변성 폴리페닐렌옥사이드(에테르) [변성 PPO (PPE), Modified Polyphenylene Oxide (Ether), M-PPO (PPE), Noryl]
폴리페닐렌옥사이드, 일반적으로 PPO 또는 폴리페닐렌에테르 (PPE)로 알려져 있는 이 무정형 열가소성 수지는 높은 열변형 온도(HDT, Heat Distortion Temperature)를 자랑합니다. 이 수지는 라디컬 중합, 단계 중합, 산화적 짝지음 (Oxidative Coupling) 중합 등의 과정을 거쳐 제조됩니다. 다음 반응식은 촉매 (구리 및 아민)를 사용하여 2,6-자이레놀 (Xylenol)의 산화 짝지음 중합으로 폴리 2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드(PPO, PPE)를 생산하며, 부산물로는 3,5,3',5'-테트라메틸디페노퀴논 (DPQ)이 생성됩니다 (이를 위해 메탄올과 페놀을 원료로 사용하기도 합니다). 부산물 DPQ는 포름산제 2구리(Cupric Formate)와 피리딘(Pyridine) 촉매를 사용할 경우 약 3 wt%가 생성됩니다.
처음에 PPO는 섬유 쪽으로 적용을 고려하였고 GC 컬럼의 충진에만 사용되었습니다. 이 수지는 높은 충격 강도와 광물성 산 및 유기산에 대한 화학적 안정성, 낮은 흡습성 등의 특성을 가지지만, 상업화의 한계는 메틸기의 쉬운 열적 산화와 관련된 높은 유리 전이 온도(T : 214°C)로 인해 용융 가공에 문제를 야기합니다.
그래서 PPO에 고충격성 폴리스티렌 (HIPS, High Impact Polystyrene)을 블렌딩하여 혼합하게 되었습니다. 이것은 1966년 GE사(현 SABIC)가 개발한 변성 PPO (Modified PPO)인 노릴 (Noryl) 상품명의 복합수지입니다. 이 노릴 복합수지는 일반 PPO보다 열 변형 온도 (HDT)가 낮지만 용융 온도가 낮아 가공성이 향상되었습니다.
결과적으로 변성 PPO는 강도, 치수 안정성, 전기 절연성, 특히 내열성이 우수한 복합형 (Alloy, Blend) 수지로서, PPO 단독으로는 성형이 어려웠지만 혼합화를 통해 성형 가공성이 크게 개선되어 현재 급격하게 보급되고 있습니다.
또한 비중이 작고 가벼워서 균형 잡힌 기계적 특성을 갖고 있으며, 단점으로는 내후성과 내약품성에 다소 어려움이 있어 개선의 여지가 있습니다. 이러한 특성으로 주로 커넥터, 스위치 등의 전기 및 전자부품, 호일 커버, 그리고 자동차 부품 중 퓨즈 박스 등에 사용됩니다.
엔지니어링 폴리에스터 (Engineering Polyester)
이전에 언급한 폴리에스터 제조는 알코올 유도체들과 카르복실산 (다염기산) 간의 중축합중합 반응으로 합성되며, 이 과정에서 물 분자들이 부생성물로 제거됩니다. 많은 폴리에스터는 열가소성을 보이고 흡습성이 낮으며, 다양한 분야에서 사용됩니다. 예를 들어 섬유로는 의류와 가구 덮개, 이불, 컴퓨터용 마우스 패드, 방수 시트, 산업용 밧줄, 벨트 등에 널리 사용됩니다. 폴리에스터의 주요 종류는 다음 표와 같습니다.
공업적으로 가장 중요한 폴리에스터는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, Polyethylene Terephthalate)와 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT, Polybuthylene Terephthalate)입니다. 이들의 제법과 특성은 아래와 같습니다.
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, Polyethylene Terephthalate)
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 1941년 영국의 J. R. Whinfield 등에 의해 테레프탈산디메틸과 에틸렌글리콜에서 합성되는 것이 발견되어 1948년에는 ICI사와 듀폰(Dupont)사에 의해 섬유로 공업화되었습니다.
PET는 강도, 내열성, 내후성, 내약품성 등이 뛰어나며, PET 필름과 PET 볼트 등 섬유 이외의 분야에서도 사용되고 있습니다. PET는 용융방사로 의류용 폴리에스터 섬유를 만드는 것 외에도, 필름 형태로 사용되어 비디오 테이프와 마이크로 필름에 사용되거나 맥주나 간장을 넣는 병처럼 중공성 형태로 제품이 사용됩니다. 또한, 오디오, VTR, 컴퓨터용 자기 테이프, 플로피디스크, 디스크 등의 기재로 널리 사용되는 한편, 가볍고 깨지지 않는 특성 때문에 병으로 사용되는 등 다양한 용도로 활용됩니다.
PET 성형은 1953년부터 섬유용으로 인식되다가 1960년대 중반에 사출성형용 PET 제조가 성공하지 못했습니다. 이유는 느린 결정화 속도로 인해 성형 속도가 너무 느렸기 때문입니다. 당시에는 PET 대체품으로 결정화 속도가 빠른 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)가 제안되었으나, 이 역시 성형 후에 뒤틀림 문제로 인해 기대 이상의 수요를 확대하지 못했습니다.
그러나 1970년대 후반에는 음료수병 및 열성형 쟁반이 포함된 포장제품 성형에 보다 적합한, 더 빠르게 결정화하는 PET 제품이 개발되었습니다. 이에 관심이 모아져 현재에 이르러 수요 시장이 크게 확장되었습니다.
전형적인 PET 제조법은 아래와 같이 2단계 연속 에스터 교환 반응의 중합과정을 거치게 됩니다. 즉, 1단계로는 에틸렌글리콜과 디메틸테레프탈레이트의 에스터 교환 반응을 진행하고, 2단계로는 고분자량의 PET 생성물과 부산물인 에틸렌글리콜 형성의 고온 에스터화 반응이 이루어집니다.
PET는 재활용이 비교적 용이하며, 재활용된 PET는 음료수병 등으로는 사용할 수 없지만, 절연 보드와 같은 용도로 사용할 수 있습니다. 또한 열이나 화학적으로 단량체로 분해시켜 원래 수지의 합성에 다시 이용할 수 있습니다.
폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT, Polybutylene Terephthalate)
약어로 PBT로 불리며, 열가소성 결정성 수지입니다. 부탄디올 (1,4-Butanediol)과 테레프탈산 (TPA, Terephthalic Acid)을 중합하여 제조되며, 전기 및 전자제품의 절연체로 널리 사용됩니다. 현재 PBT는 특수 용도의 폴리아릴레이트(Polyarylate)나 액정폴리에스터와 같은 엔지니어링 열가소성 수지를 대체하는 범용 엔지니어링 플라스틱으로 사용됩니다. PBT의 제조 반응식은 다음과 같습니다.
이 수지는 성형 과정에서 변형이 적으며, 강도가 뛰어나고 150°C까지 열 저항력을 가지며 불에 잘 타지 않는 난연 성질을 가지고 있습니다. PBT는 주로 가전제품, 자동차 부품 등의 제품에 사용되며, 부드러운 질감으로 칫솔 섬유나 컴퓨터 키보드의 키 캡 등 촉감을 이용하는 제품에도 널리 사용됩니다. 또한 PBT로 만든 염소 저항 원사를 이용한 수영복 등에도 사용됩니다.
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