고분자와 첨가제 - 발포제, 착색제, 생분해성제, 도전성제, 가교제, 경화제, 이형제, 블렌드 충격개질제

발포제(Blowing Agent)

폴리스티렌(Expanded Polysyrene) 및 폴리우레탄와 같은 여러 고분자에 기포를 형성시키면 경질발포체(Rigid Foam)는 절연 능력을 나타내며, 연질발포체(Flexible Foam)는 유연성을 부여하여 쿠션 및 기타 용도로 사용할 수 있습니다.

 

기체 발생은 발포제(Blowing Agent) 또는 거품발생제(Foaming Agent)라 불리는 기체 생성 화합물을 첨가하여 이루어집니다. 물리적 발포제는 단순사슬 탄화수소(예: Pentane, Hexane, Heptane) 및 플루오로카본(예: Trichloromethane, Tetrachloromethane, Trichlorofluoromethane)와 같은 휘발성 액체, 그리고 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂), 공기(대기 중의 산소 및 질소 혼합물)와 같은 기체가 가공 과정에서 유입됩니다.

 

 

높은 압력의 가공조건 하에서, 고분자 내에 녹아 있던 기체들이 가공압력이 해소됨에 따라 기체화하여 발포된 구조를 형성합니다. 하이드라진(Hydrazine) 유도체와 같은 화학 발포제(CBA, Chemical Blowing Agent)는 고체 첨가제로 가공온도에서 분해되면서 기체를 발생시킵니다.

 

불포화 폴리에스터는 CBA에 의해 발포됩니다. 어떤 경우에는 CBA가 고분자의 다른 성분과 화학적 반응을 일으켜 기체를 발생시키기도 합니다. 가공 중 발생하는 휘발성 유기화합물(VOC, Volatile Organic Compound)에 대한 우려는 특히 염화탄화수소(Chlorinated Hydrocarbons)에 대한 안전한 대체물질의 개발을 촉진하고 있습니다.

 

폴리우레탄의 경우, 이소시아네이트(Isocyanate)와 물의 반응에 의해 생성된 이산화탄소(CO₂)에 의해 연질 발포체가 형성됩니다. 이소시아네이트가 과다한 경우, 결과적으로 발생하는 아민은 다른 이소시아네이트 분자와 반응하여 우레아를 형성합니다.

 

경질발포체는 트리클로로플루오로메탄이나 펜탄과 같은 물리적 발포제에 의해 형성됩니다. 경질발포체의 중요한 예로는 일회용 컵, 포장재, 단열재로 사용되는 확장 폴리스티렌(EPS, Expandable Polystyrene)이 있습니다. EPS에 사용되는 물리적 발포제는 일반적으로 펜탄입니다.

착색제 (Colorant)

착색제에는 안료(Pigment)와 염료(Dye)가 포함됩니다. 플라스틱은 가공 중에 용해성 염료와 무기 및 유기안료를 첨가하여 분산시켜 다양한 색상을 얻을 수 있습니다.

 

열경화성수지 염색에서는 염료의 용해 또는 안료의 분산이 수지가 완전히 경화되기 전에 이루어져야 합니다. 플라스틱에 사용되는 염료의 종류로는 아조화합물, 안트라퀴논(Anthraquinone), 잔텐(Xanthene), 아진(Azine) 등이 있습니다. 무기안료 중에서는 산화철, 카드뮴, 크롬옐로우(Chrome Yellow) 및 특히 이산화티타늄(Titanium Dioxide)이 주로 사용됩니다.

생분해성제 (Biodegradable Agent)

생분해성을 부여하는 한 가지 방법은 상업적인 열가소성수지와 천연적으로 분해 가능한 전분 등의 물질을 혼합하거나 그래프트 공중합시키는 것입니다.

 

예를 들어 전분을 폴리에틸렌과 혼합하여 압출 성형하여 플라스틱 봉지용 필름을 제조할 수 있습니다. 매립지의 토양 미생물이 전분을 분해하면 플라스틱 매트릭스가 작은 입자로 분해됩니다. 옥수수 전분은 선형 아밀로스와 고도로 가지화된 고분자량의 아밀로펙틴으로 구성된 글루코스형 생체고분자입니다. 전분은 가격이 저렴하고 완전히 분해될 수 있는 장점이 있습니다. 그러나 전분이 첨가된 플라스틱은 강도가 상대적으로 낮아 쇼핑백 등의 소비자 제품에서 요구되는 강도를 충족시키기 위해서는 석유화학제품 함량이 높은 제품이 필요합니다. 일회용 기저귀나 쓰레기봉투 등은 전분이 일부 첨가되어 있어 전반적으로 봤을 때 더 많은 플라스틱이 자연환경에 버려질 수 있습니다.

도전성제 (Conductive Agent)

폴리올레핀은 원래 매우 우수한 전기 절연 소재로 알려져 있으며 전선의 절연 피복재로 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 도전성을 부여하는 첨가제, 즉 도전제를 첨가하면 10^2Ωcm 수준의 도전성을 가지며 더 높게 조절하면 1Ωcm 정도의 고전도성까지 달성할 수 있습니다.

 

폴리올레핀용 도전제로는 주로 도전성 충진제(Filler)인 카본 블랙 분말, 금속 분말, 금속 섬유, 탄소 섬유, 금속 조각(Flake), 금속 유리 비드, 금속화 유리 섬유 등이 사용됩니다. 그러나 카본 블랙을 사용할 때는 카본 구조를 손상시키지 않고 양호한 분산 상태를 유지하기 위한 기술적인 개발이 필요합니다. 카본 블랙을 첨가하면 제품의 색조가 흑색으로 제한되고, 다량 첨가로 인한 초기 물성 저하 문제와 함께 비착색, 저비용, 저배합량으로 도전 패스를 형성할 수 있는 안정성 있는 첨가제가 필요합니다. 금속 분말 중 소량 첨가인 구리 등은 일부 수지(예: 폴리올레핀)의 열화를 촉진하여 초기 성능을 유지하기 어려운 문제가 있습니다. 도전성을 손상시키지 않으면서 안정적인 화학 처방법의 확립은 기술적인 과제로 여겨집니다.

가교제 (Cross Linking Agent)

천연고무뿐만 아니라 SBR, 부틸, 니트릴고무 등과 같은 합성디엔계 고무류에서 도성질 변화를 가져오는 가장 실용적인 방법 중 하나는 가황공정입니다. 이 가황공정에는 가열과 황이 반드시 필요한 것은 아닙니다. 황으로는 물성 한계가 있는 제품도 있으며, 이에 대응하여 수지 가황제나 퍼옥사이드 가황제로 가교결합시킵니다. 염화황을 사용하면 가열 없이도 고무가 가황되어 일반적인 유황 공정으로 얻을 수 없는 특수한 성질을 얻을 수 있습니다. 가교제로는 O, S, Se, Te 등이 있습니다. O는 원자량이 작아 반응성이 빠르게 진행되어 파괴될 수 있으며, Se와 Te는 원자량이 크기 때문에 반응이 느려 S가 주로 사용됩니다.

 

 

황만으로도 가열하여 가황이 진행되지만 공정이 매우 느리기 때문에 여기에 소량의 무기 및 유기화합물을 첨가하여 반응속도를 높이는 촉진제가 사용됩니다. 많은 촉진제는 그들의 효과가 나타나기 전에 활성체나 증진제 등 다른 화학제품의 존재가 필수적입니다. 이러한 활성제는 대개 산화아연과 같은 금속산화물입니다. 이들 활성제는 수지산과의 반응으로 가교기 사이에 있는 고무상 금속비누의 존재에서 가장 잘 작동합니다. 결국 가황공정에서는 황 이외에 유기촉진제, 금속산화물, 비누를 혼합한 것이 중요합니다.

 

 

예를 들어 천연고무의 황에 의한 가황제품은 다음과 같은 처방(Recipe)을 기본으로 합니다: 고무(100), 촉진제 (0.25~1.5), 활성제(아연화 등, 1~100), 비누(스테아르산 또는 라우릭산 아연 등, 1~5), 산화방지제 (0~1.5), 황(0.25~1.5)

 

참고 | 가교제

사슬 모양의 고분자 사슬 사이에서 가교역할을 하는 물질을 말합니다. 가교는 수지에 정도나 탄력성 등 기계적 강도와 화학적 안정성을 부여합니다. 고무의 가황은 황을 가교제로 하는 가교반응이며, 다른 고분자 물질의 경우 가교 대신 경화(Curing)라는 용어를 사용하기도 합니다. 가교제는 고분자의 반응성이 높은 부분, 즉 반응하기 쉬운 기능기, 이중결합, 제3급 수소원자 등과 반응성이 풍부한 2기능성 가교제가 상호 작용합니다. 특히 방사선이나 빛등의 고에너지와 라디컬 시약을 사용할 때는 특별히 가교제가 필요하지 않을 수도 있습니다.

경화제 (Curing Agent)

경화(Curing)는 일반적으로 열과 압력을 가하여 고무나 열경화성수지의 물성을 변화시키는 공정입니다. 경화공정에서는 황 함유 화합물 등 다양한 첨가제, 즉 경화제가 사용됩니다. 이러한 경화제는 고무의 가교(가항, Vulcanization)나 열경화 망상구조의 형성을 촉진하기 위해 활용됩니다. 예를 들어, 에폭시 경화에서는 아민이 경화제로 사용됩니다.

이형제 (Lubricant)

이형제 또는 윤활제는 플라스틱 가공 시 용융점도를 낮추거나 가공장치와 고분자 용융물 사이의 접착력을 감소시켜 흐름을 향상시키기 위해 사용됩니다. 내부 윤활제와 외부 윤활제로 크게 분류되며, 전자는 용융물 내부에서 작용하고 후자는 가공장치와의 인터페이스에서 작용합니다. 윤활제로는 아미드, 에스터, 금속 스테아레이트, 왁스, 산 등이 사용됩니다. PVC 시장에서는 주로 스테아레이트가 사용되며, 미네랄오일 및 저분자량 올레핀도 윤활제로 사용됩니다.

 

폴리우레탄의 반응사출성형(RIM)에서는 내부 금형이형제로서 유기작용기 실리콘 유체를 사용할 수 있습니다. 경화제는 주로 열가소성 수지를 가열 성형할 때 유동성을 향상시키고 성형품을 쉽게 형빼기 위해 첨가됩니다. 고무와 플라스틱 가공에서 소성 개선과 형빼기 개선을 위해 연화제, 가소제, 이형제 등이 사용됩니다.

블렌드 충격개질제

고분자를 높거나 낮은 유리전이온도(T)를 갖는 다른 고분자와 블렌드시킴으로써 T나 열변형온도(HDT, Heat Distorsion Temperature)를 변화시킬 수 있습니다. 충격개질제에는 내충격성 폴리스티렌(HIPS), 염소화폴리에틸렌(CPE), 스티렌아크릴로니트릴(SAN), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 메틸메타크릴레이트 부타디엔 스티렌(MBS), 메틸메타크릴레이트 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(MABS)과 같은 공중합체 및 삼원공중합체가 포함됩니다.

블렌드 상용화제

두 가지 또는 그 이상의 고분자 사이의 블렌드는 상업적 고분자의 가격대 성능비를 향상시키는 중요한 기술이 되어왔습니다. 블렌드화 함으로써 비싼 엔지니어링 열가소성수지의 가격을 낮출 수 있고, 고온용 또는 열에 민감한 열가소성수지의 가공성을 향상시키거나 내충격성을 향상시킬 수 있습니다. 상업적 블렌드는 균일하거나 상분리되거나 중간 상태일 수 있습니다. 많은 고분자들은 서로 섞이지 않기 때문에 가공 중에 상분리가 발생할 수 있습니다. 이러한 불용성 블렌드의 기계적 물성은 분산상과 매트릭스 사이의 취약한 계면 결합력으로 인해 종종 낮아집니다. 계면 장력을 낮추어 상용성을 향상시키기 위해 다양한 첨가제가 사용될 수 있습니다. 반응성 상용화제(Compatibilizer)는 블렌드 성분과 화학적으로 반응하여 효과적입니다. 비반응성 상용화제는 일반적으로 블렌드 단일 고분자의 블록 또는 그래프트 공중합체들입니다.

 

열안정제와 산화방지제를 기본으로 하고, 필요에 따라 슬립제, 기핵제, 대전방지제, UV Stabilizer, Antimicrobial 등의 첨가제가 추가됩니다. 첨가제 사용량은 종류에 따라 다르며, 보통 150~4,000 ppm의 범위를 가집니다./