폴리머(고분자)란 무엇인가?

 

1. 폴리머 란?

출처 : GALAXACT

우리 생활주변에는 분자라고 하는 작은 물질들로 구성되어 있다.이들의 많은 부분들이 분자량이 수천에서 수백만에 이르는 거대분자들로 구성이 되어있다. 즉 고분자는 하나 또는 두 종류 이상의 원자들, 혹은 이들의 집합체들이 공유결합에 의하여 연결 되어진 분자들로 구성된 물질(material)이다.

고분자는 분자구조로 볼 때 반복단위의 모노머라고 하는 작은 반복단위들로 구성이 되어 있으며 이는 모노머로 존재할 때와는 다른 물성을 나타내게 된다. 대부분 이들의 골격구조는 Linear, Branched, Network의 형태로 존재를 하게 되며 이들의 골격구조로 인하여 여러 가지 다른 물성이 나타나게 된다.

예를 들어 Linear Polyethylene의 경우에는 Branched Polyethylene의 경우보다 Melting Temp.가 20℃가 더 높게 된다. 또한 Network의 구조를 가진 것은 열에 의하여 녹지 않는 열경화성을 나타내게 된다.

일반적인 고분자 산업의 기원은 천연고분자의 개질과 관련하.여 19세기에 시작된 것으로 알려져 있다.그러나 1920년대 까지는 Hermann Staudinger가 주장하던 공유결합에 의한 화학적 단위의 긴 사슬의 분자라는 학설에는 받아들여지지 않았다.

후에 Hermann Staudinger의 이론이 Mark와 Meyer에 의하여 입증이 되어졌다. 또한 Paul Flory의 이론적, 실험적인 업적은 1974년 그에게 노벨상의 영광을 안겨 주었으며 이후 과학적인 진보와 산업적인 발전으로 인하여 고분자의 산업은 더욱 확장되었고 계속적인 발전을 거듭하고 있다.
 

2. 플라스틱의 발전

플라스틱 산업은 코끼리의 어금니가 귀해지고 비싸지면서 시작되었습니다. 당구공을 제조하던 한 사람이 원재료인 상아의 대체품을 찾아내는 사람에게 그 당시로는 어마어마한 상금인 1만불을 걸고 현상공모하였습니다. 드디어 1869년에 뉴욕 알바니아의 인쇄업자인 존.W.하이얏트가 드디어 그 일을 해냈습니다. 그는 섬유소에 질소와 장뇌를 혼합하여 그가 셀롤로이드라고 명명한 재료를 창조하였는데 이것이 최초의 플라스틱이었습니다.

 종종 그러하듯이, 하이얏트의 발명품은 본래의 용도이외에 많은 다른 용도에 사용 가능한 것으로 밝혀졌는데, 셀롤로이드 깃, 단추, 머리빗 및 수백종의 제품들이 미국 뉴져지주 뉴워크에 있는 하이얏트공장에서 생산되기 시작했습니다.

또한, 그로부터 멀지 않아 다른회사에서도 자체의 셀로로이드나 유사한 물질을 가지고 플라스틱업계에 뛰어들었습니다. 당시 플라스틱 산업의 발전의 원동력은 이 신소재의 다양한 용도와 신기함 때문이 아니었고, 뿔을 가진 가축의 수가 감소했던 현상 때문이었습니다.

3. 플라스틱 사용 이유

설계상	경제적인 이유
내부식성(내화학성) 고강도(비중대비) 전기절연 착색성 투명성 설계용이	대량생산 고품질/칫수안정성 부품 생산 가능 다기능 부품 후가공 최소화 간단한 조립성

 

4. 플라스틱의 분류 

플라스틱은 크게 두 가지로 분류하는데 열경화성 수지와 열가소성 수지로 분류한다.
열가소성 수지는 비결성 수지와 결정성 수지로 나눌 수 있다.

열경화성수지 성질	열가소성 수지 성질
	결정성 수지의 성질	비결정성 수지의 성질
강도, 신도, 탄성이 낮다. 고하중에서 변형 온도 낮다. CREEP성이 낮다. 고유의 난연성 칫수안정성/저 흡습성 압축성형/사출성형 착색의 제한성	규칙적인 분자구조 용융점이 있음 불투명 높은 수축율 내화학성이 강함 내피로성/내후성	불규칙한 분자구조 넓은 범위의 연화온도 투명한 수지도 있음 수축율 작음 내화학성 약함 내피로성/내후성 약함

5. 열가소성 수지와 열경화성 수지의 차이점

①	열가소성의 경우 가열에 따라 연화/용융 냉각 후 고화 하지만 가열에 따라 가교결합,고화함.
②	열가소성의 경우 재생품은 재용융이 가능하지만 열경화성의 경우는 재용융이 불가능하기 때문에 재생품을 사용하기 불가능하다.
③	열가소성의 경우 성형 후 마무리/후가공이 많지 않으나, 열경화성은 Flash제거를 해야하는 등 후가공이 필요하다.
④	열가소성은 제한된 온도에서 사용해야 하지만 열경화성은 높은 사용 온도에서 적용된다.

출처 : 한국과학기술원
열가소성 수지	열경화성 수지

6. 열가소성 수지의 종류

결정성 수지	Polyester, Polyamide, Fluorocarbones, Polyethylene, Polypropylene, Polypropylene, Polyacetal
비결정성수지	Acrylic, Polycarbonate, MPPO, Polystyrene, PVC, ABS

7. 5대 범용 엔지니어링 플라스틱과 특성

결정성 수지			비결정성 수지
Nylon	PET / PBT	Acetal	PC	MPPO
공융점(내열성) 강도/강성/내충격성 저마찰/저마모 내화학성 흡습성	고강도/고강성 저 Creep성 칫수안정성 전기적 특성 내열성 저흡습성 가수분해 문제	균형적인 물성 저마찰/저마모 내피로 강도 칫수안정성 내화학성 고생산성	내충격성 치수정밀도/안정성 전기적 특성 투명성 내화학성의 한계	기계적 성질 전기적 특성 내가수분해 저 흡습성 칫수안정성 난연성 내화학성의 한계

 

8. 엔지니어링 플라스틱

통상 5대엔프라 라고 하는 것은 나이론, 폴리 아세탈, 폴리 카보네이트, 변성 PPO, 폴리 에스터수지를 일컫고 있다. 그 중 역사적으로 나이론이 가장 오래된 합성 고분자이며, 초기에는 주로 합성 섬유 용으로 제조되었으며 부분적으로 플라스틱으로 활용되고 있다. 또한 불소 수지 (PTFE)도 나이론과 같이 제 이차 세계 대전 중에 군사용으로 제조되기 시작하였지만 가공성과 물성이 특수 한 이유로 용도가 한정되어 사용되어 지다가 다량으로 생산되기 시작한 것은 그리 오래되지 않았다.
 공업용 엔프라의 시작은 DuPont사의 나이론 (PA), 폴리아세탈 (POM) 및 GE, Bayer사 등의 폴리 카보네이트 (PC)의 등장으로 시작 되었 되었으며 "금속을 대체하는" 소재로서 상호 성능을 경쟁하며 발전되어 지고 있다. POM은 높은 결정화도에 따른 탁월한 기계적 물성으로 많은 발전이 있었으며, 특히 열 안정성을 증가시킨 코폴리머의 개발과 사출 성형기의 발전으로 그 사용이 더욱 확대되고 있다. PC는 투명성이 있고 충격에 대한 탁월한 성능으로 외장 분야를 중심으로 발전되고 있으며, GE에서 개발된 PPO는 HIPS혹은 NYLON과의 폴리머 합금 기술을 활용하여 성형성과 내 충격성이 보강된 제품을 내놓고 있다. 또한 PBT 수지는 5대 엔프라 중 늦게 출시 된 편이나 용이한 난연화 기술을 기반으로 전기 전자 제품을 중심으로 사용이 확대 중이다.
 이상에서 서술 된 5대 엔프라 이외에도, DuPont에서 개발된 Poly imide가 Kapton이라는 상품명의 필름과 VESPEL이라는 상품명의 레진으로 공급되고 있다. 최근 용융점 300C이상의 Super Polymer의 사용이 확대  되면서, PPS, PA46, PPA, PEI, PEEK, SPS, PES 및 액정 폴리머 (LCP)의 개발 및 시장 확대가 활발하게 전개되고 있다.

8-1. 엔지니어링 폴리머 중심으로한 소재 개발 역사

상업화	품    명	개발회사	Asia지역회사
1939	Poly Amide (Nylon)	DuPont	Toray, Teijin, Kolon
1949	Poly Ethylene Terephthalate	ICI	Toray,TNC, Kolon
1950	불소 수지 (PTFE)	DuPont	DIC
1955	Nylon 11	ATO	-
1956	Poly Acetal	DuPont	Asahi
1958	Poly Carbonate	Bayer	Teijin, Mitsubishi
1960	Acetal Copolymer	Celanese	Polyplastics
1964	Polyimide < Vespel SP >	DuPont	Ube
1964	Ionomer < SURLYN A >	DuPont	Mitsui
1964	Poly Phenylene Oxide (PPO)	GE	Mitsubishi
1965	Poly Sulfone	UCC	-
1966	Modified PPO	GE	Asahi
1966	Nylon 12	Huls	Toray
1968	Poly Phenylene Sufide	Phillips	DIC, SKI
1969	투명 Nylon	Dynamit Nobel	-
1969	Poly Amino Bismaleimide	Phone-Poulenc	-
1970	Poly Buthylene Terephthalate	Celanese	Mitsubishi, LG, SYC
1971	Poly Arylate 101	Caborundom	-
1971	Poly Amide Imide	Amoco	-
1971	Polyester Elastomer	DuPont	Toyobo, SKI, Kolon
1972	Poly Ether Sulfone	ICI	-
1972	Poly Amide Mineral filled	DuPont	-
1972	Poly Arylate 1000, 2000	DuPont	Sumitomo
1972	TFE/Ethylene Copolymer	Carborundom	Asahi
1973	Poly Arylate	Unitica	-
1976	Super Tough Nylon ST801	DuPont	Toray, Kolon, Asahi
1980	PEEK	ICI	-
1980	Poly Amide Elastomer	Huls	-
1980	Super Tough PBT	GE	Motsubishi, LG
1981	Poly Ether Imide	GE	-
1983	Super Tough Poly Acetal	DuPont	Ashahi

 

8-2.  플라스틱 분류

범용수지		-ABS (Acrolonitrile Butadiene Styrene) -Acryl (Poly Methly Meth Acrylate) -ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate) -EVA (Ethylene Vinyl Acetate) -PE (Polyethylene) -PP (Polypropylene) -PS (Polystyrene)
범용 엔프라		-Poly Amide (Nylon)    : Nylon66, Nylon6, Nylon610, Nylon11, Nylon12 -Poly Oxy Methylene (Acetal)    : Homo-Polymer, Co-Polymer -Poly Carbonate -Modified PPO -Poly Butylene Terephthalate(PBT) -Poly Ethylene Terephthalate(PET) -Polyester Elestomer
특수 엔프라	열가소성	-Poly Phenylene Sulfide (PPS) -Poly Phthalic Amide -Nylon 46 -Poly Sulfone -Poly Ether Sulfone -Poly Amide Imide -Poly Ether Imide (ULTEM) -Poly Ether Ether Keton (PEEK) -Liquid Crystal Polymer (LCP)
	압축성형	-Poly Imide (VESPEL) -Poly Arylate (EKONOL) -Poly Tetra Fluoro Ethylene (TEFLON)

8-3. 엔지니어플라스틱 성능

엔프라가 가지고 있는 기본적인 물성은 다음의 네 가지로 분류해 볼 수 있다.

• 기계적 강도가 넓은 온도 범위에서 우수하게 발현되는가
• 내약품성, 내후성, 장기 내열성등 환경의 영향을 받게 될 때의 내구성이 우수한가
• 절연성등의 전기적 특성이 만족할 수준이며, 필요시 난연성을 가지고 있는가
• 가공성이 우수하며, 치수가 정밀한 제품을 안정되게 얻을 수 있는가

 종래에는 재료를 비교할 때 단순히 인장 강도등의 물성을 비교하는데 중점을 두었었으나, 근래에는 성능과 가격을 결합한 Cost/Performance를 비교하여 보는 것이 일반적인 소재 평가 방법이며, 또한 온도 변화에 따른 물성의 변화를 살펴보는 것도 중요한 소재 선정의 요소이다. 나이론, PBT등 Tg가 낮은 (0~150℃) 결정성 수지의 경우, 비강화 시 매우 낮은 열변형 온도를 보여 금속이나 열 경화성 수지를 대체하기 어려워 보이나 유리섬유를 강화 시키는 것에 의하여 탄성율, HDT를 현저히 향상 시켜 수지가 원래 가지고 있는 특성 이상 발휘할 수 있게 된다. 유리 섬유 강화에 의한 물성 보강 효과는 PC혹은 M-PPO등의 비결정성 수지에서는 그 효과가 그다지 크지는 않다.

2025.03.17 - [설계자료] - 폴리머 약어 - Polymer Abbreviations

폴리머 약어 - Polymer Abbreviations