목표 : 취급, 압축성형, 소결 과정을 손쉽게 하기 위한 공정 .
종류 : 분말의 분류, 불순물 제거, 건조, 산화/환원,혼합/배합, 바인더 혼입, 교반, 조립화 등
안전과 건강에 대한 고려사항
• 10μm 이하의 분말들은 인간의 호흡기 filtering한계를 넘어 체내로 흡수가능
(납 등의 유독 물질의 경우 취급에 별도의 보호장구 착용 및 세심한 주의필요)
• 나노크기의 분말들은 유해하지 않더라도 체내 흡수 및 전달이 매우 빠르며 허파 등의 기능장애를 일으킬 수 있음 • 급속산화(폭발) 위험 : 고순도의 submicron size 분말은 항상 폭발 위험성 내재 Al, Zr, Ta, Th, Ti 등의 분말은 spark나 뜨거운 표면에 의해 발화가능. 예를 들어 배기구에 쌓인 분말의 폭발 등.
• 급속산화 억제방법 : 청정환경 유지, 표면의 부동태화(passivation산화억제), 표면코팅, 스파크나 열원의 제거
5. 분말의 예비처리 : 형상화와 조밀화를 위한 분말 처리
• 분말의 전처리
1) 분말의 세정과 건조: 전해조, 반응조를 이용하여 환원성 분위기 하에서 여과 및 건조
2) Mechanical treatment :
치밀화(densification), 혼합(mixing), 균일화 배합(blending), 피복(coating),
3) 분급 (classification) : 적절한 입도 분포 군별로 분리
4) 조립화(granulation) : 유동성 확보
ex) fine particle → IF 증가 → non flowing → (fine particle + solvent + dispersant
+ binder+ lubricant) → spray drying → granulation
1) 응집(agglomeration )과 탈응집(de agglomeration)
• 작은 입자들의 응집은 충진, 흐름, 혼합, 압축 성형, 소결에 방해
• 응집의 원인 : 반데르 바알스의 힘, 액체의 존재 , 자성 등
① 반데르바알스 힘 : 매우 작은 입자간 (~50nm)의 약한 응집력
② 젖음성이 있는 액체의 존재 :
입자간의 진자 유체결합(pendular bonds)에 의해 응집
모세관
탈응집(de agglomeration)
• 건조, 밀링 , 표면처리, 탈 자화 등
약한 밀링 전후의 분말 입도의 변화
2) 입자조절 (modification) • 충진과 흐름의 주요 인자 (major factor) : 입자의 형상
표면의 거칠기와 불규칙성에서 입자간 마찰증가
표면적/ 불규칙도↑ ⇒충진밀도 ↓, 안식각도 ↑, 흐름 ↓ (표면산화는 입자간 마찰을 줄이는 효과)
• 불순물의 표면집중 ⇒ 표면청정 처리 필요 by 공기분급(air classification), 정전기분리, 산화 물질의 환원처리, 자성 분리 (magnetic sorting) 등
• 표면형상제어: by 화학적 용해, 밀링, 초음파 침식에 의한 표면 위상 변화
3) 입자 충진 조절 (packing modification)
• 충진밀도 : 크기, 형상, 습기에 따라 영향 • 단일 크기 분말의 충진 밀도: 초기 0.6 ⇒ 진동시 0.64 ( 배위수, coordination number, 6-7)
• 불규칙 입자의 충진 밀도 : 초기 0.3 (CN 2-4), 스펀지형 의 경우 더 작음
충진 밀도의 향상
• 두 가지 다른 입자의 혼합 사용
)1(
,
*
*
*
LSL
L
ffff
f
fX
최적충진밀도
최적배합
이상적인 배합:
큰 입자 73.4wt.% +
작은 입자 26.6 wt.% =
충진밀도 87%
큰 입자70%+작은 입자30% 혼합 분말의 충진 밀도에 대한 입자크기의 영향 : 입자크기 비가 약 7:1이 될 때까지 급격히 증가
7
Graded
4) 삼투 (percolation)의 개념 • 절연체와 전도성 입자들이 섞여 있지만 분말 층에 연속 층이 형성되어 전도성을 유지하는 충진
임계 값 존재(critical event)
삼투 한계 (threshold) :느슨한 충진의 경우 25-25 vol.%의 전도성분말 , 조밀 충전의 경우 18vol. %
느슨한 충진의 임계삼투분율
4) 고분자 첨가제
분말의 혼합특성, 성형 특성을 향상 시키기 위하여 첨가
• 용매 : 물 등의 첨가제를 분산시키 위해 일시적으로 사용하는 액체
• 분산제 (dispersants) : 입자 분산제 (polyacrylate 등)
• 가소제 (plasticizer) : 혼합물의 점성을 낮추기 위해 첨가( 글리세린 등)
• 표면 활성제 (surfactants) : 분말의 젖음성을 향상시키기 위함(스테아린산 등)
• 증점제 (thickeners) : 혼합물의 점성도를 높이기 위해 첨가 (guar gum 등)
• 바인더 (binder) : 분말에 성형강도 제공 (파라핀 왁스 등 )
• 윤활제 (lubricants) : tool의 마모 방지 (스테아린산 아연 등 )
윤활제 : tool의 마모 방지, 방출작업(이형)을 용이하게 함 (스테아린산 아연 등 )
- 금형벽에 바르는 방법, 분말에 첨가하는 방법
- 스테아린산 분말이 널리 사용되며 일반적으로 0.4%-1.5wt%첨가
윤활제가 첨가된 수분무 SUS powder의 겉보기 밀도변화
흐름시간에 대한 윤활제의 영향
성형성에 대한 윤활제의 영향 방출압력에 대한 윤활제의 영향
바인더 : 성형체에 강도를 부여하기 위해 첨가
냉간등압성형, 다이성형, 사출성형, tape casting, slip casting 등 공정에 사용 (왁스형태의 고분자)
응집제(agglomeration agents) :
흐름성을 향상시키기 위하여 의도적으로 구형으로 조립화(粗粒化), 고속생산에 중요한 변수
- 분무건조(spray drying) : 가끔은 속이 빈 구형, apple 형 조립자 생성 가능 (소포제 첨가로 방지)
- 정전응집 : 일정 범위 내의 크기와 모양
- 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리에틸렌 글리콜, 파라핀왁스 등
Spray dried WC-Co powders 겔화 결합제와 함께 전기 영동 기술을 이용한 조립화 Al powder
분산제(dispersants) : 분산을 통해 입자간 힘을 감소시켜 흐름성과 충진밀도를 향상시킴
- 표면장력을 줄이도록 액체안에서 교반, 또는 초음파 교반
- 분말표면에 계면 활성 고분자 첨가
- PH 제어로 표면에 전하를 발생시켜 비전도성 분말의 분산
- 분말표면에 고분자 코팅 등
코팅 및 결합 분말 :
2개 이상의 상으로 이루어진 composite powders
복합 재료분말 합성 : 코팅, 분산된 내부상, 표면응집, 부분적 합금 점착
분말코팅의 예 : 연철 + 흑연(in polymer solvent)
흑연 박편
용매는 증발하고 접착코팅만 남는다
코팅 및 결합 분말 :
• 유동상 기법 ( fluid bed) : 입자 접합, 코팅 공정의 하나
Ni coated Fe powders 코팅증기가 포함된 뜨거운 기체가 흐르면서 공중에서 교반
• 전기화학적 코팅 법 : W-Cu, Ni+graphite 등
5) 혼합과 배합 (mixing and blending)
분말 충진시 문제점 : 입도 크기별 분리
Trouble shooting:
- 운송 후에는 항상 건조한 분말을 재 배합한다 .
- 건조한 분말에 진동을 주지 않는다.
- 자유낙하 방법(입자 크기 분리 가능)을 사용하지 않는다.
- 분말-바인더 혼합 시 불필요한 전단(shearing )을 피한다.
• 혼합 (mixing) : 상이한 종류(상이조성, 입도차이)의 혼합
비중, 입도 분포, 형상, 표면상태 등 고려
• 배합 (blending) : 동일종류(동일조성, 입도차이) 의 혼합.
미세분쇄 균일화 ; 물리적, 화학적 입도 분포의 균일화
• 분말 혼합 시 밀도
ccg
ccg
g
ccg
g
g/40.7
/09.1
1
/86.7
99
100
혼합밀도
• 건조 분말의 혼합의 방식
산포, 환류, 전단 산업용 double cone mixer
원통형 믹서에서의 분말부피와 회전속도에 따른 혼합율의 변화
• 액상바인더의 혼합 : powder-binder feed stock을 만들기 위한 준비공정
powder-binder의 밀도 대비 혼합특성
• 혼합물의 균일성
농도성분분말주지수균일성혼합
PPP
r
XXXSwhereSS
SSM ),1(,)( 2
022
0
22
0
S0=초기에 분리된 혼합물의 분산, Sr =임의 예측분산
0 ≤ M ≤ 1
층화 혼합 뭉침 혼합 균일 분산 혼합
1) 입상화(pelletization) 및 과립화 (granulation)
• 조립화(granulation) : 흐름성 확보 ex) fine particle → IF 증가 → non flowing → (fine particle + solvent + dispersant + binder+ lubricant) → spray drying → granulation
분무건조시스템(spray dryer)
