2017년 화공기술사 문제풀이 토의 (1교시 4번) 고분자 첨가제

1. 가소제 -> 유리전이온도와 상관관계 중요

주로 PVC에 이용되는 가소제는 폴리머의 유연성, 가공의 작업성 또는 팽창성을 증가시키는 물질로 대부분은 무수푸탈산, 아디픽산 등의 산과 옥탄올, 노나놀 등 알콜과의 에스테르화에 의해 제조된다. 가소제는 성질상 보통의 방법으로 수지와 혼합하여 가소화시키는 외부가소화와 비닐아세테이트나 아크릴산에틸 등 공중합시키는 내부가소화의 두 가지로 나눌 수 있다. 이들 가소제는 폴리머의 2차 분자간력을 완화시켜 고분자의 운동성을 증가시키는 기능을 하기 때문에 분자들 사이에 분자간력을 완화하여 플라스틱의 유동성을 증가시킨다. 따라서 가소제는 수지와의 상용성을 가져야 하나 몇몇 가소제만이 필요한 성질 중 하나나 둘 이상의 성질을 가지고 있어 혼합해서 사용되는 경우가 많다.

2. 산화방지제

공기중에는 20.9%의 산소가 존재하고 대부분의 재료는 공기와 접촉시 표면에서 쉽게 산화반응이 일어나는데 압출 및 성형가공시에는 열, 기계적 전단력 등에 의해 알킬라디칼이 발생하고 산소 및 잔류금속성분 등에 의해 급속하게 산화되어 라디칼이 발생하게 된다. 생성된 라디칼에 의해 가교반응으로 brittle해지거나 MI(Milt Folw Index)가 감소하고 또는 분해하여 MI가 증가하는 등 본래의 물성을 잃고 변질되어 사용이 힘들게 된다. 따라서 산화방지제는 플라스틱을 비롯한 수지에 널리 사용되고 있는데 플라스틱용도로는 폴리올레핀 수지를 중심으로 PS, ABS수지, PU, 폴리아세탈 등의 수지에 사용되고 있다. 이런 산화열화반응을 억제, 방지하는 경우에는 연쇄성장 반응의 금지, 과산화물의 분해 등 세가지의 방법이 있다. 발생한 라디칼을 포착하고 라디칼 연쇄반응의 진행을 막는 물질의 효과가 있는 작용을 하는 산화방지제를 라디칼 연쇄 금지제라고 하고 생성된 히드로퍼옥사이드를 라디칼을 발생하지 않는 형으로 분해하는 작용을 하는 산화방지제를 과산화물 분해제라고 한다.

 

 

 

3. 열안정제

열안정제는 여러 수지에 혼합하여 가공과 완성된 제품의 사용기간 중 수지의 물리적, 화학적 성질을 유지하도록 도와주는 화합물이다. 플라스틱의 혼합 및 제조 등의 조작은 고온에서 이루어지기 때문에 첨가제의 보호 없이는 심하게 분해된다. 가격이 저렴하고 가공성이 우수해 범용 플라스틱으로 다양한 용도에서 사용되고 있는 PVC는 열에 약한 단점이 있어 이를 보완하기 위해 열안정제가 사용되고 있다. 열안정제는 형태에 따라 분말, 액상, PASTE, GRANULE안정제로 분류되며 성상에 의해 Cd/Ba/Zn계, Cd/Ba계, Ba/Zn계, Ca/Zn계, Na/Za계, Sn계, Pb계, Cd계, Zn계로 나눌 수 있다.용도에 따라서는 연질용(카렌다가공, 압사출가공용), 경질용(카렌다가공, 압사출가공용), 카렌다가공용으로는 발포, SHEET, LEATHER가공용, SOL가공용(SHEET, LEATHER, 발포용), 내열용으로 구분된다.

 

4. 자외선 안정제

화합반응을 일으키는 에너지는 열뿐만 아니라 빛에 의해서도 얻을 수 있다. 3400Å 이하의 파장을 가진 자외선은 분자를 분해할 정도의 충분한 에너지를 갖는다. 플라스틱은 햇빛의 3000~3400Å 정도의 자외선에 의해 분해를 일으켜 변색되고 잘 부스러지게 된다. 따라서 이러한 자외선을 차단하거나 흡수하여 플라스틱을 보호할 목적으로 첨가하는 첨가제를 자외선안정제라고 부른다. 이들은 특히, 투명도가 높은 플라스틱을 제외하고는 옥외에서 사용되는 플라스틱의 대부분에 첨가된다. 자외선안정제는 광안정제의 일종으로 폴리올레핀에 의한 분해를 해결하는 역할을 하기 때문에 자외선 안정제로 표현하며, 가공기업의 기술자들에게는 UV제로 통하고 있다. 자외선안정제는 작용기구에 따라 흡수제, Quenchers, HALS(Hindered Amine Light Stabilizer)로 구분한다. 또 화학구조에 따라 Phenyl Salicylates(흡수제), Benzophenone(흡수제), Benzotriazole(흡수제), 니켈유도체(Quench-ers), Radical Scavenger로 구분

 

5. 난연재

연소하기 쉬운 성질을 가지고 있는 대부분의 플라스틱을 물리, 화학적으로 개선하여 잘타지 못하도록 첨가하는 물질을 난연제라고 한다. 플라스틱이 물성향상을 위해 건축용, 자동차용, 전기제품, 항공기, 선박 등 용도가 광범위하게 확대되면서 화재발생시 안전을 고려한 난연화에 대한 필요성이 증대돼 왔다. 따라서 최근 세계적으로 플라스틱을 비롯해 고무, 섬유, 제지 등에 대한 연소성 규제가 강화되고 있다. 현재 사용되는 난연제는 구성성분에 따라 유기계와 무기계로 분류되는데 유기계는 주로 인계, 브롬계, 염소계로 분류되고 무기계는 수산화알루미늄, 안티몬계 제품, 수산화마그네슘 등으로 분류된다. 또한 사용법에 의해 첨가형과 반응형으로 분류되는데 첨가형은 물리적으로 플라스틱에 난연제를 첨가해서 난연성을 향상시키지만, 반응형은 플라스틱을 제조할 때 일부에 난연제를 첨가해서 화학반응을 시키고 난연성을 향상시키는 방법이다.

 

6. 대전방지제

플라스틱에 첨가되거나 완성된 제품의 표면에 처리하여 제품의 표면에 형성되는 정전기를 감소시키거나 제거하는 작용을 하는 첨가제를 대전방지제라 한다. 정전기는 생산성을 감소시키거나 화재, 감전 및 먼지 흡착 등의 원인이 된다. 이와같은 정전기에 의한 대전성을 개량하기 위해서는 표면을 화학적으로 처리함으로서 친수성을 도입하는 방법, 친수성의 모노머를 그라프트시키는 방법, 금속분말과 같은 양도체의 물질을 첨가하는 방법 등이 있으나 사용상의 제약과 생산성의 문제로 인해 가장 일반적으로 사용되는 방법은 대전방지제를 사용하는 방법이다. 과거의 대전방지제 사용은 고농도의 인화성 기체에서 폭발 위험성을 주는 정전기적 스파크를 방지하기 위해서나 겹겹이 포개놓은 것을 다른 조작을 위해 옮길 때의 불편함을 방지하기 위해서, 혹은 레코드의 홈에 정전기에 의한 먼지의 모임을 방지하기 위해서였지만 현재는 플라스틱 용기에 먼지가 달라붙어 미화에 해를 주지 않을 목적으로 사용되고 있다.

 

7. 발포제

발포제는 폴리머와 배합되어 스폰지나 스치로폴같은 다공성의 발포체를 제조하기 위한 첨가제로써, 원래 폼은 연속기포를 의미하고 스폰지는 독립기포를 의미하여 각각 지칭되었으나 현재는 두가지가 혼용되어 사용되고 있다. 폴리머의 발포는 저밀도 제품의 생산으로 인한 원료절감, 전기절연성·단열성·방음성 향상, TV·오디오 등에 사용되어 음향효과 개선, 충격흡수력 향상 등의 기대효과를 얻기 위해 행해진다. 발포제의 종류는 물리적 발포에 사용되는 용제형(부탄, 프로판, 프레온가스)과 화학적 발포에 사용되는 반응형으로 대별

 

8. 충격보강제

플라스틱 충격보강제는 본래 분열, 인장, 압축, 휨, 충격강도를 증가시키기 위해 플라스틱에 첨가하는 섬유상 불용성 물질이다. 또한 치수안정성과 열변형에 대한 저항력의 증진은 보강제에 의해 일반적으로 얻을 수 있다. 섬유는 플라스틱에 그들의 접착성을 증가시키기 위해 커플링제를 코팅한다. 열경화성수지는 가장 많은 양의 강화제를 필요로 하고 또한 열가소성수지와 플라스틱발포체도 강화된다. 충격보강제는 대부분 PVC에 사용되고 있는데, PVC는 가공이 용이해 다양한 용도로 사용되고 있다. 그러나 PVC자체는 구조적으로 내충격성, 가공유동성, 내열변형 등이 취약하기 때문에 상업화는 첨가제 개발에 의한 물성 및 가공성 향상이 뒷받침돼야 한다. PVC충격보강제는 일반적으로 경질 PVC에 첨가하여 내충격성 보강에 적용되며, 내충격보강제는 성분에 따라 3가지로 분류된다.

첫째, PVC충격보강제로 사용되고 있는 것은 그라프트 중합된 고분자 고무계로 MBS, Acrylic, ABS 등이 PVC상외 두 개의 상이 브렌드된 형태로 존재한다.

둘째, Semicompatile 가소화 구분자로 CPE, EVA 등이 있으며 1개상의 폴리머형태를 가지고 있다. 셋째, 무기계로 탄산칼슘에 스테아린으로 코팅한 무기 내충격 개질제도 있다.

충격보강제 개발동향을 보면, 50년대초에는 ABS가 PVC충격보강제로 사용

 

11. 충진제(Filler)

충진제는 대량으로 첨가되어 원가절감을 목적으로 하는 증량제(Extender Filler)와 기계적, 열적, 전기적 성질이나 혹은 가공성을 개선하기 위해 첨가되는 보강제(Reinforcing Filler)의 두가지로 대별된다. 충진제는 다른 첨가제에 비해 대량으로 배합되는 것이 일반적이며, 많을 경우 40~50%가 사용되기도 한다. 충진제가 폴리머에 배합될 때 화학조성이나 형상에 따라 효과가 현저하게 달라지며, 따라서 충진제의 종류는 화학조성에 따라 무기질와 유기질로 분류하고 형상에 따라 분말상, 평판상, 침상, 구상, 섬유, 섬유직물상 등으로 분류한다. 이와같은 여러 가지 충진제 중에 폴리올레핀에 사용되는 충진제로는 유리섬유, 탄산칼슘, 탈크, 미카, 규석, 목분, 쵸크, Woolas-tonite 등이 있으며, 충진제의 주된 목적이 물성 및 가공성의 개선에 있으나 대량의 충진제가 배합되므로 경우에 따라서 물성저하 등의 결점이 나타나기도 한다.

PVC 충진제로는 탄산칼슘이 가장 많이 사용되는데, 이는 탄산칼슘이 이용하기 쉬우며 넓은 파티클 사이즈로 자유자재로 사용할 수 있기 때문이다. 또 믹싱가공장치의 마모가 적으며, 상대적으로 낮은 비중을 갖고 있어 볼륨코스트가 낮은 것이 장점이다. PVC에 두 번째로 많이 사용되는 Asbestos는 발암물질 판정으로 선진국에서 규제하는 물질이며, 세 번째로 많이 사용되는 클레이는 바닥재, 필름, 완구, 장식재, 전선 등에 널리 사용된다.

 

 

12. 가교제

열에 의해 분해되는 화합물은 중합반응을 개시하고 가교반응에 영향을 준다. 분해속도는 분해속도를 증가시키기 위해 계에 첨가되는 증감제(Promotor)와 가속제(Accelerator)에 의해 혹은 분해를 지연시키는 금지제에 의해 조절된다. 가교반응에 쓰이는 액체수지에 첨가되는 첨가제는 촉매, 후경화제, 가교제, 개시제 등 여러 명칭으로 불린다. 이런 목적에 쓰이는 화학물질은 유기과산화물과 이에 관련되는 산소를 가지는 화합물이다. 이들은 전형적으로 수지 100에 1~3의 농도로 쓰이며, 최종용도로 쓰이기 바로 전에 수지와 함께 뒤섞는다. 가교결합은 거의 순간적으로 이루어지기 때문에 촉매화된 수지는 제한된 수명을 갖는다. 또 같은 종류의 화합물들이 PS, PVC, 폴리올레핀과 같은 열가소성수지의 제조에서 초기 중합반응에 쓰이고 있다. 이 용도로 쓰이는 과산화화합물은 플라스틱 첨가제이기 보다는 중합촉매로 볼 수 있다. 가교제가 후 중합첨가제로 쓰이는 주된 수지는 UPE, PE 등이다. 과산화화합물과 함께 쓰이는 반응촉진제는 보통 마그네슘과 코발트 옥타이트이다. 최근 소개된 바나듐 화합물은 다른 금속화합물보다 변성이 적은 장점을 가지고 있다.

13. 핵제

핵제란 폴리머의 결정화 속도를 촉진시키고 결정의 크기를 미세화시켜 투명성을 향상시키고 결정화 속도를 증가시킴으로써 싸이클타임을 단축시키는 한편, 기계적 물성을 향상시키기 위한 첨가제이다. 핵제는 주로 투명성이 필요한 포장용 필름이나 박층용기에 사용되어 경도·인장강도·탄성률·항복점·신장률 및 충격강도 등의 기계적 물성 향상, 흐림도·광택도 및 투명성 등의 광학적 성질 향상, 기계적 응력의 균일한 분배, 결정화 속도의 증가로 인한 싸이클타임 단축 등의 기대효과를 얻을 수 있다. 핵제의 사용은 폴리머의 유형과 핵제의 물리적, 화학적 성질과의 상관관계에 따라 세심한 주의를 요하는데 무기물 첨가제(Talc, Silica, Kaolin), 유기물 화합물(Mono or Polymer carboxilic acid salt, Pigment), 폴리머(Ethylene Acrylic ester copolymer) 등 3가지로 분류된다.

 

이외에도 착색제, 발포제, 흐름증진제 등이 있다…