폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 탁월한 화학적 안정성, 고온/저온 저항성, 낮은 마찰 계수로 "플라스틱의 왕"이라는 별명을 얻으며 화학, 기계, 전자 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 순수 PTFE는 낮은 기계적 강도, 냉간 유동 변형에 대한 취약성, 낮은 열전도율과 같은 고유한 단점을 가지고 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 유리 섬유 강화 PTFE 복합재가 개발되었습니다. 이 소재는 유리 섬유의 강화 효과 덕분에 PTFE의 우수한 특성을 유지하면서 여러 성능 지표를 크게 향상시킵니다.
1. 기계적 특성의 현저한 향상
고도로 대칭적인 분자 사슬 구조와 높은 결정성으로 인해 순수 PTFE는 분자간 힘이 약하여 기계적 강도와 경도가 낮습니다. 이로 인해 상당한 외부 힘에 의해 변형되기 쉬워 고강도가 요구되는 분야에서의 적용이 제한적입니다. 유리 섬유를 첨가하면 PTFE의 기계적 특성이 크게 향상됩니다. 유리 섬유는 높은 강도와 탄성률을 특징으로 하며, PTFE 매트릭스 내에 균일하게 분산되면 외부 하중을 효과적으로 지지하여 복합재료의 전반적인 기계적 성능을 향상시킵니다. 연구에 따르면 적절한 양의 유리 섬유를 첨가하면 PTFE의 인장 강도는 1~2배, 굽힘 강도는 2~3배까지 현저하게 향상될 수 있습니다. 경도 또한 크게 증가합니다. 따라서 유리 섬유 강화 PTFE는 기계 제조 및 항공 우주 분야의 기계식 씰 및 베어링 부품과 같은 더욱 복잡한 작업 환경에서 안정적으로 작동할 수 있으며, 재료 강도 부족으로 인한 고장을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
2. 최적화된 열 성능
순수 PTFE는 고온 및 저온 저항성이 우수하여 -196°C에서 260°C 사이의 온도 범위에서 장기간 사용 가능하지만, 고온에서는 열 변형이 발생하기 쉬워 치수 안정성이 떨어집니다. 유리 섬유를 첨가하면 재료의 열 변형 온도(HDT)와 치수 안정성이 향상되어 이러한 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 유리 섬유 자체는 높은 내열성과 강성을 가지고 있습니다. 고온 환경에서 유리 섬유는 PTFE 분자 사슬의 움직임을 제한하여 열팽창과 변형을 억제합니다. 최적의 유리 섬유 함량을 사용하면 유리 섬유 강화 PTFE의 열 변형 온도를 50°C 이상 높일 수 있습니다. 따라서 고온 작동 조건에서도 안정적인 형상과 치수 정확도를 유지할 수 있어 고온 파이프라인 및 고온 밀봉 가스켓과 같이 높은 열 안정성이 요구되는 용도에 적합합니다.
3. 냉기 흐름 경향 감소
순수 PTFE는 냉간 유동(또는 크리프)이라는 주목할 만한 문제를 가지고 있습니다. 이는 비교적 낮은 온도에서도 일정한 하중 하에서 시간이 지남에 따라 발생하는 느린 소성 변형을 의미합니다. 이러한 특성으로 인해 순수 PTFE는 장기간의 형상 및 치수 안정성이 요구되는 응용 분야에서 사용이 제한됩니다. 유리 섬유를 첨가하면 PTFE의 냉간 유동 현상을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 섬유는 PTFE 매트릭스 내에서 지지 골격 역할을 하여 PTFE 분자 사슬의 미끄러짐과 재배열을 방해합니다. 실험 데이터에 따르면 유리 섬유 강화 PTFE의 냉간 유동률은 순수 PTFE에 비해 70~80% 감소하여 장기간 하중 하에서 재료의 치수 안정성이 크게 향상됩니다. 따라서 고정밀 기계 부품 및 구조 부품 제조에 적합합니다.
4. 향상된 내마모성
순수 PTFE의 낮은 마찰 계수는 장점 중 하나이지만, 동시에 내마모성이 떨어져 마찰 과정에서 마모 및 전이 현상이 발생하기 쉽다는 단점도 있습니다. 유리 섬유 강화 PTFE는 섬유의 보강 효과를 통해 표면 경도와 내마모성을 향상시킵니다. 유리 섬유의 경도는 PTFE보다 훨씬 높기 때문에 마찰 시 마모에 효과적으로 저항할 수 있습니다. 또한, 소재의 마찰 및 마모 메커니즘을 변화시켜 PTFE의 접착 마모와 연삭 마모를 감소시킵니다. 나아가, 유리 섬유는 마찰면에 미세한 돌기를 형성하여 마찰 방지 효과를 제공하고 마찰 계수의 변동을 줄여줍니다. 슬라이딩 베어링이나 피스톤 링과 같은 마찰 부품에 유리 섬유 강화 PTFE를 사용하면 순수 PTFE에 비해 수 배, 심지어 수십 배까지 수명이 크게 연장될 수 있습니다. 연구에 따르면 유리 섬유가 첨가된 PTFE 복합재의 내마모성은 유리 섬유가 첨가되지 않은 PTFE 소재에 비해 거의 500배 향상될 수 있으며, 한계 PV 값은 약 10배 증가하는 것으로 나타났습니다.
5. 향상된 열전도율
순수 PTFE는 열전도율이 낮아 열 전달에 적합하지 않으며, 높은 열 방출이 요구되는 응용 분야에서 한계가 있습니다. 유리 섬유는 상대적으로 열전도율이 높기 때문에 PTFE에 유리 섬유를 첨가하면 재료의 열전도율을 어느 정도 향상시킬 수 있습니다. 유리 섬유를 첨가한다고 해서 PTFE의 열전도율이 획기적으로 증가하는 것은 아니지만, 재료 내부에 열 전도 경로를 형성하여 열 전달 속도를 가속화할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 유리 섬유 강화 PTFE는 열 패드 및 회로 기판 기판과 같은 전자 및 전기 분야에서 순수 PTFE의 낮은 열전도율로 인한 열 축적 문제를 해결하는 데 더 나은 응용 가능성을 제공합니다. 또한 향상된 열전도율은 베어링과 같은 응용 분야에서 마찰열 방출을 촉진하여 성능 향상에 기여합니다.
적용 범위: 이 복합 소재는 산업용 밀봉재, 고하중 베어링/부싱, 반도체 장비, 화학 산업의 다양한 내마모성 구조 부품에 널리 사용됩니다. 전자 분야에서는 전자 부품용 절연 가스켓, 회로 기판 절연재, 다양한 보호 밀봉재 제조에 사용됩니다. 또한, 항공우주 분야에서는 유연한 열 절연층에도 활용됩니다.
제한 사항에 대한 참고 사항: 유리 섬유는 여러 특성을 크게 향상시키지만, 유리 섬유 함량이 증가함에 따라 복합재의 인장 강도, 신장률 및 인성이 감소하고 마찰 계수가 점차 증가할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 또한, 유리 섬유 및 PTFE 복합재는 알칼리성 환경에서 사용하기에 적합하지 않습니다. 따라서 유리 섬유 함량(일반적으로 15~25%) 및 흑연이나 MoS2와 같은 다른 충전재와의 조합을 포함한 배합은 특정 적용 분야의 요구 사항을 충족하도록 조정해야 합니다.
게시 시간: 2025년 12월 5일