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Carbon black(카본블랙)
Carbon black(카본블랙)
HS No. : 2803-00-9010
CAS No. : 1333-86-4
별명 : Channel black
성상 : 카본블랙은 입자의 크기 응집상태, 표면특성 등이 조절되는 공정조건하에서 만들어진 '탄소원소'로 정의되어질 수 있다. 카본블랙이 사용되기 시작한 지는 거의 100년 가까이 되었으며 그 동안 제조방법의 발달과 함께 다양한 등급의 제품개발이 활발히 이루어져왔고 이에 따라 꾸준한 시장의 변화가 일어났다. 카본블랙은 흑색이나 대회흑색의 분말이며 유기물(탄화수소)의 불완전 연소 또는 열분해에 의해 생성된 그을음이다. 성분은 탄소이지만 그 표면의 미크로적인 상태가 제법 및 원료에서 달라지고 단순히 탄소의 미립과는 다르기 때문에 고무약품과 혼화하였을 때에 특징을 발휘하는 것이다.
일반적인 성질로서는 물에 젖기 힘들고 그의 산소, 수소, 무기성분(회분)에서 이루어진다. 비중은 1.8∼7.9인데, 외관 비중은 일반 0.35∼0.4(입상), 0.04∼0.08(분상)이다. 카본블랙에서 가장 중요한 세 가지 물성은 pH, 표면적 및 입자구조다. 채널블랙이 산성을 나타내는 반면, 물과 함께 냉각되는 퍼니스 블랙은 알카리성이다. pH는 고무산업에서 사용되는 가황촉진제의 선택에 큰 영향을 미친다. 산성의 카본블랙은 가황을 억제시키는 반면, 알카리성은 가황공정을 촉진시킴으로써 초기 가황시간을 단축시키는 역할을 한다. 따라서 새로운 등급의 카본블랙 개발은 고무산업에서의 가황촉진제 선택과 관련돼 연쇄적으로 공정 및 시장 변화를 가져온다. 표면적은 카본블랙의 강화물성과 가장 큰 관련을 가지고 있다. 일반적으로 고무산업에서는 표면적이 9~153㎡/g 사이에 분포되는 카본블랙을 사용한다. 카본블랙의 표면적이 커질수록 내마모성은 향상되나 고무와의 혼합공정 시간과 혼합을 위한 동력소비량은 급격히 증가한다.
세 번째 물성은 탄소가 응집된 정도를 나타내는 입자의 구조특성이다. 개별입자의 구조가 비교적 큰 열분해 블랙은 구조의 발달이 낮은 반면, 오일을 원료로 하여 퍼니스 공정에서 생산된 퍼니스 블랙은 입자들이 사슬형태로 얽혀진 비교적 잘 발달된 구조로서 나타난다. 구조가 잘 발달된 카본블랙을 사용할 경우 탄성계수(모듈러스), 강도 및 압출성 등의 물성을 증가시키는 반면에 초기 가황시간(스코치)을 감소시킴으로써 공정의 안정적 운용에는 나쁜 영향을 미친다. 합성고무에 있어서 구조가 발달된 카본블랙을 사용할 경우 고무와 카본블랙 혼합물의 점도(Mooney점도)가 높아지게 된다. 이 경우 혼합물에 첨가되는 오일(Extending Oil)의 비율이 높아지게 되고 결과적으로 전체적인 원료비 부담은 줄어들게 된다. 네 번째로 중요한 물성치는 카본블랙의 표면 활성도다. 표면 활성도는 카본블랙 자신의 표면특성 및 표면에 흡착된 산소의 양과 관계된다. 이 물성은 카본블랙과 고무와의 접착성과 깊은 관련이 있는 것으로 알려져 있으며, 특히 합성부틸고무와의 배합시 그 특성이 뚜렷이 나타난다. 이 외에도 표면 활성탄소가 발생열의 축적을 감소시킨다는 실험결과가 1965년경 발표되었다.
용도 : 카본블랙은 각종 고무보강제, 착색제 및 강충전제, 피혁가공, 합성수지 착색제, 에나멜도료, 전선, 건전지용, 종이, 펄프용, 화구, 크레용, 불꽃, 융설제, 화묵, 인쇄잉크, 카아본지, 흑색안료 및 도료, 연필, 레코드 먹물, 플라스틱, 보강용 도전제, 전극첨가제, 촉매담체, 초합금 합성원료, 각종 모터 브러시, 전기 접점, 천정크레인 저항체, 도전성 고무 코오퍼용 도립, 흡착제, 태양열 흡수도료 등에 사용된다.
카본블랙의 사용방향은 첫째, 높은 표면적 특성을 가진 제품을 사용함으로써 강화성을 향상시키고 둘째, 발달된 구조를 갖는 제품을 채택하여 혼합물내에서 카본블랙의 분산을 쉽게 함으로써 공정의 난이도를 낮추며, 아울러 압출성형 속도의 향상과 생산물의 내구성을 증대시키려는 것이다.
한편, 구조가 발달된 카본블랙을 사용할 경우, 제품의 주기적인 응력 부하에 따른 발생열이 증대되는 특성을 보인다. 이러한 이유로 인하여 발생열의 축적이 중요한 문제인 고하중 타이어 제조의 경우에는 1960년대까지는 채널블랙이 강화제로 사용돼 왔다. 그러나 퍼니스공정의 발달로 인하여 비싼 천연가스 대신에 오일을 사용하면서도 구조의 발달이 낮은 퍼니스블랙의 생산이 가능하게 되었다.
즉, 펴니스공정의 반응로에 금속나트륨을 첨가제로 투입함으로써 생산품의 구조발달을 조절할 수 있게 되었는데, 이러한 퍼니스블랙 제조기술의 개발로 인하여 채널블랙 수요의 상당부분이 퍼니스블랙으로 대체되었다. 최근에는 상기에 언급한 각종 물성치들을 종합적으로 고려하여 고무배합의 공정조건을 결정하는 기술이 발달돼, 구조가 발달된 카본블랙을 사용하여 앞서 언급한 여러 가지 우수한 물성을 유지하면서 동시에 발생열 축적 문제를 해결하는 방향으로 나아가고 있다.
카본블랙은 범용 카본블랙과 특수 카본블랙으로 대별할 수 있다. 범용 카본블랙은 각종 고무보강재로 사용되는 것을 말하며, 이는 다시 각종 물성 특성에 의하여 여러 등급으로 분류된다.
각 제품등급별 시장의 변화추이를 살펴보면 최초에는 HAF(High Abrasion Furnace)와 FEF(Fast Extrusion Furnace)급의 카본블랙이 SBR과 함께 사용됐다. 현재까지도 가장 많이 사용되고 있는 등급의 제품이지만 수요량은 일정하게 정체돼 있는 편이다.
HAF는 타이어의 트레드에 사용되며 내마모성이 높으면서도 타이어의 주기적인 응력부하에 따른 발생열의 축적이 적당한 특성을 갖는다. ISAF(Intermediate Super Abrasion Furnace)와 GPF(General Purpose Furnace) 등급의 제품은 1952년경 고속도로에서 고속주행 차량용 타이어의 트래드와 카캐스에 각각 사용되면서 소개된 제품으로 현재는 매우 빠른 속도로 HAF와 FEF등급의 시장을 잠식하고 있다. 입자가 더욱 미세한 SAF(Super Abrasion Furnace) 등급도 개발되었으나 수요가 기대한 것만큼 빠르게 성장하지는 않고 있다.
SRF(Semi Reinforcing Furnace) 등급의 경우는 여전히 타이어의 카캐스에 광범위하게 사용되고 있으나, 같은 미세구조를 가지면서도 구조가 더 발달된 GPF급의 제품이 SRF 시장의 성장률의 대부분을 대체하고 있다. 이외에도 미세한 입자크기를 가진 제품들(SAF, ISAF, HAF)이 다양한 형태의 구조를 가진 제품으로 제조되고 있다. 특수 카본블랙은 플라스틱, 잉크, 페인트 및 전도성, 자외선 차단용 등에 주로 사용되는 고부가가치의 제품으로 표면적이 넓고 입자의 직경이 미세하다.
원료 : 크레오소트유, 그외에 천연가스, 아세틸렌가스, 나프탈렌, 안트라센, 석유, 석탄가스 등
제법 : 최초의 카본블랙 제품은 채널(Channel)공정에 의해 생산됐다. 천연가스를 공기가 부족한 상태에서 태우면 탄소가 생성되고, 생성된 탄소와 연소가스는 반응기 말단부위에 설치된 강철판에 충돌되어 검뎅이 된다. 생성된 검뎅은 천천히 움직이는 강철 채널에서 연속적으로 제거되어 카본블랙 제품으로 생산된다. 본 공정에 의해 생산된 카본블랙은 천연고무 강화제로 가장 많이 이용되었으며, 이후 고무시장에서 합성고무의 수요가 늘어남에 따라 채널공정은 점차 사라지게 되었다. 채널공정이 사라진 또 하나의 이유는 경제성에 근거한다. 즉 카본블랙 1파운드를 본 공정을 이용하여 생산할 경우 필요한 천연가스는 500ft3에 이른다. 한 때 미국내의 오일 생산지역에서의 천연가스 가격은 거의 무시할 만 하였으나, 점차 천연가스를 파이프 라인에 의해 도시지역으로 이송하여 동력원으로 사용하기 시작하면서 가격이 상승됐고 이에 따라 채널공정의 경제성이 감소되어 새로운 공정으로 대체되기 시작하였다.
현재 생산되고 있는 범용 카본블랙의 대부분은 퍼니스(Furnace) 공정으로 제조되고 있다. 퍼니스 공정에서는 원료가 연소가스와 함께 내화물로 라이닝(Lining)이 된 반응로(퍼니스)에 주입된다. 부분연소가 완료된 고온의 가스는 연속적으로 연결되어 있는 두 개의 분무탑으로 보내져 살수공정에 의해 냉각된 후 응집기로 보내져 입자 덩어리로 응집된다. 응집된 카본블랙은 다음 공정인 사이클론에서 회수된다. 사이클론에서 카본블랙이 제거된 출구가스는 백 필터로 보내져 잔류 카본블랙을 완전히 제거한 후 대기 중으로 방출되며, 일부 개선된 공정에서는 열효율을 놓이기 위하여 열병합발전소의 연료로 보내진다.
사이클론 및 백필터에서 회수된 생산물은 미분쇄기에서 분쇄된 후 과립기에서 둥글게 입자화된다. 입자화된 카본블랙은 채로 걸러져서 입자의 크기에 따른 분류가 일어난다. 최종적으로는 전자석 분리기로 보내져서 고무와 배합시 치명적인 영향을 주게되는 철 성분을 입자로부터 분리한 후 생산물 저장 빈(Bin)에 보관되게 된다. 제품은 백에 담아 출하되거나 벌크형태로 출하된다. 퍼니스 공정은 몇가지 공정의 개선을 거치면서 발전돼 왔다. 즉 반응로의 직경을 축소시켜 공정에서의 압력강하를 더 크게 유도시킴으로써 연소를 위한 공기주입을 압축기 대신 일반 송풍기로 가능하도록 하였다. 또한 과거 퍼니스 다음에 설치되었던 전기 집진 시설을 다중 사이클론으로 대체함으로써 집진설비의 운영에 따른 여러 문제점을 해결했다. 퍼니스 공정에 사용되는 원료로는 천연가스나 오일 모두를 사용할 수 있으나 천연가스 가격이 상승함에 따라 미국에서 생산된 카본블랙 중 75% 정도는 오일로부터 제조된다.
현재 일반적으로 사용되는 원료로는 원유 정제시 촉매열분해(FCC) 공정에서 생산되는 탑저유와 석탄계 크레오조트 오일 등으로 이들 원료는 다량의 다환방향족 화합물로 구성돼 있으므로 제품의 수율이 높다. 카본블랙 생산을 위한 세 번째 공정은 열분해 공정으로서 이 공정으로 생산된 제품을 흔히 열분해 블랙(Thermal Black)이라 부른다. 반응기는 내화벽돌을 격자로 쌓은 형태로 구성돼 있으며, 순환식으로 공정이 진행된다. 즉, 공정의 첫 번째 단계에서 천연가스를 완전 연소시킴으로써 반응기를 가열한다. 두 번째 공정과정에서는 첫 번째 단계보다 더 많은 천연가스를 주입하여 반웅기내의 축열을 이용해 카본블랙과 수소로 분해하게 된다.
본 공정에 의해 생산된 카본블랙은 채널공정이나 퍼니스 공정에 의한 제품보다 제품의 입자직경이 더 크며 일반적으로 높은 신장성이 요구되거나 내마모성이 크게 요구되지 않는 고무제품의 생산에 사용된다. 열분해 블랙은 제조공정 중에 발생되는 방출가스가 거의 순수한 수소로 구성돼 있으므로 부산물의 가격이 합성가스의 가격과 거의 동일해 상대적으로 생산비용이 낮다. 이에 따라 채널블랙의 생산은 줄어들고 있는 반면, 열분해 블랙의 사용은 퍼니스 블랙만큼 빠른 성장을 했다. 그러나 퍼니스 공정에서의 생산기술이 급격히 발달함에 따라 열분해 블랙 역시 특수한 분야로 수요가 한정이 되면서 시장이 정체되고 있는 상태다. 아세틸렌 블랙은 아세틸렌의 열분해에 의해 만들어지며 주로 건전지 제조에 사용된다. 특히, 아세틸렌 블랙은 사슬구조로 되어있으므로 전기 전도도가 좋은 특성을 가진다. 따라서 고무와 배합시 정전기의 발생을 방지하고 결과적으로 화재의 위험을 감소시키기 때문에 비행기 타이어와 바닥재 등으로 많이 사용된다.
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