I. 특수 엔지니어링 플라스틱의 정의
특수 엔지니어링 플라스틱은 플라스틱 산업의 중요한 분야로서 높은 전체 성능과 150°C 이상의 장기 사용 온도를 지닌 엔지니어링 플라스틱 소재의 일종입니다. 예로는 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리이미드(PI), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 액정 폴리머(LCP) 및 폴리설폰(PSU)이 있습니다. 이 플라스틱은 견고한 백본, 높은 융점 및 규칙적인 분자 사슬 배열을 특징으로 하며 고온 환경에서 탁월한 안정성을 나타냅니다. 특수 엔지니어링 플라스틱은 고온 저항, 내식성, 내마모성과 같은 특정 성능 요구 사항을 충족할 수 있으며 전자 부품, 절연 재료, 화학 처리 장비 및 자동차 엔진 부품 제조에 사용됩니다. 새로운 다운스트림 응용 분야가 계속해서 발견되면서 특수 엔지니어링 플라스틱은 다양한 산업 분야에서 관심의 초점이 되고 있습니다.
II. 특수 엔지니어링 플라스틱의 분류
특수 엔지니어링 플라스틱 산업의 주요 분류 기준에는 재료 유형, 성능 특성 및 응용 분야가 포함됩니다.
1. 폴리페닐렌 설파이드(PPS) : 내열성, 내약품성, 전기 절연성이 우수하여 자동차 부품, 전자제품, 전기제품, 화학처리장비 등에 널리 사용됩니다.
2. 폴리이미드(PI): 고온 안정성, 내화학성, 기계적 강도가 뛰어나 항공우주, 전자, 자동차 산업의 고온 부품에 널리 사용됩니다.
3. 폴리에테르에테르케톤(PEEK): 우수한 고온 안정성, 내화학성, 기계적 특성을 가지고 있어 항공우주, 의료기기, 석유화학 분야에서 널리 사용됩니다.
4. 액정 폴리머(LCP): 치수 안정성이 뛰어나고 마찰이 적으며 고주파 특성이 뛰어나 전자 포장 재료 및 미세 부품 제조에 널리 사용됩니다.
5. 폴리술폰(PSU) : 내열성, 내식성, 전기절연성이 우수하여 화학장비, 전자부품, 의료기기 등에 널리 사용됩니다.
III.특수 엔지니어링 플라스틱 연구개발의 배경
특수 엔지니어링 플라스틱의 개발은 주로 당시 국제 군비 경쟁, 특히 하이테크 분야 응용 분야의 필요성으로 인해 촉발된 고성능 소재에 대한 수요에 의해 주도되었습니다. 당시 유럽과 미국의 주요 기업들은 이러한 소재 개발 경쟁에 막대한 자금과 인적 자원을 투자했습니다. 1960년대 초반부터 1980년대까지 이러한 재료는 대부분 표준화되었습니다. 다음은 특수 엔지니어링 플라스틱의 여러 유형입니다.
01
폴리이미드(PI)
폴리이미드(PI)는 미국 DuPont이 Kapton이라는 브랜드 이름으로 처음 개발하여 상용화했습니다. 유리전이온도(Tg)가 400°C 이상인 비정질 폴리머입니다. PI는 주쇄에 이미드 고리(-CO-NH-CO-)를 포함하는 방향족 헤테로고리 폴리머입니다. 전기 절연성, 기계적 강도, 화학적 안정성, 노화 방지, 방사선 저항 및 낮은 유전 손실과 같은 우수한 특성을 보유하고 있습니다. 게다가 이러한 특성은 -269~400°C의 온도 범위에서 크게 변하지 않습니다. 이는 현재 산업 생산에서 가장 내열성이 높은 고분자 소재이므로 "21세기의 가장 유망한 엔지니어링 플라스틱 중 하나"로 선정되었습니다. PI 반복 단위의 구조식은 다음과 같습니다.
02
폴리아미드이미드(PAI)
일본의 Toray Industries, Inc.에서 Torlon이라는 브랜드 이름으로 처음 개발한 폴리아미드이미드(PAI)는 유리 전이 온도(Tg)가 285°C인 비정질 비열가소성 폴리머입니다. PAI는 이미드 고리와 아미드 결합이 규칙적인 교대 패턴으로 배열되어 있는 폴리머 종류입니다. 그 강도는 오늘날 세계의 어떤 비강화 산업용 플라스틱과도 비교할 수 없습니다. 250°C에서 우수한 기계적 특성을 나타내며 열변형 온도는 269°C입니다. PAI의 내마모성, 내화학성 및 고에너지 방사선에 대한 저항성은 성능을 더욱 뛰어나게 만들어 열악한 작동 환경에서 사용하기에 매우 적합합니다. PAI 반복 단위의 구조식은 다음과 같습니다.
03
폴리에테르이미드(PEI)
폴리에테르이미드(PEI)는 1970년대 미국 GE에서 처음으로 연구 개발되었습니다. 10년간의 시험생산과 테스트를 거쳐 1980년대에 ULTEM이라는 브랜드명으로 상용화되었습니다. Tg가 217°C인 비정질 폴리머입니다. 처음 두 소재와 달리 압출성형, 사출성형 등 열가소성 기술을 이용해 가공이 가능한 열가소성 폴리이미드이다. PEI는 일반적으로 호박색을 띠며 투명합니다. 우수한 고온 안정성, 기계적 성질, 화학적 안정성, 전기적 성질을 나타냅니다. 주요 특징으로는 높은 중량 대비 강도 비율, 최대 200°C(390°F)까지 강도 유지, 열 산화에 대한 장기간 저항성, 우수한 전기적 특성, 고유한 내화학성 및 난연성 등이 있습니다. PEI는 증기와 뜨거운 물에 장기간 노출된 후에도 그 특성을 유지하며, 이는 강력한 세척 또는 살균이 필요한 식품 가공 장비 및 의료 응용 분야에 큰 이점입니다. PEI의 반복 단위의 구조식은 다음과 같습니다.
04
폴리술폰(PSU)
폴리설폰(PSU)은 1960년대 후반 UCC(United Carbides Corporation)에서 UDEL이라는 브랜드 이름으로 성공적으로 개발 및 상용화되었습니다. 유리전이온도(Tg)가 192°C인 비정질 고분자입니다. 1986년 UCC는 폴리술폰의 생산 및 판매권을 Amoco에 양도했습니다. PSU의 주쇄에는 벤젠 고리가 포함되어 있으며 -SO2- 그룹의 황 원자는 가장 높은 산화 상태에 있습니다. 결과적으로, 이는 우수한 내산화성, 기계적 특성 및 열 안정성을 나타내는 반면, 에테르 결합의 존재는 어느 정도 인성을 제공합니다. PSU는 전기 절연성이 뛰어나 전기 산업에서 널리 사용됩니다. 의료 분야에서 PSU는 우수한 생체 적합성과 살균 저항성으로 인해 혈액 투석기와 같은 의료 기기 제조에 일반적으로 사용됩니다. 식품 가공 부문에서 PSU는 특정 고온 내성 장비를 제조하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 PSU는 항공우주 및 전자 산업에서도 일부 응용 분야를 보유하고 있습니다. 현재 상업적으로 이용 가능한 폴리설폰 수지에는 비스페놀 A형 폴리설폰(PSU), 폴리페닐설폰(PPSU) 및 폴리에테르설폰(PES)의 세 가지 유형이 있습니다. PSU 반복 단위의 구조식은 다음과 같습니다.
05
폴리에테르술폰(PES)
폴리에테르술폰(PES)은 1970년대 영국 회사 ICI에 의해 성공적으로 개발 및 상용화되었습니다. PES라는 상표명으로 판매되는 이는 유리 전이 온도(Tg)가 225°C인 비정질 중합체입니다. PES의 분자 구조에는 열 안정성이 낮은 지방족 탄화수소 단위나 단단한 비페닐 단위가 포함되어 있지 않습니다. 주로 설폰 그룹, 에테르 그룹 및 페닐 그룹으로 구성됩니다. 설폰 그룹은 내열성을 부여하는 반면, 에테르 그룹은 용융 상태에서 폴리머 사슬에 우수한 유동성을 제공하여 성형 및 가공을 용이하게 합니다. PES는 우수한 내열성, 물리적, 기계적 특성, 전기 절연 특성을 가지고 있습니다. 고온에서 연속 사용이 가능하며 급격한 온도 변화가 있는 환경에서도 안정적인 성능을 유지합니다. 대부분의 화학 매체에 의한 부식에 강합니다. 폴리에테르술폰은 물에서 가수분해되지 않지만, 미량의 수분 흡수로 인해 약간의 가소화가 발생하여 기계적 성질이 약간 변할 수 있습니다. 또한, 폴리에테르설폰은 난연제를 첨가하지 않고도 자기소화성이 있어 우수한 난연성을 나타냅니다. PES는 전자, 전기, 기계, 자동차, 의료기기, 온수 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 높은 열변형온도, 높은 충격강도, 우수한 가공성을 겸비한 엔지니어링 플라스틱으로 인정받고 있습니다. PES의 반복 단위의 구조식은 다음과 같습니다.
06
폴리아릴레이트(PAR)
폴리아릴레이트(PAR)는 방향족 폴리에스터 제품군을 가리키는 일반적인 용어입니다. 성공적으로 개발되고 상용화된 최초의 제품은 1970년대 초 일본 회사 UNITIKA에 의해 U-polymer라는 상표명으로 만들어졌습니다. 비정질 폴리머입니다. 구체적으로 U-100의 Tg는 193°C입니다. PAR은 주쇄에 벤젠 고리와 에스테르 그룹이 있는 특수 엔지니어링 플라스틱입니다. 주쇄의 방향족 고리 밀도가 높아 열변형 온도가 175°C로 내열성이 향상되었습니다. 주쇄에 파라벤젠 고리 단위와 메타벤젠 고리 단위가 존재하면 폴리머 결정화가 억제되어 무정형의 투명한 폴리머가 생성됩니다. 투명도는 PC 및 PMMA와 동등하며 빛 투과율은 거의 90%입니다. 넓은 온도 범위에서 우수한 굽힘 탄력성과 우수한 크리프 저항성을 나타냅니다. 내후성이 뛰어나고 350 nm 미만의 자외선을 차단하며 장기간의 실외 조건에서도 본질적으로 변하지 않은 기계적 특성을 유지합니다. 이는 자가소화성이고, 연소 시 연기를 최소화하며, 무독성입니다. PAR은 내열성이 우수한 고분자 소재입니다. 구조식과 합성 방법은 응용 요구 사항에 따라 다릅니다. 고온 내성 전자 장치는 물론 항공 우주 및 자동차 산업의 부품 및 부품에 사용할 수 있으며 의료 기기에도 일반적으로 사용됩니다. 여러 산업 분야에 걸쳐 응용되는 특수 엔지니어링 플라스틱으로서 상당한 가치를 보여줍니다. PAR의 반복 단위의 구조식은 다음과 같습니다.
07
폴리페닐렌 설파이드(PPS)
폴리페닐렌 설파이드(PPS)는 1970년대 미국 필립스(Philips)가 Ryton이라는 브랜드 이름으로 처음 개발하여 상용화했습니다. 유리전이온도(Tg)가 88°C, 녹는점(Tm)이 277°C인 결정성 고분자입니다. PPS는 벤젠 고리와 황 원자가 교대로 배열되어 있어 규칙적인 구조와 최대 75%의 높은 결정화도, 최대 285°C의 녹는점을 제공합니다. 벤젠 고리는 PPS에 우수한 강성과 내열성을 제공하는 반면 황화물 결합은 어느 정도 유연성을 부여합니다. PPS는 내열성, 난연성, 전기절연성, 내식성이 우수합니다. 열 안정성, 기계적 강도, 전기적 성능을 포함한 포괄적인 특성을 통해 최대 220°C의 온도에 장기간 노출을 견딜 수 있습니다. 그 결과 PPS는 폴리카보네이트(PC), 폴리에스테르(PET), 폴리옥시메틸렌(POM), 나일론(PA), 폴리페닐렌옥사이드(PPO)에 이어 '세계 6위 엔지니어링 플라스틱'으로 평가받고 있다. PPS의 반복 단위의 구조식은 다음과 같습니다.
08
폴리에테르에테르케톤(PEEK)
폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 1970년대 영국 회사 ICI에 의해 처음으로 성공적으로 개발 및 상용화되었습니다. ICI는 PEEK를 성공적으로 합성하여 1978년에 마케팅을 시작했습니다. 그 이후로 Victrex 브랜드로 판매되었습니다. 상품명은 PEEK입니다. 유리전이온도(Tg)가 143°C이고 Tm = 334°C인 결정성 고분자입니다. PEEK는 주쇄 구조에 케톤 결합 1개와 에테르 결합 2개를 포함하는 반복 단위로 구성된 결정질 초고온 열가소성 폴리머입니다. 폴리에테르에테르케톤의 분자 구조는 견고한 벤젠 고리를 포함하고 있어 고온 성능, 기계적 특성, 전기 절연성, 난연성, 내방사선성 및 내화학성이 우수합니다. PEEK의 융점(Tm)은 340°C에 달합니다. 이러한 높은 융점은 PEEK에 뛰어난 고온 저항성을 부여합니다. 섬유 강화 PEEK의 열변형 온도는 최대 315°C에 도달할 수 있고, 장기 연속 사용 온도(UL946B)는 260°C에 도달할 수 있으며, 단기 내열성은 최대 300°C까지 확장됩니다. 260°C에서 5,000시간 사용 후에도 초기 상태와 강도가 거의 변하지 않으며, 뛰어난 열안정성을 나타냅니다. 결과적으로 PEEK는 열악한 환경에서도 긴 사용 수명을 제공합니다. PEEK의 반복 단위 구조식은 다음과 같습니다.
