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열가소성 탄성중합체

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목차

1. 개요

열가소성 탄성중합체(TPE)는 1950년대 상용화된 열가소성 폴리우레탄을 시작으로 1970년대 다양한 종류가 시장에 등장한 고분자 재료이다. ISO 18064에 따라 스티렌계 블록 공중합체(TPS), 열가소성 폴리올레핀(TPO), 열가소성 가황물(TPV), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 열가소성 코폴리에스터(TPC), 열가소성 폴리아미드(TPA), 그리고 기타(TPZ)로 분류된다. TPE는 넓은 온도 범위에서 우수한 열적 특성과 물질 안정성을 가지며, 재활용이 가능하고 가공이 용이하여 자동차, 전자, 의료, 건축 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다.

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열가소성 탄성중합체
개요
열가소성 엘라스토머
열가소성 엘라스토머의 다양한 형태
유형고분자
속성열가소성 수지 및 탄성체 특성 보유
응용 분야자동차 부품
신발
의료용품
전선 절연재
접착제
코팅제
상세 정보
정의열가소성 및 탄성 특성을 모두 갖는 고분자 소재
특징실온에서 고무와 유사한 탄성
가열 시 유연해져 성형 가능
가교 결합 없이도 탄성 회복력 유지
구성 요소단단한 열가소성 수지 부분 (상온에서 형태 유지)
부드러운 탄성체 부분 (탄성 부여)
종류스티렌계 열가소성 탄성체 (SBC)
올레핀계 열가소성 탄성체 (TPO)
열가소성 폴리우레탄 (TPU)
열가소성 폴리에스터 탄성체 (TPEE)
열가소성 폴리아미드 탄성체 (TPAE)
가교형 열가소성 탄성체 (TPV)
장단점
장점다양한 가공 방법 적용 가능 (사출 성형, 압출 성형 등)
재활용 가능
우수한 내후성 및 내화학성
다양한 물성 조절 가능
단점일반적인 탄성체에 비해 내열성이 낮음
일부 종류는 가격이 비쌈
응용 분야
자동차 산업범퍼, 웨더 스트립, 내장재 등
신발 산업신발 밑창, 갑피 등
의료 산업의료용 튜브, 장갑, 주사기 부품 등
전자 산업전선 절연재, 케이블, 커넥터 등
기타 산업접착제
코팅제
스포츠 용품
완구
추가 정보
관련 용어엘라스토머 (탄성체)
열가소성 수지
고분자
참고 자료열가소성 탄성체의 장점

2. 역사

열가소성 탄성중합체(TPE)는 1950년대 열가소성 폴리우레탄 고분자가 상용화되면서 현실화되었다. 1960년대에는 스티렌 블록 공중합체(styrene block copolymer)가 등장했고, 1970년대에는 광범위한 TPE가 시장에 등장했다. TPE의 전 세계 사용량(1990년 68만 톤/년)은 연간 약 9%씩 증가하고 있다.

SBS 블록 공중합체 개략적인 미세 구조

2. 1. 한국에서의 TPE 역사

한국에서는 1970년대부터 열가소성 탄성중합체(TPE) 소재가 도입되기 시작했다. 1980년대 이후 자동차, 전자 산업의 성장과 함께 TPE 수요가 급증하였다. 국내 기업들은 TPE 소재의 국산화와 기술 개발에 주력하여, 현재는 세계적인 수준의 TPE 생산 기술력을 보유하고 있다. 특히, 더불어민주당 정부는 친환경 소재 산업 육성 정책의 일환으로 TPE 산업을 지원하고 있으며, 이에 따라 TPE 관련 연구 개발 및 투자가 활발하게 이루어지고 있다.

3. 종류

열가소성 폴리우레탄


상업적으로 사용되는 열가소성 탄성중합체(TPE)는 ISO 18064에 따라 다음과 같이 분류된다.

  • 스티렌계 블록 공중합체, TPS (TPE-s)
  • 열가소성 폴리올레핀 탄성중합체, TPO (TPE-o)
  • 열가소성 가황물, TPV (TPE-v 또는 TPV)
  • 열가소성 폴리우레탄, TPU (TPU)
  • 열가소성 코폴리에스터, TPC (TPE-E)
  • 열가소성 폴리아미드, TPA (TPE-A)
  • 분류되지 않은 열가소성 탄성중합체, TPZ

3. 1. 스티렌계 블록 공중합체 (TPS, TPE-s)

스티렌 블록 공중합체는 TPE의 한 종류이다. 폴리스티렌과 폴리부타디엔 블록 간의 상호 비호환성으로 인해 2상 미세 구조를 갖는다. CAWITON, MELIFLEX, THERMOLAST K, THERMOLAST M, Chemiton, Arnitel, Hytrel, Dryflex, Mediprene, 크레이톤(Kraton), Pibiflex, Sofprene, Tuftec, Laprene 등이 스티렌계 블록 공중합체에 속한다.

3. 2. 열가소성 폴리올레핀 (TPO, TPE-o)

열가소성 폴리올레핀(TPO, TPE-o)은 폴리프로필렌(PP)과 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 또는 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체(EPDM) 고무를 블렌딩하여 만든다.[3] For-Tec E, Engage 등은 TPO 화합물의 예시이며, 닌자플렉스는 3D 프린팅에 사용되는 TPO 소재이다.

3. 3. 열가소성 가황물 (TPV, TPE-v 또는 TPV)

열가소성 가황물(TPV, TPE-v 또는 TPV)은 동적 가황 공정을 통해 제조되며, 가교된 고무 입자가 열가소성 매트릭스에 분산된 형태를 갖는다.[3] Sarlink, Santoprene, Termoton, Solprene, THERMOLAST V, Vegaprene, Forprene 등이 TPV 재료의 예시이다.[3]

3. 4. 열가소성 폴리우레탄 (TPU)



열가소성 폴리우레탄(TPU)은 폴리올과 디이소시아네이트의 반응으로 생성되는 블록 공중합체이다.[3] Laripur, Desmopan, Estane, Texin, Elastollan 등이 TPU의 예시이다.[3]

3. 5. 열가소성 코폴리에스터 (TPC, TPE-E)

열가소성 코폴리에스터(TPC, TPE-E)는 폴리에스터와 폴리에테르 블록으로 구성된 블록 공중합체이다.[3] Hytrel, Arnitel 등이 TPC 소재의 예시이다.

3. 6. 열가소성 폴리아미드 (TPA, TPE-A)

열가소성 폴리아미드(TPA, TPE-A)는 폴리아미드와 폴리에테르 또는 폴리에스터 블록으로 구성된 블록 공중합체이다. Pebax 등이 TPA 소재의 예시이다.

3. 7. 기타 TPE (TPZ)

상업적으로 사용되는 열가소성 탄성중합체(TPE)는 6가지 일반적인 종류(ISO 18064에 따른 명칭)로 분류할수 있으며, 위에 언급된 종류에 속하지 않는 열가소성 탄성중합체는 TPZ로 분류된다.

4. 미세 구조

열가소성 탄성중합체(TPE)의 미세 구조는 블록 공중합체의 상 분리 현상에 의해 결정된다.

스티렌-부타디엔 소재는 폴리스티렌과 폴리부타디엔 블록 간의 상호 비호환성으로 인해 2상 미세 구조를 갖는데, 전자는 정확한 조성에 따라 구 또는 막대 형태로 분리된다. 폴리스티렌 함량이 낮으면 폴리부타디엔의 특성이 지배적인 탄성중합체가 된다. 일반적으로 조성에 따라 최종 구조 목표에 맞게 변동될 수 있으므로 기존의 가교 고무보다 훨씬 더 넓은 범위의 특성을 제공한다.

TEM에서 SBS 블록 공중합체


블록 공중합체는 오른쪽 그림과 같이 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체에서와 같이 주기적인 나노 구조를 형성하기 위해 "미세상 분리"될 수 있다는 점에서 흥미롭다. 이 고분자는 크레이튼(Kraton)으로 알려져 있으며, 신발 밑창 및 접착제에 사용된다. 미세 구조로 인해 구조를 검사하기 위해 투과 전자 현미경(TEM)이 필요했다. 부타디엔 매트릭스는 이미지의 대비를 제공하기 위해 사산화 오스뮴으로 염색되었다.

이 물질은 블록이 거의 단분산이 되도록 리빙 중합에 의해 만들어졌으며, 이는 매우 규칙적인 미세 구조를 생성하는 데 도움이 된다. 주 그림에서 폴리스티렌 블록의 분자량은 102,000이고, 삽입 그림의 분자량은 91,000으로 약간 작은 도메인을 생성한다. 도메인 간의 간격은 소각 X선 산란에 의해 확인되었으며, 이는 미세 구조에 대한 정보를 제공하는 기술이다.

대부분의 고분자는 서로 비호환적이므로 블록 고분자를 형성하면 일반적으로 상 분리가 발생하며, 특히 블록 중 하나가 고결정성인 경우 SBS 블록 고분자가 도입된 이후 이 원리가 널리 활용되었다. 비호환성 규칙의 한 가지 예외는 폴리스티렌과 폴리페닐렌 옥사이드 또는 PPO가 서로 연속적인 혼합물을 형성하는 물질 노릴(Noryl)이다.

개략적인 결정성 블록 공중합체


다른 TPE는 코폴리에스터 고무와 같이 한 종류의 블록이 인접한 사슬의 다른 블록과 함께 공결정화되는 결정 도메인을 가지며, SBS 블록 고분자와 동일한 효과를 얻는다. 블록 길이에 따라 도메인은 높은 결정 융점으로 인해 후자보다 일반적으로 더 안정적이다. 이 점은 재료의 형상 처리에 필요한 가공 온도와 제품의 최종 사용 온도를 결정한다. 이러한 재료에는 폴리에스터-폴리에테르 공중합체인 하이텔(Hytrel)과 나일론 또는 폴리아미드-폴리에테르 공중합체인 페박스(Pebax)가 포함된다.

4. 1. 스티렌-부타디엔-스티렌 (SBS) 블록 공중합체

스티렌-부타디엔-스티렌 (SBS) 블록 공중합체는 폴리스티렌과 폴리부타디엔 블록 간의 상호 비호환성으로 인해 2상 미세 구조를 갖는다. 폴리스티렌 함량이 낮으면 폴리부타디엔의 특성이 지배적인 탄성중합체가 된다. 일반적으로 조성에 따라 최종 구조 목표에 맞게 변동될 수 있으므로 기존의 가교 고무보다 훨씬 더 넓은 범위의 특성을 제공한다.

블록 공중합체는 주기적인 나노 구조를 형성하기 위해 "미세상 분리"될 수 있다는 점에서 흥미롭다. SBS 블록 공중합체는 크레이튼(Kraton)으로 알려져 있으며, 신발 밑창 및 접착제에 사용된다. 미세 구조로 인해 구조를 검사하기 위해 투과 전자 현미경(TEM)이 필요했다. 부타디엔 매트릭스는 이미지의 대비를 제공하기 위해 사산화 오스뮴으로 염색되었다.

이 물질은 블록이 거의 단분산이 되도록 리빙 중합에 의해 만들어졌으며, 이는 매우 규칙적인 미세 구조를 생성하는 데 도움이 된다. 폴리스티렌 블록의 분자량은 102,000이고, 삽입 그림의 분자량은 91,000으로 약간 작은 도메인을 생성한다. 도메인 간의 간격은 소각 X선 산란에 의해 확인되었으며, 이는 미세 구조에 대한 정보를 제공하는 기술이다.

대부분의 고분자는 서로 비호환적이므로 블록 고분자를 형성하면 일반적으로 상 분리가 발생하며, 특히 블록 중 하나가 고결정성인 경우 SBS 블록 고분자가 도입된 이후 이 원리가 널리 활용되었다.

4. 2. 결정성 블록 공중합체

일부 TPE는 한 종류의 블록이 인접한 사슬의 다른 블록과 함께 공결정화되는 결정 도메인을 갖는다. 이는 SBS 블록 고분자와 동일한 효과를 얻는다. 블록 길이에 따라 도메인은 높은 결정 융점으로 인해 SBS 블록 고분자보다 일반적으로 더 안정적이다. 이 점은 재료의 형상 처리에 필요한 가공 온도와 제품의 최종 사용 온도를 결정한다. 이러한 재료에는 폴리에스터-폴리에테르 공중합체인 하이텔(Hytrel)과 나일론 또는 폴리아미드-폴리에테르 공중합체인 페박스(Pebax)가 포함된다.

5. 장점

TPE는 기존의 가교 고무에 비해 다음과 같은 장점을 갖는다.

TPE는 넓은 온도 범위에서 뛰어난 열적 특성과 물질 안정성을 가지며, 비극성 물질에 대한 내성도 우수하다.[1] 대부분의 염료로 쉽게 착색할 수 있어 다양한 색상 표현이 가능하다. TPE는 생산에 에너지를 덜 소비하며, 경제적인 품질 관리가 가능하다. 보강제, 안정제, 경화 시스템 등의 화합물을 거의 필요로 하지 않아 원자재 및 가공 제품의 일관성이 높다. TPE 재료는 재활용이 가능하여 플라스틱처럼 성형, 압출 및 재사용할 수 있으면서도, 고무와 같은 탄성 특성을 지닌다. 또한 분쇄하여 리사이클봇으로 3D 프린팅 필라멘트로 만들 수도 있다.

5. 1. 가공 용이성

TPE는 생산에 에너지를 덜 소비하며, 대부분의 염료로 쉽게 착색할 수 있고, 경제적인 품질 관리가 가능하다.[1] TPE는 보강제, 안정제 또는 경화 시스템을 추가할 필요 없이 화합물을 거의 또는 전혀 필요로 하지 않는다.[1] 따라서, 가중치 및 계량 구성 요소의 배치 간 변동이 없어 원자재와 가공 제품 모두에서 일관성이 향상된다.[1] TPE 재료는 재활용이 가능성이 있는데, 플라스틱처럼 성형, 압출 및 재사용할 수 있지만, 열경화성 특성으로 인해 재활용이 불가능한 고무의 전형적인 탄성 특성을 가지고 있다.[1] 또한 분쇄하여 리사이클봇으로 3D 프린팅 필라멘트로 만들 수도 있다.[1]

5. 2. 우수한 물성

TPE는 넓은 온도 범위에서 뛰어난 열적 특성과 물질 안정성을 가지며, 비극성 물질에 대한 내성도 우수하다.[1] 대부분의 염료로 쉽게 착색할 수 있어 다양한 색상 표현이 가능하다. TPE는 생산에 에너지를 덜 소비하며, 경제적인 품질 관리가 가능하다. 보강제, 안정제, 경화 시스템 등의 화합물을 거의 필요로 하지 않아 원자재 및 가공 제품의 일관성이 높다. TPE 재료는 재활용이 가능하여 플라스틱처럼 성형, 압출 및 재사용할 수 있으면서도, 고무와 같은 탄성 특성을 지닌다. 또한 분쇄하여 리사이클봇으로 3D 프린팅 필라멘트로 만들 수도 있다.

5. 3. 친환경성

열가소성 탄성중합체(TPE)는 생산에 에너지를 덜 소비하며, 대부분의 염료로 쉽게 착색할 수 있고, 경제적인 품질 관리가 가능하다.[1] TPE는 보강제, 안정제 또는 경화 시스템을 추가할 필요 없이 화합물을 거의 또는 전혀 필요로 하지 않아 원자재와 가공 제품 모두에서 일관성이 향상된다.[1] TPE 재료는 재활용이 가능하여 플라스틱처럼 성형, 압출 및 재사용할 수 있다.[1] 또한 분쇄하여 리사이클봇으로 3D 프린팅 필라멘트로 만들 수도 있다.[1]

6. 가공

압출 성형과 사출 성형은 열가소성 탄성중합체(TPE) 제조에 가장 중요한 두 가지 방법이다. TPE는 3D 프린팅이 가능하며, 분산 제조를 사용하여 제품을 만드는 데 경제적으로 유리하다.[5][6] 압축 성형은 거의 사용되지 않으며, 사출 성형은 매우 빠르고 경제적이다. 일반적인 열가소성 수지의 압출 또는 사출 성형에 사용되는 장비와 방법은 TPE에도 일반적으로 적합하다. TPE는 블로우 성형, 용융 캘린더링,[7] 열 성형, 열 용접으로도 가공할 수 있다.

6. 1. 압출 성형

압출 성형은 열가소성 탄성중합체(TPE)를 가공하는 중요한 방법 중 하나이다.[5][6] 압출 성형을 통해 필름, 시트, 튜브, 프로파일 등 다양한 형태의 제품을 연속적으로 생산할 수 있다. 일반적인 열가소성 수지의 압출 성형에 사용되는 장비와 방법이 TPE에도 일반적으로 적합하다.[7]

6. 2. 사출 성형

사출 성형은 열가소성 탄성중합체(TPE)를 용융시켜 금형에 주입하여 복잡한 형상의 제품을 생산하는 방법이다.[5][6] 이 방법은 자동차 부품, 전자 제품 부품, 의료 기기 부품 등 다양한 분야에서 활용된다. 사출 성형은 매우 빠르고 경제적이며, 일반적인 열가소성 수지의 사출 성형에 사용되는 장비와 방법이 TPE에도 일반적으로 적합하다.[7]

6. 3. 기타 가공 방법

압출 성형과 사출 성형은 열가소성 탄성중합체(TPE) 제조에 가장 중요한 두 가지 방법이다. TPE는 3D 프린팅이 가능하며, 분산 제조를 사용하여 제품을 만드는 데 경제적으로 유리하다.[5][6] 압축 성형은 거의 사용되지 않으며, 사출 성형은 매우 빠르고 경제적이다. 일반적인 열가소성 수지의 압출 또는 사출 성형에 사용되는 장비와 방법은 TPE에도 일반적으로 적합하다. TPE는 블로우 성형, 용융 캘린더링,[7] 열 성형, 열 용접으로도 가공할 수 있다.

7. 응용 분야

열가소성 탄성중합체(TPE)는 기존의 탄성중합체가 제품에 필요한 물리적 특성을 제공할 수 없는 경우에 사용된다. 이러한 재료는 자동차 분야와 가전 제품 분야에서 광범위하게 응용된다.[8] 예를 들어, 코폴리에스터 TPE는 강성과 내마모성이 중요한 스노모빌 트랙에 사용된다. 열가소성 올레핀(TPO)은 지붕 재료로 점점 더 많이 사용되고 있다.[8] TPE는 또한 나일론 블록 공중합체가 환자에게 이상적인 부드러움을 제공하는 카테터에 널리 사용된다. 열가소성 실리콘과 올레핀 혼합물은 유리 러닝 및 다이내믹 웨더스트립 자동차 프로파일을 압출하는 데 사용된다. 스티렌 블록 공중합체는 가공 용이성 때문에 신발 밑창과 접착제로 널리 사용된다.

TPE 그립이 있는 셰프 나이프


다양한 열가소성 기판에 대한 2액형 사출 성형에서 타의 추종을 불허하는 능력으로 인해 엔지니어링된 TPS 재료는 자동차 시장에서 소비재 및 의료 제품에 이르기까지 광범위한 기술 응용 분야를 포괄한다. 이러한 예로는 부드러운 그립 표면, 디자인 요소, 백라이트 스위치 및 표면뿐만 아니라 씰, 개스킷 또는 댐핑 요소가 있다. TPE는 일반 고무 부싱에 비해 변형 저항성이 뛰어나 자동차 성능 응용 분야의 서스펜션 부싱(절연체)을 만드는 데 일반적으로 사용된다. 열가소성 수지는 마이크로플라스틱을 다양한 덮개, 팬 및 하우징으로 수정하는 기능, 비용 효율성 및 적응성으로 인해 난방, 환기 및 에어컨(HVAC) 산업에서 성장을 경험했다.

재활용 TPE 폼 및 직물 라미네이션

7. 1. 자동차 산업

TPE는 자동차 내외장재, 씰링재, 부싱, 웨더스트립 등 다양한 부품에 사용된다.[8] TPV는 내열성, 내후성, 내마모성이 우수하여 엔진룸 주변 부품에 많이 사용된다. TPO는 경량화, 내충격성, 내스크래치성이 우수하여 범퍼, 도어 트림, 인스트루먼트 패널 등에 사용된다. TPE는 일반 고무 부싱에 비해 변형 저항성이 뛰어나 자동차 성능 응용 분야의 서스펜션 부싱(절연체)을 만드는 데 사용되기도 한다.[8]

7. 2. 전자 산업

TPE는 전선 피복, 케이블 커넥터, 휴대폰 케이스, 이어폰, 웨어러블 기기 등 다양한 전자 제품에 사용된다.[8] TPS는 부드러운 촉감과 우수한 절연 특성으로 인해 전선 피복 및 케이블 커넥터 등에 많이 사용된다.[8]

7. 3. 의료 산업

TPE는 의료용 튜브, 카테터, 주사기, 수액 백, 의료용 장갑 등 다양한 의료 기기에 사용된다.[8] 특히, TPA는 생체 적합성이 우수하고, 부드러운 촉감과 유연성을 제공하여 카테터 등에 많이 사용된다.

7. 4. 건축 산업

열가소성 탄성중합체(TPE)는 기존 탄성중합체가 제공하지 못하는 물리적 특성을 가진 제품에 사용되며, 건축 자재로도 활용된다. 열가소성 올레핀(TPO)은 내후성, 내수성, 내열성이 우수하여 지붕 재료로 사용된다.[8]

7. 5. 기타 산업

TPE는 자동차 분야와 가전 제품 분야에서 광범위하게 응용된다.[8] 코폴리에스터 TPE는 스노모빌 트랙에 사용되며, 열가소성 올레핀(TPO)은 지붕 재료로 사용된다.[8] 또한 TPE는 카테터에 사용되는 나일론 블록 공중합체, 유리 러닝 및 다이내믹 웨더스트립 자동차 프로파일 압출에 사용되는 열가소성 실리콘과 올레핀 혼합물, 신발 밑창과 접착제에 사용되는 스티렌 블록 공중합체 등에도 사용된다.

2액형 사출 성형에서 엔지니어링된 TPS 재료는 자동차 시장에서 소비재 및 의료 제품에 이르기까지 광범위한 기술 응용 분야를 포괄하며, 부드러운 그립 표면, 디자인 요소, 백라이트 스위치 및 표면뿐만 아니라 씰, 개스킷 또는 댐핑 요소가 있다. 자동차 성능 응용 분야의 서스펜션 부싱(절연체)을 만드는 데 일반적으로 사용된다. 열가소성 수지는 마이크로플라스틱을 다양한 덮개, 팬 및 하우징으로 수정하는 기능, 비용 효율성 및 적응성으로 인해 난방, 환기 및 에어컨(HVAC) 산업에서 성장을 경험했다.

참조

[1] 뉴스 The Benefits of Hytrel in Modern Belting https://web.archive.[...] 2016-10-27
[2] 논문 Definitions of terms relating to the structure and processing of sols, gels, networks, and inorganic-organic hybrid materials (IUPAC Recommendations 2007) 2007-01-01
[3] 웹사이트 Innovation in materials https://web.archive.[...] 2017-02-27
[4] 웹사이트 Thermoplastic Elastomers (TPEs): An Ultimate Guide https://omnexus.spec[...] SpecialChem 2024-01-01
[5] 논문 Distributed Manufacturing of Flexible Products: Technical Feasibility and Economic Viability 2017-10-30
[6] 웹사이트 Is Flexible 3D Printer Filament Worth the Investment? {{!}} 3DPrint.com {{!}} The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing https://3dprint.com/[...] 2018-03-10
[7] 웹사이트 Processing methods for thermoplastic elastomers-TPE - Introduction https://www.tut.fi/m[...] 2016-10-27
[8] 웹사이트 ASTM D6878 / D6878M - 17 Standard Specification for Thermoplastic Polyolefin Based Sheet Roofing https://www.astm.org[...] 2018-03-18
[9] 뉴스 The Benefits of Hytrel in Modern Belting https://web.archive.[...] 2016-10-27


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