폴리우레탄 소개(2)
출처: http://catdir.loc.gov/catdir/samples/wiley032/2002033074.pdf
3. 폴리우레탄의 종류
특정 등급의 폴리우레탄의 특별한 특성에 대한 고려와 이들이 사용되는 방식은 다양성을 보여줍니다.
1) 폼
그 자체로 중합 반응은 고형의 폴리우레탄을 생성하고, 그것은 중합 혼합물에 기체 폼을 형성하여 종종
‘발포’라고도 하며, 폼이 만들어집니다. 폼의 제조는 연속적으로 수행될 수 있으며, 연속된 라미네이트 또는
슬랩스톡(slabstock)을 생산하거나 또는 불연속적으로 생산하여 성형품 또는 자유 발포 블록(free-rise blo
-cks)을 생산할 수 있습니다.
연질 폼은 절단 및 성형을 통해 다양한 형태로 쉽게 생산될 수 있습니다. 이것은 모두 소파 및 매트리스에
사용됩니다. 연질 폼의 성형 공정은 여러 형태의 시트 및 의자의 편안하고 내구성이 있는 시트 쿠션을 만드
는 데 사용됩니다. 연질 폴리우레탄폼의 경제성과 청결성은 모든 실내 장식 및 침구 용품에서 중요합니다.
환경적으로 허용되는 적절한 발포제를 사용하여 발포할 때, 견고하고 저밀도의 경질 발포 폼이 제조될 수
있으며, 열전도율이 낮은 독립 셀 구조를 생성합니다. 뛰어난 단열 성능으로 건물, 냉장 운송, 냉장고 및
냉동고 등 광범위하게 사용됩니다.
빠르고 간단한 성형 공정을 사용하여 장식성 및 내마모성이 뛰어난 일체형 외피를 갖는 경질 및 연질 발포
폼을 제조할 수 있습니다. 미세한 표면은 가상의 목재 제품 ‘가죽의 잔주름’ 패딩 휠 및 직조된 표면 코팅의
간단한 제조가 가능하도록 폼의 전체 스킨으로 재현될 수 있습니다.
3가지 폼의 유형은 양적인 측면에서 특히 중요하며, 일반적으로 미세 다공성 탄성중합체 및 일체형 스킨
발포 폼으로 지칭됩니다.
① 저밀도 연질 발포 폼
저밀도 연질 발포 폼은 10~80kg/m³의 밀도를 가지며, 오픈 셀 매크로(open cell macro) 구조를 가진
가교된 폴리머로 만들어졌습니다. 인접한 셀 사이에 장벽이 없으므로, 발포체에 연속적인 경로가 생기므
로 공기가 통과할 수 있습니다. 이 재료는 주로 사용자에게 높은 수준의 편안함을 제공하기 위해 유연하고
탄력성 있는 패딩 소재로 사용됩니다.
그들은 비축품으로 생산되며, 이 비축품은 개별적으로 성형된 쿠션이나 패드로 절단됩니다.
건물 블록의 화학적 성질이 변한 이 재료의 반 경질 변종이 있으며, 주로 자동차의 보호 패드와 같은
에너지 관리시스템에 사용됩니다. 셀룰러 구조의 예는 아래 그림과 같습니다.
[연질 폼의 오픈 셀(open cell) 구조]
② 저밀도 경질 발포 폼
저밀도 경질 발포 폼은 본질적으로 폐쇄된 셀(closed cell) 구조 및 28~50kg/m³의 밀도의 밀도 범위를
갖는 고도로 가교된 중합체입니다. 발포 폼 안에 개별 셀은 얇은 폴리머 벽으로 서로 격리되어 폼을 통과
하는 가스의 흐름을 효과적으로 막습니다. 이 재료는 우수한 단열 특성과 함께 무게 대비 좋은 구조 강도
제공합니다. 셀은 일반적으로 가스 혼합물을 포함하고 있으며, 이들의 성질 및 상대 비율에 따라 발포체
는 다른 열전도율을 가집니다.
정기간의 열 성능을 유지하기 위해서는 열전도율이 낮은 가스가 셀에 남아 있어야하며, 따라서 셀의 90%
이상을 폐쇄해야합니다. 셀룰러 구조는 아래 그림과 같습니다.
[경질 폼의 폐쇄 셀(closed cell) 구조]
③ 고밀도 연질 발포 폼
고밀도 연질 폼은 밀도가 100kg/m³ 이상인 것으로 정의됩니다. 이 범위에는 성형 폼과 미세 다공성 탄성
중합체가 포함됩니다. 자체 스킨 또는 일체형 스킨 발포 시스템은 셀룰러 코어 및 비교적 조밀하고 장식
적인 스킨을 갖는 성형 부품을 제조하는 데 사용됩니다.
두 가지 유형이 있습니다.
ⓐ 오픈 셀(open cell) 코어 및 밀도가 약 450kg/m³ 이하인 것
ⓑ 크게 폐쇄된 셀(closed cell) 또는 미세 다공성 코어를 가지며 전체 밀도가 500kg/m³ 이상인 것
미세 다공성 탄성중합체는 400~800kg/m³의 범위에서 훨씬 더 균일한 밀도를 가지며, 대부분 폐쇄된
셀로 저밀도 응용 분야보다 훨씬 적습니다. 일체형 스킨 및 미세 다공성 탄성중합체의 가장 큰 용도는
실내 장식품, 자동차 트림 및 신발 바닥용 성형 부품입니다. 또 다른 유사한 물질은 다공성 구조가 종종
가스의 팽창 이외의 다른 방식으로 생성되는 미세 다공성 탄성중합체입니다. 종종 얇은 박막으로 제조된
이 물질은 가스와 같은 이동 가능한 구조로 되어 있지만 고체 필름의 외관과 물리적인 완전성을 가지고
있습니다.
2) 고체
발포 재료가 전 세계 폴리우레탄 시장의 상당 부분을 차지하지만 많은 다양한 응용 분야에서 사용되는
다양한 종류의 고체 폴리우레탄이 있습니다.
주조된 폴리우레탄 탄성중합체는 가스를 제거하고 반응성 액체 혼합물을 섞어 금형에 주입하여 간단하게
제조됩니다. 이 재료는 오일, 휘발유에 좋은 저항성과 많은 일반적인 무극성 용매에 대해 우수한 내마모성
을 가지고 있습니다. 이것은 인쇄용 롤러와 타이어 생산에 사용되며, 비교적 작은 저속 고체와 매우 큰
공압식 타이어에 사용됩니다.
폴리우레탄 탄성중합체 섬유는 용매로부터 실을 뽑아 제조되며, 보통 디메틸포름아미드(MDF) 또는 탄성
중합체 용융물로부터 압출에 의해 제조될 수 있습니다. 용매 공정은 지배적인 하나이며 두 가지 형태 중
하나는 완성된 탄성중합체가 용해되고 용매로서 방사된 섬유가 제거되고, 다른 하나는 MDF 용액에 이소시
아네이트와 폴리올을 혼합하고 반응이 진행됨에 따라 섬유가 회전합니다. 주 용도는 이러함 섬유가 천연
고무를 효과적으로 대체하여 의류로 사용할 수 있습니다.
열가소성 폴리우레탄은 사출 성형 및 압출과 같은 잘 정립된 열가소성 공정 기술로 가공하기 위한 과립
또는 펠렛으로 제공됩니다. 이러한 수단으로 고강도와 높은 내마모성 및 내환경성의 우수한 조합으로 탄성
중합체 성형물은 정확한 치수로 대량 생산할 수 있습니다. 적용 분야로는 호스 및 케이블 외장, 신발류
구성품 및 높은 마모 공학이 있습니다. 최근에는 사출 성형 중에 중합체를 발포시켜 응용 분야를 더욱 넓힐
가능성을 보여주었습니다.
폴리우레탄은 또한 직물 배합, 필름의 접착제 및 직물의 통기성 코팅에 사용됩니다.
페인트와 코팅은 항공기의 바닥 및 외부 스킨, 자동차 산업과 같은 표면에 대해 가장 높은 마모성을 제공
합니다. 바인더는 고성능 적용을 위해 적층된 빔과 OSB용 복합 목재 시장에 점점 더 많이 사용됩니다.
4. 폴리우레탄의 적용
폴리우레탄의 다용도성은 다섯 가지 주요 영역에서 응용 분야를 살펴봄으로써 증명할 수 있습니다.
1) 자동차
이 분야에서 폴리우레탄의 사용은 제조업체와 최종 소비자 모두에게 유리하게 확립되었습니다.
적용에는 스티어링 휠 및 대시 보드, 계기 어셈블리용 구성 요소와 같은 내부 부속품, 거울 주변 및 스포일
러와 같은 액세서리가 포함됩니다. 도어 패널, 소화물 선반, 선루프, 헤드 라이너, 엔진 공간에 장착된 부
품 및 구조용 섀시 구성 요소도 이제는 폴리우레탄으로 만들어집니다.
2) 가구
완충재 시장은 주로 고무 라텍스 폼, 면화, 폴리에스테르 섬유, 금속 스프링, 목재, 발포폴리스티렌, 프로필
렌 및 PVC와 경쟁하는 폴리우레탄 연질 발포체에 의해 공급됩니다. 폴리우레탄은 강하고 튼튼하지만 장식
용 일체형 가죽 소재의 유연성 또는 단단한 폼 구조가 필요합니다.
3) 건설
금속, 종이, 플라스틱, 알루미늄 또는 나무 사이에 샌드위치 형태의 경질 폴리우레탄 폼은 건설 산업에서
중요한 역할을 합니다. 이러한 복합 재료는 벽돌, 콘크리트, 목재 또는 금속의 기존 구조를 대신할 수 있으
며, 특히 발포폴리스티렌, 유리섬유 또는 미네랄울과 같은 다른 단열재와 함께 사용할 때 더욱 그러합니다.
기술적으로 진보된 목재 복합재는 마루 및 지붕을 위한 내 하중 적용 및 목재 구성 보드에 사용하기 위해
생산될 수 있습니다.
4) 단열재
경질우레탄폼은 건물, 냉장고 및 기타 가전제품 및 냉장 운송의 단열재 분야에서 타의 추종을 불허하는 기
술 이점을 제공합니다. 경쟁 단열재로는 코르크, 유리섬유, 미네랄울, 발포폴리스티렌, 압출법단열재 및
페놀 포름 알데히드가 포함됩니다.
5) 신발류
밑창, 몇몇 합성 외형 및 많은 유형의 신발류를 위한 고성능 부품은 폴리우레탄으로 제조됩니다.
이것은 전통적인 가죽 및 고무, PVC, 열가소성 고무 및 EVA와 경쟁합니다. 폴리우레탄 접착제는 신발
제조에 널리 사용되며, 코팅은 실제 가죽과 합성 피혁으로 만든 신발 겉의 외관과 내마모성을 향상시키는
데 사용됩니다.
5. 산업 구조
지난 반세기 동안 진화해온 폴리우레탄 산업 기반은 두 가지 핵심 요소에 의해 주도됩니다.
첫 번째는 원자재 제조와 관련된 규모의 경제입니다. 벤젠 또는 톨루엔과 같은 화학 물질로부터 출발하여
이소시아네이트를 제조하는 공정은 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 모든 화학 공정과 마찬가지로 고려해야
할 많은 안전 및 환경 문제가 있으며, 이러한 대량 화학 물질을 생산하기 위한 가장 낮은 비용 기반을 갖는
것이 필수적입니다. 결과적으로 제조는 몇몇 주요 글로벌 회사의 손에 달려있습니다.
폴리올 측면의 상황은 프로필렌 옥사이드(PO), 에틸렌 옥사이드(EO) 및 에스테르의 생산이 보다 넓게
퍼져있기 때문에 더욱 복잡하며, 부분적으로 이용 가능한 공정의 다양성과 상대적으로 적은 규모로 경제적
으로 운영됩니다. 또한 PO 및 EO는 공개 시장에서 구매한 다음 폴리올 생산에 사용되는 반면, 이소시아네
이트는 주요 업체에서 생산 및 판매할 수 있습니다. 물론 폴리올 성분에 대한 세계적인 생산 경제성을 갖는
것이 여전히 유익합니다.
두 번째 요인은 시장의 다양성과 그 시장에 이바지하는 경로입니다. 모든 주요 이소시아네이트 제조업체들
이 PO와 EO를 기본적으로 생산하고 폴리올을 제조하고 판매하지만, 화학 물질이 고객에게 전달되는 방식
에 대한 전략적인 선택이 있습니다. 이 선택은 주로 경제 및 공급망 물류에 의해 관리됩니다. 또한 고객이
항상 최종 생산자는 아닙니다.
이에 대한 실례는 최종 지정자/설계자에게 이동할 때 더 복잡한 제품을 제공하는 수많은 ‘계층’의 제조업체
가 있는 자동차 산업입니다. 자신의 이름과 브랜드로 자동차를 조립하고 판매하는 OEM(원래 장비 제조업
체)이라고 불리는 자동차 회사입니다. 따라서 화학 제조사는 완전 공식화된 시스템인 이소시아네이트와
폴리올을 연질 발포 시트 성형기에서 생산할 수 있도록 전체 첨가제를 포함하여 제공할 수 있습니다.
그러면 다른 회사에 쿠션을 제공하여 좌석 조립품을 완성합니다.
화학 제조사는 일부 고객에게 기본 이소시아네이트와 폴리올만 제공하고 고객은 자체 전문 기술을 사용하
여 시스템을 공식화한 다음 최종 제품 자체를 제조합니다. 또 다른 접근법은 독립적인 또는 정렬된 “시스템
하우스”를 사용하는 것으로, 이 시스템은 여러 소스의 기본 화학 물질을 구입하고 공식화된 시스템을 설계
및 제조한 다음 이를 최종 폴리우레탄 생산자에게 판매합니다.
6. 미래 동향
폴리우레탄 산업의 미래는 이 다재다능한 소재의 화학 및 고분자 물리학의 지속적인 혁신에 의해 주도될 것
이며 연구 및 개발은 새로운 역량을 지속적으로 제공할 것입니다. 프로필렌과 산화 폴리올과 폴리올과 같은
원료 공급 장치의 통합은 주요 화학 제조업체의 기반 비용에 영향을 줄 것입니다. 동시에 생산의 경제성이
향상되고 이전에 개척되지 않은 최종 용도로 시장 개발이 새로운 목표를 식별함에 따라, 산업의 성장은 경
제 성장뿐만 아니라, 기존 시장에서 다른 재료의 대체에 의해 촉진될 것입니다.
이것의 한 예가 복합 재료 분야에서 진행되고 있으며, 우수한 특성 및 가공 이점을 제공하는 폴리우레탄
합성물에 의해 금속 및 다른 엔지니어링 플라스틱이 대체되고 있습니다.