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고무 혼합 작업장에서는 대화가 거의 매일 반복됩니다.

"이 배치의 무니 점도가 다시 높습니다. 압출된 트레드에는 거친 표면과 핀홀이 가득합니다."

“실리카를 얼마나 넣었나요?”

“55개의 부품이요.”

"그렇다면 방법은 없습니다. 이것이 바로 고충전 실리카 화합물의 작용 방식입니다."

“방법이 없어요.” 이 세 단어는 고무 엔지니어가 마지막으로 말하고 싶은 단어일 수도 있습니다. 그러나 고농축 실리카 제제 앞에서 많은 실무자들은 무력감을 느낍니다. 불균일한 실리카 분산, 높은 무니 점도, 높은 혼합 에너지 소비, 빈번한 압출 및 캘린더링 외관 결함이 사슬처럼 연결됩니다. 혼합실에서 최종 검사 테이블까지 이동하므로 배합 엔지니어와 공정 엔지니어 모두에게 동시에 골치 아픈 일이 발생합니다.

더욱 시급하게 이 문제는 '몇몇 기업의 고민'에서 '산업 전체의 필수과목'으로 바뀌고 있다. 신에너지 차량 타이어의 낮은 구름 저항에 대한 엄격한 요구로 인해 실리카는 기존 타이어 제조법의 보조 충전재에서 대체할 수 없는 코어 강화제로 사용되고 있습니다. 업계 데이터에 따르면 신에너지 차량 타이어의 실리카 함유량은 일반적으로 50%를 초과한 반면, 기존 연료 차량 타이어의 경우 35% 이상 증가했습니다. 실리카 투여량이 20부 또는 30부에서 50부, 60부 또는 그 이상으로 증가하면 낮은 로딩 수준으로 인해 숨겨졌던 분산 문제가 집중된 형태로 나타납니다.

이 기사의 목적은 거창한 원칙을 설교하는 것이 아닙니다. 실리카 분산 불량 문제가 왜 발생하는지, 어떤 연쇄 반응이 발생하는지, 오늘날의 기술 조건에서 실제로 수행할 수 있는 작업은 무엇인지 처음부터 끝까지 밝히는 것입니다.

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실리카 분산액을 이해하려면 먼저 그 성질로 돌아가야 합니다.

실리카의 주성분은 비정질 이산화규소, 즉 SiO2입니다. 그 표면에는 많은 수의 실라놀 그룹인 -OH가 있습니다. 이러한 수산기 그룹은 실리카에 극도로 강한 극성을 부여합니다. 수소 결합을 통해 입자는 서로 끌어당겨 쉽게 덩어리를 형성합니다. 접착제로 코팅된 작은 유리구슬 더미를 상상해 보세요. 그들은 자연스럽게 비극성 고무 매트릭스에 고르게 분산되기보다는 서로 달라붙기를 원합니다.

카본 블랙은 매우 다릅니다. 표면은 상대적으로 불활성이며 고무 매트릭스와의 호환성이 더 좋습니다. 일반적인 혼합 조건에서는 적절한 분산을 얻을 수 있습니다. 그러나 실리카는 고무 매트릭스와 근본적인 극성 차이가 있습니다. 외부 개입 없이는 분산이 거의 불가능합니다.

이것이 바로 실란 커플링제가 실리카 제제에 필수적인 이유입니다. 실란 커플링제의 한쪽 끝은 실리카 표면의 실라놀기와 화학적으로 반응합니다. 다른 쪽 끝은 고무 분자 사슬과 결합하여 "분자 다리" 역할을 합니다. 하지만 이 다리는 건설하기가 쉽지 않습니다. 실란화에는 적절한 온도 범위(보통 130°C~160°C)가 필요합니다. 온도가 너무 낮으면 반응이 불완전해집니다. 너무 높으면 커플링제가 분해되거나 타버릴 수 있습니다. 내부 믹서와 같은 복잡한 열-기계적 환경에서는 이 온도 창을 정밀하게 제어하는 ​​것 자체가 어려운 일입니다.

더욱 문제가 되는 것은 실란화로 인해 에탄올과 같은 휘발성 부산물이 생성된다는 것입니다. 이러한 가스가 제때 제거되지 않으면 컴파운드에 기공이 형성되어 압출제품의 표면결함을 직접적으로 유발하게 됩니다. 즉, 커플링제를 사용하여 분산 문제를 해결하는 데 사용되는 방법에는 가스 제거 및 덤프 제어라는 새로운 공정 문제가 발생합니다.

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불량한 실리카 분산은 결코 고립된 품질 문제가 아닙니다. 그것은 물에 던져진 돌과 같습니다. 잔물결은 처리 체인의 모든 링크로 퍼집니다.

믹싱단계에서는, 분산이 불량하면 무니 점도가 높아집니다. 그 이유는 분산되지 않은 실리카 덩어리가 고무 분자 사슬과 계면 결합을 효과적으로 형성할 수 없기 때문입니다. 다수의 고무 분자가 덩어리 주위에 "갇혀" 자유롭게 움직일 수 없습니다. 거시적으로 보면 화합물은 더 단단해지고 유동성이 낮아집니다. 연구에 따르면 실리카 표면의 특정 그룹은 커플링제와 고무 사이의 결합에 영향을 미쳐 화합물에 여러 혼합 단계가 필요할 수 있음이 밝혀졌습니다. 혼합 에너지 소비가 크게 증가하고 무니 점도는 저장 중에 반등하는 경향이 있습니다. 실제로 이는 첫 번째 혼합 단계 이후 무니 점도가 정상으로 나타날 수 있음을 의미합니다. 그러나 몇 시간 동안 보관하면 갑자기 상승하여 이후의 압출 공정을 원래 매개변수 하에서 실행할 수 없게 됩니다.

압출 및 캘린더링 단계에서, 분산 불량의 결과가 가장 눈에 띕니다. 분산되지 않은 실리카 입자는 화합물의 지속적인 흐름을 방해하여 제품 표면에 거친 표면, 흰색 반점 및 거친 선을 형성합니다. 더 심각하게는 고온 처리로 인해 실리카 응집이 강화되어 압출 트레드에 핀홀이 생기고 심지어 완성된 타이어에 비정상적인 홈 균열이 발생합니다. 일선 테스트 데이터에 따르면 실리카로 채워진 화합물은 첫 번째 혼합 단계 이후 거의 항상 다양한 정도의 "백색 반점"을 나타내며, 이는 첫 번째 단계가 끝날 때 실리카가 완전히 분산되지 않음을 나타냅니다.

가황 단계에서, 문제는 종종 과소평가됩니다. 무니 점도가 높은 화합물은 가황 중 초기 흐름이 좋지 않습니다. 복잡한 금형 구조를 완전히 채울 수 없으며 미성형, 공기 갇힘 등의 결함이 쉽게 발생합니다. 동시에, 분산되지 않은 실리카 응집체는 가황 후 응력 집중 지점이 되어 가황물의 기계적 특성과 동적 피로 수명에 영향을 미칩니다. 실리카 자체의 실라놀 표면 구조로 인해 고온 처리로 인해 응집이 강화됩니다. 최종 결과는 완성된 타이어의 내구성 문제입니다.

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'실리카는 분산이 어렵다'는 것만으로 분산 불량을 비난하는 것은 일방적이다. 실제 생산에서는 문제를 악화시키는 요인이 복합적이고 중첩되는 경우가 많습니다.

제제 설계 문제가장 간과하기 쉽습니다. 실리카 로딩이 증가하면 그에 따라 실란 커플링제 투여량이 조정됩니까? 많은 회사에서는 여전히 저부하 공식의 커플링제 비율을 사용합니다. 결과적으로, 고부하 조건에서는 실란화가 분명히 불충분합니다. 다수의 실리카 표면 수산기 그룹이 변형되지 않은 상태로 남아 있어 분산 추진력이 심각하게 부족합니다. 또한 효과적인 분산제 시스템이 없다는 점도 일반적인 약점입니다. 커플링제에만 의존하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 최상의 결과를 얻으려면 분산제와 커플링제의 시너지 효과가 필요합니다.

혼합 공정 매개변수또 다른 주요 변수입니다. 혼합 온도, 로터 속도, 덤프 시간, 램 압력 등 각 매개변수는 분산 품질에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 로터 속도가 높을수록 화합물의 무니 점도가 높아지고 혼합 효과가 더 나빠지는 것으로 나타났습니다. 이 결론은 많은 사람들을 놀라게 할 수 있지만 그 이유는 복잡하지 않습니다. 속도가 지나치게 높으면 전단열이 급격히 상승하기 때문입니다. 화합물 온도는 실란화에 적합한 창을 빠르게 통과합니다. 커플링제는 완전히 반응하기 전에 실패합니다. 오픈 밀 혼합 공정 연구에서 무니 점도에 영향을 미치는 요인의 순서는 큰 것부터 작은 것까지 혼합 시간, 그 다음 롤 속도입니다. 무니 점도를 줄이는 효과적인 방법은 혼합 시간을 적절하게 연장하는 것입니다.

장비 제한피할 수 없습니다. 기존 내부 믹서의 로터는 주로 카본 블랙 시스템에 최적화되어 있습니다. 고충전된 실리카 제제에 직면할 때 전단 유동장 분포는 실리카 응집체를 분해하고 균일하게 분산시키는 요구를 충족할 수 없습니다. 탠덤 믹서와 같은 새로운 장비는 분산을 크게 개선하고 에너지 소비를 줄일 수 있지만 투자 문턱이 높습니다. 모든 회사가 업그레이드를 신속하게 완료할 수 있는 것은 아닙니다.

원료 배치 안정성실제 생산에 큰 영향을 미칩니다. 다양한 실리카 배치는 비표면적, 오일 흡수율 및 수분 함량이 다릅니다. 혼합 공정 매개변수는 해당 조정 없이 고정된 "경험 값"을 따르는 경우가 많습니다. 실리카는 흡습성이 높습니다. 공기에 노출되면 수분을 흡수하여 표면에 수막을 형성합니다. 이 물은 혼합 및 가황 과정에서 방출되어 핀홀 및 분산 불량을 직접적으로 유발합니다.

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분산제의 선택과 용량 조정은 가장 비용 효과적인 진입점입니다. 기존에 시판되고 있는 실리카 분산제는 활성 성분에 따라 지방산 아민, 순수 아연 비누, 복합 비누, 아연 비누/폴리올 에스테르 혼합물의 네 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 연구에 따르면 트레드 컴파운드에 실리카 분산제를 추가하면 혼합 에너지 소비와 무니 점도를 줄이고, 가황을 가속화하며, 가공 성능을 향상시키고, 커플링제와 시너지 효과를 낼 수 있는 것으로 나타났습니다.

다양한 분산제의 효과는 크게 다릅니다. 비교 연구에 따르면 HT254(지방산 아민), H60EF(아연 비누/칼륨 비누 혼합물) 및 HST(아연 비누/폴리올 에스테르 혼합물)의 세 가지 분산제 중에서 H60EF를 함유한 화합물이 전반적으로 최고의 성능을 달성한 것으로 나타났습니다. 또 다른 연구에서는 Y-99, HHT-02 및 BA를 비교했습니다. HHT-02를 첨가한 가황처리가 열풍노화 저항성이 가장 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 이는 분산제 선택이 "모든 경우에 적합"할 수 없음을 의미합니다. 이는 특정 제제 시스템과 성능 목표에 따라 결정되어야 합니다.

실란 커플링제 업그레이드도 발전하고 있습니다. 차폐된 머캅토실란 커플링제 Si747은 휘발성 유기화합물 방출을 줄이고 실리카 분산을 향상시킬 수 있지만 스코치 시간이 짧고 무니 점도가 높은 등의 단점이 있습니다. 차단된 머캅토실란 커플링제 Si777은 가공 성능과 실리카 분산을 개선하는 데 있어 균형 잡힌 성능을 발휘하며 전체적으로 최고의 성능을 발휘합니다. 첨가제를 첨가하는 과정도 똑같이 중요하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 실리카를 실란 커플링제와 혼합한 후 항온 반응 전에 실리카 분산제와 미끄럼 방지 수지를 첨가하면 최고의 가공 성능과 필러 분산을 얻을 수 있습니다.

혼합 공정의 최적화에는 대규모 장비 투자가 필요하지 않지만, 체계적인 매개변수 조정과 엄격한 공정 관리가 필요합니다.

온도 조절핵심 중의 핵심이다. 실란화는 130~160°C 범위 내에서 가장 효율적입니다. 이 온도 범위에서는 실리카 표면의 수분이 감소하고 입자 간 힘이 약해지며 입자가 더 쉽게 분해되고 분산됩니다. 동시에 고무상과의 반응이 더 유리합니다. 그러나 실제 생산에서는 내부 믹서 내부의 온도 분포가 균일하지 않습니다. 덤프 온도는 종종 지역 조건만을 반영합니다. 커플링제를 비활성화시키는 국지적 과열을 방지하기 위해 혼합 중에 온도 모니터링 지점을 추가하고 화합물 온도 변화를 실시간으로 추적하는 것이 좋습니다.

단계적 혼합 전략또한 주목할 가치가 있습니다. 단계 간 충분한 저장 시간을 갖춘 2단계 또는 3단계 혼합 공정을 사용하면 실란화가 완전히 진행되어 최종 분산 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 한 연구에 따르면 0~6시간의 저장 시간 범위 내에서 저장 시간이 증가함에 따라 매트릭스의 실리카 분산이 향상되는 것으로 나타났습니다. 6시간 후에는 응집이 증가하고 분산이 악화됩니다. 압출성형은 6시간 보관 시 가장 좋은 상태에 도달합니다. 이는 저장 시간에 대한 최적의 창이 있음을 의미합니다. 너무 짧거나 너무 긴 것은 좋지 않습니다.

합리적인 로터 속도 설정"반직관적인" 사고가 필요합니다. 앞서 언급했듯이 속도가 지나치게 높으면 무니 점도가 높아집니다. 근본 원인은 전단열로 인해 온도 폭주가 발생한다는 것입니다. 충전량이 많은 실리카 화합물의 경우 속도를 적절히 줄이고 혼합 시간을 연장하는 것이 "고속, 단시간" 전략보다 더 나은 경우가 많습니다. 연구에 따르면 혼합 온도 90°C와 로터 속도 70r/min의 조건에서 화합물의 전반적인 성능이 더 좋습니다.

생산 규모와 제품 포지셔닝이 일정 수준에 도달한 기업의 경우 믹싱 장비를 업그레이드하면 질적 도약을 가져올 수 있습니다.

탠덤 믹서 기술최근 몇 년 동안 상당한 진전을 이루었습니다. 기존의 1단계 + 1패스 저온 혼합 공정과 비교하여 탠덤 믹서 1패스 저온 혼합 공정은 생산 효율성을 22.28% 높이고 생산 에너지 소비를 22.87% 줄입니다. 이 장비는 혼합 공정을 업스트림과 다운스트림의 두 가지 직렬 단계로 나누어 기존 내부 믹서의 온도와 전단 간의 모순을 효과적으로 해결합니다.

습식 혼합 기술주목할 만한 또 다른 방향이다. 습식혼합이란 실리카 등의 충진재를 수분산액으로 제조한 후 액상의 고무라텍스와 완전히 혼합한 후 응고, 탈수, 건조 과정을 거쳐 화합물을 제조하는 방법이다. 전통적인 건식 혼합과 비교하여 습식 혼합은 실리카 입자 분산의 균일성을 크게 향상시키고, 실리카 입자와 실란 커플링제 사이의 반응 효율을 높이며, 더 강한 기계적 특성, 더 낮은 압축 열 축적 및 더 나은 동적 기계적 특성을 얻을 수 있습니다.

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실리카 분산액의 경제적 가치를 이해하기 위해서는 그린타이어 산업을 배경으로 살펴볼 필요가 있습니다.

실리카 시장은 빠르게 성장하고 있다. 2025년부터 2032년까지 중국 실리카 시장은 거의 3배 성장할 것으로 예상된다. 세계 침강 실리카 시장은 2026년 55억 8천만 달러에서 2034년 91억 2천만 달러로 연평균 성장률 6.3%로 성장할 것으로 예상됩니다. 아시아 태평양 지역이 이 시장을 장악하고 있습니다. 실리카 첨가제 시장 역시 꾸준히 성장하고 있으며, 연평균 성장률 4.0%로 2034년에는 51억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

더 중요한 것은 구조적 변화이다. 신에너지차용 저회전저항 그린타이어에 사용되는 고분산성 실리카 수요는 전년 동기 대비 23.8% 증가했으며, 연간 지원 소비량은 486,000톤에 달했습니다. 현재 올스틸 타이어에 실리카를 적용하는 비율은 약 20% 정도이다. 대체율을 70%까지 올리면 고분산성 실리카의 전 세계 수요 공간은 328만톤으로 늘어날 수 있다. 이는 실리카가 "선택적"에서 "표준"으로 이동하는 추세가 되돌릴 수 없음을 의미합니다.

고무 제품 회사의 경우 실리카 분산 품질이 기술 지표에서 비즈니스 지표로 업그레이드된다는 직접적인 의미가 있습니다. 불량률, 재작업률, 에너지 비용 및 분산 불량으로 인한 고객 불만은 저부하 시대에 허용될 수 있습니다. 그러나 하이로딩 시대에는 기하학적으로 증폭될 것입니다. 분산 품질이 좋은 회사는 무니 점도 제어, 압출 효율성, 가황 적격률 및 완제품 일관성에서 체계적인 이점을 얻을 수 있습니다.

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A: 핵심 이유는 실리카 표면의 극성 실라놀 그룹이 입자 사이에 강한 수소 결합을 생성하여 비극성 고무 매트릭스에서 자연적으로 뭉치는 경향이 있기 때문입니다. 실란 커플링제는 이러한 문제를 해결하는 핵심 수단입니다. 그러나 커플링제 투여량이 부족하거나 실란화 온도가 최적 창인 130~160°C를 벗어나거나 혼합 시간이 충분하지 않으면 모두 표준 이하의 분산으로 이어질 수 있습니다.

A: 덤핑 후 실리카 표면의 미반응 실라놀 그룹은 계속해서 물리적 흡착과 고무 분자 사슬과의 화학적 가교를 겪습니다. 특히 보관 온도나 습도가 높은 환경에서는 더욱 그렇습니다. 이 후반응은 화합물의 네트워크 구조를 강화시켜 무니 점도가 반등하게 만듭니다. 통제 조치에는 충분한 실란화 보장, 보관 조건 최적화, 잔류 수산기 활성을 보호하기 위한 적절한 분산제 추가 등이 포함됩니다.

A: 먼저 두 방향을 확인하세요. 첫째, 실리카 및 기타 성분의 수분 함량입니다. 실리카는 흡습성이 높으며 고온 처리 중에 물이 증발하여 핀홀을 형성합니다. 둘째, 실란화 과정에서 발생하는 에탄올 등의 휘발성 부산물이 완전히 제거되었는지 여부이다. 이를 위해서는 혼합 중 배출 과정과 압출기의 배출 섹션 설정을 확인해야 합니다.

A: 아니요. 실란 커플링제의 핵심 기능은 실리카 표면의 수산기와 화학적으로 결합하여 필러와 고무 사이에 화학적 가교를 구축하는 것입니다. 분산제의 핵심 기능은 실리카 입자 간의 상호 작용을 줄여 기계적 전단 시 응집체가 더 쉽게 분해되고 분산되도록 돕는 것입니다. 메커니즘이 다릅니다. 그들은 시너지 효과가 있습니다. 가장 좋은 해결책은 함께 사용하는 것입니다.

A: 네 가지 매개변수에 중점을 둡니다. 덤프 온도, 최적의 실란화 창 내에서 제어되고 160°C를 초과하지 않음. 효율성과 탄화 위험의 균형을 맞추면서 분산을 촉진하도록 적절하게 연장된 혼합 시간; 회전자 속도(고속에서 발생하는 전단열로 인해 분산이 악화될 수 있음) 최적의 기간이 있는 저장 시간은 일반적으로 4~8시간 범위입니다.

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실제 생산에서 실리카 분산 문제를 해결하려면 특정 제제 시스템, 장비 조건 및 제품 성능 요구 사항을 기반으로 한 맞춤형 분석이 필요한 경우가 많습니다. 산동성은 중국의 고무 첨가제 및 혼합 고무 화합물의 중요한 클러스터로서 비교적 완전한 산업 체인을 보유하고 있습니다.

칭다오푸카이고무플라스틱신소재유한회사는 칭다오이공대학의 과학연구자원을 바탕으로 고무첨가제, 고무 및 플라스틱 신소재, 혼합고무화합물 분야에서 10년 이상의 연구개발 및 생산경험을 축적해왔습니다. 혼합 고무 장비는 다양한 규모의 맞춤형 가공 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 독자들이 실제 생산에서 실리카 분산과 관련된 기술적 문제에 직면할 경우 기술 교환 및 솔루션 논의를 위해 17685723962로 Amy에게 연락할 수 있습니다.

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실리카 분산액의 중요성이 재정의되고 있습니다.

전통적인 이해에서는 기술 부서에 속하는 "공식화 및 프로세스 문제"입니다. 그러나 그린타이어와 신에너지 자동차의 급속한 발전에 맞서 ‘경쟁력 문제’로 진화하고 있다. 고분산성 실리카의 수요 증가율은 업계 평균을 크게 웃돌고 있습니다. 이는 분산 품질에 대한 시장의 요구 사항이 점점 더 높아지고 더 세부적으로 변할 것임을 의미합니다.

고무 제품 회사의 경우 실리카 분산 문제를 체계적으로 해결하기 위해 에너지를 투자하는 것은 현재 스크랩과 에너지 소비를 줄이는 것만이 아닙니다. 이는 또한 더 높은 적재 수준과 더 엄격한 성능 표준을 갖춘 미래 제품을 준비하는 것이기도 합니다. 분산제 선택, 혼합 공정 최적화, 장비 업그레이드 경로 계획 등 이러한 작업이 일찍 시작될수록 다음 단계의 산업 업그레이드에서 주도권이 더 커집니다.

분산 문제에 대한 단일 "마법의 총알"은 없습니다. 그러나 명확한 논리 체인이 있습니다. 표면 화학의 특성 이해 → 공정 매개변수의 병목 현상 식별 → 첨가제와 공정의 올바른 조합 선택 → 정량화 가능한 테스트 및 피드백 메커니즘 구축. 이 사슬을 따라 한 층씩 발전함으로써 실리카는 "분산이 어려운 필러"에서 "제어 가능하고 조정 가능한 기능성 소재"로 바뀔 수 있습니다. 이것은 손이 닿지 않는 곳에 있지 않습니다.

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