열경화성 플라스틱
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1. 개요
열경화성 플라스틱은 열을 가하면 화학적 변화를 겪어 영구적으로 굳어지는 플라스틱의 일종이다. 경화 과정을 통해 고분자 사슬 간에 공유 결합이 형성되어 강하고 3차원적인 구조를 갖게 된다. 이러한 특성으로 인해 열경화성 플라스틱은 열가소성 플라스틱보다 강하고 내열성이 뛰어나다. 주요 종류로는 에폭시 수지, 폴리우레탄, 페놀 수지 등이 있으며, 섬유 강화 플라스틱, 코팅, 접착제, 전기 절연 등 다양한 분야에서 활용된다. 열경화성 플라스틱은 사출 성형, 압출 성형, 압축 성형, 스핀 캐스팅 등 다양한 방법으로 성형된다.
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| 열경화성 플라스틱 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 종류 | 중합체 |
| 성질 | 단단하고, 열에 강함 |
| 상세 정보 | |
| 정의 | 경화 반응을 통해 비가역적으로 경화된 중합체 |
| 경화 방법 | 열, 방사선, 화학 반응 |
| 가역성 여부 | 비가역적 |
| 경화 과정 | 액체 또는 가소성 고체에서 단단하고 단단한 고체로 변환 |
| 경화 메커니즘 | 가교 |
| 열적 거동 | 고온에서 분해됨 녹지 않음 |
| 용매 용해성 | 용매에 녹지 않음 |
| 재활용 가능성 | 재활용하기 어려움 |
| 일반적인 특성 | 높은 강도, 우수한 내열성 및 내화학성 |
| 사용 분야 | 접착제, 코팅, 절연재, 구조재 |
| 역사 | |
| 최초의 열경화성 수지 | 베이클라이트 (페놀 수지) |
| 베이클라이트 발명 | 1907년 ~ 1909년, 레오 베이클랜드 |
| 종류 | |
| 종류 | 에폭시 수지 페놀 수지 폴리우레탄 불포화 폴리에스터 수지 비닐 에스터 수지 멜라민 수지 요소 수지 실리콘 수지 푸란 수지 벤조옥사진 |
| 응용 분야 | |
| 접착제 | 구조용 접착제, 목재 접착제, 전자 제품 접착제 |
| 코팅 | 자동차 코팅, 산업용 코팅, 분체 코팅 |
| 복합재료 | 항공우주, 자동차, 해양, 스포츠 장비 |
| 전자 제품 | 회로 기판, 캡슐화, 절연 |
| 기타 | 주형, 도료, 바니시 |
2. 화학적 과정
열경화성 수지는 경화 과정에서 개별 고분자 사슬 간 가교 결합 또는 사슬 연장을 통해 공유 결합이 형성되어 플라스틱이나 엘라스토머(고무)로 변환된다. 가교 밀도는 단량체, 예비 중합체 혼합물, 그리고 가교 메커니즘에 따라 달라진다.
열경화성 수지 단량체 및 예비 중합체를 기반으로 하는 열경화성 고분자 혼합물은 열가소성 고분자 또는 무기 재료로는 달성할 수 없는 독특한 경화 특성을 낼 수 있도록 다양한 방식으로 배합, 적용 및 가공될 수 있다.[7][8]
2. 1. 아크릴, 폴리에스터, 비닐 에스터 수지
아크릴 수지, 폴리에스터 및 비닐 에스터 수지는 말단 또는 주쇄에 불포화 부위를 가지며, 일반적으로 불포화 단량체 희석제와 공중합하여 연결된다. 경화는 이온화 방사선에 의해 생성되거나 라디칼 개시제의 광분해 또는 열 분해에 의해 생성된 자유 라디칼에 의해 시작된다. 가교의 강도는 예비 중합체의 주쇄 불포화 정도에 영향을 받는다.[2]2. 2. 에폭시 수지
에폭시 작용성 수지는 음이온 또는 양이온 촉매와 열을 사용하여 단독 중합될 수 있으며, 경화제(또는 경화제로도 알려짐)인 다기능 가교제와의 친핵성 부가 반응을 통해 공중합될 수 있다. 반응이 진행됨에 따라 더 크고 더 큰 분자가 형성되고 고도로 분지된 가교 구조가 발달하며, 경화 속도는 에폭시 수지 및 경화제의 물리적 형태와 기능에 영향을 받는다.[3] 승온 후 경화는 에테르 결합을 형성하기 위해 축합되는 주쇄 수산기 작용기의 2차 가교를 유도한다.2. 3. 폴리우레탄
폴리우레탄은 이소시아네이트 수지와 예비 중합체를 저분자량 또는 고분자량 폴리올과 결합할 때 형성되며, 친핵성 부가 중합을 제어하는 데 엄격한 화학량론적 비율이 필수적이다. 가교의 정도와 결과적인 물리적 유형(엘라스토머 또는 플라스틱)은 이소시아네이트 수지, 예비 중합체의 분자량 및 기능, 선택된 디올, 트리올 및 폴리올의 정확한 조합에 따라 조정되며, 반응 속도는 촉매 및 억제제에 의해 강하게 영향을 받는다.[4]2. 4. 폴리우레아
폴리우레아는 이소시아네이트 수지를 장쇄 아민 작용성 폴리에테르 또는 폴리에스터 수지 및 단쇄 디아민 연장제와 결합할 때 거의 즉시 형성된다. 아민-이소시아네이트 친핵성 부가 반응에는 촉매가 필요하지 않다. 폴리우레아는 이소시아네이트 수지가 수분과 접촉할 때도 형성된다.[4]2. 5. 페놀 수지, 아미노 수지, 퓨란 수지
페놀 수지, 아미노 수지, 퓨란 수지는 모두 물과 열을 방출하는 축합 중합으로 경화된다. 경화 개시 및 중합 발열 제어는 경화 온도, 촉매 선택 또는 로딩, 가공 방법이나 압력에 영향을 받는다. 예비 중합 정도와 수지에 잔류하는 히드록시메틸 함량 수준은 가교 밀도를 결정한다.[5]2. 6. 폴리벤족사진
폴리벤족사진은 발열 고리 열림 중합으로 경화되며, 어떤 화학 물질도 방출하지 않아 중합 시 수축이 거의 없다는 특징이 있다.[6]3. 특성
열경화성 플라스틱은 3차원적인 가교 결합으로 인해 열가소성 플라스틱보다 일반적으로 강하며, 고분자 사슬 간의 강한 공유 결합이 쉽게 끊어지지 않아 분해 온도까지의 고온에서도 사용할 수 있다. 열경화성 고분자의 가교 결합 밀도와 방향족 함량이 높을수록 열 분해 및 화학적 공격에 대한 저항성이 높아진다. 기계적 강도와 경도 또한 가교 결합 밀도가 높아짐에 따라 향상되지만, 취성이 증가하는 단점이 있다.[9] 일반적으로 녹기 전에 분해된다.
단단한 열경화성 플라스틱은 하중을 받으면 영구 변형(소성 변형)을 겪을 수 있다. 반면 탄성 중합체는 부드럽고 탄성이 있거나 고무와 같아서 변형된 후 하중이 제거되면 원래 형태로 되돌아갈 수 있다.
기존의 열경화성 플라스틱 또는 탄성 중합체는 경화 후 용융 및 재성형이 불가능하다. 따라서 일반적으로 충전재를 제외하고는 동일한 용도로 재활용하기 어렵다.[10] 그러나 최근에는 제어된 가열 시 가교 결합 네트워크를 형성하는 열경화성 에폭시 수지가 개발되어, 유리 전이 온도 이상으로 재가열하면 가역적인 공유 결합 교환 반응을 통해 실리카 유리처럼 반복적으로 재성형할 수 있다.[11] 또한, 일시적인 특성을 갖는 열경화성 폴리우레탄도 개발되어 재가공 또는 재활용이 가능하다.[12]
4. 섬유 강화 재료
섬유와 혼합되면 열경화성 수지는 섬유 강화 고분자 복합재를 형성한다.[13][14][15]
4. 1. 응용 분야
섬유와 혼합되면 열경화성 수지는 섬유 강화 고분자 복합재를 형성하며, 이는 공장에서 마감된 구조용 복합재 OEM 또는 교체 부품[13], 현장에서 적용, 경화 및 마감된 복합재 수리[14][15] 및 보호 재료 제조에 사용된다. 골재 및 기타 고체 충전재의 바인더로 사용될 때는 입자 강화 고분자 복합재를 형성하며, 이는 공장에서 적용되는 보호 코팅 또는 부품 제조, 현장에서 적용 및 경화되는 건설 또는 유지보수 목적으로 사용된다.5. 종류
열경화성 수지는 가열하면 중합 반응을 통해 고분자 망목 구조를 형성하여 경화되는 수지로, 다양한 종류가 있으며 각각 고유한 특성과 용도를 가진다. 대표적인 열경화성 수지로는 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 요소 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 알키드 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄, 열경화성 폴리이미드, 비닐 에스터 수지 등이 있다.
5. 1. 주요 열경화성 수지
| 수지 종류 | 약칭 | 특징 및 용도 |
|---|---|---|
| 에폭시 수지 | EP | 유리 섬유 강화 플라스틱, 흑연 섬유 강화 플라스틱 등 섬유 강화 플라스틱의 매트릭스 성분, 주조, 전자 제품 캡슐화,[17] 건설, 보호 코팅, 접착제, 밀봉, 접합 등 |
| 페놀 수지 | PF | 베이클라이트로도 불리며, 전기 절연체 및 플라스틱 제품[21] |
| 멜라민 수지 | MF | 작업대 표면,[18] 일부 플라스틱 식기[19] |
| 요소 수지 | UF | 합판, 파티클보드, 중간 밀도 섬유판 등에 사용되는 요소-포름알데히드 폼 |
| 불포화 폴리에스터 수지 | UP | 시트 성형 컴파운드, 벌크 성형 컴파운드, 필라멘트 와인딩, 습식 적층 라미네이션, 수리 컴파운드, 보호 코팅 |
| 알키드 수지 | 도료, 에나멜, 접착제 등 | |
| 실리콘 수지 | 열경화성 폴리머 매트릭스 복합 재료, 세라믹 매트릭스 복합 재료 전구체 | |
| 폴리우레탄 | PUR | 단열 폼, 매트리스, 코팅, 접착제, 자동차 부품, 인쇄 롤러, 신발 밑창, 바닥재, 합성 섬유 등 (2개 이상의 이관능성 또는 고관능성 단량체/올리고머를 결합하여 형성) |
| 열경화성 폴리이미드 | PI | 인쇄 회로 기판, 현대 항공기 차체 부품, 항공 우주 복합 구조물, 코팅 재료, 유리 섬유 강화 파이프 |
| 비닐 에스터 수지 | 습식 적층 라미네이션, 성형, 급속 경화 산업 보호 및 수리 재료 |
6. 응용 분야
열경화성 수지는 보호 코팅, 심리스 바닥재, 토목 공학 구조물, 조인트 및 주입용 그라우트, 모르타르, 주조용 모래, 접착제, 실런트, 주조, 포팅, 전기 절연, 캡슐화, 고체 폼, 습식 라미네이팅, 풀트루젼, 젤 코트, 필라멘트 와인딩, 프리프레그, 성형 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다.
섬유와 혼합하면 섬유 강화 고분자 복합재를 형성하여 구조용 복합재나 보호 재료 제조에 사용되며, 골재 및 기타 고체 충전재와 함께 사용하면 입자 강화 고분자 복합재를 형성하여 보호 코팅이나 건설 및 유지보수 목적으로 사용된다.
6. 1. 주요 응용 분야
열경화성 플라스틱은 보호 코팅, 심리스 바닥재, 토목 공학 구조물, 조인트 및 주입용 그라우트, 모르타르, 주조용 모래, 접착제, 실런트, 주조, 포팅, 전기 절연, 캡슐화, 고체 폼, 습식 라미네이팅, 풀트루젼, 젤 코트, 필라멘트 와인딩, 프리프레그, 성형 등 다양한 분야에서 활용된다.[13][14][15]섬유와 혼합하면 섬유 강화 고분자 복합재를 형성하여 구조용 복합재나 보호 재료 제조에 사용된다. 골재 및 기타 고체 충전재와 함께 사용하면 입자 강화 고분자 복합재를 형성하여 보호 코팅이나 건설 및 유지보수 목적으로 사용된다.
열경화성 플라스틱 성형 방법은 다음과 같다.
- 반응성 사출 성형 (우유병 상자 등)
- 압출 성형 (파이프, 직물 실, 전기 케이블 절연체 등)
- 압축 성형 (SMC 및 BMC 열경화성 플라스틱)
- 스핀 캐스팅 (낚시 루어 및 지그, 게임 미니어처, 조각상, 엠블럼, 생산 및 교체 부품 등)
6. 2. 성형 방법
- 반응성 사출 성형 (우유병 상자 등과 같은 물체에 사용)
- 압출 성형 (파이프, 직물 실, 전기 케이블 절연체 제작에 사용)
- 압축 성형 (SMC 및 BMC 열경화성 플라스틱 성형에 사용)
- 스핀 캐스팅 (낚시 루어 및 지그, 게임 미니어처, 조각상, 엠블럼, 생산 및 교체 부품 생산에 사용)
참조
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GoldBookRef
thermosetting polymer
[2]
서적
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Gordon and Breach
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Hanser
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Polybenzoxazines
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Multi-Factorial Models of a Carbon Fibre/Epoxy Composite Subjected to Accelerated Environmental Ageing
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An Assessment of Thermoset Injection Molding for Thin-Walled Conformal Encapsulation of Board-Level Electronic Packages
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Crosslinking and thermal stability of thermosets based on novolak and melamine
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논문
Migration of melamine and formaldehyde from tableware made of melamine resin
https://www.tandfonl[...]
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논문
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[21]
웹사이트
熱硬化性樹脂のリサイクルへの挑戦
https://www.jtpia.jp[...]
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