고성능 플라스틱 EP수지의 종류와 특징
앞선 편에서 범용수지에 대해 알아보았습니다. 이번 편에서는 범용수지보다 한 단계 높은 성능을 가진 EP수지(엔지니어링 플라스틱)에 대해 알아보겠습니다. EP수지는 중합법에 따른 수지 특성과 사출성형 시 수지 관련 특징을 이해하는 것이 중요합니다.
EP수지의 분류와 위치
EP수지는 플라스틱 분류 피라미드에서 중간 영역인 100도씨에서 150도씨 사이의 내열성을 가진 수지입니다. 결정성 EP수지로는 PA(폴리아미드), POM(폴리아세탈), Polyester가 있고, 비결정성 EP수지로는 PC(폴리카보네이트), m-PPO가 있습니다.
EP수지는 범용수지보다 기계적 물성이 우수하고 내열성이 높아 자동차 부품, 전자제품, 산업용 기계 부품 등 고성능이 요구되는 분야에 사용됩니다. 다만 가격이 범용수지보다 비싸다는 단점이 있습니다.
POM(폴리아세탈)의 용도와 화학구조
POM(폴리아세탈)은 기어, 롤러, 베어링 등 금속의 대체품으로 적합한 플라스틱입니다. 금속처럼 정밀한 기계 부품을 만들 수 있으면서도 가볍고 내마모성이 우수하기 때문입니다.
POM의 화학구조를 살펴보면, 아세탈 수지의 주원료는 포름알데히드(Formaldehyde, CH2O)입니다. 이 포름알데히드가 중합되어 POM 호모폴리머가 만들어지며, 상품명으로는 Acetal, Delrin 등이 있습니다.
가공이 용이하도록 주쇄 내에 코모노머를 도입시킨 것이 코폴리머로, 상품명 Duracon이 대표적입니다. 코모노머란 주된 단량체 외에 추가로 첨가하는 단량체를 말하며, 이를 통해 열안정성과 가공성을 개선합니다.
POM의 주요 특징
POM은 약 75퍼센트 수준의 결정성 수지입니다. 결정성이 높다는 것은 분자 배열이 규칙적이라는 의미로, 이 덕분에 치수 안정성, 내열성, 내마모성이 우수합니다.
내후성 측면에서 영하 40도씨에서도 사용 가능하여 저온 환경에 적합합니다. 하지만 자외선에 취약하여 야외에서 장시간 사용하면 열화될 수 있으므로 UV안정제 첨가가 필요합니다.
성형수축률이 높아 복잡한 형태의 제품 성형은 어렵습니다. 유리섬유 보강 시 수축률 개선 효과가 있으므로, 정밀한 치수가 필요한 경우 유리섬유 강화 POM을 사용합니다.
PA6(폴리아미드6, 나일론6)의 용도와 화학구조
PA6는 구조 용도와 베어링 등에 사용되는 엔지니어링 플라스틱입니다. 상품명으로는 Nylon6, Ultramid 등이 있습니다.
PA6는 입실론-카프로락탐(ε-caprolactam)이라는 고리 모양 화합물에서 만들어집니다. 개환중합(Ring Opening Polymerization)과 축합중합을 통해 제조되는데, 개환중합이란 고리 모양 화합물의 고리가 열려 사슬 모양의 중합체가 되는 중합반응을 말합니다.
PA6의 주요 특징
PA6는 우수한 내마모성, 내화학성, 충격강도 및 강성을 가집니다. PA66과 비교했을 때 충격강도가 더 강하고 용융온도가 낮습니다. 용융온도는 약 220도씨이고, 재료사출압력은 75에서 125MPa 수준입니다.
성형수축률은 0.6에서 2.0퍼센트로, 성형품 두께에 따라 차이가 납니다. 두꺼운 부분일수록 수축률이 커지는 경향이 있습니다.
PA6에서 특히 주의해야 할 점은 습기 관리입니다. 수분 함유량이 0.2퍼센트 이상이면 16시간 동안 건조가 필요합니다. 수지가 8시간 이상 방치된 경우에는 105도씨에서 8시간 이상 진공 건조가 필요하며, 최종 수분 함유량은 0.2퍼센트 이내로 유지해야 합니다. 수분이 많으면 성형 중 가수분해가 발생하여 제품 품질이 떨어지기 때문입니다.
PA66(폴리아미드66, 나일론66)의 용도와 화학구조
PA66는 자동차 산업, 하우징 등 내충격성 및 고강도가 요구되는 제품에 이용됩니다. 상품명으로는 Nylon66, Ultramid 등이 있습니다.
PA66는 아디프산(Adipic Acid)과 헥사메틸렌디아민(HMDA, Hexamethylenediamine) 두 가지 원료가 1차 및 2차 중합을 거쳐 만들어집니다. 숫자 66은 두 원료의 탄소 수가 각각 6개씩이라는 의미입니다.
PA66의 주요 특징
PA66는 PA6보다 용융온도는 높지만 충격강도는 약합니다. 이 둘은 같은 나일론 계열이지만 서로 다른 장단점을 가지고 있어 용도에 따라 선택합니다.
성형수축률은 1에서 2퍼센트 정도이며, 유리섬유(GF) 강화 시 0.2에서 1퍼센트 수준으로 감소합니다.
PA66도 PA6와 마찬가지로 흡습성이 있어 흡습 정도에 따라 물성이 변합니다. 평형상태 수분함유율은 약 2.5퍼센트로, PA6보다 더 많은 수분을 흡수합니다. 따라서 보관과 건조에 더욱 주의가 필요합니다.
PC(폴리카보네이트)의 용도와 특징
PC(폴리카보네이트)는 각종 렌즈, 전기전자 부품 등으로 이용되는 투명한 엔지니어링 플라스틱입니다.
PC의 주요 특징으로는 자기소화성이 있어 난연성이 우수하고, 내전압 특성이 26에서 32kV/mm로 전기절연성이 좋습니다. 치수안정성도 양호하여 정밀 부품에 적합합니다.
인장강도 및 충격강도 등 기계적 성질이 우수하고, 내열성, 내한성, 투명성도 뛰어납니다. 특히 투명성은 유리에 가까우면서도 깨지지 않아 안전 유리 대용으로도 사용됩니다.
PC의 화학구조와 제조 방법
가장 일반적인 PC 합성법은 포스젠(Phosgene) 기체를 이용하는 방법입니다. 포스젠은 독성이 있는 기체이므로 취급에 주의가 필요합니다.
현재는 제조공법 상 용융중합법을 도입하여 제조하는 추세입니다. 용융중합법은 포스젠을 사용하지 않아 환경 친화적이며, 현재 세계 시장의 50퍼센트 이상이 이 방법으로 생산되고 있습니다.
PC의 사출성형 가공 유의사항
PC를 사출성형할 때는 몇 가지 주의사항이 있습니다.
첫째, 내부 모서리가 뾰족하면 안 됩니다. 모서리의 최적 반경은 제품 두께의 60퍼센트 수준이며, 최소 반경은 최소 0.4mm 이상을 유지해야 합니다. 날카로운 모서리는 응력 집중을 일으켜 크랙의 원인이 됩니다.
둘째, 제품의 원활한 이형을 위해 0.5에서 2도의 구배가 필요하고, 최소 제품 두께는 3.18mm 이상을 유지해야 합니다.
우수한 기계적, 열적 물성을 얻기 위해 유리섬유(GF) 등을 강화하여 이용하는 경우가 많습니다.
EP수지 물성 비교 정리
| 구분 | 특징 |
|---|---|
| 밀도가 가장 높은 수지 | POM (1.4 g/cc) |
| 유리전이온도가 가장 높은 수지 | PC (140도씨) |
| Vicat 연화온도 및 용융온도가 가장 높은 수지 | PA66 |
| 물성조건 | 단위 | POM | PA6 | PA66 | PC |
|---|---|---|---|---|---|
| GF 강화유무 | – | 비강화 | 비강화 | 비강화 | 비강화 |
| 밀도 | g/cc | 1.4 | 1.15 | 1.17 | 1.19 |
| 수분흡수율 | % | 0.2 | 8.0 | 8.5 | 0.12 |
| 용융흐름지수(MI) | g/10min | – | – | – | 37 |
| 최대인장강도(UTS) | MPa | 70 | 60 | 65 | 74 |
| 유리전이온도(Tg) | 도씨 | -50 | 50 | 45 | 140 |
| Vicat 연화온도(Ts) | 도씨 | 150 | 145 | 229 | 145 |
| 용융온도(Tm) | 도씨 | 160 | 220 | 255 | – |
표에서 주목할 점은 PA6와 PA66의 수분흡수율이 8.0퍼센트와 8.5퍼센트로 매우 높다는 것입니다. 반면 PC는 0.12퍼센트로 수분흡수율이 매우 낮아 습기 관리가 상대적으로 쉽습니다. PC에 용융온도(Tm)가 없는 이유는 비결정성 수지이기 때문입니다. 비결정성 수지는 명확한 용융점 없이 점차 연화됩니다.
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 EP수지(엔지니어링 플라스틱)인 POM, PA6, PA66, PC의 특징과 용도에 대해 알아보았습니다. EP수지는 범용수지보다 기계적 물성과 내열성이 우수하여 자동차, 전자제품, 정밀기계 부품 등에 사용됩니다. 각 수지마다 고유한 특성이 있으므로 용도에 맞는 적절한 수지 선택이 중요합니다.
다음 편에서는 플라스틱 물성 개선을 위한 블렌드(Polymer Alloy)와 복합재료(Polymer Composite)에 대해 자세히 알아보겠습니다.
