TPU(Thermoplastic Polyurethane)의 이해 1편
- 직장생활/플라스틱
- 2021. 4. 3.
1. TPU란
TPU(Thermoplastic Polyurethane)는 글자 그대로 '열가소성'폴리우레탄입니다. TPU도 폴리우레탄(PU)의 일종임에도 불구하고, 일반적인 폴리우레탄과 달리 열가소성이고, 또한 투명한 특성을 지니고 있어 둘을 구분하여 부릅니다.
열가소성이라고 하면, 적당한 열을 가하여 온도를 높이면 고체가 다시 액체로 돌아가서 다시 원하는 형상을 만들 수 있는 특성을 말합니다. 예를 들어서 열경화성인 우레탄 폼(침대, 자동차 시트 등에 사용)에 열을 가하면 녹지 않고 바로 타버리지만, 열가소성인 TPU(휴대폰 젤리케이스 등)에 열을 가하면 녹아서 액체로 바뀌는 모습을 볼 수 있습니다. 녹은 TPU를 다시 틀에 붓고 식히면 원하는 모양의 플라스틱 제품을 다시 만들 수 있습니다. 물론 물성(강도 등)은 이전 보다 나빠지겠지만요.
참고로 TPU는 PU의 일종으로 분류되기도 하면서, 열가소성 탄성체(TPE - Thermo Thermoplastic Elastomer)의 일종으로 분류되기도 합니다. 탄성을 지니고 있거든요. TPU 말고도 다른 여러 TPE가 있으며 TPU도 그 중 하나로 분류됩니다. TPU는 PU를 이용해서 만든 TPE인 것이지요.
2. 어떻게 열가소성으로 만들었을까
그렇다면 어떻게 열가소성을 열경화성으로 만들었을까요?
답은 간단합니다. 기존의 PU에다가 '열을 받으면 흐를 수 있는 부분'을 추가하는 것이지요. 예를 들어서, 꽁꽁 얼어있는 생수병의 내용물을 꺼내기 위해서 병 안의 얼음을 모두 다 물로 완전히 녹일 필요는 없습니다. 얼음이 일부 있더라도 슬러시 같은 상태가 되면 페트병의 작은 입구로 다 부어낼 수 있지요. 마찬가지로 TPU도 Soft한 부분이 있어서, 열을 받으면 해당 부분은 유동성을 띠게 됩니다. 육안으로 확인할 수는 없지만, 아래 그림과 같이 Hard Phase와 Soft Phase가 함께 존재하는 것이지요.
TPU는 위의 그림과 같이 TPU는 Hardphase와 softphase가 번갈아가며 존재하게 됩니다.
Hard Phase는 diisocyanates(여기서는 4,4'-MDI) 와 Diol (여기서는 1,4-BDO)의 반응에 의하여 형성되고,
SoftPhase는 Polyesterdiol/Polyetherdol 에 의해서 형성이 됩니다.
(더 정확히 말하자면 MDI가 BDO와 반응하여 규칙적인 배열을 가지는 부분이 Hard Phase가 되고,
긴 체인을 가진 Polyesterdiol/Polyetherdol가 불규칙적이고 널널한 형태를 가지게 되어 Soft Phase가 됩니다.)
※ Diol은 구조에 OH기(알콜)가 두개라서 Di-ol이라고 부릅니다. 엄밀히 말하면 Diol도 Polyol의 일종이나, 여기서는 이소시아네이트와 반응하여 Hard Phase가 되는 Diol과, Softphase에 들어가는 Polymer Diol을 구분하기 위하여 각각을 Diol과 Polyol로 구분하여 적겠습니다. 인터넷 찾아보니 다들 이렇게 하네요.
Softpahse
이해를 돕기 위해 Soft Phase에 들어가는 Polyesterdiol의 예시를 보여드리겠습니다.
1,4-BDO와 Adipic Acid를 중합하면 (Esterification - 알코올과 카르복시산의 축합 중합 반응)
결과는 아래와 같아집니다. (Butane-1,4-diol adipic acid polymer)
한 분자만 괄호로 묶어서 표시하지만, 실제로는 줄처럼 죽죽 이어붙어져 위의 예시 그림의 처럼 긴 고분자가 됩니다.
참고로 Ester가(-C(=O)-O-)가 반복되는 Polymer이고, Diol(양 끝단이 -OH)이라 이름이 Polyesterdiol 입니다.
마찬가지로 Polyetherdol 은 Ether(-O-)이 반복되는 애들입니다.
Hard Phase
Hard Phase는 위의 예시 그림에서 벽돌 같은 게 쌓여있는 부분을 확대해보면 이렇게 됩니다.
MDI와 BDO가 반응한 PU 부분이 반복되고, 형태가 규칙성을 띠므로 Crystal처럼 됩니다.
PU 체인 간에는 수소결합으로 안정화됩니다.
이 블록의 끝단에는 분명히 Polyesterdiol 이 붙어 있을텐데(MDI와 반응함), 걔내들은 길이가 제멋대로인 긴 줄 같은 애들이라 규칙성이라고는 생길 수 없게 됩니다.
다시 정리하자면,
- TPU 만들 때는 메인으로 세 가지 재료가 들어갑니다 (1 Diisocyanates, 2 Diol, 3 Polyol)
- 이소시아네이트와 다이올은 반응하여 Hard Phase가 되고, Polyol은 Softphase가 됩니다
- 따라서 TPU는 Hard Phase와 Soft Phase가 함께 존재하는 형태가 됩니다.
참고
참고로 다른 열가소성 탄성체도 TPU와 마찬가지로 Hard Phase와 Soft Phase가 있습니다.
TPV는 열경화성인 EPDM과 열 가소성인 PP를 섞어서 열가소성 탄성체를 만듭니다.
(EPDM과 PP사이에 반응이 있으나 TPU처럼 처음부터 반응하여 만드는 것과는 다름)
마무리
여기까지 하겠습니다. 끝이 없네요..
처음에는 화학적인 얘기는 안 하려고 했는데, 화학 얘기가 빠질 수가 없네요...
별첨부록 - TPU 분류 기준
위의 내용을 이해하고 나면 함께 보는 게 좋을 것 같아 간단히 적습니다.
다시 말씀드리자면 TPU는 이소시아네이트+다이올+폴리올로 만듭니다.
(1) Aliphatic / Aromatic
: 이소시아네이트 종류에 따라 구분
이소시아네이트에 벤젠고리가 있다 -> Aromatic
이소시아네이트에 벤젠고리가 없다 -> Aliphatic
예시)
MDI 는 벤젠고리가 있으므로 TPU로 만들면 아로마틱
HDI는 벤젠고리가 없으므로 TPU로 만들면 Aliphatic
(2) Ester / Ether
- Ester / Ether (softpahse에 들어가는 Polyol 종류에 따라)
폴리올로 Polyesterdiol을 사용했다 -> Polyester based TPU
폴리올로 Polyetherdiol을 사용했다 -> Polyether based TPU
(3) 경도
Shore 경도를 사용하여 표시합니다.
예시 : 85A, 60D 등
