폴리아미드-이미드(PAI)는 수지 재료 중에서도 최고 수준의 성능을 가진 슈퍼 엔지니어링 플라스틱입니다. 높은 내열성이나 뛰어난 기계적 강도를 가지고 있어 자동차·수송 기기 분야나 공작 기계·산업 기계 분야 등 폭넓게 활용되고 있습니다. 이번 내용에서는 폴리아미드-이미드의 기본으로부터, 특성이나 장점·단점에 대해 자세하게 해설합니다. 또한, 구체적인 용도나 가공상의 포인트도 언급하기 때문에, 설계자는 반드시 끝까지 봐 주세요.
목차
폴리아미드-이미드(PAI)의 정의
폴리아미드-이미드(PAI)는 폴리아미드(나일론 등)와 폴리이미드의 우수한 특성을 갖춘 슈퍼 엔지니어링 플라스틱입니다. 연속 사용 온도 260℃로 높아 혹독한 온도 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다는 점이 특징입니다.
또, 기계적 강도의 높이도 특기할 만한 점에서, 「무충전에서는 최고의 기계 강도를 자랑한다」라고도 알려져 있습니다. 일반적인 엔지니어링 플라스틱이 필요에 따라 유리 섬유 등으로 보강되는 반면, 폴리아미드-이미드는 미강화 순수 수지(무충전) 상태에서도 높은 강도를 발휘하기 때문입니다.
폴리 아미드-이미드 개요와 탄생 배경
폴리아미드-이미드는 분자 구조 내에 폴리아미드와 폴리이미드를 모두 포함하는 폴리머입니다.
원래 폴리이미드는 내열·난연 성능을 가지면서도 열경화성이기 때문에 가공이 어렵다는 과제가 있었습니다. 대조적으로 폴리아미드는 뛰어난 인성(끈적끈적함)과 가공성을 가진 열가소성 수지입니다.
폴리아미드-이미드는 이미드 결합에 의한 고내열, 고강도와 아미드 결합이 가져오는 가공성, 강인성을 양립시켜 쌍방의 이점을 통합시켰습니다. 고온에서도 사용할 수 있고 금속 대체도 가능해 항공우주와 자동차 분야의 첨단 재료로 주목을 받아왔습니다.
폴리아미드와 폴리이미드의 하이브리드 수지
일반적인 플라스틱의 성능은 분자 구조에 좌우됩니다. 폴리아미드는 폴리아미드계와 폴리이미드계의 하이브리드라 할 수 있는 구조를 가지고 있기 때문에 열가소성 수지이면서 열경화성 수지에 필적할 정도의 고성능을 발휘하는 소재입니다.
수지로서는 월등한 내열 안정성을 자랑하고, 성형 가공의 용이성도 함께 가지는 것으로부터, 「고성능인 수지는 가공이 어렵다」라고 하는 종래의 상식을 뒤집는 존재로서도 평가되고 있습니다.
폴리아미드-이미드는, 통상의 플라스틱으로는 도저히 대응할 수 없는, 가혹한 조건하에서 선정되는 하이브리드 수지로서 확고한 지위를 쌓아 올리고 있습니다.
폴리아미드-이미드(PAI)의 특성
여기서부터는, 기계 구조 부품으로서의 강도나 터프함을 나타내는 기계적 특성과 내열성이나 내약품성이라고 하는 물리적·화학적 특성으로 나누어, 폴리아미드-이미드의 특성에 대해 해설합니다.
뛰어난 기계적 특성(강도・강성・내마모성)
대표적인 폴리아미드-이미드의 기계적 특성은 다음과 같습니다.
| 특성 항목 | 단위 | 값 |
| 인장 강도 | MPa | 152 |
| 파단 변형 | % | 6~12 |
| 인장 탄성률 | MPa | 4500 |
| 압축 강도 | MPa | 222 |
| 절곡 강도 | MPa | 189~240 |
| 충격 강도(아이조트 노치 부착) | J/m | 144 |
폴리아미드-이미드는 매우 높은 강도와 강성을 자랑합니다. 보강하지 않은 상태에서도 인장 강도는 최고 수준으로, 하중을 가해도 거의 구부러지지 않습니다. 자기 윤활성에 의한 뛰어난 내마모성도 특징이며, 특히 접동 등급은 PEEK를 상회하여 고온, 고부하의 접동 부품에도 매우 적합합니다.
장시간 하중을 받아도 변형되지 않는 크리프 특성도 양호하며, 내피로성 및 치수 안정성도 높아 금속에 육박하는 기계적 신뢰성을 가진 슈퍼 엔프라입니다.
물리적·화학적 특성(내열·내약품·전기 특성)
다음으로 폴리아미드-이미드의 대표적인 물리적 특성과 화학적 특성을 보여줍니다.
- 물리적 특성
특성 항목 단위 값 비중 – 1.42~1.56 투명성 – 불투명 연속 사용 온도 ℃ 260 하중 처짐 온도(1.8MPa) ℃ 278 선 팽창률 ×10⁻⁵/℃ 2.5~4.0 열 전도율 W/m·K 0.38 부피 저항률 Ω·cm 10¹⁴ 절연 파괴 강도/내전압 kV/mm 23 유전율 10⁶Hz 3.8~4.1 - 화학적 특성
특성 항목 단위 값 내산성 – ◎(우수) 내알칼리성 – 강한 알칼리성에 침범될 수 있음 내용제성 – ◎(우수) 연소성 – 불연성/자가 소화성 흡수율 중량% 0.19~0.38
폴리아미드-이미드는 물리적, 화학적인 터프함도 강점입니다. 하중 처짐 온도 278℃라는 내열성 외에도 자기 소화성을 갖추고 있어 높은 안전성을 자랑합니다. 내방사선성과 내약품성도 양호하며, 강알칼리 등을 제외하고 대부분의 산과 용제에 내성을 보입니다.
넓은 온도 범위에서 높은 전기 절연성을 유지하며, 선팽창 계수가 작고 치수 안정성도 뛰어나 극저온에서 고온까지의 정밀 부품에 최적인 소재입니다.
폴리아미드-이미드와 다른 고성능 수지(PEEK)의 특성 비교
폴리아미드-이미드는 동일하게 고내열 엔플라로 알려진 PEEK(폴리에테르에테르케톤)와 자주 비교됩니다. 양쪽 모두 뛰어난 내열성이나 내약품성을 가지고 있지만, 각각 자신 있는 영역이 있습니다. 쌍방의 특성 비교를 정리한 표는 이하와 같습니다.
| 비교 항목 | 폴리아미드-이미드 | PEEK |
| 인장 강도 | 152MPa | 약 100MPa 전후
(일반 등급) |
| 내크리프성 | 매우 양호 | 좋은 |
| 내마모·접동 특성 | 매우 양호 | 좋은 |
| 인성·충격 강도 | 보통 | 높은 |
| 내약품성 | 뛰어난
(강산·유기 용매에 강하다) |
뛰어난
(강 알칼리나 증기 환경에서도 안정) |
| 흡수성 | 예 | 매우 낮음 |
| 재료 비용 | 매우 비싼 | 비싼 |
표에서 알 수 있듯이 인성이나 코스트에서 PEEK가 유리한 한편 고온, 고하중 하에서는 폴리아미드-이미드가 가지는 고강성이나 내클리프성이 진가를 발휘합니다. 또한 강알칼리나 고압 스팀 환경에서는 PEEK가 더 안정적입니다. 양자의 특성을 올바르게 이해하고 사용 환경이나 요구 성능에 따라 구분하여 사용하는 것이 중요합니다.
폴리아미드-이미드(PAI)의 장점
높은 내열성과 내마모성
폴리아미드-이미드의 가장 큰 장점은 연속 사용 온도 260℃라는 월등한 내열성입니다. 고온 환경에서도 성능 저하가 적고 안정된 동작을 유지합니다. 또한 자기 윤활성에 의한 탁월한 내마모성도 자랑하며, 특히 고온에서 접동에 강합니다. 수지가 연화되는 온도 영역에서도 경도를 유지하고 마모를 억제하므로 열과 마찰이 동시에 작용하는 가혹한 조건에서도 높은 신뢰성을 발휘합니다.
진동 흡수·저소음 효과
폴리아미드 이미드는 수지 특유의 진동 흡수성을 가지며 금속보다 진동 감쇠율이 커 작동 시 소음을 저감하는 효과를 기대할 수 있습니다. 예를 들어 금속 기어를 폴리아미드-이미드제로 대체하면 경량화뿐만 아니라 저소음화를 실현할 수 있습니다.
또한 높은 강도에서 금속 부품의 대체 후보가 되어 장치 전체의 NVH(소음·진동) 특성을 개선하고 부품 수명의 향상으로도 이어집니다.
가공의 용이성(절삭·성형성)
「고성능=가공 곤란」이라는 상식을 뒤집고, 폴리아미드-이미드는 비교적 가공성이 양호합니다. 열가소성 수지이므로 350℃ 이상의 고온이 필요하지만 사출 성형에 의한 양산도 가능합니다.
또한 절삭 가공과의 궁합도 좋고 치수 안정성이 높아 정밀한 마감이 가능합니다. 판재나 둥근 봉에서 톱니바퀴나 부시 등의 고정밀 부품을 깎아내는 것도 용이합니다. 고강도와 가공성을 양립하고 설계 자유도가 높은 소재라고 할 수 있습니다.
폴리아미드-이미드(PAI)의 단점
용접이나 접착에 의한 결합이 어려
폴리아미드-이미드는 열용착에 의한 접합이 어렵습니다. 융점이 높아 한번 굳으면 열경화성 수지에 가까운 안정 구조가 되므로 재용융할 수 없습니다. 또한 내약품성이 높고 표면에너지가 낮아 접착제도 밀착이 어렵습니다.
따라서 부품의 결합에는 볼트 고정 등의 기계적 고정이 기본입니다. 접착할 경우에는 표면을 거칠게 하는 처리 등이 필요하며 설계 단계부터 결합 방법을 고려해야 합니다.
절곡·소성 가공을 할 수 없다
폴리아미드-이미드는 금속처럼 프레스로 구부리거나 힘을 가하여 형태를 갖추거나 하는 소성 가공을 할 수 없습니다. 강성이 높고 끈기가 적기 때문에 상온에서 구부리려고 하면 깨져 버립니다.
따라서 판 스프링과 같은 흐름을 기대하는 용도에는 적합하지 않습니다. 필요한 형상은 처음부터 사출 성형이나 절삭 가공으로 만들 필요가 있으며, 나중부터 형상 변경이나 수정(재작업)이 어려운 소재인 점을 이해해 둡시다.
취약하고 충격에 약하다(흡수시의 주의)
높은 강도를 가진 폴리아미드-이미드는 충격에 취약하다는 약점이 있습니다. 인성이 그다지 높지 않기 때문에, 갑작스러운 충격 하중으로 깨지거나 깨져 버립니다.
또한 약간의 흡수 성질이 있어 수분을 머금은 상태에서 급가열하면 내부에서 팽창하여 크랙의 원인이 될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 고습도 환경에 둔 부품의 사용 전이나 재료의 절삭 가공 전에는 충분한 예비 건조가 불가결합니다.
폴리아미드-이미드(PAI)의 용도
폴리아미드-이미드의 우수한 특성은 자동차부터 항공 우주까지 다양한 첨단 분야의 제품·부품에서 활용되고 있습니다. 지금부터는 폴리아미드의 용도를 대표적인 분야별로 살펴보도록 하겠습니다.
자동차·수송 기기 분야에서의 부품 채용
폴리아미드-이미드는 자동차 엔진이나 구동계 등 고온·고마찰의 가혹한 환경에서 진가를 발휘합니다. 기어와 베어링, 와셔 등에 사용되며 금속 대체에 의한 경량화와 저소음화에 크게 기여합니다.
컴프레서의 베인에 사용하면 마모를 줄이고 수명 연장도 실현 가능합니다. 또한 항공 우주 분야에서도, 경량으로 느슨해지기 어려운 수지 볼트나 단열 부품으로서 채용이 확대되고 있습니다. 열, 마모, 진동에 노출되는 수송 기기의 신뢰성을 높이는 중요 소재입니다.
공작기계·산업기계 분야에서의 이용
인프라 및 건설 분야의 고성능 부품
석유, 가스 시추 등 고압, 고온, 부식성 유체에 노출되는 가혹한 인프라 설비로 폴리아미드-이미드는 편리한 재료입니다. 씰링이나 밸브 시트로 기존의 고성능 수지나 금속으로는 견딜 수 없는 환경에서도 사용 가능합니다. 뛰어난 내약품성과 내열성이 설비의 안전성과 내구성을 뒷받침합니다.
또, 발전소의 터빈 부품이나 건설 기계의 고부하 부시에도 채용되어 사회 기반의 장수화와 안정 가동에 공헌하고 있습니다.
기타 용도(전자·식품·항공우주 외)
전자 분야에서는 난연성과 절연성을 살려 프린터의 롤러나 지그에 사용되고, 식품 기계에서는 고온 세정에 견디는 씰 부품이나 커터에 채용되고 있습니다.
항공 우주 분야에서는 밀도가 약 1.4g/cm ³로 금속보다 크게 가벼우며 고온 하에서의 강성 유지와 내마모성으로 인해 소형 정밀 부품에서의 금속 대체 후보로 이용되고 있습니다. 또한 금속 표면에 접동성과 내약품성을 부여하는 코팅재로도 활용 가능합니다. 고온, 고부하, 무윤활이 요구되는 상황에서 최적의 선택지입니다.
폴리아미드-이미드(PAI)의 가공 종류와 포인트
폴리아미드의 부품을 제조하기 위해서는 다양한 가공 방법과 특유의 주의점이 존재합니다. 다른 플라스틱과 비교해도 특수한 점이 많기 때문에 가공법별 포인트를 올바르게 잡아둡시다.
성형(주조·사출 성형)시의 포인트
폴리아미드-이미드 성형은 약 350℃의 고온에서 실시하며 금형도 약 200℃로 보온합니다. 성능을 끌어내기 위해서는 성형 후 오븐에 구워 굳히는 후열 처리가 전제됩니다.
이 때문에 전용 설비와 노하우가 필요해 결과적으로 비용은 높고 리드 타임도 길어집니다. 개발 일정과 예산에는 그만큼의 여유를 예상하고 계획해 주세요.
절삭 가공의 포인트
폴리아미드의 절삭은 완전 예비 건조와 가공 시 발열 억제가 기본입니다.
수분을 머금은 채로 가공하면 절삭열로 미세한 균열이 생기거나 가공 후 치수가 변화합니다. 내열성은 높지만, 날 끝의 국소 고온에는 약하고, 수지가 녹아 정밀도가 저하될 우려가 있으므로 주의가 필요합니다.
가공 전에는 오븐에 의한 소재의 건조가 필수적입니다. 또한 가공 시에는 절삭력이 날카로운 초경 공구 등을 사용하여 고속 회전을 피해 절삭 열을 억제합니다. 한 번에 크게 깎지 않고, 황가공 후에 응력을 완화시키는 시간을 마련하는 등 세심한 절차를 거치면 고정밀 마무리가 가능합니다.
용접·소성 가공이 곤란한 이유와 대안
폴리아미드-이미드는 용접이나 절곡 가공을 할 수 없기 때문에 부품 설계는 「일체의 절삭이나 성형」을 전제로 하고, 복수 부품의 결합에는 「볼트 등에 의한 기계적 고정」을 계획에 포함하는 것이 기본입니다.
폴리아미드-이미드는 한번 굳으면 재용융하지 않는 성질을 가지고 있기 때문에 열용착이 되지 않으며, 매우 단단하고 부서지기 때문에 금속처럼 구부리려고 하면 깨지기 때문입니다. 접착도 가능하지만 표면 처리가 필요한 데다 접합 강도의 신뢰성에 과제가 남기 때문에 주요 고정 방법에는 적합하지 않습니다.
예를 들어, L자 형상이 필요한 경우는 판을 구부리는 것이 아니라 블록재에서 일체로 깎아냅니다. 부품끼리 결합하고 싶은 경우는 인서트 너트를 매립하거나 나사 구멍을 마련해 볼트로 체결하도록 설계합니다. 스프링성이 필요한 부분은 금속 등의 다른 부품을 조합하는 연구가 필수적입니다.
정리
폴리아미드-이미드(PAI)는 수지 재료 중에서도 우수한 성능을 가진 슈퍼 엔프라입니다. 「금속으로도 대응하기 어려운 조건을 충족하는 플라스틱」이라는 평가를 받아 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
폴리아미드-이미드의 특성은 고온, 고하중 환경에서의 기계적 강도 유지와 탁월한 내마모, 슬라이딩성, 폭넓은 내약품성 등 다방면에 걸쳐 가혹한 조건하의 전문가 소재라고 부르기에 적합합니다. 한편, 가격이 매우 높고 가공도 쉽지 않기 때문에 폴리아미드-이미드에서만 할 수 있는 역할로 좁혀 채택되는 비장의 재료라고 생각하면 좋을 것입니다.
설계자로서는, 폴리아미드-이미드의 장점을 최대한 살리면서, 충격의 취약함이나 접합의 어려움과 같은 약점을 배려한 설계를 유의해야 합니다. 이번 내용에서 소개한 내용을 참고하여 폴리아미드-이미드의 특성을 이해하고 신뢰성 있는 부품 개발을 실현합시다.
