고성능 플라스틱

High-performance plastics
표준 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱 및 고성능 플라스틱의 비교

고성능 플라스틱은 표준 플라스틱이나 엔지니어링 플라스틱보다 높은 요구 조건을 충족하는 플라스틱이다. 그것들은 더 비싸고 더 적은 양으로 사용된다.[1]

정의

참고 항목: 플라스틱 § 특수 용도 플라스틱

고성능 플라스틱은 주로 온도 안정성에 의해 표준 플라스틱 및 엔지니어링 플라스틱과는 다르지만, 또한 화학 저항성 및 기계적 특성, 생산량 및 가격에도 따라 다르다.

고성능 플라스틱이라는 용어의 동의어는 고온 플라스틱, 고성능 폴리머, 고성능 열가소성 플라스틱 또는 첨단 플라스틱과 같이 많다. 고온 플라스틱이라는 이름은 정의상 항상 150 °C보다 높은 지속적 서비스 온도(CST) 때문에 사용되고 있다(위에서 볼 수 있듯이 이것만이 유일한 특징은 아니지만).

두 용어가 모두 공학 분야에서 동의어로 사용되기 때문에 "플라스틱" 대신 "폴리머"라는 용어를 사용하는 경우가 많다. '고성능 열가소성 플라스틱'이라는 용어를 사용하면 고성능 플라스틱은 물론 표준과 기술 모두 항상 열가소성 플라스틱이기 때문이다. 보온병과 엘라스토머는 이 분류에서 벗어나 그들 자신의 계급을 형성한다.

그러나, 덜 강력한 플라스틱과의 차이는 시간이 지남에 따라 달라졌다; 나일론과 폴리 혼성 플라스틱은 처음에는 강력한 플라스틱으로 여겨졌지만, 지금은 평범하다.[2]

역사

기계적 특성과 열 안정성의 향상은 새로운 플라스틱을 연구하는 데 있어서 항상 중요한 목표였고 또 항상 그래왔다. 1960년대 초반부터 고성능 플라스틱의 개발은 항공우주 및 핵기술의 상응하는 요구에 의해 추진되어 왔다.[3] 예를 들어 PPS, PES, PSU의 합성 루트는 필립스, ICI, 유니온 카바이드에 의해 1960년대에 개발되었다. 시장 진입은 70년대 초반에 이뤄졌다. PEEK(ICI), PEK(ICI), PEI(General Electric and GE)의 폴리응축에 의한 생산은 1970년대에 개발되었다. 그러나 PEK는 1972년부터 레이켐에 의해 전기생성 합성에 의해 제안되었다. 전기생성합성은 일반적으로 선형 폴리머에 대한 낮은 선택성의 단점을 가지고 있고 공격적인 반응제를 사용하고 있기 때문에 이 제품은 시판되는 시간이 얼마 되지 않을 수 있다. 이러한 이유로 오늘날 고성능 플라스틱의 대부분은 폴리 응축 공정에 의해 생산된다.[2]

폴리 응축에 의한 제조 공정에서 출발 재료의 높은 순도가 중요하다. 또한 입체화학은 일반적으로 원하는 성질을 달성하는 역할을 한다. 그러므로 새로운 고성능 플라스틱의 개발은 구성 단량제의 개발과 경제 생산과 밀접하게 연관되어 있다.[2]

특성.

고성능 플라스틱은 더 나은 기계적 특성, 더 높은 화학적 및/또는 더 높은 열 안정성 때문에 표준 및 엔지니어링 플라스틱보다 더 높은 요구 조건을 충족한다. 특히 후자는 처리를 어렵게 만들며, 종종 특별한 기계가 필요하다. 예를 들어 대부분의 고성능 플라스틱은 단일 특성(예: 열 안정성)을 전문으로 한다. 따라서 그것들은 광범위한 기능을 커버하는 공학적인 플라스틱과는 대조적으로 서 있다.[1] 그들의 다양한 응용 프로그램으로는 유체 유량 튜브, 전선 절연체, 건축 및 광섬유가 있다.[4]

고성능 플라스틱은 상대적으로 비싸다. 킬로그램당 가격은 5달러(PA 46)에서 100달러(PEEK) 사이일 수 있다. 평균치는 15 US-달러/kg에 약간 못 미친다.[5] 따라서 고성능 플라스틱은 엔지니어링 플라스틱보다 3배에서 20배 정도 비싸다.[2] 또한 향후는 생산 장비에 대한 투자 비용, 시간 소모적인 개발 및 높은 유통 비용이 일정하게 유지될 것이기 때문에 큰 가격 하락을 기대할 수 없다.[5]

연 2만 t/년으로 생산량이 매우 제한적이기 때문에 고성능 플라스틱은 약 1%[1][3]의 시장 점유율을 차지하고 있다.

고성능 고분자 중 불소화합물은 시장점유율 45%(주대표:PTFE), 방향성 고분자 20%(주로 PPS), 방향성 고분자 및 폴리케톤 10%(주로 PEEK), 액정 고분자(LCP)[5][6] 6%를 차지하고 있다. 고성능 플라스틱의 2대 소비자는 전기전자산업(41%)과 자동차산업(24%)이다. 나머지 모든 산업(화학산업 포함)의 점유율은 23%[5]이다.

열안정성

열 안정성은 고성능 플라스틱의 주요 특징이다. 또한 기계적 특성은 열 안정성과 밀접하게 연관되어 있다.

표준 플라스틱의 특성에 기초하여 기계 및 열 기능의 개선은 이미 안정제 또는 보강 재료(예를 들어 유리 및 탄소 섬유)를 추가하거나 중합 정도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 방향족 단위에 의한 아열대 치환을 통해 추가적인 개선을 달성할 수 있다. 이러한 방식으로 최대 130 °C의 작동 온도에 도달한다. 보온제트(고성능 플라스틱에 속하지 않는 것, 위 참조)는 최대 150 °C로 온도 안정성이 유사하다. 아로마틱스(예: 페닐)와 산소(디페닐 에테르 그룹(예: PEEK), 황(PES 또는 PPS에서 디페닐 그룹) 또는 질소(PEI 또는 PAI에서 이미드 그룹)를 연결하면 서비스 온도에 도달할 수 있다. 결과적으로 작동 온도는 PES의 경우 200 °C에서 260 °C 사이일 수 있다.[7]

방향족 단위를 통합하여 온도 안정성이 높아진 것은 폴리머의 온도 안정성이 열 저하에 대한 저항과 산화 저항으로 결정되기 때문이다. 열 저하는 주로 통계적 사슬의 파괴에 의해 발생한다; 저분자량 화합물의 고농축과 제거는 단지 작은 역할만 하고 있다.

폴리머의 열산소 분해는 단순한 열 분해보다 낮은 온도에서 시작된다. 두 종류의 열화는 급진적인 메커니즘을 통해 진행된다.[8] 아로마틱은 두 종류의 열화로부터 좋은 보호를 제공하는데, 왜냐하면 활성산소는 아로마틱의 π 시스템을 통해 산소를 분해하여 안정화시킬 수 있기 때문이다. 이렇게 해서 열 안정성이 강하게 높아지고 있다. 폴리(p-페닐렌)는 예로서, 아로마틱스로만 구성되어 있으며, 500 °C 이상의 온도에서도 탁월한 안정성을 제공한다. 반면에 사슬의 경직성은 그것을 거의 가공할 수 없게 만든다. 공정성과 안정성 사이의 균형을 찾기 위해 유연한 장치를 체인에 통합할 수 있다(예: O, S, C(CH3)). 아로마틱은 다른 다소 경직된 단위(예: SO2, CO)로 대체될 수도 있다. 이러한 다른 요소들을 섞음으로써, 고성능 플라스틱의 다양성은 각기 다른 특성으로 만들어진다.[2]

실제로 플루오폴리머(약 260 °C)를 사용하여 최대 온도 저항(약 260 °C)을 얻을 수 있다.[7] 이 가운데 PTFE는 65~70%[6]로 시장점유율이 가장 높다. 그러나 불소가 함유된 폴리머는 기계적 특성(저강도 및 강성, 하중을 받는 강한 크리프)이 불량해 건축자재로서의 역할을 하기에는 적합하지 않다.[7]

결정성

고성능 플라스틱은 모든 폴리머와 마찬가지로 아모르퍼스와 반크리스탈린 폴리머로 나눌 수 있다. 예를 들어 폴리설폰(PSU), 폴리(에테르설폰) 및 폴리테로이메이드(PEI)는 아모르퍼스(Poly(Phenilen sulfide) PPS(Polyetheretherketone) 및 폴리테더케톤(PEK)은 반크리스탈린이다.

결정성 고분자(특히 필러로 보강된 것)는 유리 전환 온도 이상으로도 사용할 수 있다. 반결정성 고분자에는 유리 온도g T 외에도 결정체 용해점 T가m 있어 보통 훨씬 높기 때문이다. 예를 들어 PEEK는 143 °C의 T를g 가지지만 최대 250 °C까지 사용할 수 있다(연속 서비스 온도 = 250 °C). 반결정 폴리머의 또 다른 장점은 화학 물질에 대한 높은 저항이다: PEEK는 수용산, 알칼리, 유기 용제에 대한 높은 저항을 가지고 있다.[2]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c 구글북스 298페이지 Hans-Georg, Elias (2009). Makromoleküle, Band 4: Anwendungen von Polymeren (6th ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-5272-9962-1.마크로몰레쿨레쿨레
  2. ^ a b c d e f Parker, David; Bussink, Jan; van de Grampel, Hendrik T.; Wheatley, Gary W.; Dorf, Ernst-Ulrich; Ostlinning, Edgar; Reinking, Klaus; Schubert, Frank; Jünger, Oliver (April 2012). "Polymers, High-Temperature". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.a21_449.pub3. ISBN 978-3527306732.
  3. ^ a b Kaiser, Wolfgang (2006). Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung (2 ed.). Weinheim: Carl Hanser. ISBN 978-3-446-43047-1. 구글 북스 439 페이지 쿤스토프케미
  4. ^ "The Different Applications and Variations of Fluoropolymer Tubing". Fluorotherm. October 15, 2015.
  5. ^ a b c d "KIweb.de Kunststoff Information". Retrieved 2014-01-24.
  6. ^ a b Keim, Wilhelm (2006). Kunststoffe: Synthese, Herstellungsverfahren, Apparaturen (1 ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-5273-1582-9. 구글 북스 214 페이지 쿤스토프케미
  7. ^ a b c Walter Hellerich, Günther Harsch, Erwin Baur (2010). Werkstoff-Führer Kunststoffe: Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte (10 ed.). München: Carl Hanser Verlag. ISBN 978-3-446-42436-4.CS1 maint: 작성자 매개변수(링크) Werkstoff-Führer, 페이지 1 사용
  8. ^ Gottfried W. Ehrenstein, Sonja Pongratz (2007). Beständigkeit von Kunststoffen (6 ed.). München: Carl Hanser Verlag. ISBN 978-3-446-21851-2.CS1 maint: Google Books에서 저자 매개변수(링크) Bestendigkeit von Kunstoffen, 페이지 38-47 사용