폴리우레탄

폴리우레탄(polyurethane)은 열경화성 수지는 아니나 유사한 3차원 구조를 가진 플라스틱이다. 질기고 화학약품에 잘 견디는 특성을 가지고 있다. 전기절연체, 구조재, 기포단열재, 기포쿠션, 탄성섬유 등에 사용되며, 신축성이 좋아서 고무의 대체물질로도 사용된다.

개요

폴리우레탄은 우레탄 결합 -OCONH-을 가진 중합체의 총칭이다. 보통 디이소시안산염과 글리콜을 첨가중합하여 얻는다. 합성고무·합성섬유·접착제·도료·우레탄폼 및 자동차 범퍼 등 여러 가지 용도가 있다. 우레탄은 발포 폴리우레탄과 무발포 폴리우레탄이 있다. 전자는 우레탄폼이라고도 하며 초연질(超軟質)·연질·반경질(半硬質)·경질 등의 여러 가지 굳기를 가진다. 자동차 내장재에서 침구 매트리스에 이르기까지 다양한 용도로 쓰인다. 무발포 우레탄은 스판덱스, 합성피혁에서 코팅 및 실란트, 몰드 성형용으로 사용된다. 특히 중합(重合) 및 발포(發泡) 반응으로 만들어지는 발포 우레탄은 방음성·보온성이 뛰어나 냉장의 보온재나 주택의 방음단열재로 이용된다. 공업적으로 쓰이는 디이소시안산염은 종류가 많고, 글리콜 성분도 여러 가지인데, 폴리에틸렌글리콜과 폴리프로필렌글리콜, 또는 양 끝에 히드록시기(基)가 있는 폴리에스테르 등이 필요에 따라 쓰인다.

역사

독일 레버쿠젠에 있는 IG 파르벤(IG Farben)의 오토 베이어(Otto Bayer)와 그의 동료들은 1937년에 처음으로 폴리우레탄을 만들었다. 새로운 중합체는 올레핀을 중합하거나 다응축에 의해 만들어진 기존 플라스틱에 비해 몇 가지 장점이 있었고, 월리스 캐러스(Wallace Carothers)가 폴리에스터에 대해 얻은 특허로는 커버되지 않았다. 섬유와 유연한 발포 고무와 우레탄의 생산에 초점을 맞춘 초기 작업은 제2차 세계 대전 동안 항공기 코팅으로 제한된 규모로 적용되었다. 폴리이소시아네이트는 1952년 상용화되었고, 1954년 톨루엔 다이이소시아네이트(TDI)와 폴리에스테르 폴리에솔을 결합하여 플렉시블 폴리우레탄 폼을 생산하기 시작했다. 이 재료들은 견고한 발포 고무, 고무 고무, 엘라스토머를 생산하는데도 사용되었다. 선형 섬유는 헥사메틸렌 다이소시아네이트(HDI)와 1,4-부탄디올(BDO)로부터 생성되었다. 1956년 듀폰(DuPont)은 폴리에테르 폴리에탄올, 특히 폴리(테트라메틸렌에테르) 글리콜을 선보였고, 바스프(BASF)와 다우케미칼(Dow Chemical)은 1957년부터 폴리에틸렌글리콜을 판매하기 시작했다. 폴리에테르 폴리올은 폴리에스테르 폴리올에 비해 가격이 저렴하고 취급하기 쉬우며 내수에 강하여 더욱 인기를 끌었다. 미국의 몬산토/베이어(Monsanto/Bayer) 합작회사인 유니온 카바이드(Union Carbide)와 모베이(Mobay)도 폴리우레탄 화학제품을 만들기 시작했다. 1960년에 45,000 미터톤 이상의 유연한 폴리우레탄 발포 고무가 생산되었다. 클로로플루오로알케인 분무제, 저렴한 폴리에테르 폴리에톨, 메틸렌디페닐다이소시아네이트(MDI) 등이 사용 가능해 폴리우레탄 견고한 발포포를 고성능 단열재로 사용할 수 있었다. 1967년 우레탄으로 변형된 폴리이소시아노르산 견고한 발포 고무가 도입되어 내열성과 내화성을 더욱 향상시켰다. 1960년대 동안 계기판과 도어 패널과 같은 자동차 내부 안전 부품은 반강성 폼으로 열가소성 수지를 백필링하여 생산되었다.

1969년 베이어는 독일 뒤셀도르프에서 올 플라스틱 자동차를 선보였다. 페시아와 차체 패널과 같은 이 자동차의 부품들은 반응물을 혼합한 다음 금형에 주입하는 RIM(Reaction Injection Molding)이라는 새로운 공정을 사용하여 제조되었다. 밀링 글라스, 마이크로, 가공 광물 섬유 등의 필러가 추가되면서 RIM(강화 RIM)이 강화되어 휨 계수(강성)가 개선되고 열팽창 계수가 감소하며 열 안정성이 향상되었다. 이 기술은 1983년 미국 최초의 플라스틱 차체 자동차 폰티악 피에로(Pontiac Fiero)를 만드는 데 사용되었다. 강성은 사전 배치된 유리 매트를 RIM 몰드 캐비티에 통합함으로써 얻어졌으며, 이는 레진 사출 성형 또는 구조적 RIM이라고도 널리 알려져 있다. 1980년대 초부터, PVC 폴리머를 대체하여 자동차 패널과 공기 필터 씰을 위한 개스킷을 성형하는 데 수증식 미세 셀 플렉시블 폼이 사용되었다. 폴리우레탄 폼은 자동차 분야에서 인기를 얻었으며, 현재는 고온 오일 필터 분야에 사용되고 있다. 폴리우레탄 폼(폼 고무 포함)은 때때로 적은 양의 송풍제를 사용하여 보다 낮은 밀도의 폼, 더 나은 쿠션/에너지 흡수 또는 단열 효과를 제공한다. 1990년대 초, 오존 파괴에 미치는 영향 때문에 몬트리올 의정서는 트리클로로플루오로메탄(CFC-11)과 같은 많은 염소 함유 송풍제의 사용을 제한했다. 1990년대 후반까지 이산화탄소, 펜탄, 1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a), 1,1,3,3-펜타플루오로프로판(HFC-245fa)과 같은 송풍제가 북미와 유럽 여러 개발도상국에서 널리 사용되었다. 이후 HFC-134a도 오존파괴지수(ODP)와 지구온난화지수(GWP) 수치가 높아 사용이 금지되었고, 개발도상국에서는 HFC - 141B가 대체 송풍제로 2000년대 초에 도입되었다. 1,1-디클로로-1-플루오로에탄(HCFC-141b)은 2000년대 초 개발도상국에서 대체 송풍제로 도입되었다.

화학적 특성

에폭시, 폴리에스터, 페놀 등은 폴리우레탄이라 불리는 화합물들이다. 폴리우레탄은 폴리올과 이소사인염 결합체들(R−(N=C=O)n ≥ 2)간의 반응으로 수산화기 촉매(R '- (OH) N≥2)나 자외선 활성화에 의한 조건 하에서 생성된다. 폴리우레탄은 반응물인 이소사인염과 폴리올의 종류에 따라 특성이 좌우되는데, 폴리올에 함유된 긴 결합들은 부드러운 탄성 중합체가 될 수 있게 도와주고, 엄청난 양의 결합은 경질 중합체가 될 수 있게 도와준다. 두 결합의 중간정도 길이를 유지하게 되면 매우 신축성 있으면서도 적당한 단단함을 유지할 수 있다. 폴리우레탄의 3차원 결합은 이 중합체의 분자량이 엄청나다는 것을 의미하는데, 어떤 점에서 폴리우레탄 단위체는 하나의 거대한 분자로 간주될 수도 있다. 예를 들어, 폴리우레탄이 연소될 때 이 단위체들은 용융되지 않고 경화되어 성질이 바뀐다. 이것은 다른 첨가제를 단위체에 반응시켰을 때 새로운 성질의 중합체를 만들 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 폴리우레탄의 구성물질인 이소사인화염은 매우 반응성이 좋은 재료이다. 이것은 중합체의 제조에 있어서 좀더 가용성 있는 재료가 되기도 하지만 보관 및 사용에 주의해야 한다. 방향족 이소사인화염과 MDI, TDI와 같이 정확히 두 이소사인화염을 갖는 경우 관능성이 HDI와 IPDI와 같은 지방족 이소사인화염보다 더 반응성이 뛰어나다. 예외적으로 고분자 다이페닐메탄다이이소사인화염과 같이 여러 개의 이소사인화기를 갖는 중합체들이다. 이 분자들은 2.7 이상의 관능성을 지니고 있다. 폴리올은 그 자체적으로 중합체이며, 분자 당 평균 2개 이상의 수산화기를 가지고 있다. 폴리에테르폴리올은 주로 폴리올 전구체와 에틸렌옥사이드. 프로필렌 옥사이드와의 중합을 통해 제작된다. 폴리에스테르폴리올은 폴리에스테르 중합체와 마찬가지로 생성된다. 이 중합체들은 관능성이 뛰어나기 때문에 종종 이용된다. 수산화기를 포함한 분자들의 혼합물이기 때문에. 폴리우레탄을 제조하는 폴리올은 순수한 화합물이라고 볼 수 없다. 폴리올은 유연한 폴리우레탄을 제조하는 데에는 1만 이상의 분자량을 지닌 것을 사용하지만, 경질 우레탄을 제조하는데에는 수백의 분자량으로 제조해야 한다.

활용

• 육상트랙 : 경기 시 육체피로가 적으며 탄성이 풍부해 기록 향상에 도움이 되며 유지관리가 용이하다. 또한 어떤 기후에도 사용이 가능하다는 장점이 있다.
• 체육시설 : 폴리우레탄은 소재 자체의 풍부한 탄성 및 질기고 강인한 도막을 형성하며 유지보수가 용이하고 다양한 색상이 가능하다는 장점 때문에 테니스 코트 등을 비롯한 체육 시설에 많이 적용된다.
• 바닥재 : 우레탄의 특성 중 풍부한 탄성, 높은 기계적 강도, 우수한 내 마모성 등을 바닥재 용도로 응용한 제품으로 사무실 바닥, 공장 및 창고바닥, 주차장 등에 응용된다.
• 에폭시 바닥재 : 내충격성 등의 기계적 물성 및 내약품성이 우수하기 때문에 전자부품 및 정밀기기공장, 사무실바닥, 창고바닥 등에 응용된다.
• 도막방수재 : 이음새가 없는 연속된 방수층을 형성할 수 있으며 하지와의 접착력이 강한 탄성체이므로 하지의 팽창, 수축, 균열에 대해서도 강한 저항성이 있으며 어떤 재질의 하지에도 시공이 가능하다.
• 림 스프레이 : 초속경화 스프레이코팅 시스템은 기존의 방수 또는 바닥코팅 시스템에 비해 극히 빠른 경화특성이 있으므로 작업의 성력화를 이룰수 있으며 수직면에도 흐름 없이 연속적으로 소정의 도막 두께를 확보할 수 있다.
• 산업용 폼 : 우레탄 수지를 이용한 산업용 폼은 우수한 기계적 강도와 촉감이 양호하고 단열성이 뛰어나 건축, 자동차, 합성목재, 각종 산업용 자재에 널리 사용되고 있다.
• 탄성 칩바인더 : EPDM 또는 폐타이어 등의 고무칩을 우레탄 수지로 혼합하여 현장 타설 또는 일정 형태로 가공하여 골프장 보도용, 유아용 놀이터, 보도블럭 등으로 사용된다.
• 실란트 : 각종 부재간의 접합부나 간격(목지)에 충진 또는 장착시켜 목지에 수밀, 기밀성을 부여하고 유리 등에 대해서는 고정하는 역할을 하는 재료이다.
• 주형 : 저경도에서 고경도까지 다양하게 가공이 가능한 우수한 탄성체로서 특히 기계적 강도, 내마모성, 충격성, 내한성, 고탄성, 가공성이 우수하여 산업용 롤, 캐스터 휠, 톱니바퀴 등 각종 산업용 부자재로 적용이 가능한 혁신적인 폴리우레탄 시스템이다.
• 접착제 : 접착제의 대표적인 상표인 네오포스(NEOFORCE®)는 타사의 접착제와 차별화된 정밀화학의 결정체로 고품질, 고기능성의 제품군들로 고객의 다양한 요구 물성을 충분히 만족시킬 수 있는 접착제로 식품포장재용 접착제, 일반 산업용 접착제, 환경 친화성 제품인 수분산성 우레탄수지 등을 생산, 공급하고 있다.
• 합성피혁 : 합성, 인공피혁용으로 특수하게 설계된 용액형 우레탄수지인 크리스본(Crisvon)은 특유의 유연성과 강인성을 갖는 고분자구조로 내구성, 부드러운 촉감, 우수한 기계적 물성 등 고기능의 특성을 부여한 고품질의 수지이다.
• 전선 코팅 : 에나멜 와이어 코팅용으로 우레탄 수지를 사용하면 도막의 유연성, 전기 절연성, 저온납땜성 등이 우수하고 일액형 타입으로 사용이 간편한 장점이 있다.

참고자료

• 〈폴리우레탄(polyurethane)〉, 《사이언스올》
• 〈Polyurethane〉, 《Wikipedia》
• 〈폴리우레탄〉, 《위키백과》
• 비만기린, 〈우레탄이란?〉, 《네이버 블로그》, 2005-08-03

같이 보기

• 우레탄

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