카본블랙

카본블랙(Carbon Black)

카본블랙(Carbon Black)은 미세한 탄소의 분말. 이른바 그을음이다. 고대로부터 생활 주변의 가장 뛰어난 분체(紛體)로서, 잉크·먹·그림물감으로 사용되어 왔다. 20세기에 들어서서 고무의 보강제(補强劑)로 쓰이게 되어, 고무공업의 발전과 함께 카본블랙의 제조도 활발해졌다. 중합체(重合體)의 내후성열화(耐候性劣化) 방지, 전기전도성(電氣傳導性)향상을 목적으로 한 용도, 또는 탄소재(炭素材)로 사용된다.

카본블랙은 탄화수소가 열분해 또는 불완전연소함으로써 생성된다. 따라서 제법은 열분해법과 불완전연소법으로 나뉜다. 카본블랙은 흑연형 구조의 탄소 육각형의 그물코의 층이 3~5층 겹쳐져 사슬 모양으로 연결된 구조(스트럭처)이다. 이 층에는 카르복시기(基)·히드록시기〔水酸基〕·카르보닐기 등의 기가 존재하는 것도 있다. 카본 블랙의 물성(物性)을 지배하는 3가지의 요소는 입자(粒子)지름, 스트럭처 및 표면의 성질(pH, 휘발분)이다. 입자 지름은 보통 10~500mμ인데, 입자 지름이 작을수록 검은 색조가 강하고 착색력도 크다.

개요

카본블랙은 숯의 일종이다. 탄소(C)가 주성분이며 일종의 불순물이 함유되어 있어서 100% 탄소는 아니지만 순수탄소계열인 다이아몬드, 흑연, 탄소화이바,숯 등과 동일한 조성을 가진다. 카본블랙은 비결정질로 분류가 되는데 이는 작은 결정단위들이 구형(공모양)으로 뭉쳐져 있어서 결정화가 흑연보다 덜 된 이유이다. 카본블랙의 형상은 포도송이를 연상하면 된다. 포도알맹이들이 많이 모여서 포도송이를 이루는 것과 같이 카본블랙의 입자(particle)도 응집체(aggregate)를 이루고 있다. 이 응집체 가 카본블랙의 기본단위이다.

카본블랙은 천연가스, 타르, 오일(oil) 등의 탄화수소(炭化水素) 등을 불완전 연소시켜 생긴 그을음을 모으거나, 열분해에 의해서 탄소육원환(炭素六員環)의 형성이 행해지고 이어 탈수소축합(脫水素縮合) 등의 과정에 의해 다환식방향족(多環式芳香族) 화합물을 거쳐 탄소원자 6각 그물구조의 소위 카본블랙 결정자(結晶子)를 낳는데, 이 결정자의 집합체가 carbon black이다. 즉 오일 및 가스의 불완전연소된 그을음으로 생각할 수 있다. 11% 정도가 인쇄잉크를 비롯하여 흑색안료(黑色顔料)로 사용될 뿐이며 85 %가 고무용으로 쓰일 정도로 대표적인 고무 첨가제이다. 고무용에는 입자가 미세한 사슬 모양의 결합이 없는 것이 적합하며, 증강제(增强劑)나 내유성(耐油性) ·내열성(耐熱性) 등의 보강충전제로 사용된다.

카본블랙의 3대 특성

• 입자크기 : 포도알맹이 크기에 따라서 폴리머와 혼합되었을 떄 나타나는 물성이 많이 다르다. 일단 작은 입자의 카본블랙은 고무나 플라스틱을 더 딱딱하게 만든다. 색깔 또한 더 검게 보이게 한다. 페인트/잉크와 같은 액상과 혼합하면 점도가 더 높아진다.
• 응집체 크기 : 포도송이의 크기에 따라서 폴리머와 혼합되었을 떄 나타나는 물성이 다르다. 응집체가 큰 카본블랙은 고무나 플라스틱의 분자사슬을 많이 감싸 쥐므로 형상을 잘 고정하는 효과가 있고 점도도 올라간다. 응집체가 길고 크면 혼합물의 전기전도성이 좋아진다.
• 표면화학 : 카본블랙의 표면에는 미량의 유기물들이 존재한다. 미량이지만 화학적 특성에 따라서 폴리머 혼합물에 영향을 미친다. 특히 액상인 페인트와 잉크 등에 많은 영향을 미친다. 산성의 유기물을 많이 함유한 카본블랙은 극성을 갖는 폴리머와 상용성이 좋아서 분산도 잘되고 저장 안정성이 좋다.

분류

• 고무용 카본블랙

고무용 카본블랙은 카본블랙 시장의 대부분을 차지하고 있으며 자동차, 항공기 및 산업용 타이어 등 고무 관련 제품의 필수 보강제로서 사용되고 있다. 고무용 카본블랙은 Grade별 특성에 따라 크게 Hard grade(Tread), Soft grade(Carcass)로 나눠지며, Hard grade는 타이어의 도로 장착면, Soft grade는 타이어의 측면부분에 주로 사용됩니다.

• 특수용 카본블랙

특수용 카본블랙은 흑색착색제로서 산업용 페인트,코팅,플라스틱 및 섬유용 착색제, 각종 인쇄물 및 신문 인쇄용 잉크등에 주로 사용되고 있으며, 또한 전자부품의 전도성 소재로서 산업부문 전반에 걸쳐 다양하게 사용되고 있다.

• 도전성 카본블랙

Ketjenblack EC는 매우 우수한 도전율 때문에 일반적인 다른 카본블랙과는 매우 다른 물리적 성질을 갖는 카본블랙이다. 이러한 성질은 전도성을 얻기 위한 컴파운딩시에 특별한 장점을 갖고 있다. Ketjenblack EC의 부가적 성질은 배합 시에 원하는 물성을 얻기 위하여 비교적 자유로운 컴파운딩 조제 선택이 가능하다.

제조원리

카본블랙의 공법에는 Furnace공법(가장 많이 채택), Channel공법, Thermal공법, Acetylene공법 등이 있다. 공법은 달라도 카본블랙이 생성되는 원리는 같다. 흔히 우리가 접할 수 있듯이 기름을 태우면 검은 연기가 생긴다. 이 검은 연기는 연기자체가 검은게 아니라 연기 중에 검정색의 그을음(이 또한 카본블랙의 일종이죠)이 혼재해 있기 때문에 검게 보이는 것이다. 이 그을음을 유용하게 사용한 예가 바로 옛날 옛적부터 사용한 잉크이다.

검은색 안료로 사용된 검은 그을음이 변색이 잘 안되고 오래간다는 것을 원시인 때 부터 알게 되었다. 고대벽화의 검은색이 바로 현대 카본블랙의 조상이다. 기름을 태우면 검은 그을음이 나오는것은 산소가 불충분해서 완전연소가 이루어 지지않고 불완전연소되면서 열분해되어 탄소만 생성되어 나온다. 이 그을음을 잘 포집하기 위해 차가운 Channel(물을 채워 냉각)의 표면에다가 붙였다가 떼내는 방법을 쓴다. 이게 바로 Channel Black이다.(예전 독일 Degussa에서 Gas Balck이라고 명명한 제품은 원리는 같고 각형의 Channel 대신에 원통을 써서 연속적으로 포집하게끔 공정을 개발했다) 더 효율적으로 생산/포집하기 위해 Furnace공법을 개발하였는데 고열의 반응로안으로 노즐을 통해 기름을 분사하면 기름이 고온(1500도 이상)에서 열분해되어 카본블랙이 만들어 진다. 반응로 크기나 형상, 로 내의 온도, 분사되는 원료유의 양, 노즐의 형상, 반응을 끝내는 시간 등에 따라 다른 품종을 생산하게 되는데 아주 미세한 공정의 조정이 필요하다. 반응로는 고온에서 견뎌야 되니까 고내열성의 내화물을 사용하고 생성된 카본블랙(분말로 생성)을 포집하고 조립(Pellet또는 Bead라고 하여 은단알 같은 알갱이로 뭉치는 공정),포장하는 공정을 거쳐 제품이 완성된다.

재생카본블랙(Recovered Carbon Black, RCB)

RCB는 이산화탄소를 배출하지 않는 열분해 공정을 통해 생성된다. 버진카본블랙 1톤 생산당 약 2.5~3.0톤의 이산화탄소가 배출된다는 것을 생각하면 온실 효과를 제어하는 데 많은 도움이 되는 것이 확실하다. 또한 대기오염의 주된 원인인 유황 산화물과 질소 산화물을 배출하지 않으며, 버진카본블랙 생산 과정에서 만들어지는 PAH 화합물(암 및 심혈관 질환을 일으킬 위험이 있다) 역시 RCB 생산과정에서는 만들어지지 않는다. 전 세계 재생카본블랙(Recovered Carbon Black, RCB) 시장은 2018년 5억 5,000만 달러(한화 약 6,176억)에서 2023년 49억 1,000만 달러(한화 약 5조 5,134억)까지 연평균 55.0%로 성장할 전망이다. 타이어를 비롯한 고무제품, 플라스틱, 코팅제로의 용도 확대와 폐타이어의 가용성, 저비용성 등이 시장성장을 촉진하고 있다.

참고자료

• 〈카본블랙〉, 《사이언스올》
• 〈카본블랙〉, 《평화약품》
• 송유림 연구기획 분석팀, 〈환경친화적인 소재, '재생카본블랙(RCB)' 시장이 성장 | TePRI 기술정책연구소〉, 《KIST기술정책연구소》, 2019-02
• 카본블랙지키미, 〈카본블랙의 제조원리〉, 《네이버 블로그》, 2012-01-16
• 카본블랙지키미, 〈카본블랙의 개요〉, 《네이버 블로그》, 2012-01-16

같이 보기

• 탄소
• 흑연
• 고무
• 석탄

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