발포 성형의 최근 동향

발포 성형의 최근 동향
완충제부터 의료재료까지 용도 다양화
발포 플라스틱은 모체가 되는 플라스틱에 다수의 기포가 포함된 것으로 일반적으로 경량성, 단열성, 절연성, 흡음성, 충격흡수성 등이 우수하다. 성질은 플라스틱의 종류, 기포의 형상, 기포 내의 가스 종류에 따라 크게 상이하며 용도에 따라 설계된다. 값이 저렴하여 식품 트레이, 완충제부터 근래에는 전기전자 부품, 자동차 부품, 의료재료 등으로 용도가 확대되고 있다.

1. 기포의 제어

플라스틱 자체의 고차구조인 결정이나 겔의 형성을 이용하는 방법, 나노복합체나 폴리머 블렌드 등의 타성분의 첨가로 발포특성을 변화시키는 방법, 발포조건 자체를 개량하는 방법으로 이루어진다.

가. 결정과 겔
결정성 플라스틱의 결정부에서는 CO₂등의 발포제가 용해되지 않으므로 결정부에서는 발포가 일어나지 않는다. 따라서 결정부의 구조를 이용하여 비결정부의 발포를 제어하는 방법이 제안되어 있다.
Bao Jin-Bior 등은 시시케밥 결정구조를 가진 아이소탁틱 폴리프로필렌(iPP)을 템플레이트로 하고, 고압 CO₂를 발포제로 이용한 나노셀루라 발포체를 얻었다고 보고했다. 폴리프로필렌은 결정성 플라스틱으로 용융하면 점도가 대폭 낮아진다. 발포 시에 용융점도가 낮아서 기포가 커지고 불균일하며 가스 누설 등의 발포 배율이 저하된다. 전자선 조사나 과산화물 첨가로 분자 사슬을 가교하여 용융점도를 상승시키는 방법이 공업적으로 시행되고 있다.
Chungling Xin 등은 초고분자량 PE에 PP를 첨가하면 결정화 개시온도와 피크온도가 상승되어 결정화 종료 온도가 저하된다고 보고하고 있다. 초고분자량 PE를 첨가한 PP 발포체는 PP 단독일 경우와 비교하여 발포 배율이 증가되고 기포 직경이 감소된다는 사실이 확인되었다.

나. 나노복합체
플라스틱에 나노 크기의 물질을 균일하게 분산시켜서 물성을 개선한 재료이다. 플라스틱과 나노물질 양자의 계면에 불균일한 핵이 생성되어 발생 기포 수가 증가하고 점탄성 특성이 변화되어 발포성도 변화된다.
L. Sorrentino 등은 엔지니어링플라스틱인 비정질 폴리에테르설폰(PES) 및 반결정성의 폴리에틸렌프탈레이트(PEN)와 흑연 및 실리카 나노입자로 구성되는 나노복합체의 발포체를 검토했다. 재료는 용융혼련하여 얻었으며 분산은 잘 이루어진다. 고압 CO₂를 사용하여 고체상으로 발포하면 PES계에서는 다수의 마이크로셀루라 발포체가 얻어졌으나 발포 배율을 PEN계에 비하여 낮았다. 나노복합체는 필러의 사이즈가 미세하여 경계면의 면적이 크게 되므로 소량 첨가로도 발포성이 크게 개선된다.

다. 폴리머블렌드
다성분 수지를 사용하여 점탄성을 제어하고 상분리구조를 템플레이트로 하여 발포성을 제어하려는 시도가 있다.
Sharudin 등은 분산상이 PP, 연속상이 PS 또는 PMMA의 폴리머블렌드에 대하여 PP가 용융할 경우의 분산성과 고상 상태의 비상용성을 이용하여 PP를 발포핵제로 사용할 경우의 효과를 검토했다. 고상에서 감압 발포실험을 한 결과 PP 첨가량이 증가하면 얻어지는 발포체의 기포수가 증가하며 기포 직경은 감소한다.
Antonio 등은 스티렌 부타디엔 메틸메타크릴레이트 공중합체(SBM) 10%를 블렌드한 PS와 메타크릴레이트 부틸아크릴레이트 메틸메타크릴레이트(MAM)를 10% 블렌드한 PMMA의 발포를 검토했다. PS+SBM의 계에서는 PS 단체에 비하여 CO₂용해량에 큰 변화가 보이지 않고 발포성도 변화가 없었으나 PMMA+MAM 계에서는 MAM의 높은 CO₂ 친화성에 의해 CO₂ 용해량이 30% 정도 상승했다. 25℃에서 얻어진 발포체의 기포경은 매우 작아진 0.1㎛가 되었다.

2. 기능성재료의 발포

여러 기능을 가진 재료를 발포하면 특정한 응용 목적에 적합한 기능을 가진 발포체를 제조할 수 있다.

가. 바이오 베이스 재료
Ayoub 등은 초임계반응 압출을 이용하여 전분을 기반으로 하는 발포체를 개발하고 있다. 전분을 압출기 내에서 가교 및 아세틸화하여 젖음성, 물리화학적인 성질, 발포체 셀 구조 변화를 평가했다. 에피클로로히드린과의 반응으로 에폭시기를 도입하여 가교반응을 진행했는데, 에포클로로히드린의 양을 늘리면 가교도가 상승되면서 소수화된다. 발포체는 가교로 인해 용융점도가 증가되어 기포 직경이 감소되고 발포 배율이 상승한다. 셀룰로오스 섬유를 물리적으로 분해하여 나노사이즈의 섬유 직경을 가진 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 얻고 폴리프로필렌과 복합하여 발포한 결과 CNF의 존재로 용융상태의 저장 탄성율이 상승되고 동일조건의 PP에서 얻어진 것 보다 적은 기포가 얻어졌다.

나. 난연 및 자기소화성
발포체는 건축물의 단열재로 널리 사용되고 있으나 불연화, 난연화, 연소시의 유독가스 발생 방지 등의 조건이 요구되고 있다. Gharehbaghi A 등은 할로겐을 사용하지 않은 2가지 난연제로 팽창성 흑연과 멜라민 분말을 연구하고 있다. 이들 난연제를 혼합한 폴리에테르폴리우레탄 발포체를 제조하여 난연성을 평가했다. 팽창성 흑연 단독으로는 필요한 난연성을 얻지 못했고 공난연제가 필요하다는 결과를 얻었다.

다. 도전성
도전성 발포체는 정전기를 띄지 않으므로 클린룸 등의 장소에 반입하는 포장재나 정전기가 악영향을 미치는 전자기기 등에 이용되며 전자파 차단 등으로 응용이 기대된다.
Ding-Xiang Yan 등은 폴리우레탄에 도전성의 카본나노튜브를 혼합하는 방법으로 도전성 발포체 제조를 검토하고 있다. 카본나노튜브를 균일하게 분산하면 폴리우레탄의 기포벽과 골격 내부에 효율적인 도전 경로가 형성되어 도전성을 띄게 된다.

라. 스캐폴드
생분해성 발포체는 손상된 인체조직의 회복을 위한 세포의 증식이나 분화의 스캐폴드로 유효하며, 새로운 조직의 형성을 촉진하는 물질의 혼합에도 효과적이다.
A. Salernoa 등은 폴리카프로락톤, PCL 및 히드록시아파타이트의 나노입자 복합체를 개발하여 스캐폴드로 적합한 기포 직경을 가진 연속기포 발포체를 얻었다고 보고했다.

3. 마이크로 및 나노셀룰라 발포체의 물성 평가

마이크로셀룰라(Micro Cellular) 발포체는 기포 사이즈가 미세하므로 발포체의 기계적인 특성을 손상하지 않고 경량화 하려는 시도가 제안되었다.
Miller Dustin 등은 엔지니어링플라스틱의 폴리에테르이미드에 대하여 기포경 2~5㎛ 정도의 마이크로셀룰라 발포체, 기포경 50~100㎚ 정도의 나노셀룰라 발포체를 제조하고 인장특성과 충격특성을 평가했다. 나노셀룰라 발포체의 파단신도는 동일 비중의 마이크로셀룰라 발포체의 2~3.5배 정도로 상승하고 그에 따라 인성계수도 향상되는 것으로 보고되었다.
나노셀룰라 발포체의 충격에너지는 함침압력 1MPa에서 제조된 마이크로셀룰라 발포체에 비하여 동일 비중에서 1.5~6배 증가된 것으로 보고했다. 이 사실은 기포를 작게 하면 기계적 특성을 손상하지 않고 경량화가 가능하다는 유용한 결과를 보여준 것이다.
 
* 본 분석물은 미래창조과학부 과학기술진흥기금, 복권기금의 지원을 받아 작성되었습니다.
* 한국과학기술정보연구원 www.kisti.re.kr

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 발포 성형의 최근 동향