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폴리에스테르 (Polyester) 수지

by composites posted Nov 24, 2014

폴리에스테르 (Polyester) 수지


폴리에스테르 수지는 가장 널리 사용되는 수지 시스템인테 특히 조선해양산업에서 많이 사용된다. 복합재료로 만들어진 소형 선박, 요트의 대다수는 이 수지 시스템을 사용한다.


폴리에스테르 수지는 불포화 타입이다. 불포화 폴리에스테르 수지는 열경화성 수지이고 정상적인 조건이라면 액체나 고체 상태에서 경화될 수 있다. 보통 불포화 폴리에스테르 수지는 ‘폴리에스테르 수지’ 혹은 단순히 ‘폴리에스테르’라고 불린다. , 글리콜, 모노머(monomer)로 만들어진 폴리에스테르는 그 구성요소의 종류에 따라 특성이 다양하다.


복합재료 산업에서 기본적으로 사용되는 두가지 타입의 기본적인 폴리에스테르 수지가 있다. Orthophthalic 폴리에스테르 수지는 많은 사람들이 사용하는 경제적이고 기본적인 수지이다. Isophthalic 폴리에스테르 수지는 현재 탁월한 내수성이 요구되는 조선해양산업과 같은 곳에서 각광받기 시작하는 재료이다.


아래 그림은 전형적인 폴리에스테르의 이상적 화학 구조를 보여준다. 분자 사슬 사이의 에스테르 그룹들 (CO - O - C)과 반응기의 (C=C) 위치를 표시 하였다.


polyester resin chemical formula 1.JPG


대부분의 폴리에스테르 수지는 보통 스티렌인 모노머 안에 있는 폴리에스테르 용액으로 구성된 점성이 있고 연한 색깔의 액체이다. 50%에 달하는 스티렌 첨가물은 점도를 줄여주어 수지를 취급하는데 좀더 쉽게 한다. 게다가 스티렌은 수지를 폴리에스테르 분자 사슬의 교차결합에 의해 액체에서 고체로 경화시키는 아주 중요한 역할을 수행하는데 이때 어떠한 부산물도 생성시키지 않는다. 그래서 이들 수지는 압력의 사용없이 성형될 수 있고 따라서 ‘접촉’ 혹은 ‘저압’ 수지라고 불리운다. 폴리에스테르 수지는 장기간에 걸쳐 스스로 굳거나 ‘겔’화 되기 때문에 제한된 보관 시간을 갖는다. 수지가 제작되는 동안 겔화되는 것을 늦추기 위해 종종 소량의 반응 억제제가 첨가된다.


몰드에서 사용을 위해 폴리에스테르 수지는 몇몇 부수적인 첨가물을 필요로 한다. 이것들은 보통 다음과 같다.

촉매제/촉진제/첨가제 : Thixotropic; 안료; 충진제; 내화학제/내화제


제조사는 기본적인 형태나 혹은 위에서 상기 첨가제들을 포함시킨 형태의 수지를 제공할 수 있다. 수지는 주형에 성형되기 앞서 주형 제작자의 요청에 따라 단순히 촉매제를 첨가함으로서 제작될 수 있다. 지금까지 언급된 것 처럼 불포화 폴리에스테르 수지를 충분한 시간동안 방치하게 되면 그것은 스스로 굳게 된다. 이 중합 속도는 실질적으로 너무 느리기 때문에 실질적인 시간 기간 내에 수지의 중합을 이루기 위해 촉매제와 촉진제가 사용된다. 촉매제는 중합 작용을 일으키기 바로 전 수지 시스템에 첨가된다. 촉매제는 화학 반응에 참여하지는 않지만 단순히 반응을 활성화한다. 촉진제는 반응을 상온에서 높은 속도로 이루어 지도록 촉매 작용을 받은 수지에 첨가된다. 촉진제는 촉매제가 없으면 수지에 영향을 거의 미치지 않기 때문에 폴리에스테르 제조사는 가끔 제조사에서 미리 촉진제를 넣은 형태로 생산하기도 한다.


촉매제의 존재하에 스티렌 ‘S’의 첨가되면 스티렌은 아래 그림과 같이 복잡한 3차원 망상조직을 형성하기 위해 각각의 반응기에서 폴리머 사슬과 교차결합한다.


교차결합된 상태를 폴리에스테르 수지는 ‘경화’되었다고 한다. 그것은 이제 내화학성의 단단한 고체이다. 교차결합 혹은 경화 과정을 ‘중합 반응’이라 하며, 비가역적 화학 반응이다. 분자 사슬의 나란히 교차결합 된 성질은 폴리에스테르 층이 충격 하중을 받았을 때 취성 파괴되게 하는 경향이 있다.


성형 전 수지 혼합을 준비할 때는 세심한 주의가 필요하다. 수지와 첨가제는 촉매제를 넣기 전에 모든 성분들을 고르게 혼합하기 위해 조심스럽게 저어야 한다. 수지에 혼입된 기포는 최종 부품 품질에 영향을 미치기 때문이다. 구조물을 약하게 하는 공기 방물이 적층물에 들어갈 수 있기 때문에 보강재 층을 적층할 때 특히 조심해야 한다. 최적의 재료 물성을 얻도록 중합 반응을 일으키기 위해 알맞은 양으로 촉진제와 촉매제를 첨가하는 것 또한 매우 중요하다. 너무 많은 촉매제는 빠른 겔화 시간을 초래하고 반면에 너무 적은 촉매제는 덜 경화되는 결과를 초래할 것이다.


혼합 수지의 조색은 안료에 의해 수행된다. 안료는 수지 무게의 3%에 불과하지만 경화 반응에 영향을 쉽게 미치고 부적절한 안료를 사용했을 때 최종 적층물의 질을 떨어뜨리기 때문에 안료 재료의 선택은 신중히 고려되어야 한다.


충진재는 다음과 같은 이유에 의해 널리 사용된다 :



성형물의 가격을 줄이기 위해
성형 공정을 용이하게 하기 위해
성형물에 특별한 특성을 덧붙이기 위해

충진재는 적층물의 굽힘 강도나 인장 강도에 영향을 미치기는 하지만 보통 수지 무게의 50%에 달하는 양이 첨가 된다. 충진재의 사용은 충진재가 없었을 경우 상당한 발열이 발생할 수 있는 두꺼운 부품의 적층물 혹은 주조물에서 유리할 수 있다. 또한 적층물의 내화성을 높이는데도 기여한다.


[폴리에스터 수지로 만들어진 Boat용 복합재료 Hull]


790_polyester hull.jpg





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