카본블랙에 대해
카본블랙은 기체 혹은 액체상태의 탄화수소물을 통제된 환경 하에서 불완전연소 시키거나 열분해하면 나오는 산물로, 대부분의 성분이 순수한 탄소로 이루어진 콜로이드성 입자이다. 물론 카본블랙의 종류 별로 다르고, 완전 순수하지는 않지만 대체로 95% 이상의 구성비가 탄소이다. 그 외에 수소, 산소, 질소, 황과 ppm 단위의 금속성분들이 일부 포함되어있다. (*콜로이드: 일반 용질입자보다 큰 입자들이 다른 물질에 분산되어있는 상태.)
카본 블랙은 검댕과 블랙카본과는 다르다. 탄화물의 불완전연소로부터 나오는 두가지 흔한 부산물 중 하나인데, 보통 검댕과 블랙카본은 Dicholoromethane, 그리고 톨루엔 계열의 물질 비중이 높고, Ash Content가 50%를 상회한다. 반면, 카본블랙은 대부분 90% 후반대의 탄화물로 구성되어 있다.
카본블랙은 구체적으로는 아래와 같은 형태를 하고 있다. 대부분 탄소원자간의 결합으로 구성되어있지만, 표면에는 산소 및 수소 등과 결합하여 다양한 pH를 나타낼 수 있다. 이러한 카본블랙을 비활성기체 환경에서 3,000°C 이상으로 가열하는 경우, 흑연과 같은 형태로 변형된다.
대략 90%의 카본블랙은 고무에 사용되고 (그 중 70%가 타이어) 9%정도가 염료나 플라스틱, 그 외 1%가 다양한 곳에 사용된다. 전 세계적으로는 연간 810만톤 정도가 생산되고 있다. 전체적인 시장 규모는 약 $16B정도 되고, 이 중 타이어에 지출되는 카본 블랙만 $11B정도 된다.
카본블랙의 등급은 크게 Hard Black, Soft Black, Thermal Black, 혹은 Tread Grade, Carcass Grade 등으로 나뉘는데, 세부적으로는 ASTM* D1765 기준을 활용해 N900, N800, N700, N600, N500, N400, N300, N200, N100 등 9개의 등급으로 나뉜다. (*American Society for Testing and Materials)
카본블랙의 등급을 이해하기 위해서는 카본블랙의 입자 형태에 대해 알아야 한다. 카본블랙은 입자는 크게 세 종류로 나눈다. 가장 작은 단위인 (a) Particle, Particle들이 모인 (b) Aggregate, 그리고 Aggregate들이 모여 형성한 (c) Agglomerate이다. 전자현미경으로 보면 아래와 같은 형태를 하고있다.
카본블랙의 형태는 카본블랙의 물성을 나타내는데 중요한 역할을 한다. Particle 크기가 작을수록 단위중량당 표면적이 높기 때문에 일반적으로 타이어에서는 더 높은 등급에 사용되고, Particle들이 모인 Aggregate들이 서로 연결이 많아 Structure가 복잡한 경우 또한 타이어에서는 더 좋은 물성으로 친다.
구체적으로는 아래와 같은 기준으로 카본블랙 Particle의 평균 입자 크기와 중량당 표면적을 이용해 제품명을 매긴다. 맨 앞 N/S는 고무의 경화 속도에 따라 구별한다. 과거에는 대부분 Channel Black 방식으로 제조되며 Slow Curing 카본블객이 많았으나 현재는 대부분 N만 사용되고 있다.
그리고 첫 숫자(100 단위)가 카본블랙 Particle의 크기에 따라 매겨지며, 이후 뒤 두자리는 카본블랙의 구조적 복잡성에 따라 매겨진다. 대체로 구조적 복잡성이 높을수록 더큰 번호를 부여하나, 뒤의 두 번호를 꼭 구조적 특성에 맞게 부여하는 것은 아니고 예외가 많다.
그래서 아래와 같은 분류 예시가 있다. 세로측은 구조적 복잡성에 따라 나눈 것이고, 가로측은 중량당 표면적으로 나눈 것이다.
물론, ASTM 뿐만 아니라 DIN(Deutsches Institut für Normung e.V. = German Institute of Standardization), ISO (International Organization for Standardization)도 별도의 분류 기준과 테스트 기준을 가지고 있다. 하지만 ASTM이 가장 범용적으로 쓰이는 것 같다.
크게는 (1) 질소가스나 요오드 등이 얼마나 카본블랙에 잘 얼마나 잘 흡수되는지를 이용해 표면적을 계량하고 (2) 기름에 섞였을 때 얼마나 점성이 빠르게 높아지는지로 구조 복잡성을 측정하고 (3) 색상, 휘발성유기화합물, 수분, Ash Content 등 항목들을 측정하게 된다.
생산공정에 따라 각기 다른 특징을 가진 카본블랙이 생산되며, 생산공정에 따라 사용할 수 있는 측정방법과 사용할 수 없는 측정방법이 나뉜다.
