1. 고분자 재료의 기본 개념

고분자 재료는 탄소, 수소, 산소, 질소, 불소, 염소, 규소 등의 원소가 공유결합으로 연결되어 긴 분자사슬을 형성한 재료이다.

고분자 재료의 기본 분자는 일반적으로 다음 구조로 이루어진다.

• 단량체

• 반복단위

• 고분자 사슬

• 분자사슬 간 결합

• 결정영역과 비정질영역

• 첨가제

• 충전재 또는 강화재

단량체는 고분자를 형성하는 출발 물질이고, 반복단위는 고분자 사슬에서 반복되는 기본 구조이다.

예를 들어 폴리에틸렌은 에틸렌 단량체가 반복적으로 결합하여 형성된다.

• 단량체: 에틸렌

• 화학식: C₂H₄

• 반복단위: –CH₂–CH₂–

• 기본 구성원소: 탄소와 수소

고분자 재료는 금속과 비교하여 일반적으로 다음 특징을 가진다.

• 밀도가 낮다.

• 부식에 강하다.

• 전기 절연성이 좋다.

• 복잡한 형상을 성형하기 쉽다.

• 마찰계수가 낮은 재료가 많다.

• 진동과 소음을 흡수할 수 있다.

• 열전도성이 낮다.

• 탄성계수가 낮다.

• 온도와 시간에 따라 변형이 증가한다.

• 크리프와 응력완화가 발생한다.

• 자외선, 열, 수분 및 화학약품에 의해 열화될 수 있다.

따라서 고분자 재료는 금속을 단순히 가볍게 대체하는 재료가 아니라, 절연성, 내식성, 저마찰성, 성형성, 소음 저감 등의 기능을 이용하는 설계재료이다.

2. 고분자 재료의 구성성분을 이해하는 방법

2.1 금속 합금과 고분자 컴파운드의 차이

금속 합금은 일반적으로 철, 탄소, 크롬, 니켈과 같은 원소의 질량비로 재료를 정의한다.

고분자 재료는 다음 요소의 조합으로 정의하는 것이 적절하다.

1. 기본 수지

2. 단량체와 반복단위

3. 분자량

4. 공중합 성분

5. 결정화도

6. 강화재

7. 무기 충전재

8. 가소제

9. 난연제

10. 열·광 안정제

11. 착색제

12. 윤활제와 이형제

예를 들어 “PA66-GF30”은 단순한 나일론 66이 아니다.

• 기본 수지: PA66

• 강화재: 유리섬유

• 유리섬유 함량: 일반적으로 약 30 wt.%

• 기타 성분: 열안정제, 윤활제, 착색제 등

따라서 같은 PA66이라도 비강화재, GF15, GF30, GF50은 서로 다른 기계적 성질을 가진다.

2.2 고분자 재료의 일반적인 구성비

이 수치는 일반적인 경향이며 실제 구성비는 제조사와 등급에 따라 달라진다.

3. 고분자 재료의 기본 분류

고분자 재료는 열에 대한 반응과 분자구조를 기준으로 크게 다음과 같이 구분한다.

3.1 열가소성수지

열을 가하면 연화되거나 용융되고, 냉각하면 다시 고체가 되는 재료이다.

대표 재료:

• PE

• PP

• PVC

• PS

• ABS

• PA

• POM

• PET

• PBT

• PC

• PMMA

• PPS

• PEEK

• PTFE

주요 가공방법:

• 사출성형

• 압출성형

• 블로성형

• 열성형

• 회전성형

• 기계가공

• 적층제조

3.2 열경화성수지

성형 과정에서 가교반응이 일어나 3차원 망상구조를 형성하는 재료이다.

한 번 경화된 후에는 다시 가열해도 용융되지 않는다.

대표 재료:

• 에폭시

• 페놀수지

• 불포화 폴리에스터

• 비닐에스터

• 멜라민수지

• 열경화성 폴리우레탄

주요 특징:

• 높은 내열성

• 높은 치수안정성

• 우수한 접착성

• 낮은 용융 변형

• 경화 후 재성형 불가

• 충격 취약성 가능

3.3 탄성체

작은 힘으로 크게 변형되고 하중을 제거하면 원래 형상에 가깝게 회복하는 재료이다.

대표 재료:

• 천연고무

• NBR

• EPDM

• 실리콘고무

• FKM

• CR

• 우레탄고무

• TPE

• TPU

탄성체는 밀봉, 진동절연, 충격흡수, 마찰력 확보에 사용된다.

4. 고분자 구조와 기계적 특성의 관계

4.1 분자사슬의 형태

고분자 사슬은 다음과 같은 형태를 가질 수 있다.

• 선형 구조

• 가지 구조

• 가교 구조

• 망상 구조

선형 고분자는 사슬 사이가 이동하기 쉬워 열가소성을 나타내는 경우가 많다.

가교 구조가 증가하면 다음 특성이 나타난다.

• 강성 증가

• 내열성 증가

• 내용제성 증가

• 크리프 감소

• 연신율 감소

• 재용융 불가

4.2 결정성과 비정질성

결정성 고분자

분자사슬의 일부가 규칙적으로 배열된 재료이다.

대표 재료:

• PE

• PP

• PA

• POM

• PET

• PBT

• PPS

• PEEK

• PTFE

일반적인 특징:

• 높은 내약품성

• 높은 내피로성

• 비교적 높은 수축률

• 불투명한 외관

• 명확한 용융점

• 마찰과 마모 특성이 양호한 경우가 많음

비정질 고분자

분자사슬이 불규칙하게 배열된 재료이다.

대표 재료:

• PC

• PMMA

• PS

• ABS

• PVC

일반적인 특징:

• 비교적 낮은 성형수축

• 높은 치수정밀도

• 투명성 확보 가능

• 명확한 용융점보다는 유리전이온도 중심

• 용제에 의한 응력균열 가능

4.3 유리전이온도

유리전이온도는 비정질 영역이 단단한 유리상태에서 유연한 고무상태로 변화하는 온도 범위이다.

유리전이온도 이하에서는:

• 강성과 경도가 높다.

• 변형이 작다.

• 충격 취성이 증가할 수 있다.

유리전이온도 이상에서는:

• 강성이 감소한다.

• 크리프가 증가한다.

• 변형이 커진다.

• 탄성체와 유사한 거동이 나타날 수 있다.

4.4 분자량

분자량이 증가하면 일반적으로 다음 특성이 향상될 수 있다.

• 인장강도

• 충격강도

• 내피로성

• 내마모성

• 용융강도

그러나 분자량이 높을수록 용융점도가 커져 사출과 압출이 어려워질 수 있다.

5. 범용 열가소성수지

5.1 폴리에틸렌 — PE

폴리에틸렌은 에틸렌을 중합하여 제조하는 대표적인 탄화수소계 고분자이다.

기본 구성

이론적인 반복단위의 원소 질량비는 대략 다음과 같다.

• 탄소: 약 85.7%

• 수소: 약 14.3%

실제 제품에는 산화방지제, 자외선 안정제, 안료, 충전재 등이 포함될 수 있다.

구조와 특성

PE는 비극성 탄화수소 사슬로 구성되어 물과 많은 화학약품에 대한 저항성이 좋다.

가지가 적고 결정화도가 높은 HDPE는 다음 특성을 가진다.

• 높은 강성

• 높은 밀도

• 좋은 내약품성

• 낮은 수분흡수

• 비교적 높은 성형수축

가지가 많은 LDPE는 다음 특성을 가진다.

• 높은 유연성

• 낮은 강성

• 좋은 충격흡수성

• 우수한 필름 성형성

UHMWPE

초고분자량 폴리에틸렌은 매우 긴 분자사슬을 가진다.

주요 특징:

• 매우 높은 내마모성

• 낮은 마찰계수

• 높은 충격강도

• 우수한 화학적 안정성

• 낮은 수분흡수

• 접착과 도장이 어려움

• 정밀 치수 유지에는 제한

주요 용도

• 슬라이드 가이드

• 체인 가이드

• 라이너

• 컨베이어 부품

• 식품기계 마모판

• 탱크

• 배관

• 절연부품

5.2 폴리프로필렌 — PP

기본 구성

이론적인 반복단위 기준 원소 질량비:

• 탄소: 약 85.7%

• 수소: 약 14.3%

구조와 특성

측쇄의 메틸기가 PE보다 높은 강성과 내열성을 만든다.

주요 특징:

• 낮은 밀도

• 우수한 내약품성

• 낮은 수분흡수

• 좋은 힌지 피로성

• 전기 절연성

• PE보다 높은 내열성

• 저온 충격성은 제한적

• 자외선에 장기간 노출되면 열화 가능

주요 첨가제

• 산화방지제

• 자외선 안정제

• 핵제

• 탈크

• 유리섬유

• 충격보강제

• 난연제

탈크 충전 PP는 강성과 치수안정성이 높아지지만 충격강도와 연신율은 낮아질 수 있다.

주요 용도

• 화학 탱크

• 팬과 덕트

• 힌지

• 식품용 용기

• 펌프 부품

• 기계 커버

• 배관

• 전기 절연부품

5.3 폴리염화비닐 — PVC

기본 구성

이론적인 반복단위 기준 원소 질량비:

• 탄소: 약 38.4%

• 수소: 약 4.8%

• 염소: 약 56.8%

성분과 특성

높은 염소 함량은 다음 특성에 영향을 준다.

• 난연성 향상

• 극성 증가

• 내약품성 향상

• 밀도 증가

• 열안정성 제한

PVC는 기본적으로 단단한 재료이지만 가소제를 첨가하면 유연하게 만들 수 있다.

경질 PVC의 일반 구성

• PVC 수지: 주요 성분

• 열안정제

• 충격보강제

• 가공조제

• 윤활제

• 안료

• 필요 시 무기 충전재

연질 PVC의 일반 구성

• PVC 수지

• 가소제

• 열안정제

• 윤활제

• 안료

• 충전재

가소제 함량은 제품에 따라 상당히 높을 수 있으며, 가소제가 많을수록 경도와 강성은 낮아지고 유연성은 증가한다.

주요 용도

• 배관

• 덕트

• 전선 피복

• 호스

• 커버

• 바닥재

• 화학설비 라이닝

5.4 폴리스타이렌 — PS

기본 구성

구조와 특성

큰 방향족 페닐기가 분자사슬의 이동을 제한하여 높은 강성과 투명성을 제공한다.

그러나 분자사슬이 유연하게 변형되기 어려워 충격에 취약하다.

주요 특징:

• 높은 투명성

• 양호한 치수안정성

• 높은 강성

• 낮은 가격

• 낮은 충격강도

• 용제에 민감

• 고온 사용 제한

HIPS는 고무 성분을 분산시켜 충격강도를 높인 재료이다.

주요 용도

• 기기 하우징

• 트레이

• 포장재

• 투명 커버

• 단열재

• 저하중 부품

5.5 ABS

ABS는 아크릴로니트릴, 부타디엔, 스타이렌으로 구성된 다상 공중합체이다.

기본 구성

상용 ABS의 구성비는 제조사와 등급에 따라 다르지만, 일반적으로 세 성분의 비율을 조절해 강성, 내열성, 충격강도와 유동성을 맞춘다.

주요 구성원소

• 탄소

• 수소

• 질소

특성

• 높은 충격강도

• 좋은 표면외관

• 사출성형성 우수

• 도금과 도장이 가능

• 치수안정성 양호

• 내후성은 제한적

• 일부 용제에 민감

• 연속 고온 사용에는 제한

주요 용도

• 장비 하우징

• 조작 손잡이

• 전기기기 케이스

• 자동차 내장재

• 커버

• 가전제품 부품

6. 엔지니어링 플라스틱

6.1 폴리아미드 — PA

폴리아미드는 분자사슬에 아미드 결합을 포함하는 고분자이다.

대표 재료:

• PA6

• PA66

• PA11

• PA12

• PA46

• 방향족 폴리아미드

PA6 구성

PA66 구성

아미드 결합은 분자사슬 사이에 강한 수소결합을 형성한다.

이로 인해 다음 특성이 나타난다.

• 높은 강도

• 높은 인성

• 좋은 내마모성

• 우수한 피로특성

• 양호한 내열성

• 좋은 마찰 특성

그러나 아미드 결합은 물과 상호작용하기 쉬워 수분을 흡수한다.

수분흡수의 영향:

• 치수 증가

• 강성 감소

• 인성 증가

• 절연성 감소

• 조립 간극 변화

일반적인 PA 컴파운드

실제 함량은 제품 등급에 따라 다르다.

주요 용도

• 기어

• 베어링 케이지

• 롤러

• 체인 가이드

• 풀리

• 커넥터

• 팬

• 하우징

• 케이블베어 부품

6.2 폴리아세탈 — POM

POM은 아세탈 또는 폴리옥시메틸렌이라고도 한다.

기본 구성

이론적인 반복단위 기준 원소 질량비:

• 탄소: 약 40.0%

• 수소: 약 6.7%

• 산소: 약 53.3%

구조와 특성

규칙적인 사슬구조와 높은 결정화도로 인해 다음 특성을 가진다.

• 높은 강성과 강도

• 낮은 마찰계수

• 우수한 내마모성

• 낮은 수분흡수

• 높은 치수안정성

• 좋은 피로특성

• 우수한 스프링 복원성

주의사항:

• 강산과 강알칼리에 제한

• 고온에서 열분해 가능

• 접착과 도장이 어려움

• 연소 또는 과열 시 분해가스 관리 필요

주요 첨가형 등급

• 유리섬유 강화 POM

• PTFE 첨가 POM

• 실리콘 윤활 POM

• 정전기 방지 POM

• 도전성 POM

• 식품접촉 적합 POM

주요 용도

• 정밀 기어

• 랙

• 베어링

• 캠

• 밸브 부품

• 롤러

• 클립

• 스냅핏

• 정밀 하우징

POM은 높은 강성, 낮은 마찰 및 우수한 치수안정성이 요구되는 정밀 부품에 널리 사용된다.

6.3 폴리카보네이트 — PC

기본 구성

대표적인 비스페놀 A계 PC는 비스페놀 A와 카보네이트 결합으로 구성된다.

구조와 특성

방향족 고리와 카보네이트 결합이 높은 강성과 내열성을 제공한다.

주요 특징:

• 매우 높은 충격강도

• 투명성

• 높은 치수안정성

• 양호한 내열성

• 전기 절연성

• 낮은 성형수축

• 저온 충격성 우수

제한사항:

• 일부 유기용제에 민감

• 응력균열 가능

• 표면 흠집에 비교적 약함

• 장시간 자외선 노출 시 황변 가능

• 사출 전 건조 필요

폴리카보네이트는 투명성과 낮은 온도에서도 유지되는 높은 충격저항성을 가진 재료로 널리 사용된다.

대표 컴파운드

• 투명 PC

• 난연 PC

• PC-GF10~30

• PC/ABS

• 내후 PC

• 광학용 PC

• 식품접촉용 PC

주요 용도

• 투명 안전커버

• 기계 보호창

• 센서창

• 전기 하우징

• 조명 커버

• 기어와 구조부품

• 헬멧과 충격보호 부품

6.4 폴리에스터 — PET와 PBT

PET와 PBT는 에스터 결합을 포함하는 열가소성 폴리에스터이다.

PET 구성

PBT 구성

특성

PET:

• 높은 강도

• 좋은 가스 차단성

• 우수한 내마모성

• 양호한 치수안정성

• 투명 제품 제작 가능

PBT:

• 빠른 결정화

• 사출성형성 우수

• 전기적 특성 우수

• 낮은 수분흡수

• 치수안정성 우수

대표 컴파운드

• PET-GF30

• PBT-GF15

• PBT-GF30

• 난연 PBT

• 충격보강 PBT

• PET/PBT 블렌드

주요 용도

• 전기 커넥터

• 센서 하우징

• 릴레이 부품

• 정밀 기어

• 자동차 전장품

• 필름

• 병과 용기

6.5 PMMA

PMMA는 아크릴 또는 아크릴수지로 알려진 투명 고분자이다.

기본 구성

주요 특징

• 높은 광투과율

• 우수한 내후성

• 좋은 표면경도

• 낮은 밀도

• 절삭과 연마 가능

• PC보다 충격강도가 낮음

• 노치와 균열에 민감

주요 용도

• 투명창

• 조명 커버

• 계기판

• 표시창

• 광학부품

• 장식부품

7. 고성능 엔지니어링 플라스틱

7.1 PPS

PPS는 분자사슬에 방향족 고리와 황 결합을 포함한다.

기본 구성

특성

• 높은 내열성

• 매우 낮은 수분흡수

• 우수한 치수안정성

• 높은 내약품성

• 난연성

• 높은 전기 절연성

• 비강화 상태에서는 취성 가능

일반적인 구성 예

주요 용도

• 펌프 부품

• 밸브

• 전기 절연부품

• 센서 하우징

• 고온 커넥터

• 자동차 엔진 주변 부품

• 정밀 사출부품

7.2 PEEK

PEEK는 폴리에테르에테르케톤의 약칭이다.

기본 구성

방향족 고리는 강성과 내열성을 높이고, 에테르 결합은 일정한 인성과 가공성을 제공하며, 케톤 결합은 내열성과 화학적 안정성을 높인다.

주요 특성

• 높은 내열성

• 높은 기계적 강도

• 우수한 내약품성

• 높은 크리프 저항성

• 낮은 연기 발생

• 우수한 내마모성

• 고온 증기와 가수분해에 대한 저항성

• 방사선 저항성

• 높은 가격

• 높은 가공온도

비강화 PEEK는 고온 안정성, 화학적 저항성, 크리프 저항성과 마찰·마모 특성이 우수한 고성능 플라스틱이다.

대표 구성 등급

강화재 효과

유리섬유

• 강성 증가

• 열변형 감소

• 크리프 감소

• 열팽창 감소

• 절연성 유지 가능

• 표면 마모 상대재에 주의

탄소섬유

• 매우 높은 강성

• 높은 치수안정성

• 낮은 열팽창

• 열전도성과 전기전도성 증가

• 마모 특성 개선 가능

• 비용 증가

주요 용도

• 고온 베어링

• 씰

• 밸브 시트

• 반도체 장비 부품

• 의료기기

• 항공기 부품

• 고온 전기 절연부품

• 식품·제약 설비의 고성능 부품

7.3 PTFE

PTFE는 폴리테트라플루오로에틸렌이다.

기본 구성

이론적인 반복단위 기준 원소 질량비:

• 탄소: 약 24%

• 불소: 약 76%

성분과 특성

탄소사슬을 둘러싼 불소 원자는 매우 안정적인 탄소-불소 결합을 형성한다.

그 결과 다음 특성이 나타난다.

• 매우 높은 내약품성

• 매우 낮은 마찰계수

• 비점착성

• 우수한 전기 절연성

• 넓은 온도범위

• 낮은 표면에너지

• 수분흡수 거의 없음

제한사항:

• 높은 크리프

• 낮은 강성과 강도

• 큰 열팽창

• 일반 용융 사출성형 곤란

• 접착이 매우 어려움

• 반복하중에서 변형 가능

대표 충전 PTFE

주요 용도

• 가스켓

• 씰

• 슬라이드 베어링

• 밸브 시트

• 라이닝

• 절연부품

• 화학설비

• 식품기계 비점착 부품

7.4 폴리이미드 — PI

폴리이미드는 분자사슬에 이미드 고리를 포함하는 고내열 고분자이다.

주요 구성

• 방향족 탄소구조

• 이미드 결합

• 탄소

• 수소

• 산소

• 질소

특성

• 높은 내열성

• 높은 기계적 강도

• 우수한 크리프 저항성

• 높은 전기 절연성

• 진공 및 방사선 환경 적합성

• 우수한 마찰·마모 특성

• 높은 가격

• 가공과 성형이 어려움

폴리이미드 제품은 기본 수지 외에도 흑연, PTFE, 탄소섬유 등의 충전재를 사용해 베어링 성능을 조절할 수 있다.

주요 용도

• 고온 베어링

• 진공장비

• 반도체 설비

• 항공우주 부품

• 전기 절연부품

• 고온 씰과 스페이서

8. 열경화성 고분자

8.1 에폭시수지

에폭시수지는 에폭시기를 가진 주제와 경화제를 반응시켜 3차원 가교구조를 만드는 재료이다.

기본 구성

대표 경화제

• 아민계

• 산무수물계

• 페놀계

• 잠재성 경화제

특성

• 높은 접착력

• 낮은 경화수축

• 높은 치수안정성

• 우수한 전기 절연성

• 높은 내약품성

• 충전재 배합 자유도

• 충격 취성 가능

• 경화조건 관리 필요

대표 구성 예

일반 접착용 에폭시

• 에폭시 주제

• 아민계 경화제

• 충전재

• 첨가제

전기용 에폭시

• 에폭시

• 산무수물 경화제

• 실리카 충전재

• 난연제

• 안료

탄소섬유 복합재

• 에폭시 수지: 일반적으로 기지재

• 탄소섬유: 주요 보강재

• 실제 섬유 함량은 제조방식에 따라 변화

주요 용도

• 구조용 접착제

• 전기 몰딩

• 복합재 기지

• 금형

• 코팅

• 바닥재

• 포팅재

• 수리재

8.2 페놀수지

페놀과 포름알데히드계 원료를 반응시켜 제조하는 열경화성수지이다.

주요 구성

• 페놀계 원료

• 포름알데히드계 원료

• 경화제 또는 촉매

• 목분

• 유리섬유

• 광물 충전재

• 윤활제

• 안료

특성

• 높은 내열성

• 우수한 난연성

• 낮은 연기 발생

• 좋은 전기 절연성

• 높은 치수안정성

• 비교적 높은 취성

• 색상 선택 제한

주요 용도

• 전기 스위치

• 브레이크 마찰재

• 내열 손잡이

• 절연부품

• 베어링 케이지

• 고온 구조부품

8.3 불포화 폴리에스터

불포화 폴리에스터수지는 일반적으로 스티렌계 반응성 희석제와 함께 사용되며, 경화제를 이용해 가교된다.

구성성분

• 불포화 폴리에스터 수지

• 반응성 희석제

• 개시제

• 촉진제

• 유리섬유

• 탄산칼슘 등 충전재

• 저수축 첨가제

• 안료

특성

• 비교적 낮은 가격

• 유리섬유 복합재 제작 용이

• 좋은 내식성

• 대형 부품 성형 가능

• 경화수축 존재

• 냄새와 휘발성 물질 관리 필요

• 에폭시보다 접착성과 피로성능이 낮을 수 있음

주요 용도

• FRP 탱크

• 덕트

• 커버

• 보트

• 화학설비

• 대형 기계 외장

9. 탄성체

9.1 NBR

NBR은 아크릴로니트릴과 부타디엔으로 구성된 합성고무이다.

주요 구성

아크릴로니트릴 함량이 증가하면 일반적으로:

• 내유성 증가

• 가스 차단성 증가

• 강도 증가 가능

• 저온 유연성 감소

• 탄성 감소 가능

주요 용도

• 오일 씰

• O링

• 호스

• 가스켓

• 유압·공압 씰

• 연료계 부품

9.2 EPDM

EPDM은 에틸렌, 프로필렌 및 디엔 성분으로 구성된 고무이다.

주요 구성

• 에틸렌

• 프로필렌

• 소량의 디엔 단량체

• 카본블랙 또는 무기 충전재

• 가황제

• 가소제

• 산화방지제

특성

• 우수한 내후성

• 오존 저항성

• 열수와 증기에 대한 저항성

• 좋은 전기 절연성

• 산과 알칼리에 비교적 강함

• 광유와 연료에는 부적합

주요 용도

• 물용 씰

• 증기용 가스켓

• 옥외 패킹

• 호스

• 도어 씰

• 식품기계용 위생 씰

9.3 실리콘고무

실리콘고무는 탄소사슬이 아니라 규소-산소 결합을 주사슬로 갖는다.

기본 구성

특성

• 넓은 사용온도 범위

• 우수한 저온 유연성

• 내후성과 오존 저항성

• 전기 절연성

• 식품 및 의료용 등급 확보 가능

• 낮은 인열강도 가능

• 내마모성과 내유성 제한

• 가스 투과성이 비교적 큼

주요 용도

• 식품기계 가스켓

• 위생 호스

• 오븐 씰

• 전기 절연부품

• 의료용 튜브

• 고온 패킹

9.4 FKM

FKM은 불소를 포함하는 고성능 탄성체이다.

주요 구성

• 불소계 비닐 단량체

• 탄소

• 불소

• 수소

• 경화제

• 충전재

• 산화방지제

특성

• 높은 내열성

• 우수한 내유성

• 연료와 용제에 대한 저항성

• 낮은 가스투과성

• 우수한 내후성

• 저온 유연성은 제한적

• 가격이 높음

• 증기와 일부 화학환경에서는 등급별 검토 필요

주요 용도

• 고온 O링

• 화학 씰

• 연료계 가스켓

• 진공 씰

• 고온 오일 씰

9.5 TPU

TPU는 열가소성 폴리우레탄 탄성체이다.

주요 구성

• 폴리올계 연질 세그먼트

• 이소시아네이트계 경질 세그먼트

• 사슬연장제

• 안정제

• 윤활제

• 안료

특성

• 높은 내마모성

• 높은 인장강도

• 우수한 탄성

• 사출과 압출 가능

• 오일과 그리스에 대한 양호한 저항성

• 수분과 고온에서 가수분해 가능성

• 등급에 따라 폴리에스터계와 폴리에테르계 구분

주요 용도

• 롤러

• 벨트

• 씰

• 케이블 피복

• 충격흡수부품

• 바퀴

• 유연 커플링

10. 강화재와 충전재

10.1 유리섬유

일반적인 구성:

• 이산화규소계 유리

• 알루미나

• 산화칼슘

• 기타 산화물

• 표면 사이징제

효과:

• 인장강도 증가

• 탄성계수 증가

• 열변형 감소

• 크리프 감소

• 성형수축 감소

한계:

• 연신율 감소

• 충격성 저하 가능

• 금형과 절삭공구 마모 증가

• 섬유배향에 따른 이방성

• 표면 거칠기 증가

10.2 탄소섬유

주요 구성원소는 탄소이다.

효과:

• 높은 강성과 강도

• 낮은 밀도

• 낮은 열팽창

• 전기전도성 증가

• 열전도성 증가 가능

• 크리프 감소

한계:

• 높은 가격

• 이방성

• 상대 금속과 갈바닉 부식 가능

• 취성 파괴 가능

• 절삭분진 관리 필요

10.3 미네랄 충전재

대표 충전재:

• 탈크

• 탄산칼슘

• 운모

• 실리카

• 규회석

• 유리비드

주요 효과:

• 원가 절감

• 성형수축 감소

• 치수안정성 향상

• 강성 증가

• 열팽창 감소

• 표면 특성 조정

한계:

• 충격강도 감소 가능

• 밀도 증가

• 연신율 감소

• 마모성 증가

10.4 PTFE, 흑연 및 MoS₂

마찰과 마모 특성을 개선하기 위해 첨가된다.

PTFE

• 마찰계수 감소

• 초기 구동저항 감소

• 비점착성 증가

흑연

• 건식 윤활성

• 열전도성 향상

• 마모 안정화

MoS₂

• 윤활성 향상

• 강성과 경도 조정

• 마모 감소

11. 고분자 재료의 기계적 특성

11.1 탄성계수

고분자의 탄성계수는 일반적으로 금속보다 낮다.

이로 인해 같은 하중과 형상에서는 금속보다 변형과 처짐이 크게 나타난다.

설계 시 다음을 고려해야 한다.

• 판 두께 증가

• 리브 추가

• 지지 간격 축소

• 곡면 또는 박스 구조 적용

• 유리섬유 강화

• 금속 인서트 사용

11.2 인장강도

인장강도는 재료 종류뿐 아니라 다음 요소의 영향을 받는다.

• 온도

• 수분

• 변형속도

• 섬유배향

• 웰드라인

• 노치

• 성형조건

• 재생재 함량

따라서 금속처럼 단일 인장강도 값만으로 설계하기 어렵다.

11.3 충격강도

충격강도는 다음 조건에서 크게 달라진다.

• 온도

• 노치 형상

• 두께

• 분자량

• 고무상 함량

• 수분흡수

• 섬유강화

PC, ABS, 충격보강 PP는 일반적으로 충격 부품에 유리하다.

PS, PMMA, 고충전 PPS는 노치 충격에 주의해야 한다.

11.4 크리프

크리프는 일정한 하중을 장시간 가했을 때 변형이 계속 증가하는 현상이다.

고분자에서는 상온에서도 크리프가 발생할 수 있다.

크리프에 영향을 주는 요소:

• 하중

• 온도

• 시간

• 수분

• 결정화도

• 강화섬유 함량

• 응력집중

• 체결방법

체결부, 스프링 구조, 지지대, 압축 가스켓에서는 단기 강도보다 장기 크리프를 우선 검토해야 한다.

11.5 응력완화

일정한 변형을 유지할 때 내부 응력이 시간에 따라 감소하는 현상이다.

주요 적용 문제:

• 볼트 체결력 감소

• 스냅핏 고정력 감소

• 가스켓 밀봉력 감소

• 클립과 스프링 힘 감소

11.6 피로

고분자의 피로수명은 온도 상승과 자체 발열에 영향을 받는다.

반복 변형이 크면 내부 히스테리시스에 의해 열이 발생할 수 있다.

설계 시:

• 응력집중 최소화

• 급격한 단면 변화 방지

• 충분한 곡률 반경 확보

• 반복 변형률 제한

• 냉각과 방열 고려

• 웰드라인 위치 관리

12. 열적 특성

12.1 열팽창

고분자의 열팽창계수는 금속보다 일반적으로 크다.

이로 인해 발생할 수 있는 문제:

• 조립 간극 변화

• 베어링 끼워맞춤 변화

• 금속 인서트 주변 응력

• 온도 변화에 따른 휨

• 센서 위치 오차

• 씰 압축률 변화

유리섬유와 탄소섬유는 열팽창을 줄일 수 있지만 섬유 방향에 따라 이방성이 나타난다.

12.2 열전도성

일반 고분자는 열전도성이 낮다.

장점:

• 단열

• 작업자 화상 방지

• 전기 절연

• 열차단

한계:

• 마찰열 축적

• 전자부품 방열 문제

• 국부 과열

• 열변형

열전도성 충전재를 넣어 방열용 플라스틱을 만들 수 있지만 전기 절연성, 밀도와 가공성이 달라질 수 있다.

12.3 사용온도

고분자의 사용온도는 단순히 용융점만으로 결정되지 않는다.

검토해야 할 항목:

• 유리전이온도

• 용융점

• 열변형온도

• 연속사용온도

• 단기 최고온도

• 하중 상태

• 사용시간

• 산소와 화학환경

• 열사이클

13. 화학적 특성과 환경 열화

13.1 수분흡수

수분흡수가 큰 재료:

• PA

• 일부 폴리에스터

• 일부 열경화성수지

수분흡수가 작은 재료:

• PE

• PP

• POM

• PTFE

• PEEK

• PPS

수분흡수는 치수, 강성, 절연성, 마찰 특성에 영향을 준다.

13.2 가수분해

고온의 물이나 증기에 의해 분자사슬이 끊어지는 현상이다.

주의 재료:

• 일부 폴리에스터

• 일부 TPU

• 일부 PC

• 일부 PA

등급과 안정제에 따라 차이가 크므로 고온 세척이나 증기멸균에서는 전용 등급을 사용해야 한다.

13.3 자외선 열화

자외선은 분자사슬을 절단하고 산화반응을 촉진할 수 있다.

나타나는 현상:

• 색상 변화

• 표면 균열

• 백화

• 강도 저하

• 취성 증가

대책:

• 자외선 흡수제

• HALS계 안정제

• 카본블랙

• 도장

• 차광 구조

• 내후 등급 적용

13.4 응력균열

기계적 응력과 화학물질이 동시에 작용할 때 균열이 발생할 수 있다.

주로 검토해야 하는 재료:

• PC

• PMMA

• ABS

• PS

• 일부 PE

• 일부 POM

세정제, 오일, 접착제, 나사 체결응력이 결합할 때 문제가 발생할 수 있다.

14. 마찰·마모와 베어링 설계

고분자 베어링 재료의 장점:

• 무급유 가능

• 낮은 소음

• 낮은 관성

• 부식 저항성

• 상대축 손상 감소

• 먼지 환경 대응

검토사항:

• 면압

• 속도

• PV값

• 온도

• 축 표면조도

• 상대재 경도

• 윤활 여부

• 수분

• 입자 오염

• 열팽창

대표 재료:

• POM

• PA

• UHMWPE

• PTFE 충전재

• PEEK 베어링 등급

• PI 베어링 등급

15. 식품기계에서의 고분자 재료

15.1 일반적인 적용 재료

• UHMWPE

• HDPE

• PP

• POM

• PA

• PTFE

• PEEK

• 실리콘고무

• EPDM

• TPU

단, 재료명 자체만으로 식품접촉 적합성을 판단해서는 안 된다.

동일한 기본 수지라도 다음 성분이 달라질 수 있다.

• 안료

• 가소제

• 난연제

• 윤활제

• 이형제

• 강화섬유

• 재생재

• 항균제

따라서 실제 사용 시에는 해당 등급의 식품접촉 적합 인증과 공급사 성적서를 확인해야 한다.

15.2 UHMWPE

적용 부품:

• 컨베이어 가이드

• 체인 가이드

• 슬라이드판

• 마모 라이너

• 제품 이송면

장점:

• 낮은 마찰

• 높은 내마모성

• 낮은 수분흡수

• 세척 용이성

• 충격강도

주의점:

• 크리프

• 열팽창

• 낮은 강성

• 정밀 체결 제한

• 고온 세척 조건

15.3 POM

적용 부품:

• 기어

• 롤러

• 캠

• 스프로킷

• 정밀 가이드

• 밸브 부품

장점:

• 높은 치수안정성

• 낮은 마찰

• 높은 피로성

• 낮은 수분흡수

주의점:

• 강산·강알칼리

• 고온 증기

• 고온 분해

• 적합 등급 확인

15.4 PTFE

적용 부품:

• 가스켓

• 씰

• 밸브 시트

• 비점착 라이너

• 슬라이드 부품

장점:

• 높은 내약품성

• 비점착성

• 낮은 마찰

• 넓은 사용온도

주의점:

• 크리프

• 변형

• 낮은 강성

• 체결압력 감소

• 충전재의 식품 적합성 확인

15.5 PEEK

적용 부품:

• 고온 베어링

• 고압 밸브 시트

• 증기 세척 부품

• 정밀 가이드

• 고성능 씰

• 제약·식품 설비 부품

장점:

• 고온 안정성

• 내약품성

• 높은 강도

• 크리프 저항성

• 증기와 가수분해 저항성

한계:

• 높은 가격

• 높은 가공온도

• 금형과 사출설비 요구

• 실제 식품접촉 등급 확인 필요

15.6 금속검출 가능 플라스틱

식품기계에서는 파손된 플라스틱 조각을 검출하기 위해 금속검출 또는 X선 검출이 가능한 재료를 사용하기도 한다.

일반적인 구성:

• 기본 수지

• 금속 또는 고밀도 무기 검출 첨가제

• 청색 안료

• 안정제

주의사항:

• 검출감도는 부품 크기와 장비 설정에 따라 달라진다.

• 식품접촉 적합성 확인이 필요하다.

• 첨가제로 인해 강도와 마모 특성이 변할 수 있다.

16. 고분자 부품의 설계 원칙

16.1 벽 두께

벽 두께는 가능한 한 균일하게 설계한다.

급격한 두께 변화는 다음 문제를 일으킨다.

• 수축 차이

• 싱크마크

• 내부 기공

• 휨

• 잔류응력

• 냉각시간 증가

16.2 리브

리브는 판 두께를 크게 증가시키지 않고 강성을 높일 수 있다.

주의사항:

• 과도한 리브 두께 방지

• 리브 뿌리의 곡률 확보

• 수축과 싱크마크 검토

• 수지 흐름 방향 고려

• 유리섬유 배향 고려

16.3 모서리

날카로운 모서리는 응력집중과 수지 흐름 문제를 일으킨다.

내부 모서리에는 충분한 필렛을 적용한다.

16.4 나사 체결

고분자에 금속 볼트를 직접 체결하면 크리프와 응력완화로 체결력이 감소할 수 있다.

대책:

• 금속 인서트

• 넓은 와셔

• 압축 제한 슬리브

• 낮은 체결토크

• 나사산 전용 형상

• 반복 조립 시 인서트 사용

16.5 끼워맞춤

열팽창, 수분흡수 및 크리프를 고려해야 한다.

금속과 같은 공차를 그대로 적용하면 다음 문제가 발생할 수 있다.

• 고온에서 간섭 증가

• 저온에서 헐거움

• 흡수팽창

• 장기 변형

• 균열

16.6 스냅핏

스냅핏은 고분자의 탄성을 활용하는 대표적인 조립구조이다.

검토항목:

• 허용 변형률

• 반복 조립 횟수

• 노치 반경

• 재료의 크리프

• 온도

• 섬유배향

• 웰드라인

17. 성형공정과 재료 특성

17.1 사출성형

장점:

• 복잡한 형상

• 대량생산

• 높은 반복정밀도

• 인서트 성형

• 일체화 설계

주의사항:

• 수축

• 휨

• 웰드라인

• 기포

• 제팅

• 섬유배향

• 잔류응력

17.2 압출성형

적용 제품:

• 파이프

• 프로파일

• 필름

• 시트

• 케이블 피복

• 호스

17.3 블로성형

적용 제품:

• 탱크

• 병

• 중공 덕트

• 저장용기

17.4 기계가공

봉재와 판재 형태의 엔지니어링 플라스틱을 절삭할 수 있다.

주의사항:

• 절삭열

• 낮은 열전도성

• 잔류응력

• 클램핑 변형

• 버

• 수분흡수

• 가공 후 치수변화

17.5 적층제조

대표 재료:

• PLA

• ABS

• PA

• PC

• TPU

• PEEK

• PEI

• 강화 필라멘트

적층 방향에 따라 강도와 파괴거동이 달라지며, 사출품과 같은 등방성을 기대하기 어렵다.

18. 주요 재료 비교

19. 도면과 재료사양서의 표기방법

단순히 “나일론”, “아세탈”, “테프론”이라고만 표기하면 충분하지 않다.

도면에는 가능한 한 다음 항목을 명시한다.

19.1 기본 수지

예:

• PA66

• POM-C

• PEEK

• PTFE

• PC

19.2 강화재와 함량

예:

• PA66-GF30

• PEEK-CF30

• PPS-GF40

• PBT-GF30

19.3 기능성 첨가제

예:

• PTFE 첨가

• 정전기 방지

• 난연 등급

• UV 안정화

• 금속검출 가능

• 식품접촉 적합

19.4 색상

색상은 안료와 카본블랙 함량에 영향을 주며 내후성, 레이저 투과성, 검출성 등이 달라질 수 있다.

19.5 제조공정

• 사출용 등급

• 압출용 등급

• 기계가공용 판재

• 주형품

• 적층제조용 필라멘트

19.6 공급사 등급

고성능 부품은 공급사와 상표 등급까지 지정하는 것이 좋다.

그 이유는 같은 기본 수지라도 다음 항목이 다르기 때문이다.

• 분자량

• 점도

• 강화재 길이

• 첨가제

• 열안정성

• 식품 적합성

• 난연성

• 색상

• 재생재 함량

20. 고분자 재료 선정 절차

20.1 기능 확인

• 구조하중을 받는가?

• 마찰부품인가?

• 전기 절연이 필요한가?

• 투명성이 필요한가?

• 밀봉이 필요한가?

• 충격을 흡수해야 하는가?

• 식품과 접촉하는가?

20.2 하중 확인

• 인장

• 압축

• 굽힘

• 비틀림

• 충격

• 피로

• 접촉압력

• 장기 정하중

20.3 온도 확인

• 최저 사용온도

• 연속사용온도

• 단기 최고온도

• 증기 세척온도

• 열사이클

• 마찰발열

20.4 환경 확인

• 물

• 습도

• 산

• 알칼리

• 오일

• 연료

• 용제

• 자외선

• 방사선

• 진공

• 세척약품

20.5 치수안정성 확인

• 수분흡수

• 성형수축

• 열팽창

• 크리프

• 섬유배향

• 후수축

• 잔류응력

20.6 제조방법 확인

• 사출

• 압출

• 절삭

• 블로성형

• 열성형

• 적층제조

• 접착

• 용착

20.7 규제와 안전성 확인

• 식품접촉

• 의료용

• 난연성

• 전기안전

• 유해물질

• 재활용성

• 연소가스

• 분진 안전성

21. 최종 정리

고분자 재료는 단순한 플라스틱이 아니라 분자구조, 결정화도, 분자량, 공중합 성분, 강화재와 첨가제에 의해 성능이 결정되는 복합적인 설계재료이다.

폴리에틸렌과 폴리프로필렌은 탄소와 수소로 구성된 비극성 고분자로, 낮은 수분흡수와 우수한 내약품성을 가진다.

PVC는 염소를 포함하여 난연성과 내약품성을 확보하지만, 열안정제와 가소제의 구성에 따라 성질이 크게 달라진다.

ABS는 아크릴로니트릴, 부타디엔, 스타이렌의 조합을 통해 내열성, 충격강도, 성형성을 균형 있게 확보한다.

폴리아미드는 아미드 결합의 수소결합에 의해 높은 강도와 내마모성을 갖지만 수분흡수에 따른 치수변화를 고려해야 한다.

POM은 규칙적인 옥시메틸렌 구조와 높은 결정화도로 인해 정밀 치수, 낮은 마찰과 우수한 피로성능을 제공한다.

PC는 방향족 구조와 카보네이트 결합에 의해 높은 충격강도와 투명성을 제공한다.

PPS와 PEEK는 방향족 구조와 강한 화학결합을 통해 높은 내열성, 내약품성 및 치수안정성을 확보한다.

PTFE는 강한 탄소-불소 결합으로 매우 높은 내약품성과 낮은 마찰계수를 가지지만 강성과 크리프 특성은 제한적이다.

열경화성수지는 가교구조로 인해 내열성과 치수안정성이 높지만 재용융과 재성형이 불가능하다.

탄성체는 유연한 분자사슬과 제한적인 가교구조를 통해 큰 탄성변형과 복원력을 제공한다.

또한 실제 고분자 부품의 성능은 기본 수지명만으로 결정되지 않는다.

다음 요소를 함께 확인해야 한다.

• 기본 고분자

• 단량체와 반복단위

• 분자량

• 결정화도

• 강화섬유의 종류와 함량

• 무기 충전재

• 가소제

• 난연제

• 열·광 안정제

• 윤활제

• 착색제

• 재생재 함량

• 성형조건

• 사용온도

• 수분과 화학환경

따라서 고분자 재료 선정은 “금속보다 가벼운 재료를 고르는 과정”이 아니다.

부품의 하중, 온도, 마찰, 수분, 화학환경, 치수안정성, 제조공정 및 규제 조건을 종합하여 적절한 분자구조와 컴파운드 구성을 선택하는 설계 과정이다.