엔지니어링 플라스틱: 폴리카보네이트(피씨) - 특성, 응용 및 개발(1)
폴리카보네이트의 정의와 구조
폴리카보네이트는 분자 사슬에 카보네이트기를 포함하는 고분자 중합체의 총칭입니다. 에스터기의 구조 차이에 따라 지방족 폴리카보네이트, 지환족 폴리카보네이트, 방향족 폴리카보네이트 등 다양한 유형으로 분류될 수 있습니다. 이 중 지방족 폴리카보네이트와 지방족-방향족 폴리카보네이트는 기계적 물성이 좋지 않아 엔지니어링 플라스틱 분야에서의 적용이 제한적입니다.
현재 산업적으로 생산되는 주요 방향족 폴리카보네이트는 방향족 폴리카보네이트, 특히 비스페놀 A형 방향족 폴리카보네이트입니다. 비스페놀 A와 포스겐 또는 디페닐 카보네이트의 중축합 반응으로 생성된 화학식은 비스페놀 A입니다. 이 독특한 분자 구조는 폴리카보네이트에 여러 가지 우수한 특성을 부여하여 수많은 소재 중에서도 단연 돋보입니다.
폴리카보네이트의 특성
(I) 광학적 특성
폴리카보네이트는 무기 유리에 가까운 90% 이상의 빛 투과율을 자랑하며, 뛰어난 투명성을 자랑하여 광학 분야에서 빛을 발합니다. 광디스크, 렌즈, 광학 렌즈와 같은 정밀 광학 부품이나 대형 램프갓, 보호 유리, 창유리와 같은 일상 광학 제품 제조에 사용되든, 폴리카보네이트는 높은 투명성 덕분에 사용자에게 선명한 시각적 경험을 제공합니다. 또한, 뛰어난 염색 적응성 덕분에 다양한 색상의 제품을 구현하여 다양한 상황에서의 미적 요구를 충족할 수 있습니다.
(2세) 기계적 성질
폴리카보네이트는 뛰어난 내충격성을 자랑하며, 노치 아이조드 충격 강도는 600~900 J/m에 달하여 엔지니어링 플라스틱 중 최고 수준입니다. 견고하면서도 견고한 특성 덕분에 외부 충격에도 쉽게 파손되지 않으며, 이러한 탁월한 기계적 성능은 강도와 내충격성이 엄격한 다양한 분야에서 폴리카보네이트가 활용될 수 있는 탄탄한 기반을 제공합니다.
또한, 폴리카보네이트의 인장 및 굽힘 강도는 나일론 및 폴리옥시메틸렌과 유사하여 열가소성 플라스틱 중에서도 뛰어나며, 유리 섬유 강화 페놀 수지나 불포화 폴리에스터 수준에 근접합니다. 더욱이, 성형 부품은 고정밀 공차 요건을 충족하고 다양한 환경 변화에도 치수 안정성을 유지하며, 성형 수축률은 0.5~0.7%로 일정합니다. 또한, 뛰어난 크리프 저항성을 가지고 있습니다.
(3세) 열적 특성
폴리카보네이트는 유리 전이 온도가 약 147°C이고 열 변형 온도가 135°C이므로 -45°C에서 120°C까지의 온도 범위에서 장기간 안정적으로 사용할 수 있습니다. 이러한 뛰어난 열 안정성 덕분에 추운 극지방이나 더운 열대 기후 등 다양하고 복잡한 작업 환경에도 적응할 수 있습니다. 폴리카보네이트 제품은 정상적인 작동을 보장합니다.
또한, 폴리카보네이트는 220~230°C에서 녹으며 열분해 온도는 310°C를 초과합니다. 자기소화성 수지이기 때문에 고온 환경에서 사용할 때 안전성이 어느 정도 향상됩니다.
(4.) 화학적 안정성
폴리카보네이트는 약산, 약알칼리, 중성유에 대한 내성이 우수하여 이러한 화학물질이 포함된 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다. 그러나 강알칼리에는 비교적 민감하여 부식되기 쉽고, 자외선 차단성이 상대적으로 낮습니다.
따라서 실제 적용에서는 특정 서비스 환경에 맞춰 폴리카보네이트에 적절한 보호 또는 개질 처리를 적용하여 서비스 수명을 연장해야 합니다.
폴리카보네이트 생산 공정
(I) 포스겐법(계면중축합)
포스겐법은 현재 폴리카보네이트 생산의 주류 공정 중 하나입니다. 이 공정에서는 알칼리 용액에서 비스페놀 A를 포스겐과 반응시켜 고분자량의 PC를 형성합니다. 이 공정의 장점은 고순도 및 우수한 품질의 폴리카보네이트 제품을 생산할 수 있다는 것입니다.
그러나 포스겐은 독성이 매우 강한 가스이므로 작업자와 환경의 안전을 보장하기 위해 생산 과정에서 엄격한 안전 보호 조치가 필요합니다. 또한, 생산 장비의 밀봉 및 내부식성에 대한 요구 사항이 매우 높아 생산 비용과 기술적 어려움이 증가합니다.
(2세) 트랜스에스테르화법(용융중합)
에스테르 교환 반응은 폴리카보네이트의 또 다른 중요한 생산 공정입니다. 이 공정은 디페닐 카보네이트와 비스페놀 A를 원료로 사용하여 고온 및 진공 조건에서 중축합 반응을 수행합니다.
이 방법은 비교적 간단한 공정 흐름을 특징으로 하며, 고독성 포스겐을 사용하지 않아 생산 공정의 안전 위험을 어느 정도 줄일 수 있습니다. 그러나 에스테르 교환 반응법에는 몇 가지 단점도 있습니다. 예를 들어, 생산된 폴리카보네이트의 분자량이 상대적으로 낮아 포스겐법으로 생산된 폴리카보네이트보다 제품 성능이 일부 측면에서 떨어질 수 있습니다. 따라서 이 방법은 분자량에 대한 요구 조건이 높지 않은 저점도 제품 생산에 더 적합합니다.
폴리카보네이트 산업의 현황
(I) 글로벌 생산 능력 및 생산량
폴리카보네이트(피씨)의 전 세계 생산 능력은 지속적으로 확대되고 있지만, 성장률은 점차 둔화되고 있습니다. 2024년 전 세계 피씨 생산 능력은 전년 대비 4.7% 증가했고, 생산량은 전년 대비 4.0% 증가했으며, 생산 시설의 평균 가동률은 63.5%를 기록했습니다.
전 세계 피씨 생산의 지역별 집중도는 동북아시아로 이동하고 있으며, 생산은 주로 동북아시아, 서유럽, 북미 지역에 집중되어 있습니다. 2024년에는 동북아시아가 전 세계 피씨 생산 능력의 66.3%를 차지하며 1위를 차지했고, 서유럽은 12.9%, 북미는 10.3%를 차지했습니다.
산업 경쟁 양상은 매우 집중되어 있습니다. 2024년에는 30개가 넘는 주요 글로벌 피씨 제조업체가 존재했으며, 상위 10대 제조업체의 생산 능력은 전 세계 총 생산 능력의 71.8%를 차지했습니다. 그중 코베스트로는 세계 최대 피씨 생산업체입니다.
(2세) 국제 무역 상황
2023년 폴리카보네이트(피씨) 국제 무역 총액은 89억 3천만 달러로 전년 대비 23.5% 감소했으며, 총 무역량은 323만 2천 톤으로 전년 대비 15.6% 감소했습니다. 가격 측면에서 PC의 세계 평균 수출 가격은 톤당 2,761.6달러로 전년 대비 9.4% 하락했습니다.
중국, 인도, 멕시코는 세계 주요 피씨 수입국으로, 이들 국가의 총 수입량은 전 세계 총 수입량의 약 43.9%를 차지합니다. 한국, 태국, 중국은 주요 수출국으로, 이들 국가의 총 수출량은 전 세계 총 수출량의 약 44.4%를 차지합니다.
(3세) 중국 시장 상황
중국 피씨 생산 능력의 성장률이 둔화되었습니다. 지난 몇 년 동안 중국의 피씨 생산 능력은 빠르게 확대되었고, 업계의 공급 부족 현상도 크게 개선되었습니다. 지난 2년 동안 업계는 합리적으로 회복되기 시작했으며, 생산 능력 확장 속도는 크게 둔화되었습니다. 기존의 고속 확장에서 점차 기존 재고 최적화 및 효율성 향상으로 전환하고 있습니다.
2024년 중국의 피씨 생산 능력은 전년 대비 13.1% 증가했고, 생산량은 전년 대비 22.6% 증가했습니다. 중국의 피씨 수입은 지속적으로 감소한 반면, 수출은 꾸준히 증가했습니다. 2024년 중국의 피씨 수입은 전년 대비 14.8% 감소했고, 수출은 전년 대비 34.6% 증가했습니다.
중국의 피씨 수입은 주로 일반 무역 및 수입 자재 가공을 통해 이루어지며, 각각 전체 수입의 69.6%와 18.9%를 차지합니다. 중국의 피씨 수입은 주로 한국, 태국, 대만 등 국가 및 지역에서 이루어지며, 전체 수입의 약 60.3%를 차지합니다.
중국의 피씨 겉보기 소비량은 전년 대비 8.9% 증가했고, 자급률은 전년 대비 9.9%p 상승했습니다. 여러 신규 및 확장 시설의 완공 및 가동을 통해 중국의 피씨 생산 능력은 더욱 확대될 것이며, 공급량 또한 빠르게 증가할 것입니다. 신규 시설의 생산품은 아직 수입 원자재를 신속하고 효과적으로 대체하기에는 부족하지만, 자급률은 크게 향상되었고 해외 원자재 의존도는 눈에 띄게 감소했습니다.
