기술과 솔루션
실리콘의 과학과 그 응용 2
작성자 : 취재부
2025-02-03 |
조회 : 37
6. 실리콘의 가교
실리콘 폴리머는 여러 가지 방법으로 가교할 수가 있다. 특히 Si 원자에 연결된 관능기를 이용하여 유기 폴리머에는 없는 독특한 반응을 하는 것이 많다. 여기서는 대표적인 가교반응인 탈수축합 가교, 축합반응 가교, 부가반응 가교, UV 가교에 대해 서술하고자 한다.
(1) silanol기(Si-OH)의 탈수 축합반응
Si-OH간의 탈수축합 반응은 실리콘 varnish, 섬유 발수제, 이형제 등의 경화 반응에 이용되고 있다. 촉매로서 옥틸산아연, 옥틸산철, 코발트, 주석 등의 유기산염이 사용되고 가열에 의해 반응이 진행한다. 아민계 촉매도 유용하다.
(2) silanol기(Si-OH)와 가수분해성기(Si-OR)의 축합반응
이 반응은 실리콘 varnish, 축합형 액상 실리콘고무의 가교에 이용되고 있다. Si-OH는 가수분해성기를 가지는 실란 또는 실록산(RO-Si), 산, 알카리, 유기주석화합물, 유기티탄화합물 등의 촉매에 의해 상온에서 축합반응한다. 가수분해성기는 alkoxy기, acetoxy기, oxime기, aminoxy기, prophenoxy기 등이 있으며 용도에 따라 사용되고 있다.
(3) methylsilyl기(Si-CH3), vinylsilyl기(Si-CH-CH2)의 유기과산화물에 의한 반응
유기과산화물의 열분해에 의한 radical 반응은 실리콘 고무나 무용제 실리콘 vanish의 가교에 이용되고 있다. 반응 온도는 유기과산화물의 분해 온도에 따라 다르지만, 일반적으로 150℃ 이상이다. 또한 과산화물의 분해 잔사 등을 제거하기 위해 2차 가황을 필요로 한다.
이 가교 기구는 methyl간의 반응과 methyl기-vinyl기의 반응이 동시에 진행하여 가교가 이루어진다. 일반적으로 acyl계 과산화물에서는 주로 A 반응이 우선하고, alkyl계 반응에서는 B 반응이 우선한다.
4) vinylsilyl기(Si-CH-CH2)와 hydrosilyl기(Si-H)의 부가반응
Si-H기와 Si-CH-CH2기의 부가반응에는 백금화합물이 촉매로 사용된다. 부가반응은 실란 커플링제 등의 합성이나 실리콘 고무, 실리콘 vanish, 이형지 등의 경화 반응에 폭넓게 이용되고 있다. 부가반응은 상온경화, 가열경화 모두 가능하며 또한 개방계 및 페쇄계 모두에서 경화할 수 있는 특징을 가지고 있다, 더욱이 부가반응은 부산물이 반응 과정에서 생성되지 않기 때문에 경화물은 밀봉 내열성이 우수하다. 그러나 질소화합물, 인화합물, 유황화합물 등의 미량 혼입으로 경화가 저하되는 단점을 가진다.
5) 자외선에 의한 경화
UV에 의한 광경화반응은 축합반응, 가열경화반응에 비하여 경화시간을 대폭으로 단축할 수 있고, 기재에 대한 열의 영향이 없는 특징을 가지며 이형지, 액상 실리콘 고무 등에 응용되고 있다. 광경화반응에 사용되는 주요 유기 관능기는 acryl기와 epoxy기이다.
acryl기의 광반응은 광개시제의 UV 분해에 의해 발생한 radical에 의한 부가 중합반응이다. radical 중합반응은 공기 중의 산소에 의한 경화 방해를 받기 쉽기 때문에 주의가 필요하다. epoxy기의 광반응은 술포늄염 등의 광분해로부터 산(acid)을 발생시키고, 그 산을 이용한 epoxy기의 개환중합반응이다. epoxy기의 광 경화 반응은 공기 중의 산소에 의한 경화 방해는 없으며, 염기성 물질에 의한 경화 방해나 산에 의한 부식에 주의를 기울여야 한다.
7. 응용 분야
(1) 건축용 보호재
실리콘의 높은 발수성과 장기 내후성의 성질을 이용하여 퇴색을 방지하는 건축용 코팅, 지붕 방수 처리, 탱크 보호 코팅 등 폭넓게 건축용 보호재로 사용되고 있다. 또한 콘크리트, 경량 기포 콘크리트(ALC), 석재 등의 표면을 보호하기 위해 개발된 발수 코팅제는 교량이나 상업용 빌딩 등에 사용되고 있다.
실란트는 탄력성이 뛰어나고, 고온·저온에 강하며, 오존에 의한 열화나 자외선에 견디는 우수한 특성을 가지고 있다. 따라서 고기능의 grazing재 또는 sealing재로서 다양한 건축 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어 지붕에서 볼 수 있는 top light와 frame의 접착, 수조의 방수·누수, 복층 유리의 2차 sealing 등에 널리 사용되고 있다.
산업용 clean room에서도 특수 사양의 실리콘 sealant와 실리콘 gel이 활약하고 있다. 일반 가정에서는 열이나 습기가 차기 쉬운 목욕탕이나 주방에서 곰팡이를 막는 특성을 가진 실리콘 sealant가 sealing재로 사용되고 있다.
2) 건축용 개스킷
유리와 창틀 등을 접합하는 건축용 개스킷에 실리콘 고무가 많이 사용되고 있다. 그 이유는 실리콘 본래의 뛰어난 성질 외에도, 여러 가지 색상 및 자유로운 가공 성형성의 특징을 갖고 있기 때문이다. 디자인성이 뛰어나고 공사 기간의 단축에도 도움이 되어 높은 기술과 신뢰성이 요구되는 고층 건물의 건축에 필수적으로 사용되고 있다.
(3) 전자부품
전자 분야에서는 실리콘의 특성을 활용하여 더욱 다양한 형태로 사용되고 있다. 예를 들어 ① 전도성 재료, 절연성 재료, 열전도성을 제어하는 전자부품 ② 투명성, 광투과성을 요구하는 LED 부품 ③ 접착성, 유연성, 탄력성, 열충격, 산화, 내습, 내약품, 내UV성 등 까다로운 조건 하에서도 신뢰성이 필요한 용도 ④ 장기 내구성이 요구되는 전자부품 등에 사용되고 있다. 구체적인 예로 방열 패드/시트, 전기전자 부품의 접착·seal재, 전기전자 부품 보호재 등이 있다.
(4) 전기기기
전기기기 분야에서도 실리콘은 ① 내열성, 내한성을 활용한 접착제나 개스킷의 용도, ② 휴대폰의 키패드나 복사기 롤, ③ 유동성, 접착성, 경화성 등의 특성을 살려 속도를 높이고 작업성을 조절하고자 하는 각종 조립 용도 등에 사용되고 있다. 구체적으로 OA 기기용 롤, 케이블용 유리 슬리브 집속재, 복사기 열 롤용 이형유 등이다.
(5) 전력, 케이블
실리콘은 높은 절연성을 가지고 있기 때문에 오일, 코팅제, 고무 성형품으로 전력 분야에서 사용되고 있다. 실리콘의 사용에 의해 송전 loss의 감소, 시설의 내구성 향상, 장치의 수명 향상이 이루어져 유지보수 업무의 감소, 수리 비용의 감소로 이어질 수 있다. 구체적으로 폴리머 애자, 전기절연 수지 vanish, 절연 compound/grease, trans유 등이다.
(6) 산업용
실리콘은 성형성과 이형성이 뛰어나기 때문에 고무 컴파운드로 만들어 O-링, 패킹 등 각종 고무 성형품의 제조에 사용되고 있다. 또한 이형성이 우수하고 저점도로서 주형하기 쉬우며 치수 정밀도가 높아 미술 공예품, 자동차, 가전 등의 시 제작품, 모형 제작의 분야에 이용되고 있다.
(7) 플라스틱, 화학제품, 첨가물
실리콘은 표면장력이 낮기 때문에 기포를 균일하게 안정화하여 거칠거나 불균일화를 방지하는 기능을 가지고 있으므로 냉장고 단열재, 건축 벽 단열재 등의 우레탄 폼에 사용되고 있다.
플라스틱 첨가제는 다양한 수지에 슬라이딩성, 내충격성, 내마모성, 윤활성과 같은 특성을 부여할 수 있다. 예를 들어 플라스틱 바퀴를 만들 때 플라스틱에 실리콘 첨가제를 첨가하면 바퀴가 더 미끄럽고 오래가게 된다.
실리콘 오일은 분체의 표면에너지를 저하시켜 유동성, 내습성, 발수성을 높인다. 이에 따라 화장품용 분체, 소화기용 분체, 제철소의 탈황용 생석회의 처리 등에 사용되고 있다.
실리콘 소포제는 표면장력이 낮고, 탈포성, 억제성이 우수하므로 거품이 문제가 되는 공정, 예를 들어 펄프 제조, 석유 정제, 두부 등의 식품 제조, 음료병 제작 공정에 실리콘 소포제는 활약하고 있다. 그 외 실리콘은 섬유를 손상시키지 않고, 환경·안전 면에도 우수하므로, 그 특성을 살려 드라이클리닝 용제에도 사용되고 있다.
(8) 헬스 케어/메디컬 케어
특수 실란(시릴화제)은 의약품 제조공정 중 보호기로 사용되며 용해성, 내열성, 휘발성 등을 높여 목적물을 고순도, 고수율로 얻을 수 있다. 또한 실리콘은 산소 투과성이 우수하기 때문에 콘택트렌즈의 제조에도 사용되고 있다. 그 외 액상 실리콘 고무는 젖병의 젖꼭지, 의료용 카테터(katheter) 등에 사용되고 있다.
9) 퍼스널 케어/홈 케어
화장품용 실리콘은 ① 낮은 자극성 ② 무미, 무취, 무색으로 마스킹이 불필요 ③ 내수성, 내유성이 우수하고 땀, 피지로 화장 뭉침이 적음 ④ 감촉이 끈적이지 않음 ⑤ 산소 투과성이 높음 등의 특징을 가지고 있다. 그 사용 범위는 핸드크림, 파운데이션·립스틱, 샴푸·린스, 매니큐어 등 화장품 전반에 이르고 있다.
10) 조리 기구
실리콘은 내한성이 뛰어나 -40℃의 냉동실이나 냉장고에 보관해도 딱딱해지지 않으며, 깨지지도 않는다. 이처럼 고무 특성이 유지되기 때문에 내용물의 용기를 통한 출납 등이 용이한 재료이다. 또한 일반 유기계 고무와 비교해 내열성도 뛰어나며, 이형성이 우수해 재료에 잘 붙지 않아 조리 시 취급이 쉬운 재료이기도 하다. 그 외, 실리콘은 광택을 내고, 늘어나거나, 물을 튀기거나, 오래 지속시키는 등의 힘이 있어 가구나 자동차 왁스에도 사용되고 있다.
(11) 자동차
실리콘은 내열성, 내구성, 전기절연 특성 등이 우수해 실리콘 고무나 액상 실리콘 고무로서 자동차를 비롯한 운송기기 전반에 사용되고 있다. 예를 들면, ① 가혹한 조건에서도 견디는 실리콘 고무는 엔진 부품의 개스킷, 엔진 마운트 등에, ② 내열 전기절연 재료로서 실리콘 고무는 전장부품, 점화계 스파크 플러그 부츠, 커넥터 seal 등에, ③ 높은 인열강도, 내열성이 있는 실리콘 고무는 turbo charger 호스나 라디에이터 호스에, ④ 내후성이 우수한 실리콘 고무는 자동차의 도어, 창문 둘레, 그리고 와이퍼 블레이드 등에 사용된다. 자동차 이외에도 신뢰성 높은 재료를 필요로 하는 항공기, 전철 등에 실리콘 고무는 사용되고 있으며 예를 들어, 항공기에서는 문이나 창문 등의 밀봉 seal, 각종 스위치의 커버나 커넥터 등에 사용되고 있다.
(12) 접착제, 코팅제
실리콘 감압 접착제는 내열성 및 안전성이 우수하여 내화 전선 피복, 의료용 테이프 접착제 등에 이용되고 있다. 실리콘 수지로 분류되는 실리콘은 야외 탱크나 외벽용 내후성 도료로, 또한 스토브나 오토바이의 머플러용 내열도료로 사용되고 있다.
더욱이 표면의 흠집 방지나 내후성이 뛰어난 실리콘 하드 코팅제는 안경용 플라스틱·렌즈나 고속전철의 플라스틱제 창문 등에도 사용되고 있다.
또한 실리콘은 일반 도료에도 소량 첨가되어 도포 시의 거품 제거, 건조 표면의 요철 방지, 도막끼리 접촉할 경우 발생하는 긁힘 방지 등에 도움을 주고 있다.
(13) 종이, 필름
박리지·필름 이형용 실리콘은 라벨 등의 박리지나 점착테이프의 제조에 필수 불가결한 재료이다. 분자 설계를 바꿈으로써 경박리부터 중박리까지 다양한 용도에 대응하는 종이·필름 이형용 실리콘이 개발되고 있다.
(14) 섬유, 가죽
섬유나 가죽을 실리콘으로 처리하면 유연성을 얻을 수 있다. 또한 실을 실리콘 처리하면 실의 윤활성이 향상되며, 이 성질을 이용하여 방사나 봉제사가 만들어졌다.
8. 맺음말
앞서 서술한 바와 같이, dimethylsilicone의 분자 구조는 Si-O 결합이 6개로 1회전하는 나선구조를 하고 있어 유연성이 뛰어나고, 실리콘 폴리머의 표면은 물에 잘 스며들지 않는 methyl로 덮여 있어 표면에너지가 낮다. 이 분자 구조에 의해 슬립성, 내한성, 발수성, 이형성, 낮은 표면장력 및 온도의존성 등 실리콘만의 독특한 특징이 발현되었다.
그리고 실리콘은 규석으로부터 다음과 같은 공정을 거쳐 제조되며 모양에 따라 오일, 고무, 액상 고무, 레진, 실란으로 나눌 수 있다.
이와 같이 제조된 실리콘은 그 독특한 특성을 가지고 우리 생활 속의 의식주와 관련된 다양한 용도에 사용되며, 보다 풍요로운 환경을 제공해 주고 있다. 더욱이 실리콘 폴리머의 용도는 새로운 재료의 개발 및 높은 신뢰성을 바탕으로 전자부품, 통신, 자동차, 반도체 분야 등에 한층 확대될 것으로 기대된다.
