단국대 중합공학실험2 <페놀-폼알데하이드 수지의 합성> 예비 레포트

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1. 페놀-폼알데하이드 수지의 합성

페놀수지는 고분자 재료 중 처음으로 상업화된 재료로, 1910년부터 베이크라이트라는 상품명으로 시판되어 왔으며 국내에서 사용되는 가장 오래된 수지 중 하나이다. 페놀수지는 높은 비강도, 비 강성 특성 및 우수한 내열성을 가지고 있으며, 특히 난연성이 우수한 특성을 가지고 있다. 페놀수지는 촉매의 종류와 폼알데하이드의 함량에 따라 노볼락과 레졸로 나눠진다. 노볼락 수지와 레졸 수지는 합성 방법에 있어서 큰 차이가 있다. 페놀-폼알데하이드 수지는 페놀과 폼알데하이드, 산성 또는 알칼리성 촉매를 가하여 가열하면 부가와 축합 반응에 의하여 얻어진다.
2. 페놀수지의 특성

페놀수지는 높은 비강도, 비 강성 특성 및 우수한 내열성을 가지고 있으며, 특히 난연성이 우수한 특성을 가지고 있다. 불꽃이 점화된 후 융제특성이 우수하며, 산화되는 도중 수지의 표면에 탄소막을 만들어 산소 침투를 막 아 연소 속도를 지연시켜 유독성 가스 발생을 억제한다. 또한 절연성이 우수하고 저렴한 가격으 로 인쇄회로 기판, 건축물의 내장, 항공기의 부품이나 자동차의 부품 등에 많이 사용되어지고 있 으며, 사용 범주가 넓다는 점에 있어서 많은 장점을 갖는다.
3. 노볼락 수지와 레졸 수지의 합성 방법

노볼락 수지의 합성은 H2SO4 또 는 HCl 등의 강산 촉매 하에서 이루어지며, 이 때 페놀과 폼알데하이드의 몰비는 1:0.75-0.85이다. 반응 온도 범위는 120℃~180℃ 부근이며, 합성 과정에서 pH의 영향을 비교적 많이 받아 합성 과 정 중 pH가 낮아지면 반응 속도가 저하된다는 특징을 갖는다. 레졸 수지의 합성은 NaOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2, TEA(triethylamine)등의 염기 촉매 하에서 이루어지며, 페놀과 폼알데하이드의 반응 몰비는 1:1.0-4.0이다. 반응 온도는 약 150℃ 부근이다.
4. 페놀-폼알데하이드 수지의 경화

레졸은 페놀과 과량의 폼알데하이드로 염기성 촉매 하에서 중합된 반응성 올리고머를 지칭하며 열만 가해주어도 중합반응이 진행되며 쉽게 불용불융 의 겔화가 일어나기 때문에 반응을 조절하기 어렵다는 특징을 가지고 있다. 산성 촉매에 의해서는 축합 반응이 쉽게 일어나서 가교제에 의해 경화가 진행되는 분말 형태의 노볼락이 얻어진다. 노블락은 메틸올기가 포함되어 있지 않아 가교로 그물구조가 될 수 없다.

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1. 페놀-폼알데하이드 수지의 합성

페놀-폼알데하이드 수지는 가장 널리 사용되는 열경화성 수지 중 하나입니다. 이 수지는 페놀과 폼알데하이드의 축합 반응을 통해 합성됩니다. 페놀과 폼알데하이드의 몰비, 반응 온도, 반응 시간 등의 조건을 조절하여 다양한 특성의 수지를 얻을 수 있습니다. 이 수지는 내열성, 내화학성, 전기절연성 등이 우수하여 전기, 전자, 자동차, 건축 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 또한 저렴한 원료와 간단한 합성 공정으로 인해 경제적인 장점도 있습니다. 다만 폼알데하이드의 유해성으로 인해 환경 및 보건 문제에 대한 관심이 높아지고 있어, 이를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
2. 페놀수지의 특성

페놀-폼알데하이드 수지는 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다. 첫째, 내열성이 우수하여 고온에서도 안정적인 성능을 발휘할 수 있습니다. 둘째, 내화학성이 뛰어나 산, 알칼리, 유기용매 등에 강한 내성을 보입니다. 셋째, 전기절연성이 우수하여 전기 및 전자 부품에 널리 사용됩니다. 넷째, 치수 안정성이 높아 정밀한 성형이 가능합니다. 다섯째, 경화 시 수축률이 낮아 치수 정밀도가 높습니다. 이러한 특성들로 인해 페놀수지는 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 다만 취성이 높고 내충격성이 낮은 단점이 있어, 이를 보완하기 위한 연구가 진행되고 있습니다.
3. 노볼락 수지와 레졸 수지의 합성 방법

노볼락 수지와 레졸 수지는 페놀-폼알데하이드 수지의 대표적인 두 가지 유형입니다. 노볼락 수지는 페놀과 폼알데하이드를 산 촉매 하에서 반응시켜 합성하며, 폼알데하이드의 몰비가 페놀보다 낮습니다. 이에 따라 선형 구조의 수지가 생성되며, 경화제가 필요합니다. 반면 레졸 수지는 알칼리 촉매 하에서 합성되며, 폼알데하이드의 몰비가 페놀보다 높습니다. 이로 인해 3차원 네트워크 구조의 수지가 생성되며, 경화제 없이도 자체 경화가 가능합니다. 이처럼 두 수지는 합성 방법과 구조적 특성이 다르며, 이에 따라 물성과 용도가 달라집니다. 따라서 용도에 맞는 수지를 선택하는 것이 중요합니다.
4. 페놀-폼알데하이드 수지의 경화

페놀-폼알데하이드 수지는 열에 의해 경화되는 열경화성 수지입니다. 경화 과정에서 수지 내부의 메틸올기와 메틸렌기가 반응하여 3차원 네트워크 구조를 형성합니다. 이 과정에서 물이 발생하며, 수축이 일어납니다. 경화 온도와 시간은 수지의 특성에 따라 다양하게 조절될 수 있습니다. 일반적으로 120-180°C의 온도 범위에서 30분-2시간 정도 경화가 진행됩니다. 경화가 완료되면 내열성, 내화학성, 치수 안정성 등이 크게 향상됩니다. 경화 과정에서 발생하는 수축과 휘어짐 현상은 성형 공정에서 주요 고려 사항이 됩니다. 따라서 이를 최소화하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다.