폴리아미드-이미드
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
폴리아미드-이미드는 아미드기와 이미드기를 모두 포함하는 고성능 열가소성 고분자이다. 산 클로라이드 경로와 디이소시아네이트 경로를 통해 합성하며, 코팅 및 성형 제품에 주로 사용된다. 코팅 분야에서는 마그넷 와이어 에나멜, 부식 방지 코팅 등에 활용되며, 성형품으로는 고강도, 내마모성 등급으로 나뉘어 베어링, 씰, 밸브 시트 등 다양한 부품에 적용된다. 또한, 멤브레인 기반 가스 분리 공정, 정밀 기기, 자동차 부품 등에도 사용된다.
현재 폴리아미드-이미드를 합성하는 대표적인 상업적 방법은 산 클로라이드 경로와 이소시아네이트 경로이다.
폴리아미드-이미드는 주로 코팅 및 성형 제품으로 상업적으로 활용된다. 이 소재는 내열성을 갖춘 열가소성 수지로서 사출 성형이 가능하며, 275°C 전후의 높은 내열 온도, 뛰어난 내유성 및 내마모성, 작은 선팽창 계수 등의 우수한 특성을 지닌다[2][3]. 대표적인 상표명으로는 토론(Torlon)이 있다[3]. 이러한 특성 덕분에 다양한 산업 분야에서 코팅 재료나 고성능 부품 소재로 사용된다.
2. 화학적 합성 방법
2. 1. 산 클로라이드 경로 (Acid chloride route)
폴리아미드-이미드를 만드는 가장 초기의 경로는 메틸렌 디아닐린 (MDA)과 같은 방향족 디아민과 트리멜리트산 클로라이드 (TMAC)의 축합 반응이다. 이 반응 과정은 다음과 같다.
1. 아미산 생성: 먼저 무수물과 디아민이 반응하여 중간체인 아미산(amic acid)을 생성한다.
2. 아미드 결합 형성: 이후 산 클로라이드 작용기가 방향족 아민과 반응하여 아미드 결합을 형성하고, 부산물로 염산 (HCl)을 생성한다.
상업적인 폴리아미드이미드 제조에서는 중합 반응을 특정 용매와 온도 조건에서 진행한다.
반응 과정에서 생성된 부산물인 HCl은 반드시 제거해야 한다. 이는 반응 중에 바로 중화시키거나, 침전된 고분자를 세척하는 방법을 사용한다.
마지막 단계로, 생성된 폴리아미드이미드 고분자에 추가적인 열처리를 가한다. 이 열처리 과정을 통해 분자량이 증가하고, 아미산 그룹이 물을 방출하면서 이미드 결합을 형성하여 최종적인 폴리아미드-이미드가 완성된다.
2. 2. 디이소시아네이트 경로 (Diisocyanate route)
이 경로는 와이어 에나멜로 사용되는 폴리아미드-이미드를 만드는 기본적인 방법이다. 주로 4,4'-메틸렌디페닐디이소시아네이트(MDI)와 같은 디이소시아네이트를 트리멜리트산 무수물 (TMA)과 반응시킨다.
이 공정을 거치면 이산화탄소(CO2) 가스 부산물이 생기는데, 이는 쉽게 제거할 수 있다. 따라서 최종적으로 얻는 것은 응축 부산물이 없는, 높은 분자량을 가진 완전히 이미드화된 폴리머 용액이다. 이러한 용액 형태는 와이어 에나멜이나 코팅제를 만드는 데 편리하다.
용액의 점도는 반응물의 화학양론적 비율, 단일 기능을 가진 시약, 그리고 폴리머 고형분의 함량에 따라 조절된다. 일반적으로 폴리머 고형분 함량은 35-45% 수준이며, 필요에 따라 공급자나 사용자가 희석제를 사용하여 더 묽게 만들 수 있다.
3. 제조 및 응용
3. 1. 코팅
주로 코팅에 사용되는 폴리아미드-이미드(PAI) 제품은 분말 형태로 판매되며, 약 50% 정도 이미드화되어 있다. 주요 용도 중 하나는 마그넷 와이어 에나멜이다. 마그넷 와이어 에나멜은 PAI 분말을 N-메틸 피롤리돈과 같은 강한 비양성자성 용매에 녹여서 만든다. 이후 희석제나 다른 첨가제를 넣어 구리 또는 알루미늄 도체에 적용하기 적합한 점도로 조절한다. 코팅 과정은 일반적으로 도체를 에나멜 용액이 담긴 통과 다이를 차례로 통과시켜 코팅 두께를 제어하는 방식으로 이루어진다. 코팅된 와이어는 오븐을 통과하며 용매가 제거되고 코팅이 경화된다. 원하는 두께를 얻기 위해 이 과정을 여러 번 반복하기도 한다.
PAI 에나멜은 열적으로 매우 안정적이며, 내마모성과 내화학성 또한 뛰어나다. 이러한 특성 때문에 PAI는 종종 폴리에스터 와이어 에나멜 위에 덧씌워져 더 높은 내열 등급을 구현하는 데 사용된다.
이 외에도 PAI는 산업용 장식 코팅이나 내식성 코팅에도 활용되며, 이때 플루오르 중합체와 함께 사용되는 경우가 많다. PAI는 플루오르 중합체가 금속 표면에 잘 부착되도록 돕는 역할을 한다. 또한 눌어붙지 않는 조리기구의 코팅에도 사용된다. 코팅 시 용매를 사용할 수도 있지만, PAI의 아미드-이미드 구조에 산성 작용기가 포함되어 있어 물을 기반으로 한 수성 시스템을 사용하는 것도 가능하다.
3. 2. 성형품
성형 제품에 사용되는 폴리아미드-이미드는 방향족 디아민과 트리멜리트산 클로라이드를 기반으로 하지만, 코팅용 제품에 사용되는 디아민과는 다르다. 또한 중합 및 펠릿화 전에 폴리머가 더욱 완전하게 이미드화되는 특징이 있다.
사출 성형용 수지로는 무보강 등급, 유리 섬유 강화 등급, 탄소 섬유 강화 등급, 내마모성 등급 등 다양한 종류가 있다. 이러한 수지는 비교적 낮은 분자량으로 판매되어 압출 또는 사출 성형을 통해 용융 가공이 가능하다.
성형된 제품은 최대 260°C의 온도에서 며칠 동안 열처리 과정을 거친다. 이 과정은 일반적으로 '후경화(post-curing)'라고 불리며, 사슬 연장을 통해 분자량이 증가하여 폴리머의 기계적 강도와 내화학성이 크게 향상된다. 후경화 전에는 부품을 다시 분쇄하여 재가공할 수 있지만, 후경화 후에는 재가공이 실용적이지 않다.
폴리아미드-이미드 성형품은 내열성을 갖춘 열가소성 수지로, 내열 온도는 275°C 전후에 달한다. 또한 내유성이 뛰어나 고온에서도 우수한 내마모성 및 마찰 특성을 유지하며, 선팽창 계수도 작다는 장점이 있다[2][3]. 대표적인 상표명으로는 토론(Torlon)이 있다[3].
3. 2. 1. 고강도 등급
폴리아미드-이미드(PAI)의 고강도 등급은 일반적으로 유리 섬유(GF) 또는 탄소 섬유(CF)로 강화되어 순수 PAI보다 높은 기계적 강도를 나타낸다. 주요 물성은 아래 표와 같다.
| 속성 | 시험 방법 | 단위 | 순수 PAI | 30% GF PAI | 30% CF PAI |
|---|---|---|---|---|---|
| 인장 강도 | ASTM D 638 | MPa (kpsi) | 152 (22.0) | 221 (32.1) | 221 (32.0) |
| 인장 탄성률 | ASTM D 638 | GPa (kpsi) | 4.5 (650) | 14.5 (2,110) | 16.5 (2,400) |
| 인장 신율 | ASTM D 638 | % | 7.6 | 2.3 | 1.5 |
| 굴곡 강도 | ASTM D 790 | MPa (kpsi) | 241 (34.9) | 333 (48.3) | 350 (50.7) |
| 굴곡 탄성률 | ASTM D 790 | GPa (kpsi) | 5.0 (730) | 11.7 (1,700) | 16.5 (2,400) |
| 압축 강도 | ASTM D 695 | MPa (kpsi) | 221 (32.1) | 264 (38.3) | 254 (36.9) |
| 전단 강도 | ASTM D 732 | MPa (kpsi) | 128 (18.5) | 139 (20.1) | 119 (17.3) |
| 아이조드 충격 강도 | ASTM D 256 | J/m (ftlb/in) | 144 (2.7) | 80 (1.5) | 48 (0.9) |
| 아이조드 충격 강도, 노치 없음 | ASTM D 4812 | J/m (ftlb/in) | 1070 (20) | 530 (10) | 320 (6) |
| 열변형 온도 @ 264 psi | ASTM D 648 | °C | 278°C | 282°C | 282°C |
| 선형 열팽창 계수 | ASTM D 696 | ppm/°C (ppm/°F) | 31 (17) | 16 (9) | 9 (5) |
| 체적 저항률 | ASTM D 257 | ohm-cm | 2e17 | 2e17 | |
| 비중 | ASTM D 792 | 1.42 | 1.61 | 1.48 | |
| 수분 흡수, 24 시간 | ASTM D 570 | % | 0.33 | 0.24 | 0.26 |
3. 2. 2. 내마모성 등급
| 특성 | 시험 방법 | 단위 | 4275 | 4301 | 4435 | 4630 | 4645 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 인장강도 | ASTM D 638 | MPa (kpsi) | 117 (16.9) | 113 (16.4) | 94 (13.6) | 81 (11.8) | 114 (16.6) |
| 인장 탄성 계수 | ASTM D 638 | GPa (kpsi) | 8.8 (1,280) | 6.8 (990) | 14.5 (2,100) | 7.4 (1,080) | 18.6 (2,700) |
| 인장 연신율 | ASTM D 638 | % | 2.6 | 3.3 | 1.0 | 1.9 | 0.8 |
| 굴곡 강도 | ASTM D 790 | MPa (kpsi) | 208 (30.2) | 215 (31.2) | 152 (22.0) | 131 (19.0) | 154 (22.4) |
| 굴곡 탄성 계수 | ASTM D 790 | GPa (kpsi) | 7.3 (1,060) | 6.9 (1,000) | 14.8 (2,150) | 6.8 (990) | 12.4 (1,800) |
| 압축강도 | ASTM D 695 | MPa (kpsi) | 123 (17.8) | 166 (24.1) | 138 (20.0) | 99 (14.4) | 157 (22.8) |
| 아이조드 충격 강도, 노치 | ASTM D 256 | J/m (ft-lb/in) | 85 (1.6) | 64 (1.2) | 43 (0.8) | 48 (0.9) | 37 (0.7) |
| 아이조드 충격 강도, 언노치 | ASTM D 4812 | J/m (ft-lb/in) | 270 (5) | 430 (8) | 210 (4) | 160 (3) | 110 (2) |
| 264 psi에서의 열 변형 온도 | ASTM D 648 | °C | 280°C | 279°C | 278°C | 280°C | 281°C |
| 선형 열팽창 계수 | ASTM D 696 | ppm/°C (ppm/°F) | 25 (14) | 25 (14) | 14 (8) | 16 (9) | 9 (3) |
3. 3. 사출 성형
폴리아미드-이미드(PAI) 수지는 흡습성이 있어 주변의 습기를 흡수하는 경향이 있다. 따라서 수지를 가공하기 전에는 부품 파손, 발포 현상 및 기타 성형 문제를 예방하기 위해 반드시 건조 과정이 필요하다. 수분 함량이 500 ppm 이하가 되도록 건조해야 하며, 이를 위해 이슬점을 약 -40.0°C로 유지할 수 있는 제습식 건조기 사용이 권장된다. 팬이나 트레이에서 건조할 경우, 수지를 건조 트레이에 약 5.08cm~약 7.62cm 이하의 깊이로 쌓아야 한다. 건조 조건은 약 121.1°C에서 24시간, 약 148.9°C에서 16시간, 또는 약 176.7°C에서 8시간이다. 단, 약 176.7°C에서 건조할 경우 건조 시간을 16시간으로 제한해야 한다. 사출 성형 프레스에는 제습 호퍼 건조기 사용이 권장되며, 순환 공기 흡입 파이프는 가능한 한 공급구에 가까운 호퍼 바닥에 위치해야 한다.PAI 성형에는 일반적으로 폐쇄 루프 제어(closed-loop control)가 가능한 마이크로프로세서 제어 기능이 있는 현대식 왕복 스크류 사출 성형 프레스가 권장된다. 프레스에는 압축비가 1.1:1에서 1.5:1 사이인 낮은 압축비의 일정 테이퍼 스크류(constant taper screw)를 장착해야 하며, 역류 방지 장치는 사용하지 않아야 한다. 시작 금형 온도는 다음과 같이 설정한다.
| 구역 | 온도, °F | 온도, °C |
|---|---|---|
| 공급 구역 | 580 | 304°C |
| 중간 구역 | 620 | 327°C |
| 전면 구역 | 650 | 343°C |
| 노즐 | 700 | 371°C |
금형 온도는 약 162.8°C ~ 약 218.3°C 범위로 유지해야 한다.
PAI는 내열성을 갖춘 열가소성 수지로 사출 성형이 가능하며, 내열 온도는 275°C 전후에 달하고, 내유성이 뛰어나 고온에서도 내마모성 및 마찰 특성이 유지되며, 선팽창 계수도 작다[2][3]. 토론(Torlon)이라는 상표로 판매된다[3].
4. 기타 응용
폴리아미드-이미드는 높은 내열성과 내화학성을 가지고 있어 멤브레인 기반 가스 분리에 활용될 수 있다.[4] 특히 천연가스 정제 과정에서 이산화 탄소(CO2)나 황화 수소(H2S)와 같은 불순물을 분리하는 것은 중요한 산업 공정이다. 이러한 공정은 종종 1000 psia를 넘는 고압 환경에서 이루어지므로 재료의 우수한 기계적 안정성이 필수적이다. 고도로 극성인 H2S와 분극 가능한 CO2 분자는 고농도의 불순물로 인해 고분자 막과 강하게 상호 작용하여 팽윤 및 가소화[1]를 일으킬 수 있다. 폴리아미드-이미드는 폴리이미드 구조에서 비롯된 강한 분자간 상호 작용과 아미드 결합을 통한 수소 결합 능력 덕분에 가소화에 저항할 수 있다. 현재 주요 산업 분리 공정에는 사용되지 않지만, 폴리아미드-이미드는 화학적 및 기계적 안정성이 요구되는 이러한 유형의 공정에 사용될 가능성이 있다.
이 외에도 폴리아미드-이미드는 다음과 같은 다양한 분야에서 사용된다.
- 정밀 기기
- 자동차 부품
- 항공 우주
- 가전 제품
- 의료 기기
- 전기·전자 분야
참조
[1]
서적
Membrane Gas Separation - Google Books
https://books.google[...]
2012-02-19
[2]
웹사이트
ポリアミドイミド（PAI）の物性と用途、特性について
http://www.toishi.in[...]
[3]
웹사이트
トーロン
http://www.solvayult[...]
[4]
서적
Membrane Gas Separation - Google Books
https://books.google[...]
2012-02-19
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com