고성능 강화재인 탄화규소(SiC)는 테플론(폴리테트라플루오로에틸렌, PTFE) 논스틱 코팅에 주로 사용되어 코팅의 기계적 강도, 내마모성 및 수명을 향상시키는 동시에 PTFE의 본래 논스틱 및 내화학성을 유지합니다. SiC의 구체적인 적용 원리와 구현 방법은 다음과 같습니다.
핵심 역할: 코팅 성능 향상
내마모성 향상:
순수 PTFE 코팅은 부드러워 금속 도구에 쉽게 긁힙니다. 탄화규소(특히 나노 또는 미크론 크기의 입자)를 첨가하면 초고경도(모스 경도 9.2, 다이아몬드에 이어 두 번째)가 “골격 지지체”를 형성하여 코팅의 긁힘 방지 기능을 크게 향상시킵니다.
효과: 코팅 수명을 3~5배 연장할 수 있으며, 고주파 사용 주방용품(예: 논스틱 팬)이나 산업용 장비에 적합합니다.
접착력 향상:
PTFE는 금속 기판과의 결합력이 약합니다. 탄화규소 입자는 물리적 고정을 통해 기판 표면의 미세 기공에 박혀 코팅과 기판 사이의 기계적 결합력을 향상시킵니다.
공정 조정: 기판을 먼저 모래 분사하거나 화학적으로 에칭하여 거친 표면을 형성해야 하며, 이를 통해 실리콘 카바이드 입자와 기판이 맞물리는 구조를 형성합니다.
향상된 열전도도:
순수 PTFE는 열전도도가 낮아(약 0.25 W/m·K) 가열이 고르지 않습니다. 반면, 탄화규소는 열전도도가 높아(120~490 W/m·K) 코팅의 전반적인 열전도도를 향상시킬 수 있습니다.
효과: 국부 과열로 인한 코팅 분해를 방지하고 사용 수명을 연장합니다(특히 고온 조리기에 적합).
실리콘 카바이드 전처리 적용 과정의 주요 단계
:
PTFE와의 호환성을 높이고 응집을 방지하기 위해 입자의 표면을 개질해야 합니다(실란 커플링제 코팅 등).
입자 크기 조절: 일반적으로 1~10 미크론 입자가 사용됩니다. 너무 미세하면(나노 크기) 뭉치기 쉽고, 너무 굵으면 코팅의 평탄도에 영향을 미칩니다.
분산 및 혼합:
변형된 탄화규소는 PTFE 에멀전(수성 또는 용매성)에 균일하게 분산되고, 고속 전단 또는 초음파 처리를 통해 응집이 발생하지 않도록 보장합니다.
일반적인 첨가 비율: 5%-15%(중량비), 과도한 양은 비접착성을 감소시킵니다.
분무 및 소결:
혼합된 슬러리를 기질(알루미늄 냄비 등)에 분사한 후 고온에서 소결해야 합니다(PTFE의 용융 온도는 약 327°C입니다).
탄화규소는 소결 중에도 안정성을 유지하며(내열성 > 1600°C) PTFE 매트릭스에 내장되어 복합 구조를 형성합니다.
성능 균형의 과제
특징 순수 PTFE 코팅 실리콘 카바이드 강화 PTFE 코팅 용액
비접착성 우수 약간 감소 첨가량 조절 ≤15%
내마모성 약함 3-5배 개선 입자 크기 분포 최적화
코팅 두께 얇음(20-30μm) 40-60μm로 두껍게 해야 함 다층 분무 공정
표면 평활성 높음 거칠어질 수 있음 표면을 순수 PTFE의 얇은 층으로 덮음(이중 코팅)
이중 코팅 기술:
기판 → 실리콘 카바이드가 함유된 PTFE 하층(접착력 및 내마모성 향상) → 순수 PTFE 표면층(비접착성 보장)
일반적인 적용 시나리오
고급 주방용품:
논스틱 팬, 베이킹 트레이 등은 금속 주걱으로 자주 긁히기 쉽습니다.
산업용 부품:
베어링, 밸브 밀봉 표면은 내식성과 내마모성이 있어야 합니다.
금형 이형 코팅:
고무/플라스틱 성형 금형은 접착력을 감소시키고 세척 주기를 연장합니다.
다른 강화 필러 비교
필러 유형 장점 제한 사항 적용 가능한 시나리오
탄화규소 초고경도, 고열전도도 비용이 높고, 침전이 쉬움 고온 및 내마모성 환경
그래핀 뛰어난 윤활성 분산이 어렵고, 비용이 매우 높음 실험실 수준의 고급 코팅
유리 섬유 저렴한 비용, 강화 비점착성 감소 저온 산업용 부품
질화붕소 우수한 윤활성 열전도도는 SiC보다 낮음 중온 윤활 코팅
환경 및 안전 고려 사항
식품 안전:
탄화규소 자체는 무독성(FDA 인증)이지만, 떨어지는 것을 방지하기 위해 입자가 PTFE로 완전히 코팅되어야 합니다.
고온 안정성:
PTFE의 분해 온도(>400°C) 이전에는 탄화규소가 반응하지 않아 유해한 방출이 없습니다.
요약
탄화규소는 테플론 코팅에서 “보이지 않는 갑옷” 역할을 하여 물리적 보강 메커니즘을 통해 PTFE의 기계적 결함을 보완하는 반면, 이중 코팅 공정은 내마모성과 비점착성의 균형을 유지합니다. 이 코팅은 복합 소재 설계의 핵심을 구현합니다. 경도와 윤활성 등 상충되는 특성 사이에서 최적의 솔루션을 도출하여 궁극적으로 가혹한 환경에서 PTFE 코팅의 수명을 연장합니다.