플라스틱의 분류 체계와 범용수지의 이해
플라스틱 사출성형을 이해하기 위해서는 먼저 플라스틱 재료가 어떻게 분류되는지 알아야 합니다. 플라스틱은 크게 범용수지와 엔지니어링 플라스틱(EP수지)으로 나뉘며, 중합법에 의한 구조 변화와 가소제 함량 등에 따라 유리전이온도(Tg)가 달라집니다. 이번 편에서는 플라스틱의 기본 분류 체계와 범용수지의 종류 및 특징에 대해 자세히 알아보겠습니다.
플라스틱의 기본 분류 체계
플라스틱은 사용 온도와 기계적 물성에 따라 피라미드 형태로 분류할 수 있습니다. 가장 아래쪽에 위치한 것이 범용수지이고, 그 위에 EP수지(엔지니어링 플라스틱), 최상단에 Super-EP수지가 위치합니다.
범용수지는 100도씨 이하에서 주로 사용되는 플라스틱으로, PP, LDPE, HDPE 같은 결정성 수지와 PVC, PS, ABS, SAN, PMMA 같은 비결정성 수지로 나뉩니다. 결정성 수지는 물성이 유리하고, 비결정성 수지는 사출 가공이 유리하다는 특징이 있습니다.
EP수지는 100도씨에서 150도씨 사이에서 사용되며, PA, POM, Polyester 같은 결정성 수지와 PC, m-PPO 같은 비결정성 수지가 해당됩니다. Super-EP수지는 150도씨 이상의 고온에서도 사용 가능한 고성능 플라스틱으로, PI, PPS, LCP, PEEK, PES 등이 있습니다.
피라미드 위로 올라갈수록 가격이 비싸지고 기계적 물성이 향상됩니다. 따라서 제품의 사용 환경과 요구 성능에 맞는 적절한 수지를 선택하는 것이 중요합니다.
범용수지 PE(폴리에틸렌)의 용도와 구조
PE(폴리에틸렌)는 가장 기본적인 플라스틱 중 하나입니다. 화학식은 CH2CH2가 반복되는 구조를 가지고 있습니다. 사출성형에 주로 이용되는 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)는 고온이 아닌 환경에서 사용되는 냉장고 용기, 보관 용기, 밀봉캡 등을 제조하는 데 사용됩니다.
폴리에틸렌은 분자 구조에 따라 세 가지로 나뉩니다. 첫째, LDPE(저밀도 폴리에틸렌)는 긴 가지 사슬을 가진 구조로, 분자 사슬이 복잡하게 얽혀 있어 밀도가 낮습니다. 둘째, LLDPE(선형 저밀도 폴리에틸렌)는 짧은 가지 사슬을 가진 구조입니다. 셋째, HDPE(고밀도 폴리에틸렌)는 가지 사슬 없이 선형인 구조로, 분자들이 촘촘하게 배열되어 밀도가 높습니다.
PE의 주요 특징
PE의 특징을 성형용이성, 강도와 내후성, 성형수축률 세 가지 측면에서 살펴보겠습니다.
성형용이성 측면에서 HDPE와 LDPE는 서로 블렌드(혼합)해도 별다른 문제점 없이 성형이 용이합니다. 이는 두 재료가 화학적으로 같은 폴리에틸렌 계열이기 때문입니다.
강도와 내후성 측면에서 PE는 충격에 강하며 잘 부서지지 않습니다. 특히 영하 40도씨까지도 강도를 유지하므로 냉동 환경에서도 사용할 수 있습니다.
성형수축률은 비보강 상태에서 1에서 4퍼센트 정도입니다. 성형수축률이란 용융된 플라스틱이 금형 안에서 굳으면서 크기가 줄어드는 비율을 말합니다. 유리섬유로 강화하면 수축률이 절반 수준으로 감소하여 치수 안정성이 향상됩니다.
범용수지 PP(폴리프로필렌)의 용도와 구조
PP(폴리프로필렌)는 CH2와 CH에 CH3(메틸기)가 붙은 구조가 반복되는 플라스틱입니다. 자동차의 트림과 패널 부류, 가전제품 등에 널리 사용됩니다.
PP는 분자 배열 방식에 따라 Isotactic PP와 Syndiotactic PP로 나뉩니다. 두 종류의 제반 성질은 비슷하지만, 제조 방법에서 차이가 있었습니다. 기존에는 Isotactic PP가 Ziegler-Natta 촉매로 제조되었으나, Syndiotactic PP는 제조하기 어려웠습니다. 하지만 최근에는 메탈로센(Metallocene) 촉매가 도입되면서 Syndiotactic PP도 제조 과정이 어렵지 않게 되었고, 물성 또한 개선되었습니다.
PP의 주요 특징
PP는 강성, 투명성, 유동성, 내약품성이 우수합니다. 특히 반복 핌(굽힘)에 강해서 본체와 뚜껑을 하나로 성형하는 힌지 제조가 가능합니다. 힌지란 경첩처럼 접히는 부분을 말하는데, PP는 여러 번 접어도 끊어지지 않는 특성이 있어 플라스틱 용기의 뚜껑 연결 부분에 많이 사용됩니다.
하지만 PE에 비해 저온충격에 약하고, 자외선에 취약하며, 내스크래치성이 떨어지는 단점이 있습니다.
성형수축률은 1.2에서 2.5퍼센트로 비교적 후변형이 큽니다. 후변형이란 성형 후 시간이 지나면서 추가로 변형되는 현상을 말합니다. 이를 개선하기 위해 유리섬유 강화가 필요합니다.
PP는 노치에 민감합니다. 노치란 재료 표면의 홈이나 날카로운 모서리를 말하는데, 이 부분에 응력이 집중되어 쉽게 균열이 발생할 수 있습니다. 따라서 모서리를 날카롭게 제작하면 안 되고, 금형에는 빼기구배가 필요합니다. 빼기구배란 제품이 금형에서 쉽게 빠져나올 수 있도록 약간의 경사를 주는 것을 말합니다.
범용수지 PVC(폴리염화비닐)의 용도와 특징
PVC(폴리염화비닐)는 CH2와 CH에 Cl(염소)이 붙은 구조가 반복되는 플라스틱입니다. 가소제로 연질화시켜 각종 호스, 전선 피복, 손잡이 피복 등을 제조합니다. 가소제란 딱딱한 플라스틱을 유연하게 만들어주는 첨가제입니다.
PVC는 점성도가 높고 열안정성이 떨어집니다. 열안정성을 개선하려면 안정제를 사용해야 합니다.
PVC의 장점으로는 내전압, 체적저항률, 표면저항률 등 전기절연성이 우수하고, 자기소화성이 있는 난연성 소재라는 점입니다. 자기소화성이란 불이 붙어도 불꽃을 제거하면 스스로 꺼지는 성질입니다. 이 덕분에 표면 처리 없이 페인팅이 가능하고, 융착이나 본드 접착도 용이합니다.
단점으로는 내열성과 내한성이 약하고, 성형가공 시 열분해를 쉽게 일으킨다는 점이 있습니다.
범용수지 ABS의 용도와 특징
ABS는 아크릴로니트릴(A), 부타디엔(B), 스티렌(S) 세 가지 단량체가 결합된 공중합체입니다. 냉장고, 청소기, 세탁기 등 하우징에 주로 이용되며, 특히 내열 ABS가 많이 사용됩니다.
도금과 코팅 측면에서 ABS는 도장과 도금이 용이하고, 내후성과 고광택을 구현할 수 있습니다. 내열성과 전기절연성 측면에서 내열성은 60에서 120도씨 수준이고, 전기절연성은 양호하지만 고주파절연성은 약합니다.
내충격성 측면에서 ABS는 특히 저온에서 매우 높은 충격강도를 가집니다. 이는 고무 성분인 부타디엔 덕분입니다.
성형수축률은 0.3에서 0.9퍼센트 수준으로 후변형이 작습니다. 20퍼센트 유리섬유로 강화하면 0.02퍼센트 수준으로 수축률이 크게 감소합니다.
범용수지 물성 비교 정리
| 구분 | 특징 |
|---|---|
| 밀도와 수분흡수율이 가장 낮은 수지 | PP |
| 최대인장강도 순서 | HDPE < PP < ABS |
| Vicat 연화온도 순서 | PE ≈ PP > ABS |
| 물성조건 | 단위 | HDPE | PP | PVC | ABS |
|---|---|---|---|---|---|
| GF 강화유무 | – | 비강화 | 비강화 | 비강화 | 비강화 |
| 밀도 | g/cc | 0.963 | 0.933 | 1.30 | 1.07 |
| 수분흡수율 | % | 0.016 | 0.010 | 0.260 | 0.409 |
| 용융흐름지수(MI) | g/10min | 27.7 | 23.5 | 12.5 | 15.0 |
| 최대인장강도(UTS) | MPa | 21.4 | 30.1 | 16.4 | 38.4 |
| 유리전이온도(Tg) | 도씨 | -120 | -10 | 80 | 110 |
| Vicat 연화온도(Ts) | 도씨 | 122 | 121 | 85 | 100 |
| 용융온도(Tm) | 도씨 | 132 | 160 | – | – |
용융흐름지수(MI)는 플라스틱이 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 지표로, 숫자가 클수록 유동성이 좋습니다. 유리전이온도(Tg)는 플라스틱이 딱딱한 상태에서 유연한 상태로 바뀌는 온도입니다. Vicat 연화온도(Ts)는 특정 조건에서 바늘이 재료에 침투하기 시작하는 온도로, 내열성의 지표가 됩니다.
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 플라스틱의 기본 분류 체계와 범용수지 네 가지(PE, PP, PVC, ABS)의 특징에 대해 알아보았습니다. 플라스틱은 사용 온도와 물성에 따라 범용수지, EP수지, Super-EP수지로 분류되며, 각각 결정성과 비결정성으로 나뉩니다. 범용수지는 가격이 저렴하고 가공이 쉬워 일상생활 제품에 널리 사용됩니다.
다음 편에서는 EP수지(엔지니어링 플라스틱)인 POM, PA6, PA66, PC의 특징과 용도에 대해 자세히 알아보겠습니다.
