PET와 PBT: 결정화가 차이를 만든다
July 7, 2022
TDD-글로벌
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가이드
주요 특징 요약
이 기사에서는 두 가지 유사한 폴리에스터인 PBT와 PET의 화학 구조를 탐구하며, 결정화, 강성 및 응용 분야에서의 차이점을 설명합니다. 또한 폴리머 특성에 대한 방향족 고리의 영향과 특히 포장 및 제조에서 이러한 물질의 결정화에 영향을 미치는 가공 조건에 대해 논의합니다. 이러한 요소를 이해하는 것은 특정 응용 분야에 적합한 폴리머를 선택하는 데 있어 매우 중요합니다.
화학 구조는 PET와 PBT가 기본적으로 매우 유사합니다. 폴리에스터는 유기산(여기서는 테레프탈산)과 알코올로부터 합성됩니다. PBT의 경우 알코올 단량체는 부탄디올이 되고, PET는 에틸렌글리콜이 됩니다. 이렇게 얻어진 고분자는 잘 알려져 있으며, PBT와 PET입니다.
PBT와 PET의 차이를 이해하는 가장 좋은 방법은 그림 (1)에 표시된 것처럼 고분자 분자 사슬을 구성하는 반복 단위의 화학 구조를 조사하는 것입니다. PBT와 PET을 다른 재료와 구별하는 기본적인 특징은 테레프탈레이트 그룹으로, 이 재료 계열의 이름이 여기에서 유래되었습니다. PTT 및 PCT와 같은 다른 고분자도 이 화학 계열의 구성원으로, 구조에서 약간의 차이만을 보입니다.
이 재료 계열의 또 다른 주요 화학적 특징은 고분자 백본에서 규칙적인 간격으로 나타나는 6원자 고리의 존재입니다. 벤젠 고리라고 불리는 이 구조 단위는 일반적으로 방향족 고리로 알려져 있으며, 고분자 사슬에 강성을 제공합니다. 이는 유리 전이 온도를 포함하여 여러 중요한 특성에 영향을 미치며, 이 온도 이상에서는 고분자가 대부분의 하중 지지 특성을 잃게 됩니다.
화학 구조의 2D 관점은 매우 명확하지 않지만, 3D 관점에서는 방향족 고리가 종이 평면에 투영될 수 있는지 여부와 관계없이 밝은 평면 내에 놓여 있음을 보여줍니다. 따라서 방향족 고리는 분자 사슬의 다른 그룹의 회전 및 진동의 고유한 특성을 제한합니다. 이것이 방향족 고리 구조의 경화 효과의 일부입니다. 벤젠 고리의 이동성이 감소하고 부피가 큰 특성은 또한 고분자가 냉각 시 결정화되는 능력에 영향을 미칩니다. PBT는 방향족 벤젠 고리의 간격이 더 크며, 결정화가 PET보다 더 효율적입니다. 그러나 PET가 더 효율적으로 결정화된다면, 강도, 강성 및 고온에서의 성능을 포함한 더 나은 기계적 특성을 제공할 것입니다.
많은 소비자들은 물병과 탄산음료 병 용기로 사용되는 PET 재료에 익숙합니다. 이 유형의 PET는 비결정질이며 결정화를 방지하도록 설계되었습니다. 병용 PET 등급이 결정화되면 흐릿하고 불투명해지며, 더 중요한 것은 충격 저항성을 잃게 됩니다. 따라서, 결정질 PET로 성형된 보닛 아래의 많은 부품이 있을 수 있지만, 높은 온도와 가혹한 화학적 환경이 있는 경우가 많습니다. 세계 대부분의 PET는 비결정질, 비결정질 강화 형태로 포장에 소비되며, 위의 가혹한 환경을 견딜 수 없습니다.
이 기사 2부에서 논의할 PET 유형은 비결정질이며 항상 높은 비율의 유리 섬유 및/또는 광물 충전재를 포함합니다. 그러나 폴리에스터 PBT는 충전 여부에 관계없이 결정질 형태로 제공됩니다. 실제로 PBT는 PET보다 더 빨리 결정화되기 때문에 일반적인 가공 조건에서는 비결정질 PBT 부품을 생산하는 것이 불가능합니다. 고분자가 충분히 효율적으로 결정화되면, 구조에서 일정 수준의 조직화를 달성할 수 있습니다. 폴리에스터 그룹과 방향족 고리의 강성은 부틸 그룹의 유연성과 이동성과 균형을 이룹니다. 그러나 PET에서는 더 짧은 비닐 그룹이 결정화에서 선택성을 허용합니다. PET를 빠르게 냉각하면 비결정질 PET를 얻을 수 있고, 천천히 냉각하면 반결정질 PET를 얻을 수 있습니다.
많은 PET 병은 사출 성형으로 프리폼으로 시작됩니다. 이 프리폼은 투명하며, 병으로 다시 가열 및 신장될 때 경험하는 얇아지는 효과를 방지하기 위해 두꺼운 벽을 가지고 있습니다. 병 공장에서 일해본 적이 있다면, 프리히팅 단계에서 프리폼이 너무 뜨거워지면 흐릿하고 불투명해진다는 것을 알 것입니다. 이는 결정화의 신호입니다. (사실, 프리폼의 게이트 근처에 가까이 가면 이 부분에서 과열로 인해 약간의 안개가 생기는 것을 볼 수 있습니다). 이 불투명한 부분적으로 결정화된 프리폼으로 병을 블로우 몰딩하려고 하면 충격 성능이 저하됩니다. 결정이 충분히 형성되면 블로우 몰딩 과정에서 프리폼이 깨질 수도 있습니다. 따라서 재료를 유리 전이 온도 이상, 결정화 온도 이하로 유지하는 것이 중요합니다. 이 온도 범위는 그림 (2)에 표시된 것처럼 매우 넓지 않을 수 있습니다.
이 그래프는 내열 성능이 필요하지 않지만 강도와 투명성이 요구되는 부품을 만드는 데 사용되는 비충전 투명 재료인 비결정질 PET 폴리에스터의 거동을 보여줍니다. 재료가 실온에서 가열되면 첫 번째로 주목할 만한 현상은 유리 전이입니다. 이는 재료의 엔탈피 변화에서 75°C(167°F)에서 발생하는 단계로 나타납니다. 이 시점에서 재료는 실온에서의 강성을 잃고 부드럽고 유연해집니다. 온도가 상승함에 따라 연화된 고분자의 점도가 감소하기 시작하여 110°C(230°F)에 도달할 때까지 계속됩니다. 이 온도는 스캔 기준선이 급격히 증가하기 시작하는 온도이며, 75°C와 110°C 사이의 간격은 PET 병을 블로우 몰딩할 수 있는 기회의 창을 나타냅니다.
제가 방문한 많은 병 공장에서는 약 100°C(212°F)에 가까운 프리히팅 온도를 사용합니다. 결정화 과정이 시작되면 재료가 흐릿해지기 시작합니다. 그런 다음 재료는 유리 전이 온도를 지나면서 잃어버린 강성을 일부 회복하기 시작합니다. 이 과정이 계속되면 고분자는 140°C(473°F)에서 결정화됩니다. 따라서 PET는 처리 방법에 따라 비결정질 또는 반결정질 두 가지 형태로 존재할 수 있습니다.
그러나 일반적인 상업적 조건에서는 PBT가 항상 반결정질입니다. 따라서 PET와 PBT의 성능 차이를 제대로 이해하려면 각 고분자의 결정 형성을 합리적인 기준에 따라 비교해야 합니다. PET는 결정화가 매우 느리기 때문에, 이 반결정질 구조를 가진 재료로 부품을 제작하려면 핵형성제와 같은 특정 화학 물질 및 충전제와 강화제와 같은 고체 입자의 도움이 필요합니다. 따라서 상업용 반결정질 PET는 항상 고체 충전 또는 강화된 형태입니다. PET와 PBT의 성능을 공정하게 비교하려면 동일한 유형의 충전재와 동일한 충전 비율을 가진 재료를 비교해야 합니다.
PBT와 PET의 차이를 이해하는 가장 좋은 방법은 그림 (1)에 표시된 것처럼 고분자 분자 사슬을 구성하는 반복 단위의 화학 구조를 조사하는 것입니다. PBT와 PET을 다른 재료와 구별하는 기본적인 특징은 테레프탈레이트 그룹으로, 이 재료 계열의 이름이 여기에서 유래되었습니다. PTT 및 PCT와 같은 다른 고분자도 이 화학 계열의 구성원으로, 구조에서 약간의 차이만을 보입니다.
이 재료 계열의 또 다른 주요 화학적 특징은 고분자 백본에서 규칙적인 간격으로 나타나는 6원자 고리의 존재입니다. 벤젠 고리라고 불리는 이 구조 단위는 일반적으로 방향족 고리로 알려져 있으며, 고분자 사슬에 강성을 제공합니다. 이는 유리 전이 온도를 포함하여 여러 중요한 특성에 영향을 미치며, 이 온도 이상에서는 고분자가 대부분의 하중 지지 특성을 잃게 됩니다.
화학 구조의 2D 관점은 매우 명확하지 않지만, 3D 관점에서는 방향족 고리가 종이 평면에 투영될 수 있는지 여부와 관계없이 밝은 평면 내에 놓여 있음을 보여줍니다. 따라서 방향족 고리는 분자 사슬의 다른 그룹의 회전 및 진동의 고유한 특성을 제한합니다. 이것이 방향족 고리 구조의 경화 효과의 일부입니다. 벤젠 고리의 이동성이 감소하고 부피가 큰 특성은 또한 고분자가 냉각 시 결정화되는 능력에 영향을 미칩니다. PBT는 방향족 벤젠 고리의 간격이 더 크며, 결정화가 PET보다 더 효율적입니다. 그러나 PET가 더 효율적으로 결정화된다면, 강도, 강성 및 고온에서의 성능을 포함한 더 나은 기계적 특성을 제공할 것입니다.
많은 소비자들은 물병과 탄산음료 병 용기로 사용되는 PET 재료에 익숙합니다. 이 유형의 PET는 비결정질이며 결정화를 방지하도록 설계되었습니다. 병용 PET 등급이 결정화되면 흐릿하고 불투명해지며, 더 중요한 것은 충격 저항성을 잃게 됩니다. 따라서, 결정질 PET로 성형된 보닛 아래의 많은 부품이 있을 수 있지만, 높은 온도와 가혹한 화학적 환경이 있는 경우가 많습니다. 세계 대부분의 PET는 비결정질, 비결정질 강화 형태로 포장에 소비되며, 위의 가혹한 환경을 견딜 수 없습니다.
이 기사 2부에서 논의할 PET 유형은 비결정질이며 항상 높은 비율의 유리 섬유 및/또는 광물 충전재를 포함합니다. 그러나 폴리에스터 PBT는 충전 여부에 관계없이 결정질 형태로 제공됩니다. 실제로 PBT는 PET보다 더 빨리 결정화되기 때문에 일반적인 가공 조건에서는 비결정질 PBT 부품을 생산하는 것이 불가능합니다. 고분자가 충분히 효율적으로 결정화되면, 구조에서 일정 수준의 조직화를 달성할 수 있습니다. 폴리에스터 그룹과 방향족 고리의 강성은 부틸 그룹의 유연성과 이동성과 균형을 이룹니다. 그러나 PET에서는 더 짧은 비닐 그룹이 결정화에서 선택성을 허용합니다. PET를 빠르게 냉각하면 비결정질 PET를 얻을 수 있고, 천천히 냉각하면 반결정질 PET를 얻을 수 있습니다.
많은 PET 병은 사출 성형으로 프리폼으로 시작됩니다. 이 프리폼은 투명하며, 병으로 다시 가열 및 신장될 때 경험하는 얇아지는 효과를 방지하기 위해 두꺼운 벽을 가지고 있습니다. 병 공장에서 일해본 적이 있다면, 프리히팅 단계에서 프리폼이 너무 뜨거워지면 흐릿하고 불투명해진다는 것을 알 것입니다. 이는 결정화의 신호입니다. (사실, 프리폼의 게이트 근처에 가까이 가면 이 부분에서 과열로 인해 약간의 안개가 생기는 것을 볼 수 있습니다). 이 불투명한 부분적으로 결정화된 프리폼으로 병을 블로우 몰딩하려고 하면 충격 성능이 저하됩니다. 결정이 충분히 형성되면 블로우 몰딩 과정에서 프리폼이 깨질 수도 있습니다. 따라서 재료를 유리 전이 온도 이상, 결정화 온도 이하로 유지하는 것이 중요합니다. 이 온도 범위는 그림 (2)에 표시된 것처럼 매우 넓지 않을 수 있습니다.
이 그래프는 내열 성능이 필요하지 않지만 강도와 투명성이 요구되는 부품을 만드는 데 사용되는 비충전 투명 재료인 비결정질 PET 폴리에스터의 거동을 보여줍니다. 재료가 실온에서 가열되면 첫 번째로 주목할 만한 현상은 유리 전이입니다. 이는 재료의 엔탈피 변화에서 75°C(167°F)에서 발생하는 단계로 나타납니다. 이 시점에서 재료는 실온에서의 강성을 잃고 부드럽고 유연해집니다. 온도가 상승함에 따라 연화된 고분자의 점도가 감소하기 시작하여 110°C(230°F)에 도달할 때까지 계속됩니다. 이 온도는 스캔 기준선이 급격히 증가하기 시작하는 온도이며, 75°C와 110°C 사이의 간격은 PET 병을 블로우 몰딩할 수 있는 기회의 창을 나타냅니다.
제가 방문한 많은 병 공장에서는 약 100°C(212°F)에 가까운 프리히팅 온도를 사용합니다. 결정화 과정이 시작되면 재료가 흐릿해지기 시작합니다. 그런 다음 재료는 유리 전이 온도를 지나면서 잃어버린 강성을 일부 회복하기 시작합니다. 이 과정이 계속되면 고분자는 140°C(473°F)에서 결정화됩니다. 따라서 PET는 처리 방법에 따라 비결정질 또는 반결정질 두 가지 형태로 존재할 수 있습니다.
그러나 일반적인 상업적 조건에서는 PBT가 항상 반결정질입니다. 따라서 PET와 PBT의 성능 차이를 제대로 이해하려면 각 고분자의 결정 형성을 합리적인 기준에 따라 비교해야 합니다. PET는 결정화가 매우 느리기 때문에, 이 반결정질 구조를 가진 재료로 부품을 제작하려면 핵형성제와 같은 특정 화학 물질 및 충전제와 강화제와 같은 고체 입자의 도움이 필요합니다. 따라서 상업용 반결정질 PET는 항상 고체 충전 또는 강화된 형태입니다. PET와 PBT의 성능을 공정하게 비교하려면 동일한 유형의 충전재와 동일한 충전 비율을 가진 재료를 비교해야 합니다.
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