고전단 분산에서 재료 안정성을 유지하는 핵심 과제는 물리적 작용 메커니즘과 재료 특성 간의 상호작용에 있습니다. 이는 구체적으로 다음과 같이 나타납니다.
1. 기계적 응력에 의한 입자 표면 에너지 변화
고전단 분산 과정에서 입자는 스테이터-로터 간극에서 강한 전단력, 충격, 그리고 원심력에 의한 압출을 겪으며 표면 에너지를 증가시킵니다. 응집체는 빠르게 분해될 수 있지만, 표면 에너지가 높은 입자는 반데르발스 힘에 의해 재흡착되기 쉬워 2차 응집을 유발합니다. 예를 들어, HDPE 매트릭스에 분산된 나노 탄산칼슘은 처음에는 잘 분산되지만, 표면 활성이 증가하면 보관 중에 응집이 발생합니다.
2. 분산제 고장 또는 상변화로 이어지는 열 효과
고전단 공정에서 마찰로 인해 발생하는 열은 50°C를 초과할 수 있으며, 특히 고정자-회전자 간 간격이 작을 경우 더욱 그렇습니다. 고온은 분산제 분자의 흡착층을 파괴할 수 있습니다. 예를 들어, 폴리에스터 분산제는 열에 의해 탈착되거나 분해되어 안정화 효과를 잃을 수 있습니다. 또한, 고분자 폴리머와 같은 열에 민감한 물질은 가교되거나 분해되어 시스템의 유동 특성을 변화시킬 수 있습니다.
3. 분산제의 불균일한 분포 및 동적 평형의 파괴
고속 교반은 분산제의 불균일한 분포를 초래할 수 있습니다. 고분자 분산제는 전단력 하에서 사슬이 끊어져 안정화 효과를 잃을 수 있습니다. 과도한 농도는 응집을 촉진하는 "가교 효과"를 유발할 수 있습니다. 장비가 정지하면 전단력에 의한 동적 평형이 깨져 브라운 운동을 통해 입자 이동 및 응집이 발생합니다.
4. 입자 형태 및 계면 특성의 비가역적 변화
높은 전단력은 입자를 손상시켜 표면 거칠기를 증가시키거나 결정 형태를 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 높은 전단력으로 분쇄된 탈크 안료는 가장자리에 균열이 발생하여 표면적이 증가하고 불순물 흡착이 가속화됩니다. 실리콘 오일 기반 분산 매질 또한 여러 번 전단하면 점탄성을 잃어 입자를 감싸는 능력이 감소합니다.
5. 공정 매개변수 및 장비 설계의 한계
스테이터-로터 간극, 회전 속도, 그리고 전단 시간은 분산에 직접적인 영향을 미칩니다. 간극이 너무 작거나 속도가 너무 빠르면 입자가 빠르게 미세화될 수 있습니다. 그러나 전단 속도가 임계값을 초과하면 난류 영역에서 입자 충돌 가능성이 높아질 수 있습니다. 예를 들어, 폴리프로필렌/폴리스티렌 블렌드가 720 rpm을 초과하면 과도한 전단은 계면 결합 강도를 약화시켜 충격 인성을 감소시킵니다.
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