에폭시(Epoxy)란?

EPOXY

 

 

에폭시(EPOXY)란?

Epoxy Resins은 상업화 된지 50여 년이 지나는 동안 지금까지 개발된 고분자 제품 중에서 가장 고기능성을 가진 매우 훌륭한 

화학 제품 중의 하나로정착하게 되었다. 

비록 사용량에 있어서 다른 고분자 화학 제품들 중에 그렇게 많은 편은 아니지만, 여러 가지 유용한 물리적 특성들 때문에 

오늘날거의 모든 산업 분야에서 사용되고 있다.

 

응용 분야는 식음료용 제관의 내부 보호재에서 유정 굴착 장비의 외부 보호재와 항공 우주 산업의 구조물을 

제작하는 재료에 이르기까지 다양하며많은 첨단 전자 회로용 원료로도 사용된다.

 

이 책은 Epoxy Resins의 분야를 소개하는 것이 그 목적이며, 내용은 설명하는 방식으로써 간단한 정의 중심의

 기초 설명과 구체적인 상세 설명 두가지로 구성되어 있다.

 

당사에서 공급하는 모든 Epoxy Resins은 개별 기술 자료를 별도로 제공하고 있으며 KER이라는 제품명으로 판매하고 있다.

 

참고 문헌은 다음과 같다.

1. Skeist,1, Epoxy Resins, Reinhold, New York ( 1958 ).

2. Lee, H. and Neville, K, Handbook of Epoxy Resins, McGraw-Hill, New York ( 1967 ).

3. Potter.W.G., Epoxide Resins, Butterworth, London ( 1970 ).

4. May, C.A., and Tanaka, Y., Epoxy Resins - Chemistry and Technology, Dekker, New York

   ( 1973 )

5. Potter, W.G., Uses of Epoxy Resins, Butterworth, London ( 1975 ).

6. Lee, H., Handbook of Epoxy Resins, T-C Publications, New York ( 1982 ).

7. May, C.A., Epoxy Resins - Chemistry and Technology, Dekker, New York ( 1988 ).

 

■ Epoxy Resins 기초 설명.

 

Epoxy Resins은 합성 수지의 한 종류로써 점성이 있는 액상 ( Liquid )과 녹는점 ( Melting Point )

이 높은 고상 ( Solid )까지 다양한 제품들이 있다.

Epoxy Resins의 분자는 최소한 2 개 이상의 옥시란기 ( Oxirane Groups 또는 Epoxide Groups )를 가지고 있다.

 

상업적으로 가장 많이 사용하는 Epoxy Resins은 Epichlorohydrine ( ECH )과 Bisphenol A (BPA )로 널리 알려진 

Diphenylolpropane ( DPP )과 축합반응에 의해 생산되는 Diglycidyl Ether형이다. 

DPP 대신에 다른 물질을 원료로 사용한 다른 특성을 가진 Epoxy Resins도 상업적으로 생산된다.

 

Epoxy Resins을 사용하기 위해서는  경화제 ( Curing Agents 또는 Hardener )에 의해 가교화(경화)가 이루어져야 하는데 

이 경화 반응을 거치게 되면 다음의 훌륭한 응용 물성을 가진 불활성 ( 반응성이 없는 ) 제품 ( Inert End-product )이 된다.

 

  - 뛰어난 접착력.

  - 우수한 방청력과 내약품성.

  - 우수한 기계적 물성.

  - 우수한 전기 절연성

 

더욱이 Epoxy Resins은 휘발 성분이 없기 때문에 경화중에 수축이 거의 없으며 또한 다양한 방법으로 가공될 수 있다.

Epoxy Resins은 여러 가지 화학 물질들과 반응할 수 있고, 다양한 방법으로 가공될 수 있으며, 

최종 경화물은 우수한 많은 물성을 나타내기 때문에여러 가지 응용 분야에 사용되고 있다.

 

■ Epoxy Resins 상세 설명.

 

Epoxy Resins은 합성 수지의 한 종류로써 분자 당 최소 2 개 이상의 1.2-옥시란기를 함유하고 

이는 Glycidyl기의 형태로 존재한다.

 

   1,2-oxirane ( Epoxide ) Group

 

    Glycidyl Group

 

물리적으로 Epoxy Resins의 종류는 점성이 있는 액상에서 녹는점이 높은 고상까지 다양하다.

Epoxy Resins은 여러 가지 방법으로 생산할 수 있지만 여기에서는 상업화된 Epoxy Resins에 대해

서만 언급하기로 한다. 그 중에서 가장 중요한 것은 Epichlorohydrine ( ECH )과 Bisphenol A ( BPA

)로 알려진 Diphenylolpropane ( DPP )의 축합 반응에 의해 생산되는 Diglycidyl Ether형 Epoxy Resins이다.

DPP가 아닌 아래의 예와 같은 다른 반응 물질들과 ECH로 다른 종류의 Epoxy Resins을 만들 수 있다.

 

예를 들면 :

  - Bisphenol F ( BPF )로 알려진 Diphenylolmethane ( DPM ).

  - Phenol Novolac과 o-cresol Novolac Resins.

  - Tetrabromodiphenylolpropane.

  - Diamines.

  - Diacids.

  - Polypropylene Glycol과 같은 Polyols.

 

방대한 응용 분야에서 Epoxy Resins이 유용하게 사용되기 위해서는 먼저 경화제와의 반응을 

통한 가교가 이루어져야 하고 결과적으로 불활성 ( 반응성이 없는 ) 안정한 물질로 되어야 한다. 

경화로 알려진 이 가교는 경화제와 Epoxy Resins의 반응에 의해 진행된다.

 

Epoxy Resins이 경화되지 않은 상태로 사용되는 경우도 있는데 예를 들면 PVC 화합물에서의 

경우 Cl기를 포착해주는 ( Chlorine Scavenger ) 역할,즉, 안정제 ( Stabiliser ) 역할을 한다.

 

많은 종류의 경화제들이 상업적으로 생산되고 있다. Epoxy Resins은 매우 다재다능한 고분자 

화학 물질 중의 하나로써 다양한 응용 분야에 사용되는데 이는 다음과 같은 Epoxy Resins의 

독특한 종합적 물성에서 기인한다.

 

  - 구조화의 용이성 ( 가공성 ).

  - 경화중 적은 수축성.

  - 경화중 휘발 물질 없음.

  - 뛰어난 접착력.

  - 우수한 내약품성.

  - 우수한 방청성.

  - 우수한 기계적 물성.

  - 우수한 전기 절연성.

 

앞서 언급한 여러 가지 종류의 Epoxy Resins에 대해 좀 더 상세하게 살펴보자.

 

1. Diphenylolpropane ( DPP 또는 BPA )형 Epoxy Resins.

 

앞에서 언급한 것처럼 이 Epoxy Resins은 Sodium Hydroxide ( NaOH ; 가성소다 )의 존재 

하에서 ECH와 DPP ( BPA )의 반응에 의해 제조된다.

 

DPP형 Diglycidyl Ether ( 구조 Ⅲ )가 생성된 후 ECH와 DPP가 부가되어 더 긴 사슬 ( n 값이 1, 2,

3 등 )을 가진 선형 Diglycidyl Ether ( 구조 Ⅳ )가 생성될 수 있다. 이런 긴 사슬을 가진 Diglycidyl Ether의 생성 정도는 

원료인 ECH와 DPP의 사용비에 따라 다르다. 

DPP( 또는 구조 Ⅰ또는 Ⅱ )와 함께중간체 반응인 구조 Ⅱ의 반응에 따라 사슬에  Secondary Hydroxyl기가 생긴다. 

이것은 Epoxy Resins의 여러 가지 가교 반응을 수반하는 중요한 관능기이다. 

이렇게 제조된 Epoxy Resins ( 구조 Ⅳ )은 2 관능성으로써 분자 당 2 개의 Epoxide 기를 가지고 있다.

 

n 값이 높아짐으로써 Epoxy Resins은 점성이 있는 액상에서 녹는점이 높은 고상으로 변하며 

동시에 사슬에 붙은 Secondary Hydroxyl 기의 함량은높아지고 Epoxide 기의 함량은 상대적으로 낮아진다.

 

이런 변화의 개요는 당사에서 생산된 KER Epoxy Resins의 Grades 특성을 기술한 다음의 표에서 볼 수 있다.

 

<KER Epoxy Resins Grades 별 관능기>

Grades	평균 n 값	구조 개요	융점 ( ℃ )	Epoxide Group Content ( mmol/kg )	Hydroxyl Group Content ( mmol/kg )
KER 828	0.1		5 - 10*	5350	300
KER 3001형	2		50 - 60	2000	2200
KER 3004형	4		80 - 100	1200	3300
KER 3007형	9		100 - 120	600	3600
KER 3009형	12		120 - 150	300	3800

 

  * 상온에서 액상임.

 

실제적으로 액상 Epoxy Resins은 1-단계의 공정으로 제조된다. 고상 Epoxy Resins은 1-단계 공정

법 ( Solvent-finished Process ; 직접법 ) 또는 2-단계 공정법 ( Fusion Process ; 간접법 )에 의해 제조된다.

 

후자의 2-단계 공정법은 1-단계 공정법에서 제조된 액상 Epoxy Resins과 DPP의 반응이 추가

액상 Epoxy Resins ( 1-단계 공정법 )	고상 Epoxy Resins
	1-단계 공정법	2-단계 공정법
ECH + DPP   ↓   액상 Epoxy Resins	ECH + DPP ↓   용제 속에서의 반응 진행 ↓   고상 Epoxy Resins	ECH + DPP ↓ 액상 Epoxy Resins ↓ DPP와의 추가 반응 ↓ 고상 Epoxy Resins

 ※ 열가소성 Phenoxy형 Epoxy Resins

 

예를 들면 분자량이 매우 높은 Epoxy Resins은 경화제가 필요치 않아 별도의 전환 반응이 

일어나지 않는 도료의 수지로 사용되는데 이들도 ECH와DPP로부터 생산이 가능하다. 

이러한 Epoxy Resins으로는 Epikote OL53, Epikote OL55 ( Shell ) 등이 있다.

 

2. Diphenylolmethane ( DPM 또는 BPF )형 Epoxy Resins.

 

이들은 ECH와 DPM과의 반응으로 제조된다. 

반응은 앞서 언급한 DPP형 Epoxy Resins의 반응과 비슷하다. 

액상 Epoxy Resins은 DPP형 Epoxy Resins의 상당품 보다 매우 낮은 점도 ( 2 - 4 Pa.s )를 가지며 주로 점도를 낮추기 

위해 DPP형 Epoxy Resins과 혼합하여 사용한다.

 

이들 DPM형 Epoxy Resins의 구조는 다음과 같다.

 

3. Tetrabromo DPP ( TBDPP )형 Epoxy Resins.

 

이들의 주요 특징은 난연성 (Flame Retardancy)이다. 

당연히 이들은 PWB (Printed Wiring Boards 또는 Printed Circuited Board ; 인쇄 회로 기판)의 제조에 주로 사용된다. 

이 Epoxy Resins의 가장 일반적인 제조 방법은 DPP형 액상 Epoxy Resins과 TBDPP가 

반응하는 2-단계 공정이다.

 

4. Novolac Resins형 Epoxy Resins.

 

Phenol성 Hydroxyl기를 가진 Novolac Resins은 ECH와의 반응을 통해 일정한 Epoxy Resins

으로 전환될 수 있지만 가장 일반적인 Epoxy Novolac Resins은 중간 정도의 분자량을 가진 Phenol Novolacs과 

o-Cresol Novolacs으로부터 유도된다 (엄밀히 말하면 DPM도 일종의 Novolac의 한 종류이다 ). 

일반적으로 Epoxy Novolac Resins은 평균 Functionality가 3 이상이다.

 

5. Diamine형 Epoxy Resins.

 

이 Resins은 항공 우주 산업에서나 그 용도를 찾을 수 있는 한정된 응용 분야를 가진 Epoxy Resins이다. 

그러나 이러한 특정 산업 용도로써의 이들Resins의 특수 물성은 지난 30 년 동안 계속 사용되어 왔다는 점에서 그 의미를 찾을 수 있다. 

이 Resins의 가장 전형적인 형태는 Tetraglycidated Diaminodiphenylmethane이다.

 

6. Diacids형 Epoxy Resins.

 

Dibasic Acid와 ECH의 반응은 Epoxy Ester를 생성한다. 

여러 해 동안 다양한 제품들이 제조되고 있는데 Adipic Acid형 또는 Succinic Acid형의Diglycidyl Esters는 비록 피부 자극을 

일으키는 이유로 많이 사용되지는 않지만 매우 낮은 점도를 갖기 때문에 희석제로 사용되고 있다.

 

Hexahydrophthalic Acid형 Diglycidyl Ester는 Carbon Tracking에 대한 내성이 반드시 필요한  

옥외 전기 절연재로 사용되고 있다. 

Carbon Tracking이란 표면 전기 방출 ( Surface Electrical Discharge ) 로 인한 전도성 탄소 침전 

( Conducting Carbon Deposits )의 생성 현상을 말한다.

 

다른 Epoxy Ester Resins은 사슬이 긴 Dimer Fatty Acid형 Diglycidyl Ester이다. 

이들은 유연성을 가진 반응성 Resins이며 KER 773이 대표적인 제품이다.

 

7. Diols형 Epoxy Resins.

 

Epoxy화한 Diols은 유연성을 가진 또 다른 종류의 Resins인데 앞서 1, 2, 4에서 언급한 Resins 중의 하나와 결합하여 사용된다. 

이들은 점도가 낮아취급이 용이하다. 일반적으로 유연성을 가진 Resins들과 혼합하면 내약품성이 떨어지는 문제점이 있는 

반면에 내충격성은 개선되는 측면이 있다.

그림의 구조는 Resins의 물리적 화학적 물성을 결정하며, 반응성을 가진 관능기의 수는 Resins의 Functionality와 가교가 

가능한 정도를 결정하게 된다.

 

8. 희석형 Epoxy Resins.

 

1 항에서 설명한 DPP형의 액상 Epoxy Resins은 점성이 있는 물질이다. 많은 응용 분야 특히 

토목 건축 분야에서는 안료를 포함하는 조성물을 작업성이 우수한 배합물로 만들기 위해 점도가 낮은 Resins을 선호하고 있다. 

이러한 조건을 충족하기 위해 희석제가 기본 Resins에 첨가되는 것이다.

 

 

 

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출처:금호피엔비