R101A 폴리올 개질 유기실리콘: 이산화티타늄 유기 코팅제의 3세대

이산화티타늄(티타늄화이트)의 유기 피복제는 NPG, TMP, TME에서 출발해 실리콘을 거쳐 폴리올 변성 실리콘으로 발전해 왔습니다. 이 글에서는 매뉴얼의 실측 데이터로 TMP, 7020, R101A 세 세대를 나란히 비교하여, 각 세대가 무엇을 해결하고 무엇을 남겼는지 확인합니다.

루틸형 이산화티타늄에 유기 피복이 반드시 필요한 이유

1

루틸형 이산화티타늄은 고급 백색 안료로서 이산화티타늄 함량, pH 값, 저항률, 입경, 수분, 루틸 함량 등의 이화학적 지표와, 내후성, 소색력, 백도, 은폐력, 명도 등의 안료 성능 지표에 대해 구체적이고 엄격한 요구 사항이 있습니다.

그러나 이러한 지표 외의 가공 성능은 그 비중이 점점 높아지고 있습니다. 우수한 안료 지표와 가공 성능을 함께 얻으려면 반드시 이산화티타늄에 피복 처리를 해야 합니다.

피복은 두 단계로 나뉩니다. 일반적으로 먼저 무기 피복(티타늄, 규소, 알루미늄 등)을 하고, 이어서 유기 피복을 합니다.

무기 피복은 안료 지표에 치우치고, 유기 피복은 응용 가공 성능 지표에 치우치며, 둘은 서로 겹치면서 상호 보완합니다.

이것이 전문의 골격입니다. 뒤에 나오는 모든 비교는 이 분업의 틀 안에서 일어나는 일입니다.

1세대의 문제: 내고온성이 약하고 기포가 생긴다

초기의 유기 피복제는 주로 NPG(네오펜틸글리콜), TMP(트리메틸올프로판), TME(트리메틸올에탄)처럼 히드록시기를 가지거나 가수분해 후 히드록시기를 생성하는 알코올류 또는 알칸류 유기물이었습니다.

이들의 공통 메커니즘은 친수성 극성기가 이산화티타늄 표면에 물리 흡착되고, 친유성 비극성기가 바깥쪽으로 유기 분산 매체와 작용하여 습윤 성능을 높이는 것입니다.

문제도 분명합니다. 내고온성이 약하고, 사용 과정에서 황변과 기포 같은 결함이 나타나기 쉽습니다.

구체적인 상황은 두 가지입니다.

• TMP는 플라스틱 용도에서 황변을 일으킵니다
• TMP는 펄프에 적용하면 다량의 기포 등 결함을 유발합니다

반면 범용 루틸형 이산화티타늄은 세 가지 시스템을 동시에 고려해야 합니다. 일반 수성 시스템(제지, 도료), 일반 유성 시스템(페인트, 잉크), 그리고 고온 시스템(고무·플라스틱과 마스터배치)입니다.

TMP는 한쪽을 챙기면 다른 쪽을 챙기지 못합니다. 이산화티타늄 생산 기업에는 더 나은 성능의 유기 피복제가 필요했습니다. 이것이 2세대와 3세대가 해결해야 할 과제입니다.

2세대: 실리콘, 그리고 남겨진 과제

1980년대 초부터 해외 이산화티타늄 기업들이 실리콘 피복제를 사용한 유기 피복을 도입하기 시작했습니다.

실리콘 피복 처리한 이산화티타늄은 각종 매체에서의 상용성을 크게 개선하고, 소색력과 백도를 높이며, 광택도와 내후성을 증가시키고, 흡유량을 낮추며, 각종 수지 및 플라스틱 매체와의 결합력을 높입니다. 내온 성능이 뛰어나고(300℃ 초과), 사용량이 적으며 취급이 편리합니다.

그러나 치명적인 단점이 하나 있습니다. 분산되기 어렵고 응집 현상을 일으키기 쉽습니다.

바로 여기에 그 과제가 있습니다. 실리콘은 내온성과 범용성을 끌어올렸지만 분산성은 문 밖에 남겨 두었습니다.

3세대: R101A, 폴리올 변성 실리콘

R101A의 방식은 폴리올의 뛰어난 분산 성능을 실리콘 피복제의 보조 재료로 활용하여, 최종적으로 폴리올 변성 실리콘 피복제를 합성한 것입니다.

이 제품은 폴리올 변성 실리콘 에멀션에 속하며, 주성분은 활성 히드록시기를 함유한 폴리실록산과 활성 에테르기를 함유한 폴리실록산, 고분자량 폴리올입니다. 분자는 규소 원자를 중심으로 히드록시기, 에테르기, 알코올기 등의 기를 지닌 유기 고분자입니다.

네 가지 구조적 특성

① Si 원자 위의 충분한 메틸기가 고에너지 폴리실록산 주사슬을 차폐합니다.

② C-Si-Na 결합은 극성이 없어 분자 간 상호작용력이 매우 약합니다.

③ Si-O-OH 결합 길이가 길고 Si-O-OH-O-Si 결합의 결합각이 커서 Si-O-OH 결합이 매우 쉽게 회전합니다. 따라서 R101A는 윤활성, 유동성, 내후성, 내마모성이 우수합니다.

④ Si-O-OH 결합은 75%의 이온 결합 특성을 지닌 공유 결합입니다(공유 결합은 방향성을 가지며, 이온 결합은 방향성이 없습니다). Si-O-OH 결합의 결합 에너지는 C-O 결합의 결합 에너지보다 훨씬 크므로, R101A는 전통적인 유기물에 비해 내열성과 내후성이 매우 우수합니다.

④항은 내온성의 분자적 근거이고, ③항은 윤활성의 원천입니다. 두 성능은 나란히 놓인 우연이 아니라 같은 구조의 두 면입니다.

피복 메커니즘: 물리 흡착만이 아니다

전통적인 유기 피복제(NPG, TMP, TME)는 주로 물리 흡착에 의존합니다. R101A는 이 경로를 따르지 않습니다.

전통적인 유기 피복제(예: NPG, TMP, TME)는 그중 친수성 극성기가 이산화티타늄 표면에 물리 흡착되고, 친유성 비극성기가 바깥쪽으로 유기 분산 매체와 작용하여 분산 매체와의 습윤 성능을 높입니다. 반면 R101A는 주로 폴리올 변성 실리콘 고분자 중의 실록산기와 이산화티타늄 사이의 수소 결합 화학 흡착, 그리고 폴리올 변성 실리콘 분자 위의 히드록시기/에테르기와 이산화티타늄 표면의 히드록시기 사이의 화학 축합 반응 또는 치환 반응을 통해, 이산화티타늄 표면에 매우 균일하고 치밀하며 견고한 폴리올 변성 실리콘 막층을 형성합니다.

이 막층은 세 가지 일을 합니다.

• 이산화티타늄 입자 간의 극성 흡착을 제거하거나 약화합니다
• 이산화티타늄 입자 사이에 입체장해 관능기를 형성하여 응집을 방지합니다
• 윤활성, 내후성, 열안정성 및 후속 반응성이 우수합니다

그 결과는 각종 분산 매체에서 이산화티타늄의 습윤·분산 성능을 뚜렷하게 높이고, 이산화티타늄의 광학 안정성을 증가시키는 것입니다.

세 세대 비교: TMP vs 7020 vs R101A

매뉴얼이 제시한 비교표입니다.

각 제조사의 검사 체계와 평가 기준에는 차이가 있으므로, 본 실험 결과는 참고용일 뿐이며 당사는 어떠한 약속이나 보증도 하지 않습니다. 사용하는 제조사는 자사의 요구 사항에 부합하는지 검증할 책임이 있습니다.

항목별로 보겠습니다.

소색력은 1860에서 2013으로 8.2% 향상되었습니다.

분산성은 4.5에서 6.50으로 상대 증가율 44.4%로 세 항목 중 가장 높습니다. 그리고 분산성은 바로 매뉴얼이 2세대 실리콘의 「분산되기 어렵고 응집되기 쉽다」고 지적한 그 약점입니다.

흡유량은 19.09에서 16.30으로 14.6% 감소했습니다. 매뉴얼의 이 항목 표현은 「흡유량을 낮춘다」입니다.

네 항목(소색력, 분산성, 흡유량, 명도)에서 최적이며, 내황변성은 7020과 동일합니다.

카본블랙에서 한 번 더 검증

본문에서 이동카본으로 바꿔 재검증: Z111에 R101A 첨가 전후 8개 지표 (원문)

파라미터	이산화티타늄 버전	카본블랙 버전
외관	백색 액체	백색 페이스트상 액체
불휘발분	23%	99.9%
비중 g/mL	0.99	1.03
pH	6.8–7	6.8–7
희석제	물	물
사용량(분체 중량 기준)	0.1–3%	0.1–3%

2

같은 R101A를 고착색 카본블랙 Z111에 적용하면 다음과 같습니다.

카본블랙에서 한 번 더 검…

지표	Z111	Z111 + R101A
흑도(≤)	16	15
착색력(%≥)	125	130
흡유량(ml/g)	1.05	0.98
휘발분(% 950℃)	8.0	8.3
수분(%≤)	5	4.5
PH	3.0	3.0
유동성(35℃)	22	28
체잔분 10⁻⁶	50	20

착색력 125 → 130, 흡유량 1.05 → 0.98, 유동성 22 → 28, 체잔분 50 → 20.

체잔분은 50에서 20으로 줄어 원래의 4할 수준이 되었습니다.

흑도가 클수록 카본블랙의 착색력이 높다

사용법: 습식 피복 6단계

실험실 설비 조건의 제약으로 건식 피복은 균일하게 분산시키기 어려우므로, 매뉴얼은 습식 피복을 권장합니다.

이산화티타늄 200 g을 처리하고 첨가 비율 0.5%로 하는 경우를 예로 들면 다음과 같습니다.

1. 01기계 교반 장치가 있는 유리 비커에 적당량의 순수를 넣고(순수량은 약 20～50 mL, 이산화티타늄을 완전히 적셔 균일하게 슬러리화할 수 있는 양을 기준으로 함) 교반을 시작합니다
2. 02R101A 폴리올 변성 실리콘 피복제 1 g을 취하여 비커에 넣습니다
3. 03처리할 이산화티타늄 200 g을 비커에 천천히 넣고 30 min 슬러리화합니다
4. 04교반을 멈추고 비커 안의 이산화티타늄을 시계접시에 옮겨 깨끗한 여과지로 덮은 뒤, 배기 장치와 항온 장치가 있는 건조기에 넣고 105℃에서 약 6～8 h 건조하여 완전히 마를 때까지 둡니다
5. 05건조된 이산화티타늄을 꺼내 소형 기류 분쇄기로 분쇄합니다
6. 06이산화티타늄 관련 안료 지표(예: 분산성, 흡유량)와 응용 지표(내온성, 건분 유동성)를 측정합니다

생산 라인에서 바로 쓸 수 있는 두 가지 첨가 방법

슬러리법: 루틸형 이산화티타늄 조품의 균질기 또는 혼합 탱크에 R101A 슬러리를 직접 투입하여 충분히 균일하게 피복한 후 기류 분쇄합니다.

기류 분쇄 동시 투입법: R101A를 기류 분쇄 공정에서 비율에 따라 스크루 공급 시 직접 첨가하거나, 기류 분쇄실 내에 분무하여 첨가합니다.

카본블랙 공장의 수냉법: 착색용 카본블랙 제조사는 2차 냉각수에 직접 첨가하여(물 : R101A = 5 : 1) 분무 피복할 수 있으며, 원래의 1차 입자경을 잘 유지하고 후속 응용의 분산 성능을 높이며 카본블랙의 흡유량을 낮춥니다.

지표와 사용량

R101A는 이산화티타늄에만 쓰이지 않습니다. 산화 카본블랙, 카본블랙, 탄산칼슘, 탈크, 리토폰, 황산바륨, 황산나트륨, 유기 또는 무기 안료 등 분체 계열의 활성화 분산 피복에 모두 사용할 수 있습니다. 주된 작용은 내산화성, 내온성, 소재와의 유기 상용성, 분산성 및 응집 저항성을 높이는 것입니다.

한 가지 면책과 세 가지 유의 사항

면책: 각 제조사의 검사 체계와 평가 기준에는 차이가 있으므로, 본 실험 결과는 참고용일 뿐이며 어떠한 약속이나 보증도 하지 않습니다. 사용하는 제조사는 자사의 요구 사항에 부합하는지 검증할 책임이 있습니다.

유의 1: 범용성은 공짜가 아닙니다. R101A는 하나의 브랜드로 전면 범용, 즉 수성, 유성, 고온 시스템을 모두 커버한다고 표방합니다. 그러나 「범용」은 피복제 자체의 상용성이 넓다는 뜻이지, 모든 분체에 대해 최적이라는 뜻은 아닙니다. 분체마다 여전히 흡유량과 입도에 맞추어 사용량을 조정해야 합니다.

유의 3: 습식법의 전제 조건을 빠뜨리지 마십시오. 매뉴얼이 습식법을 권장한 원래 이유는 「실험실 설비 조건의 제약」입니다. 이는 실험 조건에서의 판단입니다. 실제 생산 라인에 적용할 때 슬러리화 30분, 건조 6–8시간, 기류 분쇄 이 세 단계가 매뉴얼이 제시한 공정 흐름입니다.

자주 묻는 질문

질문: 왜 반드시 습식법이어야 하며, 건식법으로는 안 됩니까? 답변: 매뉴얼의 원문은 「실험실 설비 조건의 제약으로 건식 피복은 균일하게 분산시키기 어려우므로, 습식 피복을 권장합니다」입니다. 제약을 받는 것은 실험실 설비 조건이며, 건식법 자체가 불가능한 것은 아닙니다.

질문: 사용량 0.1%–3%의 분모는 무엇입니까? 답변: 분체 중량을 기준으로 합니다. 매뉴얼에는 「사용량 0.1-3%(분체 중량 기준)」이라고 적혀 있고, 다른 곳에는 「R101A의 이산화티타늄 중 첨가량은 0.1%-3%」라고도 명시되어 있습니다.

질문: 분산성 6.50의 단위는 무엇입니까? 답변: 매뉴얼에는 단위가 표기되어 있지 않습니다. 4.5 / 5.3 / 6.50은 동일한 평가 체계 아래의 상대적 등급값이므로 가로로 비교할 수만 있고, 절대값으로 사용할 수는 없습니다.

질문: 이 피복제는 이산화티타늄에만 사용할 수 있습니까? 답변: 그렇지 않습니다. 매뉴얼은 상하이 자오화 고착색 카본블랙 Z111로 검증했으며(200 g, 첨가 비율 0.5%), 카본블랙 버전의 흑도, 착색력, 흡유량, 체잔분 등 지표에 모두 대응하는 데이터가 있습니다.

한 줄 요약