열가소성 수지 대 열경화성 수지: 차이점 분석

열가소성 수지와 열경화성 수지는 다양한 산업에서 널리 사용되는 두 가지 주요 플라스틱 유형입니다. 유기 고분자라는 점에서 유사점이 있지만, 열가소성 수지와 열경화성 수지는 분자 구조와 특성 면에서 중요한 차이점을 가지고 있으며, 이러한 차이점이 사용 방식을 결정합니다.

이 글은 열가소성 수지와 열경화성 수지의 차이점을 이해하고, 각 수지의 다양한 특성과 응용 분야를 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

열가소성 수지와 열경화성 수지 개요

제조업에 사용되는 고분자 재료의 두 가지 주요 범주는 열경화성 수지와 열가소성 수지입니다.

두 재료에 대한 간략한 정의는 다음과 같습니다.

• 열가소성 플라스틱은 특정 온도 이상에서 휘어지거나 성형이 가능해지고, 냉각하면 응고되는 고분자입니다. 화학 구조 변화 없이 재가열하여 원하는 모양으로 변형할 수 있습니다.
• 열경화성 수지란 가교 네트워크를 형성하여 돌이킬 수 없게 경화되거나 굳어지는 고분자 소재입니다.

열경화성 수지와 열가소성 수지의 차이점:

다음과 같은 몇 가지 주요 속성이 다릅니다.

• 열가소성 플라스틱은 가열 시 반복적으로 경화되고 연화되는 반면, 열경화성 플라스틱은 초기 성형 후 영구 경화됩니다.
• 열가소성 플라스틱은 열경화성 플라스틱의 분해 온도에 비해 용융 온도가 낮습니다.
• 열경화성 수지는 일반적으로 더 높은 기계적 강도, 경도 및 열 안정성을 갖습니다.

다음은 열가소성 플라스틱의 몇 가지 예입니다.

• 아크릴
• 나일론
• 아세탈 공중합체 폴리옥시메틸렌
• 아세탈 호모폴리머 폴리옥시메틸렌
• 폴리카보네이트(PC)
• 폴리에틸렌(PE)
• 폴리스티렌(PS)
• 폴리프로필렌(PP)
• 폴리염화비닐(PVC)
• 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)
• 테프론

열경화성 플라스틱은 구조적 무결성을 제공하고 경제적이기 때문에 산업계에서 사용됩니다. 열경화성 플라스틱의 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

• 페놀류
• 실리콘
• 멜라민
• 에폭시
• 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)
• 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)
• 폴리우레탄
• 폴리이미드

제조 과정에서 열가소성 플라스틱은 사출 성형과 같은 공정에 적합한 반면, 열경화성 플라스틱은 보강재 함침 및 경화 조절이 필요합니다. 복합재는 열가소성 및 열경화성 폴리머 매트릭스를 모두 사용하여 제작할 수 있습니다. 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)과 C/C-SiC와 같은 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)가 그 예입니다.

화학적 특성 및 구조

폴리머 사슬과 가교 

열가소성 수지는 폴리에틸렌이나 나일론처럼 보통 탄소 기반 분자의 선형 사슬입니다. 사슬 간의 강한 결합이 부족하여 재성형이 쉽고 유연합니다. 그러나 열경화성 수지는 분자가 가교되어 복잡한 그물망을 형성합니다. 에폭시, 실리콘, 페놀 수지와 같은 소재는 이러한 그물망과 같은 구조를 가지고 있어 경화 후 재성형이 어렵습니다.

• 열가소성 플라스틱: 선형, 가교 없음(예: 폴리카보네이트, 아크릴)
• 열경화성 수지: 가교된 교차 네트워크(예: 에폭시, 폴리우레탄)

내화학성

화학 물질에 맞서 싸워야 한다면 어떤 물질이 잘 견뎌낼지 알아야 합니다. 폴리머 선택이 핵심입니다. 폴리프로필렌과 같은 열가소성 플라스틱은 많은 화학 물질에 아무런 문제없이 견딜 수 있지만, 특정 용매에 약해질 수 있습니다. 열경화성 플라스틱은 견고한 구조 덕분에 좀 더 강합니다. 에폭시나 페놀 수지와 같은 소재는 까다로운 가교 결합 덕분에 더 다양한 화학 물질에 잘 견딥니다.

• 내화학성:
  • 열가소성 플라스틱: 양호~매우 우수(나일론, 아크릴 등 소재에 따라 다름)
  • 열경화성 수지: 일반적으로 우수함(예: 실리콘, 폴리우레탄)

제조 및 성형 공정

열가소성 및 열경화성 제품을 생산해야 하는 경우 다음과 같은 가공 기술이 있습니다.

• 열가소성 플라스틱: 사출 성형 및 압출과 같은 공정에 적합하도록 가열하여 유연하게 만듭니다.
• 열경화성 수지: 보강재에 함침되어 조절된 경화 반응을 거칩니다.

사출 성형 및 압출

열가소성 플라스틱을 다룰 때는 사출 성형이나 압출 성형과 같은 기술이 널리 사용됩니다. 사출 성형은 열경화성 플라스틱을 녹여 고압으로 금형에 주입하는 공정입니다. 공정 속도가 빠르기 때문에 동일한 제품을 대량으로 생산하는 데 적합합니다. 압출 성형은 플라스틱을 다이에 밀어 넣어 길고 연속적인 모양을 만듭니다.

주요 공정 특성:

• 열가소성 펠릿을 가열된 통에 넣고 압력을 가해 금형 캐비티에 밀어 넣습니다.
• 흐름 방향과 용접선 형성으로 인해 문제가 발생할 수 있습니다.
• 폴리에틸렌(PE)과 같은 결정질 열가소성 플라스틱은 폴리스티렌(PS)과 같은 비정질 플라스틱에 비해 더 취약합니다.

경화 공정

열경화성 플라스틱을 다룰 때는 경화 과정이 매우 중요합니다. 열을 가하거나 화학 반응을 일으키면 재료가 영구적으로 변하기 때문에 경화 후에는 다시 모양을 바꿀 수 없습니다. 이 과정을 통해 폴리이미드와 같은 열경화성 플라스틱은 단열재나 접착제처럼 튼튼하고 내구성 있는 재료로 굳어집니다. 경화 과정을 거치면 고온과 화학 물질에 대한 내성이 생겨 혹독한 환경에서도 자주 사용됩니다.

액체 실리콘 침투

검색 결과에 따르면, 액상 실리콘 침투(LSI)는 세라믹 매트릭스 복합재, 특히 C/C-SiC(탄소-탄소 탄화규소) 복합재를 제조하는 데 사용되는 공정입니다. 출처에서 발췌한 액상 실리콘 침투(LSI)에 대한 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 이는 실리콘의 녹는점(1414°C) 이상에서 용융 실리콘을 다공성 탄소 프리폼에 침투시키는 것을 포함합니다. 
• 용융 실리콘은 탄소와 반응하여 탄화규소(SiC)를 형성하여 SiC 매트릭스 복합재를 생성합니다.
• 화학 증기 침투와 같은 다른 공정과 비교했을 때 SiC 매트릭스 복합재를 제조하는 효율적이고 비용 효율적인 방법입니다.
• 온도, 진공 수준, 불활성 가스 압력과 같은 공정 매개변수를 제어하여 침투를 최적화할 수 있습니다.
• 다공성 탄소 프리폼 미세구조는 침투 및 반응의 완전성에 영향을 미칩니다.
• LSI에서 만든 복합소재는 높은 열 안정성, 열전도도 및 기타 향상된 특성을 가지고 있습니다.

요약하자면, LSI(Liquid Silicon Infiltration)는 용융 실리콘 침투와 탄소와의 반응을 이용해 C/C-SiC 세라믹 매트릭스 복합재를 만드는 특수 제조 공정입니다.

수지 이송 및 반응 사출 성형 

열경화성 플라스틱을 사용하는 경우, 수지 이송 성형(RTM)을 사용할 수 있습니다. 이는 프리폼을 사용하는 사출 성형의 더욱 정교한 버전입니다. 반응 사출 성형(RIM)은 열경화성 플라스틱을 사용하는 또 다른 기술로, 두 가지 액체 성분을 혼합하여 반응시켜 금형 내부에서 경화시키는 방식입니다. 두 방법 모두 자동차 및 항공우주 분야에서 흔히 사용되는 복잡한 형상의 견고한 부품을 생산합니다.

재료 특성 및 성능

열가소성 수지와 열경화성 수지의 특성과 성능 특성은 상당히 다릅니다.

 기계적 특성

• 강도 - 열경화성 수지는 일반적으로 열가소성 수지에 비해 우수한 강도와 내구성을 제공합니다. 열경화성 수지는 재료가 변형 없이 높은 응력을 견뎌야 하는 까다로운 응용 분야에 자주 사용됩니다. 한편, 폴리프로필렌과 같은 열가소성 수지는 높은 강도 대 중량비를 자랑하여 다양한 용도에 충분히 강하면서도 가볍습니다.

탄력성과 유연성

열가소성 플라스틱은 일반적으로 열경화성 플라스틱보다 유연성과 탄성이 뛰어납니다. 예를 들어, 폴리스티렌과 같은 열가소성 플라스틱은 휘어지고 늘어날 수 있어 어느 정도 신축성이 필요한 제품에 적합합니다. 이러한 탄성은 낮은 녹는점 덕분에 필요에 따라 재가열 및 재성형이 가능하기 때문입니다.

치수 안정성 및 허용 오차

열경화성 수지는 치수 안정성이 뛰어납니다. 열이나 경화 과정에서 모양이나 치수가 쉽게 변하지 않습니다. 일단 경화되면 구조가 매우 견고합니다. 공차가 엄격한 정밀 부품의 경우 이는 매우 큰 장점입니다. 열가소성 수지 또한 치수 안정성이 우수하지만, 올바르게 가공하지 않으면 변형될 수 있습니다.

수축 및 크리프 거동

열가소성 수지는 성형 공정 후 냉각되면서 다소 수축하는 경향이 있습니다. 반면, 열경화성 수지는 가교 구조 덕분에 수축률이 매우 낮습니다. 장기적으로 열가소성 수지는 지속적인 응력 하에서 변형될 수 있는 반면, 열경화성 수지는 형태를 안정적으로 유지하여 시간이 지남에 따라 내충격성이 우수합니다.

미세구조의 효과

• 결정성은 반결정성 열가소성 수지의 특성에 영향을 미칩니다.
• 가교 밀도는 열경화성 수지의 열 안정성에 영향을 미칩니다.
• 다공성과 결함은 기계적 성능을 저하시킵니다.

고온 동작

• 대부분의 열가소성 플라스틱은 150~200°C 근처에서 연화됩니다.
• 열경화성 수지는 최대 300~400°C까지 특성을 유지합니다.
• 산화 및 내식성이 중요합니다

 재활용 및 지속 가능성

• 열가소성 플라스틱은 재활용이 가능합니다
• 열경화성 수지는 가교 네트워크를 형성하므로 재가공이 불가능합니다.

응용 프로그램 및 산업 사용

열가소성 수지와 열경화성 수지는 특성과 비용 경제성의 차이로 인해 다양한 산업에서 사용됩니다.

산업별 응용 프로그램

주요 응용 분야:

• 자동차: 내부 부품, 후드 아래 구성품
• 항공우주: 기체 구조, 엔진 구성품
• 건설: 파이프, 코팅, 접착제
• 전자제품: 인쇄 회로 기판, 커넥터

 복합재 및 전구체

• 페놀 수지 및 기타 열경화성 수지를 전구체로 사용하여 만든 C/C-SiC 복합재
• 에폭시 매트릭스를 사용한 탄소 섬유 및 유리 섬유 강화 플라스틱

비용 경제학

열가소성 플라스틱은 원자재 비용이 높은 반면, 열경화성 플라스틱 가공은 더 복잡하고 비용이 많이 들 수 있습니다. 최적의 소재를 선택하려면 수명주기비용 분석이 중요합니다.

열경화성 플라스틱 및 열가소성 플라스틱의 최신 연구 동향

지속적인 연구는 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱을 더욱 개선하고 다양한 응용 분야에서의 잠재력을 비교하는 데 중점을 두고 있습니다.

열경화성 전구체 개발

• 탄소 섬유 및 탄소-탄소(C/C) 전구체로서 새로운 페놀 수지 및 기타 폴리머 평가
• 최적화된 복합재 성능을 위한 전구체 특성 맞춤화

처리 방법 개선

• 용접선 결함을 최소화하기 위한 사출 성형 매개변수 최적화
• 고속 및 정밀 적층 제조 기술 개발

미세구조-물성 관계

• 결정성, 가교 밀도 및 궁극적인 기계적 특성 간의 연관성 설명
• 다공성을 줄이고 계면 강도를 개선하기 위한 전략

비교 평가

• 최적의 재료 선택을 결정하기 위한 기술 경제 분석
• 지속 가능성 측정 항목을 고려한 수명 주기 평가 모델
• 주요 기준에 따라 자료를 순위화하는 의사결정 행렬

열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱의 미래 전망은?

재료와 제조 분야의 지속적인 발전은 열가소성 수지와 열경화성 수지의 미래 모습을 형성할 것입니다.

열가소성 전구체

• 복합재 제조를 위한 새로운 엔지니어링 열가소성 전구체
• 높은 기계적 성능을 유지하면서 재활용성을 활용하세요

하이브리드 시스템

• 특성을 최적화하기 위한 블렌드 및 복합재
• 예로는 열가소성 강화 에폭시가 있습니다.

적층 제조

• 최종 사용 열가소성 부품의 고속 3D 프린팅
• 기하학적 복잡성의 한계를 극복합니다

지속 가능한 가공

• 생물 기반 및 CO2 감소 생산으로의 전환
• 산업 4.0 원칙 채택

전반적으로 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱의 상승효과적 활용을 통해 고성능 및 지속 가능한 엔지니어링 시스템을 개발할 수 있습니다.

요약하자면, 열가소성 수지와 열경화성 수지는 형성 방식과 열에 반응하는 방식이 상당히 다릅니다. 열가소성 수지는 열을 가하면 연화되고 냉각하면 경화되는 과정을 반복할 수 있어 재성형 및 재활용이 더 쉽습니다. 반면 열경화성 수지는 경화 시 비가역적인 화학 반응을 일으켜 원래 형태를 영구적으로 유지하지만 다시 녹이거나 성형할 수 없습니다. 엔지니어와 제조업체는 열가소성 수지와 열경화성 수지의 특성을 파악하여 다양한 제품 요구 사항과 수명 종료 시점에 적합한 플라스틱 소재를 선택하는 것이 중요합니다.