마이크로 피브릴 셀룰로오스 (MFC) 및 퓸드 실리카는 모두 thixotropy 및 안정성과 같은 액상시스템의 레올로지를 제어하기 위해 사용되며 유사한 특성을 제공하는 동일한 분야에서 사용되고 있습니다. 그러나 이 둘 사이에는 큰 차이가 있습니다. 예를 들어, MFC가 셀룰로오스 기반 원료로부터 유도된 천연생성물인 반면, 친수성 퓸드 실리카는 flame hydrolysis 공정에 의해 제조된 무정형의 콜로이드성 이산화 규소입니다. 그렇다면 얼핏 보면 다른 제품이 어떻게 비슷한 응용 프로그램에서  사용할 수 있을까요? 이번 블로그에서는 두 가지 다기능 첨가제에 대해 자세히 살펴보고 이들의 유사점과 차이점이 응용 프로그램 속성에 어떤 영향을 미치는지 토론합니다.

Figure 1. Hydrophilic fumed silica (DC 98%, left) and MFC (DC 2% in water, right).

두 제품의 재료 특성이 어떤지부터 살펴보면.. 퓸드 실리카는 unusual 한 입자 특성으로 인해 독특한 소재로 간주됩니다. 주요 구조는 1000°C 이상의 가수 분해에 의한 비다공성 구형 SiO2 입자 융합에 의해 형성된 분지형 응집체로 구성됩니다. 냉각시, 응집체는 기계적으로 얽히고 응집체 (tertiary structures) 를 형성한다. 1차 입자의 작은 직경 및 덩어리의 개방 구조로 인해, 퓸드 실리카는 매우 높은 표면적을 가집니다. 외관이 희고 가볍고 솜털 같은 가루로 다양한 용도와 다양한 산업에서 사용됩니다 (그림 1, 왼쪽).

MFC는 일반적으로 서스펜션으로 제공되며 셀룰로스 섬유를 세로로 피브릴화하여 표면적이 큰 셀룰로스 마이크로 피브릴의 고급 3차원 네트워크를 제공합니다 (그림1, 오른쪽). 셀룰로오스 미세 섬유가 나노 미터 범위의 직경과 마이크로 미터 범위의 길이를 가지기 때문에 MFC는 재료 강도에 기여하고 다양한 제제에 새로운 차원의 안정성을 부여합니다. 흄드 실리카의 입자 성질과 MFC의 길고 얇은 마이크로 피브릴은 어떻게 응용 분야에서 유사하게 기능할까요?

Figure 2. Optical microscopy of 0.65% MFC (left, Exilva by Borregaard) and fumed silica (right) in PEG 400. 20x magnification (phase contrast)

흄드 실리카 및 MFC 모두 표면적 대 질량의 비율이 크기 때문에 내부 및 특정 상호 작용이 활발하게 발생합니다. 흄드 실리카는 표면에 실라놀 (Si-OH) 그룹을 가지고 있는데 이는 MFC 피브릴의 수산기 작용기 C-OH와 유사합니다. 두 작용기 모두 이 물질을 친수성으로 만듭니다. 결과적으로 실리카와 MFC 모두 물에 젖을 수 있습니다. 그림2는 두 물질이 어떻게 수소 결합이 가능하면서 반응성이 큰 불용성 입자/피브릴의 거대한 3 차원 네트워크를 형성하는지를 보여줍니다. 이것이 흄드 실리카와 MFC의 뛰어난 유변학적 영향에 대한 이유입니다.

DIFFERENCES IN USE?

친수성 퓸드 실리카 및 MFC는 결합제 및 중합체와 같은 액체 시스템의 레올로지 및 thixotropy 제어에 사용되는 주요 레올로지 첨가제입니다. 액체 시스템 내에서의 적절한 분산은 유변학적 구조를 만드는데 중요하며, 이에 대해선 수성 MFC보다 건조 분말 실리카가 더 많은 시간과 에너지가 필요할 것입니다.

H 결합 인터랙션을 정량화하는 능력은 액체에서 실리카와 MFC의 네트워크 구조를 예측하는 데 필요합니다. 그러나, 강하게 수소 결합하는 (고 극성) 액체에서의 thickening 효과를 고려하면, MFC가 가장 효율적인 첨가제일 것입니다. 퓸드 실리카의 경우, 실리카 입자 주위의 solvation layer 는 Raghavan et al.에 의해 입증된 바와 같이 증점 효과를 억제하는 반발력있는 solvation layer 을 유발합니다. 이것은 MFC와 퓸드 실리카를 PEG 400 (60% in water) 에 분산시킴으로써 잘 설명됩니다 : MFC 시료의 복합 점도는 실리카 시료의 0.03 Pas와 비교하여 69 Pas입니다 (그림3 참조). 이는, 이미 수화되고 매우 얽혀있는 MFC의 연속적인 네트워크 구조로 용제력에 대한 저항력이 더 강하다는 것입니다. 또한 MFC는 독립적으로 작동하는 반면, 퓸드실리카에는 입자 사이의 다리 역할을 하면서 저전단 점도를 향상시키기 위해 실리카 외에 2차 첨가제를 사용하는 것이 일반적입니다.

Figure 3. MFC (left) and fumed silica (right), 0.65% conc. w/w, dispersed in in PEG 400 (60% in water) at 1500 rpm for 30 minutes.

수소 결합 능력이 제한적인 액체를 고려할 때, 퓸드 실리카는 MFC보다 유리할 수 있습니다. 실리카 입자간 결합은 응집 및 겔 형성을 유도할 수 있지만 MFC 네트워크는 붕괴되어 침전될 수 있습니다. 그러나 용매를 바꾸면, 수성 MFC 와 저극성 액체의 상용성은 증가합니다.

퓸드 실리카 및 MFC는 침전 방지, 농축 및 anti-sagging 및 필름 또는 복합재의 보강용으로 사용됩니다. 이 둘의 일반적인 적용 분야는 도료 및 코팅, 접착제, 인쇄 잉크, 식물 보호, 퍼스널케어 및 홈케어 제품입니다. 낮은 굴절률 때문에 퓸드 실리카는 투명한 용도로 선호되는 반면 MFC는 불투명도를 증가시킬 수 있습니다. 시장 및 응용 분야에 따라 다양한 1차 입자 크기와 다른 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 표면적을 가진 흄드 실리카 제품을 이용할 수 있습니다. 마찬가지로 MFC 제품의 가용 표면적 및 기능성 그룹 밀도는 관련 응용 분야에 맞게 조정할 수 있습니다.

WHAT ABOUT EFFICACY?

코팅 적용 예로서, 오버 프린트 니스 및 수성 액체 잉크 (NeoCryl A-2092, DSM) 에 사용되는 아크릴/스티렌 코폴리머 분산액에 친수성 퓸드 실리카 및 MFC (Exilva F 10 %, Borregaard AS) 를 분산시켜 보았습니다. 코팅 수지). MFC는 이 시스템에서 퓸드 실리카보다 훨씬 더 효과적인 sagging 방지제였습니다 (표1  참조). 시스템 내 물 50%를 사용하여 MFC는 흄드 실리카보다 더 효율적으로 전단 및 시간 흐름에 따른 레올로지 구조를 구축할 수 있습니다. 고도로 엉킴이 있는 MFC 네트워크의 유연성은 전단 충돌의 중단시 구조의 매우 신속한 재구성 (점도 증가)을 가능하게 합니다. MFC는 1/10 수준 이하에서 실리카와 같은 정도의 처짐 저항성을 달성하여 수성 기반의 종이 코팅 애플리케이션에서 MFC의 가능성을 분명히 보여줍니다.

Table 1. Sag resistance tests of acrylic dispersions with MFC and precipitated silica.

분산액의 처짐 저항성은 4-24 밀의 범위의 Leneta Sag 바를 사용하여 시험했습니다.

*Sag in the stripe

MFC SOUNDS INTERESTING, SO WHERE CAN I GO FROM HERE?

MFC는 분자간 수소 결합 및 분자 내 수소 결합에 사용할 수 있는 표면 활성 그룹으로 덮인 넓은 표면적을 기반으로 하여 퓸드 실리카에 대한 실용적인 대안을 제공합니다. 많은 경우에 사용량이 적습니다. 또한, 두 물질의 물리적 네트워크 특성의 차이는 여기서 논의되지 않은 완제품의 새로운 특성과 같은 새롭고 흥미로운 발견을 유도할 수 있습니다. 화장품에서 흄드 실리카와 마찬가지로 MFC의 매트 효과 (예 : 소프트 포커스 효과) 가 입증되었습니다. MFC 텍스처는, 예를 들어 skinfeel 과 같은, 다른 어플리케이션의 프로퍼티에 어떻게 영향을 줄까요? MFC는 흄드 실리카 대신 자연적이고 환경 친화적인 대안을 제공합니다. 혁신의 기회는 당신 손에 있습니다.

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