폴리머와 강화플라스틱의 가공법

폴리머와 강화플라스틱의 가공법 Processing of polymers and reinforced plastics Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

10조 조장: 유승림 aferire@hanmail.net 010-4847-4424 조원: 천영일 miracle4891@sayclub.com 011-560 -4891 장민광 shootkill@hanmail.net 010-7379-4008 김민철 begin36@naver.com 010-4788-3654 김성만 guggest@hanmail.net 010-9212-8115 박동진 demianid@naver.com 010-8599-8902 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

목 차 • 10.1 개 요 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

폴리머와 강화플라스틱의 가공법 • 플라스틱이라는 용어는 1909년경에 처음사용 • 장점 • 높은 비강도(중량대비강도) • 설계강도 • 다양한 생상과 투명성 • 가공의 용이성 • 비교적 저렴한 가격 • 비교적 쉽게 기계가공,주조,주조,성형,접합되어 다양한 모양으로 만들어 질수있으며 부수적인 표면처리가 거의 불필요함 • 단점 • 유용한 온도범위는 약 350˚C이하로 낮은편 • 장기간 사용중에는 금속만큼 치수가 안정적이지 못함 • 금속과의 차이 저밀도,저강도 및 저강성, 낮은 전기 및 열전도도,화학물에 대한 안정성,높은 열팽창계수 등으로 특징 지어짐 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

폴리머와 강화플라스틱의 가공법 • 자동차 ‘철기시대 종말’ 오나(3) • 플라스틱 소재, 내장재·기능성 부품에서 외장 부품으로 확대 • 금속·유리 대체로 연료절감·디자인 다양화 • 지난 3월 스위스 제네바 모터쇼에서는 세계 유수의 자동차 메이커들 외에도 두 개의 특별한 업체가 완성차를 출품해 눈길을 끌었다. 바로 세계적인 플라스틱 제조업체인 GE플라스틱과 바이엘머티리얼사이언스였다. • GE플라스틱은 현대자동차와 함께 차체 각 부위에 90㎏의 엔지니어링플라스틱(EP)을 적용한 CUV(Crossover Utility Vehicle) ‘카르막(QarmaQ)’을 내놓았고, 바이엘은 스위스의 튜닝 및 스페셜 차량 개발 업체 린스피드와 손잡고 차체 전부를 투명 폴리카보네이트(PC) 소재인 마크롤론(Makrolon)으로 뒤덮은 ‘속 보이는’스포츠카 ‘엑사시스(eXasis)’를 선보였다. • 이들은 플라스틱 소재가 일부 내장 부품의 한계를 벗어나 차체 외장을 구성하는 강철과 유리의 영역으로 확대됐다는 점에서 자동차 업계의 트랜드 변화를 예고하는 신호탄으로 받아들여지고 있다. Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

폴리머와 강화플라스틱의 가공법 • 폴리머 • 플라스틱은 폴리머의 일종이다. 하지만 폴리머만 들어있는 것이아니라각종 첨가제가 들어간다. 가소제또는 안료등 폴리머는 순수한 고분자만을 가리키는 것이고플라스틱은 혼합물이라고 보면된다 각종 첨가제들은 물성 및 외관 향상을 위해 사용된다 • 1866년에 처음으로 폴리머란 단어가 사용됨 • 초기의 폴리머는 동식물의 자영산 유기물로 만들어 졌으나 현대의 플라스틱 기술은 1920년대에 석탄 및 석유로부터 원료를 추출함으로써 더욱 활성화됨 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

폴리머와 강화플라스틱의 가공법 • 폴리머의 분자 기본구조 • 폴리 에틸렌은 탄소와 수소원자로만 구성되지만 ,다른 화합물은 염소,불소,황,실리콘,산소등을 포함하는것도 있는데 그결과 독특한 성질을가진 매우 광범위한 종류의 폴리머가 개발됨 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

목 차 • 10.2 플라스틱의 구조 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

개요 • 플라스틱의 성질은 폴리머 분자의 종류, 분자의 형상과 크기, 폴리머구조를 이룸. • 플라스틱은 폴리머 분자+α(첨가물) • 폴리머 • 긴사슬분자 (대분자, 거대분자) • 여러 개의 단량체들의 결합 및 교차결합 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 폴리머 안에 있는 단량체는 중합반응이라는 화학반응에 의해 반복단위로 연결되고 있음 • 중합과정=응축중합+첨가중합+α Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 응축중합에서는 반응하는 두 가지 단위체들간의 결합으로 폴리머가 만들어짐. • 이 반응의 분산물로 물이 응축되기 때문에 중축중합이라 명명함. • 고분자는 단계적으로 성장하므로 단계성장(step-growth) 또는 단계반응(step-reaction) Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 첨가 중합에서는 반응 부산물없이 결합이 일어남. • 사슬성장, 혹은 사슬반응중합이라 불림. • 사슬반응이라 불리는 이유는 빠른 반응속도로 수 초 내에 긴 사슬이 단번에 생기기 때문에 이때의 반응속도는 응축중합 때보다 훨씬 빠르다. • 이반응에서 계시제를 첨가하여 긴사슬을 만든다. Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 분자량(molecular weight) • 폴리머사슬내 단위체들의 분자량의 합은 폴리머의 분자량이 됨. • 분자량의 분포에서 관찰되는 분산을 분자량분포(molecular weight distribution)라 하며, 폴리머의 성질에 영향을 미침. Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 중합도(degree of polymerization) • 단위체의 분자량에 대한 폴리머의 분자량 • DP가 클수록 폴리머의 유동저항이 커져서 마치 유체의 점도가 증가하는 것과 같은 거동을 보여주므로, 폴리머를 유용한 제품으로 가공하고 성형하는데 영향을 줌. Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 결합(bonding) • 중합반응으로 단량체가 분자사슬을 만들면 분자 안에서 원자끼리는 일차결합인 공유결합을 하고 있음. • 폴리머의 분자량이 클수록 강도나 점도가 증가하는 이유는 분자사슬이 길수록이차결합을 극복하는데 많은 에너지가 필요한 것에 부분적으로 기인하기 때문. Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 선형폴리머(linear polymer) • 폴리아미드 불화폴리비닐 • 선형폴리머라도 분지 및 다리결합사슬을 포함할 가능성 있고, 그 결과에 따라 폴리머의 성질이 달라짐. Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 분지폴리머(branched polymer) • 폴리머가 합성될 때 주사슬에 측분지사슬(side-branch chain)이 붙은 것. • 분지는 분자사슬의 상대운동을 방해하므로 폴리머의 변형 및 응력균열 저항에 영향을 주어 강도를 높인다. • 밀도 : 분지폴리머 < 선형폴리머 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 다리결합결합(cross-linked polymer) • 인접사슬과 공유결합하는 결합 • 열경화성 플라스틱(페놀 , 에폭시, 실리콘) • 망상폴리머는 삼중공유결합의 공간그물로. • 열가소성 폴리머도 고에너지를 방사시켜 강도높임. Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

중합(polymerization) • 혼성폴리머 와 삼량체 • 고용체 합금처럼 서로 다른 단량체가 결합되어 폴리머의 강도와 인성을 높이고 성형성를 향상 • Ex, 혼성폴리머-스티렌-부타디엔 삼량체-헬멧, ABS(acrylonitrile- styrene) Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

결정도(crystallinity) • 비정질배열 폴리머-아크릴 폴리카보네이트 • 폴리머의 결정체영역을 결정자라 함. • 냉각중의 응고속도와 사슬의 모양을 조절하여 다양한 결정도를 줄임. • 결정도↑ : 강성 ↑,연성↓,밀도↑,열적저항 ↑ • 굴절률∝밀도 Ex. 폴리카보네이트, 아크릴(굴절률小) Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

첨가제(충전제) • 충전제-목제가루, 실리콘분말, 진흙 • 값이싸다. • 폴리머와 충전제의 혼합비율에 따라 기계적성질을 극대화 할 수 있다. • 강화플라스틱에서는 충전제와 폴리머 사슬간의 결합성에 따라 효율결정. Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

첨가제(가소제) • 폴리머의 유리전이온도를 낮춤으로써 유연성과 연성을 주는데 사용. • 휘발성이 없고, 분자량이 작은용제 사용 • 긴사슬분자의 이차결합력을 약화시켜 폴리머를 유연하고 연하게 만듦. • PVC(polyvinyl chloride) • 다용도로 사용되면서 유연성 유지 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

목 차 • 10.3 열가소성 플라스틱 : 거동과 성질 • 10.4 열경화성 플라스틱 : 거동과 성질 • 10.5 열가소성 플라스틱 : 종류와 용도 • 10.6 열경화성 플라스틱 : 종류와 용도 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 열가소성 플라스틱 (thermoplastics) - 플라스틱에 열을 가해 녹여서 성형한 후에 온도를 다시 낮추면 원래의 강도와 경도를 회복하는 가역과정을 겪는 거동을 보이는 폴리머 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 유리성 거동 - 폴리머의 탄성계수와 같은 강성을 갖는 스프링으로 설명가능, 응력과 변형률의 관계를 선형적으로 나타낼 수 있다 σ = Еε - 비틀림 실험을 하는 경우 τ = Gγ Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 점성거동 τ = η(dv/dy) = η X 전단변형률속도 • Newtonian 거동 σ = Сέm C : 재료의 강도계수 m : 변형률속도 민감지수 έ : 진변형률 속도 - 전단응력τ가 전단변형률속도에 비례할 때의 거동, m=1일때 해당 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 점탄성 거동 - 열가소성 플라스틱의 온도를 유리전이온도 이상으로 올리면 처음에는 가죽상으로부터 점차 고무상으로 변한 후 결국 용융온도 이상에서는 온도증가에 따라 점도가 감소하는 점성유체가 된다 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 폴리머의 점도 η = η0 eE/kT η: 점도 η0: 물질상수 E : 활성화에너지 T : 온도(K) k : 볼츠만상수(13.8 X 10-24J/K) Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 온도와 변형속도의 영향 - 온도가 증가하면 강도와 탄성계수는 감소하고, 인성은 증가한다, 충격강도 또한 큰 영향을 받는다 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 크리프 - 외력이 일정하게 유지되어 있을 때, 시간이 흐름에 따라 재료의 변형이 증대하는 현상 • 응력완화 τ= τ0e-t/λ τ : 시간 t일때의 응력 τ0: 기준시간에서의 전단응력 λ : 완화시간 λ=η/G G : 폴리머의 전단탄성계수 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 방향성 - 인장변형시키면 금속처럼 이방성을 띠게 된다 - 수직방향에 비해 인장방향으로 강도 및 강성이 높아진다 - 폴리머의 강도와 인성을 향상시키는 중요한 기술 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 크레이징(crazing) - 폴리스티렌이나 폴리메틸메타크릴레이트(아크릴)같은 열가소성 플라스틱이 인장응력이나 굽힘을 받을 때, 재료가 쐐기형의 좁은 영역에서 국부적으로 심하게 변형 되는 현상 - 크레이즈(잔금)는 스폰지같은 다공성상태 - 투명한 유리성 폴리머 및 기타의 유형에서 모두 관찰 - 용제, 윤활제, 수증기 등이 있는 환경은 크레이즈의 생성을 촉진 ※ 유사현상(응력백색화) - 접힘이나 굽힘에 의해 인장응력을 받으면, 색상이 연해지는 현상 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 거동과 성질 • 흡습성 - 물을 흡수하는 성질 - 물은 가소제로 작용, 폴리머를 더욱 소성화시킴 • 열 및 전기적 성질 - 금속과 비교했을 때 열 및 전기의 전도성,비중은 낮으나 열팽창계수는 금속의 수십 배에 이른다 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열경화성 플라스틱의 거동과 성질 • 열경화성 플라스틱(thermosetting plastics) - 중합과정 동안 완전한 망이 만들어져서 제품의 모양이 영구히 정해지는 폴리머 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열경화성 플라스틱의 거동과 성질 • 열경화성 플라스틱의 중합과정 - 1단계 : 분자가 부분적으로 중합하여 선형사슬 로 되는 화학적 성장단계 - 2단계 : 제품이 금형 속에서 성형되는 동안 가열, 가압되어 다리결합이 완료되는 제품형성단계 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열경화성 플라스틱의 거동과 성질 • 성질 - 온도와 변형속도의 영향을 받지 않는다 - 열가소성 플라스틱보다 우수한 기계적, 열적, 화학적 성질과 전기저항, 수치적 안정성을 갖는다 - 높은 온도에서는 녹지 않고 타기 시작하며 열화된다 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 아세탈(acetal) - 강도, 강성이 있다 - 크리프, 마모, 습기, 열, 화학물질 등에 대한 저항성이 좋다 - 베어링, 캠, 기어, 부싱, 롤러, 임펠러, 마모면, 파이프, 밸브, 샤워꼭지, 하우징 등 기계류 및 부품에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 아크릴(polymethylmethacrylate, PMMA) - 적절한 강도와 좋은 광학적 성질 및 내후성을 갖고 있다 - 화학물질에 대한 저항성과 높은 전기저항성이 있다 - 투명 or 불투명하게 만들 수 있다 - 렌즈, 점등표지, 전시물, 판유리, 차광판, 투명한 돔, 자동차의 렌즈, 앞유리, 표시등, 가구에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene) - 치수안정성, 강성, 충격, 마모, 화학적 저항성이 있고 양호한 강도, 인성, 저온성질, 전기저항을 갖고 있다 - 화기, 화물상자, 주택, 가전제품, 냉장고 내벽, 장식용 판재 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 셀룰로오스(cellulosic) - 성분에 따라 광범위한 기계적 성질 - 강성, 강도, 인성이 있게 만들어질 수도 있으나, 내후성이 약하고 열과 화학물질에 쉽게 영향을 받는다 - 공구손잡이, 필기용구, 손잡이, 안경테, 보안경, 기계의 안전판, 헬멧, 튜브와 파이프, 조명기구, 용기, 운전대, 포장백, 표지판, 당구공, 완구, 장식용 판재 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 불화탄소(fluorocarbon) - 온도, 화학물질, 기후, 전기에 대한 저항성이 좋다 - 비점착성과 저마찰특성 - 화학공정설비의 라이닝, 주방용기에 눌어 붙지 않는 코팅, 고온 전선이나 케이블의 절연체, 개스킷, 저마찰면, 베어링, 봉합 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 폴리아미드(polyamide) 1. 나일론 - 기계적 성질 양호하고 마모저항이 좋다 - 자체적 윤할성과 대부분의 화학물질에 대한 저항성 - 흡습성 - 기어, 베어링, 부싱, 롤러, 빗, 지퍼, 튜브, 가이드, 체결부품, 내마모면, 수술용구 등에 사용 2. 아라미드 - 인장강도와 강성이 매우 높다 - 방탄조끼, 케이블, 레이디얼 타이어 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 폴리카보네이트(polycarbonate) - 양호한 기계적, 전기적 성질로 인하여 용도가 넓음 - 충격저항이 매우 좋고 화학물질에 안정하게 만들 수 있다 - 안전헬멧, 광학렌즈, 방탄용 창유리, 표지판, 병, 식품처리설비, 바람막이, 베어링, 전기부품, 절연체, 의료기, 사무기부품, 기계의 안전판 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 폴리에스터(polyester, 열가소성) - 양호한 기계적, 전기적, 화학적 성질을 갖고 마모저항이 좋으며 마찰이 적다 - 기어, 캠, 롤러, 부하지지용 베어링의 부품, 펌프, 전기기계류의 부품 등에 주로 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 폴리에틸렌(polyethylene) - 전기적, 화학적 성질이 좋으며, 기계적 성질은 성분과 구조에 따라 다르다 1. 저밀도(LPDE) - 병, 쓰레기통, 관, 범퍼, 화물상자, 완구 ,튜브 등에 사용 2. 고밀도(HPDE) - 기계류의 부품, 벨트, 끈, 내마모면, 썰매, 커누, 캠퍼지붕 등에 사용 3. 초고분자량(UHMWPE) - 고충격에 대한 인성과 마모저항이 필요한 부품에 주로 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 폴리프로틸렌(polypropylene, PP) - 기계적, 전기적, 화학적 성질이 좋고 찢어짐에 대한 저항이 좋다 - 자동차의 외장 및 부품, 의료기, 가전제품의 부품, 전선의 절연, TV 장, 파이프, 접속부, 컵, 유가공제품 및 주스의 용기, 화물상자, 로프, 창틈마개 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 폴리스티렌(polystyrene) - 저렴하고 적당한 성질, 약간의 취성 - 일회용 용기, 포장, 육류, 과자, 캔디등의 받침, 절연체, 가전제품, 자동차 및 TV/라디오의 부품, 가정용품, 완구 및 가구의 부품(목재의 대용품) 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • 폴리설폰(polysulfone) - 열, 물, 증기에 대하여 매우 우수한 저항성 - 유기용제에 약하다 - 증기 다리미, 커피제조기, 온수용기, 살균을 요하는 의료용기, 동력공구 및 가전제품의 하우징, 항공기 객실의 내장, 절연체 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열가소성 플라스틱의 종류와 용도 • PVC(polyvinyl chloride) - 저렴하고 내수성이 있으면서 강성 및 연성으로 만들 수 있으나 강도나 열저항을 요하는 곳에는 부적합 1. 강성 PVC - 파이프, 도관, 자동차의 앞유리, 표지판 등에 사용 2. 연성 PVC - 전선 및 케이블의 피복, 저압용 유연튜브 및 호스, 신발류, 인조가죽, 융단, 음반, 개스킷, 봉합부, 외장, 필름, 박판, 코팅 등에 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

열경화성 플라스틱의 종류와 용도 • 알키드(alkyds) - 전기절연성, 충격저항, 치수안정성이 양호 - 흡습성이 낮다 - 전기 및 전자 부품에 주로 사용 Manufacturing Process, 2007 Gyeongsang National University

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