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폴리스티렌의 기원
폴리스티롤이라고도 하는 폴리스티렌은 스티렌의 중합을 통해 생산되는 널리 사용되는 폴리머입니다.
폴리스티렌은 투명하고 단단하며 부서지기 쉬운 소재로 발포 폴리스티렌(EPS) 및 압출 폴리스티렌(XPS) 등 다양한 형태로 제공됩니다. 폴리스티렌은 일반적으로 포장, 단열재, 용기 및 기타 일상적인 제품에 사용됩니다.
방수, 화학적 불활성, 산과 염기에 강하지만 유기 용매에는 민감합니다. 폴리스티렌의 상업적 생산은 1930년대에 시작되었으며 전 세계에서 제조 및 가공되고 있습니다.
폴리스티렌의 한 형태인 EPS는 포장, 단열 및 건축에 자주 사용됩니다.
PS의 결정성
폴리스티렌은 크게 두 가지 형태로 존재합니다: 아액틱 폴리스티렌과 신디오틱 폴리스티렌.
무정형 폴리스티렌은 비정질로, 규칙적이고 정돈된 구조가 없으므로 결정성.
반면 신디오택틱 폴리스티렌은 선형 탄소 백본에 페닐기가 번갈아 가며 배치되어 매우 규칙적이고 정돈된 구조를 가지고 있습니다.
이러한 규칙성 덕분에 분자가 결정으로 쉽게 뭉쳐 결정 구조를 형성할 수 있습니다.
신디오택틱 폴리스티렌의 결정성은 더 높은 녹는 온도 그리고 비활성 폴리스티렌에 비해 더 높은 강성을 제공합니다.
그러나 완전히 결정질인 폴리머는 플라스틱으로 사용하기에는 너무 부서지기 쉬우므로 완전히 결정질인 폴리머는 없다는 점에 유의해야 합니다.
폴리스티렌을 비롯한 폴리머에 무정형 영역이 존재하면 폴리머가 깨지지 않고 구부러지고 에너지를 흡수할 수 있는 인성이 부여됩니다.
폴리스티렌의 녹는점
폴리스티렌은 일반적으로 상온에서 고체 상태로 존재하지만 성형 또는 압출을 위해 가열하면 녹는 열가소성 폴리머입니다.
폴리스티렌의 녹는점은 형태와 구조에 따라 다릅니다. 규칙적인 구조를 가진 이소택틱 폴리스티렌은 녹는 온도가 약 240°C이며, 역시 규칙적인 구조를 가진 신디택틱 폴리스티렌은 녹는 온도가 약 270°C로 약간 더 높습니다.
이 녹는점은 다음을 사용하여 측정할 수 있습니다. 동적 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 측정할 수 있으며, 이를 통해 재료의 녹는 온도 및 기타 열 특성을 정밀하게 측정할 수 있습니다.
규칙적인 구조가 없는 비정질 폴리스티렌은 특정 온도에서 녹지 않고 유리 전이 온도로 알려진 100°C 주변에서 서서히 부드러워집니다.
이러한 용융 온도의 차이는 폴리스티렌의 분자 배열 및 결정성과 관련이 있습니다.
순수 고체 폴리스티렌은 무색이고 단단하며 유연성이 제한적입니다.
미세한 디테일이 있는 모양으로 성형할 수 있으며 투명하거나 다양한 색상으로 제조할 수 있습니다.
경제적이며 플라스틱 모델 키트, 번호판 프레임, 플라스틱 수저, CD 보석 케이스, 모형 제작, 음반의 대체 재료 및 기타 상당히 단단하고 비용 효율적인 플라스틱이 필요한 많은 품목의 생산에 사용됩니다.
폴리스티렌은 고체 또는 발포 형태로 존재할 수 있습니다.
일반 폴리스티렌은 투명하고 단단하며 부서지기 쉽습니다.
무게 단위당 가격이 저렴한 수지이며 녹는점이 상대적으로 낮습니다.
가장 널리 사용되는 플라스틱 중 하나이며 연간 생산량이 수백만 톤에 달합니다.
폴리스티렌의 녹는점
폴리스티렌의 열 안정성은 구조와 구성에 따라 달라집니다. 순수 폴리스티렌은 고온에서 안정적이지 않으며 열분해되는 경향이 있습니다.
그러나 안정제를 추가하면 열 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 규칙적인 구조를 가진 아이소택틱 폴리스티렌은 일반적으로 비정질 폴리스티렌보다 열적으로 더 안정적입니다.
폴리스티렌의 열 안정성은 칩-DSC (DSC) 를 비롯한 다양한 방법을 사용하여 측정하거나 열 중량 측정 분석 (TGA) 를 사용하여 STA PT 1000.
DSC 방법은 제어된 온도 상승 동안 물질이 흡수하거나 방출하는 열의 양을 측정하여 융점 및 연화점을 결정하고 상 전이 및 반응을 조사할 수 있습니다.
TGA 방법은 온도에 따른 재료의 무게 변화를 측정하며 재료의 열 안정성 및 분해 온도를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.
폴리스티렌의 유리 전이 온도
폴리스티렌의 유리 전이 온도 (Tg) 는 일반적으로 약 100°C에서 발생합니다. 이 온도는 비정질 폴리머가 딱딱하고 유리 같은 상태에서 부드러운 고무 같은 상태로 전이되는 것을 나타냅니다.
Tg는 제어된 온도 상승 동안 물질이 흡수하거나 방출하는 열의 양을 측정하여 융점 및 연화점을 결정하고 상 전이 및 반응을 조사할 수 있는 Chip-DSC를 사용하여 측정할 수 있습니다.
유리 전이 온도는 폴리스티렌의 기계적 특성과 가공성에 영향을 미치는 중요한 파라미터입니다. Tg 이상에서는 폴리스티렌이 부드럽고 유연해져 사출 성형과 같은 가공 기술에 적합하지만, Tg 이하에서는 딱딱하고 부서지기 쉽습니다.
사출 성형에 의한 폴리스티렌 부품 생산
사출성형을 통한 폴리스티렌 부품 생산은 용융된 폴리스티렌을 금형에 주입하여 원하는 모양을 만드는 일반적인 공정입니다.
이 공정에는 일반적으로 강철 또는 알루미늄으로 제작된 특수 사출 성형 기계와 금형이 필요합니다.
폴리스티렌은 유동성과 성형성이 우수하여 사출 성형에 적합합니다.
재료의 강도와 성형성은 다음을 사용하여 측정할 수 있습니다. DIL L75 또는 TMA를 사용하여 측정할 수 있습니다.
DIL L75는 온도에 따른 재료의 길이 변화를 측정하는 팽창계로, 재료의 열팽창과 수축을 파악할 수 있습니다.
열역학적 분석 (TMA)은 온도와 재료에 가해지는 힘의 함수로서 재료의 길이 변화를 측정하여 유리 전이 및 연화 온도 측정은 물론 재료 내 형상 및 응력 변화를 조사할 수 있습니다.
다양한 유형의 PS
폴리스티렌은 다양한 형태와 용도로 사용되는 다용도 폴리머입니다.
폴리스티렌의 종류에는 다음과 같은 것들이 있습니다:
고체 폴리스티렌:
- 투명하고 단단하며 부서지기 쉽고 변형되지 않은 상태에서 적당히 단단합니다. 플라스틱 모델 키트, 번호판 프레임, 플라스틱 수저, CD 쥬얼리 케이스 등을 만드는 데 사용됩니다.
발포 폴리스티렌(EPS):
- 건축에서 발포 단열재로 사용됩니다. 또한 건설 산업에서 건축 자재로 사용되는 폴리스티렌 콘크리트 생산을 위해 과립 형태로도 사용됩니다.
폴리스티렌 필름:
- 필름 제작에 사용되며 투명하고 내구성이 뛰어나며 인쇄가 가능합니다.
애플리케이션: PS 과립
DEVICE | CHIP-DSC 1 |
|---|---|
| Heating rate | 50 K/minute |
| Sample mass | approx. 15 mg |
| Sample tray | Open aluminium pans |
| Gas | Static air |
폴리스티렌의 환경 영향
폴리스티렌, 특히 발포 폴리스티렌 (EPS)은 환경에 큰 영향을 미칩니다. 폴리스티렌을 생산하려면 석유를 사용해야 하므로 기후 및 환경 발자국이 상당합니다.
폴리스티렌은 사용 후 주요 성분으로 육상 및 해양 쓰레기의 원인이 됩니다. 해안 쓰레기의 흔한 성분이며 분해가 매우 느리기 때문에 오랫동안 환경에 남아있을 수 있습니다.
또한 폴리스티렌은 매립지에서 화학 물질을 침출하여 추가적인 환경 문제를 일으킬 수 있습니다. 또한 폴리스티렌은 작은 입자로 분해되어 야생동물이 섭취할 수 있기 때문에 사람과 동물의 건강에 위협이 됩니다.
폴리스티렌의 주요 성분인 스티렌은 간 손상과 신경 조직 손상을 유발할 수 있습니다. 이러한 환경적 영향으로 인해 일부 지역에서는 이미 폴리스티렌의 사용이 제한되거나 금지되고 있습니다.
