플라스틱의 원재료-ABS 수지 (Acrylonitrile, Butadiene, Styrene) 아크릴로 니트릴, 부타디엔, 스티렌 총론

플라스틱의 원재료-ABS 수지 (Acrylonitrile, Butadiene, Styrene) 아크릴로 니트릴, 부타디엔, 스티렌 총론

HS # : 3903-30-0000

CAS# : 9003-56-9

ABS수지는 아크릴로 니트릴, 부타디엔 및 스티렌의 3성분으로 이루어져 있으며 내충격성 열가소성 수지의

총칭이며 이들 세 성분의 머릿 글자를 취하여 ABS수지 혹은 ABS tert-폴리머(3원공중합체)라고도 불리는 때가

있다.

그러나 여기에서 주의하지 않으면 안 되는 것은 ABS수지는 이들 세 성분의 단순한 공중합체는 단순한 공중합체는

아니고, 유리상 폴리머인 AS수지의 연속상에 BR, SBR, NBR등의 고무상 폴리머가 미세하게 분산한 2상불균일계

의 구조를 갖는 폴리머 블렌드라는 점이다.

이 수지 고무의 2상 구조는 HI폴리스티렌과 전적으로 동일한 것으로서 ABS수지는 이를테면 내충격성 AS수지

또는 합성고무 강화 AS수지라고 해야 할 것이다.

AS수지는 별항에 이미 기술하였듯이 스티렌에 아크릴로 니트릴을 공중합시킴으로써 폴리스티렌의 뛰어난 투과성,

가공성, 전기적 특성을 유지하면서 그 기계적 강도, 내열성, 내유성, 내후성 등을 개선한 것이다. 그러나 그

내충격성은 반드시 만족할 만한 것만은 아니었다.

한편 폴리스티렌의 취약성은 합성고무와의 블렌드 혹은 그래프트 중합체인 HI폴리스티렌에 의해서 일단 해결

되어 있었지만 더욱 이 경우에는 내열성, 강성의 부족이라는 결점이 있었다.

이상의 공중합 및 합성고무강화라는 2개의 수단을 조합함으로써 폴리스티렌의 결점 및 AS수지 혹은 HI폴리스티렌

에 남아 있는 약점을 한꺼번에 해결한 것이 ABS수지이다.

따라서 ABS수지는 그 제법 성장 모두가 HI폴리스티렌과 유사하다는 것은 오히려 당연할 것이다. 즉 최초의

ABS수지인 <KRALASTIC>가 U.S. Rubbet사의 Naugatuck Chem, Div.에 의해서 발표된 것은 1947년이었지만 이

<KRALASTIC>는 AS수지와 NBR와의 블렌드에 의한 것이었다.

한편 현재의 ABS수지는 그래프트 형이 그 주류라고 하는데, 이 그래프트형 ABS수지의 선구자가 된

<CYCOLAC>는 이보다 몇 년 뒤져서 1954년 Morbon Chem.사에 의해서 제조, 시판이 시작되었다.

이상과 같이 ABS수지는 미국에서는 아주 오랜 역사를 갖고 있는데 이 수지가 본격적으로 발전을 본 것은

그래프트형 ABS수지의 개발보다 다시 몇 년 뒤져서 1960년 이후이다. 한편 일본에서는 ABS수지의 생산이

시작된 것은 1963년인데 그 수요량은 해마다 급격히 증대하여 현재로서는 대표적인 내충격성 열가소성 수지의

자리를 차지하고 있다.

1. 제법

ABS수지의 기본적인 제조법은 블렌드법, 그래프트법 및 이 양자의 병용인 그래프트 블렌드 복합법 세가지로

대별된다.

1.1 블렌드법

HI폴리스티렌의 경우와 같이 AS수지와 NBR를 가열, mill을 사용, 기계적으로 혼합한다든가, 혹은 또 수지와

고무를 라텍스 상에서 혼합하는 방법도 있다.

이 블렌드형 ABS수지에 있어서는 사용하는 고무의 가교도가 수지와 고무와의 상용성에 크게 영향을 주어

가교도가 클수록 충격강도는 커진다. 이 때문에 NBR를 제조할 때 혹은 최초 혼련할 때에 소량의 가교제를

첨가하고 고무의 가교도를 높이는 등 연구가 이루어지고 있다.

또한 충격강도는 고무함량이 약 15%에 달하기까지는 고무의 양이 증가해도 거의 변화하지 않고 15%를 넘으면

급격하게 증대해 오는데 다른 성질과의 균형상, 고무함량은 20∼30%범위가 적당하다. 또한 보통 이 블렌드에

사용되는 고무의 부타디엔 함량은 약 65%인데 이보다도 부타디엔이 많은 고무를 사용하면 저온내충격성이

대단히 개선된다.

1.2 그래프트법

그래프트형 ABS수지는 예컨대 폴리부타디엔 라텍스의 공존하에 스티렌과 아크릴로 니트릴을 중합시킴으로써

만들어진다. 따라서 이 타입의 ABS수지는 폴리부타디엔, 스티렌과 아크릴로 니트릴이 그래프트한 폴리부타디엔

및 스티렌-아크릴로 니트릴 공중합체의 단순한 혼합물은 매우 약하고 연하다. 이들 두 가지 성분을 결합하여

ABS수지를 강인한 수지로 하는 것이 스티렌과 아크릴로 니트릴이 그래프트한 폴리부타디엔이다. 이 그래프트형

ABS수지의 주축이 되는 그래프트 고무로서 특히 중요한 성질은 고무에 그래프트한 아크릴로

니트릴-스티렌코폴리머와 간 고무와의 비율(그래프트율)이며 이 비율은 중합조건에 의해 결정된다.충격강도는

고무함량이 약 30%에 달하기까지 고무함량과 더불어 커지지만 동일 고무함량에서도 그래프트율에 따라

충격강도가 다르며 또한 고무의 입자지름에 따라 최적 그래프트율이 다르다는 것은 중요하며 또한 흥미 깊은

점이기도 하다. 그래프트형 ABS수지의 폴리부타디엔 함량은 대체로 10∼30%이다. 폴리부타디엔은

유리전이온도가 매우 낮기 때문에 그래프트형 ABS수지는 저온에서도 뛰어난 내충격성을 유지할 수가 있다.

그래프트법에는 유화 중합법이외에 HI폴리스티렌의 경우와 같이 고무를 아크릴로 니트릴, 스티렌의 두

모노머에 용해하여 괴상 또는 현탁상에서 중합하는 방법, 혹은 괴상이 어느 정도 예비 중합한 다음 물속에

현탁하여 중합을 진행하는 괴상현탁법등의 여러 방법이 있다.

1.3 그래프트 블렌드법

그래프트법으로 만든 ABS수지 라텍스와 이것과는 별도로 만든 AS수지 라텍스를 블렌드하는 방법이다.

통상의 그래프트 블렌드법에서는 비교적 작은 입자 지름의 고무 라텍스를 이용, 또한 고무함량을 70%정도까지

높인 계에서 그래프트 중합된다.

2. 종류와 성질

ABS수지는 그 제법, 사용하는 수지의 조성 및 분자량, 고무의 종류, 조성, 입자지름, 가교도, 그래프트율,

수지와 고무와의 비율 등을 바꿈으로써 혹은 제 4의 새로운 성분을 첨가함으로써, 그 성질을 대폭적으로 바꿀

수가 있다. 다시 말하면 ABS수지는 용도에 따라서 거기에 적합한 특성을 갖는 재료를 광범위하게 또한

자유롭게 만들어 낼 수 있다.

ABS수지에는 실로 많은 품종이 준비되어 있는데, 이들 개개의 품종에 대해서 설명할 수는 없기 때문에

다음의 ABS수지의 기본적인 성질에 대해서 극히 간단하게 설명한다. ABS수지의 특징은 제일 먼저 인장강도나

강성에 대한 저하 없이 뛰어난 내충격강도 특히 저온에서 비할데 없는 충격강도를 가지며 또한 열변형 온도가

높다는 것이다. 그밖에 전기적 성질, 내화학 약품성, 내유성이 뛰어나고 또한 가공적응성도 좋고 사출성형,

압출성형, 진공성형, 취입성형, 캘린더가공 등 모든 성형법이 적용될 수 있고 또한 치수안정성, 내크립성,

내스트레스크래킹성이 뛰어난 광택의 좋은 성형품을 얻을 수 있는 등, 수많은 뛰어난 성질을 합쳐서 갖고 있다.

또한 ABS수지는 모든 플라스틱 중에서 가장 도금하기 쉬운 재료라는 것도 커다란 특징의 하나이다.

ABS수지의 이상과 같은 뛰어난 특성은 말할 것도 없이 이 수지를 구성하는 세가지 성분의 특성, 즉 스티렌의

광택, 전기적 성질, 성형성, 아크릴로 니트릴의 내열성, 강성, 내유성, 내후성 및 부타디엔의 내충격성에서

유래하는 것이지만 ABS수지는 이들 세 성분의 단순한 혼합물이 아니라, 이들 세 성분이 교묘한 구조로 결합되어

비로소 저마다의 특성을 유감없이 발휘할 수 있다는 것도 잊어서는 안될 중요한 점이다.

ABS수지는 이상과 같이 성형재료로서 뛰어날 뿐만 아니라 다른 수지와의 상용성이 좋기 때문에 다른 수지의

개질 보강재로서 이용할 수가 있다. 그 중에서도 염화비닐 수지와의 블렌드는 특히 중요하며 ABS수지의 용도에서

커다란 분야의 하나이다. 염화비닐수지에 ABS수지는 5∼20%를 블렌드하면 뚜렷하게 충격강도가 향상되고 인장

강도, 경도는 그다지 변하지 않으며 열변형 온도는 오히려 상승하고 게다가 가공성도 개선된다 이와 같은 것은

보통의 가소제나 니트릴고무와의 블렌드에서는 불가능한 일이며, 그야말로 주목할만한 현상이다.

여기서 중요한 점은 블렌드에 사용한 ABS수지의 종류 및 사용하는 염화비닐수지의 분자량에 따라서 그 효과에

매우 차이가 나타난다는 것이다. 따라서 사용목적에 따라 그레이드를 선택할 일이 중요하다. 이 주의는 블렌드

용에 한하지 않고 다른 ABS수지에 대해서도 전적으로 마찬가지이다.

PVC강화용 ABS수지는 그래프트 성분으로서 범용 ABS수지와 같은 아크릴로 니트릴, 스티렌을 사용한 것도

물론 사용되고 있지만 이 밖에 메타크릴산 메틸 혹은 아크릴산 에스테르등에서 변성한 것도 많이 사용되고 있다.

또한 ABS수지는 PVC이외에 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 나일론등과의 블렌드도 하고 있다. ABS수지는 각종

기계적 강도, 가공성, 가격 등 모든 점에서 균형이 잡힌 뛰어난 수지이지만 결코 만능은 아니고 투명성,

내후성등에 약간의 문제가 있다. 앞에서 이야기 했듯이 ABS수지는 ABS수지의 연속상에 고무의 미립자가

분산된 2상 불균일계의 구조를 갖고 또한 그 구성 성분인 수지와 고무의 굴절률이 다르기 때문에 이 계면에서

빛의 굴절, 산란이 일어나며 그 결과 본질적으로 불투명이 된다. 따라서 이와 같은 블렌드 폴리머를 투명하게

하기 위해서는 수지와 고무의 굴절률을 어떤 범위내에 가까이 하든가 혹은 또 고무입자의 크기를 가시광선의

산란이 일어나지 않을 정도로 작게 하면 좋을 것이다.

ABS수지에서는 예컨대 SBR를 고무성분으로 하고 여기에 그래프트 및 수지성분으로서 스티렌,

메틸메타아크릴레이트를 조합 시킴으로써 양자의 굴절률을 상당한 정도까지 일치시킬 수가 있고 수지를

투명화할 수가 있다. 이와 같은 수단에 의해서 현재는 대체로 폴리카보네이트와 같은 정도의 투명성을 갖는

ABS수지가 투명등급으로써 시판되고 있다.

ABS수지의 제2의 커다란 결점은 내후성에 뒤진 점이다. 따라서 이 결점을 커버하기 위해서 예전에는 특정의

안료, 자외선 흡수제등의 첨가 혹은 도장, 금속도금등 갖가지의 개선책이 취해져 왔는데 모두가 본질적인

해결책은 아니었다. ABS수지에 뛰어난 내충격성을 부여하고 있는 것은 말할 것도 없이 부타디엔 성분이며,

이 성분이 또한 ABS수지의 우수한 도금 성능의 원인이라고 생각하지만 그 반면, 이 부타디엔 고무 속의 잔존

2중 결합이 ABS수지의 내후열화의 원인이라고 생각되고 있다. 그래서 이 부타디엔 고무를 2중 결합을 포함하지

않는 다른 Elastomer, 예컨대 아크릴산 에스테르계 합성고무(AAS수지), 염소화 폴리에틸렌 혹은

에틸렌-초산비닐 공중합체등으로 치환, ABS수지의 내후성을 개선한 AXS수지라고 총칭되는 일련의 내후·내충격

성 수지가 개발되어 옥외용 내충격성 재료로서 주목되고 있다.

3. 성형가공

ABS수지의 성형가공법은 그 주성분인 스티렌에서 이어받은 것으로서 매우 뛰어나다. 단지 폴리스티렌에 비하면

유동성이 약간 뒤지고 또한 약간의 흡습성이기 때문에 성형전의 예비건조가 필요한등, 약간의 차는 있지만

이러한 여러 점은 HI폴리스티렌 AS수지와 같다. 아무리 성형성이 뛰어나고 또한 내충격성, 강성, 내열성,

표면광택 등 뛰어난 성질을 함께 가진 ABS수지라 할지라도 성형조건이 적당하지 못하면 그 본래의 성질을

충분히 발휘할 수 있는 것은 아니다. 즉 성형기술의 교졸이 ABS수지의 제품의 성질에 매우 커다란 영향을

미치는 것은 폴리스티렌 등의 경우와 전적으로 마찬가지이다. ABS수지의 성형법은 다른 스티렌계의 수지와

같이 사출성형이 중심이며, 그밖에 압출성형, 진공성형, 취입성형, 발포성형 등이 중요한 성형법이지만 최근은

콜드포밍, 회전성형 등의 기술도 적용되고 있다.

4.용도

ABS수지의 용도는 크게 4가지분야로 나눌 수 있다

4.1 전기/전자분야

냉장고의 내사 에어컨 청소기 세탁기 음향기 캠코더 등의 가전제품 대부분을 차지하는 이 분야는 노무비의

증가와 품질 경쟁력의 약화로 어려운 입장에 있으나 중국특수 선진국의 완만한 경기 회복 및 국내가전제품의

대형화 보급률 증가로 꾸준한 상승세를 유지했다.

일반 ABS를 위시하여 고광택, 저광택, 무광택, ABS 및 ABS등이 요구되는 시장으로서, TV cabinet 이나 VTR

housing 등은 이미 HIPS를 사용하고 있고 일부용도(음향기기 등)는 HIPS의 공략으로 ABS시장이 잠식되고 있다.

4.2 OA 및 통신기기 분야

전화기, 팩스, 퍼스널 컴퓨터의 모니터, 타이프 라이터, 플로피 디스크, 이동전화 및 노트북 PC등이 주된

사용처로서 일부 대량 모니터 housing을 제외하고는 주로 다품종 소량 생산 위주이며 사무자동 및 컴퓨터의

보급확대 이동 전화기의 급속한 보급에 힘입어 높은 수요증가가 되었다.

4.3. 자동차 분야

내열, 초내열, 도금, 무광택, ABS등이 계기판 콘솔박스 후사경 및 방열기(radiator)그릴 등 내외장 분야에 폭

넓게 가용 되고 있다. 연비 증가를 위한 차량경화를 위한 body panel에 수지채용(GM, AP-Van 및 Saturn) 및

공기저항 감소시키기 위해 중공 성형용 ABS로 제작한 AIR-SPOILER부착과 아울러 차량 보급 댓수의 급속한

증가 등 ABS수지의 증가용인이 크지만 근래 내열 및 복합PP와 EP등의 꾸준한 용도 확대로 일부 시장을

잠식당해 향후ABS수요증가는 차량 댓수 증가 만큼 크지 않았다.

4.4 잡화 및 건자재

문방구, 레저용품, 유아완구, 실내장식 및 화장품용기 등의 잡화분야는 완만한 성장했으면 일반용 고광택

무독성 ABS등이 요구된다고 할 수 있다. 현재 미국에 활발히 용도가 전개되고 있는 건축자재 분야는 파이프 및

Fitting류가 대부분으로서 국내에서는 거의 용도가 개발되어 있지 않다. 파이프 이외에도 조립식 주택의 부엌

가구 압출품과 각종용기 제작용 중공성형 기술 등 향후 높은 수요증가가 예상되는 분야라 할 수 있으며 고충격

및 내화학성 ABS제품이 요구되다.

그림 ABS기의 전개방향