폴리페닐에테르

페닐에테르 폴리머는 에테르 연결에서 페녹시 또는 티오페녹시 그룹을 반복 그룹으로 포함하는 폴리머의 일종이다. 상업용 페닐에테르 폴리머는 폴리페닐에테르(PPE)와 폴리페닐렌산화물(PPO)의 두 가지 화학 등급에 속한다. 전 중합체 등급의 페녹시 그룹은 대체 물질을 포함하지 않는 반면 후자 등급의 그룹은 페닐 링에 알킬 그룹 2~4개를 포함한다. 산소 함유 PPE의 구조는 그림 1에 제공되며, 2, 6-xylenol 유도 PPO의 구조는 그림 2에 표시된다. 어느 등급이든 링 주변의 다양한 위치에 산소 원자를 부착할 수 있다.

구조와 합성

페닐에테르 폴리머의 적절한 명칭은 폴리(페닐 에테르) 또는 폴리페닐 폴리에테르(polypenyl ether)이지만 폴리페닐 에테르라는 명칭은 널리 통용되고 있다. 폴리페닐 에테르(PPE)는 구리로 촉매된 할로겐화 벤젠과 알칼리-메탈 페네이트의 반응인 울만 에테르 합성을 반복적으로 적용하여 얻는다.^[1]

옥시와 티오에테르 둘 다 최대 6개의 페닐 링의 PPE가 상업적으로 이용 가능하다. 표 1을 참조하십시오.^[2] 각 고리의 치환 패턴을 표시한 다음 페닐 링의 수와 에테르 링크 수를 나타내는 것이 특징이다. 따라서 n이 1인 그림 1의 구조는 pmp5P4E로 확인되며, 이는 3개의 중간 고리, 총 5개의 고리, 4개의 에테르 링크의 파라, 메타, 파라 치환 등을 나타낸다. 이러한 물질에서 아릴 링의 메타 치환법은 가장 흔하고 종종 원하기도 한다. 최대 10개의 벤젠 링으로 구성된 긴 체인 아날로그도 알려져 있다.

페닐 에테르 계열의 가장 단순한 구성원은 디페닐 에테르(DPE)로, 다이페닐 산화물이라고도 하며, 그 구조는 그림 4에 제시되어 있다. 저분자 중량의 폴리페닐 에테르와 티오에토르(tiioether)는 다양한 용도에 사용되며, 고진공 소자, 광학, 전자제품, 고온 및 방사선 방호 유체 및 그리스를 포함한다. 그림 5는 그림 3에 나타낸 3-R 폴리페닐 에테르 황 아날로그 구조를 보여준다.

표 1: 상용 폴리페닐 에테르 제품(PPE)

공통 및 상호	케미컬 네임
6-링 폴리페닐 에테르(6P5E), 상호: OS-138	비스[m-(m-페녹시페녹시) 페닐] 에테르
5-링 폴리페닐 에테르(5P4E), 상호: OS-124	m-Bis(m-페녹시페녹시)벤젠
4-링 폴리페닐 에테르(4P3E), 상호: MCS-210	비스(m-페녹시페닐)에테르
3-링 및 4-링 옥시 및 티오에테르 ; 상호: MCS-293	티오비스[페녹시벤젠]와 비스(페닐메르카프토)벤젠
3-링 폴리페닐 에테르(3P2E), 상호: MCS-2167	m-디페녹시벤젠
2-링 디페닐 에테르(2P1E)	디페닐에테르, 디페닐옥사이드, 페녹시벤젠

물리적 성질

폴리페닐 에테르에 대한 대표적인 물리적 특성은 표 2에 수록되어 있다.^[3] 특정 PPE의 물리적 특성은 방향족의 수, 그 대체 패턴, 그리고 그것이 에테르인지 티오에테르인지 여부에 따라 달라진다. 혼합 구조물의 경우 구조 특성만으로는 특성을 예측하기 어렵기 때문에 측정을 통해 결정해야 한다.

PPE의 중요한 속성은 열 및 산화 안정성과 전리방사선 존재에서의 안정성을 포함한다. PPE는 주입 포인트가 다소 높다는 단점이 있다. 예를 들어, 2개의 벤젠 링과 3개의 벤젠 링을 포함하는 PPE는 실온에서 실제로 고체다. 일반적으로 고체 PPE의 용해 지점은 m-페닐렌 링, 알킬 그룹 또는 이소머의 혼합물일 경우 낮아진다. o- 및 p-대체 링만 포함된 PPE는 용융점이 가장 높다.

표 2: 폴리페닐 에테르 물리적 특성

폴리페닐에테르	외관	붓기 포인트 °F(°C)	열 안정성 °F(°C)	점성(cSt) 위치 100°F(38°C)	점성(cSt) 위치 210°F(99°C)
6-링 6P5E	클리어 리퀴드	50 (10)	836 (447)	2000	25
5-링 5P4E	클리어 리퀴드	40 (4.5)	847 (453)	360	13
4-링 4P3E	클리어 리퀴드	10 (-12)	825 (441)	70	6
3-링과 4-링 옥시오	흐릿한 액체	-20 (-29)	693 (367)	25	4
3-링 3P2E	고체	-	800 (427)	12	3
2-링 2P1E	고체	-	>600 (316)	2.4	1.6

열산화 안정성

PPE는 고온 특성이 우수하고 산화 안정성이 좋다. 용적성에 관해서 p-deivates는 용적성이 가장 낮으며, o-deivates는 용적성이 가장 높다. 플래시 포인트와 파이어 포인트는 정반대다. 폴리페닐 에테르들의 자발적 점화 온도는 550~595°C(1,022~1,103°F), 알킬 대체는 이 값을 ~50°C(122°F)까지 감소시킨다. PPE는 고온 용도에 흔히 사용되는 대부분의 금속 및 탄성계와 호환된다. 그것들은 일반적으로 일반적인 밀폐재를 부풀린다.^[4]

대체되지 않은 PPE의 산화 안정성은 부분적으로 쉽게 산화할 수 있는 탄소-수소 결합이 없기 때문에 상당히 양호하다. 열 분해 온도는 동위원소 프로시저에 의해 측정된 바와 같이 440~465°C(824°F와 869°F)이다.

방사선 안정성

이온화 방사선은 모든 유기화합물에 영향을 미치며, 방사선이 유기화합물에 가장 많이 존재하는 공밸런스 결합을 방해하기 때문에 그 성질에 변화를 일으킨다. 이온화의 한 결과는 유기 분자가 불균형하여 더 큰 탄화수소 분자뿐만 아니라 더 작은 탄화수소 분자를 형성한다는 것이다. 이는 증발 손실 증가, 플래시 및 화재 지점 감소, 점성 증가 등에 의해 반영된다. 방사선에 의한 다른 화학 반응으로는 산화 및 이소머화 등이 있다. 전자는 산도, 부식성, 코크스 형성을 증가시키고, 후자는 점도와 변동성의 변화를 일으킨다.

PPE는 방사선 저항이 매우 높다. 모든 종류의 합성 윤활제 중(과불화합성자(과불화합성자)는 예외로 한다) 폴리페닐 에테르가 방사선 내성이 가장 높다.^[5] PPE의 우수한 방사선 안정성은 이온화 가능한 탄소-탄소 및 탄소-수소 결합의 수가 제한되어 있기 때문이다. 한 연구에서 99°C(210°F)에서 1x10¹¹ 에르그람의 방사선 영향 하에서 PPE의 성능을 합성 에스테르, 합성 탄화수소 및 실리콘 액체와 비교했다.^[6] PPE의 점성 증가율은 35%에 불과한 반면 다른 모든 액체는 점성 증가율이 1700%에 달하며 겔화되었다. 추가 시험 결과 PPE는 최대 315°C(599°F)의 온도에서 1x10¹⁰ erg/g의 감마선과 관련 중성자 방사선 용량에 내성이 있는 것으로 나타났다.

표면장력

PPE는 표면 장력이 높기 때문에 젖은 금속 표면의 경향이 낮다. 상용 5R4E의 표면 장력은 49.9 dynes/cm로 순수 유기액에서 가장 높은 것 중 하나이다.^[7] 이 특성은 윤활유가 주변 환경으로의 이동을 피해야 하는 용도에 유용하다.

적용들

원래 PPE는 항공 우주 애플리케이션에서 경험했던 극한 환경에서 사용하기 위해 개발되었지만, 현재는 낮은 변동성과 뛰어난 열-산화 및 전리방사선 안정성을 요구하는 다른 애플리케이션에서 사용되고 있다. 그러한 용도에는 확산 펌프 유체, 고진공 유체, 제트 엔진 윤활유, 고온 유압 윤활유 및 그리스, 열전달 유체 등이 포함된다. 게다가 뛰어난 광학 특성 때문에 이 액체는 광학 장치에서 사용된다는 것을 발견했다.

초고진공 유체

진공펌프는 압력을 크게 줄이기 위해 밀폐된 공간에서 가스를 제거하는 장치다. 오일 확산 펌프는 전방 펌프와 결합하여 가장 인기 있는 펌프 중 하나이다. 확산펌프는 저증기압의 고비등 액체를 사용해 대피할 시스템의 기체분자를 타격해 전방펌프로 대피하는 우주공간으로 유도하는 고속제트를 만든다. 따라서 양호한 확산 액은 낮은 증기 압력, 높은 플래시 포인트, 높은 열 및 산화 안정성 및 화학 저항을 반영해야 한다. 확산펌프가 전리방사선원 가까이에서 작동하고 있는 경우, 양호한 방사선 안정성 또한 요구된다.

표 3에 제시된 데이터는 확산 펌프에서 일반적으로 사용되는 다른 유체보다 우수한 폴리페닐 에테르를 보여준다.^[8] PPE는 25°C에서 최대 진공 4⁻¹⁰ x 10 torr을 달성하는 데 도움이 된다. 그러한 높은 진공상태는 전자현미경, 질량분석기, 그리고 다양한 표면물리학 연구에 사용되는 장비에 필요하다. 진공펌프는 전등, 진공관, 음극선관(CRT), 반도체 가공, 진공공학 등의 생산에도 사용된다.

표 3: 확산 유체 특성 비교

유체 특성	폴리페닐에테르 산토박5길	실리콘 다우 코닝	탄화수소 오일 아피존
증기 압력, 25°C에서 토르	4x10−10	2x10−8	5x10−6
분자량	446	484	420
25°C에서의 밀도	1.20	1.07	0.87
플래시 포인트, °C	288	221	243
1.3mbar, °C에서 비등점	295	223	220
25°C에서의 점도(cSt)	1000	40	135
100°C에서의 점도(cSt)	12.0	4.3	7.0
표면 장력, Dynes/cm	49.9	30.5	30.5
25°C, 589nm에서의 굴절률	1.67	1.56	1.48
열 안정성	훌륭하다	좋아	가난하다
산화 저항성	훌륭하다	훌륭하다	푸어 페어
화학 저항성	훌륭하다	좋아	가난하다
방사선 저항	훌륭하다	좋아	페어

전자 커넥터 윤활유

5R4E PPE의 표면 장력은 49.9dynes/cm로 순수 유기액에서 가장 높다. 이 때문에 이 PPE와 다른 PPE는 금속 표면을 효과적으로 적시지 않는다. 이 특성은 특정 전자장치와 같이 장비의 한 부분에서 다른 부분으로 윤활유가 이동하는 것을 피해야 할 때 유용하다. 표면에 얇은 폴리페닐 에테르 필름은 상상처럼 얇고 연속적인 필름이 아니라 작은 물방울로 구성되어 있다. 이 PPE 속성은 필름을 정지 상태로 유지하거나, 적어도 윤활이 필요한 부위에 유지하도록 하는 경향이 있으며, 새로운 표면을 형성하여 이동하지 않는다. 그 결과 윤활유가 필요 없는 다른 부품과 장비의 오염을 피할 수 있다. 따라서 PPE의 높은 표면 장력은 전자 접점을 윤활하는 데 유용하다.

폴리페닐 에테르 윤활유는 통신, 자동차, 항공우주, 계측 및 범용 응용 분야에서 귀중하고 기본적인 금속 접점이 있는 커넥터에 대해 30년 상업적 서비스 이력을 가지고 있다.^[9][10] PPE는 전류 흐름을 유지하고 장기간 윤활을 제공할 뿐만 아니라 공격적인 산성 및 산화 환경으로부터 커넥터를 보호해 준다. 폴리페닐에테르(polyphenyl ethers)는 보호 표면막을 제공함으로써 부식으로부터뿐만 아니라 불안정한 마모로 이어지는 진동 관련 마모로부터 커넥터를 보호한다. PPE의 특화된 특성으로부터 이익을 얻는 장치들은 휴대폰, 프린터 그리고 다양한 다른 전자 제품들을 포함한다. 보호는 수십 년 동안 지속되거나 장비의 수명 동안 지속된다.

광학

폴리페닐 에테르(PPE)는 광학적 선명도가 우수하고 굴절률이 높으며 기타 유익한 광학적 특성을 가지고 있다. 이 때문에 PPE는 첨단 광전자 시스템에서 신호 처리의 엄격한 성능 요구를 충족할 수 있는 능력을 갖추고 있다. PPE의 광학적 선명도는 다른 광학 폴리머와 유사하며, 즉 1.5~1.7의 굴절 지수를 가지며, 약 400nm~1700nm 사이의 양호한 광 전달을 제공한다. 이를 통한 빛의 적절한 전파를 위해서는 재료 간 근접 굴절률(RI) 매칭이 중요하다. RI 매칭이 용이하기 때문에 많은 광학 소자에서 PPE를 광학 유체로 사용한다. 이온화 방사선에 대한 극도의 저항은 PPE가 태양전지 및 고체 상태의 UV/블루 방출기와 고색인 안경과 반도체로 만든 통신장비 제조에서 추가적인 이점을 제공한다.

고온 및 내방사성 윤활유

열-산소 안정성과 방사선 내성이 우수한 PPE는 방사선 내성을 필요로 하는 고온 용도에 광범위하게 사용된다는 것을 발견했다. 또한 PPE는 특히 베어링에 사용할 때 미네랄 오일보다 마모 제어 및 하중 전달 능력이 우수함을 입증한다.

PPE는 최대 320°C(608°F)의 고속 관련 마찰 온도를 수반하는 제트 엔진에 사용하기 위해 개발되었다. 높은 비용으로 인해 제트 엔진 윤활에 PPE의 사용은 다소 가라앉았지만, 그것들은 여전히 일부 항공우주 분야에서 사용되고 있다. PPE는 원자력 발전소 메커니즘에 사용되는 방사선 방호 그리스의 기본 유체로도 사용된다. PPE와 그 파생 모델은 또한 가스 터빈과 맞춤형 베어링, 그리고 극한의 환경 조건이 존재하는 모든 곳에서 증기상 윤활유로 사용된다는 것을 발견했다. 증기상 윤활은 액체 윤활유를 비등점 이상으로 가열함으로써 달성된다. 그 결과 발생한 증기는 고온 베어링 표면으로 운반된다. 베어링 표면의 온도가 윤활유의 비등점 아래로 유지되면 증기가 다시 응결되어 액체 윤활을 제공한다.

폴리페닐에테르 기술은 또한 특정 베어링 설계에 따라 우수한 화재 안전과 피로 수명을 제공할 수 있다. 이 애플리케이션에서 PPE는 저온에서 액체로서 그리고 315 °C(599 °F) 이상의 온도에서 증기로서 모두 윤활을 제공할 수 있는 장점이 있다. PPE는 변동성이 낮고 고온 열산화 안정성이 우수해 가마 내부와 주변에서 사용되는 체인, 금속 제조공장, 유리 성형 및 제조 장비 등에 윤활유로 사용된다는 사실도 밝혀냈다. 이러한 고온 애플리케이션에서 PPE는 슬러지와 경질 침전물을 형성하지 않는다. 뒤에 남은 저탄소 잔여물은 닦아서 쉽게 제거한다. PPE의 낮은 변동성, 낮은 가연성 및 우수한 열역학적 특성으로 인해 열전달 유체와 열제거원 용도에도 이상적으로 적합하다.^[11]

폴리페닐렌산화물(PPO)

이러한 중합체는 대체 페놀의 산화적 결합을 통해 산소와 구리, 아민이 존재하는 곳에서 만들어지며, 이는 큐볼 브롬화, 피리딘과 같은 촉매를 함유하고 있다. PPO 구조는 그림 2를 참조하십시오. PPO 폴리머는 플라스틱 수지로 분류할 수 있다. 이것들과 폴리스티렌, 유리, 나일론을 사용한 합성물은 컴퓨터, 통신, 자동차 부품을 포함한 많은 산업에서 고강도 내습 공학 플라스틱으로 사용된다. PPO는 노릴이라는 상표명으로 SABIC Innovative Plastic에 의해 판매되고 있다.^[12]

참조