이 글의 목적은 무기필러에 적합한 분산제를 체계적으로 선택하고 실무에서 재현성 있게 분산 안정성을 확보하도록 판단 기준, 시험 방법, 트러블슈팅 포인트를 한 번에 정리하는 데 있다.
1. 무기필러 분산이 어려운 이유와 핵심 목표
1) 무기필러의 표면 특성이 복합적이다
무기필러는 표면에 수산기, 금속 이온, 흡착수, 탄산염/규산염 결합 등이 공존하다.
표면 에너지와 산염기 성향이 크고 흡착수가 존재하여 젖음이 흔들리기 쉽다.
2) 응집이 “점도”와 “침강”을 동시에 만든다
미세 응집은 겉보기 점도를 급격히 올리고 작업성을 악화시키다.
거대 응집은 분산 안정성을 무너뜨리고 침강, 하드팩, 광택 저하를 유발하다.
3) 목표는 “젖음-파쇄-안정화”의 동시 달성이다
분산제 선택의 목표는 젖음 향상, 응집체 파쇄 촉진, 재응집 억제의 동시 달성이다.
결과 지표는 점도 안정성, 입도 유지, 침강 억제, 광학 품질 유지로 정의하다.
주의 : 분산 안정성이 부족한 상태에서 분산제만 증량하면 거품, 잔류 계면활성, 내수성 저하, 블리드가 동반되기 쉽다.
2. 분산제의 작동 메커니즘과 선택 축
1) 정전기 반발형 안정화이다
이온성 작용기가 표면에 흡착하여 제타전위를 키우고 입자 간 반발을 형성하다.
수계에서 효과가 크고 전해질, pH, 다가이온의 영향을 크게 받다.
2) 입체 장애형 안정화이다
고분자 사슬이 표면에 고정되고 용매 또는 수지와 친화하는 꼬리가 공간 장벽을 만들다.
비수계, 고형분, 복합용매에서 재현성이 높고 전해질 영향이 상대적으로 작다.
3) 복합형 안정화이다
고분자에 이온성 작용기가 결합된 형태가 정전기와 입체 장애를 동시에 제공하다.
고난도 무기필러, 고표면적 실리카, TiO2 고농도계에서 유효하다.
4) “앵커”와 “호환 꼬리”의 매칭이 핵심이다
분산제는 무기 표면에 강하게 붙는 앵커 작용기와 바인더/용매와 섞이는 호환 꼬리로 구성하다.
앵커가 약하면 초기 점도는 낮아도 시간 경과 후 재응집이 발생하다.
꼬리 호환이 약하면 플록 형성, 탁도 증가, 광택 저하가 나타나다.
3. 무기필러별 표면 성향과 권장 분산제 화학군
무기필러는 종류보다도 표면 처리, 표면적, 흡착수, 산염기 성향이 성능을 좌우하다.
실무에서는 “필러-분산제-바인더” 3자 상호작용을 표준화하여 비교하다.
| 무기필러 | 표면 특성 요약 | 주요 문제 | 유효한 앵커 예시 | 권장 접근 |
|---|---|---|---|---|
| 탄산칼슘(CaCO3) | 염기성 성향, 표면 이온성, 수분 영향 존재하다 | 침강, 점도 드리프트, 하드팩이다 | 지방산염/카르복실레이트, 인산에스터, 폴리카복실레이트이다 | 습윤 강화 후 입체 장애형으로 장기 안정화를 확보하다 |
| 실리카(SiO2, 특히 흄드/고표면적) | 표면 수산기 풍부, 수분 흡착, 강한 수소결합이다 | 급격한 점도 상승, 겔화, 틱소 과도이다 | 실란계 결합, 폴리에테르/폴리에스터 앵커, 아민/아마이드계 상호작용이다 | 수분 관리와 앵커 강화를 병행하고 과흡착을 피하다 |
| 티타늄디옥사이드(TiO2) | 고굴절, 표면 처리 다양, 흡착 경쟁이 강하다 | 플로큘레이션, 광택 저하, 헤이즈 증가이다 | 인산에스터, 카테콜/포스포네이트 계열, 고분자 하이퍼디스퍼전트이다 | 광학 품질을 목표로 저분자 습윤제와 고분자 분산제를 조합하다 |
| 탈크(Talc) | 판상, 소수성 성향 혼재, 층상 구조이다 | 배향, 침강, 레올로지 변동이다 | 비이온성 고분자, 인산에스터, 폴리에테르계이다 | 배향 제어를 고려하여 점도 프로파일을 함께 설계하다 |
| 수산화알루미늄(ATH) | 친수성, 흡착수, 표면 반응성이다 | 수분 기인 거품, 점도 상승, 분산 불안정이다 | 인산계, 카르복실레이트계, 고분자 입체 장애형이다 | 탈수·예건조·수분 차단을 전제로 분산제를 선정하다 |
| 황산바륨(BaSO4) | 고비중, 비교적 낮은 표면 반응성이다 | 침강이 지배적이다 | 고분자 입체 장애형, 저점도 습윤제이다 | 침강 억제를 위한 입도·분포 관리와 레올로지 설계를 병행하다 |
4. 바인더와 용매에 따른 분산제 선택 로직
1) 수계 아크릴·우레탄 분산액이다
수계는 pH, 전해질, 다가이온에 의해 제타전위가 쉽게 변동하다.
따라서 이온성 분산제를 사용할 때는 pH 창과 염 농도 내성을 함께 평가하다.
고농도 무기필러에서는 고분자 입체 장애형 또는 복합형이 안정적이다.
2) 용제형 아크릴·우레탄·에폭시이다
비수계는 이온화가 제한되어 입체 장애형이 기본 선택이다.
용해도 파라미터가 맞지 않으면 분산제가 상분리하거나 플록을 유도하다.
저분자 습윤제를 과다 투입하면 도막 내 이동과 내수성 저하가 나타나다.
3) 무용제 또는 고형분 시스템이다
고형분에서는 분산제의 분자량과 흡착층 두께가 점도에 큰 영향을 주다.
앵커가 강한 고분자 분산제는 안정성을 주지만 과흡착 시 점도 과상승이 가능하다.
따라서 최소 유효량을 찾는 접근이 필수이다.
4) 실란 커플링과 분산제의 역할 분리가 필요하다
실란 커플링제는 계면 결합과 내구성에 유리하지만 즉시 분산 안정화를 보장하지는 않다.
실란은 표면 개질, 분산제는 공정 안정화라는 역할로 분리하여 설계하다.
주의 : 실란을 분산제처럼 과량 투입하면 가수분해·축합 부산물로 점도 불안정이 커질 수 있다.
5. 실무형 선택 절차와 최소 시험 패키지
1) 입력 정보를 먼저 고정하다
필러 종류, 표면 처리 유무, D50, BET 표면적, 흡유량, 수분 함량을 먼저 확보하다.
바인더 종류, 목표 고형분, 목표 점도 범위, 공정 전단 조건을 함께 확정하다.
2) 후보 분산제는 “앵커군 2종 + 꼬리 호환 2종”으로 구성하다
예를 들어 인산계, 카르복실계 같은 앵커군을 2종 선택하다.
각 앵커군에서 바인더 호환 꼬리가 다른 후보를 2종씩 구성하다.
이 방식은 실패 원인을 빠르게 분리하여 학습 속도를 높이다.
3) 투입 순서를 표준화하다
일반적으로 분산제를 먼저 용매 또는 바인더에 완전 용해한 뒤 필러를 투입하다.
필러를 먼저 투입한 뒤 분산제를 넣는 방식은 응집이 고착되어 불리할 수 있다.
단, 고표면적 실리카는 단계 투입과 전단 프로파일 최적화가 유리하다.
4) 최소 시험 항목을 고정하다
| 시험 항목 | 목적 | 권장 조건 | 합격 기준 예시 |
|---|---|---|---|
| 초기 점도 | 젖음·파쇄 효율과 과흡착 여부 판단이다 | 제조 1시간 이내, 동일 온도이다 | 타깃 범위 내이며 재현성 확보하다 |
| 점도 안정성 | 재응집·흡착 재배열 평가이다 | 24h, 72h, 7d 저장이다 | 증가율이 관리 기준 이하이다 |
| 입도 분포 | 응집체 잔존과 시간 변화 확인이다 | 분산 직후와 저장 후 비교이다 | D90 증가가 제한 범위 내이다 |
| 침강/하드팩 | 중력 안정성 평가이다 | 가속 원심 또는 정지 저장이다 | 재분산이 용이하고 케이크가 약하다 |
| 광학 품질 | TiO2, 실리카에서 중요하다 | 필름 도포 후 헤이즈/광택 측정이다 | 헤이즈 저하, 광택 유지가 확인되다 |
| 거품·기포 | 공정성 평가이다 | 혼합 조건 고정 후 관찰이다 | 기포 잔류가 제한되다 |
6. 투입량 설계와 최적점 찾기
1) 분산제는 “필러 대비 %”가 아니라 “표면적 대비”로 생각하다
고표면적 필러는 동일 중량이라도 흡착 자리가 월등히 많다.
따라서 BET 표면적이 큰 필러는 분산제 요구량이 급증하다.
2) 최적점은 U자 곡선을 갖다
분산제가 부족하면 재응집으로 점도와 입도가 악화하다.
분산제가 과량이면 자유 분산제가 매질에 남아 점도 불안정, 거품, 내수성 저하가 나타나다.
따라서 3점 이상 농도 시리즈로 최적점을 찾는 방식이 실무적이다.
3) 추천 시험 설계 예시이다
조건 설정 예시이다 - 필러: 100 phr이다 - 분산제: 0.3 / 0.6 / 1.0 / 1.5 phr이다 - 공정: 프리믹스 10 min + 고전단 20 min이다 - 평가: 초기 점도, 24h 점도, D90, 침강, 필름 광학이다7. 공정 관점에서의 분산제 선택 포인트
1) 전단 에너지의 상한을 정의하다
응집체 파쇄에는 전단이 필요하지만 과전단은 온도 상승과 기포 혼입을 확대하다.
특히 실리카는 과전단이 네트워크를 촉진하여 틱소가 과도해질 수 있다.
2) 투입 순서와 체류 시간을 고정하다
분산 공정의 변동은 분산제 성능 차이를 가리는 주요 원인이다.
따라서 배치마다 동일한 투입 순서, 동일한 전단, 동일한 온도를 유지하다.
3) 수분 관리를 공정 사양으로 포함하다
ATH, 실리카, 일부 탄산칼슘은 수분이 분산 거동을 크게 바꾸다.
예건조, 밀봉 보관, 제습 공정, 수분 측정을 사양화하는 접근이 필요하다.
주의 : 수분 변화가 큰 필러를 사용하면서 분산제만 바꾸면 원인 규명이 불가능하다.
8. 대표 트러블과 원인-대응 매트릭스
| 증상 | 가능 원인 | 우선 점검 | 대응 방향 |
|---|---|---|---|
| 초기 점도 과다 상승이다 | 젖음 부족, 실리카 네트워크, 과흡착이다 | 투입 순서, 수분, 고전단 조건이다 | 습윤제 보강, 분산제 분자량 조정, 전단·온도 관리하다 |
| 시간 경과 후 점도 증가이다 | 흡착 재배열, 전해질 영향, 꼬리 호환 부족이다 | pH, 염, 보조첨가제 상호작용이다 | 복합형 분산제 전환, pH 창 재설계, 보조제 순서 변경하다 |
| 침강과 하드팩이다 | 입도 과대, 밀도 차, 레올로지 부족이다 | D90, 분포 폭, 고형분이다 | 입도 최적화, 레올로지 설계 병행, 입체 장애형 강화하다 |
| 광택 저하와 헤이즈 증가이다 | 미세 플록, 불완전 분산, 과도한 계면활성이다 | 입도, 필름 결함, 자유 분산제이다 | 앵커 강화, 최적량 재탐색, 저분자 성분 절감하다 |
| 거품 증가이다 | 자유 계면활성 성분, 혼합 조건이다 | 분산제 과량 여부, 점도 레벨이다 | 최적량 축소, 소포 전략 병행, 투입 순서 변경하다 |
9. 분산제 조합 전략과 실무 팁
1) 저분자 습윤제 + 고분자 분산제 조합이다
저분자 습윤제는 초기 젖음을 빠르게 만들다.
고분자 분산제는 장기 안정화를 담당하다.
이 조합은 TiO2, 미세 탄산칼슘, 고농도 충전계에서 효과적이다.
2) 분산제와 레올로지 조절제는 상호작용하다
레올로지 조절제는 침강을 줄이지만 분산 안정화를 대체하지는 않다.
분산이 불완전한 상태에서 레올로지만 올리면 플록이 고정되어 품질이 나빠지다.
3) 표면 처리 필러는 “처리제-분산제” 중복을 피하다
지방산 처리 CaCO3는 카르복실계 분산제와 흡착 경쟁이 생길 수 있다.
실란 처리 실리카는 추가 실란 투입보다 호환 꼬리 최적화가 유리할 수 있다.
4) 최종 검증은 “사용 조건”에서 하다
시험용 소규모 배치가 좋아도 실제 생산 전단, 온도, 충전 속도가 다르면 결과가 달라지다.
따라서 최종 후보는 생산 조건을 모사한 검증으로 확정하다.
FAQ
탄산칼슘에서 점도는 낮은데 침강이 심하다
침강은 분산 안정화만으로 해결되지 않는 경우가 많다.
입도 분포 상단의 거친 입자, 비중 차, 레올로지 부족이 지배 원인이다.
우선 D90와 분포 폭을 확인하고 레올로지 설계를 병행하는 접근이 실무적이다.
실리카에서 겔화가 발생하다
고표면적 실리카는 수분과 수소결합으로 네트워크가 쉽게 형성되다.
수분 관리, 단계 투입, 전단·온도 제어, 앵커 강화를 함께 적용하는 전략이 필요하다.
분산제를 과량 투입하면 자유 성분이 네트워크를 악화시키는 경우가 있어 최적량 탐색이 필수이다.
TiO2에서 광택이 떨어지다
광택 저하는 미세 플록과 불완전 분산이 주 원인이다.
인산계 또는 강한 앵커를 가진 고분자 분산제를 중심으로 후보를 구성하는 방식이 유효하다.
저분자 습윤제를 보강하되 과량을 피하고 필름 평가를 합격 기준에 포함하는 것이 중요하다.
분산제 선택을 빠르게 좁히는 핵심 지표는 무엇이다
초기 점도와 24시간 점도 변화, D90 변화, 침강 후 재분산성 4가지를 우선 지표로 두는 방식이 효율적이다.
광학 품질이 중요한 경우에는 헤이즈와 광택을 반드시 포함하다.