산업용 등급 실리콘 공급업체로서 저는 산업용 등급 실리콘의 생산 공정에 대해 자주 질문을 받습니다. 이번 블로그에서는 원자재부터 완제품까지 산업용 등급 실리콘이 생산되는 자세한 단계를 안내해 드리겠습니다.
1. 원자재
공업용 실리콘의 주요 원료는 규소로, 이는 지각에 풍부하며 일반적으로 실리카(SiO2) 형태로 존재합니다. 실리카는 널리 이용 가능한 석영 모래에서 공급될 수 있습니다. 실리콘을 얻기 위해 실리카는 먼저 고온(약 1,800~2,000°C)의 전기 아크로에서 탄소로 환원됩니다. 이 공정을 통해 금속 등급 실리콘이 생산됩니다.
그러나 산업용 등급 실리콘의 경우 더 높은 순도의 실리콘이 필요합니다. 야금 등급 실리콘은 일련의 화학 공정을 통해 더욱 정제됩니다. 일반적인 방법 중 하나는 실리콘이 염화수소(HCl)와 반응하여 삼염화실란(SiHCl₃)을 형성하는 Siemens 공정입니다. 트리클로로실란은 증류를 통해 정제되어 붕소, 인 및 기타 금속과 같은 불순물을 제거합니다. 마지막으로 정제된 삼염화실란을 수소로 환원시켜 고순도 다결정실리콘을 생산합니다.
2. 실록산 단량체의 합성
고순도 실리콘이 얻어지면 실리콘 폴리머의 구성 요소인 실록산 모노머를 합성하는 데 사용됩니다. 이 합성의 가장 일반적인 방법은 직접 공정입니다.
직접 공정에서는 실리콘이 구리 촉매 존재 하에 약 250~300°C의 온도에서 염화메틸(CH₃Cl)과 반응합니다. 이 반응에서는 산업 등급 실리콘 생산에 가장 중요한 단량체인 디메틸디클로로실란((CH₃)²SiCl²)과 같은 메틸클로로실란의 혼합물이 생성됩니다.
반응은 다음 방정식으로 나타낼 수 있습니다.
Si + 2CH₃Cl → (CH₃)₂SiCl₂
그런 다음 메틸클로로실란의 혼합물은 서로 다른 끓는점을 기준으로 분별 증류를 통해 분리됩니다. 디메틸디클로로실란은 쉽게 가수분해되어 실록산 올리고머를 형성할 수 있기 때문에 핵심 중간체입니다.
3. 가수분해 및 축합
디메틸디클로로실란은 물과 반응하면 가수분해됩니다. 가수분해 동안 디메틸디클로로실란의 염소 원자는 수산기(-OH)로 대체되어 실라놀을 형성합니다. 반응은 다음과 같습니다.
(CH₃)₂SiCl₂ + 2H₂O → (CH₃)₂Si(OH)₂ + 2HCl
그런 다음 실라놀은 축합 반응을 겪습니다. 이 과정에서 수산기가 서로 반응하여 물 분자를 제거하고 실록산 결합(-Si-O-Si-)을 형성합니다. 이로 인해 선형 또는 고리형 실록산 올리고머가 형성됩니다. 반응물의 농도, 온도, 촉매의 유무 등 반응조건에 따라 중합도를 조절할 수 있다.
4. 중합
가수분해 및 축합 단계에서 얻은 실록산 올리고머는 추가로 중합되어 고분자량 실리콘 중합체를 형성합니다. 이는 음이온 중합과 양이온 중합이라는 두 가지 주요 방법을 통해 달성될 수 있습니다.
음이온 중합:
음이온 중합에서는 수산화칼륨(KOH)과 같은 강염기가 촉매로 사용됩니다. 염기는 고리형 올리고머에서 실록산 고리의 열기를 시작하고, 성장하는 중합체 사슬이 더 많은 실록산 단위를 추가함에 따라 반응이 전파됩니다. 음이온 중합은 실리콘 폴리머의 분자량과 분자량 분포를 효과적으로 제어할 수 있게 해줍니다.
양이온 중합:
반면, 양이온 중합은 황산(H2SO₄)이나 트리플루오로메탄술폰산(CF₃SO₃H)과 같은 루이스산 촉매를 사용합니다. 촉매는 실록산 결합을 활성화하여 성장하는 폴리머 사슬에 실록산 단위를 추가할 수 있습니다. 양이온 중합은 특정 작용기나 구조를 가진 실리콘을 생산하는 데 종종 사용됩니다.
5. 기능화 및 수정
산업용 등급 실리콘은 다양한 응용 요구 사항을 충족하도록 추가로 기능화되고 수정될 수 있습니다. 예를 들어, 비닐, 페닐 또는 플루오로알킬 그룹과 같은 작용기를 실리콘 중합체 사슬에 통합함으로써 실리콘의 특성이 변경될 수 있습니다.
비닐 기능화된 실리콘은 추가 경화 시스템에 일반적으로 사용되며, 여기서 백금 촉매 존재 하에 하이드로실란 가교제와 반응하여 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있습니다. 그 결과 우수한 기계적 특성, 고온 저항성 및 화학적 안정성을 갖춘 실리콘 소재가 탄생합니다.
페닐 함유 실리콘은 열 안정성과 UV 저항성이 향상되어 고온 환경이나 실외 응용 분야에 적합합니다. 플루오로알킬 기능성 실리콘은 표면 에너지가 낮고 발수 및 발유성이 뛰어나 코팅 및 윤활제와 같은 응용 분야에 유용합니다.
6. 블렌딩 및 화합물 제제
중합 및 기능화 단계 후에 실리콘 폴리머는 종종 다른 첨가제와 혼합되어 복합 제제를 형성합니다. 이러한 첨가제에는 충전제, 가소제, 안료 및 경화제가 포함될 수 있습니다.
필러:
필러는 인장 강도, 인열 저항, 경도 등 실리콘의 기계적 특성을 향상시키는 데 사용됩니다. 일반적인 충전재에는 흄드 실리카, 침강 실리카 및 탄산칼슘이 포함됩니다. 흄드 실리카는 높은 표면적과 우수한 분산 특성으로 인해 실리콘 폴리머 강화에 특히 효과적입니다.
가소제:
실리콘의 유연성과 가공성을 향상시키기 위해 가소제를 첨가합니다. 실리콘 폴리머의 유리 전이 온도를 낮추어 보다 쉽게 성형 및 성형할 수 있습니다.
안료:
실리콘에 원하는 색상을 부여하기 위해 안료가 사용됩니다. 적용 요건에 따라 유기 또는 무기 안료가 될 수 있습니다.
경화제:
경화제는 실리콘 폴리머 사슬을 교차 연결하고 실리콘 화합물을 단단하고 내구성 있는 재료로 변환하는 데 필수적입니다. 경화제의 선택은 실리콘의 유형과 경화 메커니즘에 따라 다릅니다. 예를 들어, 추가 경화 시스템, 하이드로실란 가교제 및 백금 촉매가 사용되는 반면 축합 경화 시스템에서는 유기주석 촉매 및 실란 가교제가 사용됩니다. 실리콘 고무의 긴 사용 수명을 보장하기 위해 경화제를 추가하는 방법에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.실리콘 고무의 수명을 연장하려면 경화제를 어떻게 첨가해야 합니까?.
7. 가공 및 성형
실리콘 화합물이 일단 제조되면 다양한 제조 기술을 사용하여 다양한 모양과 형태로 가공할 수 있습니다. 몇 가지 일반적인 처리 방법은 다음과 같습니다.
조형:
성형은 산업용 등급의 실리콘 제품을 생산하는 데 널리 사용되는 방법입니다. 성형 공정에는 사출 성형, 압축 성형, 트랜스퍼 성형 등 다양한 유형이 있습니다. 사출 성형에서는 실리콘 화합물이 가열되어 고압 하에서 금형 캐비티에 주입됩니다. 그런 다음 금형을 냉각하고 실리콘 부품을 꺼냅니다. 압축 성형에는 미리 측정된 양의 실리콘 화합물을 가열된 금형 캐비티에 넣고 압력을 가하여 부품을 성형하는 과정이 포함됩니다. 트랜스퍼 성형은 사출 성형과 압축 성형의 조합으로, 실리콘 화합물이 먼저 트랜스퍼 챔버에서 가열된 다음 금형 캐비티 안으로 강제로 들어가게 됩니다. 여기에서 금형용 산업용 등급 실리콘에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.금형용 산업용 등급 실리콘.
압출:
압출은 튜브, 막대, 씰과 같은 연속적인 실리콘 프로파일을 생산하는 데 사용됩니다. 압출 공정에서 실리콘 화합물은 압출기에 공급되며, 여기서 가열되고 압력을 받아 다이를 통과하게 됩니다. 다이는 압출된 제품의 단면 형상을 결정합니다.
주조:
주조는 크거나 복잡한 모양의 실리콘 부품을 생산하는 데 적합합니다. 주조 시 액체 실리콘 화합물을 주형에 붓고 실온 또는 제어된 가열 조건에서 경화시킵니다.
8. 품질 관리 및 테스트
생산 공정 전반에 걸쳐 산업용 등급 실리콘 제품이 필수 표준 및 사양을 충족하는지 확인하기 위해 엄격한 품질 관리 조치가 구현됩니다. 품질 관리 테스트에는 다음이 포함될 수 있습니다.
화학 분석:
화학 분석은 다양한 원소, 작용기 및 첨가제의 함량을 포함하여 실리콘의 조성과 순도를 결정하는 데 사용됩니다.
기계적 테스트:
기계적 시험은 인장 강도, 파단 신율, 경도 및 인열 저항과 같은 실리콘의 물리적 특성을 평가하기 위해 수행됩니다.
열 테스트:
열 테스트는 다양한 온도에서 실리콘의 열 안정성과 성능을 평가하는 데 사용됩니다. 여기에는 융점, 유리 전이 온도 및 열팽창 계수 측정이 포함될 수 있습니다.
환경 테스트:
환경 테스트는 습도, 자외선, 화학 물질 노출과 같은 다양한 환경 요인에 대한 실리콘의 저항성을 평가하기 위해 수행됩니다.
결론
산업용 등급 실리콘의 생산은 첨단 화학 기술과 제조 기술을 사용하는 복잡하고 다단계 공정입니다. 실리콘의 높은 성능과 신뢰성을 보장하려면 원료 추출부터 완제품까지 각 단계마다 세심한 관리와 품질 보증이 필요합니다.
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참고자료
- Mark, JE, & Bikales, NM (Eds.). (1989). 고분자 과학 및 공학 백과사전. 존 와일리 & 선즈.
- 오무라, R. (2007). 실리콘: 화학 및 기술. 와일리-VCH.
- Schulz, GV, & Harth, E. (Eds.). (2010). 고분자 합성: 이론과 실제. 뛰는 것.
