자연에는 수많은 탄산칼슘 기반 물질이 우수한 기계적 특성을 나타냅니다. 탄산칼슘은 단순한 조성을 유지하며 과학자들의 폭넓은 관심을 받고 있습니다. 탄산칼슘의 핵 생성 및 성장 메커니즘에 대한 심층 연구를 통해 생광물화 제어가 가능해졌습니다. 이 물질은 방오, 스케일 방지, 자가 세척, 유수 분리 등 다양한 분야에 적용될 수 있습니다.
초소수성 표면은 고유한 특성으로 인해 방수, 김서림 방지, 자가 세척, 내식성, 결빙 방지 및 항력 감소 등 다양한 용도로 활용됩니다. 그러나 저비용, 저독성, 적용 용이성, 내구성이 뛰어난 초소수성 코팅의 대량 생산은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다.
수많은 연구에 따르면 낮은 표면 에너지와 거친 구조가 초소수성 성능에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 이는 탄산칼슘 개질 기술의 핵심 연구 분야입니다. 간단히 말해, 탄산칼슘 개질은 분산을 유지하면서 표면 에너지를 감소시키고, 접촉각을 증가시키며, 소수성을 확보하는 것을 목표로 합니다.
기능성 코팅에 더 적합한 탄산칼슘 유형은 무엇인가요? 어떻게 수정해야 하나요? 실제 효과는 무엇인가요?
Gu Weile과 동료들은 두 가지 서로 다른 결정 형태의 탄산칼슘 분말을 합성했습니다. 이 분말들을 저표면에너지 폴리디메틸실록산(PDMS)과 혼합하고 분무 코팅하여 초소수성 코팅을 만들었습니다. 이후 이 코팅들의 자가 세척 능력과 내충격성을 시험했습니다.
실험 결과, 5% 스테아르산나트륨(NaSt) 또는 5% 올레산나트륨(NaOL)을 계면활성제로 사용했을 때 최적의 개질 효과와 최상의 소수성을 달성하는 것으로 나타났습니다. 구체적으로, 5% 스테아르산나트륨으로 개질된 아라고나이트형 탄산칼슘의 접촉각은 127.5°였고, 5% 올레산나트륨으로 개질된 방해석형 탄산칼슘의 접촉각은 115.4°였습니다.
추가 연구에서는 다양한 결정 형태의 탄산칼슘이 코팅의 소수성 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 방해석 기반 및 아라고나이트 기반 탄산칼슘 코팅의 접촉각은 각각 151.4°와 153.2°로 나타났습니다.
마지막으로, 초소수성 코팅의 자정 및 내충격성을 조사했습니다. 그 결과, 500mL 물방울 충격 시험 후에도 두 결정형 모두 접촉각이 140° 이상으로 유지되어 우수한 소수성을 유지했습니다.
Cheng Yuan 외 연구진은 탄산칼슘 위스커(CCW)와 나노 탄산칼슘(CCNP)을 필러로 사용하여 초소수성 코팅을 제조했습니다. 분말 표면 개질, 코팅 제형, 그리고 도포 기법을 최적화했습니다. 코팅 시공에 일반적으로 사용되는 "프라이머-탑코트" 방식과 연마 방법을 채택했습니다. 연구 결과, 15회 마찰 후 코팅의 접촉각은 153.88°, 롤링각은 9.20°로, 우수한 자가 세척 특성과 인공 보수성을 나타냈습니다.
어떤 기질에 탄산칼슘 기능성 코팅을 적용할 수 있나요?
섬유
폴리아미드 폐섬유 기반 습식 코팅 기술은 상표 리본과 같은 코팅된 섬유 제품을 생산하는 주요 방법입니다. 또한 폴리아미드 섬유를 물리적으로 재활용하는 중요한 방법이기도 합니다. 낮은 생산 비용과 우수한 제품 성능과 같은 장점을 제공합니다. 저렴하고 무독성이며 환경 친화적인 무기 분말인 탄산칼슘은 폴리아미드 폐섬유의 습식 코팅 공정에서 충전제로 널리 사용됩니다. 탄산칼슘은 상표 리본의 코팅 표면 두께, 백색도, 그리고 강도를 향상시킵니다.
레이펑페이(Lei Pengfei) 등은 현장 올레산(in-situ oleic acid) 방법을 이용하여 코팅 필러로 탄산칼슘을 합성하고 이를 폴리아미드 습식 코팅에 적용했습니다. 그 결과, 코팅막의 접촉각이 8.29° 감소하고, 코팅된 직물의 잉크 자국 길이가 10.42mm 감소했으며, 직물의 pH 값이 7.27로 낮아져 잉크 흡수율이 향상되고 pH가 섬유 안전 기준에 더욱 부합하는 것으로 나타났습니다.
Jiang Jikang 등은 합성 개질제 DOPO를 접목하여 탄산칼슘을 개질하여 폴리아미드 코팅에 균일하게 분산시키는 방법을 개발했습니다. 코팅은 투명하고 다공성 구조와 부드러운 질감을 나타냈습니다. 습한 환경에서도 코팅된 직물은 pH 7.02를 유지하여 환경 기준을 충족했습니다. 잉크 흡수 시간은 89초였으며, 잉크 마크 길이는 53.4mm였습니다. 인쇄된 바코드는 선명하고 깨지지 않아 A등급을 받았습니다.
Chen Zhijie 외 연구진은 실리콘-인계 난연제 커플링제를 표면 그래프팅하여 탄산칼슘을 개질하여 분산성을 향상시키고 난연성을 부여했습니다. 이 방법을 통해 직물에 매끄럽고 얇으며 다공성인 폴리아미드 코팅을 성공적으로 형성했습니다. 이 연구는 개질된 탄산칼슘이 우수한 친유성을 나타내며, 폴리아미드 6 코팅 직물이 상당한 난연 효과를 나타냄을 보여주었습니다.
콘크리트
표면 코팅 기술은 콘크리트의 내구성을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 방수, 방빙, 자가 세척 기능을 갖춘 초소수성 코팅은 오늘날 가장 활발하게 연구되는 주제 중 하나입니다.
Xu Huafeng 외 연구진은 폴리도파민을 사용하여 콘크리트 표면에 탄산칼슘 광물화를 유도하는 동시에, 현장에서 은 이온을 나노실버로 환원시켜 마이크로-나노 복합 조면 구조를 형성했습니다. 이후, 표면을 저표면에너지 실란으로 개질하여 기능화된 생체모방 초소수성 탄산칼슘 코팅을 얻었습니다. 그 결과, 복합 코팅된 샘플의 수분 흡수율은 일반 환경에서는 90.3%, 모의 해수 환경에서는 93.44% 감소하여 우수한 방수 및 침투 저항성을 보였습니다. 사포에 5m의 반복 마찰 후, 코팅의 접촉각은 140° 이상을 유지했으며, 6.87% 감소에 그쳐 우수한 내마모성을 나타냈습니다.
실외 사암 건물의 부식 방지 및 얼룩 방지 성능을 향상시키기 위해, Wen Yaping 외 연구진은 액상 반응을 이용하여 지방산을 소수성 개질제로 사용하여 탄산칼슘 기반 지방산 개질 코팅을 합성했습니다. 이 연구에 따르면, 스테아르산으로 개질된 바테라이트 탄산칼슘은 평균 결정립 크기가 더 크고(31nm), 사암 표면 거칠기를 크게 변화시켰으며, 119°의 소수성 각도를 달성하고, 얼룩 방지 등급 5를 달성했으며, 수분 흡수율을 1.0%로 감소시켰습니다. 사암 샘플에 처리되지 않은 코팅과 비교했을 때, 이 방법은 사암 표면의 얼룩 방지 성능을 효과적으로 향상시켰습니다.
유리
Yuan Zhiqing 외 연구진은 폴리디메틸실록산(PDMS)/CaCO₃를 기반으로 초소수성 코팅을 제조하는 간단한 방법을 개발했습니다. 이 코팅은 크라프트지, 유리 슬라이드, 구리판 등 다양한 기판에 적용 가능했습니다. 유리 기판에 도포하고 실온에서 건조했을 때, 코팅은 160°의 접촉각을 달성했으며, 슬라이딩 각은 3° 미만이었습니다. 전단 시험 결과, 초소수성 P3 코팅은 높은 기계적 전단 저항성과 접착력을 나타내 안정적인 초소수성 표면을 보장했습니다. 실외 실험 결과, 실리콘 수지와 스테아르산으로 개질된 탄산칼슘을 사용하여 제조된 자가세정 코팅은 유리 패널의 투명도를 85% 이상 유지하고, 약 110°의 접촉각을 달성했으며, 효과적인 김서림 방지 특성을 유지하는 것으로 나타났습니다. 4개월간 실외 노출 후에도 코팅의 자가세정 기능은 거의 그대로 유지되었습니다.
금속
벽 패널 재료의 자가 세척 거동은 중요한 관심 분야가 되었으며, 일반적으로 소수성 표면을 구축함으로써 달성됩니다. Liu Changyang 등은 마그네슘-네오디뮴 합금 표면에 20마이크론 두께의 균일한 탄산칼슘 막을 증착하여 염화물을 함유한 모의 콘크리트 기공 용액에서 합금의 내식성을 향상시켰습니다. 코팅된 샘플을 퍼플루오로데실트리에톡시실란을 사용하여 화학적으로 추가로 개질함으로써 표면에 자가 세척 기능을 부여했습니다.
결론
탄산칼슘 기능성 코팅은 포장재, 식기류, 건축 자재, 환경 보호재, 섬유, 코팅, 의약품 등 다양한 분야에 적용되어 왔습니다. 기업들이 비용 절감과 효율성 향상을 추구함에 따라, 탄산칼슘 기능성 코팅에 대한 수요는 증가할 것으로 예상되며, 적용 기술 또한 점점 더 정교해질 것입니다.
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