특수 엔플러 (Special Enpla)
특수 용도의 엔지니어링 플라스틱에는 폴리설폰 (PSF), 폴리페닐설폰 (PPS), 폴리에테르설폰 (PES), 폴리페닐렌설파이드 (Polyphenylene Sulfide) 등이 포함됩니다.
폴리설폰 (PSF, Polysulfone)
폴리설폰은 설폰 결합 (-SO2-)를 갖는 중합체를 의미합니다. 1965년 유니온카바이드 사에서 처음 도입되었으며, 고온에서도 안전하고 강합니다. 설포닐기 (-SO2-), 에테르기 (-O-), 이소프로필리덴기 (-C(CH3)2-)가 벤젠고리에 결합된 구조로 중합된 특수 엔지니어링 플라스틱의 열가소성 고분자입니다. 대표적인 폴리설폰의 구조는 아래에 나타내었습니다.
폴리설폰 (PSF, Polysulfone)
폴리설폰은 높은 내열성과 산화성, 가수분해에 대한 안정성, 그리고 산, 알칼리, 염 용액, 오일 및 그리스 등에 대한 저항성이 강합니다. 또한 우수한 생체 적합성을 지니며 다양한 기술에 의해 소독이 용이하여 의료 분야에 적합합니다. 높은 투과도와 투과 선택성을 가지고 있어 기체 분리에서 막(Membrane) 고분자로 사용하기 용이합니다.
폴리설폰은 활성화된 방향족 디할로겐화물 (Dihalide)에 대한 비스페놀레이트 (Bisphenolate)의 알칼리염의 친핵성 치환반응에 의해 합성됩니다. 아래 반응식은 비스페놀 A 폴리설폰의 합성 과정을 보여줍니다. 즉, 비스페놀 A의 나트륨염을 사용함으로써 개질되지 않은 비스페놀 A 단량체의 치환반응을 통한 염화나트륨(NaCl)의 축합이 발생하므로 염산(HCl)과 같이 부식성을 띠는 환경에서는 침전이 일어날 수 있습니다.
높은 온도에 대한 열저항 능력이 있어 다른 방화 처리 없이도 높은 열에서 강도를 유지할 수 있어 방화제 역할을 합니다. 의료기기 및 가전제품의 소재로 사용되는 것뿐만 아니라 고압 증기 살균이 필요한 의료기구에도 사용됩니다. 또한 혈액투석, 폐수 처리 시설 등과 같은 분야에서도 활용됩니다. 전선피복재, 각종 배관재료 및 자동차 부품으로도 사용됩니다.
폴리페닐설폰 (PPS, Polyphenyl Sulfone)
폴리페닐설폰은 다음과 같은 화학구조를 가진 폴리설폰 중 하나입니다.
폴리에테르설폰 (PES, Polyether Sulfone)
폴리에테르설폰(PES)은 설포닐클로라이드(Sulfonyl Chloride)의 친전자성 치환반응 (Friedel Craft)에 의해 Lewis산(FeCl3) 촉매를 사용하여 중합됩니다.
고온 엔지니어링 열가소성 플라스틱으로, 기존의 플라스틱 가공 장비를 사용하여 형성됩니다. 열저항, 난연성, 투명도가 뛰어나며, 연소 시에도 거의 연기를 배출하지 않는 우수한 성질을 갖추고 있습니다. 가벼우며 비결정적이며, 넓은 온도 범위에서 공차를 가지고 있어 전자, 전기, 우주, 항공, 자동차 및 철도 등 다양한 산업에서 활용되고 있습니다.
폴리페닐렌설파이드(PPS, Polyphenylene Sulfide)
폴리 파라페닐렌설파이드 (PPS, Poly p-Phenylene Sulfide, Poly Thio-1,4-Pheny- lene)는 미국 필립스(Philips) 석유화학사에서 개발한 고성능의 열가소성 엔지니어링 플라스틱입니다. 라이톤 (Ryton) PPS는 갈색의 결정성 고분자로 매우 높은 내열성, 내약품성, 난연성, 전기특성을 갖고 있으며 무기질과도 친화성이 좋습니다.
이러한 특성으로 유리섬유, 필러 등이 첨가되어 고수준의 엔지니어링 플라스틱으로 사용되고 있으며, 내열성과 내약품성이 뛰어난 도료를 만들기 위해서도 사용됩니다. 이 PPS의 형태는 분말입니다.
또한, 상대적으로 높은 용융점 (285°C)을 가지는 결정성 수지로서, 200°C 이하에서는 유기 용매에 녹지 않습니다. 높은 온도(300~370°C)에서는 사출 및 압출성 형이 가능하며, 이 온도에서 PPS 입자는 부드러워지면서 외관상으로 가교반응이 진행되어 결국 완전한 불용성 물질이 됩니다. PPS의 제조는 파라디클로로벤젠(p-Dichlorobenzene)과 황화나트륨(Sodium Sulfide)을 노말메틸피롤리딘 (n-Methylpyrrolidine) 등의 극성 용매 중에서 175°C에서 축중합에 의해 만들어지며, 반응식은 다음과 같습니다.
열가소성 수지이기 때문에 성형이 용이하며, 뛰어난 성능에 비해 가격이 저렴하여 자동차용 배기가스 밸브, 포그라이트 렌즈, 각종 센서, 전기 및 전자 부품, 전자레인지, 스팀 아이론 등 내열성이 요구되는 분야에 널리 사용됩니다.
PPS는 보강재와 충진제에 친화성이 뛰어나 충진량을 높일 수 있어 고성능과 낮은 비용을 동시에 실현할 수 있습니다. 유리섬유가 혼합된 것이 성형 재료의 기준이며, 성형 조건에 따라 다양한 기능성 충진제가 혼합됩니다. 유리섬유와 불소수지 분말 등이 혼합되어 베어링과 같은 섭동 특성이 요구되는 용도로도 사용됩니다.
슈퍼엔플러 (SEP, Super Engineering Plastic)
공업용 플라스틱과 비교하면 강도, 탄성 및 내열성 등이 우수하며 금속이나 세라믹에 가까운 특성을 지닌 플라스틱으로는 폴리이미드(PI), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리비스말레이미드, 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리이미다조피롤론, 폴리에테르에테르케톤 (PEEK) 등이 있습니다.
폴리이미드 관련 고분자
폴리이미드와 관련한 고분자에는 폴리이미드(PI, Polyimide), 폴리에테르이미드 (PEI, Polyetherimide), 폴리아미드이미드(PAI, Polyamideimide)가 있습니다.
PEI와 PAI는 모두 높은 열변형 온도, 인장강도 및 탄성률을 가집니다. 이민화된 Kapton은 낮은 열변형온도를 가진 PAI와 PEI와는 달리 더 이상 용융 가공이 불가능합니다. Kapton은 357°C의 HDT와 약 270°C의 연속 사용 온도를 가지고 있습니다. Kapton에 비해 PAI와 PEI의 한 가지 장점은 물 흡수도가 낮다는 것이며 이는 복합재료의 적용에 중요한 요소입니다. PAI와 PEI의 용도로는 고성능 전자, 전기부품, 전자레인지 부속품, 자동차 실내용 부품 등이 있습니다.
폴리이미드(PI, Polyimide)
내열성이 특히 뛰어난 수지로, 고가임에도 불구하고 항공기와 컴퓨터용 부품으로 중요한 재료가 되고 있습니다. 폴리이미드 수지는 이미드 결합을 주요 구조로 갖고 있으며, 특히 내열성이 뛰어난 고분자로 1959년 미국의 듀폰(Dupont)사가 항공 우주용으로 개발했습니다.
용융점이 700°C로 매우 높기 때문에 이 수지로 만든 부품은 극저온에서부터 260°C까지의 광범위한 온도 범위에서 장기간 사용에 견딜 수 있습니다. 폴리이미드는 산 이미드 구조를 갖는 중합체로, 일반적으로 방향족 테트라카르복실산 무수물과 방향족 디아민에서 축중합되어 만들어집니다. 또한, 방향족 이미드의 올리고머에 이중결합과 삼중결합을 도입하여 열 가교하는 복합재료용의 열경화성 수지도 있습니다.
종종 폴리이미드는 다음과 같은 두 단계로 제조됩니다. 첫 번째 단계는 방향족 디안하이드라이드(Dianhydride)와 방향족 디아민(Diamine)의 축중합으로 중간단계의 폴리아민산(Polyamic Acid)을 생성합니다. 이어서 온도를 높여 폴리아민산을 탈수시켜 폴리이미드 구조가 형성됩니다.
매우 다양한 폴리이미드 구조의 개수는 디안하이드라이드와 디아민의 종류로만 제어될 수 있습니다. 상업적으로 중요한 폴리이미드의 예로는 Kapton으로 알려진 폴리피로멜리티미드 (Poly-Oxydiphenylene-pyromellitimide)가 있습니다.
이러한 폴리이미드는 기계적 강도, 전기적 특성, 내화학 약품성, 내방사선성 등에서 우수하여 성형재료, 복합재료, 필름 등 다양한 형태로 사용됩니다.
미래에는 양산화에 의해 비용이 저렴해지면서 컴퓨터, 카메라, VTR 등과 같은 다양한 용도에 확대되기도 할 것으로 예상됩니다. 또한 탄소섬유와의 복합재료는 항공 우주용 내열구조 부품에 사용되며, 유리섬유 직물과의 적층판은 대형 컴퓨터의 다층회로 기판으로 사용됩니다.
이외에도 제트엔진 부품, 전자레인지의 회전 부품 등과 같은 극한 환경에서의 기계부품으로도 사용됩니다.
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