폴리아미드(PA)는 「나일론」이라는 명칭으로 널리 알려진 고성능 엔지니어링 플라스틱입니다. 자동차 부품이나 공산품, 의류에 이르기까지 폭넓게 이용되고 있습니다.
이번 내용에서는, 폴리아미드의 기본적인 특성으로부터, 장점·단점이나 주된 용도에 대해 해설합니다. 가공 시의 주의점도 정리하고 있으므로, 설계·개발 담당자는 끝까지 정독해 주세요.
목차
폴리아미드의 정의
폴리아미드란 주사슬에 아미드 결합(-CONH-)이 반복적으로 이어져 있는 열가소성 수지의 총칭입니다. 대표적인 폴리아미드 수지인 나일론66은 1935년 미국 듀폰사가 세계 최초로 합성섬유로 개발한 폴리아미드66이며 세계 널리 알려져 있습니다.
그림 1 나일론 66의 반복 단위와 아미드 결합
당초에는 주로 섬유로서 이용되고 있었지만, 높은 기계적 강도나 뛰어난 내열성·내약품성 때문에 공업 재료로도 이용되고 있습니다. 자동차나 전자 제품 등에서도 사용되는 강인하고 내구성이 뛰어난 엔지니어링 플라스틱입니다.
폴리아미드의 종류
폴리아미드(나일론)는 화학 구조, 특히 탄소 수와 방향 고리의 유무에 따라 특성이 다릅니다.
- 범용 지방족 나일론 (PA6, PA66 등)
기계적 특성과 비용의 균형이 뛰어나 자동차 부품이나 기계 부품에서 널리 사용되고 있습니다. - 롱 체인 나일론 (PA610, PA612, PA11, PA12 등)
사슬 길이가 길기 때문에 흡수율이 낮고 유연성이 높은 것이 특징입니다. 튜브나 케이블의 피복재 등에 적합합니다. - 고내열 지방족 나일론 (PA46)
결정도가 높아 내열성이 뛰어납니다. 엔진 주변 부품이나 SMT(표면 실장 기술) 대응 커넥터 등에 사용되는 재료입니다. - 반방향족 나일론(PPA계열-MXD6, PA6T, PA9T, PA10T 등)
분자 내에 방향환을 가지기 때문에 내열성이나 강성, 치수 안정성이 뛰어나 금속 대체 재료로서 높은 성능을 발휘합니다.
폴리아미드의 특성
폴리아미드와 다른 엔지니어링 플라스틱의 비교를 아래 표에 정리합니다.
| 특성 항목 | 폴리아미드(PA) | POM | PBT | ABS |
| 인장 강도 | ◎(높음) | ◎(높음) | ○(중간) | △(낮음) |
| 내마모성 | ◎(우수) | ◎(우수) | ○(표준) | △(마모하기 쉽다) |
| 내열성 | ○~◎(등급에 따름) | ○ | ◎(안정) | △(낮음) |
| 흡습성 | ×(높음) | ◎(낮음) | ◎(낮음) | ◎(낮음) |
| 치수 안정성 | △(흡습에 따라 변동) | ◎(안정) | ◎(안정) | ○(표준) |
| 가공성(절삭) | ○(주의 필요) | ◎(양호) | ○(약간 난) | ◎(양호) |
| 비중 | 약 1.1~1.2 | 약 1.4 | 약 1.3~1.5 | 약 1.04 |
폴리아미드는 기계적 특성, 물리적 및 화학적 특성의 균형이 종합적으로 우수한 엔지니어링 플라스틱입니다.
폴리아미드의 기계적 특성
폴리아미드는 높은 강도와 인성을 겸비하고 있어 충격에 대해 끈질기게 파단되기 어려운 특성을 가지고 있습니다. 대표적인 폴리아미드인 폴리아미드 6(PA6)의 기계적 특성은 다음과 같습니다.
| 인장 강도(MPa) | 파단시 신장(%) | 압축 강도(MPa) | 절곡 강도(MPa) | 경도(록웰) | |
| 비강화 | 41~166 | 30~100 | 89~110 | 108 | R119 |
인장 강도는 금속에 필적하는 수준이면서 가볍습니다. 내마모성이 뛰어나 기어나 베어링 등 반복 마찰이 발생하는 슬라이딩 부품에도 적합합니다. 자기 윤활성도 높기 때문에 윤활유가 없는 환경에서도 매끄러운 동작이 가능합니다.
폴리 아미드의 물리적 및 화학적 특성
주요 폴리아미드(폴리아미드 6)의 물리·화학적 특성을 이하의 표에 정리합니다.
| 비중 | 인장 탄성률(MPa) | 선팽창률 x10-5/℃ | 내산・내알칼리성 | 내용제성 | 흡수율(중량%) | |
| 비강화 | 1.12~1.14 | 2600 | 8.0~8.3 | 강산·강알칼리에 침범된다 | 페놀 포름산에 용해 | 1.3~1.9 |
융점이 높고 내열성이 우수한 것이 폴리아미드의 큰 특징입니다. 예를 들어 나일론66은 약 265℃라는 높은 녹는점을 가지고 있으며 고온 환경에서의 사용에 견딜 수 있습니다.
내약품성도 뛰어나 휘발유나 오일, 약산, 약알칼리 등 많은 화학약품에 대해 높은 내성을 보입니다. 전기 절연성도 높기 때문에 전기, 전자 부품에도 채용 가능합니다.
폴리아미드의 장점
고강도・내마모성(뛰어난 기계 특성)
폴리아미드의 가장 큰 장점은 기계적 강도와 내구성입니다. 인장 강도와 강성이 높기 때문에 부품을 박육화, 경량화하면서 필요한 강도를 확보할 수 있습니다. 자동차의 엔진 커버나 브레이크 페달 등, 기존에는 금속으로 만들어졌던 부품의 대체로서도 사용되고 있습니다.
또한 뛰어난 내마모성과 자기 윤활성으로 윤활유를 사용할 수 없는 부분의 기어나 캠의 수명을 늘리고 유지 보수 부담을 줄일 수 있는 점도 장점입니다.
내열·내약품성(가혹한 환경에서의 안정성)
폴리아미드는 고온, 화학약품, 유제 등 가혹한 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다. 특히 나일론66은 녹는점이 약 265℃이기 때문에 자동차 엔진룸 내와 같은 고온 부위에서도 사용 가능합니다.
가솔린이나 엔진 오일에도 잘 침범되지 않기 때문에 연료계 부품에도 적합합니다. 금속과 달리 녹이 슬지 않아 부식이 문제되는 환경에서도 유지 보수 프리화를 실현할 수 있습니다.
경량으로 성형 자재(금속 대체에 의한 설계 자유도와 환경 대응)
폴리아미드는 설계의 자유도를 크게 향상시키는 재료입니다. 비중이 금속의 약 7분의 1정도로 작기 때문에 제품의 경량화를 실현해 에너지 절약화에 공헌합니다.
또, 사출 성형을 이용하면, 금속 가공에서는 곤란한 복잡한 형상에서도 일체로 양산할 수 있어 부품 점수의 삭감과 비용 감소로 연결됩니다. 납을 포함하지 않기 때문에 수도 부품 등에서 규제가 강화된 무연 재료로의 교체에도 대응 가능합니다.
폴리아미드의 단점
흡습에 의한 치수 변화와 물리적 특성 열화
폴리아미드의 가장 큰 단점은 높은 흡습성입니다. 공기 중의 수분을 흡수하여 치수가 변화(팽창)하거나 물리적 특성(강성 등)이 저하될 가능성이 있습니다.
높은 치수 정밀도가 요구되는 부품에 사용할 때는 흡습에 의한 변화를 설계 단계에서 포함하거나 흡수율이 낮은 Grade(나일론 11이나 12 등)를 선정해야 합니다.
성형 수축 및 가공상의 어려움
폴리아미드는 용융 시 점도 변화가 크고 냉각 고화 시 부피 수축율이 높아 성형 가공이 어려운 재료입니다. 사출 성형에서는 정밀한 온도 컨트롤과 수축율을 정확하게 예측한 금형 설계가 필수적입니다. 절삭 가공을 이용하는 경우에도 가공열로 쉽게 녹고 칼날에 감기기 쉬운 어려움이 있습니다.
금속에 미치지 않는 강도・내열성과 내후성
엔지니어링 플라스틱으로서 고성능이지만 강도나 내열성에서는 금속에 미치지 못합니다. 특히 고온 하에서의 하중 유지 능력은 금속에 뒤떨어집니다. 자외선에 약하고 야외에서 장시간 사용하면 열화(변색, 취화)되므로 야외 용도에서는 UV 안정제를 첨가한 내후 등급 사용이나 도장을 통한 표면 보호가 필요합니다.
폴리아미드의 용도
뛰어난 특성 때문에 폴리아미드는 폭넓은 분야에서 채용되고 있습니다. 대표적인 용도는 다음과 같습니다.
| 분야 | 용도 예 | 선택되는 이유 |
| 자동차 산업 | ・엔진 커버, 에어 흡입 매니폴드
・라디에이터 팬, 냉각계 부품 ・연료계 튜브, 커넥터 ・페달, 엔진 마운트 브래킷 |
・내열성
・내유성/내약품성 ・경량성 ・고강도/고강성 |
| 전기 및 전자 부품 | ・커넥터 하우징, 스위치, 릴레이 케이스
・케이블 타이(결속 밴드), 코일 보빈 ・배전반, 브레이커, AC 어댑터 외장 |
・전기 절연성
・내열성 ・치수 안정성 ・난연성 |
| 생활용품・스포츠 분야 | ・의류 섬유(스타킹, 아웃도어 웨어 등)
・칫솔의 머리, 조리 기구(플라이 반환 등) ・스키 부츠, 등산용 로프, 낚싯줄 ・전동 공구의 몸, 장난감의 기어 |
・고강도/내마모성
・유연성/굴곡 내구성 ・경량성 ・내한 충격성 |
| 산업기계·인프라 분야 | ・공장의 반송 장치용 롤러, 가이드
・기어(기어), 미끄럼 베어링, 스프로킷 · 펌프 및 밸브 부품 (케이싱, 임펠러) ・수도 미터 부품, 수도관의 피팅 |
・내마모성/자기 윤활성
・내약품성/비부식성 ・경량성 · 무독성/위생성
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폴리아미드의 가공 종류와 포인트
사출 성형(인젝션)의 포인트
사출 성형은 용융된 폴리아미드를 금형에 사출하여 냉각 및 고화시키는 가공법입니다. 대량 생산에 적합하지만 품질 안정에는 건조, 온도, 수축의 3가지 관리가 필수적입니다.
폴리아미드는 흡습성이 높기 때문에 성형 전에 재료를 충분히 건조시키지 않으면 성형품에 기포(실버 스트릭)가 생겨 강도 부족의 원인이 됩니다. 또한 융점이 높고 용융 시 점도 변화도 크기 때문에 수지 온도와 금형 온도를 정밀하게 제어하지 않으면 충진 불량이나 변형을 일으킵니다. 게다가 냉각시의 부피 수축율이 다른 수지에 비해 크기 때문에 수축을 예상한 금형 설계가 제품의 치수 정밀도를 확보하는데 필수적입니다.
절삭 가공(기계 가공)의 포인트
절삭 가공은 폴리아미드 블록이나 환봉을 공작기계로 깎아내어 제작하는 방법입니다. 금형이 필요 없기 때문에 시제품이나 소량 생산에 적합합니다. 가공 성공의 열쇠는 열 관리와 재료 컨디셔닝입니다.
폴리아미드는 열전도율이 낮아 가공 시 발생하는 마찰열로 쉽게 녹을 수 있는 성질이 있습니다. 절삭 속도를 적절히 설정하고 절삭력이 좋은 예리한 공구를 사용하여 절삭유나 에어블로우로 냉각하면서 가공해야 합니다. 또, 흡습에 의해서 치수가 변화하기 때문에, 사용 환경의 습도를 고려해, 사전에 재료를 그 환경에 익숙하게 해 두는(컨디셔닝)으로, 가공 후의 치수 변화를 억제할 수 있습니다.
3D 프린터 조형 포인트
3D 프린터 조형은 금형을 사용하지 않고 수지를 한 층씩 쌓아 입체물을 만드는 기술입니다. 시제품이나 지그 등을 단시간에 제작할 때 이점이 있습니다.
폴리아미드의 3D 프린터 조형에 있어서의 최대의 과제는, 열수축에 의한 휨이나 갈라짐입니다. 대책으로서 조형 챔버(고내) 전체를 고온으로 유지하고 조형물이 급격히 식지 않도록 온도를 정밀하게 관리할 수 있는 기종이 효과적입니다.
조형 후에도 바로 꺼내지 않고 내부에서 천천히 냉각시키면 내부 응력이 완화되고 변형을 억제할 수 있습니다. 나일론6 등에 비해 열수축률이나 흡습성이 낮은 나일론12(PA12) 등의 재료 선정도 안정적인 조형을 실시하는데 중요한 포인트입니다.
정리
폴리아미드는 높은 강도와 내구성과 뛰어난 내열·내약품성을 가지면서 경량으로 성형하기 쉬운 균형 잡힌 엔지니어링 플라스틱입니다. 이번 내용에서는, 폴리아미드에 대해서 기본적인 특성이나 장점·단점, 가공시의 포인트등에 대해 정리했습니다. 소개한 내용을 참고하여 적절한 폴리아미드를 선택하여 신뢰성 높은 제품 설계 및 개발로 이어가십시오.
