폴리에스터, 플루오로수지, 아크릴수지에 대한 이해

열가소성 폴리에스터

 열가소성 폴리에스터 (포화 폴리에스터, 엔지니어링 폴리에스터) 고분자 물질의 종류 중 하나인 열가소성 폴리에스터(포화 폴리에스터, 엔지니어링 폴리에스터)는 에스터 결합(-CO-O-)을 가지고 있습니다. 이러한 폴리에스터는 알코올과 다카르복실산의 중합체로 분류됩니다. 포화 폴리에스터는 선상 중합체로 열가소성을 보이며, 반면 불포화 폴리에스터는 열경화성을 갖고 가교 작용에 의해 경화됩니다.

 

 전자는 유연한 필름으로 제작되어 프린트 배선기판에 사용되며, 후자는 종이 기재에 동부착되어 적층판에 사용됩니다. 이 두 소재는 대표적인 합성섬유 소재로서 최근에는 필름 및 병 등 비섬유 분야에서도 널리 사용되고 있습니다. 이러한 소재의 특징은 다음과 같습니다: (a) 기계적 성질이 우수하여 FRP (Fiber Reinforced Plastics)의 핵심 소재로 사용됩니다.

 

(b) 전기적 특성이 우수하며 내열성이 뛰어납니다.

(c) 알칼리와 강산에 침투되는 특성을 가지고 있습니다.

 

 폴리에스터는 다양한 화학 반응을 통해 합성할 수 있습니다. 그 중 가장 흔히 사용되는 화학 반응은 축합 중합입니다. 축합 중합은 하나 혹은 그 이상의 단량체들을 결합할 때 발생하는 물이나 알코올과 같은 부생성물을 제거하는 반응입니다. 이러한 축합 중합은 단계 성장 중합 반응의 한 형태입니다. 주로 사용되는 화학 반응은 카르복실산과 알코올 간의 축합 중합 반응입니다. 이 반응에 의해 폴리에스터가 합성되며, 부생성물로는 물 분자가 제거됩니다.

 

 또한, 폴리에스터(Polyester)는 나일론(Nylon)과 대조됩니다. 나일론과 폴리에스터는 모두 석유화학 제품이지만, 그들의 화학 구조와 물리적 특성은 상당히 다릅니다. 나일론은 아미드(Amide) 결합(CONH)에 기반을 둔 고분자로, 인장 강도가 비단(Silk)과 비교하여 크게 향상된 합성고분자입니다. 반면에, 폴리에스터는 양모(Wool)와 유사한 성질을 보이는 경향이 있습니다.

플루오로수지 (Fluoroplastics, Fluororesin, 불소수지)

 플루오로수지, 일명 불소수지로 불리는 이 물질은 내열성, 내약품성, 그리고 전기 절연성 등이 뛰어납니다. 특히 마찰계수가 낮을 뿐만 아니라, 접착 및 점착성이 없는 특성을 갖고 있습니다. 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)은 용융상태에서도 점도가 높으며, 일반적으로 성형 가공이 어렵기 때문에 분말을 미리 성형하여 소결하는 방법으로 성형되고 있습니다. 열적, 화학적 성질이 우수한 플루오로수지는 다양한 종류가 있습니다.

 

플루오로수지

폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE, Polytetrafluoroethylene)

 폴리테트라플루오로에틸렌은 1950년부터 미국 듀폰사에서 테플론(Teflon)이라는 이름으로 생산되었습니다. 이 물질의 단량체는 테트라플루오로에틸렌이며, 중합은 과황산암모늄과 붕사 수용액을 넣은 가압솥에 불어넣어 고압하고 온도를 올려줌으로써 진행됩니다. 이 과정을 통해 고분자화가 이루어지죠. 다시 말해, PTFE는 유화 자유라디컬 중합에 의해 생산되며, 제한된 가공성은 PTFE의 규칙적인 구조와 높은 분자량, 그리고 높은 결정용융온도(7327°C)에 기인합니다.

 

 또한, 폴리테트라플루오로에틸렌은 코팅제로 사용될 때 고온과 고압에서 소결하는 방법을 사용합니다. 이 물질의 비중은 2.2이며, 흡수율은 0.00%입니다. 260°C 이하의 온도에서는 어떠한 강산이나 강알칼리, 용매에도 공격받지 않으며 오랫동안 사용해도 노화하지 않습니다.

 

 마찰계수는 가장 작고 비점착성을 가지고 있습니다. 온도가 -100°C부터 260°C까지 사용할 수 있으며 전기절연성이 뛰어나며 특히 고주파 재료로서 우수하여 무선기기 및 레이더용으로 널리 사용됩니다.

 

 폴리테트라플루오로에틸렌은 다양한 용도로 사용되며, 패킹, 개스킷, 전기분해용 격막, 제빵용 시팅롤, 가정용 오븐 접시, 스키바닥의 피복 등에 적용됩니다.

폴리클로로트리플루오로에틸렌 (PCTFE, Polychlorotrifluoroethylene)

 폴리클로로트리플루오로에틸렌은 테플론(PTFE)보다 먼저 개발되었으며, 반응식은 아래와 같습니다. 이 플라스틱은 비중이 2.1 이상이며, 흡수율이 0.00%입니다. 또한, 테플론에 가까운 성질을 지니고 있습니다. 사용 온도는 -50°C부터 200°C까지이며, 자외광선이나 가시광선을 잘 투과하는 특성을 가지고 있습니다. 광학창, 고주파용 진공관 베이스, 치수정밀도가 높은 기기부품 등에 널리 사용됩니다.

폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF, Polyvinylidene Fluoride)

 폴리비닐리덴플루오라이드는 높은 열적 및 화학적 저항성을 가지는 탄성체로, 다양한 중요한 용도에 사용됩니다. 이러한 물질은 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 무정형 공중합체를 포함하며, 아민 첨가 후 플루오린화수소 이탈반응을 통해 디아민과 염기성 산화물 하에서 가교가 가능합니다.

 

 탄성체는 Perfluoroalkyl Vinyl Ether와 Tetrafluoroethylene (TFE)의 공중합 또는 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로이소부틸렌의 공중합으로 제조될 수 있습니다.

 

 그물구조의 형성은 가열될 때 트리아진 (Triazine) 구조를 형성하는 니트릴 가지기를 갖는 단량체를 유입하여 이루어질 수 있습니다. 다른 플루오로수지에 비해 녹는 점 (177°C)과 밀도 (1.78)가 낮으며, 단가가 저렴하여 전기 절연체 및 건물 외벽에 사용되는 고급 페인트로 널리 사용됩니다.

폴리플루오린화비닐 (PVF, Polyvinyl Fluoride)

 폴리플루오린화비닐은 다음과 같은 반응으로 제조됩니다: CH=CH + HF → CH2CHF → 중합 과정입니다. 이러한 물질은 현재 내후성과 유연성이 뛰어난 필름으로 많이 제조되고 있습니다. 주로 온실의 천장, 채광창, 전기 절연 용도 등으로 사용됩니다.

공중합물

 테트라플루오로에틸렌 (CF2=CF2)과 헥사플루오로프로필렌 (CF2CF-CF)의 공중합은 테플론의 성능을 그대로 유지하면서도 성형성이 우수하다고 알려져 있습니다. 불소수지는 전기 및 전자 재료, 기계 재료 외에도 화학 플랜트의 탱크, 밸브 등 내식성이 필요한 화학 분야에서 널리 사용됩니다. 또한, 가정용품인 프라이팬이나 핫플레이트 등에도 널리 사용됩니다. 앞으로는 체육관 등 대형 구조물의 지붕재나 스키웨어용 방수 통기성 다공질 필름 등에도 활용이 확대될 것으로 예상됩니다.

아크릴수지 (Acrylic Resin)

 아크릴수지는 플라스틱의 한 종류로, 대표적인 것은 아세톤, 시안산, 메탄올을 원료로 하여 만든 비중 1.18의 메타크릴산메틸에스터 (메타크릴산메틸)의 중합체입니다. 이 물질은 150°C 이상에서 압축성형이 가능합니다. 또한, 형틀에 넣어 주형 성형하여 투명한 판을 만들 수 있습니다.

 

 이 판은 투명도가 뛰어나므로 두께 10cm 이상인 항공기의 특수 창유리, 조명기구 커버, 차량의 유리, 광학 기계용 프리즘, 필터, 시계 유리 등에 사용됩니다. 또한 의료 분야에서는 콘택트렌즈나 의치의 대부분이 아크릴수지로 만들어집니다.

 

 아크릴수지에는 (a) 폴리메틸아크릴레이트(PMA, Poly Methyl Acrylate)와 (b) 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Poly Methyl Methacrylate)가 있습니다.

 

 이들의 화학구조식은 각각 다음과 같습니다:

 

(a) 폴리메틸아크릴레이트(PMA): (-CH2-C(CH3)=O-)n

(b) 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA): (-CH2-C(CH3)(COOCH3)-)n

 

 그리고 아크릴산이나 그 메틸에스터, 에틸에스터의 중합물이나 공중합물은 섬유나 종이 가공에서 특히 새로운 도료 및 접착제로서 중요시되고 있습니다.

단량체의 화학식

Acrylic Acid (CH2=CHCOOH)

Methacrylic Acid [CH=C(H)COOH]

Methyl Methacrylate [CH2=C (CH3)COOH] Acrylonitrile [CH2=CHCN]

아크릴수지 용도

 아크릴수지는 항공기나 자동차의 방풍유리, 건축재료, 조명용 등에 널리 사용됩니다. 이 물질은 유리보다 투명도가 높고 성형 가공이 쉬우며, 일반적으로 유리보다 무게가 약 절반 정도이지만 강도, 굳기, 내열성은 상대적으로 작습니다. 그러나 물, 산, 알칼리에 강하므로 유리 대신으로 사용될 수 있습니다. 또한, 색이 있는 아크릴수지는 문짝 등의 장식용으로 적합합니다. 다만, 긁힌 자국이 눈에 잘 뜨이고 먼지가 묻기 쉬우므로 다룰 때 주의가 필요합니다.