열가소성 플라스틱

열가소성 플라스틱(熱可塑性, thermoplastic, thermosoftening plastic)은 열을 가했을 때 유연하게 되고 온도를 더 올리면 녹고, 온도를 충분히 낮추면 고체 상태로 되돌아가는 고분자이다. 다수의 열가소성 플라스틱은 약한 분자간 힘으로 상호작용하는 고분자 화합물에 의하여 생성된다.

열경화성 플라스틱(thermosetting plastic)과는 달리 열을 가하면 녹고 원래 상태로 돌아가므로 재활용할 수 있으며, 대체적인 분자 구조는 분자 간 약한 상호작용만이 가능한 선형 구조이다.

열가소성 플라스틱은 사출 성형(injection molding), 압축 성형(compression molding), 칼렌더링(calendering) 및 압출 성형(extrusion)과 같은 여러 가지 가공 방법에 의해 플라스틱 성형물을 가공하게 해준다. 대부분의 열가소성 플라스틱은 높은 분자량을 가지고 있다. 플라스틱을 구성하는 고분자 사슬들은 사슬들 사이에 분자간 힘(intermolecular force)에 의해 회합되어 있다.

열가소성 플라스틱은 용융점(melting temperature)에 도달하기 전에 유리 전이 온도(glass transition temperature) 위에서 상 변이(phase change) 없이 물리적 성질들이 극적으로 변화하게 된다. 열가소성 플라스틱은 유리 전이 온도를 가지는 무정형(amorphous) 플라스틱과 유리 전이 온도와 용융점을 가지고 있는 미세 결정성 플라스틱(micro-crystalline plastic)이라고 불리는 열가소성 플라스틱의 두 종류가 주류를 이루고 있다. 무정형 플라스틱과 미세 결정성 플라스틱과 같은 열가소성 플라스틱은 광학적 투명성(optical clarity)이 요구되는 용도에 사용될 수 있다.

또한, 열가소성 플라스틱은 결정성이 없는 무정형 플라스틱이거나 결정성이 크지 않은 미세 결정성 플라스틱으로 구성되기 때문에 화학 약품이나 외부의 스트레스에 대한 저항성은 열악할 수밖에 없다. 열가소성 플라스틱의 외부 충격에 대한 취약성(brittleness)은 가소제(plasticizer)를 첨가하여 무정형 사슬의 이동성을 증가시켜서 플라스틱의 유리 전이 온도를 낮춤으로써 개선할 수 있다.

목차

아크릴계 플라스틱

대표적인 아크릴계 플라스틱은 폴리메틸메타크릴레이트[poly(methylmethacrylate): PMMA]로서 유리 전이 온도만 보이는 무정형 열가소성 플라스틱이며 Lucite, Perspex, Plexiglas 등의 상품명으로 판매되고 있다. 한국에서는 PMMA를 아크릴 혹은 아크릴 수지로 부르고 있다. PMMA는 유리를 대체하고 있는 플라스틱으로서 수족관, 오토바이 헬멧, 햇빛 가리개, 항공기 창문, 잠수함의 감시 포트, 자동차 전등의 외부 렌즈에 유리의 대체품으로 널리 사용되고 있다. 또한, PMMA는 글자와 로고를 포함한 표지를 만드는데 널리 쓰인다. PMMA의 의학 용도로서는 골격 시멘트(bone cement) 및 수정체를 대체하는 렌즈로 사용된다. 아크릴 페인트는 PMMA 입자들을 물에 현탁 분산시켜 제조된다.

아크릴로나이트릴-뷰타다이엔-스타이렌(Acrylonitrile-butadiene-styrene: ABS) 수지

ABS 수지는 뷰타다이엔을 중합(polimerization)하여 얻은 폴리뷰타다이엔에 아크릴로나이트릴(acrylonitile)과 스타이렌(styrene) 단량체를 부가 중합(addition polymerization)하여 얻은 삼중합체(terpolymer)이다. ABS는 유리 전이 온도만 보이는 무정형 열가소성 플라스틱이다. ABS 수지는 높은 충격 저항성과 기계적 견고성을 보여주는 경량 소재이다. ABS는 정상적인 취급 하에 인간의 건강에 위험성이 거의 없는 플라스틱으로 알려져 있다. ABS는 장난감, 가전제품, 전화기와 같은 많은 소비자 제품에 사용된다.

나일론(Nylon)

나일론은 폴리아마이드라 불리는 중합체의 종류에 속한다. 나일론은 유리 전이 온도 및 용융점을 보이는 미세 결정 열가소성 플라스틱이다. 나일론은 낙하산, 밧줄, 돛, 방탄조끼 및 여성 의류에 사용되었던 삼, 목화솜, 비단을 대체하여 사용되고 있는 섬유이다. 나일론 섬유는 직물, 로프, 카펫 및 기타 줄을 만드는 데 유용하게 사용된 데 비해 나일론 칩은 기계 나사류, 기어 및 전동 공구 케이스를 비롯한 기계적 부품에 사용되고 있다. 또한, 나일론 수지는 내열성이 요구되는 복합소재(composite material)의 제조에도 사용된다.

폴리락트산 수지(Polylactic acid, Polylactide: PLA)

PLA 수지는 생분해성 플라스틱으로서 옥수수 전분, 타피오카 녹말 및 사탕수수와 같은 신재생 자원으로부터 얻을 수 있는 열가소성 지방족 폴리에스터계의 플라스틱이다. PLA 수지는 3D 프린팅용 소재로 이용되고 있다.

폴리벤즈이미다졸 수지(Polybenzimidazole: PBI)

PBI(Poly-[2,2’-(m-phenylene)-5,5’-bisbenzimidazole]) 섬유는 아주 높은 유리 전이 온도와 용융점을 가지고 있는 미세 결정성 열가소성 수지로서, 매우 우수한 열적 및 화학적 안정성을 가지는 인조 섬유(synthetic fiber)이다. 쉽게 점화되지 않는 우수한 열적 성질로 인해 소방관의 복장, 우주비행사의 복장, 내열성 보호 장갑, 용접 근로자의 복장, 비행기 내부 직물에 사용되고 있다. 최근에는 PBI 섬유가 연료 전지의 막(membrane)에도 사용되고 있다.

폴리카보네이트(Polycarbonate: PC)

폴리카보네이트(PC) 수지는 유리 전이 온도만 보이는 무정형 플라스틱으로서 우수한 기계적 성질을 가지고 있어서 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic)으로 분류되는 열가소성 플라스틱이다. 폴리카보네이트 수지는 사출과 같은 열성형 방법을 통하여 가공되어 전기 부품, 건축재, 데이터 저장 매체, 자동차 및 비행기 부품, 의족의 점검 소켓, 안전유리 등에 사용되고 있다.

폴리에터 설폰[Poly(ether sulfone), PES]

폴리에터 설폰(PES) 수지는 특수 엔지니어링 플라스틱이며 유리 전이 온도만 보이는 무정형 플라스틱이다. 폴리에터 설폰 수지는 매우 우수한 열, 산화 및 가수 분해에 대해 우수한 저항성을 가지고 있어서 내마모성이 요구되는 특수 용도의 부품을 제조하는 데 사용되고 있다.

폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene: POM)

POM 수지는 아세탈(acetal) 수지, 폴리아세탈(polyacetal) 수지, 혹은 폴리폼알데하이드(polyformaldehyde) 수지로 불리며, 유리 전이 온도와 용융점을 보이는 미세 결정성 열가소성 플라스틱이다. POM 수지는 높은 경직성, 낮은 마찰력 및 높은 치수 안정성(dimensional stability)이 요구되는 정밀 부품의 제조에 사용되는 엔지니어링 플라스틱이다.

폴리에터에터 케톤(Polyetherether ketone: PEEK)

PEEK 수지는 투명성을 가지며 유리 전이 온도와 용융점을 보이는 미세 결정성 플라스틱이며 엔지니어링 플라스틱으로 분류된다. PEEK 수지는 마찰 저항이 우수하고 낮은 가연성(flammability)과 연소 시 유해 기체와 연기의 발생량이 낮은 장점을 보인다.

폴리에틸렌(Polyethylene: PE)

폴리에틸렌 수지는 유리 전이 온도와 용융점을 보이는 미세 결정성 열가소성 플라스틱이다. 폴리에틸렌 수지는 밀도와 분자 구조에 따라 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra-high-molecular-weight polyethylene: UHMWPE)과 고밀도 폴리에틸렌(High-density polyethylene: HDPE), 중밀도 폴리에틸렌(Medium-density polyethylene : MDPE), 저밀도 폴리에틸렌(Low-density polyethylene: LDPE)으로 구분된다.

초고분자량 폴리에틸렌의 분자량은 일반 플라스틱에 비해 높은 분자량을 보이므로 내마모성, 인장 강도, 저온에서 강인도(toughness)가 높은 특성을 보이므로, 주로 기계 부품, 베어링, 기어, 인공 관절, 방탄복, 리튬 2차 전지 격리판, 헬멧, 자동차 배터리 격리판 등에 사용된다. 고밀도 폴리에틸렌 수지는 0.941~0.965 g/cm@@NAMATH_INLINE@@^3@@NAMATH_INLINE@@의 밀도를 가지고 130~134 °C의 용융점을 보인다. 고밀도 폴리에틸렌 수지는 우유 용기, 세제 용기, 야외용 플라스틱 가구, 마가린 튜브, 휴대용 휘발유 용기, 로프, 어망, 방수천(tarpaulin), 자동차 연료 탱크 등에 사용되고 있다. 중밀도 폴리에틸렌 수지는 0.925~0.939 g/cm@@NAMATH_INLINE@@^3@@NAMATH_INLINE@@의 밀도를 가지고 120~124 °C의 용융점을 보이며 포장용 필름, 가스 이송용 파이프, 파이프 이음관에 사용되고 있다. 저밀도 폴리에틸렌 수지는 0.910~0.925 g/cm@@NAMATH_INLINE@@^3@@NAMATH_INLINE@@의 밀도를 가지고 110 °C의 용융점을 보이며 하우스용 필름, 일반 포장용 필름, 막걸리 용기, 파이프 이음관에 사용되고 있다.

폴리산화페닐렌 수지(Polyphenyleneoxide, PPO)

폴리산화페닐렌 수지는 유리 전이 온도만 보이는 무정형 열가소성 플라스틱에 속한다. 폴리산화페닐렌 수지는 가공 온도가 높아서 가공성이 좋지 않아, 폴리스타이렌과 블렌딩하여 가공 온도를 낮춘 개질된 폴리페닐렌 옥사이드 수지(modified PPO)가 제너럴 일렉트릭(General Electric)에 의해 제조되었다. G. E 사가 개발한 개질된 폴리페닐렌 옥사이드 수지의 상품명은 Noryl 수지이며 탁월한 저수분 흡수성으로 인해 전기 절연성 및 치수 안정성이 우수하므로 전기 자동차 부품, 절연재, 통신 부품으로 사용되고 있다..

폴리황화페닐렌 수지(Polyphenylene Sulfide, PPS)

PPS 수지는 파라-다이클로로벤젠과 황화 소듐와의 축합 중합(condensation polymerization)에 의해 합성되고 탁월한 내화학성, 뛰어난 내열성 및 우수한 난연성을 가지고 있다. PPS의 실제 응용 분야는 내열 필름, 내열 섬유, 내열 파이프, 금속 대체용 저비중 소재, 물 펌프의 임펠러 등에 사용되고 있다.

폴리프로필렌(Polypropylene: PP)

PP 수지는 유리 전이 온도와 용융점을 보이는 미세 결정성 열가소성 플라스틱이다. PP 수지는 인장강도가 우수하며, 압축, 충격 강도가 양호하고 내열성이 높고, 유동성이 좋으며 내열, 내약품성이 양호하다. PP 수지는 0.90~0.91 g/cm³ 의 밀도를 보여서 폴레에틸렌에 비하여 가벼우나, 용융점은 160~170 °C로서 높다. 전체적인 물성은 폴리에틸렌과 유사하나 스트레스 분쇄특성이 우수하여 자동차 도어 몰딩에 사용되고 있다.

폴리염화바이닐(Polyvinyl chloride: PVC)

PVC 수지는 산과 염기에 저항성이 우수한 플라스틱이다. 유리 전이 온도만 보이는 무정형 열가소성 플라스틱이다. 가소제를 첨가하지 않은 PVC 수지는 비닐 사이딩, 하수 파이프, 배수 홈통, 지붕재 등으로 사용되고 있다. PVC에 가소제를 첨가하여 호스, 튜브, 전기절연재, 실내 장식재 등으로 사용되고 있다.

PTFE(polytetrafluoroethylene, PTFE)

폴리테트라플루오로에틸렌은 약자인 PTFE 또는 뒤퐁의 상품명인 테플론(Teflon)으로 많이 알려져 있으며, 유리 전이 온도와 용융점을 보이는 미세 결정성 열가소성 플라스틱이다. PTFE 수지는 모든 화학 약품에 대해 내화학성이 있으며, 매끄러운 표면으로 유명하다. 넓은 온도 범위(－270~250 °C)에서 물리적 성질을 유지한다. 이러한 성질 때문에 PTFE 수지는 개스킷, 베어링, 컨테이너와 관의 내벽, 부식성 환경에서 사용되는 밸브와 펌프의 부품, 조리기구, 톱날, 기타 다른 제품의 보호막으로 적합하다. 현재는 일회용품, 특히 프라이팬 같은 조리용기구의 표면의 코팅 도장에 많이 사용되고 있다. 식품, 조미료에 의한 침식이 강하고 마찰이 작은 곳부터 식품이 타는 것을 방지하는 역할을 한다. 강한 불에 의한 가열이나 식재료 등에 넣어 방치하는 것에 따라 열화나 박리현상이 발생할 수 있다.