분산제는 정확히 무엇을 하는가: "분체"를 "쓸 수 있는 것"으로 만드는 세 가지 공정

분체를 수지에 넣는다고 해서 저절로 흩어지지는 않는다. 안료 입자는 본래 응집되려는 성향을 타고난다. 1차 입자는 합성, 여과, 압축, 건조, 운반의 매 단계마다 다시 뭉치려 하고, 이를 용융물에 붓게 되면 계면 장력이 입자끼리 밀어내게 만든다. 그 결과 같은 포대의 분체라도 플라스틱에 원래 상태 그대로 넣었을 때와 처리된 상태로 넣었을 때 나오는 제품은 같은 것이 아니다.

분산제가 바로 이 일을 관리한다. 매뉴얼이 초분산제에 대해 내리는 정의는 고체 또는 액체 물질의 분산 성능을 향상·개선하는 조제라는 것이다. 매뉴얼 같은 면에는 이것이 효력을 발휘하는 이유도 적혀 있다. 물에 녹지 않는 유성 액체는 고전단 교반 하에서 아주 작은 액적으로 분산되지만 교반을 멈추면 계면 장력에 의해 금세 층을 이루고, 초분산제를 넣고 교반하면 안정한 유탁액을 형성한다. 그 주된 작용은 액-액 및 고-액 계면 장력을 낮추는 것이므로, 초분산제는 곧 계면활성제이기도 하다. 본문에서 다루는 것은 바로 이 범주이다. 매뉴얼의 실례는 주로 R1800-S(고무·플라스틱용 초분산제)와 R1800-SK(백색 마스터배치용)이다. 정의 한 마디 같지만, 사실 이 문장 이면에는 일련의 분업이 숨어 있다.

초분산제는 유형별로 여섯 가지로 분류된다

매뉴얼에 기재된 종류에는 음이온형, 양이온형, 비이온형, 양쪽성형, 고분자형, 초분산형이 있으며, 그중 음이온형이 가장 많이 쓰인다(매뉴얼은 이 분류의 근거 차원을 밝히지 않았다). R1800-S를 예로 들면 그 이화학 지표는 밀도 1.190g/cm³, 점도 980-3600mPa·s, 인화점 285℃, 아민가 ≤ 9mgKOH/g, 분산도 III이다. R1800-S와 R1800-SK의 첨가 함량란에는 모두 "플라스틱 최종 제품의 0.5%–1%"라고 적혀 있고, 이 중 R1800-S에는 분체 메시 수에 맞춰 적용하는 대조표가 별도로 첨부되어 있다(뒤에서 설명). 매뉴얼은 R1800-SH 항목에서 이 기준을 제시하지 않았다.

이 여섯 이름을 보면 분류 근거가 이온 속성과 구조 차이를 가리키는 듯하나, 매뉴얼은 각각의 분자 특성을 일일이 설명하지 않았다. 사용자에게 더 실용적인 것은 다른 차원, 즉 어느 시점에 작용하며 어느 공정 단계에서 효력을 발휘하는가이다. 같은 조제라도 분체 처리 단계에서 일을 끝내는 경우도 있고, 압출 시 전단에 의해 완성되는 경우도 있다. 이를 분명히 구별해야 어느 단계에 넣어야 할지 알 수 있다.

다만 매뉴얼은 이 여섯 분류의 명칭과 "음이온형이 가장 많이 쓰인다"는 한 문장만을 제시했을 뿐, 음이온형·양이온형·비이온형·양쪽성형·고분자형(이미 상술한 초분산형 제외) 각각의 분자 구조와 작용 기구는 매뉴얼에 제시되지 않았으므로, 본문에서 임의로 보충하지 않는다.

초분산제의 두 단계 구조: 앵커링 + 용매화

매뉴얼이 R1800-S 초분산제에 대해 내린 설명은 다음과 같다. 매뉴얼의 원문: 피막제와 분산제를 정밀한 배합비로 고온·고압 조건에서 생산한 특수한 고분자형 다기능 습윤 피막형 분산 조제이며, 분자 구조는 두 부분으로 나뉜다. 한 부분은 앵커 기(앵커링 기)이고, 다른 부분은 용매화 사슬이다.

이 두 부분은 각각 한쪽을 담당한다.

• 앵커 기는 안료 및 분체 표면에 단단히 흡착된다. R1800-SK를 예로 들면 매뉴얼은 이렇게 적고 있다. 이들 극성 기(-COOH)는 이온 결합, 수소 결합, 반데르발스력 등의 작용으로 안료 표면에 꽉 흡착되어 R1800-SK의 탈착을 방지한다.
• 용매화 사슬은 분산 매질에 신속히 용해되며 분산 매질과 우수한 상용성을 가진다. (이 문장은 매뉴얼의 R1800-S 항목에 적혀 있다. R1800-SK의 이론 해석에서는 같은 용어가 「용화 사슬(분산)」로 표기되며, 이 부분이 분산 후 안료의 용매 중 안정성을 직접 결정한다고 명시되어 있다.)

그 결과 안료 입자 표면에 일정 두께의 피막층이 형성되고, 용매화 사슬은 분산제 내에서 비교적 펼쳐진 상태가 된다. 분산제가 흡착된 안료 입자끼리 가까워질 때, 흡착층의 반발 작용으로 입자가 서로 튕겨 나가면서 안료 입자의 매질 내 안정한 분산이 실현된다.

쉽게 풀이하자면 앵커링은 "제 자리에 선다"를, 용화는 "잘 섞여 든다"를 담당한다. 매뉴얼이 묘사한 상승 기구를 보면 두 단계 구조는 협력하여 작용해야 할 수도 있으나, 매뉴얼은 양자가 반드시 함께해야만 한다고 명시하지는 않았다.

세 가지 공정: 습윤 → 미세화 → 안정화

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매뉴얼이 분산 과정에 대해 나눈 단계는 세 가지이다. 습윤, 미세화(분산), 미세화 후 안정화(피막).

습윤

분산 매질이 먼저 분체 표면의 공기를 치환해야 한다. 분체는 건조하고 매질은 습하며, 계면 장력이 액체를 밀어내어 액적을 형성하므로 이때 분체는 여전히 "건조한" 상태이다. 이것이 분체가 미세할수록 흡유값이 높아져 유성 계열이 받아들이지 못하는 이유이다. 비표면적이 크다는 것은 습윤되어야 할 계면이 더 많다는 뜻이다. (매뉴얼에는 일반적 결론이 하나 더 있다. 보통 분체가 미세할수록 표면 광택도와 채도가 높아진다. 이는 피막 이후의 하류 효과를 다루므로 여기서는 배경으로만 둔다.)

미세화

전단으로 1차 입자 사이의 응집체를 부수는 단계이다. 이 단계는 주로 설비의 영역이다. 매뉴얼에는 각 설비 제조사의 압출기 스크류마다 가소화 능력과 분산 혼합 능력이 다르며, 2축 압출기와 1축 압출기의 가소화 능력에는 "매우 큰 차이"가 있다고 적혀 있다. 매뉴얼은 통일된 공정 변수표를 제시하지 않았으며, 용융물 온도가 너무 높거나 낮아도 분산이 나빠지므로 이 부분은 시험 가동으로 파악해야 한다.

안정화(피막)

부순 뒤 다시 뭉치지 않게 하는 단계이다. 매뉴얼은 다음과 같이 적고 있다. 분산제가 신속히 안료 및 분체 표면에 흡착하여 보호층(피막)을 형성하고, 안료 및 분체 입자를 둘러싸며, 동시에 안료 및 분체 입자의 격자 결함을 메워 안료 및 분체 표면의 응집되기 쉬운 활성점을 불활성화함으로써 안료 및 분체 입자의 추가 응집을 효과적으로 방지한다.

세 번째 단계는 가장 자주 간과되지만, 바로 이것이 분산제가 일반 활제와 구별되는 지점이다. 스테아르산, 폴리에틸렌 왁스 같은 소재도 분체가 "서로 달라붙지 않게" 할 수는 있으나, 그것이 하는 것은 포(감싸기)이다. 분체를 싸서 서로 가까워지지 못하게 할 뿐이다. 분체 자체가 매질 안에서 흩어지는지, 계면 장력이 낮아졌는지는 거들떠보지도 않는다. 매뉴얼의 원문은 본질적으로 분산성이 없다는 것이다. 이들로 처리한 분체는 일단 압축되거나 건조되면 다시 뭉치는 정도가 보통 여전히 심하다.

분산제는 어떻게 분체 거동을 바꾸는가

분체 처리 공정에서 매뉴얼은 다음과 같이 적고 있다. 초분산제와 안료 충전재 등 기타 소재를 처방에 따라 혼합하면, 초분산제가 분체와 결합할 때 분체를 습윤시키고 온도가 낮아지면 피막층을 형성하여 안료 충전재 분말의 응집을 방지한다.

분산 공정에서 매뉴얼이 기록한 바는 다음과 같다. 초분산제가 수지와 상용성이 우수하여, 피막 처리된 안료 충전재 분체를 주변 수지와 꽉 잡아 연결하고 외부에서 오는 전단력을 수지에 전달함으로써 안료와 충전재가 수지 중에 균일하게 분포되게 한다.

이 층이 초분산제와 일반 왁스류 조제를 가르는 분수령이며, 매뉴얼은 양자의 차이를 아주 명확히 적고 있다. 매뉴얼은 왁스류에 대해 이렇게 직설적으로 말한다. 스테아르산, 폴리에틸렌 왁스 같은 소재는 "본질적으로 분산성이 없으며", 이들이 말하는 분산은 분체를 감싸는 것에 불과하다. 초분산제가 의지하는 것은 구조, 즉 앵커링과 용화로 입자끼리 거리를 유지하는 동시에 입자와 수지 사이에 상용성 연결을 만드는 것이다.

매뉴얼에는 또 쉽게 놓치는 하류 효과 하나를 적고 있다. 분체 표면에 피막층이 있으면 흡유값과 마찰 계수가 크게 낮아지는 반면, 보통 분체가 미세할수록 표면 광택도와 채도가 높아진다.

핵심 지표: 커버력, 착색력, 분산성

분산을 잘했는지는 "응집이 있는가 없는가"만 보고 판단할 수 없으며, 측정 가능한 지표로 귀결되어야 한다. 매뉴얼은 이 세 지표의 정의와 측정법을 아주 완전히 적고 있다.

커버력은 안료가 피착색물의 바탕색을 가리는 능력이다. 매뉴얼은 두 곳에서 같은 측정법을 제시한다. R1800-SK의 이산화티타늄 장에서는 "초분산제 함량별로 전처리한 이산화티타늄으로 만든 마스터배치를 필름으로 취입하여, 필름의 투과율을 측정해 표준 막후(0.02mm)의 광밀도값으로 환산한다"라고 적고 있다. R1800-SH의 카본블랙 장에서는 이산화티타늄을 카본블랙으로 바꾸었을 뿐 나머지는 동일하다. 광밀값이 클수록 커버력이 높다. 매뉴얼은 동시에 다음을 명시한다. 안료 분산이 균일할수록 입자가 미세할수록 광밀값이 커진다.

착색력은 안료가 착색하는 능력이다. 매뉴얼이 기록한 기준은 이산화티타늄이 플라스틱 중에서 갖는 착색력은 주로 시료의 명도와 백도로 특징지어진다는 것이다. R1800-SK 장에서는 여러 전처리 조건에서의 마스터배치 명도, 탠버 백도, 황도 데이터를 제시하고, R1800-SH 카본블랙 장의 대응 기준은 반대이다. 카본블랙의 착색력은 흑도로 특징지어지며, 흑도가 클수록 착색력이 높고 시편을 제작하여 색차계로 흑도를 측정한다.

분산성은 안료가 피착색 매질 중에서 갖는 분산 능력이다. 매뉴얼이 기록한 측정법은 정성적 방법은 위상차 현미경 또는 전자현미경 관찰 촬영, 정량적 방법은 입도 분포 측정이다.

함량이 높다고 반드시 좋은 것은 아니다: 그 포물선

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이것은 분산제에서 가장 직관에 반하고 또한 가장 값진 한 줄기이다. 매뉴얼은 R1800-SK 장에서 완전한 실측 대조 데이터를 제시한다. 표면 처리의 권장 공정 조건은 pH 6.8, 70℃이다. 실험 조작은 이산화티타늄과 R1800-SK를 고속 교반기에 넣고 온도가 100℃ 정도로 오르면 LLDPE218W를 투입한 뒤 재립·압출 취입하며, 초분산제 함량 구배—0, 0.5%, 1.0%, 1.2%, 1.6%, 1.8%, 2.0%—만 바꾸어 필름 광밀값과 색도를 측정하는 것이다. 매뉴얼이 R1800-SK 장에 제시한 실험 처방은 이산화티타늄 R298 69.5g, R1800-SK 0.5g, LLDPE218W 30g으로, 먼저 고속 교반 후 재립하고 나서 압출 취입한다.

사용량 1.6%일 때 필름 광밀값이 최대 0.386에 도달하고 백도와 명도도 가장 높으며 황도는 가장 낮다. 위 표는 R1800-SK의 이산화티타늄 실험에서 온 것이다. 밀도 1.190g/cm³, 점도 980-3600mPa·s, 인화점 285℃, 분산도 III이라는 이 이화학 지표는 매뉴얼의 R1800-S와 R1800-SK 두 자료에서 수치가 동일하다. 그러나 이들은 여전히 다른 모델이다. R1800-S는 고무·플라스틱 색마스터배치와 유성 도료·잉크를 향하고, R1800-SK는 여기에 에스터 관능기를 도입한 버전으로, 매뉴얼은 이것이 플라스틱 제품 중 내황변성과 내후성을 높였다고 기록하며 주로 고무·플라스틱 백색 마스터배치에 쓰이므로 같은 조제로 취급하면 안 된다.

왜 그럴까? 매뉴얼이 제시하는 설명은 초분산제 사용량은 안료의 비표면적과 관련이 있다는 것이다. 처음에는 사용량이 늘수록 안료 표면에 흡착되는 앵커 기가 많아져 1.6%에서 포화에 이르며, 이때 광밀값이 최대가 된다. 사용량을 더 늘리면 초분산제끼리의 상호작용으로 "브리징 응집()"이 생긴다. 안료 입자가 초분산제 용화 사슬의 얽힘으로 응집되므로 광밀값은 오히려 떨어진다.

즉 용화 사슬끼리 얽혀 브리징 응집이 생기면 입자는 다시 응집으로 끌려간다. 앵커측이 포화하기 전에는 얼마든지 더 넣어도 좋다. 포화점을 지나면 용화 사슬끼리의 얽힘이 주도하기 시작한다. 이 곡선은 "조금 더 넣으면 분명 좋다"가 분산이라는 일에서는 틀렸음을 설명한다.

다만 이 곡선은 이산화티타늄 + LLDPE218W + pH 6.8 + 70℃이라는 조건에서 측정된 것이다. 매뉴얼은 기타 안료, 기타 수지, 기타 pH 조건에서의 대응 곡선을 제시하지 않았으므로, 기타 계열로 외삽할 수 없다.

초분산제와 처방 내 기타 성분의 관계

분산제는 고립된 역할이 아니다. 그 효과는 같은 처방 내 기타 원료의 성능, 사용량, 비용에 달려 있다.

베이스 수지는 가공 온도, 용융물 점도, 용융물 유동성을 결정하므로 이에 따라 초분산제 모델과 사용량을 선택해야 한다. R1800-S와 R1800-SK의 첨가 함량란에는 모두 플라스틱 최종 제품의 0.5%–1%라고 적혀 있고, R1800-S에는 분체 메시 수에 따른 대조표가 별도 첨부되어 척도 적용이 가능하다.

착색제의 사용량은 매우 중요하다. 매뉴얼은 안료 종류가 다르고, 메시 수가 다르고, 흡유값이 다르면 첨가하는 분산제 분량도 다르다고 적고 있다.

충전재 사용량이 늘면 물체의 가소화가 느려지고 용융물 강도가 낮아지며 용융물 압력이 떨어져, 용융물 중 분체가 흩어지지 못해 크리스털 포인트()가 생긴다. 충전 마스터배치나 기타 충전제를 넣은 마스터배치에는 모두 분산제가 필요하여, 충전재의 플라스틱 중 분산을 높이고 크리스털 포인트를 줄이며 스크류 중 물료의 유동 성능을 높여야 한다.

윤활 체계는 반드시 분산제와 맞춰야 한다. 매뉴얼이 기록한 바는 처방 중 내외 윤활이 서로 균형을 이뤄야 한다는 것이다. 내활이 부족하면 마스터배치에 분산 불량으로 인한 크리스털 포인트가 생기기 쉽다. 내윤활이 지나치면 용융물 강도가 떨어져 제품 강도 저하를 부른다. 외윤활이 부족하면 합류심() 온도가 높아지고 가소화가 지나치며 토출 곤란, 기계 전류 상승, 입자 표면 조도(거칠음), 황변이 발생한다. 외윤활이 지나치면 석출이 심해진다.

이 네 가지는 일련의 배합 관계이다. 아무리 강한 분산제라도 맞지 않는 윤활 체계 앞에서는 속수무책이다.

분산 외에 초분산제가 관여하는 것

매뉴얼이 R1800-S의 기능 목록에 적은 것은 분산뿐만이 아니다. 분산 피복, 윤활 이형, 충격보강 광택증대, 활슬·개구제, 말레산 무수물 그라프트 대체, 제품 유동 속도 조절, 제품 충격강도와 인장강도 향상이 그것이다. 달리 말해 이는 "분산을 주로 하되 여러 항목을 겸하는" 다기능 조제이다. 그러므로 처방에서 이에 할당하는 분량을 분산 효과만으로 계산해서는 안 된다.

매뉴얼에는 불활성이라는 배합 판별 기준이 하나 더 있다. 기타 조제와 반응하지 않으며, 올바르게 사용하면 수지 본래의 성능(용융지수, 점도, 융점/연화점, 응력/변형, 경도/연성, 내광성, 내충격성, 내굽힘성, 내노화성, 저온 유연성)에 부작용을 일으키지 않는다. 매뉴얼은 카올린 처리 시 부가 효과 하나를 더 기록했다. 천분의 2를 넣으면 절연 성능을 높일 수 있다.

실무로: 어떻게 쓰는가

각 셀 = 하나의 값 (단위 %); 색상이 진할수록 = 값이 큼; 행은 열을 통해 직접 비교 가능.

800 메시1250 메시1500 메시3000 메시탄산칼슘0.20.30.350.5활석분0.320.380.471카올린0.30.350.450.80.2%1%동일 표 내 상대 크기 (단위 통합 %) · 색 농도는 표 간 비교 가능성을 나타내지 않음

• 1250 메시
• 1500 메시
• 3000 메시
• 동일 표 내 상대 크기 (단위 통합 %) · 색 농도는 표 간 비교 가능성을 나타내지 않음

• 탄산칼슘0.2–0.5 %
• 활석분0.32–1 %
• 카올린0.3–0.8 %

차트 데이터 (원본 텍스트 그대로)

행	800 메시	1250 메시	1500 메시	3000 메시
탄산칼슘	0.2 %	0.3 %	0.35 %	0.5 %
활석분	0.32 %	0.38 %	0.47 %	1 %
카올린	0.3 %	0.35 %	0.45 %	0.8 %

원본눈금 0.2–1 %

분체 메시 수와 흡유값에 따라 척도를 적용하되, 경험으로 대충 정해서는 안 된다. 매뉴얼이 기록한 세 장의 대조표는 다음과 같다.

분체	800 메시	1250 메시	1500 메시	3000 메시
탄산칼슘	0.2%	0.3%	0.35%	0.5%
활석분	0.32%	0.38%	0.47%	1%
카올린	0.3%	0.35%	0.45%	0.8%

유기 및 무기 안료(카본블랙, 이산화티타늄, 군청, 크롬황 등)에 대해 매뉴얼이 기록한 첨가량은 약 0.3%–1.2%로, 실제 처방에 따라 조절한다. 같은 표에서 탄산칼슘은 800 메시의 0.2%에서 3000 메시의 0.5%로, 활석분은 800 메시의 0.32%에서 3000 메시의 1%로, 카올린은 800 메시의 0.3%에서 3000 메시의 0.8%로 이어지는데, 이 세 선의 기울기 차이가 바로 흡유값 차이의 직접적 발현이다.

메시 수가 높을수록 첨가량이 커진다. 분체가 미세할수록 비표면적이 커져 덮여야 할 계면이 많아지기 때문이다. 매뉴얼 대조에 따르면 탄산칼슘은 800 메시에서 0.2%, 3000 메시에서 0.5%이고, 활석분은 800 메시에서 0.32%, 3000 메시에서 1%이며, 카올린은 800 메시에서 0.3%, 3000 메시에서 0.8%이다. 이는 앞의 1.6% 포화점 기구와 같은 현상의 두 측면이다. 매뉴얼은 또 하나를 기록했다. 카올린 사용량이 천분의 2에 이르러도 절연 성능을 높일 수 있는데, 이런 부가 효과는 보통 구체적 계열로 검증해야 한다.

이 글이 대신 정해주지 않은 것

매뉴얼에 데이터가 없는 몇 항목은 본문에서 외삽하지 않는다.

분산도의 통일 판별 기준

매뉴얼은 정성적(현미경 관찰 촬영)과 정량적(입도 분포) 두 측정법을 동시에 제시했으나, 매뉴얼은 통일된 합격 임계값을 제시하지 않았고 메시 수와 분산도 등급 사이의 환산도 제시하지 않았다.

가공 윈도와 조제의 배합

매뉴얼은 각 모델의 사용량 구간을 분명히 했으나, 서로 다른 설비와 스크류 구성에서의 실제 최적 분량은 매뉴얼에 없다.

기타 분산 계열의 완전한 그림

매뉴얼이 나열한 여섯 분류에 대해 매뉴얼은 분류 명칭과 "음이온형이 가장 많이 쓰인다"는 한 문장만 제시했을 뿐, 각 범주의 분자 구조와 작용 기구는 전개하지 않았다.

저장과 배합 금기의 항목별 설명

매뉴얼은 R1800-S에 대해 두 가지 금지 항목을 기록했다. 냉처리 분체 내 사용 금지, 수성 도료와 수성 잉크 내 사용 금지이다. 그러나 이 제한이 기타 모델에 적용되는 구체 조항은 매뉴얼이 항목별로 제시하지 않았다.

이들은 보통 소규모 시험과 공급업체 기술 자료로 보충해야 하며, 통상 먼저 소규모 시험으로 확인한 후 확대 생산에 들어간다.

흔한 오해

"분산제와 피막제는 같은 것이다." R1800-S를 예로 들면, 그것은 분산제와 피막제를 정밀 배합비로 고온·고압 조건에서 생산한 일체형 제품이므로 두 가지 능력을 동시에 갖는다. 그러나 공정상 따로 행하는 분체 처리(피막)와 분산 단계는 여전히 별개의 일이다.

"많이 넣을수록 분산이 좋다." 위 포물선이 이미 부정했다.

"분산이 잘되면 색이 예쁘다는 뜻이다." 분산은 가공 문제이지 외관 문제만이 아니다. 크리스털 포인트, 다이 탄화물 퇴적, 사절(), 용융물 압력 상승은 모두 분산 불량의 하류 발현이다. 매뉴얼이 편사() 사절 항목에서 든 귀인()은 색마스터배치의 분산 불량, 색마스터배치 입자 중 안료 입자가 너무 큼, 캐리어와 수지의 상용성 불량이다.

"핀홀(), 색점은 분산제가 부족한 탓이다." 경계 하나를 덧붙인다. 색마스터배치 표면이 매끄럽지 않은 이유에는 압출 온도나 다이 헤드 온도가 너무 높거나 낮음, 안료 자체가 너무 단단함, 윤활 처리가 부적절함도 포함된다. 분산제는 그중 일부만 해결하므로, 온도 조정으로 해결될 것은 조제를 더해 사려 하지 말라.

한 줄 요약

분산제가 하는 일은 세 가지 공정—습윤, 미세화, 안정화—로 나눌 수 있으며, 가장 차별화되는 부분은 세 번째이다. 입자 표면에 앵커측과 용매화측을 갖춘 피막을 세워 입자끼리 튕겨 나가게 하고, 사용량이 흡착 포화점을 넘으면 브리징 응집이 생겨 효과가 역전된다. 그러므로 한 분산제의 좋고 나쁨은 그것을 얼마나 넣었는지가 아니라, 당신의 분체·당신의 안료·당신의 설비에서 광밀값을 어디까지 밀어 올렸는지로 보아야 한다.