(Dispersion) 고도 안료 분산 시스템의 연구 개발

도료의 연구 No143(4) 2005

생산기술 연구부 쿠라모토 무츠오

 

(요지)

 

요지
도막의 고 선영성, 고 의장성에 대한 요구가 높아지면서 안료 입자의 보다 미세 분산이 요구되고 있다.그에 따라, 안료 분산에 필요로 하는 시간이 길어져, 투입 에너지도 커지는 경향에 있다. 이러한 경향은 도료의 수성화에 따라 더욱 두드러지고 있다.당사에서는 생산 리드타임, 안료분산에 필요한 에너지(전력)를 대폭 삭감함과 동시에 보다 고도의 안료분산 달성을 목적으로 효율적인 고도 안료분산시스템을 개발해 왔다. 그 결과 φ0.1mm 미세 미디어를 사용한 비즈 밀을 통한 대유량 순환 분산 시스템을 개발하여 안료의 고분산화와 함께 분산 에너지의 절감 및 분산 시간의 단축이라는 목표를 달성할 수 있었다.

 

1. 서론

안료 분산에 관한 기술은 안정적인 분산계를 얻기 위한 안료, 용제, 수지간의 물리화학적 상호작용을 제어하는 기술과 분산기를 효율적으로 사용하기 위한 기술로 나뉜다. 전자에 관해서는 도료업체인 당사의 전문 분야로 많은 연구 성과를 올리고 있지만 후자에 관해서는 시판 중인 분산기를 평가해 구분하여 사용하거나  혹은 약간의 개량을 추가하는 것으로 대응해 왔다. 그러나 고도 분산에 대한 요구에 부응하기 위해서는 당사의 독자적인 분산기 및 분산 시스템 개발이 필수적이라고 생각하여 연구개발을 진행해 왔다.그 결과 극소경 미디어를 이용한 대유량 순환 분산에 의한 고도 안료 분산 시스템을 개발하였다.

 

 

2. 비즈밀에 의한 안료 분산

2.1 비즈밀

비즈밀은 도료의 안료분산에 가장 많이 이용되며 φ2.0~0.5 mm의 유리, 세라믹, 스틸 등의 비즈를 미디어로 삼아 밀베이스와 함께 교반하여 안료입자를 미세화하는 연속식 분산기이다 .주속 8~16m/s로 고속 교반함에 따라, 다른 미디어형 분산기에 비해 현격히 생산성이 높은 것이 특징이지만, 고속 교반에 의해 밀 베이스의 흐름에 쇼트 패스가 생기기 때문에 밀 안에서 즉시 출구로 직행하는 안료나 반대로 장시간 밀 안에서 비벼지는 안료 등, 그들의 체류시간 분포는 브로드하게 된다는 문제가 있다.

 

그림 1에 대표적인 비즈밀을 도시하고 있다.그 중에서 로터 회전에 의해 스크린 상에 발생하는 원심력을 이용하여 밀 베이스와 메디아를 분리하는 다이내믹 세퍼레이션 기구를 갖춘 Anular형 비즈 밀의 등장으로 미세 미디어를 이용한 대유량 순환 분산이 가능해져 비즈 밀의 분산 수준이 비약적으로 향상되었음이 특기된다.

2.2 분산 시스템
체류시간 분포가 브로드하면, 분산 종료후의 안료 입자의 입도 분포도 브로드하게 된다. 고도분산을 위해서는 미세하게 분산함과 동시에 입도분포를 샤프하게 해야 한다.따라서, 비즈밀에 의한 고도 분산에는, 다중 패스에 의해 체류시간 분포를 샤프하게 하는 것이 불가결하다.그 방법으로는 공급조와 수조를 교대로 전환하면서 복수회밀로의 도입을 전환하는 패스방식, 복수의 비즈밀을 직렬로 연결하는 연결방식, 순환조와 비즈밀 사이에서 순환함으로써 다중패스하는 순환분산방식이 있다.
현재로서는 작업성, 품종전환의 용이함 때문에 순환분산이 주류가 되고 있다.순환 분산에서는 분산기로 분산된 안료 페이스트를 공급측으로 되돌리기 때문에 같은 처리 유량에서는 다른 방식에 비해 효율이 나빠진다.그러므로 대유량으로 처리해 패스 횟수를 많이 할 필요가 있다.또, 동시에 순환조의 교반에서는 정류 부분, 단락이 없는 것이 불가결하다.

 

2.3 밀베이스(안료)의 체류시간 분포
체류시간 분포를 나타내려면 완전 혼합조열 모델과 확산 모델이 있는데, 각 분산 시스템에서의 체류 시간 분포를 계산할 경우, 확산 모델을 이용하면 복잡하며, 여기에서는 완전 혼합조열 모델에 대해 기술한다. 완전혼합조열 모델에서는 조내는 균일하게 혼합되어 있어 조로부터 유출되는 유체 중의 농도는 조내의 농도와 동일하다고 하고, 체류시간 분포를 완전혼합조의 열수 n으로 나타낸다. 완전혼합조 n열의 체류시간분포 Fn(θ)은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

 

여기에서 VB는 비즈밀의 공간용량, Q는 유량, t는 체류시간, θ는 무차원 체류시간이다.그림 2에 완전혼합조열 모델의 체류시간 분포를 나타내고 있다.비즈밀의 체류시간 분포는 통상 조열 2~3정도이며 상당히 브로드하다.

 

 

 

순환분산방식에서의 체류시간 분포는 순환조를 완전 혼합조로 할 경우 패스 회수 분포와 각 패스별 밀 내 체류시간 분포를 적산하여 근사적으로 나타낼 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

 

 

여기서 Pn (θ)은 순환분산방식에서의 비즈밀 내체류시간분포, Fn (θ)은 비즈밀 n패스 하였으나 체류시간분포이며, 비즈밀의 체류시간분포를 나타내는 조열수에 패스회수를 곱한 조열수의 체류시간분포에 상당한다. Q는 순환 유량, V는 밀 베이스 용량, t는 분산시간, VB는 비즈 밀 공간 용량, 그리고 θ는 비즈 밀 내 체류시간, θ는 무차원화한 비즈 밀 내 체류시간이다.그림 3에 순환 유량의 증가에 의해 체류시간 분포가 샤프해지는 것을 나타낸 계산 예를 나타내고 있다. 순환 유량을 늘려 체류시간 분포를 샤프하게 하는 것이 고도 분산에는 필요하다.

 

 

2.4 미디어 지름의 효과

체류시간 분포와 함께, 비즈밀의 분산 성능에 크게 영향을 주는 것은 미디어경이다. 비즈밀 내에서는 미디어끼리 충돌 또는 접촉할 때 안료 응집 입자가 미디어 사이에 끼임으로써 해쇄가 진행될 것으로 생각된다(그림 4).

 

따라서, 미디어의 개수 및 미디어간 거리와 안료 응집 입자 지름과의 비가 중요하다. 미디어간의 평균거리와 미디어경의 비는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 δ는 미디어 간 평균 거리, d는 메디아 지름, δ는 미디어 충전율이다.비즈밀의 미디어 충전율 δ는 0.75~0.9 정도이며, δ/d는 0.04~0.10의 범위가 된다.따라서 메디아 지름의 1/10~1/20 정도 지름의 안료 응집 입자가 가장 효율적으로 분산될 것으로 생각되며 서브미크론의 분산에는 가능한 한 소경 메지아를 이용하는 것이 바람직하다.또, 용적당 미디어 개수는 미디어 지름의 3승에 반비례하기 때문에, 미디어가 작을수록 미디어 개수가 많아져, 분산 속도는 빨라진다. 이상과 같이 고도분산에는 가능한 한 소경의 메지아를 사용하는 것이 바람직하며, 최근 세라믹 콘덴서 등의 전자부품 분야에서는 φ0.05mm의 지르코니아 비즈도 사용되고 있다.

 

그러나 도료 분야에서는 분산매체의 점도가 높기 때문에 밀베이스와 미디어의 분리가 어려워 φ0.1mm의 지르코니아 미디어가 한계로 여겨진다. 한편 비즈밀에 공급되는 밀베이스는 고속 디졸버에서 수지용액과 안료를 혼합교반함으로써 만들어진다. 고속 디졸버에 의한 분산에서는 안료 입자는 수 10~200μm 정도이며, φ0.1mm의 미디어로 분산하기에는 너무 크다. φ0.1mm의 미디어로 효율적으로 분산하기 위해서는 미리 미디어 지름의 10분의 1인 10μm 정도로 분산해 둘 필요가 있으며, φ1.0mm 정도의 메지아를 이용한 비즈 밀에 의한 사전분산이 필수적이다.

 

3. 고도 안료 분산 시스템

비즈밀을 이용해 고도의 안료 분산을 효율적으로 실시하기 위해서는, 전술한 것처럼 대유량 순환 분산 방식에 의해 체류 시간 분포를 샤프하게 하거나  φ1.0 mm 미디어에 의한 사전분산, φ0.1 mm 미디어에 의한 미세 분산의 이단 분산하는 것이 필요하다. 이번에 개발한 고도 안료 분산 시스템은 전분산용 대유량 순환 분산형 비즈밀, φ0.1mm 미디어를 사용한 미세 분산용 대유량 순환 분산형 비즈밀 및 순환조용 교반기로 구성되며, 그림 5와 같다.

 

 

3.1 사전분산용 비즈밀의 개발
고속 디스퍼로 사전 분산된 안료의 2차 입경 수십200m인 밀 베이스를 10m 정도로 대유량 순환 분산방식으로 분산하기 위한 비즈밀을 개발했다.또 소형화를 통해 이동식으로 하고 전반죽조를 순환조로서 겸용함으로써 공정을 간략화했다.소형에서도 대유량 순환 분산이 가능하기 때문에, 통상의 비즈밀의 수십배의 처리 유량을 얻을 수 있는 기구가 되어 있다.

이 비즈밀은, 스파이크 상태의 돌기와 다수의 슬릿을 가지는 Anular형 로터에 의해, 소형으로 큰 처리 유량을 얻을 수 있다. 스파이크 형태의 돌기에 의한 스크류 효과와 원심력에 의해 로터의 외주부와 내부 둘레 사이에 강력한 순환류가 생긴다(그림6). 로터 바깥쪽 상부에서 들어간 밀베이스는 이 순환류에 의해 출구인 로터 안쪽 상부에 설치된 스크린으로 운반된다.즉, 미디어의 강력한 순환이 밀 베이스를 밀 입구에서 출구로 운반하는 역할을 할 수 있다.이 밀은 KEY 밀이라 불리며, 사전분산용으로 뿐만 아니라 변량생산, 소액생산 및 침강성 안료의 분산에 적합한 비즈밀로도 사용되어 높은 평가를 받고 있다.

 

 

3.2 극소경 미디어 대응 순환 분산용 비즈밀 개발

도료의 안료 페이스트는 고점도계가 많기 때문에 φ0.1 mm의 지르코니아 미디어를 사용하여 대유량 순환 분산하기 위해서는 강력한 원심력으로 메디아와 페이스트의 분리를 실시할 필요가 있다. 전술한 Anular형 로터와 스크린을 조합한 다이내믹 세퍼레이션 방식으로는 곤란하며, 그래서 개발한 것이 그림 7에 나타낸 2축 원심분리기구를 갖춘 비즈밀이다. Anular형 로터와 원심분리기는 동심 두 축이며 각각 독립적으로 회전할 수 있다. 원심분리기로 미디어와 분리된 페이스트는 중공 로터축 안쪽을 지나 상부에 설치된 구멍에서 배출된다.

 

그림 8에 나타낸 장치에 의해, 이 2축 원심 분리식 비즈밀의 처리 유량의 한계를 구했다. 밀 출구에 설치한 철망 스트레이너와 압력 센서에 의해 미디어 누출이 검지된다. 밀 용량 1.5L의 테스트기로 점도 150mPa·s의 니스를 800L/hr의 유량으로 운전해도 φ0.1mm 지르코니아 미디어가 누출되지 않는 것을 확인했다. 이는 동일한 용량으로 시판되는 φ0.5mm 지르코니아 미디어를 사용한 대유량 순환 분산용 비즈 밀의 2~3배 처리유량이다. 이축 원심분리기구를 채택하여 φ0.1mm 미디어를 채택한 대유량 순환 분산이 가능해졌다.

 

 

3.3 순환조용 교반날개 개발
순환조용으로서 당사가 개발한 것이 그림 9에 나타낸 교반익이며 MRS(Mixer for Re-circulation System) 날개라고 불린다. 이 날개는 Anker날개와 대형 패들 날개의 중간적인 특성을 갖게 함으로써 순환조에 적합한 교반 날개를 이루고 있다.

 

 

도료의 밀 베이스에는 안료 분산도가 진행됨에 따라 구조 점성이 높아지는 것이 많기 때문에 순환조의 교반에서는 순환조 벽면 근방에 구조 점성에 의한 정류부가 생기지 않는 구조를 필요로 한다.앵커날개는 탱크벽면의 유동을 촉진하기 위한 날개이나 날개 안쪽은 날개와 함께 회전할 뿐 혼합성능은 매우 나쁘다.한편 대형 패들날개는 날개 하부의 패들에 의해 발생하는 강력한 상하방향 순환류에 의해 혼합성능은 뛰어나지만 구조 점성이 큰 경우에는 앵커날개에 비해 수조벽에서의 유동이 나빠진다.나아가순환조는조상부에서액이들어와하부에서배출되는유통계이기때문에대형패들날개의강력한상하순환류는단락의원인이된다.MRS날개는 앵커날개와 대형 패들날개의 특징을 살린 교반날개로, 구조 점성이 높은 밀베이스에서도 조 벽면에 정류부를 생기지 않는 것 및 상하 순환류를 억제하여 순환조에서 단락이 없는 것이 특징이다.구조가 간단하고 세정성이 우수함.이미 실라인에서 순환조용 교반익으로서 많은 실적이 있다.

 

 

 

4. 분산성능의 평가
3종류의 밀베이스를 고도 안료 분산 시스템으로 분산하고, φ0.5 mm 지르코니아 미디어를 이용해 대유량 순환 분산한 것과 비교하였다. 사전분산용 비즈밀은 밀 용량 1.3L, 미디어는 φ1.3mm 유리 비즈를 이용해 2000 L/hr의 처리 유량으로 순환 분산했다. 이축 원심 분리식 비즈 밀은 φ0.1 mm 지르코니아 미디어를 사용하여 300 kg/hr의 처리 유량으로 대유량 순환 분산하였다.
분산 레벨의 평가는 도막의 헤이즈값 측정으로 실시했다. 헤이스치가 낮을수록 안료 입자에 의한 광산란이 적어 미세하게 분산돼 있음을 보여준다. 두 축 모두 원심분리식 비즈 밀에 의해 φ0.1mm 메디아로 분산된 것은 짧은 밀 체류시간에 헤이즈가 낮아져 몇 배의 분산속도를 가지고 있다는 것 및 고도로 분산이 진행되고 있다는 것을 알 수 있다(그림10, 11, 12). 또한 동일한 수준의 분산도를 얻는데 소요되는 분산 에너지는 φ0.5mm 지르코니아 미디어를 사용한 경우에 비해 수분의 일로 저감되어 있었다.

 

나아가 두 축 원심분리식 밀을 이용하여 처리유량 10kg/hr의 반환패스 방식으로 3패스까지 분산한 결과와 300kg/hr에서 대유량 순환분산한 결과를 비교하였다(그림13). 대유량 순환분산에 의해 분산효율이 몇 배 좋아졌음을 확인할 수 있다.각각의 최종 분산품의 체류 시간 분포를 계산해 비교하면, 그림 14와 같이 체류 시간 분포를 샤프하게 하는 것이 분산 효율 향상에 중요함을 알 수 있다.

 

5. 정리
소형이면서 효율적인 전분산용 비즈 밀인 KEY 밀, φ0.1 mm 지르코니아 미디어를 사용해 대유량 순환 분산 가능한 2축 원심 분리식 비즈 밀, 그리고 순환조용 교반 날개인 MRS 날개 개발로 효율적인 고도 안료 분산 시스템을 개발할 수 있었다.