폴리카보네이트(PC)란 무엇인가요?

폴리카보네이트(PC)는 비정질 범용 엔지니어링 플라스틱의 한 종류로, 모든 종류의 범용 엔지니어링 플라스틱 중 유일한 투명 소재이기도 합니다. PC 수지는 단량체가 탄산염 결합을 통해 탄산염 그룹으로 서로 연결된 고분자를 통칭하는 용어입니다. 폴리카보네이트는 내충격성, 투명성, 내열성(약 Tg~150°C의 높은 유리 전이 온도), 치수 안정성이 뛰어나 다양한 용도로 사용할 수 있는 좋은 소재입니다. 반면 폴리카보네이트의 에스테르 결합은 다른 소재보다 내화학성이 떨어지며(특히 알칼리 및 오일과 같은 방향족 탄화수소 기반 용매에 취약함), 따뜻하고 습한 환경에서는 가수분해되기 쉽다는 단점도 있습니다.

2. 폴리카보네이트 생산

폴리카보네이트의 기본 화학 구조는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1: 폴리카보네이트의 화학 구조

그림 2와 같이 그림 1에 표시된 단위는 페놀 2개(빨간색 점선), 아세톤 1개(녹색 점선), 탄산염 1개(파란색 점선) 등 4개의 분자 성분으로 구성되어 있습니다.

그림 2: 폴리카보네이트의 분자 구성

폴리카보네이트라는 용어는 그림 2의 탄산염의 존재에서 유래되었습니다. 보다 구체적으로 폴리카보네이트는 그림 3과 같이 디하이드록시 화합물과 탄산염 분자가 반복적으로 반응하여 형성된 고분자 사슬로 이루어진 소재입니다.

그림 3: 폴리카보네이트 생산에 대한 반응.

그림 3에서 R로 표시된 단위를 변경하면 다양한 폴리카보네이트를 생산할 수 있으며, 산업 생산에 사용되는 R 단위는 비스페놀 A(BPA)입니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 BPA는 아세톤 분자로 연결된 두 개의 페놀 분자로 구성되어 있으며 페인트 및 접착제와 같은 제품에 흔히 사용되는 성분입니다.

그림 4: 비스페놀 A

폴리카보네이트를 제조하는 다양한 기술이 있으며, BPA와 반응하는 물질에 따라 제조 방법이 달라집니다. 이러한 방법은 다음 표에 설명되어 있습니다.

3. 폴리카보네이트의 특성

투명성:
모든 범용 엔지니어링 플라스틱 중에서 폴리카보네이트는 유일한 투명 수지입니다. 일반적인 투명 소재 등급은 85-90% 가시광선 투과율을 제공합니다(두께 2mm의 소재의 경우).
- 내충격성:
모든 플라스틱 중에서 폴리카보네이트는 내충격성이 가장 높습니다.
-내열성:
유리 전이 온도가 거의 150°C에 달하는 폴리카보네이트는 넓은 온도 범위에서 안정적인 기계적 특성을 제공합니다. 일반적인 비강도 강화 등급의 경우, 일반적인 열변형 온도는 120.130MPa의 고하중에서 약 1-80°C입니다.
- 차원 안정성:
폴리카보네이트는 비정질 수지이기 때문에 성형 시 수축이 적고 물을 흡수할 때 치수 변화가 적습니다.
- 자체 소화 특성:
일반적인 폴리카보네이트 등급은 UL 94 V-2의 높은 난연성 등급을 가지고 있습니다. 더 높은 수준의 난연성이 필요한 애플리케이션의 경우 난연성 첨가제를 추가할 수도 있습니다.
- 폴리카보네이트는 알칼리성 및 방향족 탄화수소 용제(예: 오일)에 취약합니다.
- 폴리카보네이트의 에스테르 결합으로 인해 따뜻하고 습한 환경에서는 가수분해되기 쉽습니다.

폴리카보네이트의 가장 매력적인 특징은 투명성과 우수한 기계적 특성, 특히 내충격성이 뛰어나다는 점입니다. 또한 폴리카보네이트는 비정질 구조로 성형 과정에서 수축을 최소화하기 때문에 치수 정확도가 높습니다.

4. 폴리카보네이트 적용

사용되는 재료의 양 측면에서 폴리카보네이트의 주요 응용 분야는 전기 및 전자 장비, 사무기기, 필름 및 시트, 자동차 부품입니다.

최근 몇 년 동안 전기/전자 장비 및 사무기기용 LED 조명 소재에 대한 수요가 크게 증가하고 있습니다. 폴리카보네이트는 광학적 선명도와 내열성이 뛰어나 렌즈에 이상적인 소재입니다. 가정용 및 사무용 기기에서는 폴리카보네이트와 ABS를 혼합한 합금 소재가 기기 섀시 및 하우징 소재로 널리 사용되고 있습니다. 폴리카보네이트를 사용하는 이유는 성형성, 착색 용이성, 난연성 및 내충격성 등이 우수하기 때문입니다.

건축 및 토목 분야에서 폴리카보네이트는 투명도가 높고 내충격성이 뛰어나 필름 및 시트 재료로 널리 사용됩니다. 액정 디스플레이 패널은 폴리카보네이트의 또 다른 대량 응용 분야입니다.

자동차 분야에서 폴리카보네이트의 가장 두드러진 적용 분야는 아마도 자동차 헤드램프일 것입니다(그림 5). 최신 광원, 열 설계의 발전, 케이스 경화 기술의 발전 및 기타 요인으로 인해 대부분의 신차에 폴리카보네이트가 사용되고 있으며, 이는 전반적인 무게 감소에도 기여하고 있습니다. 폴리카보네이트는 계기판과 다양한 유형의 렌즈와 같은 투명 부품뿐만 아니라 그릴과 같은 외부 부품, 버튼과 스위치와 같은 내부 및 구조 부품에도 사용됩니다.

위에서 설명한 응용 분야 외에도 DVD 및 기타 광디스크(그림 5)도 폴리카보네이트로 제작되며, PC 수지의 뛰어난 선명도와 내열성으로 인해 이 응용 분야에 이상적인 소재이지만 인터넷 기반 콘텐츠 배포의 인기가 높아지면서 수요가 감소하고 있습니다.

그림 5: 폴리카보네이트의 일반적인 응용 분야에는 자동차 헤드라이트(왼쪽)와 디스크(오른쪽)가 있습니다.

5. 폴리카보네이트 및 개질 PPE 수지: 주요 특성 및 주요 용도 비교

폴리카보네이트 외에도 비정질 엔지니어링 플라스틱의 범주에는 다음과 같은 것들이 있습니다: 개질 PPE 수지。 이 섹션에서는 이 두 가지 재료군의 주요 특징을 간략하게 비교하고 다양한 사용 방법을 설명합니다.

표: 폴리카보네이트 및 개질 PPE 수지의 특성

폴리카보네이트 적용

폴리카보네이트는 투명하고 착색이 가능하기 때문에 제품의 외관에 영향을 미치는 광학 부품 및 부품에 널리 사용됩니다. 폴리카보네이트는 특히 투명성과 높은 내충격성이 요구되는 분야에 적합하며, 높은 내열성이 필요한 자동차 부품과 광학 부품에 많이 사용됩니다.

변형된 PPE 수지의 적용

개질 PPE 수지는 낮은 비중(무게 감소에 도움이 되는), 가수분해 저항성, 내화학성, 우수한 전기적 특성, 높은 치수 정확도 등의 유리한 특성으로 다양한 용도로 사용됩니다. 리튬 이온 배터리 시스템의 주변 부품, 태양광 발전기용 커넥터, 5G 통신 시스템에 필요한 제품, 일상 생활에서는 잘 드러나지 않지만 현대 사회에서 어디에나 존재하는 기타 애플리케이션 등이 이러한 응용 분야의 예입니다.

6. 처리 방법

폴리카보네이트는 높은 치수 정밀도와 낮은 형상 왜곡이 필요한 분야에 많이 사용되기 때문에 재료의 흐름을 돕는 사출 성형 금형 방법과 성형체의 표면 전달 특성을 향상시키는 기술이 지속적인 개발 작업의 초점입니다. 한 가지 예로 광학 디스크용으로 개발된 사출 압축 성형 기술은 재료를 채우는 동안 캐비티를 넓혀 용융된 수지가 더 쉽게 흐르도록 한 다음 원래 두께로 되돌아가 고정밀 표면 이송을 보장하는 기술입니다. 또 다른 예로는 높은 마모 손상 저항성이 요구되는 자동차 부품의 케이스 경화 처리를 들 수 있습니다.

7. 폴리카보네이트 사용과 관련된 실용적인 고려 사항

폴리카보네이트의 높은 용융 점도는 금형 및 성형 공정에 대한 특정 특수 규정을 필요로 하며, 그렇지 않으면 성형된 제품에 결함, 모양 왜곡 또는 균열이 발생할 수 있습니다.

폴리카보네이트의 내화학성은 투명 소재에서는 상대적으로 높지만 궁극적으로 비정질 구조와 탄산염 결합에 의해 제한되므로 성형 조건을 신중하게 조정하여 모양 왜곡을 최소화해야 합니다. 또한 가공 단계에서 기계 윤활제의 접착을 피하고 잔류 효과를 최소화하는 이형제를 선택하도록 주의를 기울여야 합니다. 마찬가지로 성형 폴리카보네이트 제품을 사용할 때는 부작용을 방지하기 위해 스프레이 및 세척 제품 선택에 주의를 기울여야 합니다.

8. 폴리카보네이트와 환경 지속 가능성

2절 ”폴리카보네이트 생산"에서 설명한 바와 같이, 아사히 카세이는 CO를 사용하는 실용적인 비포스겐 공정을 개발했습니다. ₂와 EO를 폴리카보네이트 제조의 원료로 사용합니다. 이 공정은 독성이 강한 가스인 포스겐이나 발암 물질로 의심되는 염화메틸렌을 사용하지 않으며, 안전을 염두에 두고 설계되어 전 세계 PC 제조업체에 라이선스된 기술입니다.

아사히 카세이는 또한 바이오매스 호환성을 위해 질량 균형 접근법을 기반으로 한 폴리카보네이트 등급을 제공합니다. 폴리카보네이트를 만드는 데 사용되는 BPA 성분은 페놀에서 생산되지만, 이러한 방식은 이 페놀을 생산하기 위해 바이오매스 성분에서 추출한 물질을 사용합니다.

폴리카보네이트를 재활용하는 주요 방법은 사용한 수지 소재를 분말 형태로 갈아서 녹여 모양을 바꾸는 물질 재활용입니다. 이 방법은 중고 디스크와 같이 품질이 우수하고 비교적 쉽게 대량으로 모을 수 있는 품목에 특히 유용합니다.

컬럼: 결정성 및 비정질 플라스틱의 용융

비정질 플라스틱 소재를 일정 온도 이상으로 가열하여 녹이면 플라스틱 내부의 인접 분자가 소재 전체에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 이러한 현상이 발생하는 온도를 유리 전이 온도라고 하며, 이 온도는 Tg라는 기호로 표시되며, 온도가 Tg보다 높으면 재료가 유동성을 나타내기 시작합니다. 폴리카보네이트의 유리 전이 온도는 Tg~150°C입니다.

결정성 플라스틱의 용융은 약간 더 복잡합니다. 결정성 플라스틱의 미세 구조를 보면 비정질 영역과 결정질 영역이 공존하고 있으며, 온도가 높을수록 비정질 영역의 분자가 먼저 움직이기 시작하고 결정질 영역의 분자는 강한 분자 간 힘에 묶여 움직이지 못해 고체 상태로 계속 존재한다는 것을 알 수 있습니다. 온도가 더 높아지면 결정 영역의 분자도 자유롭게 움직이기 시작하고 물질은 유동성을 나타내기 시작합니다. 비정질 영역의 분자가 자유롭게 움직이기 시작하는 온도를 유리 전이 온도(Tg)라고 하며, 이는 비정질 플라스틱에 사용되는 용어와 동일합니다. 반대로 결정화 영역의 분자가 자유롭게 움직이기 시작하는 온도를 녹는점(녹는점)이라고 하며 Tm으로 표시합니다.

결정성 플라스틱은 Tg 이하의 온도에서는 유리 상태로 존재하고, Tg와 Tm 사이에서는 고무화된 상태로 존재합니다. 유리성 플라스틱과 고무성 플라스틱은 모두 고체이지만 그 특성에는 상당한 차이가 있습니다. 전자의 분자 거동은 일상 생활에서 익숙한 유리의 특성을 연상시키는 반면, 후자의 분자 거동은 고무의 거동 중 하나를 연상시켜 선택 용어를 설명합니다. 말할 필요도 없이 비정질 플라스틱의 경우 고무 상태의 아날로그가 없습니다. 온도와 플라스틱 상태의 관계는 그림 7에 나와 있습니다.

그림 6: 녹는점 및 유리 전이 온도