실리콘 고무의 정의, 특성 및 가공시의 포인트를 해설

실리콘 고무는 주방 용품부터 정밀 부품까지 사용되는 고기능 고무입니다. 뛰어난 내열성과 유연성으로 인해 「고무 속에서도 특별한 존재」라고 칭해지는 한편, 독특한 성질과 주의점도 존재합니다.
이번 내용에서는 실리콘 고무의 특성, 장단점, 용도, 가공 포인트를 해설합니다.

실리콘 고무의 정의

실리콘 고무는, 규소(실리콘)와 산소로 이루어진 「실록산 결합」을 주골격으로 가지는 실리콘 수지를 원료로 한 합성 고무입니다. 일반적인 유기 고무가 탄소 결합을 주사슬로 하는 데 반해, 이 실록산 결합이 실리콘 고무에 특유의 성질을 가져옵니다.

「합성고무 중 가장 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있는 재료」라고도 하며, -70℃와 같은 극저온에서 200℃를 넘는 고온 환경까지 안정적인 고무 탄성을 유지할 수 있습니다. 또, 자외선이나 오존에 대한 열화에 강한 내후성, 뛰어난 전기 절연성이나 발수성, 의료 용도로도 사용될 정도의 높은 화학적 안정성과 무독성도 겸비하고 있는 재료입니다.

실리콘 고무의 특성

실리콘 고무의 기계적 특성

일반적으로 실리콘 고무의 인장 강도는 5~10MPa 정도이며, 200~400%로 크게 늘어나는 것이 특징입니다. 경도는 지우개처럼 부드러운 것부터 비교적 단단한 것까지 등급에 따라 폭넓게 조정할 수 있습니다. 충격 흡수성이 뛰어나지만 마찰에는 약하고 큰 하중이 걸리면 변형되기 쉬운 점에는 주의가 필요합니다.

실리콘 고무의 물리 및 화학적 특성

실리콘 고무의 가장 큰 특징은 물리적 및 화학적 안정성에 있습니다.

• 내열성・내한성
  고무 재료 중 최고 수준의 성능을 자랑하며, 일반 제품에서도 넓은 온도 범위에서 탄성을 유지합니다. 특수한 등급에서는 300℃의 고온에 견디는 제품도 존재합니다.
  
• 내후성
  자외선이나 비바람에 장기간 노출되어도 물성 열화가 극히 적어 야외 사용에 매우 적합합니다.
  
• 전기적 특성
  높은 부피 저항률과 절연 내력을 가지며 고압 케이블의 피복재 등에 이용됩니다.
  
• 화학적 안정성
  약산이나 약알칼리, 알코올 등 많은 약품에 대해 높은 내성을 보입니다. 무미 무취, 무독으로 생체 적합성이 뛰어나 의료나 식품 분야에서도 안심하고 사용할 수 있습니다.
  

실리콘 고무의 장점

높은 내열·내한성과 내후성

실리콘 고무가 가진 최대의 장점은 폭넓은 온도 대응력입니다. -60℃의 혹한 환경에서 +200℃의 고온 환경까지 고무로서의 탄성을 잃지 않고 안정적으로 사용할 수 있습니다. 자동차의 엔진 룸내나 배기계 주변의 가혹한 고온에 노출되는 패킹, 혹은 냉동 창고의 문의 씰재 등, 다른 재료로는 대응이 곤란한 환경에서도 활용할 수 있습니다.

또한 자외선과 오존에 대한 내성이 매우 높은 내후성도 특징입니다. 야외에서 장시간 직사광선이나 비바람에 노출되어도 균열 등의 열화가 거의 일어나지 않습니다. 건자재의 실링이나 옥외 기기의 방수 용도에서도 장기간에 걸쳐 성능을 유지합니다.

우수한 전기 절연성 및 화학적 안정성

실리콘 고무는 전기 절연성이 뛰어난 재료입니다. 높은 부피 저항률을 자랑하며, 고전압이 걸리는 송전선의 커버나 정밀한 전자 회로의 절연·봉지재로서 널리 채용되고 있습니다. 방전이나 화염에 노출되어도 유기 고무와 같이 전도성이 검은 그을림이 생기지 않고 절연체인 이산화규소의 흰 재로 변하기 때문에 단락 위험을 억제하여 높은 안전성을 유지합니다.

화학적으로도 매우 안정적이며 무미 무취, 무독입니다. 많은 약품에 대해 높은 내성을 가지며, 식품위생법이나 미국의 의료기기 규격에 적합한 등급도 풍부하게 존재합니다. 높은 안전성 때문에 인체에 직접 닿거나 체내에 유치되는 부품에도 안심하고 사용할 수 있습니다.

유연성과 설계 자유도의 높이

매우 부드럽고 적은 힘으로 변형되는 실리콘 고무는 밀봉재로서 이상적인 성능을 발휘합니다. 부재에 단단히 밀착하여 눈에 보이지 않는 요철을 따라 틈새를 확실하게 막습니다. 한번 압축되어도 원래의 형태로 되돌아오는 힘이 강하기 때문에 장기간에 걸쳐 안정적인 씰 성능을 유지하는 재료입니다.

액상 실리콘 고무를 이용한 사출 성형에서는 복잡하고 미세한 형상의 부품이나 금속·수지와 일체화한 복합 부품도 정밀하게 제조 가능합니다. 안료의 배합에 의한 착색의 자유도도 높아, 기능성 뿐만 아니라 디자인성이 요구되는 제품에도 대응할 수 있습니다.

실리콘 고무의 단점

상온에서의 강도가 낮고 내마모성이 약함

실리콘 고무의 기계적인 강도는 다른 고무 재료에 비해 낮다는 약점이 있습니다. 찢어지는 강도는 천연 고무나 우레탄 고무에 뒤떨어지기 때문에 예리한 모서리가 있는 부품이나 조립 시 강한 힘으로 당겨지는 곳에 사용하는 것은 주의가 필요합니다.

내마모성도 충분하지 않기 때문에, 부품끼리 항상 서로 스치는 슬라이딩부나, 자주 탈착하는 용도로는 마모가 빨라, 수명을 채우지 못할 가능성도 있습니다. 고압의 유체가 심하게 움직이는 유압 실린더의 패킹과 같은 동적 씰보다 고정된 부분에서 사용되는 정적 씰에 주로 사용됩니다.

기름에 대한 내성 부족과 얼룩의 용이성

실리콘 고무에는 휘발유나 엔진 오일, 등유와 같은 비극성 기름이나 용제에 대한 내성이 낮은 것이 단점입니다. 기름을 들이마셔 고무가 불어난 것처럼 부풀어 오르는 팽윤이라는 현상이 일어나 본래의 경도와 강도를 잃어 버리기 때문입니다. 자동차 연료계 및 윤활계 씰 부품에는 보다 내유성이 뛰어난 불소 고무와 니트릴 고무가 선택됩니다.

또한 실리콘 고무는 정전기를 띠기 쉽고 표면에 약간의 점착성이 있기 때문에 공기 중의 먼지와 쓰레기를 빨아들여 표면이 더러워지기 쉬운 점도 단점입니다. 외관 품질이 중시되는 용도에서는 표면에 미끄럼성이나 오염 방지성을 향상시키는 코팅이 필요한 경우도 있습니다.

원료 비용의 높이와 재사용 곤란

실리콘 고무는 다른 범용적인 합성 고무와 비교하여 재료 자체의 가격이 높은 경향이 있습니다. 원료가 되는 규석으로부터 복잡한 화학 프로세스를 거쳐 고순도의 실리콘 폴리머를 제조할 필요가 있어 제조 비용이 높기 때문입니다.

게다가 한번 열을 가해 경화시키면 다시 열을 가해도 초콜릿처럼 녹아서 재성형할 수 없는 「열경화성」이라는 성질을 가지고 있습니다. 제조 공정에서 발생한 단재나, 사용이 끝난 제품을 재활용하는 것이 어렵고, 재료의 폐기 로스가 코스트를 끌어올리는 한 요인이 되고 있습니다.

실리콘 고무의 용도

실리콘 고무의 주요 용도는 다음과 같습니다.

실리콘 고무와 다른 재료의 비교·선정 포인트

실리콘 고무와 유사한 다른 재료를 비교한 내용을 아래 표에 정리합니다.

실리콘 고무의 가공 종류와 포인트

사출 성형(인젝션)

사출 성형(인젝션)은 액상 실리콘 고무를 금형에 고압으로 사출하여 고속으로 열경화시키는 방법입니다. 복잡·미세한 형상의 부품을 단시간에 대량 생산하는데 매우 적합하며, O링에서 의료 부품까지 널리 사용됩니다.

높은 자동화에 의한 높은 생산성이 장점이지만, 금형 비용은 비싸지는 단점도 있습니다. 성형시 수축율(약 24%)을 정밀하게 전망한 금형 설계도 품질을 좌우하는 포인트입니다. 경화 시 발생하는 가스를 적절히 배출하는 가스 벤트의 설계도 불량을 막는 데 중요합니다.

압축 성형

압축 성형은 시트 형상의 고형 실리콘 고무를 가열한 금형에 넣고 프레스기의 압력으로 열경화시키는 가공법입니다. O링이나 판상 패킹 등, 비교적 형상이 심플한 제품의 제조에 널리 이용됩니다.

사출 성형에 비해 금형 구조가 단순하기 때문에 금형 비용을 저렴하게 억제할 수 있는 것이 장점입니다. 이 때문에, 시제품의 제작이나 다품종·소롯트 생산에 적합합니다. 생산성은 사출 성형에 뒤떨어지고, 재료를 너무 많이 넣으면 버가 많이 발생하기 때문에, 적절한 재료량의 관리가 요구됩니다.

압출 성형

점토 모양으로 반죽한 실리콘 고무를 꼭지쇠에서 연속적으로 밀어내어 성형하는 방법입니다. 튜브나 호스, 전선 피복, 이형 단면의 씰링재 등 단면이 일정한 장척 제품을 효율적으로 제조하기에 적합합니다. 밀려난 제품은 가열로에서 연속적으로 열경화됩니다.

제품의 치수 정밀도는 다이의 설계와 압출 속도, 온도 관리에 의존하기 때문에 조건의 최적화가 품질의 열쇠입니다. 발포제를 첨가하여 단열 씰이나 쿠션재로 이용되는 가벼운 스펀지 형태의 제품을 제작할 수 있습니다.

절삭 가공

경화된 실리콘 고무 시트를 재료로 칼이나 워터 제트로 임의의 형상을 잘라내는 가공법입니다. 주로 개스킷이나 와셔 등의 2차원 형상 부품 제작에 사용됩니다. 고가의 금형이 필요 없기 때문에 개발 단계의 시제품이나 다품종 소로트품을 저비용의 단납기로 제작할 수 있는 것이 장점입니다.

단, 소재가 부드럽고 가공시 변형되기 쉽기 때문에 치수 정밀도를 내려면 주의가 필요합니다. 대책으로서 재료를 냉동해 딱딱하게 하거나 열영향 없이 고정밀도로 가공할 수 있는 워터 제트를 이용하기도 합니다.

정리

실리콘 고무는 탁월한 내열·내한성, 내후성, 전기 절연성, 안전성을 자랑하는 한편, 기계적 강도나 내유성에는 주의가 필요한 소재입니다. 자동차로부터 일렉트로닉스, 식품, 의료에 이르기까지, 활약의 장소는 계속 퍼지고 있어 제품 개발에 불가결한 재료의 하나가 되고 있습니다.
성능을 최대한으로 끌어내기 위해서는 다른 재료와의 비교 검토나 가공 방법의 이해가 중요합니다. 본 기사에서 소개한 내용을 참고하시어 설계·개발 현장에서 실리콘 고무를 활용하시기 바랍니다.