에 의해 장기간의 응집을 억제하고 점도안정성이 향상

 

      - 인쇄건조막의 밀도 : 분산에 의하여 치밀충전되어 밀도가 높은 양호한 전극 형성