UHMWPE 고분자 폴리에틸렌 소재 검사 문제

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이 게시물은 마지막으로 liaifeng에 의해 2018-7-28 07:54에 수정되었습니다. UHMWPE(초고분자량 폴리에틸렌)는 분자가 선형 구조를 가진, 우수한 종합적 성능을 지닌 열가소성 공학 플라스틱으로, 분자량은 150만 이상에 달합니다.밀도가 낮으며, 우수한 내마모성, 자가 윤활성, 충격 저항성, 내식성 등을 가지고 있습니다. UHMWPE는 매우 높은 분자량을 가지고 있습니다(일반적인 HDPE의 분자량은 2만~30만에 불과함). 이러한 특성 덕분에 우수한 성능을 발휘합니다. 또한, 적당한 가격에 뛰어난 성능을 갖춘 열가소성 공학 플라스틱입니다. UHMWPE는 다양한 플라스틱의 장점들을 모두 갖추고 있으며, 일반 폴리에틸렌이나 다른 공학 플라스틱들과 비교할 수 없을 정도로 내마모성, 내충격성, 자가윤활성, 내식성, 충격 에너지 흡수 능력, 저온 저항성, 위생적이고 독성이 없으며, 접착되기 어렵고 수분 흡수가 적으며 밀도가 낮다는 등의 우수한 특성을 가지고 있습니다.사실, 현재까지는 이처럼 많은 우수한 특성을 동시에 갖춘 단순한 고분자 소재는 존재하지 않습니다. 내마모성 UHMWPE의 내마모성은 플라스틱 중에서 가장 뛰어나며, 일부 금속보다도 우수합니다. 다른 엔지니어링 플라스틱과 비교했을 때, UHMWPE의 모래 마모 지수는 PA66의 1/5, HEPE와 PVC의 1/10에 불과합니다；금속에 비해 탄소강의 1/7, 황동의 1/27입니다.이처럼 높은 내마모성 때문에 일반적인 플라스틱 마모 실험 방법으로는 그 내마모성을 측정하기 어렵습니다. 그래서 특별히 모르타르를 이용한 마모 테스트 장치가 개발되었습니다.UHMWPE의 내마모성은 분자량과 정비례하며, 분자량이 높을수록 내마모성이 우수해집니다. 충격 저항성 UHMWPE의 충격 강도는 모든 엔지니어링 플라스틱 중에서도 최상위 수준에 속합니다. UHMWPE의 충격 강도는 충격에 강한 PC의 약 2배, ABS의 5배, POM과 PBTP의 10배 이상입니다.충격에 대한 내성이 너무 높아서, 일반적인 충격 시험 방법으로는 그것을 파괴시키기가 어렵다.그 충격 강도는 분자량이 증가함에 따라 높아지며, 분자량이 150만일 때 최대값에 도달한 후, 분자량이 계속 증가함에 따라 점차 감소한다.주목할 점은, 이 소재가 액체 질소 중(-195℃)에서도 우수한 충격 강도를 유지한다는 것인데, 이는 다른 플라스틱들에는 없는 특성입니다.또한, 반복적인 충격에도 표면 경도가 더 높습니다. 자가윤활성 UHMWPE는 매우 낮은 마찰 계수(0.05～0.11)를 가지므로 자가윤활성이 우수합니다.표 1은 UHMWPE와 다른 엔지니어링 플라스틱의 마찰 계수 비교입니다.표 1에서 알 수 있듯이, UHMWPE의 동마찰 계수는 수윤활 조건에서 PA66과 POM의 1/2이며, 무윤활 조건에서는 플라스틱 중 자윤활성이 가장 우수한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)에 이어 두 번째로 낮습니다；슬라이딩하거나 회전하는 형태로 작동할 때, 강철과 황동에 윤활유를 바른 것보다도 더 우수한 윤활성을 보입니다.따라서 마찰학 분야에서 UHMWPE는 비용/성능이 매우 우수한 마찰 재료로 평가받습니다. 마찰 계수 명칭 자가윤활 수성 윤활제 UHMWPE 0.10～0.22 0.05～0.10 0.05～0.08 PTFE 0.04～0.25 0.04～0.08 0.04～0.05 PA66 0.15～0.40 0.14～0.19 0.06～0.11 POM 0.15～0.35 0.10～0.20 0.05～0.10 표1 UHMWPE와 다른 공학용 플라스틱의 마찰 계수 비교 화학물질에 대한 내성 UHMWPE는 우수한 화학물질 내성을 가지고 있습니다. 강한 산성 물질을 제외하면, 일정한 온도와 농도 범위 내에서 다양한 부식성 물질(산, 알칼리, 염) 및 유기성 물질(탄화수소 용매 제외)에도 견딜 수 있습니다. 20℃와 80℃의 80종류의 유기용매에 30일간 침지시켰으나, 표면에는 어떠한 이상 현상도 나타나지 않았으며, 다른 물리적 특성들도 거의 변화가 없었습니다. 충격 에너지 흡수성 UHMWPE는 뛰어난 충격 에너지 흡수성을 가지고 있으며, 모든 플라스틱 중에서 충격 에너지 흡수값이 가장 높습니다. 따라서 소음 억제 성능이 우수하여 훌륭한 소음 차단 효과를 제공합니다. 저온 내성 UHMWPE는 우수한 저온 내성을 가지고 있어, 액체 헬륨 온도(-169℃)에서도 연성을 유지하기 때문에 원자력 산업의 저온 부품으로 사용될 수 있다. 위생적이고 무독성인 UHMWPE는 일본 위생협회의 기준을 완벽히 충족하며, 미국 식품의약국과 미국 농무부의 승인도 받았습니다. 따라서 식품 및 의약품과 접촉하는 데에도 사용할 수 있습니다. 비점착성 UHMWPE 표면의 흡착 능력은 매우 약하여, 점착 방지 능력은 플라스틱 중에서 비점착성이 가장 우수한 PTFE에 이어 두 번째 수준입니다. 따라서 제품 표면은 다른 재료들과 쉽게 달라붙지 않습니다. 흡수성이 낮음, UHMWPE의 흡수율은 매우 낮습니다；일반적으로 0.01% 미만이며, PA66의 1%에 불과하기 때문에 성형 가공 전에 특별한 건조 처리가 필요하지 않습니다. 밀도 표 2는 UHMWPE와 다른 엔지니어링 플라스틱의 밀도 비교입니다.표 2에 따르면, UHMWPE의 밀도는 다른 모든 엔지니어링 플라스틱보다 낮습니다. 일반적으로 PTFE보다 56%, POM보다 33%, PBTP보다 30% 낮으므로, 이 소재로 만들어진 제품들은 매우 가벼운 편입니다. 명칭 | 상대 밀도 | UHMWPE의 밀도 대비 비율/%
PTFE | 2.12 | 56
POM | 1.41 | 33
PBTP | 1.31 | 30
PC | 1.20 | 22
PA | 1.02–1.14 | 8–18
UHMWPE | 0.94 |

표 2: UHMWPE와 다른 공학용 플라스틱의 밀도 비교

인장 강도: UHMWPE는 인장 방향으로 배열되는 데 필요한 구조적 특성을 가지고 있기 때문에, 타의 추종을 불허하는 매우 높은 인장 강도를 가집니다. 따라서 젤 스피닝 방법을 통해 매우 높은 탄성 계수와 강도를 가진 섬유를 제조할 수 있으며, 그 인장 강도는 3~3.5GPa에 달하고, 인장 탄성 계수는 100~125GPa에 이릅니다；섬유의 비강도는 지금까지 상용화된 모든 섬유 중에서 가장 높으며, 탄소섬유보다 4배, 철선보다 10배, 아라미드 섬유보다 50% 더 높습니다. 기타 성능으로는 UHMWPE는 우수한 전기 절연 특성을 가지고 있으며, HDPE보다 뛰어난 환경 스트레스 균열 저항성과 더 좋은 피로 저항성 및 r-선 저항력을 지닙니다. 생산 방법 편집: 초고분자량 폴리에틸렌은 일반 고밀도 폴리에틸렌을 생산하는 방법을 활용하여, 공정 조건을 변경함으로써 분자량을 조절하여 제조할 수 있습니다.생산 방법에는 지그뢰르법, 솔베이법, 용액법이 있습니다. 지그러법 지그러법이란 저압 중합법입니다.이 반응에서는 이산화티타늄과 알킬알루미늄(G-에틸알루미늄 또는 디에틸알루미늄화합물)을 촉매로 사용하며, �ptane이나 휘발유를 용매로 사용합니다. 반응은 60~90℃의 온도와 상압 조건에서 일어납니다.반응 장치는 일반적으로 탱크형 반응기나 수직 타워형 반응기를 사용한다.탑형 반응기를 사용할 경우, 탑 바닥에는 다층식 교반 프로펠러를 설치해야 합니다. 지그러법의 생산 공정은 다음과 같습니다. 먼저, 용매에 용해된 촉매와 에틸렌 원료를 함께 반응 장치에 넣어 중합시킵니다. 이 중합 반응은 발열 반응이므로, 규정된 반응 온도까지 냉각시켜야 합니다. 그 다음, 중합 반응으로 생성된 물질을 촉매 분해 탱크에 넣고 메탄올을 첨가하여 촉매를 분해시킵니다. 마지막으로 여과와 건조 과정을 거치면, 평균 분자량이 100만~500만인 UHMWPE 제품이 얻어집니다. 솔베이법은 필립스법에서 사용되는 고리형 반응기와, 마그네슘 함유 화합물을 촉매로 하는 지글러 고효율 촉매를 결합한 새로운 생산 방법입니다. 솔베이법은 티타늄 tetrachloride를 촉매로 사용하고, 알킬알루미늄 화합물 등을 활성화제로 사용하며, 촉매 운반체로는 고온에서 소성하여 대형 공극을 가진 MgCl2나 MgClOH가 주로 사용된다.이 방법의 특징은 촉매를 비표면적이 큰 지지체에 흡착시켜 결정 구조가 펼쳐지도록 함으로써, 대부분의 과전이금속 원자들이 중합 활성 중심 역할을 하게 하는 것입니다. 이를 통해 촉매의 효율은 50–600kg/4Tio에 달할 수 있습니다. 중합 반응은 폐쇄형 반응관 내에서 진행되며, 외부에는 냉수 재킷이 있고 내부에는 고속 터빈 혼합기가 있어 촉매를 혼합시키고, 유입된 에틸렌 및 밀도를 조절하는 공중합 단량체와 섞어줍니다.반응 온도는 80-90℃이며, 에틸렌의 분압은 1.0 MPa입니다. 반응 시간은 2-3시간입니다.생성된 슬러리는 원심 여과를 거치고, 여과된 고형물은 증기로 스티어링하여 잔류 용매를 제거한 뒤 기류 건조를 통해 평균 분자량이 150만~600만인 UHMWPE를 제조할 수 있다. 용액법에서는 CrO₃를 촉매로, Al₂O₃-SiO₂를 담체로 사용하며, C6 알케인을 용매로 이용한다. 중합 반응은 폴리머의 융점 온도보다 170~180℃ 높은 온도에서 진행되며, 압력은 1.96~2.94MPa 범위로 조절된다. 그 다음 에틸렌과 소량의 공중합 단량체인 헥센을 원료로 사용하여 중합 반응을 수행하는데, 이때 에틸렌과 폴리에틸렌이 모두 용매에 용해되어 균일한 반응 체계가 형성된다. 중합 반응이 끝난 후에는 플래시 증류를 통해 에틸렌을 제거한 뒤, 원심분리, 농축, 냉각 과정을 거쳐 폴리머를 얻게 된다.이 방법을 사용하면 평균 분자량이 100만 이상인 UHMWPE를 제조할 수 있다. 응용 편집 현재 UHMWPE는 섬유, 제지, 포장, 운송, 인쇄, 화학, 광업, 석유, 건축, 전기, 식품, 의료, 스포츠 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며, 점차 일반 무기, 선박, 자동차 등의 분야로도 진출하고 있습니다.앞으로는 우주항공과 원자력 분야 등으로도 확대될 예정입니다. 내마모성과 내충격성이 중요하게 요구되는 용도들 1.1, 섬유 기계 섬유 기계는 UHMWPE가 가장 먼저 활용된 분야입니다. 1958년에 이미 몇몇 회사들이 UHMWPE를 사용하여 섬유 기계의 부품들을 제작했습니다. 예를 들어, 탄력성이 뛰어난 천연 가죽 대신 UHMWPE를 사용하여 직조기의 부품들을 만들었으며, 이러한 부품들은 분당 40~180회의 진동과 충격에도 견딜 수 있습니다. 그 결과, 그 수명은 천연 가죽으로 만든 부품들의 5~6배에 달합니다.현재 해외에서는 각 직조기에 평균적으로 30개 정도의 UHMWPE 부품이 사용되고 있으며, 이러한 부품들에는 샷 투입 장치, 샷 스트로크용 막대, 기어, 연결장치, 스위프팅 로드, 완충 블록, 축 커버, 스윙하는 후방 빔 등 충격과 마모에 강한 부품들이 포함됩니다. 1.2. 제지 기계
제지 기계는 UHMWPE가 사용되는 두 번째 산업 분야입니다. 1960년경, 한 목재 절단기의 전달 장치에 처음으로 UHMWPE로 만든 내마모성 스트립이 설치되었는데, 이 스트립은 바닥판과 체인을 잘 보호해주었습니다. 약 5년간 사용해도 거의 마모되지 않았습니다.추정에 따르면, 마모 방지 스트립의 수명은 체인의 수명보다 두 배 이상 길다. UHMWPE와 스테인리스강, 메이플우드, 주조형 폴리우레탄, 적층 페놀수지와 같은 내마모성 재료들도 흡수 탱크의 덮개로 사용된다. 하지만 중요한 점은 UHMWPE로 만든 덮개가 흡수 탱크 내부의 스테인리스강 와이어망에 가하는 저항이 다른 재료들보다 낮다는 것이다. 그래서 비싼 스테인리스강 와이어망의 수명을 연장시킬 수 있다.오늘날, 제지 산업에서 필요한 UHMWPE의 양은 전체 사용량의 10%를 차지합니다. UHMWPE는 제지기의 스위퍼, 물통 덮개, 압축 부품, 연결부 등을 제작하는 데 사용됩니다；또한 UHMWPE는 제지 기계의 밀봉 샤프트, 가이드 휠, 스크레이퍼, 필터 등의 부품을 제조하는 데에도 사용될 수 있습니다. 1.3, 포장 기계: UHMWPE의 뛰어난 내마모성, 낮은 마찰 계수, 그리고 비접착성 덕분에, 이 소재는 포장 기계에서 특정 금속이나 다른 플라스틱들보다 더 적합하며, 인코넬이나 플루오로플라스틱을 대체할 수 있습니다. UHMWPE를 개질된 플루오로플라스틱 대신 사용하여 가이드레일, 전달 장치의 슬라이더 베이스, 고정판 등을 제작하면 **장비 투자 비용을 절감할 뿐만 아니라 수명도 10~50배까지 연장할 수 있다.** 액체 세제 생산 라인에 장착된 타이밍 스크류의 경우, 기존의 적층형 열경화성 플라스틱 대신 UHMWPE를 사용함으로써 과거에 발생하던 병의 마모나 스크래치 문제, 그리고 병이 부드러워지는 문제가 해결되었습니다. 이로 인해 예비 부품 비용도 줄어들었습니다. UHMWPE로 제작된 타이밍 스크류는 이미 많은 병 충전 라인에서 표준 부품으로 사용되고 있습니다. 서구의 한 대형 맥주공장에서는 UHMWPE로 길이 약 1.6km의 플레이트형 병 컨베이어를 제작했는데, 이 컨베이어는 인청동으로 만든 컨베이어보다 내구성이 몇 배나 뛰어납니다. 해외의 한 자동차 조립 공장의 컨베이어 라인에서는 체인이 톱니바퀴를 구동하여 작은 카트가 강판 전달 플랫폼 위를 이동하게 됩니다. 하지만 체인과 강판 사이의 마찰로 인해 체인이 쉽게 손상됩니다.UHMWPE 판재를 강판으로 대체함으로써 마모가 **감소하고, 동시에 동력 소비도 줄어듭니다. 1.4, 일반 기계류 UHMWPE는 우수한 내마모성과 내충격성을 가지고 있어 기계 제조 산업에서 널리 사용됩니다. 이를 활용하여 다양한 기어, 캠, 펌프 임펠러, 롤러, 미끄럼판, 베어링, 축 받침, 축 커버, 드릴 비트, 가스켓, 실링 패드, 탄성 커플링, 나사 등과 같은 기계 부품들을 제작할 수 있습니다. 자가 윤활성과 불달라붙음 방지 성능이 중요한 용도들 2.1, 재료의 저장 및 운반 UHMWPE는 석탄, 시멘트, 석회, 광석 가루, 소금, 곡물과 같은 분말 형태의 재료들을 담는 통이나 창고, 슬라이드 트랙의 내벽으로 사용될 수 있습니다. 우수한 자가 윤활성과 불달라붙음 방지 성능 덕분에, 이러한 분말 형태의 재료들이 저장 및 운반 장비에 달라붙는 것을 막아 안정적인 운반이 가능해집니다. 석탄, 광석 가루, 곡물 등을 담는 통들은 과거에는 스테인리스 스틸로 내부를 덮어 운송했지만, 현재는 UHMWPE로 내부를 덮고 있습니다. 장기간 사용할 경우 발열 현상을 줄일 수 있으며, 보강철이 광석을 운반할 때 사용하는 통들도 UHMWPE를 사용함으로써 기존의 금속 재질보다 수명이 10~50배 더 길어집니다.UHMWPE를 사용하여 흡입관 내벽을 제작하면 시공이 용이하고 비용도 저렴하기 때문에, 대형 발전소의 석탄 운반용 흡입관에도 UHMWPE 내벽이 적용됩니다. 채탄장의 석탄 슬라이드는 UHMWPE로 제작되어 경사각을 줄일 수 있으며, 이를 통해 채굴량을 높일 수 있다.40만 톤의 석탄을 운반해도 재질 교체가 필요 없으며, 마그네슘 합금으로 만들어진 유동 트레이에 비해 수명이 2배 더 길다. UHMWPE는 유동 모래 등의 고체 운반 파이프라인에 사용되며, 강관에 비해 수명이 18배 길어지고 비용은 1/25로 줄어듭니다. 나일론관에 비해서는 수명이 3배 길어지고 비용은 1/8로 낮아집니다.운송 시, 파이프 내부의 저항이 금속 파이프보다 25% 낮아 **운송 효율이 향상됩니다. 슬라이드, 샤프트, 광석 화물칸의 내부 표면 등에 전통적인 금속 재료를 사용할 경우, 추운 습한 날씨에 물질들이 금속 위에 얼어붙지만, UHMWPE를 사용하면 그런 일이 없어서 **하역 시간을 단축시킬 수 있습니다.벌크선의 자동하역 퍼널에 UHMWPE 판을 내장한 후, 평균 하역 시간은 기존의 16~20시간에서 8시간으로 줄어들었습니다. 2.2 농업 및 건설 기계: UHMWPE는 자가 윤활성이 우수하여, 흙이 그 표면에서 쉽게 미끄러지며 접착되지 않습니다. 또한 충격에 대한 내성과 마모에 대한 내성도 뛰어나므로, 농업 및 건설 기계의 부품을 제작하는 데 적합합니다.수확기의 슬라이딩 플레이트, 쟁기의 외부 라이닝 판, 흙 제거 기계의 스크레이퍼, 굴착기의 버킷 내부 라이닝, 도징트럭의 칸 내부 라이닝 등과 같은 것들을 사용하면 작업 효율을 크게 향상시키고 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 2.3 문구용품 UHMWPE의 자가윤활성, 내마모성 및 내한성을 활용하여 스케이트나 스키 보드의 바닥판에 사용될 수 있으며, 유럽과 미국에서는 주로 UHMWPE를 사용하여 제조한다；UHMWPE로 스키 트랙을 덮으면(층 두께 20mm), 슬라이드의 최고 속도는 110km/h에 달할 수 있다. 일본 미쓰이 석유화학회사가 제조한 UHMWPE 스케이트장은 1975년 가고시마현에서 일반에 개방되었으며, 그 건설 비용은 일반 스케이트장의 1/4에 불과했습니다. 내식성과 흡수성이 낮다는 특성을 활용한 용도로, UHMWPE는 우수한 화학적 안정성과 흡수성이 없어 다양한 용액을 보관하는 용기의 내벽 재료나, 부표, 물을 받는 용기, 휘발유 탱크, 농약 용기와 같은 대형 포장 용기로 사용될 수 있습니다. 또한 태양광 발전 장비에서 사용되는 물을 저장하는 용기로도 활용됩니다.이것도 현재 UHMWPE가 가장 널리 쓰이는 분야 중 하나입니다. UHMWPE 용기는 우수한 낙하 충격 강도를 가지고 있습니다.용기에 물 20kg을 담아 높은 곳에서 10mm 두께의 철판 위로 떨어뜨릴 경우, 일반 폴리에틸렌 용기의 파손 높이는 9m에 불과하지만, UHMWPE 용기는 15m 이상까지 가능하다. 위생성 및 무독성을 주요 요구사항으로 하는 용도 4.1, 식품·음료 산업 UHMWPE는 식품 산업에서 요구되는 무독성, 내수성 및 비점착성을 갖추고 있습니다.식품과 직접 접촉하여 사용할 수 있는 재료로 지정됨.맥주, 청량음료, 조미료 등의 운반 라인에 사용할 수 있습니다.물품을 운반할 때 병 등이 파손되는 것을 방지하고 소음을 줄일 수 있으며, 컨베이어 벨트나 스크류 등의 마모를 감소시키고 전력 소비도 줄일 수 있습니다. 또한 육류, 우유, 과자 및 잼, 빵류를 생산하는 데 사용되는 장비의 부품을 제작하는 데에도 활용됩니다. 4.2, 의료 분야에서 UHMWPE는 뛰어난 생리적 무반응성과 적응성을 가지고 있습니다. 미국 식품의약국 및 농무부의 승인을 받아, 심장 판막, 정형외과용 부품, 인공 관절, 피임 장치 등과 같이 인체와 접촉하는 의료 제품에 사용될 수 있습니다. 따라서 이는 이상적인 의료용 고분자 소재입니다.UHMWPE로 만들어진 골반관절과 금속으로 된 대퇴골로 구성된 인공 고관절은, PTFE에 비해 내마모성과 안전성이 훨씬 우수합니다.현재 전 세계적으로 수십만 명이 이러한 인공 관절 치환술을 받았습니다. 기타 성능의 응용 5.1, 저온 내성 응용 UHMWPE는 우수한 저온 내성을 가지고 있어 다양한 냉동 기계에 사용될 수 있으며, 원자력 산업에서는 저온 부품으로 활용될 수 있다. 또한 저온 초전도 분야에서는 매우 이상적인 절연 재료이다.UHMWPE는 방사선에 대한 우수한 차폐 효과를 가지고 있어, 원자력 발전소의 차폐판으로 사용될 수 있다. 5.2, 전기 절연 성능의 활용
UHMWPE는 우수한 전기 절연 성능을 가지고 있습니다. 특히 유전 손실 각의 탄젠트 값이 낮아, 도금 탱크나 롤러를 제작하는 데 사용될 수 있으며, 고주파 및 초고주파 영역에서 작동하는 절연체, 절연 브래킷, 케이블 튜브, 차단기, 케이블 단자 및 기타 전기 장치를 제작하는 데에도 활용될 수 있습니다. 단점: 다른 엔지니어링 플라스틱에 비해 UHMWPE는 내열성, 강도, 경도가 낮은 편이지만, ‘충전’ 및 ‘교차결합’과 같은 방법을 통해 개선할 수 있습니다；내열성 측면에서 보면, UHMWPE의 융점(136℃)은 일반 폴리에틸렌과 거의 같지만, 분자량이 크고 용융 점도가 높아 가공이 어렵습니다. 문제가 생겼습니다: 고분자 폴리에틸렌 소재의 성능과 분자량은 어떻게 검사하며, 검사 기준은 무엇인가요?