황산바륨(바라이트라고도 함)은 무색, 무취, 무독성 무기 화합물로 화학식은 BaSO4입니다. 높은 밀도, 높은 백색도, 우수한 화학적 안정성, 그리고 산과 알칼리에 대한 내성을 가진 것으로 알려져 있습니다. 또한 물과 대부분의 산에 불용성입니다. 이러한 특성 덕분에 황산바륨은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 특히 플라스틱 개질 및 나일론(PA) 개질 분야에서 탁월한 장점을 보입니다.
우수한 기계적 물성, 내마모성, 내화학성, 그리고 자기 윤활성을 갖춘 고분자인 나일론은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 높은 수분 흡수율과 낮은 치수 안정성과 같은 단점으로 인해 적용 범위가 제한적입니다. 따라서 나일론의 성능을 향상시키기 위한 개질 공정이 특히 중요해졌습니다. 중성 충전제인 황산바륨은 나일론 개질 공정에서 보강, 인성 강화, 표면 광택 향상 등 다양한 역할을 수행합니다.
강화효과
무기 충전제인 황산바륨은 나일론의 강성(탄성률)과 경도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 기어나 베어링처럼 높은 강성이 요구되는 산업용 부품에 적합합니다.
실험 결과에 따르면 나노 황산바륨 함량을 증가시키면 나일론의 굽힘 탄성률과 인장 탄성률이 모두 향상됩니다. 특히, 나노 황산바륨의 질량 분율이 최적값(예: 3%)에 도달하면 나일론의 기계적 물성이 최고치에 도달합니다. 이러한 강화 효과는 주로 황산바륨의 고유 강성과 나일론 매트릭스와의 우수한 계면 결합에 기인합니다.
치수 안정성: 황산 바륨은 가공이나 사용 중 수축과 뒤틀림을 줄여 치수 정밀도를 향상시킵니다.
열 변형 온도(HDT): 폴리머 사슬의 움직임을 제한함으로써 열 안정성을 향상시키고 자동차 엔진 부품과 같은 고온 환경에서 나일론의 적용성을 확대합니다.
강화 효과
황산바륨은 강화 효과 외에도 나일론의 인성 향상에도 기여합니다. 나노 황산바륨 입자는 나일론 매트릭스와 상호 작용하여 탄성 전이층을 형성합니다. 이 층은 계면 응력을 분산하고 흡수하여 외부 충격 에너지를 완화하고 소재의 인성을 향상시킵니다.
그러나 과도한 황산바륨 함량은 입자 응집을 초래하여 성능을 저하시킬 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
광택 개선
황산바륨은 자외선과 적외선 파장 범위에서 강력한 빛 반사 능력을 가지고 있어 플라스틱 착색 제형에서 높은 밝기를 나타낼 수 있습니다.
적절한 입자 크기의 황산바륨을 나일론 충진재로 선택하면 가공된 제품의 표면 광택을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 황산바륨의 굴절률은 나일론과 같은 고분자의 굴절률과 매우 유사하여 첨가된 안료의 밝기와 색조를 유지하는 데 도움이 됩니다.
실제 적용
실제로 황산바륨은 일반적으로 나노 형태로 용융 블렌딩을 통해 나일론에 혼입됩니다. 이 방식은 나노 황산바륨의 크기 효과, 높은 비표면적, 그리고 강력한 계면 상호작용을 활용합니다. 그 결과, 황산바륨의 강성, 치수 안정성, 내열성과 나일론의 인성, 가공성, 그리고 유전 특성이 결합된 복합재가 탄생하여 탁월한 성능을 발휘합니다.
황산바륨은 나일론 개질에 있어 상당한 강화, 인성 향상 및 광택 개선 등 다양한 효과를 보였습니다. 황산바륨 함량과 입자 크기 분포를 세심하게 제어함으로써 제조업체는 나일론의 기계적 성능을 최적화하고, 제품 내구성과 외관을 개선하며, 비용과 성능의 균형을 맞추고, 특정 용도에 맞춰 제형을 조정하여 나일론의 잠재적 용도를 크게 확대할 수 있습니다.
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