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제목 제48회 석유화학강좌, 고분자에 사용되는 첨가제
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/03/01 16:40

 

 

  

제48회 석유화학강좌가 1월 24일부터 25일까지 양일간 한밭대학교에서 ‘고분자에 사용되는 첨가제’라는 주제로 개최됐다. 이 행사는 한국화학산업전문가협회(회장 도춘호, 이대수)가 주최하고, 한국고분자학회와 대한화학회 고분자화학분과회가 후원했다. 도춘호 회장은 “추운 겨울에 대전 한밭대학교까지 제48회 석유화학강좌에 참석해줘서 감사하다”며, “이번 석유화학강좌는 ‘고분자에 사용되는 첨가제’로 참석자에게 유용한 정보를 제공했으면 한다”고 인사말을 전했다. 첫째 날과 둘째 날 좌장은 한국화학산업전문가협회 박현길 박사와 한밭대학교 화학생명공학과 김상헌 교수가 각각 맡아 진행했다.

 

  

플라스틱 경량화 발포제

첫 번째 강의에서 동진쎄미켐 조용연 상무는 발포제는 화학발포제와 물리발포제로 나뉘고, 다시 유기, 무기, 가스형, 팽창형으로 분류한다고 설명했다. 유기발포제는 가스 발생속도가 빠르며, 촉진제를 사용해 분해온도를 쉽게 조절할 수 있지만, 열분해시 수지 내부 잔류물로 인해 성형기의 부식과 오염원인이 될 수 있다. ADCA는 화학발포제에서 80%나 될 정도로 가장 널리 사용되고 있으며, DPT는 단가당 발생가스량이 많아 경제성이 뛰어나며, 주로 고무용으로 사용된다.

Hydrazine 유도체는 분해온도가 고무 성형공정과 유사해 별도의 촉진제가 없어도 분해 잔류물질이 생성된다. 이는 고무의 가류제 역할을 한다. 고온 유기발포제인 5-PT는 가스성분이 질소로 돼 있어 이상적이나, 가격이 비싸고, 일반 플라스틱에 적용하기 어렵다.

무기발포제는 가스 발생속도가 완만하지만, 분해온도 조절이나 수지에 대한 상용성 및 분산성이 나쁘고, 균일한 발포구조도 얻기 어려우며, 분산성도 좋지 않고, 사용이 제한적이다. 가스발포제는 압축가스의 해압이나 증발성 액체의 기화 등 물리적 변화를 응용한 발포제로, 염소화 지방족 탄화수소와 프레온계 가스발포제가 있다.

마이크로캡슐형 발포제는 팽창개시온도와 최대팽창온도구간이 적합한 제품을 선택하는 것이 중요하다. 경량화 측면에서도 우월해 스마트폰에 적용되는 충격흡수필름 PE 전자선가교 thin 필름에 주로 사용되는데, 최근 초경량 필러를 적용한 필름이 이용되고 있다.

이처럼 경량 필러가 플라스틱, 고무 경량화에 응용되면서 발포제(FOAM) 제조공정 및 적용수지에 적합한 발포제를 선택하면 된다. 최근 마이크로캡슐형 발포제는 각 분야에서 경량화의 시도가 활발하게 진행되고 있어 발포제 수요증가와 친환경적인 발포제 개발 필요에 따라 관련연구가 진행중이다.

  

난연성능 향상을 위한 나노기술의 응용

한국생산기술연구원 김주혜 수석연구원은 2003년 대구지하철 화재사건과 미국의 1980~2008년 화재건수를 언급하며, 난연 이슈 이후 다양한 난연제가 개발되고 사용되고 있다고 밝혔다. 플라스틱 생산량은 2015년 기준 80억톤에서 기하급수적으로 증가해 2050년에는 260억톤으로 증가한다. 하지만 플라스틱은 화재 전이와 독성가스로 위험하다. 2차 피해와 고비용 문제로 난연제를 가장 많이 사용하지만, 선진국에서는 난연효과가 좋아도 할로겐계 난연제 사용을 제한하고 있다. 이를 대체할 인계, 인질소계 등의 난연제가 개발되고 있다.

2018년 캘리포니아주는 어린이용품에 난연제 사용 금지법을 통과시켰지만, 난연제 시장은 매해 5%정도 증가추세를 보이며, 2018년 70억 달러 규모로 성장했다. 친환경적이고 할로겐계만큼 난연효과를 가진 난연제는 아직 없다. 이에 난연제를 사용하지 않고, 고분자에 난연성을 부과하는 나노기술을 응용 연구가 진행중이다. 여기에는 PS수지용 첨가 및 반응형 난연제, 자동차시트용 난연제, 유무기복합 난연제 개발 등이 포함된다.

김주혜 수석연구원은 난연성능 향상을 위한 나노기술 응용연구가 진행되고 있지만, 실제로 산업계에서 활용하기에는 아직 부족한 실정이라고 내다봤다. 난연성능이 월등하다 해도 물성을 맞추지 못한다면 쓸 수 없기 때문에 새로운 난연제 개발은 계속돼야 하며, 난연성능을 UL94나 LOI로 측정해서라도 사용할 수 있는 난연제가 개발돼야 한다고 밝혔다.

  

플라스틱용 색소: 안료와 염료의 기초

한국화학연구원 김진수 박사는 색 인지과정과 가시광 스펙트럼, 이에 따른 파장과 에너지, 광원별 특성과 분광분포, 표면색과 투과색 등을 설명했다. 산업상 제품생산시 색의 표준이 중요해지고 있다.

플라스틱 착색기술은 플라스틱 산업발전과 더불어 비약적으로 발전해왔다. 플라스틱 제품의 색상은 시장경쟁력을 결정하는 요인으로, 플라스틱용 색소는 염료와 안료로 분류하고 있다. 색소는 착색 전 플라스틱 고유성질에 영향을 주면서 착색을 통해 심미성 및 감성 등 다양한 기능을 제공하며, 최종제품의 상품가치 향상에 매우 중요한 역할을 한다.

따라서 색을 측정하는 장비도 색차계인 자극치 직독법과 분광측색계인 있고, 색 수치화하는 표준에도 만셀표색계와 CIE XYZ 표색계, L*a*b* 표색계가 있다. 성공적인 컬러매칭을 위해서는 색소와 마스터배치, 플라스틱을 활용해 색채적 조건, 공정조건, 용도, 전기적 특성, 비용 등을 고려해야 한다.

플라스틱 착색제로는 파우더 형태의 Dry Powder가 있지만, 분산성이 나쁜 편이고, 고농도 색소로 모든 플라스틱에 적용 가능한 Liquid Color는 신속한 색상 변경이 가능하고, 저장공간이 효율적이라는 특징이 있다. Master Batch는 공간을 적게 차지하지만, 색상의 균일성을 저하시키는 단점이 있다. 펠렛 형태의 100% 컬러 수지인 Color Compound는 자동차와 전기전자산업에 주로 활용되는데, 색상 안정성과 균일성이 우수하다.

  

 

염료와 안료의 응용

솔루시스 김진원 부장은 “산업에서 제품 디자인과 컬러 선정을 통해 제품 경쟁력이 결정되는 만큼 조색과정에서 고객 감성의 구현이 중요하며, 조색 결정과정과 Colorant(염료, 안료)의 특성 및 내구성 파악, 메타머리즘을 최소화하는 분석(색차계, UV), 제품의 활용용도와 레진에 따른 착색제 선정기준이 달라진다”고 밝혔다.

조색 전 고려해야 할 염료와 안료의 내구성에는 내광성 및 착색력, 화학적 안정성, 가공조건과 염료의 승화성, 용출성 등이 있고, 범용 레진에서 Anthraquinone계 내열성은 동일한 계열에서 분자량이 클수록 승화안정성이 크고, 고온에 적용이 가능해지고, PA66/GF에서 Polyamide(PA)는 염료의 승화성보다 PA와의 화학적 안정성이 우선되며, 가공조건에 따라 염료의 승화성도 높아야 한다. Pigment와 Soivent 염료의 내열성은 일반적으로 거의 모든 레진에서 내열성과 내광성이 우수하지만, 나일론의 내열성은 취약한 편이다.

메타머리즘(조건등색)은 두 물체의 색이 같아 보이거나 달라 보이는 현상으로, 표준폼과 동일한 레진과 색소를 구성해 조색시 표준분석을 통해 동일하거나 비슷한 흡수 및 반사 스펙트럼을 나오게 하는 것이 메타머리즘을 최소화하는 방법이다. 색 분석기 UV-VIS. Spectrophometer를 통한 분석에서 고유한 화학구조 염료는 특정한 파장에서 고유한 모양의 그래프를 가지며, 혼합된 컬러(BLUE)의 경우는 분석이 쉽지 않다.

색차계를 흡광도 그래프로 컬러나 염료를 분석하고, 시료의 흡광도가 흡수화학종의 농도에 정비례하며, 색차례 Lab에서 델타(D) E값이 적을수록 합격판정으로 나왔다. ALLOY에 따라 조색 착색력 색상(BLACK)에 영향을 많이 주게 된다, 이에 따라 적합한 Colorant를 사용해야 하고, 최근 무도장 컬러가 대세인데, 공정개선과 원가절감효과가 있다.

  

필름용 슬립제와 블로킹 방지제

나노컴 공석우 박사는 “250마이크론을 기준으로 필름과 시트를 구분하고, 필름 가공수지 종류로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC 등 세계 범용 3대 수지와 그 외에 많은 수지들이 필름에 응용되고 있다”고 밝혔다.

슬립제는 필름이나 시트가 잘 미끄러지도록 하기 위한 첨가제로, 가공 도중이나 직후 표면으로 스며나와 도포된다. 이 도포막이 마찰계수를 줄이는 윤활작용을 통해 슬립성을 개선해준다. 슬립 에이전트에 요구되는 물성은 표면으로 이행이 이뤄져야 하고, 필름간 슬립이 일어나야 하며, 후가공 및 필름 이동시 기계 사이에서 잘 미끄러져야 후가공시 인쇄가 잘 된다.

Erucamide와 Oleamide는 카본 수의 차이에 따라 구분되는 것으로, Erucamide의 분자가 크면 이행성이 느려 슬림효과가 크지만, 효과는 떨어진다. 반대로 초기 효과를 고려한다면 Oleamide가 유리하고 저렴하지만, 고온가공시 불리하다는 단점이 있다. 따라서 경우에 따라 둘을 섞어 사용하는 경우도 있다.

마찰계수나 블로킹 현상으로 필름 표면에 달라붙는 경우에는 냉각시간을 연장하고, 닙롤 온도를 수지 연하점 이하로 유지하면 감소한다. 또한, 실리카, 규조토, 카올린 및 탈크 등을 블로킹 방지제로 사용해 필름표면을 거칠게 하면 필름층 사이에 얇은 공간을 형성해 접착을 방지할 수 있다. 블로킹 측정방법은 Load cell로 측정하며, 실리카 종류는 천연실리카와 합성실리카로 분류되고, 합성실리카는 용융실리카, 흄드실리카, 액상실리카로 분류된다.

실리카 파우더 종류로는 Gel 타입과 침강법 타입이 있으며, Gel 타입 실리카는 딱딱하고 강해 전단응력이 강한 폴리올레핀업계에서 주로 사용되고, 침강법 타입 실리카는 부드럽고 연해 고무와 타이어에 많이 사용된다. 또한, 슬립제와 블로킹 방지제를 함께 쓰면 시너지 효과가 좋고, 블로킹 방지제를 넣게 되면 마찰계수가 낮아지는 효과도 있다.

  

고분자 충격 개질제(보강제)

첫째 날 마지막 강의에서 목원대학교 윤승희 박사는 상용화제와 개질제에 대해 강의하면서 고분자가 요구하는 물성이 부족할 경우, 고분자 충격 개질제를 사용한다. 가장 많이 사용하는 분야는 PVC로, 고무계 충격 개질제에 대한 이론 및 소개, 시장상황, Core/Shell 타입 등에 대해 강의했다.

Craze는 수지상을 통과해 고무상에 의해 분기돼 matrix 전체에 걸쳐 성장, 전파되고, Craze 중에 분자 다발이 절단되면서 파괴되는데, 고무가 에너지를 흡수하면서 충격을 보강하게 된다. ABS수지의 경우 Craze를 S-S곡선으로 적용해보면 항복점을 넘는 곳에서 발생하며, 그 농도는 증가되고, 백화현상이 발생하면서 최후에는 crack에 도달한다. 이때 백화는 macro적으로 crack에 전달된다.

상용화제는 ABS수지와 Nylon에서 사용 전에는 박리현상이 발생하지만, 사용 후에는 ABS의 충격 보강효과를 얻게 된다. Nylon 고무강화계에서 국부적 응력 집중부 형성을 통한 matrix에 cavitation이 형성되면서 고무 전단변형이 쉽게 일어날수록 유리하고, 전단변형 입자경이 작을수록 내충격성 발현에 유리하지만, Craze 변형 타입과는 다른 양상이다.

2016년 대비 2021년 시장상황은 ABS, AIM, MBS 등을 중심으로 3~8%대의 증가추세에 있고, 엔지니어링 플라스틱의 경우도 PVC, Nylon, PBT 등을 중심의 성장이 예상된다. 지역별로는 성장기에 접어든 아태지역(6.4%)과 남미지역(5.9%) 증가추세가 두드러지고, 포장재 및 자동차분야에서 큰 역할을 주도하면서 전체 시장은 4.8% 성장이 예상되며, ABS는 전체적인 증가세를, AIM은 남미지역이, MBS과 EPDM는 아태지역과 남미지역, ASA는 아태지역이 성장을 주도할 것으로 전망했다.

충격 개질제는 대부분 Core/Shell 타입으로, 내부에는 고무가 있고 밖은 Shell이 감싸고 있는 구조로, MBS와 AIM, SIM 등의 특성을 살펴보고, Non Core/Shell 타입에 대한 설명이 이어졌다.

윤승희 박사는 “고분자의 물성, 특히 충격강도 향상을 위해 고무계의 첨가제를 이용하는 것이 가장 효율적이며, 고분자와 첨가제를 혼용할 경우 우수한 물성을 위해 두 물질의 상용성, 첨가제의 분산성 향상, 이를 위한 분산된 고무입자 크기, 고무입자간 거리, 계면접착력에 대한 이해가 필요하다”고 말했다.

  

 

플라스틱용 광안정제의 이해

1월 25일 첫 번째 강의에서 한국바스프(BASF) 양재모 차장은 바스프 첨가제 사업부를 6가지로 분류하고, 플라스틱에 쓰이는 대표적인 광안정제로 UV흡수제(UV absorbers)와 HALS(Hindered amines)를 소개했다. “UV흡수제는 두께에 민감하게 반응하는 특징이 있지만, 표면층 보호에는 효과적이지 않다는 단점이 있으며, 폴리머 종류에 따라 HALS를 쓸 수 없는 경우도 있다”고 설명했다.

공기 중 발생되는 산화현상에서 연속적으로 폴리머체인이 분해가 일어나는데, 이때 광안정제를 사용해 분해되지 않고 폴리머형태가 유지돼야 한다. 그 방법으로 폴리머 자체가 UV의 영향을 받지 않도록 UV흡수제를 처방하거나 분해된 라디칼을 안정화시켜 더 이상 분해되지 않도록 하는 방법이 있다. UV흡수제에는 크게 5 종류이며, Benzotriazoles가 가장 널리 쓰이고 있다.

UV흡수제는 표면 및 매우 얇은 부분(필름/섬유)을 보호하는 효과는 적지만, 두꺼운 부분이나 매우 두꺼운 필름의 경우 PE/PP에 사용을 권장하며, 포장용도로 UV필터가 사용된다. 안료 및 난연제 등의 두꺼운 부분에서 다른 첨가제 보호에는 효과적이고, 폴리스티렌, 폴리에스테르 및 폴리카보네이트와 같은 UV 흡수기판에서 매우 효과적이다. 여기서 폴리머는 UV광을 직접 흡수한다.

HALS는 UV를 흡수하는 게 아니라 라디칼을 잡아주는 역할을 하는데, N-OR, N-R, N-H 등이 대표적이다. 일반적으로 N-H HALS가 가장 많이 쓰이고, 특수용도로 N-OR HALS가 사용된다. HALS는 폴리올레핀의 광 안정화에 가장 효과적인 첨가제로, 저온 PO에서 열적 안정제로 인정받고 있다. 동일한 양의 UVA와 HALS를 함께 사용할 때 가장 효과적이지만, 특수수지의 경우 효과가 떨어질 수도 있다. 끝으로 BASF 태양광 연구조사를 통해 UV 맵이 작성되는데, 지역별 특성과 온도를 고려해 광안정제를 사용해야 한다.

  

가소제의 종류와 특성

애경유화 정종환 팀장은 PVC를 비롯한 열가소성 플라스틱에 사용하는 가소제에 대해 “최종제품의 사용온도범위는 플라스틱에 유연성 및 탄성과 접착성 등 각종 특성을 부여하고, 그 특성을 지속시켜 주는 것이라 정의하고, 외부가소화 방법과 내부가소화 방법이 있다”고 설명했다.

가소제는 산과 알코올을 촉매와 함께 고온에서 에스테르화 반응을 통해 물과 가소제를 얻게 된다. DOP의 경우 PA와 OA가 MONO-ESTER 반응한 후 DI-ESTER가 생성되면서 물 분자가 발생한다. 가소제는 Phthalic anhydride류와 Adipic acid류, Trimellitic acid가 있고, 극성부와 비극성부로 구분되는데, 극성부는 고분자 사슬 내부에서 극성부와 상호작용에 의해 고분자 내부에 머무르게 된다. 가소제는 화학구조와 특성, 메인 물성에 따라 분류한다.

가소제에 요구되는 성능은 수지와 상용성이 좋아야 하고, 적당한 가소화 효율성이 있어야 하고, 휘발성이 적고, 저온 유연성이 좋아야 하며, 이외에도 추출성과 전기절연성 등을 갖춰야 한다. 가소제에는 분자량과 물성과의 상관관계에서 경향성을 보이는데, 최종제품이 요구하는 품질과 생산설비를 고려해야 하고, 분자량 증가는 물리적 성질과 비례하고, 가공성과는 반비례한다.

PVC 가공에는 용융 가공방법으로 전선 압출과 스폰지 레쟈를 만드는 카렌다 가공제품 등에 사용되는 Straight 레진이 있고, 용액 주조방법으로 장갑 디핑공정과 어린이용 장난감 가공공정인 회전성형에 사용되는 Paste 레진이 있다. 가소제 규제동향으로 프탈레이트 가소제류의 주요 규제는 어린이 관련용품이 주를 이뤘으나, 산업재로 규제가 확대되면서 벽지와 바닥제도 포함돼 있다. 프탈레이트 가소제류는 현재 산업재까지 규제가 확대된 3대 프탈레이트류와 일부 용도에 국한적으로 규제가 되고 있는 6대 프탈레이트류가 있다.

  

가소제 및 가공보조제로서 광유계 오일

SK이노베이션 조용래 수석연구원은 “프로세스 오일은 산업제품 가공에서 가공성을 향상시키는 보조제나 제품의 구성요소 중 하나로 사용되는 오일과 변압기, 스위치 기어박스 등에 전기절연매체로 사용되는 오일, 시스템의 한 부위에서 다른 부위로 열을 전달하는 데 사용되는 매체로 오일이 적용되는 경우를 말한다”고 설명했다.

프로세스 오일을 정제도(품질)에 의해 분류하면 화이트 오일, 심도 용제추출 또는 수소첨가 개질오일, 수소첨가 처리오일, 단순 정제 증류유분, 방향족 추출물로 구분되며, 화학적 조성에 따라 방향족계, 나프텐계, 피라핀계로 구분된다.

프로세스 오일의 상용성 지표로는 점도비중 항수, 탄소유형 분포도, 아닐린점 등이 있는데, 점도비중 항수는 프로세스 오일이 적절한 상용성을 지니려면 나프텐 탄소 구성비가 35% 이상 유지하는 것이 가장 적당하거나 최소한 30% 이상 돼야 한다.

PS가소제는 최종 폴리머에 가소성을 부여하고, 폴리머의 점도를 낮춰야 내부 윤활제로 작용하며, 유리전이온도를 낮춰야 가공성과 내충격성 향상에 도움을 준다. 범용 PS는 투명해 냉장고 그릇, 오디오 테잎케이스 등에 적용되며, 기능성 PS는 불투명하나 내충격성이 강해 TV케이스, 장난감, 비디오 테잎케이스 등에 적용되고 있다.

가공용 프로세스 오일은 최종 생산품의 품질을 균일하게 하면서 외양도 윤택해 상품성 향상에 기여함으로써 최종성형품이 식품용기류인 경우는 화이트 오일이어야 한다. LiBS 필름 제조에 광유계 오일이 사용되는 경우도 있지만, LiBS 분리막 제조에 사용되는 광유계 프로세스 오일은 정제도가 높은 파라핀계 오일이 사용되고 있다.

고무 가공유는 프로세스 오일인 천연고무, 부타디엔고무, EPDM고무, 부틸고무 등이 있다. 충진제에는 카본블랙, 고령토, 석회, 오일 등이 있고, 가공유 또는 가소제 종류로 방향족계 오일, 나프텐계 오일, 파라핀계 오일이 있다. 천연고무는 방향족 오일이 있고, 에틸렌프로필렌 고무는 파라핀 오일과 상용성이 좋다. 또한 열가소성 탄성제로는 폴리올레핀계, 폴리에스터계, 폴리스티렌계, PVC계 등이 있다.

향후 프로세스 오일에 대한 산업 요구조건은 더욱 엄격해질 전망이다. 타이어 제조에 천연고무의 가소제로 방향족 추출물이 다량 소요되고 있는데, 여기에는 발암성 물질의 전구체인 PCA가 10~30% 함유돼 있다. 하지만 PCA 함량을 3% 이하로 규정하고 있는 유럽에서는 타이어 제조에 방향족 오일의 사용 금지를 실행하고 있다. 따라서 관련업계의 긴밀한 기술교류를 통해 공동의 노력 증대가 필요하다.

  

 

고분자 유체의 유변학적 성질 조절제

전북대학교 이대수 교수는 고분자 재료를 이용하는 공정에서 유변학적 성질들에 대한 고찰은 불량을 줄이고 생산성을 높이는 데 도움이 되며, 고분자 용액 및 고분자 용융체의 유변학적 성질에 미치는 요인 중 분자 내의 가역적인 결합을 포함한 경우 가공 조제, 가소제, 증점제, 요변제, 희석제, 결합제 등에 대해 원리와 응용기술을 소개했다.

먼저, 고분자 시스템은 점도가 일정한 뉴톤성 유체와 비뉴톤성 유체로 구분되며, 비뉴톤성 유체는 전단속도 증가에 따라 점도가 감소하는 shear thinning fluid와 점도가 증가하는 shear thickening fluid로 구분된다. 그리고 고분자 용융체, 고분자 용액 등은 일정한 항복점 응력 이상의 조건에서 유동성이 시작된다. 이러한 유체를 Binggham fluid라 한다. Binggham fluid는 시간에 따라 전단력에 의해 분자간 화합력이 낮아져 점도가 감소하는 thixotropic fluid와 점도가 증가하는 rheopectic fluid로 구분된다.

고분자 용융체들은 긴 사슬이 얽힌 상태로 존재해 점도가 매우 높은 특징을 가지는데, 최근 가역적 특성을 이용하는 기술개발이 이뤄지고 있다. 수산화 폴리우레탄의 교환반응은 고온에서 활발히 일어나는데, 용융상태 고분자 점도를 낮추는 데 매우 효과적일 것으로 기대된다. 그리고 melt fracture에 도달하기 전에 shark skin이 일어나는데, 이 문제 해결을 위한 첨가제로 사용되는 것이 가공 조제다.

도료 및 접착제와 같은 경우 용액 또는 라텍스 상태의 점도를 높이는 요구가 많은데, 이때 점도를 높이기 위한 증점제를 첨가제로 사용한다. 수용성 고분자에 의한 라텍스의 점도 증가는 수용성 고분자가 물에 녹아 물의 점도를 높이고, 입자의 표면에 흡착돼 hydrodynamic volume을 높여 수용성 고분자가 입자들을 연결해 사실상 큰 입자처럼 만든다. 또한, 라텍스가 카르복실산기를 가진 경우 알카리를 이용해 중화시키면 입자 표면으로 중화된 카르복실산기가 돌출해 계면활성제의 일부가 탈착된다. 이때 유변학적 성질 변화는 높은 점도 증가와 yield 거동을 수반하기도 한다.

액상 접착제 및 도료용 고분자 물질들은 적용부위에서 흘러내리면 곤란한 경우가 발생하는데, 이때 요변제는 수지 조성물들 사이에 일시적으로 약한 망상구조를 형성해 점도를 높이는 효과를 보인다. 희석제는 액상수지의 자유부피가 증가해 유리전이온도의 저하를 가져오고, 점도 변화를 예측할 수 있다. 결합체는 silane 화합물이 자주 이용되며, silane 화합물은 고분자의 종류와 특성에 따라 이용할 수 있다.

끝으로, 대부분의 첨가제들은 고분자 시스템의 유변학적 성질에 영향을 미친다. 유기물 첨가제는 고분자에 대한 상용성 차이에 따라 유변학적 성질의 변화를 판단할 수 있고, 무기물 첨가제는 고분자와의 계면 특성에 따라 유변학적 성질의 변화를 판단할 수 있다.

  

내열, 내후, slip, easy-clean 실리콘 첨가제

다우코닝 김봉식 부장은 실리콘은 일반적으로 에폭시나 아크릴용 첨가제로, 실리콘을 메인 수지로 쓰는 경우는 매우 드물며, slip, anti-scratch, wetting, levelling, antifoam 등을 통해 기능성이 요구될 때 사용된다고 소개했다. 이어 실란과 레진, Elastomers, Phenyi, Alkyl amino, Fluoro, Polyethers, Gums, Linear PDMS 등에 대한 특성과 실제 산업현장에서의 사례들을 중심으로 설명했다.

실리콘 레진은 열경화 제품으로 물성이 좋아지는 특성이 있다. 최근 상온경화형 실리콘 레진을 찾고 있는 사람들이 늘고 있는데, 촉매를 어떤 조건에서 사용하느냐 등 쓰기가 까다롭고 물성의 편차가 심한 편이다.

이날 소개된 DOWSILTM 2405 레진 제품은 상온 경화제품으로, 유연성이 좋고, 고온에서도 질량 손실이 적으며, 스모크가 없고, 고온 코팅에 사용되는 다른 실리콘 레진과 호환 가능하며, 열과 부식, 자외선 저항성이 우수한 것으로 알려져 있다. 하지만 가격이 비싸고, 같은 실리콘끼리는 잘 섞이지만 다른 수지와는 잘 섞이지 않는 단점이 있다.

한편, TnBT만 쓰는 것보다 마모성과 유연성에 따라 DBC, DBTDL 등을 혼합해 사용해야 하고, 실란트나 접착제가 경화하는 데 걸리는 Cure Time의 경우 TNBT와 DBC를 섞어 사용할 때 상온경화형에 맞는 수치가 나오는 것으로 확인할 수 있다. DOWSILTM 2405 45%와 알루미늄 내지 검은 안료 10%를 넣고 실험한 결과, 스모크가 발생하지 않았고, 내열성이 우수하며, UV Resistance 또한 우수한 것으로 나타났다.

  

복합재료를 위한 무기 충전제

롯데케미칼 오석영 팀장는 무기충전제는 강도나 성질 개량, 원가절감을 위해 플라스틱에 첨가되는 비교적 불활성 물질로, 대표적인 무기충전제로는 탈크 원석, CaCO3원석, Mica, 유리섬유 등이 있으며, 최근 필러라는 용어로 사용된다고 소개했다.

무기충전제는 경제성 향상 및 물성 보강, 가공성 및 기능성 향상을 위해 사용되는데, 복합재료의 물성에 영향을 주는 인자로는 충전제의 물성, 충전제의 조성, 성분간의 Interaction, Composite 제조방법 등이 있다. 대표적인 Coupling Agent에는 Polyolefin 고분자에 착용기를 결합시켜 증착성과 집착성, 극성을 부여해 극성물질간의 접착성 및 상용성을 향상시켰으며, 상 분리 없이 잘 섞이도록 유도하는 특징이 있다.

무기충전제의 효과에 미치는 인자에는 입자 크기에 따라 물성 차이가 발생해 입도 분포가 중요하며, 가장 큰 입자 크기가 최종제품의 표면 거침현상과 필터를 통과하는 공정에 막힘현상이 발생하고, 입자형상과 관련이 있는 물성인 Aspect Ratio가 있으며, 계면에서 고분자와 무기충전제 사이의 상호작용이 있는 경우 중요한 표면적이 있다.

무기첨가제가 나노 사이즈로 확대되는 Nanocomposite 기술의 특징은 최대 200배 수준의 Aspect Ratio로 높은 물성 증대효과가 있고, 강성과 치수안정성을 향상시키며, 소량을 범용 제품에 첨가해 낮은 가격에 엔지니어링 플라스틱같은 물성을 가질 수 있으며, 높은 가스 투과를 막는 가스 차폐율 특성이 있다.

Nanocomposite Inner-liners 사용에 따라 50%의 투과율을 감소하면 2%의 연비가 향상된다. NanoClay-Polymer 복합체는 물성에서 기능성, 난연성이 향상되는 특징이 있는데, Nano-PP의 경우 거의 타지 않아 내열·난연성 소재로 적용이 가능하다. NanoClay는 층상형 실리케이트 구조로, Montmorillonite(MMT)가 대표적이다. 이후 무기충전제 선정 고려사항과 경제성에 대한 설명이 있었다.

  

 

  

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