미네랄/충진제

| Summary

대표적인 증량제 사용 예(종이)

증량제(Filler) 시장은 상당히 크지만, 그 만큼 치열한 경쟁에 놓여있기도 합니다. 요구되는 사항으로는 크게 두 가지가 있습니다. 저비용으로 입도 커팅을 한 증량제, 혹은 고객사의 요구에 맞춰 특정한 입도를 cutting 하는 것입니다.

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Filler 제조용 미네랄 분쇄 및 분급시스템

비용이나 입도분포 등의 제품사양만으로는 최적의 시스템을 선정하기 충분하지 않습니다. 탈크의 층구조나 초크의 미결정 구조와 같은 다양한 원료의 물성도 고려해야 합니다. 

또한 유지관리비용, 제품 교환 용이성, 설치 공간까지 고려해야 합니다. 그림 1, 그림 2와 표 1은 제조에 쓰이는 각종 분쇄 및 분급 시스템의 대략적인 선택 기준을 제시하고 있습니다.

그림 1. 입도와 모스경도의 관계

그림 2. 미분생산량

그림 3. 선택기준

고성능 충진제

석회석(CaCO3)은 매우 다양한 분야에 사용되는 가장 많이 사용되는 필러 원료입니다. 이는 전 세계적으로 공통적이며 플라스틱, 고무, 식품, 케미컬, 의약산업 등에서 많이 사용되고 있습니다.


석회 분쇄 예시로는 대형 S.O.300/600Ball mill과 Turboplex Classifier 630/4 ATP를 조합한 폐회로 시스템입니다. 당 시스템은 입도 제어를 위해 in-line 입도 분석 장치를 포함한 제어 유닛을 배치해 제품 입도 99%<8.5μm(d50=2.0μm)에 Capacity 약 8t/h를 달성하였습니다.


돌로마이트도 석회석과 마찬가지로 미분증량제로 사용됩니다. 돌로마이트는 주요 용도는 유리, 세라믹, 철강산업에서 사용되며, 주로 필요로 되는 것은 미분 영역이 좁은 입도분포를 가진 제품입니다. Coarse 요구 범위 d97=45~100μm에 대해서는 에너지 효율의 관점에서 테이블 롤러 밀 AWM이 최적이라고 할 수 있습니다.

사용 예(도기)

그림 4. S.O. Ball mill

| Ball mill S.O.

Ball mill Super Orion S.O.-S.F (초미분)

Ball mill과 함께 높은 분급효율의 분급기와 조합한 시스템입니다. 분쇄품을 직접 분급기로 수송하는 공기 수송이 불필요하고, 설비 전체적으로 콤팩트해집니다. 최신 제어장치와 In-line 입도 분석장치로 24시간 무인운전이 가능하기에 비용절감효과도 뛰어납니다.

이와 같은 Ball mill (S.O.)과 Turboplex(ATP)조합은 전 세계의 석회석 플랜트에서 기동되고 있으며 초미분~범용 그레이드까지 대응 가능한 세계 표준이 되고 있습니다.

그림 5. 슬릿 플레이트

대표적인 미네랄 분쇄 시스템

Ball mill 폐회로 분쇄 시스템

그림 6. 볼밀과 분급기를 결합한 폐회로 구성

Multi Rotorplex 분급기와 Agitated ball mill ATR의 편성(초미분쇄)

ATR는 입도 10μm 미만의 미네랄 건식분쇄에 이상적인 장치입니다. 큰 비표면적을 가진 d₉₅<2μm의 입자 지름의 제품을 얻을 수 있습니다. ATR는 고성능 분급기와 조합함으로써 건식에서는 가장 fine한 탄산칼슘 필러를 제조할 수 있습니다.

그림 7. ATR 시스템(Ball mill)

| Table roller mill AWM

중경질의 미네랄 원료에 많은 실적이 있는 분쇄기입니다. 일반적으로 공업용 벌크 제품의 입경은 d97=10~40μm이며, AWM은 이 영역의 제품의 제조에 최적이라고 할 수 있습니다. AWM Table roller mill은 Compact 한 설치공간, 높은 처리 능력, 낮은 에너지 소비라는 특징을 갖습니다. 입도와 Capacity의 관계는 표 3을 참고 부탁드립니다.

표 3. AWM의 처리 예

그림 8. 돌로마이트 가공 중인 테이블 롤러밀 AWM

그림 9. AWM Flow sheet

Counter Jet mill AFG

초미분(d97=5~20μm)의 제조에 적합합니다. AFG는 주로 Powder끼리의 충돌로 미세화 하는 기구이기 때문에, 금속오염이 없는 제품 생산이 가능합니다. 또한 우수한 박리기능을 가지고 있기에, 탈크나 운모와 같은 층상구조를 가진 재료 처리에 적합합니다.

표 4. AFG를 이용한 탈크 분쇄 예

그림 10. ATP Multi-rotor 분급기를 내장한 710/4 AFG Counter Jet Mill

탈크 (Talc) 분쇄

석회석과 비교하여, 탈크는 증량제 중에서도 특별한 재료 중 하나입니다. 산지에 따라 특성이 크게 다르며, 사용처도 다양하기 때문에 목적에 맞는 공정의 설계가 필요합니다.

탈크의 특징은 다음과 같습니다.

  • 층상구조
  • 낮은 모스경도(1)
  • 물에 녹지 않음
  • 높은 백도(Whiteness)
  • 화학적 안정성

이러한 특성을 살린 탈크의 대표적 사용처는 다음과 같습니다.

  • 제지분야
    • 코팅용 안료
    • 피치(불순물) 조절재
  • 플라스틱 제조분야
    • 경도와 치수 안정성을 높이기 위해 폴리프로필렌 증량제(범퍼 등)으로 사용합니다.
  • 기타
    • 그 외 화장품, 제약, 세라믹 산업에 각종 응용사례가 있습니다.

탈크 분쇄에 있어서는 다음과 같은 사항을 주의해야 합니다.

  • 연질의 탈크 내부의 불순물(석영, 돌로마이트 등)의 마모성
  • 층상구조의 유지

당사에서는 탈크의 분쇄에 AWM Table roller mill이나 AFG Counter jet mill, ACM Pulverizer를 사용합니다.

범퍼

층상구조의 예

AFG는 탈크 초미분쇄의 세계 표준이 되고 있습니다. Jet 분쇄기에 Multirotor 분급기를 적용함으로써 대량의 Capacity에서 초미분 분급(예: d₅₀=1μm)을 가능하게 만들었기 때문입니다. 대형 Jet mill(800/3AFG, 1250/6AFG)은 탈크 업계에 전반에서 사용중이며, 새로 개발된 1500/3AFG는 세계최대의 Counter jet mill(최대 에어 유량 330Nm3/min)로써 처리 능력이 크게 증가하였습니다. 본 장치는 탈크용 사양으로 Mega jet nozzle(특허)을 장비하고 효율적인 분쇄를 위해 고온 압축공기를 사용하고 있습니다.

800/3 AFG의 참고 데이터

그림 11. 800/3 AFG의 탈크 분쇄예(참고)

그림 12. 세계 최대 Counter jet mill 1500/3 AFG

그림 13. AFG flow

펄라이트

기능성 필러는 플라스틱, 도료, 니스, 보온재료로 건설업계에서도 사용되고 있습니다. 이들 증량제는 원료 고유의 특성을 유지하기 위해 혼합됩니다. 예를 들면, 발포 펄라이트는, 도료나 바니스의 필러로서 이용되며, 아래와 같은 특징이 있습니다.
  • 적은 필러 양
  • 석영이 포함되지 않은 결정형
  • 낮은 겉보기 밀도
  • 속건성
  • TiO₂의 대체품

| 코팅(표면처리)

그림 14. 부유성을 띄도록 코팅된 미네랄 파우더

그림 15. 시스템 관리화면


미네랄 파우더의 표면처리에는 Contraplex가 표준적으로 사용되고 있습니다. 가장 많이 사용되는 것은 미분의 코팅입니다. 탄산 칼슘 분체(d₉₇=2~20μm)에 스테아린산을 코팅하는 경우에는 Contraplex를 추천드립니다. 

Contraplex는 강한 분산력과 함께 지방분이 부착하기 어려운 구조를 띄고 있어 추천드립니다. 다른 어플리케이션으로서 탈크와 고령석에 대한 코팅이 있으며 표면 처리에는 실란도 자주 사용됩니다. 이렇게 표면 처리한 미네랄은 핸들링이 용이할 뿐 아니라 미네랄파우더와 폴리머 사이에 단단한 결합을 만들 수 있습니다.

표면처리를 한 증량제는 다양한 분야에 사용됩니다. 예를 들어, PVC파이프나 자동차 부품에서, 단순한 증량을 위한 Filler로서 만이 아니고, 충격강도향상과 같은 플라스틱 특성의 개선을 위해서 사용됩니다.

탄산 칼슘의 코팅 품질을 결정하는 것은 적절한 온도의 제어, 그리고 원료 분체 및 코팅제(0.5~2%)의 정량 공급성입니다. 공정을 최적화할 수 있는 신개발 코팅제 용융 유닛에서는, 2성분 노즐을 통해서 코팅제가 혼합 병에 스프레이 되며 여기에서 미네랄 파우더와 순식간에 섞입니다. Contraplex의 강력한 혼합·분산력과 최적의 온도제어를 통해 뛰어난 코팅 품질이 달성됩니다. 이 프로세스는 PLC 제어 시스템에 의해 관리됩니다.

 Contraplex는 연속생산이 가능하여, 일부에서 사용되는 Batch 타입과 비교해 코팅되지 않은 원료가 적고 덩어리나 응집입자도 적은 최고 품질의 제품을 생산할 수 있습니다.

그림 16. Contraplex 800CW

플라스틱성형품 (PVC제)

자동차부품의 예