니트릴 고무
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1. 개요
니트릴 고무(NBR)는 1931년 IG 파르벤의 BASF와 바이엘에 의해 개발되었으며, 1935년 독일에서 상업 생산이 시작되었다. NBR은 아크릴로니트릴과 부타디엔의 공중합체로, 광물성 오일, 식물성 오일, 벤젠, 희석산 및 알칼리에 대한 내성이 뛰어나다. 생산 과정은 유화 중합 방식을 사용하며, ACN 함량에 따라 특성이 달라진다. 니트릴 고무는 일회용 장갑, 자동차 부품, 씰 등 다양한 분야에 사용된다. NBR의 수소화 형태인 HNBR은 더 높은 온도와 화학 물질에 대한 저항성을 가지며, 카르복실화 형태인 XNBR은 NBR의 대안으로 사용된다.
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| 니트릴 고무 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| IUPAC 이름 | (정보 없음) |
| 다른 이름 | (정보 없음) |
| 식별자 | |
| CAS 등록번호 | 9003-18-3 |
| PubChem | (정보 없음) |
| ChemSpider ID | (정보 없음) |
| 속성 | |
| 화학식 | (정보 없음) |
| 몰 질량 | (정보 없음) |
| 외관 | (정보 없음) |
| 밀도 | (정보 없음) |
| 녹는점 | (정보 없음) |
| 끓는점 | (정보 없음) |
| 용해도 | (정보 없음) |
| 위험성 | |
| 주요 위험 | (정보 없음) |
| 인화점 | (정보 없음) |
| 자연 발화점 | (정보 없음) |
2. 역사
1931년 독일의 화학 대기업 IG 파르벤 소속의 BASF와 바이엘(Bayer)에서 니트릴 고무가 개발되었다.[2][4] 1935년 독일에서 최초로 상업 생산이 시작되었다.[2][4]
모노비츠 강제 수용소(Buna-Werke)는 아우슈비츠 근처에 위치한 노역 공장으로, IG 파르벤이 자금을 지원했으며, 원자재는 폴란드 탄광에서 조달되었다.[3] 부나 고무는 BASF에 의해 명명되었으며, 1988년까지 BASF가 보유한 니트릴 고무의 상표명이었다.
2. 1. 초기 개발
1931년 독일의 화학 대기업 IG 파르벤 소속의 BASF와 바이엘(Bayer)에서 니트릴 고무가 개발되었다.[2][4] 1935년 독일에서 최초로 상업 생산이 시작되었다.[2][4]
모노비츠 강제 수용소(Buna-Werke)는 아우슈비츠 근처에 위치한 노역 공장으로, IG 파르벤이 자금을 지원했다. 원자재는 폴란드 탄광에서 조달되었다.[3] 부나 고무는 BASF에 의해 명명되었으며, 1988년까지 BASF가 보유한 니트릴 고무의 상표명이었다.
2. 2. 제2차 세계 대전 시기
IG 파르벤은 제2차 세계 대전 시기 아우슈비츠 근처 모노비츠 강제 수용소(Buna-Werke)에서 니트릴 고무(부나 고무)를 생산했다.[3] 모노비츠 강제 수용소는 아우슈비츠 근처에 위치한 강제 노역 공장으로, IG 파르벤이 자금을 지원했으며, 원자재는 폴란드 탄광에서 조달되었다.[3] 부나 고무는 BASF A.G.에 의해 명명되었으며, 1988년까지 BASF가 보유한 니트릴 고무의 상표명이었다.3. 생산
니트릴 고무(NBR)는 크게 핫 NBR과 콜드 NBR 두 가지 방식으로 생산된다. 핫 NBR은 30°C~40°C의 온도에서, 콜드 NBR은 5°C~15°C의 온도에서 중합 반응이 일어난다. 콜드 NBR은 핫 NBR보다 고분자에 가지 형성이 덜하다는 특징이 있다.[4]
3. 1. 유화 중합
유화제(비누), 아크릴로니트릴, 부타디엔, 라디칼 생성 활성제 및 촉매를 중합 용기에 첨가한다. 물은 용기 내 반응 매체 역할을 한다. 핫 NBR 생산을 위해 탱크를 30°C~40°C로 가열하여 중합 반응을 촉진하고 고분자에 가지 형성을 유도한다. 니트릴 고무 생산에는 반응을 전파할 수 있는 여러 단량체가 관여하므로, 각 고분자의 조성은 중합 탱크에 첨가되는 각 단량체의 농도 및 탱크 내 조건에 따라 달라질 수 있다. 따라서 전체 고분자에 단일 반복 단위가 없을 수 있으며, 이 때문에 일반적인 고분자에 대한 IUPAC 이름도 없다.
단량체는 일반적으로 5~12시간 동안 반응하도록 허용된다. 중합은 "쇼트 스톱(shortstop)"제(예: 디메틸디티오카르바메이트 및 디에틸히드록실아민)를 첨가하여 잔류 자유 라디칼 및 개시제를 반응(파괴)시키기 전, ~70% 전환율까지 진행된다. 생성된 라텍스가 "쇼트 스톱"되면, 반응하지 않은 단량체는 슬러리 스트리퍼에서 증기를 통해 제거되며, 회수율은 거의 100%이다. 단량체 회수 후, 라텍스는 일련의 필터를 통과하여 원치 않는 고형물을 제거한 다음 산화 방지제로 안정화되는 블렌딩 탱크로 보내진다. 생성된 고분자 라텍스는 질산 칼슘, 황산 알루미늄 및 기타 응고제를 사용하여 알루미늄 탱크에서 응고된다. 그런 다음 응고된 물질을 세척하고 크럼 고무로 건조한다.[4]
콜드 NBR 생산 공정은 핫 NBR 공정과 매우 유사하다. 다만, 중합 탱크를 주변 온도(ATC)에 가깝게 30°C~40°C로 가열하는 대신 5°C~15°C로 냉각한다. 더 낮은 온도 조건에서는 고분자에 가지가 덜 형성되며, 가지의 양에 따라 콜드 NBR과 핫 NBR이 구분된다.
3. 2. 쇼트 스톱(Shortstop)
중합은 디메틸디티오카르바메이트, 디에틸히드록실아민 등의 "쇼트 스톱(shortstop)"제를 첨가하여 ~70% 전환율에서 반응을 중단시킨다.[4] "쇼트 스톱" 이후, 생성된 라텍스에서 반응하지 않은 단량체는 슬러리 스트리퍼에서 증기를 통해 제거된다.[4]3. 3. 단량체 회수
단량체는 일반적으로 5~12시간 동안 반응하도록 허용된다. 중합은 "쇼트 스톱(shortstop)"제(예: 디메틸디티오카르바메이트 및 디에틸히드록실아민)가 잔류 자유 라디칼 및 개시제와 반응(파괴)하기 위해 첨가되기 전에 ~70% 전환율까지 진행되도록 허용된다. 생성된 라텍스가 "쇼트 스톱"되면, 반응하지 않은 단량체는 슬러리 스트리퍼에서 증기를 통해 제거된다. 반응하지 않은 단량체의 회수율은 거의 100%이다.[4]3. 4. 응고 및 건조
라텍스는 필터를 거쳐 불순물이 제거된 후 산화 방지제로 안정화되어 블렌딩 탱크로 보내진다. 생성된 고분자 라텍스는 질산 칼슘, 황산 알루미늄 등의 응고제를 사용하여 알루미늄 탱크에서 응고된다. 응고된 물질은 세척 및 건조 과정을 거쳐 크럼 고무가 된다.[4]4. 특성
NBR의 특성에서 중요한 요소는 아크릴로나이트릴(ACN) 그룹과 뷰타다이엔 그룹의 비율(ACN 함량)이다. ACN 함량이 낮을수록 유리 전이 온도가 낮아지지만, ACN 함량이 높을수록 비극성 용매에 대한 내성이 좋아진다.[5] 용매 저항성과 저온 유연성이 모두 필요한 대부분의 응용 분야에서는 33%의 ACN 함량이 필요하다.
| 속성 | 값 |
|---|---|
| 경도, 쇼어 A | 30–90 |
| 인장 파단 응력, 극한 | 500PSI - 2500PSI |
| 파단 후 연신율 % | 최대 600% |
| 밀도 | 약 으로 배합 가능 |
4. 1. 일반적 특성
일반적으로 노란색을 띠지만, 제조사에 따라 주황색이나 붉은색을 띨 수 있다. 파단 시 연신율은 300% 이상이며, 인장 강도는 10MPa 이상이다.[5] 니트릴 고무는 광물성 오일, 식물성 오일, 벤젠/휘발유, 일반 희석산 및 알칼리에 대한 내성이 좋다.니트릴 고무의 특성에서 중요한 요소는 아크릴로니트릴(ACN) 그룹과 부타디엔 그룹의 비율(ACN 함량)이다. ACN 함량이 낮을수록 유리 전이 온도가 낮아지지만, ACN 함량이 높을수록 비극성 용매에 대한 내성이 좋아진다.[5] 용매 저항성과 저온 유연성이 모두 필요한 대부분의 응용 분야에서는 33%의 ACN 함량이 필요하다.
| 속성 | 값 |
|---|---|
| 경도, 쇼어 A | 30–90 |
| 인장 파단 응력, 극한 | 500PSI - 2500PSI |
| 파단 후 연신율 % | 최대 600% |
| 밀도 | 약 1.00 g/cm3으로 배합 가능 |
4. 2. ACN 함량의 영향
NBR의 특성에서 중요한 요소는 아크릴로나이트릴(ACN) 그룹과 뷰타다이엔 그룹의 비율로, ACN 함량이라고 한다. ACN 함량이 낮을수록 유리 전이 온도가 낮아진다. 그러나 ACN 함량이 높을수록 비극성 용매에 대한 내성이 더 좋아진다.[5] 용매 저항성과 저온 유연성이 모두 필요한 대부분의 응용 분야에서는 33%의 ACN 함량이 필요하다.4. 3. 물성표
| 속성 | 값 |
|---|---|
| 경도, 쇼어 A | 30–90 |
| 인장 파단 응력, 극한 | 500-2500 PSI |
| 파단 후 연신율 % | 최대 600% |
| 밀도 | 약 으로 배합 가능 |
5. 응용 분야
니트릴 고무는 다양한 산업 분야에서 활용된다.
화학 조성이나 구조의 미세한 차이가 큰 영향을 줄 수 있는 섭취용 고분자와 달리, 니트릴 고무(NBR)의 일반적인 특성은 조성에 크게 영향을 받지 않는다. 생산 과정은 복잡하지 않으며, 중합, 단량체 회수, 응고 과정에 필요한 첨가제와 장비는 대부분 고무 생산에 일반적으로 사용되는 것들이다.
5. 1. 주요 응용 분야
니트릴 고무는 일회용 라텍스 프리 장갑, 자동차 변속기 벨트, 호스, O-링, 개스킷, 오일 씰, V 벨트, 인조 가죽, 인쇄기 폼 롤러, 케이블 피복 등에 사용된다. NBR 라텍스는 접착제 제조 및 안료 바인더로도 사용할 수 있다.2008년 1월, 유럽 위원회는 니트릴 부타디엔 고무 가격을 고정하여 담합 및 제한적인 사업 관행에 대한 EU 금지 조항(EC 조약 제81조 및 EEA 협정 제53조)을 위반한 바이엘 및 제온 그룹에 총 34230000EUR의 벌금을 부과했다.[6]
6. 수소화 니트릴 부타디엔 고무 (HNBR)
수소화 니트릴 부타디엔 고무(HNBR)는 NBR을 수소화하여 만든다. 이 과정에서 다양한 화학 물질과 오존에 의해 쉽게 손상될 수 있는 올레핀 그룹이 제거된다. 윌킨슨 촉매가 수소화를 촉진하는 데 사용되며, 니트릴 그룹은 영향을 받지 않는다. 수소화 정도는 고분자에 적용할 수 있는 가황의 종류를 결정한다.[7]
6. 1. 특징
고도로 포화된 니트릴(HSN)이라고도 알려진 수소화 니트릴 부타디엔 고무(HNBR)는 열, 오일 및 화학 물질에 장기간 노출된 후에도 물리적 강도와 특성 유지력이 우수한 것으로 널리 알려져 있다.[7] 대표적인 상표명으로는 Zhanber(Lianda Corporation), Therban(Arlanxeo[8]), Zetpol(Zeon Chemical) 등이 있다.HNBR 화합물은 충전재 선택 및 로딩에 따라 일반적으로 23 °C에서 20–31 MPa의 인장 강도를 갖는다. 배합 기술을 통해 −40 °C ~ 165 °C의 넓은 온도 범위에서 장기간 사용해도 최소한의 열화만을 보인다. 저온 성능을 위해서는 저 ACN 등급을 사용해야 하며, 고온 성능은 흰색 충전재를 사용하여 고도로 포화된 HNBR 등급을 사용함으로써 얻을 수 있다. HNBR 엘라스토머는 엔진 오일, 냉각수, 연료 등 일반적인 자동차 유체에 대한 내성이 뛰어나다.
HNBR은 NBR에 비해 고유한 특성과 더 높은 온도 등급을 가지기 때문에 자동차, 산업 및 다양한 고성능 응용 분야에서 널리 채택되었다.
6. 2. 응용 분야
HNBR은 열, 오일 및 화학 물질에 장기간 노출되어도 물리적 강도와 특성 유지력이 뛰어나다. 자동차 에어컨 시스템용 O-링 제조에 주로 사용되며,[9] 타이밍 벨트, 댐퍼, 서보 호스, 멤브레인, 씰 등에도 활용된다.[10]HNBR은 자동차, 산업 및 다양한 고성능 응용 분야에서 널리 쓰인다. 특히 자동차 시장에서는 동적 및 정적 씰, 호스, 벨트 등에 사용되는 주요 소재이다. 유전 탐사 및 처리, 강철 및 제지 공장용 롤러와 같은 산업용 씰링에도 널리 사용된다.
7. 카르복실화 니트릴 부타디엔 고무 (XNBR)
니트릴 부타디엔 고무(NBR)의 대안으로 카르복실화 니트릴 부타디엔 고무(XNBR)가 있다. XNBR은 부타디엔, 아크릴로니트릴, 아크릴산의 삼원 공중합체이다.[11] 아크릴산의 존재는 카르복실산기(RCO2H)를 도입하며, 아연 첨가제를 통해 가교 결합을 할 수 있게 한다. 카르복실 그룹은 10% 이하 수준으로 존재하며, 이러한 이온 가교 외에도 전통적인 황 가황이 적용된다.
7. 1. 특징
니트릴 부타디엔 고무(NBR)의 대안으로 카르복실화 니트릴 부타디엔 고무(XNBR)가 있다. XNBR은 부타디엔, 아크릴로니트릴, 아크릴산의 삼원 공중합체이다.[11] 아크릴산 때문에 카르복실산기(RCO2H)가 도입된다. 이 그룹은 아연(Zn2+) 첨가제를 통해 가교 결합을 할 수 있게 한다. 카르복실 그룹은 10% 이하 수준으로 존재한다. 이러한 이온 가교 외에도 전통적인 황 가황이 적용된다.8. 환경 및 규제
2008년 1월, 유럽 위원회는 바이엘 및 제온 그룹이 니트릴 부타디엔 고무 가격을 고정하여 담합 및 제한적인 사업 관행에 대한 EU 금지 조항(EC 조약 제81조 및 EEA 협정 제53조)을 위반했다고 판결하고, 총 34230000EUR의 벌금을 부과했다.[6]
참조
[1]
간행물
Rubber, 3. Synthetic Rubbers, Introduction and Overview
[2]
웹사이트
History of the synthetic rubber industry
https://www.icis.com[...]
2008-05-12
[3]
웹사이트
Distinguishing Oświęcim (town), Auschwitz I, II, & III, and the Buna Werke
http://longstreet.ty[...]
Ptak Science Books
2008-09-23
[4]
간행물
Rubber, 4. Emulsion Rubbers
[5]
웹사이트
Acrylonitrile-butadiene rubber (NBR)
http://www.iisrp.com[...]
2014-07-25
[6]
뉴스
Bayer, Zeon fined 34.2 mln eur for synthetic rubber cartel activity
https://www.forbes.c[...]
AFX News
2008-01-23
[7]
간행물
Homogeneous Hydrogenation Art of Nitrile Butadiene Rubber: A Review
[8]
웹사이트
THERBAN -The high-performance HNBR
http://www.therban.c[...]
[9]
웹사이트
Archived copy
http://orings.com/te[...]
[10]
간행물
Therban® – the High Performance Elastomer for the New Millennium
[11]
간행물
Ionic elastomers based on carboxylated nitrile rubber (XNBR) and magnesium aluminum layered double hydroxide (Hydrotalcite)
[12]
간행물
특론講座 ゴムの工業的合成法 第4回 アクリロニトリル-ブタジエンゴム
日本ゴム協会
2015
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