폴리에테르이미드 (PEI, Polyether Imide)
PEI는 무정형의 고성능 엔지니어링 플라스틱이다. 우수한 열적, 기계적, 전기적 특성을 가지고 있으며, 연소 시 우수한 난연성과 연기 발생이 적습니다. 또한, 반복적인 증기 멸균 공정을 견딜 수 있는 능력을 갖추고 있어 다양한 의료기기 및 식품 접촉 응용 분야에 적합한 소재로 간주됩니다.
이미드형 열가소성 엔지니어링 수지인 폴리에테르이미드(PEI)의 대표적인 예로 Ultem (상품명)이 있습니다. Ultem은 비스페놀 A, 4,4'-메틸렌 디아닐린, 그리고 3-니트로프탈릭 무수물을 포함한 니트로 치환반응으로 얻어집니다. 해당 화학 구조식은 다음과 같습니다.
높은 충격 강도와 낮은 온도에서도 사용 가능하며 화학적으로 안정한 특성을 가진 폴리에테르이미드는 주파수 분할 다중화(FDM, Frequency Division Multiplexing) 3D 프린터의 소재로 사용됩니다. 내열성이 우수하여 전기 개폐 장치, 커넥터, 전자레인지용 취사도구 등의 구성 요소로 활용됩니다.
비결정성이고 투명한 고성능 열가소성 수지인 PEEK (Poly Ether Ether Ketone)에 비해 폴리에테르이미드는 내열성이 뛰어나고 가격이 상대적으로 저렴하며 충격 강도가 낮습니다.
폴리아미드이미드 (PAI, Polyamide Imide)
열경화성 또는 열가소성인 비결정성 고분자 화합물로 분류되는 특수 엔지니어링 플라스틱입니다. 마찰, 열 및 화학적인 저항력이 우수하여 1차 전기 절연재, 코팅제, 접착제, 압출용 수지, 내열도료, 내열판, 내열접착제, 내열섬유 및 내열필름 등 다양한 분야에 응용됩니다. 단기 사용 온도는 300°C로 수시간 동안 저항력을 유지하며, 장기 사용 온도는 220°C로 수년간 저항력을 유지합니다.
폴리이미드의 용융 가공성을 향상시키기 위해 염기성 이미드 구조를 방향족 에테르나 아미드와 결합시킬 수 있습니다.
예를 들어 PAI인 Torlon (상품명)은 트리멜리틱 무수물(TMA, Trimellitic Anhydride)과 방향족 디아민(예: 4,4'-Oxydianiline)의 축합으로 제조됩니다.
이러한 폴리이미드는 분말 형태로 만들어져 금속 또는 자석 와이어 등의 코팅제로 사용될 수 있으며, 용도에 따라 다양한 첨가제와 혼합하여 사용됩니다. 또한 PAI 도료는 불소중합체와 함께 장식 및 부식 방지용 도료로 사용됩니다.
PAI는 불소중합체를 금속 기판에 접착시키는 역할을 하며, 주방 조리기구에 코팅이 많이 사용됩니다. 또한 내열성과 내화학성을 갖추고 있어 가스 분리 막(membrane)으로 사용될 수 있습니다. 천연 가스 정제 공정에서 이산화탄소, 황화수소 및 다른 오염물의 여과 장치에도 사용됩니다.
폴리비스말레이미드 (Polybismaleimide)
폴리비스말레이미드는 이미드 계열의 고분자로 Kerimide, Kinel이 있다. 이러한 폴리비스말레이드는 필라멘트 와인딩, 라미네이트의 복합재료수지, 마찰패드, 기어 및 베어링 등 다양한 용도로 사용됩니다. 이 수지는 비스말레이미드의 불포화 디아민을 첨가하여 제조됩니다.
폴리벤즈이미다졸 (PBI, Polybenzimidazole)
폴리벤즈이미다졸 (Poly 2,2'-m-Phenylene-5,5'-bibenzimidazole)은 매우 높은 열적 안정성과 가수분해적 안정성을 가지고 있지만 종종 용해되지 않습니다. 이러한 특성으로 인해 주로 고온 복합체 및 다른 응용에서 섬유 형태로 사용됩니다. 또한 연료전지 막으로 활용이 활발하게 고려되고 있습니다.
PBI는 다음과 같이 3,3'-디아미노벤지딘과 방향족 디카르복실산으로부터 얻어집니다. 여기서 “X”는 OH, Cl, OCH3, OCH를 포함하는 몇 가지 기능성 있는 반응기의 하나를 나타냅니다.
폴리이미다조피롤론 (Polyimidazopyrrolone)
폴리이미다조피롤론과 같은 고분자는 융화된 고리 주사슬을 갖추고 있어 사다리형 고분자(Ladder Polymer)로 알려져 있으며, 500°C 이상의 고온에서도 안정합니다. 이 고분자는 방향족 테트라카르복실산과 방향족 테트라민의 초기 축합반응을 포함한 두 단계의 경화반응을 통해 합성됩니다.
사다리형 고분자는 높은 열적 안정성을 가지고 있어 1960년 중반에 합성되었으며, 그 이후에는 공액(Conjugated) 사다리형 고분자의 선형 및 비선형 광학적 물성에 대한 연구가 진행되었습니다.
폴리에테르에테르케톤 (PEEK, Poly Ether Ether Ketone)
폴리아릴에테르케톤 (PEAK) 중 가장 중요한 폴리에테르에테르케톤(PEEK, Victrex)은 엔지니어링 반결정성 열가소성 수지입니다. PEEK는 영국 ICI 사에서 개발된 고성능 슈퍼엔지니어링 플라스틱으로, 높은 마모 저항성, 낮은 인화성, 낮은 연기 및 독성 기체 발생, 낮은 흡습성 외에도 가수분해, 마모, 방사 및 고온 증기에 대한 저항성을 가지고 있습니다.
PEEK는 2개의 에테르 결합과 1개의 케톤 기에 의한 결합으로 이루어진 3개의 벤젠 핵을 단위로 하는 고분자입니다. 이 고분자는 굳고 단단하며 결정성을 가지고 있어서 상당히 높은 온도까지 강성이나 기계적 강도를 유지할 수 있습니다. 또한 내열성과 내스팀성이 우수하며 내피로성도 뛰어납니다.
PEEK는 할로겐화 벤조페논과 하이드로퀴논의 용액중축합 반응에 의해 제조됩니다. 이 과정에서 알칼리 금속화합물을 조제로 사용하여 탈할로겐화 수소반응을 촉진하고, 극성기를 가진 비점이 높은 용매를 사용합니다. 구체적으로는 하이드로퀴논의 이칼륨염과 4,4'-디플루오로벤조페논(4,4'-Difluorobenzophenone)으로부터 320°C에서 합성되며, 용매로는 디페닐설폰 [Diphenyl Sulfone, (C6H5)2SO2)]을 사용합니다. 합성 반응은 다음과 같습니다.
PEEK는 내열성, 강인성, 내화염성, 내약품성 등이 기존 엔지니어링 플라스틱보다 우수합니다. 또한 고강도, 고강성, 고치수정밀 용도로 유리섬유를 10%, 20%, 30% 함유한 제품들도 있습니다. 특히 고탄성율화된 제품 중에서 내열성과 내충격성이 우수합니다. 이 수지는 유산에 용해되지만 내마모성이 뛰어나 난연성으로 연소시 연기가 적게 발생합니다.
탄소섬유와의 복합재는 파괴 강인성이 에폭시 수지의 약 20배에 달할 정도로 뛰어납니다. 사출, 압출, 압축, 회전성형 및 분체도장이 가능하며 가공 온도는 370~400°C입니다.
이러한 견고한 특성으로 베어링, 피스톤 부품, 펌프, 전기절연 케이블, 자동차, 항공, 우주 분야 등의 까다로운 조건의 필요 응용분야에 주로 사용됩니다. 특히 초고진공 응용분야에 사용될 뿐 아니라 신경외과에서 MRI와 임플란트에 사용되는 고급 생체 소재로도 사용됩니다. 호박색을 띠고 반투명 혹은 불투명합니다. 얇은 필름의 경우 무정형이며 투명합니다.
PEEK의 특성과 용도
PEEK는 처음으로 고성능 전선 절연용으로 개발된 결정성 내열수지입니다. 이로 인해 기존의 열가소성 수지뿐만 아니라 장기간 내열성이 우수한 폴리페닐렌설폰 (PPS)보다도 매우 안정되어 있습니다. PEEK는 노치를 붙여도 연성 영역이 빠르게 생성되어 노치효과를 없애는 특성이 있어, 다른 엔지니어링 플라스틱보다 내크리프성이 우수합니다. 또한 매우 강력한 성질을 가지고 있어 다양한 용도로 활용됩니다.
- 성형분야
PEEK는 열가소성수지로 최고의 내열성과 강성을 가지고 있으며, 컴파운딩을 통해 폭넓은 특성을 부여하여 금속 대체 용도로 개발되고 있습니다. 이러한 특성으로 커넥터, 자동차 부품(엔진, 클러치, 베어링 등), 항공기 부품, 열수펌프, 터빈 날개, 각종 내열 섭동재 등으로 사용됩니다.
- 필름분야
PEEK는 폴리이미드 Kapton과 유사한 성능을 가지고 있어 필름 분야에서도 널리 사용됩니다.
- 섬유/필라멘트
우수한 내열성과 탁월한 내약품성을 가지고 있어 폴리에스터와 비슷한 용도로 사용되고 있습니다.
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