엘라스토머(Elastomer)
열가소성 엘라스토머는 상온에서 가황고무와 같은 고무 탄성을 가지고, 고온으로 가열하면 용융
가소화되어 통상의 플라스틱 성형기로 성형가공 가능한 고분자 재료라고 정의 되어있다.
이러한 열가소성 엘라스토머의 역사는 아주 오래되어 1952년에 글리콜 사슬의 길다란 세그먼트(
segment)를 가진 폴리우레탄이 압출성형이나 캘린더(calender) 가공 할수있다는 것을 알게 되어
1958년에 Goodrich사에서 공업화 되었다. 1965년이 되자(KRATON)이라는 상호로 폴리스티렌계
열가소성 엘라스토머가 Shell사에서 출시되게 되었고, 150℃정도에서 쉽게 용융 성형할수 있는
고무로서, 열가소성 엘라스토머의 호칭이 확대해 왔다. 그후 1967년 폴리염화비닐계,
71년 폴리에스테르계, 72년 폴리에스테르계, 79년 폴리아미드계 같은 열가소성 엘라스토머가
잇달아 공업화가 되면서 각 계에서 많은 등급이 시판되계 되었다. 이런한 열가소성 엘라스토머의
전체 생산량은 1990년에 약 12만톤이며 연간 성장률 12%라는 경이적인 신장을 보이고 있다.
* 종류
열가소성 엘리스토머의 전형적인 분자구조는 트리블록 공중합체이며 이외에 성형이나 멀티형 블록
공중합체, 수지와 고무를 혼합하여 약간 화학 가교(架橋)한것, 크래프트 공중합체, 이온 가교
공중합체등이 있다. 이들 열가소성 엘라스토머는 균질한 고무 상(相)에 3차원 그물코 매듭이
생기는 경질상의 분산된 2상 구조를 보인다. 그 경질상의 종류에 따라서 폴리스티렌계,폴리올레핑계,
폴리염화비닐계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계등으로 분류된다. 또한 고무 탄성을
보이도록 하기 위한 구속 양식은 각각의 경질 연쇄 성질에 따라서 동결상, 결정상, 결정상과 수소결합,
이온 가교등으로 나누어진다.
폴리스티렌계 열가소성 엘라스토머는 경질상에 폴리스티렌, 연지랑에 폴리부타디엔, 폴리이소프렌
또는 그러한 수첨물을 가진것으로서 트리블럭 공중합체나 성형 블록 공중합체 구조인것이다.
폴리올레핀계 열가소성 엘라스토머는 경질상에 폴리스티렌이나 폴리프로필렌, 연질상에 스티렌-프
로필렌고무(EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔고무(EPDM)를 가지는 것으로 이러한 단순적 기계적 블렌드(dlend)물
고무와 수지를 부분 가교한물질, 가황 고무, 미크로 분산된 동적 가황(Dynamic Vulcanizatuon) 물이
있다.
폴리우레탄계, 포리에스테르계, 폴리아미드계의 열가소성 엘라스토머는 연질상에 지방족 폴리에테르나
폴리에스테르를 모든계에서 이용하고, 경질상에 단쇄(短鎖) 글리콜의 폴리우레탄, 폴리부틸렌테레프탈레이트,
폴리아미드를 각각 쓰는 것으로서 멀티블록 공중합체 구조를 가지고 있다.
이상에서 말한것 외에도 비정(非晶) 폴리부타디엔과 결정(結晶) 신디오택틱-1.2-폴리부타디엔,
비정 폴리이소프렌과 결정 트랜스-1.4-폴리소프렌, 카복실(carboxyl)기를 포함한 폴리에틸렌,
에틸렌-비닐 알코올 중합체나 염소화 폴리에틸렌, 불소 고무를 조합한것 등이있다.
* 제조법
블록 공중합체의 합성, 폴리머 블렌드, 결정화도 조절등의 작업에 의해서 열가소성 엘라스토머가
만들어지고 있다. 제조 예를들면 다음과 같다.
폴리스티렌계 열가소성 엘라스토머는 나트륨나프탈렌, s-부틸리튬등의 개시제를 사용해서 리빙
음이온 중합법이나 리빙 음이온 중합물을 커플링(coupling)제로 연결하는 방법등으로 제조된다.
폴리우레탄계 열가소성 엘라스토머는 단쇄 글리콜 및 폴리올의 혼합물과 디이소시아네이트와의
중(重)부가 반응에 의해서 얻어진다.
폴리에스테르계 열가소성 엘라스토머는 폴리부티렌글리콜 및 폴리테트라메틸렌에테르글리콜의
혼합물과 디메틸테레프탈레이트와의 에스테르(ester) 교환반응을 계속해서 중축합(重縮合)함으로서
제조된다.
폴리아미드계 열가소성 엘라스토머는 티카본산을 이용해서 라우로락탐을 개환중합(開環重合)하여
양쪽 끝쪽에 카복실기를 가진 폴리아미드 12 올리고머를 만들고 계속해서 폴리에테르와 중축합(重縮合)
함으로서 합성된다.
불소계 열가소성 엘라스토머는 폴리올레핀가 에틸렌-프로필렌 고무(EPR) 또는 에틸렌-프로필렌-
디엔고무(EPDM)를 고무혼연기로 단순히 기계적으로 블렌드하는 방법이나 과산화물등을 이용하여
이를 조금 가교하는 방법으로 제조된다. 또한 폴리올레핀에 고무성분과 가황제를 넣어 용융 혼연에
의해 전단을 가하면서 가황을 하면 열가소성을 유지하면서 가황고무를 미크로 분산할수있다.
이 방법은 동적 가황이라고 불리우며 열가소성 엘라스토머의 새로운 제조법이다.
또한 경질상(硬質相)과 연질상(軟質相)이 동일 화학조성이지만 결정화도를 조절함으로써 열가소성
엘라스토머가 만들어지고 있다.
1.2-폴리부타디엔계 열가소성 엘라스토머로서 결정화도 15 ~ 35%의 것이 트랜스-1.4-폴리이소프렌계
열가소성 엘라스토머로서 결정화도 40%의 것이 제조되고 있다.
* 성질
열가소성 엘라스토머는 고무와 플라스틱의 중간 영역에 존재하여 성형 가공성은 플라스틱의 성형가공법을
물성은 가황 고무의 성질을 가진것이다.
고무 물성을 발휘하기 위해서는 분자 응집력이 작은 분자 운동이 용이한 무정형 고분자 사슬은 부분적으로
가교시켜 망상(網狀) 구조를 취할 필요가 있다. 열가소성 엘라스토머의 전형적인 예는 폴리스티렌-
폴리스티렌의 트리블록 공중합체이다. 트리블록 공중합체를 가열 용융하여 성형품으로 만든것은
폴리부타디엔의 해상(海相) 중에 폴리스티렌의 도상(島相)이 미크로 도메인으로 분산된 상태가 된다.
그리고 미크로 도메인끼리 트리블록 공중합체로 연결한 물리적인 가교 구이제는
열가소성이 되지 않지만 열가소성 엘라스토머는 가열에 의해 경질상이 용융하기 때문에 열가소성이
되어 용융성형 가공할수 있다.
열가소성 엘라스토머의 구속 양식은 앞에서 설명한 동결상 외에 수소결합, 결정상에 의한 물리적 구속이나
금속, 비금속 이온 가교에 의한 구속이다. 열가소성 엘라스토머의 구속에 쓰이는 경질상의 성분량은
자유자재로 조절할수 있고 그성분량도 비교적 많다. 게다가 단단하기 때문에 가황 고무에서 반드시 사용하는
보강제 역할도 담당하게 된다. 따라서 열가소성 엘라스토머는 그 자체로 보강된 가황 고무와 마찬가지로
또는 그 이상의 강도를 가지는 것이 많다.
열가소성 엘라스토머는 가장 가황 고무에 가까운 포리스티렌계로부터 플라스틱에 가까운 폴리에스테르계
까지 소재의 화학구조를 변화 시킴에 따라 광범위한 물성을 열가소성 엘라스토머가 가지게 된다.
또한 열가소성 엘라스토머는 화학 가교되어 있지 않기 때문에 성형 가공에서 스크랩(scrap) 재이용이
가능하고 유기용제에 녹기 때문에 캐스트법에 의해 용이하게 탄성 필름을 얻을수있다. 그러나 반대로 가황
고무 보다도 내열성이나 내용제성이 문제가 될때도 있고 또한 일반적으로 압축 영구 왜곡이 크기 때문에
이들을 방지하기 위해서 부분 가교하는 개질도 이루워지고 있다.
* 성형가공
열가소성 엘라스터머는 엘라스토머의 구속 영역(동결상(凍結相), 결정상(結晶相)등)이 용융하는 온도
이상으로 가열하면 유동하기 때문에 통상의 열가소성 수지와 같은 성형 가공 즉, 사출성형, 압출성형,
취입(吹入)성형등을 할수있다. 열가소성 엘라스토머의 성형가공은 기존의 가공 고무 같은컴파운드 공정,
가황 공정이 생략되기 때문에 에너지 절감, 자원 절약, 생산성이 높다. 또한 스크랩의 재생을 사용할수
있다는 것도 큰 이점이 된다.
* 사출성형
폴리오레핀계 열가소성 엘라스토머를 예로 들면 열안정성이 좋아 가령 열분해 하더라도 부식성 가스를
발생하는 일이 없기 때문에 특별 상양의 성형기는 필요없다. 그래서 일반적으로 쓰이는 범용 사출성형기로
충분히 성형가공 할수있다. 수지온도200 ~ 240℃, 사출압력 500 ~ 1000kgf/㎠, 금형온도 30 ~ 40℃(고광택
50℃이상), 냉각시간 30 ~ 60sec로서 폴리올레핀의 성형가공 조건과 그다지 다르지 않다.
* 압출성형
기본적으로는 열가소성 수지에 쓰이고 있는 압출성형기 및 기술을 이용해서 성형가공 할수있다.
예컨대 폴리올레핀계 열가소성 엘라스토머는 L/D 20 ~ 24, 스크류 압축비 2.7 ~ 3.5, 실린더온도 190 ~220℃
(점증(漸增)), 다이헤드 온도 210 ~ 220℃에서 성형한다. 또한 취입성형, 발포성형, 전선 케이블의
압출코팅도 할수있다.
* 용도
열가소성 엘라스토머의 생산중 폴리스티렌계가 가장 많아 약28%를 차지하고 폴리올레핀계, 폴리염화비닐게가
각각 약23%, 1.2-폴리부타디엔계, 폴리우레탄계가 각각 10%를 차지한다. 폴리에스테르계가 약 4%,
폴리아미드계는 약 1%, 불소수지계는 약 0.2%이다.
열가소성 엘라스토머는 신발, 접착제, 실란트(sealant), 자동차 부품, 호스, 튜브, 전선, 케이블,
기계부품이나 플라스틱 개질재로서 다방면에 걸처 쓰이고있다. 이러한 대부분의 것은 기존 가황 고무의 용도
분야이며 고무 제품중에서 열가소성 엘라스토머가 차지하는 비율은 신발 25%, 접착제. 실란트에서 21%,
프랄스틱 개질재, 자동차 부품에서 15%, 기타분야에서 5%이다. 재료자체의 가격은 고무에 비해 값이
비싸지만 성형 가공성에 의한 생산성 향상에 따라서 성형품 가격은 오히려 낮아진다.
(범용품)
열가소성 엘라스토머의 제품을 들면 다음과 같은 것이 있다. 폴리스티렌계는 플라스틱의 내풍격 개질재,
SMC의 저수축(抵收縮) 첨가제, 아스팔트 개질재(루핑(roofing), 도로포장), 테니스 라켓과 캡,
스키 스톡 그립, 시트, 첨가제등에, 폴리올레핀계는 자동차의 범퍼, 휘 하우스 커버, 트렁크룸의 내장,
오디오, 의료용 실드(shield)전선, 방수시트, 덕트 호스, 패킹등에 사용한다.
범퍼는 RIM 성형에 비해 생산성이 높다.
폴리염화비닐계는 자동차의 체인지레버, 스티어링휠, 웨더 스트립, 가스호스, 세탁기용 호스, 샤워호스,
등에 사용한다. 호스의 외장에 쓰면 컬러풀화, 경량화 할수있다. 또한 열가소화인것은 의료기구에 사용함.
폴리우레탄계는 컨베이어 V밸트, 스키화의 아우터 부츠, 골프화의 구두창, 실(seal)재, 방진, 방음 부품,
롤러등에 사용된다.
폴리아미드계는 유압, 고압호스, 컨베이어 밸트, 핫멜트 접착제등에 쓰이고, 불소수지계는 내약품,
내열용시트나 테입, 라이닝재등에 사용한다.
트랜스-1.4-표리이소프렌계, 폴리우레탄계, 폴리스티렌계에 있어서 연질상의 연화온도가 60 ~ 90℃인
것은 형상기억의 성질을 가지게 된다. 즉 연질상보다도 경질상의 요융온도가 높고 더구나 적당한 온도차가
있기 때문에 경질상의 용융온도 이상에서 성형가공 한다. 일단 성형품으로 만든뒤 연질상만 용융되는
온도로 고화되어도 다시 연질상만 용융하는 온도로 재가열하면 원래의 성형품 형상으로 돌아간다.
이런한 형상기억 수지는 파이프 내장, 라이닝, 지름이 다른 파이프의 접합, 조화, 캐릭터 완구에 사용된다.
** 출처 : 플라스틱사이언스 **