열가소성(Thermoplastic) vs 열경화성(Thermoset)

열가소성 vs 열경화성

 

열가소성 및 열경화성 플라스틱은 일상생활에 없어서는 안될 중요한 고분자 소재이지만 서로 다른 생산 공정을 거치며 구성 재료 및 생산 방법에 따라 굉장히 다양한 특성을 보여줍니다. 여기서 열가소성 및 열경화성이라는 단어를 통해 이 두 수지는 열에 의해 가소성을 가지거나 열에 의해 경화가 되는 소재라는 차이점이 있다는 것을 예측할 수 있습니다.

 

즉, 열경화성 플라스틱과 열가소성 플라스틱의 가장 큰 물리적 차이점은 고온에 의해 재료가 반응하는 방식이 다르다는 것입니다. 열가소성 플라스틱 또는 수지의 경우 고온으로 가열하면 가소성을 띄게 되어 소성 변형이 가능하며 녹는 점까지 가열되면 액체 형태로 부드러워집니다. 이러한 물리적 특성의 변화는 가역적이므로 열가소성 플라스틱의 경우 냉각하여 굳힌 후 다시 성형하고 재활용 할 수 있습니다.

 

반면에 열경화성 플라스틱은 고온으로 가열하면 고분자 사슬 내부에 가교 구조가 형성되여 딱딱하게 굳는 경화 현상이 나타납니다. 이러한 경화 과정은 비가역적인 화학적 변화이기 때문에 한번 경화된 열경화성 플라스틱은 열가소성 플라스틱과 달리 재용융 또는 재성형이 불가능한 특징이 있습니다.

 

열가소성 플라스틱

 

대부분 열가소성 수지는 상온에서 고체상태로 존재하며 이를 유리전이온도(Tg) 이상으로 가열시 소성변형이 가능할 정도로 부드러워지며 더욱 높은 온도로 가열할 시 흐름성을 가질 수 있을 정도로 점도가 낮아집니다. 이러한 열가소성 플라스틱의 특성을 이용해 고온의 열가소성 플라스틱 용융물을 금형에 부어 사출 성형 또는 블로우 성형과 같은 공정을 통해 원하는 모양으로 성형하고 최종적으로 냉각하여 복합한 모양의 제품을 생산할 수 있습니다.

 

열가소성 플라스틱의 가장 중요한 특성은 열에 의한 가역적인 형태 변경 능력이라고 할 수 있습니다. 다시 말해 이미 완성된 열가소성 플라스틱이라도 다시 열을 가하면 다른 형태로 재성형이 가능하다는 뜻입니다. 다만 플라스틱 다른 재료와 마찬가지로 지나치게 높은 온도로 열가소성를 가열하면 열가소성 플라스틱을 구성하는 고분자 사슬에 화학적 변화가 발생하여 원치 않는 수준으로 재료가 연화(softening)되거나 분해되어 기존에 가지고 있던 물리적 특성을 잃을 수도 있습니다.

 

대표적인 열가소성 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리염화비닐(PVC) 등이 있습니다. 

 

폴리에틸렌(Polyethylene)

 

열경화성 플라스틱

 

열경화성 플라스틱은 일반적으로 가열이나 경화제에 의해 비가역적으로 경화되는 플라스틱 물질로, 대부분 실온에서 액체 상태로 존재하는 물질입니다. 열경화성 플라스틱 소재를 원하는 형태의 금형에 넣고 가열하면 고분자 사슬에 '가교'라고 하는 화학적 결합이 형성되며 금형의 형태대로 응고됩니다.

 

즉, 열경화성 플라스틱은 열가소성 플라스틱과 달리 열을 가한 상태에서 가교에 의해 경화되며 냉각 후 재가열하여도 다시 녹지 않습니다. 만약 열경화성 플라스틱을 경화 온도보다 훨씬 더 높은 온도로 가열한다하여도 다시 유동성을 가지지 않고 바로 열분해되는 특징이 있습니다. 열경화성 플라스틱의 경우 실온 및 고온에서의 유동성에 따라 단순 압축 성형, 수지 이송 성형(RTM), 인발 성형, 필라멘트 와인딩과 같은 다양한 방식의 공정이 가능합니다.

 

대표적인 열경화성 소재로는 에폭시, 폴리이미드, 페놀계 수지 등이 있으며 이러한 열경화성 플라스틱의 경우 복합재에서 매우 중요한 물질로 알려져 있습니다.

 

에폭시 수지(Epoxy resin)

 

열경화성 vs 열가소성 차이의 원인은?

 

열가소성 및 열경화성 플라스틱의 화학구조

 

열경화성 플라스틱과 열가소성 플라스틱의 열적 거동의 차이는 기본적으로 이 두 플라스틱이 가지는 화학 구조의 차이에서 기인합니다. 구체적인 차이점은 고분자를 이루는 사슬 전체에 걸쳐 인접한 고분자 사슬과 화학적 결합이 가능한 특정한 구조를 가지고 포함하는지 여부입니다.

 

든 열경화성 플라스틱은 화학적으로 다른 고분자 사슬과 화학적 결합이 가능한 구조를 가지고 있으며 이러한 '가교 반응'을 통해 최종적으로 고분자들이 경화되어 구조체를 형성하게 됩니다. 가교 반응을 통해 완전히 경화된 열경화성 플라스틱 내의 고분자들은 모두 마치 하나의 큰 구조체를 이루어 분자들의 이동성이 현저히 낮아지며 분자 내부의 원자 또한 이동에 제약을 받아 더 이상 가역적인 열적 특성을 나타내기 어렵게 됩니다.

 

열경화성 플라스틱과 열가소성 플라스틱의 차이를 구분하는 또 다른 방법은 두 플라스틱의 분자량을 측정하는 것입니다. 서로 다른 두 플라스틱을 비교할 때 열경화성 플라스틱의 경우 경화과정에서 가교 반응으로 인해 고분자 사이들의 네트워크가 형성되기 때문에 분자량이 크게 증가하지만 열가소성 플라스틱의 경우 그렇지 않습니다.

 

또한 이러한 경화과정에서 나타나는 분자량의 급상승으로 열경화성 플라스틱의 경우 녹는점과 같이 분자량의 영향을 받는 특성 또한 급격히 변할 수 있습니다. 만약 어떠한 요인에 의해 인해 가교 반응 중 분자량이 지속적으로 증가하면 가교 전의 소재가 가지는 녹는점 이상으로 온도를 가하여도 녹지 않고 더 고온에서 바로 열분해가 일어나게 됩니다.

 

열경화성 플라스틱과 열가소성 플라스틱의 성질

 

일반적으로 열가소성 플라스틱의 경우 강도가 높고 유연성이 있으며 수축에 강한 성질을 보여줍니다. 우리가 여행 시 사용하는 플라스틱 캐리어부터 베어링, 정밀기계부품에 이르기까지 굉장히 다양한 분야에 사용될 수 있는 다목적 소재입니다. 열경화성 플라스틱과은 일반적으로 내열성과 내화학성이 높으며 기계적으로 쉽게 변혀되지 않는 강한 구조적 특징을 가지고 있습니다.

 

아래의 표는 열경화성 플라스틱과 열가소성 플라스틱의 일반적인 성질에 대해 비교한 자료입니다. 이러한 다양한 성질의 차이는 결국 가교에 의해 나타날 수 있다는 사실을 이해하는 것이 좋습니다.

 

	열가소성 플라스틱	열경화성 플라스틱
분자구조	선형 : 분자간 힘 약함	네트워크 구조 : 가교로 인한 높은 화학적 결합 존재
녹는점	녹는점이 분해온도보다 낮음	녹는점이 분해온도보다 높음
기계적 특성	유연하며 탄성이 있어 내충격성 우수	취성이 있으며 단단하거나 딱딱함
중합법	부가중합 (가공 전)	중축합 및 가교 (가공 중)
반응열	흡열반응	발열반응
재활용	가열을 통한 재사용 가능	재사용 불가
내구성	내화학성 매우 우수	내열성 및 내화학성 우수
용해도	유기융매 용해 가능	유기용매 용해 불가능

 

열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱의 제조 공정

 

열가소성 플라스틱은 열을 가한 상태에서 압출, 사출, 진공성형 등 다양한 방법으로 가공이 가능한 소재입니다. 직경 수 mm 크기의 과립의 상태의 고체 원료를 금형에 넣고 녹는점까지 가열 후 원하는 모양으로 만들게 되는데, 열가소성 플라스틱 자체의 낮은 열전도도로 인해 냉각을 위해 상당히 오랜 시간이 필요하다는 특징이 있습니다. 따라서 생산성을 높이기 위해 금형에 냉수를 분사하거나 또는 아예 물이 담긴 수조에 담그어 급격히 냉각을 시키기도 합니다. 이 과정에서 적게는 0.6%에서 많게는 약 4%정도 수축하며 최종 제품이 만들어집니다.

 

열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱의 가공성 차이

 

열경화성 플라스틱도 열가소성 플라스틱과 유사하게 열을 가한 상태에서 공정이 진행되지만 대체로 액체 상태의 원료를 이용하여 제조됩니다. 열경화성 플라스틱을 원하는 모양으로 만들기 위해서는 원료의 종류에 따라 적절한 경화제, 가소제 뿐 아니라 촉매나 억제제가 필요합니다. 또한 사용 목적에 따라 높은 기계적 특성이 필요한 복합소재를 만들 경우 물성 강화를 위한 지지체 또는 강화제를 추가하기도 합니다.

 

참고로, 이런 강화제가 포함된 복합재료의 경우 경화 전에 강화제를 액체 상태의 열경화성 수지에 함침시킨 후 수지를 부분적으로 경화시켜 시트 형태의 프리프레그(Pre-preg)를 만들고 이 시트들을 필요한 두께로 적층 후 최종적으로 완전 경화시켜 기판 형태의 복합소재를 만듭니다.

 

열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱의 종류 및 응용

 

열가소성 플라스틱의 종류와 사용분야는 아래와 같습니다.

 

폴리아미드 (Polyamide, Nylon)

: 견고하며 단단한 특성을 가져 전동 공구의 케이스, 기어 부품, 베어링 등에 사용됨

 

폴리메틸메타크릴레이트 (Polymethyl methacrylate, PMMA)

: 내구성이 높고 단단하여 간판, 항공기 동체 및 광택이 필요한 욕실 및 욕조의 구성품으로 사용됨

 

폴리염화비닐 (Polyvinyl chloride, PVC)

: 견고하며 단단하여 파이프, 바닥재, 산업용 피팅 등의 분야에 사용됨

 

폴리프로필렌 (Polypropylene, PP)

: 가볍고 내화학성이 우수해 의료용 및 실험용 장비나 끈, 주방기구에 사용됨

 

폴리스티렌 (Polystyrene, PS)

: 단단하나 가볍고 방수특성이 우수하여 경질 포장용 소재료 이용됨

 

폴리테트라플로로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE, Teflon)

: 매구 강하며 유연성이 높아 기계 부품, 개스킷에 사용되며 다른 물질이 잘 붙지 않아 조리기구의 코팅용도 사용됨

 

저밀도 폴리에틸렌 (Low-density polyethylene, LDPE)

: 질기지만 상대적으로 부드럽고 내화학성 우수해 랩이나 비닐팩, 장난감 등에 사용됨

 

고밀도 폴리에틸렌 (High-density polyethylene, HDPE)

: 딱딱하면서 내화학성 우수하여 플라스틱 물통이나 가정용 수납 용기로 사용됨

 

열경화성 플라스틱의 종류와 사용분야는 아래와 같습니다.

 

에폭시 수지 (Epoxy resin)

: 딱딱하지만 취성이 있어 강화제와 복합화 한 복합소재로 널리 사용되며 단독으로는 주로 접착제로 사용됨

 

폴리에스터 (Polyester)

: 압착 및 적층 전에는 단단하며 부서지기 쉬운 특징이 있으며 캡슐, 접착 또는 캐스팅 용도로 사용됨

 

폴리우레탄(Polyurethane)

: 내구성이 높으며 튼튼해 페인트, 절연소재, 신발, 자동차 부품 등으로 널리 사용됨

 

페놀 수지 (Phenolic resin)

: 내열성 및 절연성이 우수해 소켓, 플러그와 같은 전기전자 부품으로 널리 사용됨

 

멜라민 수지 (Melamine resin)

: 강하고 뻣뻣하지만 내화학성 및 내수성이 좋아 식기, 표면 보호용 코팅, 전기 절연 부품에 사용됨