충진제 및 보강제
충진제 (filler) 및 보강제 (reinforcement) 는 기계적 강도, 치수 안정성, 열변형 온도, 견고도 및 다른 물리적 성질을 증가시키기 위해서 또는 비용을 감소하기 위해서 사용된다.
충진제와 보강제의 구별은 뚜렷하지 않으나 기계적 강도를 크게 떨어뜨림이 없이 비용감소를 주목적으로 할 경우의 충진제를 비활성 충진제라 하며 기계적 성질 및 다른 물리적 성질의 보강을 주 목적으로 할 경우를 활성 충진제 또는 보강제라 한다.
보강제의 효과는 정확히 정의되기 힘드나 일반적으로 인장강도, 피로강도, 충격강도, 굴곡강도 및 내마모성 등 기계적 성질을 증가시킨다.
충진제의 모양은 구형, 단섬유, 판상형태 등 다양한 종류가 사용된다.
충진제와 고분자 matrix 간의 계면접착은 좋은 충진효과를 위해 매우 중요하다.
Carbon black이 고무에 첨가되는 경우 고무가 carbon black 표면에 있는 작용기와 화학반응을 일으키며 동시에 고무가 carbon black 표면의 미세구멍에 파고들어 matrix인 고무와 충진제인 carbon black이 단단히 결합되어 있다. 따라서 우수한 내찢김성 및 내마모성을 지니게 된다.
Carbon black이 충진된 경우 풯씬 인장강도가 증가된 것을 볼 수 있으며 carbon black 의 종휴에 따라 서로 다른 변형곡선을 나타냄을 볼 수 있다.
충진제의 첨가에 의해 점도는 크게 증가하여 가공에 더 많은 에너지가 필요하다. 구형의 충진제가 첨가된 현탁액의 점도는 다음 식을 따른다.
여기서 C는 충진제의 부피분율이다.
이 식은 아주 작은 1마이크로미터 이하의 입자가 충진되었을 경우 충진제의 양에 관계없이 적용되며 충진제와 matrix 간 계면 결합이 작거나 없을 경우에 잘 적용된다.
그러나 충진제와 matrix 물질 간의 계면접착이 좋은 경우는 적용되지 않으며 그 이유는 고분자와 충진제의 계면 접착이 크게 되면 충진제 입자의 부피분율이 처음 넣어준 것과 달라지게 되기 때문이다.
단섬유가 첨가되었을 경우 기계적 강도 및 치수안정성은 크게 증가하나 점도는 구형의 충진제보다 더욱 증가하여 성형을 어렵게 한다. 이 외에도 전기전도도를 크게 하기 위하여 carbon black, graphite, 금속 분말 등의 전도성 충진제를 사용하기도 한다.
단섬유, 장섬유 및 직포 등의 섬유를 보강제로 써서 강도를 개선시킨 수지를 섬유강화수지 (Fiber reinforced plastics, FRP) 라 한다. 섬유강화수지의 가장 대표적인 예는 유리섬유 강화수지이다. 원래의 유리섬유 강화수지는 불포화 polyester 수지를 유리섬유로 강화시킨 수지이다. 그러나 성형기술의 발전으로 인해 현재는 열가소성 수지를 유리섬유로 강화하여 사출성형하는 것도 가능하다. 수지의 강화를 위해서는 사용되는 섬유는 유리섬유뿐만 아니라 탄소섬유, boron 섬유 및 최근에 개발되어 Kevlar라는 상품명으로 판매되는 방향족 polyamide 섬유가 있다. 이들 섬유는 각각 다른 물성을 가지고 있으며 섬유의 강화에 의해서 인장강도 및 탄성률 등의 물성이 개선된다.
복합재료 (Composite material)란 섬유강화수지의 경우보다 섬유의 사용량을 60-70% 까지 증가시킴으로써 두 성분, 즉 수지와 섬유의 물성들이 복합적으로 결합되어 보다 개선된 물성을 갖도록 가공된 소재이다.
보강제로서의 섬유는 인장강도가 크고 탄성률이 높으며 굴곡탄성강도가 높아야 한다. 강화수지의 강도는 섬유 및 수지의 물성 뿐만 아니라 섬유와 수지 사이의 접착력에도 커다란 영향을 받는다. 따라서 대부분의 강화용 섬유는 수지와의 접착력을 개선시키기 위하여 silane 등의 표면처리제로 섬유 표면을 처리한다.
강화수지 및 복합재료에서 수지는 섬유를 고정시키고 물체에 가해지는 힘을 수지 내에 존재하는 섬유들에게 전달하여 분산시키는 역할을 한다.
이를 위하여서는 전술하였듯이 섬유와 수지와의 접착력이 우수하여야 한다. 또한 수지가 용융되거나 (열가소성 수지) 경화되기 전 (열경화성 수지)의 점도가 낮아야 한다.
섬유강화수지에 사용되는 가장 대표적인 수지는 불포화 polyester이며 열가소성 수지로는 poly(butylene terephthalate) (PBT)와 Nylon 66 및 polycarbonate 등이 쓰이고 있다. 복합재료에 ㅅ용되는 수지는 최종 제품의 사용 목적이 고강도 및 고내열을 요구하는 경우가 많으므로 이러한 성질을 갖는 수지가 주로 사용된다. 가장 대표적인 수지는 불포화 polyester이나, 강도가 높고, 내열성을 요구하는 용도에는 epoxy 및 polyamide 계통의 수지들이 사용된다.