에폭시 수지라는 것은 1 분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 갖는 올리고머 상의 화합물을 말합니다. 이 에폭시 수지는 여기에 에폭시기를 개환 중합용 촉매 또는 경화제를 배합해서 열경화성 수지로서 사용됩니다. 경화제에는 에폭시기에 개환부가 반응하는 1급, 2급 아민류 및 산무수물 등이 사용됩니다. 에폭시 수지, 촉매, 경화제의 조합에 의해 경화 온도나 경화물의 물성을 용이하게 넓은 범위로 조정하는 것이 가능합니다.
에폭시 수지의 종류와 특징
대표적인 에폭시 수지로서는 비스페놀형, 노볼락형, 방향족 아민형, 지환형 등이 있습니다.
비스페놀 A형 에폭시 수지는 고성능 복합재료의 매트릭스 수지로서 가장 넓게 사용되고 있습니다. 반복 단위수 n=0의 수지는 상온에서 액상이지만, n=2 정도 이상에는 고상이 됩니다. n값이 크게 됨에 따라 단위 에폭시기 당의 분자량(에폭시 당량)이 크게 되며, 에폭시기의 반응에 의해 달성 가능한 최대 가교 밀도가 낮아지게 됩니다. 따라서 에폭시 당량이 큰 수지에서 얻어지는 경화물은 높은 인성을 나타내지만, 내열성은 저하하는 경향이 있습니다. 복햅재료의 매트릭스 수지로서는 일반적으로 n값이 약 0.1~0.2의 수지가 사용됩니다.
노볼락형의 에폭시 수지는 2개 이상의 에폭시기를 갖고, 분자량이 크게 됨에 따라 약생에서 고상으로 됩니다. 그러나 분자량에 의해서 경화 후 수지의 내열성은 거의 변하지 않습니다.
방향족 아민형의 에폭시 수지는 3~4개의 에폭시기를 갖습니다. 질소 원소를 포함하고 있기 때문에 노볼락형에 비해서 흡습성이 높습니다. 비교적 점도가 낮은 액상이고, 또한 다관능이기 때문에 가교 밀도가 높은 경화수지가 얻어집니다. 이 때문에 내열성을 필요로 하는 용도의 복합재료용 프리프레그의 수지로서 잘 사용됩니다.
경화제와 촉매의 종류 및 특징
아민계의 경화제에는 지방족계와 방향족계의 것이 있습니다. 지방족계의 경화제는 방향족계의 것에 비해서 아민의 염기성이 높습니다. 이 때문에 경화 반응 속도가 빠르고 실온 경화용으로 잘 사용되곤 합니다. 하지만 공기 중에서 탄산 가스를 흡수하기 쉽고, 또한 독성이 높은 점 등의 취급상 난점이 있습니다. 이 난점을 피하기 위해 아민계 경화제를 산과 화합물로 해서 사용할 때도 있습니다. 방향족계 경화제는 고온 경화용으로 사용되며, 그래서 지비아족계보다 내열성이 높은 에폭시 수지를 형성합니다. 고상이 많기 때문에 혼합작업이 어렵고 혼합할 때에 에폭시 수지에 균일하게 분산되도록 유의해야 합니다. 수지 혼합의 작업성을 향상하기 위해서 2종류의 아민을 사용하고 융점이 낮은 공융 조성물로 해서 사용하기도 합니다.
방향족계 경화제에는 아민의 부대전자가 방향환과 함께 작용하기 때문에 염기성이 저하됩니다. 유황 원자를 포함한 Diaminodiphynylsulfone(DDS)는 이런 종류의 대표적인 경화제입니다. DDS를 경화제로 사용한 에폭시 수지는 경화에 비교적 고온, 장시간을 필요로 하지만 저장 안정성은 비교적 높습니다. 이러한 이유로 DDS는 프리프레그를 제조하기 위한 경화제로서 잘 사용되곤 합니다.
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