컴파운딩용 충격보강제 기초 (Impact Modifier)

일반적으로 컴파운딩이라는 것은 지난번에 포스팅하였던 바와 같이 정해진 배합(레시피)에 따라 주로 압출기를 통한 공정을 거쳐 고분자 수지와 첨가제들을 균일하게 혼합 및 결합시켜서 단일 원료인 펠렛으로 만드는 과정을 말합니다.

2023.09.15 - [Career Story/고분자 기초] - 컴파운딩(Compounding) 기초

컴파운딩(Compounding) 기초

 

이때 생산된 펠렛을 사출을 위한 단일 원료로 사용하기 위해 필요한 물성이나 요구하는 가공성을 갖춘 제품이 되어야 하므로 다양한 첨가제를 사용하게 되는데요, 이번에 충격보강제에 대해 정리를 해보겠습니다.

 

충격보강제란

충격보강제는 말 그대로 충격 강도(Impact Strength)를 보강해 주는 첨가제죠. EP(Engineering plastic)의 경우에 상온에서의 충격강도든 저온 충격강도든 일반적으로 Izod Impact Strength를 측정하고, 경우에 따라 Charpy 충격 강도를 측정하는데, 단일 수지를 사용하는 경우에 충격강도가 요구되는 기준보다 낮은 것을 보완하기 위해 충격보강제를 사용합니다.

 

분산상인 고무의 충격 흡수, 이미지 출처: J Mater Sci (2021) 56:18345–18367

 

위의 이미지를 보면 에너지 흡수 메커니즘을 정확하게 알지 못하더라도 충격보강제를 이용하면 충격이 발생하였을 때 균열이 더 이상 전파되지 못한다고 쉽게 이해를 할 수 있습니다. Shear yielding과 Crazing 기작에 의한 것인데, 충격보강제를 사용한 쉬운 예를 하나 들자면, 고분자 수지 중에 흔하게 접할 수 있는 HIPS(힙스, High Impact Polystyrene, 내충격성 폴리스티렌)가 PS(Polystyrene)에 고무 성분을 충격보강제로 첨가하여 제조한 것이고, HIPS의 경우 제조 난이도가 낮은 편에 수요가 많은 편이라 일반적으로 컴파운딩이 아니라 연속 중합을 통해 생산이 됩니다. 같은 맥락으로 ABS의 경우에는 SAN과 PBR 고무와 함께 중합되거나 컴파운딩된 것이고요.

 

충격보강제는 크게 아래와 같이 두 가지로 분류를 할 수가 있습니다.

 

• Core-Shell type : Core-Shell 구조를 가지고 고분자 수지와 상용성을 가지고 컴파운드 된 제품 속에 분산이 되는 형태입니다. 대표적으로 MBS(Methyl methacrylate-Butadiene-Styrene), AIM(Acrylic Impact Modifier), ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), MABS(Methyl methacryllate-ABS)가 있습니다.
• 지방족 사슬에 일부 치환기가 붙은 수지들  : 일반적으로 컴파운딩 공정 중에 용융 과정을 거치면서 제품 속에 혼련 과정을 통해 분산이 되는 유형입니다. CPE(Chlorinated PE), EVA(Ethyl Vinyl Acetate)가 대표적입니다.

 

여기서 우리가 충격보강제를 이해하기 위해 조금 자세히 알아야 하는 것은 MBS입니다. 왜냐하면 이 MBS가 일반적으로 PBR과 함께 가장 흔하게 사용되는 충격보강제이기도 하고, MBS를 첨가하였을 때 어떻게 충격보강제의 기능을 할 수 있는지 알면 다른 종류의 제품들도 쉽게 이해를 할 수 있기 때문입니다.

 

Core-Shell 구조

MBS 수지는 MMA(Methyl Methacrylate)와 부타디엔(Butadiene), 스티텐(Styrene)이 공중합된 수지입니다. 위에도 언급하였듯이 Core-Shell 구조를 가지고 있는데요, 무의미하지만 우리말로 굳이 옮기자면 핵과 껍질 구조인 거죠. 이미지로 나타내면 아래와 같습니다.

 

Core-Shell type의 MBS 구조

 

여기서 Core 부분은 SBR(Styrene-Butadiene Rubber)로 형성되고 Shell 부분은 MMA로 이루어집니다. 여기서 그레이드에 따라 변주를 줄 수가 있는데 핵 부분이 SBR이 아니라 PBR(Polybutadiene rubber, 폴리부타디엔 고무)이 되어도 되고, Shell 부분이 MMA와 함께 스티렌으로 이루어지기도 합니다. MMA와 Acrylic rubber이 공중합체인 AIM 충격보강제의 경우에 core 부분이 Acrylic rubber가 되는 것이고 Shell이 MMA가 됩니다.

 

여기서 Core는 충격 에너지를 흡수하는 역할을 하게 되고, Shell 부분은 컴파운딩 공정에서 주레진과 상용성(Compatibility)을 가져야 합니다. 그리고 Shell에 의해 결정되는 물성 중 중요한 것 하나가 굴절률(Refractive index)인데, 굴절률에 따라서 투명한 제품(Transparent)을 만들 수 있게 됩니다.

 

분산상과 연속상의 굴절률에 따른 ABS 투명도

 

위는 ABS를 예로 든 것인데, 일반 ABS의 경우에 연속상(Continuous phase)인 SAN에 분산상(Dispersed phase)인 PBR의 굴절률 차이로 불투명한 ABS가 되는 반면에, 연속상인 SAN과 분산상인 PBR의 굴절률이 같으면 투명 ABS를 제조하게 됩니다. 여기서 일반적으로는 연속상인 SAN의 조성을 MMA와 함께 배합 및 제어하여 PBR과 동일한 굴절률로 맞추는 경우가 있고, 필요한 경우에 core-shell type의 충격보강제의 굴절률을 좀 더 조정을 하면 되겠죠. PVC의 경우에는 조성 제어가  비교적 쉽지 않으므로 PVC와 동일한 굴절률을 가지는 충격보강제를 사용하여야 투명한 제품을 만들 수 있습니다.

 

그리고 참고로 상용성(Compatibility) 관련하여서는 용해도(solubility parametr) 개념을 이해하는 것이 좋은데, 상용성을 뜻하는 Compatibility를 물질이 섞이는 Miscibility와 구분하지 못하고 사용하는 경우가 많아서 여기에 대해서 나중에 한번 다루어 보겠습니다.

 

충격보강제가 물성에 미치는 영향

충격보강제를 많이 사용하면 당연히 충격강도가 높아지게 됩니다. 하지만, 충격보강제의 함량이 증가할수록 인장 물성 측면에서 신율은 높아지나 인장강도는 낮아지게 되고 굴곡 강도 역시 낮아지게 됩니다. 일반적인 경우에서, 일반적인 배합의 이야기라고 이해를 하면 됩니다. 그리고 HDT나 VST도 낮아지게 되는데 YI(Yellow Index)가 올라가는 등 칼라 물성도 고려를 해야 됩니다. 물성 측면뿐만 아니라 공정 측면에서도 고려가 필요한데, 충격보강제가 많은 양이 처방되면 압출 시의 부하가 증가되기 때문에 활제(Lubricant)나 가공조제(Processing aid)와 같은 첨가제의 처방을 조정해야 되고, 열안정성 측면에서 안정제 처방 역시 필요합니다.