합성수지는 천연수지의 내재적 특성을 갖거나 능가하는 인공적으로 합성된 고분자량 화합물의 한 유형입니다. ASTM D883-65T는 합성수지를 제한 없는 분자량을 갖지만 종종 고분자량 고체, 반고체 또는 의사(준)고체인 유기 물질로 정의하며, 응력을 받으면 흐르는 경향이 있고, 종종 연화 또는 용융 범위를 가지며, 깨지면 껍질 모양입니다.
실제 응용 분야에서는 종종 폴리머 또는 플라스틱과 동의어로 사용되며, 특히 첨가제 없이 또는 매우 소량의 첨가제만으로 단량체의 중합 반응으로 생성되는 기본 재료를 지칭합니다. 또한, 때때로 경화되지 않은 유동성 열경화성 폴리머 재료를 나타내는 데 사용됩니다.
세계 3대 합성소재는 합성수지, 합성고무, 합성섬유이다. 합성수지는 생산량과 소비량이 가장 높은 합성소재이다.
응용 분야
합성수지의 가장 중요한 용도는 플라스틱 제조입니다. 가공을 용이하게 하고 성능을 향상시키기 위해 첨가제가 흔히 사용되며, 때로는 첨가제 자체가 가공 및 성형에 사용되기도 하므로, 첨가제를 플라스틱과 동의어로 사용하는 경우가 많습니다. 플라스틱에서 합성수지의 함량은 일반적으로 40~100%에 달합니다. 수지의 함량이 높고 수지의 특성이 플라스틱의 특성을 결정하는 경우가 많기 때문에, 사람들은 종종 수지를 플라스틱과 동일시합니다. 예를 들어, 폴리염화비닐(PVC) 수지를 PVC 플라스틱과, 페놀 수지를 페놀 플라스틱 과 혼동하는 경우 가 있습니다. 사실 수지와 플라스틱은 엄연히 다른 개념입니다. 수지는 가공되지 않은 고분자 원료로, 플라스틱 제조뿐만 아니라 코팅제, 접착제, 합성섬유 등의 원료로도 사용됩니다. 100% 수지로 구성된 극히 일부 플라스틱을 제외하고는, 대부분의 플라스틱은 주성분인 수지 외에 다른 물질을 첨가하여 만들어집니다.
합성수지는 또한 합성섬유, 코팅, 접착제, 단열재 등을 제조하는 기본 원료입니다. 널리 사용되는 수지 콘크리트도 합성수지를 시멘트 재료로 사용합니다. 합성수지는 다른 경쟁 재료에 비해 성능과 비용 면에서 명백한 이점이 있기 때문에 그 응용 분야는 국가 경제의 모든 측면에 침투했습니다. 포장은 합성수지의 가장 큰 시장이며, 그 다음은 건축 제품입니다. 전자, 전기 및 자동차도 합성수지의 중요한 응용 분야입니다. 다른 시장으로는 가구, 장난감, 엔터테인먼트 제품, 가전제품 및 의료용품이 있습니다.
기본 유형
합성수지에는 여러 종류가 있다.
합성수지 산업 제품은 범용수지와 특수용수지로 나눌 수 있습니다. 범용수지는 생산량이 많고 가격이 저렴하며, 주로 일반 소비재나 내구재에 사용됩니다. 대표적인 종류로는 폴리에틸렌 , 폴리프로필렌 , 폴리염화비닐, 폴리스티렌 , ABS 등 5대 합성수지가 있습니다 . 특수용수지는 특정 용도에 맞게 생산되는 수지를 말하며, 생산량은 적고 생산 비용은 높습니다. 예를 들어 기계, 전자, 자동차 등 다양한 분야에서 금속을 대체하는 데 사용됩니다. 엔지니어링 플라스틱은 특수용수지에 속합니다. 대표적인 엔지니어링 플라스틱으로는 폴리아미드 , 폴리카보네이트 , 폴리옥시메틸렌 , 폴리부틸렌테레프탈레이트 , 변성폴리페닐렌 에테르, 폴리테트라플루오로에틸렌 등이 있습니다 . 또 다른 특수용수지로는 열가소성 엘라스토머가 있는데, 이는 고무와 유사한 탄성을 가지고 있으며 가열하면 반복적으로 성형할 수 있습니다.
합성수지는 화학 조성에 따라 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 한 종류의 합성수지는 주쇄가 지방족 탄소 원자로만 이루어져 있으며 일반용 수지는 기본적으로 이 종류에 속한다. 다른 종류의 합성수지는 주쇄에 탄소 원자 이외에도 산소, 질소, 유황 등이 포함되어 있으며, 대부분의 엔지니어링 플라스틱은 헤테로사슬 폴리머로 구성된다.
공학적 특성에 따라 합성수는 열가소성 수지와 열경화성 수지로 나눌 수 있습니다. 두 수지의 차이는 주로 화학 조성과 고분자 분자 구조에서 비롯됩니다. 열가소성 수지는 분자 사슬 구조가 선형 또는 분지형입니다. 가열하면 가소화(연화, 용융)되어 유동성을 가지며, 반복적으로 가소화 및 성형이 가능합니다. 대표적인 열가소성 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리-1-부텐, 폴리염화비닐, 폴리스티렌 등이 있습니다. 열가소성 수지는 성형이 빠르고 반복 성형이 가능합니다. 열경화성 수지는 3차원 구조를 가진 고분자입니다. 분자 사슬 내에 다기능성 고분자를 포함하고 있으며, 경화제 존재 하에 열과 압력을 가하면 연화(용융)와 경화(숙성)가 동시에 일어나 불용성 및 비가융성 고분자가 됩니다. 일반적인 열경화성 수지에는 페놀-포름알데히드 수지(일반적으로 페놀 수지라고 함), 요소-포름알데히드 수지 (일반적으로 요소-포름알데히드 수지라고 함), 멜라민 포름알데히드 수지(일반적으로 멜라민 포름알데히드 수지라고 함), 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 폴리우레탄 등이 있습니다.
제조 방법
합성수지는 저분자 원료(에틸렌, 프로필렌, 염화비닐 등)를 중합 반응을 통해 거대 분자로 결합하여 생산되는 고분자 화합물입니다. 산업에서 일반적으로 사용되는 중합 방법에는 벌크 중합, 현탁 중합, 유화 중합, 용액 중합, 슬러리 중합, 기체상 중합 등이 있습니다. 합성수지를 생산하는 원료는 공급원이 풍부합니다. 초기에는 주로 콜타르 제품과 탄화칼슘이었고, 현재는 주로 에틸렌, 프로필렌, 벤젠, 포름알데히드, 요소와 같은 석유 및 천연 가스 제품입니다.
벌크 중합
벌크 중합은 개시제 또는 열, 빛, 방사선의 작용 하에 다른 매체를 첨가하지 않고 단량체를 중합하는 중합 공정입니다. 특징은 순수한 제품이며 복잡한 분리 및 정제가 필요 없고 조작이 간단하며 생산 장비의 활용률이 높습니다. 파이프, 플레이트 및 기타 고품질 제품을 직접 생산할 수 있으므로 블록 중합이라고도 합니다. 단점은 중합 반응이 진행됨에 따라 재료의 점도가 지속적으로 증가하고 혼합 및 열 전달이 어렵고 반응기 온도를 제어하기 쉽지 않다는 것입니다. 벌크 중합은 종종 폴리메틸 아크릴레이트(일반적으로 플렉시글라스라고 함), 폴리스티렌, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터 및 폴리아미드와 같은 수지의 생산에 사용됩니다.
현탁 중합
현탁 중합은 단량체를 기계적 교반 또는 진동과 분산제의 작용 하에 물방울로 분산시키는 중합 공정을 말하며, 일반적으로 물에 현탁되어 있으므로 비드 중합이라고도 합니다.특징은 다음과 같습니다.반응기 내에 많은 양의 물이 있고, 재료 점도가 낮으며, 열전달 및 제어가 쉽습니다.중합 후 간단한 분리, 세척, 건조 및 기타 공정만 수행하면 수지 제품을 얻을 수 있으며, 이는 성형 가공에 직접 사용할 수 있습니다.제품은 비교적 순수하고 균일합니다.단점은 반응기 생산 능력과 제품 순도가 벌크 중합만큼 좋지 않고 연속 생산을 사용할 수 없다는 것입니다.현탁 중합은 산업에서 널리 사용됩니다.
유화중합
에멀전 중합은 단량체가 에멀전제를 사용하여 기계적 교반 또는 진동 하에 물에서 에멀전을 형성하는 중합을 말합니다. 에멀전 중합의 생성물은 라텍스로, 직접 사용할 수도 있고, 라텍스를 파괴하고 세척 및 건조와 같은 후처리 절차를 거쳐 분말 또는 침상 중합체를 얻을 수도 있습니다. 에멀전 중합은 더 높은 반응 속도에서 더 높은 분자량의 중합체를 얻을 수 있습니다. 이 물질은 점도가 낮고, 열 전달 및 혼합이 쉽고, 생산을 제어하기 쉽고, 잔류 단량체를 제거하기 쉽습니다. 에멀전 중합의 단점은 중합 공정 중에 첨가된 에멀전제가 제품의 성능에 영향을 미친다는 것입니다. 고체 중합체를 얻기 위해 응고, 분리 및 세척과 같은 공정을 통해 소모됩니다. 반응기의 생산 용량은 벌크 중합법보다 낮습니다.
용액 중합
용액 중합은 용매의 존재 하에 수행됩니다. 선택된 용매는 단량체와 중합체를 모두 용해할 수 있어야 합니다. 중합 공정 동안 시스템은 균일한 점성 용액이고, 중합 시스템은 항상 균질하며, 연속 작동 주기가 길고, 작동하기 쉽습니다. 그러나 시스템 점도는 비교적 큽니다. 그 장점은 균질 반응을 제어하기 쉽고 분자량과 그 분포도 적절하게 제어할 수 있지만 용액 중합 시스템은 점성이 있어 열과 물질 전달이 어렵고 고르지 않습니다.
슬러리 중합
슬러리 중합 동안 용매 또는 단량체 자체가 분산 매질로 사용됩니다. 생성된 중합체는 분산 매질에 불용성이지만 입자 형태로 분산 매질에 분산되어 슬러리를 형성합니다. 일부 초기 문헌에서는 이를 이종 용액 중합으로 분류했습니다. 이 유형의 중합은 시스템 점도가 낮고 교반이 쉽고 열 발산이 쉽고 단량체 농도가 높아 단위 장비 생산성을 높일 수 있습니다. 현재 이 방법은 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 생산에 사용할 수 있습니다.
기체상 중합
기체상 중합에서는 기체상 단량체와 촉매를 지정된 양만큼 반응기에 주입하여 1단계 합성을 통해 건조 중합체를 얻습니다. 기체상 중합의 전제는 촉매 선택성과 수율이 충분히 높아야 하며, 생성물이 잔류 촉매를 제거할 필요가 없어 공정을 크게 단축할 수 있다는 것입니다. 고활성 지지 지글러 촉매의 등장으로 기체상 중합은 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 제조의 주류가 되었습니다. 또한 자유 라디칼 메커니즘을 기반으로 하는 중합에도 널리 사용될 수 있습니다.
처리 방법
열가소성 수지의 경화는 일반적으로 제품을 유리전이온도 또는 용융점 이하로 냉각함으로써 이루어지며, 열경화성 수지는 가열하여 화학 반응을 일으켜 망상 구조를 형성함으로써 경화됩니다. 주요 가공 방법에는 압출, 압축 성형 , 사출 성형, 블로우 성형, 회전 성형, 반응 사출 성형, 열성형, 발포 등이 있습니다.
역사적인 발전
일부 나무의 분비물은 종종 수지를 형성하지만, 호박은 수지의 화석입니다. 셸락도 수지로 간주되지만, 나무에 있는 락 곤충이 분비하는 침전물입니다. 셸락으로 만든 셸락 페인트는 원래 목재 방부제로만 사용되었지만, 모터가 발명되면서 가장 오래된 단열 페인트가 되었습니다. 그러나 20세기에 들어서면서 천연 제품은 더 이상 전기화의 요구를 충족시킬 수 없었고, 사람들은 새로운 저렴한 대체품을 찾아야 했습니다.
1872년 초, 독일의 화학자 A. Bayer는 페놀과 포름알데히드가 산성 조건에서 가열하면 빠르게 적갈색 덩어리나 점성 물질을 형성할 수 있다는 것을 처음 발견했지만, 고전적인 방법으로는 정제할 수 없어서 실험을 중단했습니다. 20세기 이후, 페놀은 콜타르에서 대량으로 얻을 수 있었고, 포름알데히드는 방부제로 대량으로 생산되었습니다. 따라서 이 둘의 반응 생성물이 더 많은 주목을 받았고, 사람들은 유용한 제품을 개발하기를 바랐습니다. 많은 사람들이 이에 많은 노력을 기울였지만, 기대했던 결과를 얻지 못했습니다.
1904년에 베이클랜드와 그의 조수들도 이 연구를 시작했습니다. 초기 목적은 천연 수지를 대체할 절연 바니시를 만드는 것이었습니다. 1907년간의 노력 끝에 20년 여름에 그들은 절연 바니시를 만들었을 뿐만 아니라 진짜 합성 플라스틱 재료인 베이클라이트도 만들었습니다. 베이클라이트는 잘 알려진 "베이클라이트", "베이클라이트" 또는 페놀 수지입니다. 베이클라이트가 나오자 제조업체들은 그것이 다양한 전기 절연 제품뿐만 아니라 일상 필수품도 만들 수 있다는 것을 곧 알게 되었습니다. 에디슨은 그것을 사용하여 레코드를 만들었고 곧 광고에서 베이클라이트로 수천 개의 제품을 만들었다고 발표했습니다. 한동안 베이클랜드의 발명품은 XNUMX세기의 "연금술"로 칭찬받았습니다.
1940년 이전까지 콜타르로 만든 페놀수지는 항상 다양한 합성수지 생산의 선두에 있었으며, 연간 생산량이 200,000만 톤을 넘었습니다. 그러나 석유화학 산업의 발전으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌과 같은 고분자 합성수지의 생산도 계속 확대되었습니다. 연간 생산량이 100,000만 톤을 넘는 대규모 공장이 많이 설립되면서 오늘날 생산량이 가장 많은 XNUMX가지 합성수지가 되었습니다.
오늘날 합성수지는 첨가제와 혼합되어 다양한 성형 방법을 통해 플라스틱 제품 으로 생산됩니다 . 플라스틱은 수십 가지 종류가 있으며, 전 세계적으로 연간 약 1억 2천만 톤, 중국에서만 5백만 톤 이상이 생산됩니다. 플라스틱은 생산, 생활 및 국방 건설의 기본 소재가 되었습니다.
중국의 현재 상황
중국의 합성수지 산업은 국내에서 생산된 촉매, 공정 및 장비 개발에서 놀라운 성과를 거두었습니다. 해외의 선진 수준과 비교했을 때 중국의 합성수지 산업에는 여전히 일정한 격차가 있습니다. 새로 건설된 대규모 합성수지 공장 중 다수는 여전히 수입 기술에 의존하고 있으며, 일부 공장은 고급 제품을 생산하기 위해 외국 촉매를 구매해야 합니다. 중국의 일부 고급 제품은 온실 필름용 수지 등급 부족, 생산량 감소, 기능성 온실 필름의 생산 수요 충족과는 거리가 먼 등 수량 면에서 시장 수요를 충족시킬 수 없습니다. 수입 원자재는 약 50%를 차지합니다. 국내에서 생산된 PP-R 파이프 재료와 수입 재료 사이에는 여전히 일정한 격차가 있으며, 품질을 개선하고 향상시켜야 합니다.
글로벌 합성수지 산업은 중동의 저가 제품과의 경쟁에 직면해 있습니다. 이러한 경쟁에 대응하여 전 세계 주요 수지 생산 회사는 저비용 원자재를 위해 중동 지역에 자산을 할당하고 있습니다. 세계적 수준의 대규모 생산 시설을 건설하고 규모의 경제를 최대한 활용합니다. 보다 진보된 촉매, 공정 기술 및 컴퓨터 제어, 최적화 및 관리 솔루션을 채택합니다. 수지 산업은 치열한 경쟁이 벌어지고 있습니다. 이러한 상황에서 중국 수지 산업은 자체 혁신 역량을 더욱 강화하고 수입 기술을 더 잘 소화하고 흡수하며 중동 시설에서 생산할 수 없는 고급 제품을 더 많이 생산하고 중동, 주변 국가 및 주요 다국적 기업의 합성수지 제품 경쟁에 대처하기 위해 생산 비용을 줄이기 위해 최선을 다해야 합니다.
개발 전망
세계 경제 환경의 변화, 미국의 에너지 구조의 실질적인 조정, 에너지 절약 및 환경 보호라는 맥락에서 본 중국의 경제 성장 모델 변화, 화학시장의 경쟁 환경의 변화, 수요의 업그레이드는 산업에 엄청난 변화를 가져올 것입니다.
상류 합성수지 장치의 원자재 관점에서 볼 때, 제품의 경쟁력을 높이기 위해 보다 다양화되고 가벼워지는 경향이 있습니다. 수요 측면에서 볼 때, 합성수지 제품에 대한 녹색, 기능성 및 차별화된 요구 사항이 제시됩니다. 무역 관점에서 볼 때, 미국 셰일가스가 화학 산업에 가져온 저비용 이점으로 인해 앞으로 중국으로의 수출이 증가할 것입니다. 중국의 경쟁 구도 관점에서 볼 때, 석탄 화학 산업, 프로판 탈수소화에서 프로필렌으로, 메탄올에서 올레핀으로의 전환은 모두 기존 석유화학 산업에 큰 도전을 가져올 것입니다. 단기적으로 중국의 합성수지 생산 능력은 상당히 증가했지만 수요는 계속 부진하고 있으며 합성수지는 앞으로 2~3년 동안 여전히 소폭 이익 기간에 있을 것입니다.
심각한 시장에 직면한 중국의 합성수지는 기술 혁신의 길을 걸어야 합니다. 중국의 합성수지 기업은 먼저 제품의 기술 내용을 개선하고, 하이테크 장벽을 돌파하고, 사용자를 고정해야 합니다. 둘째, 제품의 기술 서비스와 애프터 서비스를 강화하여 사용자가 적절한 구매 비용을 전제로 최상의 가격 대비 성능 비율을 얻을 수 있도록 해야 합니다. 셋째, 제품 품질을 개선해야 합니다. 기업은 경쟁 사용자를 방문하고, 제품을 맞춤 제작하고, 상대방의 요구에 따라 품질 관리를 강화하고, 인증을 늘리는 등의 조치를 취하고, 고급 고객을 묶어야 합니다.
