가용성규산염의 경화메커니즘

가용성규산염의 경화메커니즘

가용성규산염은 필름, 접착, 결합, 반응성 바인더로 사용됩니다. 가용성규산염을 바인더로서 성공적으로 적용되기 위해서는 가용성규산염의 물리적ㆍ화학적 성질과 경화 메커니즘에 대한 이해가 바탕이 되어야 합니다. 가용성규산염은 ‘물의 증발(탈수)’와 ‘화학적 경화’를 통하여 필름이나 접착을 형성하고, 이들은 가용성규산염의 수화와 탈수, 겔화와 중합, 침전과 표면전하의 개량의 세 가지 화학반응을 기반으로 합니다. ‘증발 건조’와 ‘화학적 경화’는 각각 사용되기도 하지만 일반적으로는 병행 사용됩니다. 화학적 경화는 필름의 습기에 대한 저항성 향상, 경화시간의 단축, 최종 접착강도의 향상 등에 도움이 됩니다.

증발 건조 (Evaporation drying)

액상규산염에서 물이 증발하면 점차적으로 끈적거리고 점성이 높아집니다. 비교적 적은 양의 물이 제거되더라도 물유리는 매끈한 필름을 형성합니다. 그렇지만 필름 표면의 빠른 건조는 내부 수분의 증발을 방해하여 완전한 건조가 어렵고 물을 만나면 쉽게 수화되어 다시 물에 녹습니다.

규산염 필름의 내수성 개선시키기 위해서는 실리카 대 알칼리금속의 몰비가 높은 제품을 선택하여 사용하고 필름 두께를 얇게 하는 것이 유리합니다. 더욱 내수성을 향상시키기 위해서는 열 건조가 필요합니다. 열처리를 할 때, 초기에는 온도를 100℃ 미만으로 올려 (물의 끓는점 아래 온도에서) 천천히 물을 제거하고, 150~200℃ 정도에서 5~10분 동안 열처리합니다. 너무 빨리 높은 열을 가하면 필름 내부에서 스팀이 발생하여 부풀어 오르고 스팀이 빠져나오면서 매끄러운 필름을 유지할 수 없습니다. 단열 코팅과 같은 용도에서는 이 부풀어 오르는 성질을 이용할 수도 있습니다.

규산염을 접착이나 결합용 바인더로 사용할 때 빠른 시간 내에 충분한 초기강도를 얻는 것이 중요합니다. 더욱 빠르게 초기강도를 높이기 위해서는 제조공정 측면에서도 재료의 온도와 습도, 바인더의 온도와 가사시간, 적절한 혼합방법 등을 함께 조절할 때 효과를 높일 수 있습니다. 필요에 따라 화학적 경화제를 함께 사용하면 초기강도 발현과 경화시간 단축에 도움이 됩니다.

화학적 경화 (Chemical setting)

액상규산염에 산성염(acidic salts), 유기산(organic acids), 에스테르(esters), 탄산염(carbonates) 등의 경화제를 첨가하면 겔화와 중합반응이 일어납니다. 액상규산염으로 결합되는 재료의 표면이 산성이거나 액상규산염으로 배합된 재료가 고농도 CO2 가스에 노출될 때도 이 반응은 일어납니다. 액상규산염의 실리카 대 알칼리금속의 몰비가 높을수록 겔화와 중합반응은 빨리 일어납니다. 규산염의 규산이온 모노머, 폴리규산이온, 콜로이드상의 규산이온 미셀 등 다양한 족들이 서로 가교(cross-linking)하여 중합체를 형성합니다. 중합된 규산염으로 형성된 결합은 탈수에 의해 형성된 결합만큼 강하지는 않지만 내수성은 더욱 높습니다.

액상규산염은 다가의 금속 양이온과 거의 순간적으로 반응하여 불용성 금속 규산염을 형성합니다. 일반적으로 사용되는 금속 이온은 Ca+2, Mg+2, Zn+2, Cu+2, Fe+3 등이 있습니다. 일반적으로 몰비가 낮은 규산염보다 몰비가 높은 규산염이 화학적 결합에 적합한데 그 이유는 실리카 성분이 양이온과 반응하기 때문입니다. 화학적 경화는 비교적 빠르게 일어나고 경화제의 선택 및 투입량에 따라 바인더나 코팅제의 가사시간 및 결합강도를 조정할 수 있습니다.

규산염은 Ca+2와 매우 빠르게 반응하기 때문에 시멘트의 경화촉진제로도 사용됩니다. 포틀랜드 시멘트가 매트릭스 바인더로 사용될 때의 일반적인 문제는 초기강도 발현입니다. 규산염을 시멘트 배합에 함께 사용하면 시멘트의 경화를 촉진시킵니다.

규산염은 포졸란을 활성화시키는 가장 좋은 재료로 알려져 있습니다. 포졸란(pozzolan)은 매우 미세한 실리카 또는 실리카와 알루미나 재료로서 프라이애시(fly ash)와 고로슬래그(blast furnace slag)가 대표적입니다. 포졸란이 경화하면 경제적이고 환경친화적인 매우 견고한 제품을 만들 수 있습니다. 액상규산염의 알칼리금속 성분은 포졸란의 실리카 성분을 활성화시키고, 액상규산염의 실리카 성분은 칼슘실리케이트 수화물과 알루미나실리케이트 수화물을 형성하는데 기여합니다.

가용성규산염 필름과 접착의 성질

습도 저항성

일반적인 가용성규산염 필름은 습도에 민감합니다. 적절히 건조시키거나 경화를 시켰어도 습도에 의해 다소 뿌옇게 흐려집니다. 내수성을 향상시킨 제품을 사용하면 습도 저항성을 개선시킬 수 있습니다.

열 저항성

가용성규산염 필름이 완전히 탈수되면 고온에 대해 훌륭한 저항성을 나타냅니다. 대부분의 가용성규산염 필름과 접착은 650℃ 근처에서 물러져서 820~870℃에서 녹아 흘러내립니다. 고온 저항성을 높이기 위해 배합에 알루미나와 마그네시아를 함유한 클레이(clay)를 첨가하면 세라믹 결합을 형성하여 1700℃ 이상의 고온 저항성을 얻을 수도 있습니다. 금속파우더를 가용성규산염 바인더에 혼합하여도 고온 저항성을 나타낼 수 있습니다.

전기적 성질

완전히 탈수된 규산나트륨과 규산칼륨은 훌륭한 전기적 성질을 갖습니다. 3.3몰비의 규산나트륨이 탈수되었을 때 거의 3x1010 ohm-cm의 전기 저항성을 갖는데 일반 판유리와 유사한 수치입니다. 전기 저항성은 규산염의 몰비가 낮아질수록 낮아집니다. 규산칼륨이 완전히 탈수되면 규산나트륨보다 탁월한 전기 저항성을 보입니다. 규산칼륨과 규산나트륨을 적절하게 혼합하여 사용하면 최고의 저항성을 얻을 수 있습니다.

자외선(UV) 투과성

가용성규산염 필름은 일반적으로 자외선 노출에 안정합니다. 정제된 고순도 규산나트륨의 경우 파장이 430~700㎛인 빛을 92~98% 투과시킵니다. 400㎛ 이하 파장의 빛은 투과율이 급격히 떨어져서 325㎛의 파장에서는 약 40%의 투과율을 보입니다. 규산염 필름이나 접착제에 자외선을 흡수하는 필러나 안료를 사용할 수 있습니다. ZnO를 포함한 안료를 규산칼륨 코팅제에 사용하면 태양광을 흡수하여 적외선을 방출합니다.

불투명도와 색상

가용성규산염 필름에 이산화티탄이나 알루미나 안료를 사용하면 불투명하게 만들 수 있습니다. 클레이와 같은 필러는 반투명 필름을 만들 때 사용합니다. 가용성규산염 바인더는 강알칼리성이기 때문에 내알카리성 안료를 사용해야 합니다. 가용성규산염 코팅을 종이나 기타 재료에 사용할 때, 코팅제의 알칼리성 때문에 재료의 색상을 검게 만들 수 있습니다.

유연성

가용성규산염 코팅제나 접착제는 높은 유연성을 요구하는 용도에는 단독으로 사용할 수 없습니다. 규산염에 설탕이나 글리세린, 다가알코올, 고무라텍스를 가소제로 첨가하거나 미분 클레이와 유사한 필러들의 도입하면 약간의 유연성 개선에 도움이 됩니다.