필러는 생산 비용을 절감하고 수익을 증가시킬 뿐만 아니라, 고온 저항성, 내식성, 표면 경도, 강도, 내마모성, 난연성, 그리고 단열성과 같은 특성을 어느 정도 향상시킵니다. 플라스틱의 경우, 유리 섬유, 탄산칼슘, 유리 미세구, 규산염 광물, 이산화티타늄과 같은 필러가 일반적으로 사용됩니다.
유리 섬유
유리 섬유는 엔지니어링 플라스틱에 흔히 사용되는 필러입니다. 주성분은 이산화규소와 기타 파생 금속 산화물입니다. 국제적으로 가장 널리 사용되는 생산 공정은 탱크로 연신법입니다. 유리 섬유의 알칼리 함량에 따라 무알칼리, 중알칼리, 고알칼리 유리 섬유로 분류할 수 있습니다. 엔지니어링 플라스틱은 주로 무알칼리 절단 유리 섬유와 꼬이지 않은 장섬유 유리 섬유를 사용합니다. 유리 섬유를 첨가하면 엔지니어링 플라스틱은 다음과 같은 변화를 겪습니다.
장점:
강화된 강성 및 경도: 유리 섬유를 추가하면 플라스틱의 강도와 강성이 향상됩니다.
내열성 및 열 변형 온도 향상: 예를 들어, 나일론에 유리 섬유를 첨가하면 열 변형 온도가 최소 30°C 증가합니다. 일반적으로 유리 섬유 강화 나일론은 220°C 이상의 온도를 견딜 수 있습니다.
다른 장점으로는 다음과 같은 것이 있습니다. 치수 안정성 향상 및 수축률 감소, 휨 변형 감소, 크리프 감소, 수분 흡수 감소 등이 있습니다.
단점:
제품의 탄성계수 증가는 인성을 감소시킬 수 있습니다. 심지 효과로 인해 난연성에 악영향을 미쳐 난연 시스템을 방해하고 그 효과를 감소시킵니다. 또한 노출된 유리 섬유는 플라스틱 제품의 표면 광택을 감소시킬 수 있습니다.
유리 섬유의 길이는 재료의 취성에 직접적인 영향을 미칩니다. 가공이 불량한 짧은 섬유는 충격 강도를 감소시킬 수 있는 반면, 가공이 잘 된 긴 섬유는 충격 강도를 향상시킬 수 있습니다. 취성을 최소화하려면 적절한 섬유 길이를 선택하는 것이 중요합니다.
제품의 섬유 함량 또한 중요합니다. 업계 표준은 일반적으로 제품의 용도에 따라 15%, 25%, 30% 또는 50%와 같은 정수 비율을 사용합니다.
최적의 기계적 특성과 표면 효과를 얻으려면 섬유 직경, 길이, 개질 중 표면 처리 및 섬유 함량을 신중하게 고려해야 합니다.
탄산칼슘
탄산칼슘 제품은 중질 탄산칼슘과 경질 탄산칼슘으로 나뉩니다. 중질 탄산칼슘(GCC)은 천연 방해석, 석회석, 백악, 조개껍질 등을 기계적으로 분쇄하여 생산합니다. 경질 탄산칼슘보다 침전량이 적기 때문에 "중질"이라고 합니다. 현재 GCC의 산업적 생산에는 건식법과 습식법 두 가지 공정이 사용됩니다. 건식법은 습식법에 비해 비용 효율적이고 적용 범위가 넓은 제품을 생산합니다.
경질 탄산칼슘(PCC 또는 침강성 탄산칼슘)은 석회석과 같은 원료를 소성하여 석회(주로 산화칼슘과 이산화탄소)를 생성합니다. 석회는 수화되어 석회유(주로 수산화칼슘)를 형성하고, 이 석회유는 이산화탄소와 탄산화되어 탄산칼슘을 침전시킵니다. 마지막으로 탈수, 건조, 분쇄 과정을 거칩니다. 또는 탄산나트륨과 염화칼슘을 이중 분해하여 탄산칼슘 침전물을 형성한 후, 탈수, 건조, 분쇄 과정을 거쳐 생산할 수도 있습니다.
탄산칼슘은 PP의 강도를 높이고 강화하는 데 사용되는 가장 오래된 무기 충전재 중 하나입니다. 미크론 크기의 탄산칼슘은 오랫동안 널리 사용되어 왔습니다. 연구에 따르면 탄산칼슘을 첨가하면 PP의 충격 강도는 증가하지만 인장 강도는 감소합니다. 경질 탄산칼슘은 충격 강도와 항복 강도를 모두 향상시킬 수 있으며, 스테아르산 처리된 PCC는 더 나은 결과를 보입니다. 티타네이트 커플링제로 처리된 탄산칼슘은 PP의 충격 강도를 크게 향상시킵니다.
나노 크기의 탄산칼슘이 등장하면서, 나노-CaCO₃가 미크론 크기의 탄산칼슘보다 더 우수한 인성 향상 효과를 나타내며 PP의 강도를 동시에 향상시킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 연구에 따르면 나노-CaCO₃의 형태는 복합재의 기계적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 입방형 나노-CaCO₃는 충격 성능을 향상시키고, 섬유형 나노-CaCO₃는 인장 특성을 향상시킵니다. 또한 나노-CaCO₃는 PP 구정(spherulite)을 미세화하고 β-결정 형성을 촉진합니다.
유리 미세구체
유리 미세구는 고체 및 중공 형태를 포함한 새로운 유형의 규산염 물질입니다. 일반적으로 입자 크기가 0.5~5mm인 유리 비드를 미세 비드라고 하며, 0.4mm 미만의 유리 비드를 마이크로비드라고 합니다. 마이크로비드는 플라이애시에서 추출한 경량 구형 입자인 플라이애시 유리 미세구와 같은 다양한 원료에서 추출됩니다. 주성분은 이산화규소와 다양한 금속 산화물입니다. 플라이애시 유리 미세구는 고온 내성과 낮은 열전도도와 같은 장점을 제공합니다. 플라스틱의 충전제로 사용되면 내마모성, 내압축성, 난연성이 향상됩니다. 독특한 구형은 가공 유동성을 향상시키고, 매끄러운 표면은 제품 광택을 높이고 먼지 부착을 줄여줍니다.
유리 미세구는 PP 강화 및 인성 강화에 널리 사용됩니다. 연구에 따르면 유리 미세구의 함량이 증가함에 따라 일축 및 이축 압출 PP/유리 미세구 복합재의 인장 탄성률, 굽힘 강도, 탄성 계수는 선형적으로 증가하는 반면, 항복 강도는 약간 감소합니다. 파괴 변형률은 함량이 낮을 때는 향상되지만 함량이 높을수록 급격히 감소합니다. 일축 및 이축 압출 재료의 충격 강도는 유리 미세구 함량이 일정 범위 내에서 증가함에 따라 향상됩니다. 일축 압출 재료의 충격 강도는 이축 압출 재료보다 약간 높습니다. 유리 미세구의 입자 크기는 PP/유리 미세구 복합재의 인성에 상당한 영향을 미칩니다.
규산염 광물
가장 널리 사용되고 연구된 규산염 광물로는 활석, 몬모릴로나이트(MMT), 규회석이 있으며, 아타풀자이트와 제올라이트도 상당한 주목을 받고 있습니다.
활석과 MMT는 층상 규산염 광물입니다. 활석은 판상 구조를 가진 마그네슘 규산염 광물입니다. 일반적으로 입자가 미세할수록 분산성이 향상되어 재료의 열 변형 온도와 표면 평활성이 향상됩니다. MMT는 층간 간격이 더 넓으며, 층간 삽입법을 통한 PP 복합재 제조에 자주 사용됩니다. MMT는 PP 매트릭스 내에 잘 삽입된 구조를 형성하여 내충격성과 치수 안정성을 향상시킵니다.
아타풀자이트(ATP)는 사슬층 구조의 규산염입니다. 천연 1차원 나노소재 규산염 광물이며, 기본 구조 단위는 바늘 모양 또는 짧은 섬유질 단결정입니다. ATP는 미크론 필러 및 나노 강화재 수준에서 폴리프로필렌과 복합화되어 재료의 기계적 특성을 향상시킵니다. 이 새로운 유형의 짧은 점토 섬유는 일반 유리 섬유 강화 수지의 단점인 유동성 저하, 거친 외관, 가공 장비의 심각한 마모를 극복하여 개발 가치가 매우 높습니다.
규회석은 단일 사슬 규산염 광물로, 일반적으로 판상, 방사상 또는 섬유상 응집체로 나타납니다. 연구에 따르면 규회석으로 충전된 플라스틱은 기계적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 유리 섬유를 대체하여 비용을 절감할 수 있습니다. 그러나 충전제 함량이 증가함에 따라 복합재의 경도가 상승하여 가공 장비의 마모가 심화됩니다.
제올라이트는 골격 규산염 광물입니다. 풍부한 기공 구조는 기능성 입자를 흡착하거나 담지할 수 있게 하여 고기능성 폴리프로필렌 복합재의 제조를 가능하게 하고 제품 가치를 향상시킵니다. 따라서 PP/제올라이트 기능성 복합재 개발은 큰 잠재력을 가지고 있으며 현재 연구의 핵심 분야로 자리 잡고 있습니다.
이산화티타늄
이산화티타늄의 화학적 조성은 TiO₂입니다. 결정 형태에 따라 루틸 또는 아나타스 형태가 될 수 있습니다. 루틸은 가장 안정적인 결정 형태로, 치밀한 구조를 가지고 있으며 아나타스보다 경도, 내후성, 그리고 백화 방지 특성이 우수합니다. 대기 중 다양한 화학 물질에 안정적이며, 물에 불용성이며, 내열성이 우수합니다. 이산화티타늄을 첨가하면 제품의 백색도가 향상될 뿐만 아니라 자외선 손상을 줄여 폴리프로필렌의 내광노화성을 향상시킵니다. 또한 제품의 강성, 경도, 내마모성을 향상시킵니다. 그러나 PP 및 PA와 같은 결정질 재료와의 상용성이 낮아 상용성 개질이 필요합니다.
에픽 파우더
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