ABS는 가전제품, 생활용품, 자동차 부품, 전자제품 케이스 등 다양한 엔지니어링 분야와 소비재에 널리 사용됩니다. 산업 제조와 일상생활 모두에서 없어서는 안 될 필수 소재 중 하나가 되었습니다. 이 글에서는 ABS 플라스틱이란 무엇인지, 어떻게 제조하는지, 그리고 어떤 분야에 적용되는지 살펴보겠습니다.
ABS 플라스틱 개요
ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌)는 고성능 열가소성 엔지니어링 플라스틱으로, 일반적으로 ABS 수지라고 불립니다. 뛰어난 강도, 탁월한 인성, 그리고 용이한 가공성을 겸비하여 오늘날 가장 널리 생산되고 사용되는 고분자 중 하나입니다.
ABS는 폴리스티렌(PS), 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체(SAN), 부타디엔 고무(BS)의 장점을 효과적으로 결합하여 인성, 강성, 경도가 균형 있게 조화된 뛰어난 기계적 성능을 제공합니다. 화학적으로는 아크릴로니트릴(A), 부타디엔(B), 스티렌(S)의 세 가지 단량체로 이루어진 삼원 공중합체입니다.
ABS는 다재다능하고 균형 잡힌 특성 덕분에 사출 성형, 압출 성형, 블로우 성형, 캘린더링과 같은 다양한 일반적인 가공 방법을 사용하여 성형할 수 있습니다. 또한 다음과 같은 2차 가공에도 적합합니다. CNC 가공접착, 도장, 진공 금속화 등 다양한 공정을 포함합니다.
ABS 소재의 특성
ABS는 옅은 노란색의 과립형 또는 분말형 불투명 수지입니다. 무독성, 무취이며 가볍고 상대 밀도는 1.04~1.07입니다. 뛰어난 내충격성, 우수한 저온 성능 및 내화학성, 탁월한 치수 안정성, 높은 표면 광택, 그리고 도색 및 착색 용이성을 나타냅니다. 단점으로는 가연성, 낮은 열변형 온도, 그리고 열악한 내후성이 있습니다. 아래 표는 다양한 등급의 ABS 수지의 대표적인 특성을 보여줍니다.
| 항목 | 범용 | 중간 영향 | 큰 영향 | 내열 | 전기 도금 등급 |
| 밀도 | 1.02 ~ 1.06 | 1.04 ~ 1.05 | 1.02 ~ 1.04 | 1.04 ~ 1.06 | 1.04 ~ 1.06 |
| 인장 강도, MPa | 33 ~ 52 | 41 ~ 47 | 33 ~ 44 | 41 ~ 52 | 38 ~ 44 |
| 신장율, % | 10-20 | 15-50 | 15-70 | 5-20 | 10-30 |
| 굽힘 강도, MPa | 68-87 | 68-80 | 55-68 | 68-90 | 69-80 |
| 굽힘 탄성 계수, GPa | 2.0-2.6 | 2.2-2.5 | 1.8-2.2 | 2.1-2.8 | 2.3-2.7 |
| 아이조드 충격 강도(23℃), (J/m) | 105-215 | 215-375 | 375-440 | 120-320 | 265-375 |
| 로크웰 경도(R) | 100-110 | 95-105 | 88-100 | 100-112 | 103-110 |
| 열 변형 온도(4.82MPa)/℃ | 87-96 | 89-96 | 91-100 | 105-121 | 95-100 |
| 선팽창 계수, 10⁻⁵/℃ | 7.0-8.8 | 7.8-8.8 | 9.5-11.0 | 6.4-9.3 | 6.5-7.0 |
기계적 성질
ABS 수지는 뛰어난 충격 강도를 지니고 있습니다. 고충격 등급의 경우 상온에서 최대 400J/m에 달하며, -40℃에서도 120J/m 이상을 유지합니다. ABS 수지는 연속상인 수지와 분산상인 고무(수지 매트릭스에 분산된 고무 입자)로 이루어진 불균일 2상 시스템입니다. 우수한 충격 저항성은 고무 입자가 외부 충격 에너지를 흡수하고 균열 전파를 억제하는 데 기인합니다. 충격 성능은 고무 함량, 접합 비율 및 입자 크기와 밀접한 관련이 있습니다.
ABS 수지는 내마모성이 우수합니다. 자가 윤활 재료로는 적합하지 않지만, 뛰어난 치수 안정성 덕분에 중하중 베어링에 적용할 수 있습니다.
열적 특성
ABS 수지의 열변형 온도는 1.82MPa 하중에서 약 93℃이며, 어닐링 후 6~10℃ 정도 상승합니다. 비정질 구조로 인해 응력-온도 관계가 안정적이며, 하중을 1.82MPa에서 0.45MPa로 줄여도 열변형 온도는 4~8℃ 정도만 상승합니다. 내열 등급은 최대 115℃까지 견딜 수 있습니다. 취성 온도는 -7℃이며, -40℃에서도 상당한 강도를 유지합니다. 사용 온도 범위는 -40℃~100℃입니다. 선팽창 계수는 6.4×10⁻⁵℃~11.0×10⁻⁵℃ 범위로 열가소성 수지 중 가장 낮은 수준입니다. 열 안정성은 엔지니어링 플라스틱 중 비교적 낮은 편이며, 260℃에서 분해되어 유독성 휘발성 물질을 방출합니다. ABS는 가연성이며 자연 소화성이 없습니다.
전기적 특성
ABS 수지는 넓은 주파수 범위에서 우수한 전기 절연성을 가지며, 온도나 습도의 영향을 거의 받지 않습니다. 전기적 성능 데이터는 아래 표에 나와 있습니다.
| 항목 | 60Hz | 10³Hz | 10⁶Hz |
| 유전 상수(23℃) | 3.73-4.01 | 2.75-2.96 | 2.44-2.85 |
| 유전 손실 탄젠트(23℃) | 0.004-0.007 | 0.006-0.008 | 0.008-0.010 |
| 체적 저항률, Ω·cm | (1.05~3.60)×1016 | (1.05~3.60)×1016 | (1.05~3.60)×1016 |
| 아크 저항, S | 66-82 | 66-82 | 66-82 |
| 절연 강도, (kV/mm) | 14-15 | 14-15 | 14-15 |
내 화학성
ABS 수지는 내화학성이 우수합니다. 분자 구조에 있는 니트릴기 때문에 묽은 산, 묽은 염기 및 염에 거의 반응하지 않습니다. 케톤, 알데히드, 에스테르 및 염소화 탄화수소에는 용해되지만 대부분의 알코올에는 용해되지 않습니다(메탄올에는 몇 시간 후 연화됨). 탄화수소 용매와 장시간 접촉하면 팽창합니다. 대부분의 플라스틱과 마찬가지로 ABS는 응력을 받는 상태에서 화학 시약(예: 아세트산, 식물성 기름)에 노출되면 응력 균열이 발생합니다. 아래 표는 특정 화학 물질에 장기간 침지했을 때의 질량 변화 및 외관 변화를 보여줍니다.
| 화학 이름 | 질량 변화율(%) | 질량 변화율(%) | 외관 변화 |
| 30d | 365d | ||
| 시클로 헥산 | +0.03 | +0.51 | 약간의 붓기 |
| 정제 테레빈유 | +0.19 | +0.31 | - |
| 10% 구연산 | +0.62 | +0.74 | 갈색 |
| 6% 크롬산 | +0.58 | +0.71 | 갈색 |
| 2.5% 염화칼슘 | +0.61 | +0.77 | - |
| 2.5% 질산은 | +0.67 | +0.84 | - |
| 4% 불화나트륨 | +0.53 | +0.59 | - |
| 10% 질산암모늄 | +0.50 | +0.57 | - |
| 10% 탄산나트륨 | +0.56 | +0.65 | - |
| 3% 염화칼륨 | +0.64 | +0.78 | - |
| 포화 염화암모늄 | +0.35 | +0.39 | - |
| 10% 질산구리 | +0.64 | +0.76 | - |
| 에틸렌 글리콜 | +0.63 | +0.15 | - |
| 3% 과산화수소 용액 | +0.69 | +1.03 | 황변 |
| 포화 아황산수소나트륨 용액 | +10.95 | +6.70 | 호박색 |
| 메타놀 | +4.50 (2d) | + 26 ~ + 28 | 붓기, 하얗게 변함 |
| 12% 아세트산 | +0.69 | +0.75 | 붓기, 하얗게 변함 |
ABS 플라스틱 가공
ABS는 뚜렷한 녹는점이 없는 비정질 고분자입니다. 260℃ 이상에서 분해가 시작되므로 성형 온도는 일반적으로 250℃ 이하로 제어됩니다. ABS 용융물은 중간 정도의 점도를 가지며, 폴리아미드보다 유동성이 낮지만 폴리카보네이트보다는 높습니다. 또한 냉각 및 응고 속도가 빠릅니다.
사전 건조
ABS는 극성 니트릴기 때문에 수분 흡수율이 높습니다. 따라서 가공 전에 수분 함량을 0.1% 미만으로 낮추기 위해 예비 건조를 해야 합니다. 일반적인 방법으로는 순환 공기 건조(70~80℃, 4시간 이상) 또는 오븐 건조(80~100℃, 2시간, 재료 두께 50mm 미만)가 있습니다.
사출 성형
ABS 사출 성형에는 일반적으로 스크류형 사출기가 사용됩니다. 스크류는 단일 날개형, 등간격, 테이퍼형, 완전 나사산형, 역류 방지 밸브가 있어야 하며, L/D 비율은 20, 압축비는 2.0~2.5입니다. 노즐 유형은 개방형 또는 확장형이 있으며, 유량 감소 또는 변색을 방지하기 위해 자체 잠금식 노즐은 사용하지 않아야 합니다.
내열성 및 전기 도금 등급의 경우 용융 흐름 또는 도금 성능 향상을 위해 사출 온도가 높고, 일반 용도 및 고충격 등급의 경우 분해 또는 기계적 특성 저하 방지를 위해 사출 온도가 낮습니다.
얇은 벽, 긴 유동 길이, 작은 게이트 부품 또는 내열성/난연성 재질의 경우 사출 압력이 높고, 두꺼운 벽, 큰 게이트 부품의 경우 사출 압력이 낮습니다. 잔류 응력을 최소화하기 위해 유지 압력은 적절해야 합니다.
| 항목 | 일반형 ABS | 충격 방지 ABS | 내열 ABS | 전기 도금 ABS |
| 스크류 회전 속도, r/min | 30-60 | 30-60 | 30-60 | 20-60 |
| 노즐 온도, ℃ | 180-190 | 190-200 | 190-200 | 190-210 |
| 배럴 온도, 후방 구역, ℃ | 180-200 | 180-200 | 190-200 | 200-210 |
| 배럴 온도, 중간 영역, ℃ | 210-230 | 210-230 | 220-240 | 230-250 |
| 배럴 온도, 전면부, ℃ | 200-210 | 200-210 | 200-220 | 210-230 |
| 금형 온도, ℃ | 50-70 | 50-80 | 60-85 | 40-80 |
| 주입 압력 /MPa | 70-90 | 70-120 | 85-120 | 70-120 |
| 유지 압력 /MPa | 50-70 | 50-70 | 50-80 | 50-70 |
| 주입 시간(초) | 3-5 | 3-5 | 3-5 | 1-4 |
| 보유 시간, s | 15-30 | 15-30 | 15-30 | 20-50 |
| 냉각 시간, 초 | 15-30 | 15-30 | 15-30 | 15-30 |
| 총 주기, s | 40-70 | 40-70 | 40-70 | 40-90 |
압출 성형
ABS 압출 성형에는 L/D 비율이 18~20이고 압축비가 2.5~3.0인 범용 단일 스크류 압출기가 사용됩니다. 점진적 압축 스크류와 급격한 압축 스크류 모두 적합합니다. ABS 용융물은 유동성이 적당하므로 스크류 냉각이 필요하지 않습니다. 압출 성형을 통해 파이프, 봉, 판재 등의 형상을 생산할 수 있습니다.
| 파이프 외경/mm | 32.5 | 스크류 회전 속도, r/min | 10.5 |
| 파이프 내경/mm | 25.5 | 다이의 내경(mm) | 33 |
| 배럴 온도, 공급 영역 /℃ | 160-165 | 직선 구간 길이, 미터 | 50 |
| 배럴 온도, 압축 영역 /℃ | 170-175 | 무승부 비율 | 1.02 |
| 계량 구역 | 175-180 | 사이즈 슬리브 내경(mm) | 33 |
| 다이 온도/℃ | 175-180 | 냉각 슬리브 길이(mm) | 250 |
| 다이 랜드 온도/℃ | 190-195 | 진공 사이징 슬리브에서 다이엠까지의 거리(m) | 25 |
| 맨드릴 외경/mm | 26 |
ABS 봉의 압출 조건
| 막대 직경(mm) | 90 | 금형 온도, ℃ | 150-160 |
| 배럴 온도, 공급 영역, ℃ | 160-170 | 측정 온도, ℃ | 55-60 |
| 배럴 온도, 압축 영역, ℃ | 170-175 | 스크류 회전 속도, r/min | 11-14 |
| 배럴 온도, 계량 구역, ℃ | 175-180 | 압출 속도, m/min | 22-25 |
| 다이 랜드 온도, ℃ | 170-180 |
폼 몰딩
ABS 폼은 주로 발포제(예: 아조디카르보나미드)를 수지에 혼합하여 화학적으로 발포시키는 방식으로 생산됩니다. 두 가지 성형 방법이 사용됩니다.
사출 성형: 발포 ABS는 스크류형 사출 성형기(균일한 밀도/성능 면에서 플런저형보다 우수함)를 사용하여 성형합니다. 노즐에는 가스를 함유한 용융액의 누출을 방지하기 위한 밸브가 설치되어 있습니다. 기존 사출 성형 방식과 달리, 발포 용융액은 냉각 전에 금형 내에서 팽창하여 캐비티를 채우므로 높은 사출 압력이 필요하지 않습니다. 배럴 온도는 공급 영역에서 낮고 노즐 근처에서 높습니다. 배럴 후방은 145~160℃, 중간은 170~185℃, 전방은 190~200℃입니다.
압출 성형: 발포 ABS는 시트, 봉, 파이프 형태로 압출됩니다. 기존 압출 방식과 달리, 가스-용융 혼합물이 배럴을 통과하면서 수지 용융과 발포제 분해의 균형을 맞추기 위해 정밀한 온도 제어가 필요합니다. 배럴 온도와 압출 속도는 외관과 밀도에 영향을 미칩니다.
| 압출기 L/D | 22 | 4구역 온도/℃ | 170 |
| 구역 1, 배럴 온도(호퍼 측)/℃ | 133 | 5구역 온도/℃ | 180 |
| 구역 2, 배럴 온도(호퍼 측)/℃ | 160 | 6구역 온도/℃ | 157 |
| 구역 3, 배럴 온도(호퍼 측)/℃ | 164 | 스크류 속도/(r·min⁻¹) | 25 |
발포 ABS 제품의 주요 특성은 다음과 같습니다.
- 고밀도 구조 부품 또는 저밀도 경량 부품으로 생산될 수 있습니다.
- 경량성과 강성을 결합하면서도 기계적 강도를 유지합니다.
- 샌드위치 구조(발포 코어 + 얇은 ABS 외피)는 더 가벼운 무게로 단단한 ABS와 동등한 강성을 제공합니다.
- 뛰어난 단열 및 방음 성능;
- 독특한 나뭇결 무늬 표면;
- 목재보다 수분 흡수율이 낮습니다.
- 판재, 파이프, 봉 형태로 쉽게 가공 가능;
- 두꺼운 벽 부품의 경우 솔리드 ABS에 비해 생산 주기가 더 짧습니다.
- 칠하고 색칠할 수 있습니다.
- 목재처럼 기계 가공(절단, 드릴링, 접착)이 가능합니다.
| 밀도 /(g/cm³) | 0.69 | 압축 탄성 계수 /MPa | 353 |
| 인장강도 /MPa | 14.0 | 아이조드 충격 강도 /(kJ/m²) | |
| 신장률 /% | 24.6 | 노치 | 5.5 |
| 인장 탄성 계수 /MPa | 300 | 노치 없음 | 13.6 |
| 굽힘 강도 /MPa | 20.0 | 수분 흡수율 /% | 0.35 |
| 굽힘 탄성 계수 /MPa | 723 | 열전도율/[W/(m·℃)] | 0.01 |
| 압축 강도 /MPa | 12.6 | - | - |
발포 ABS 플라스틱의 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 경량 구조 재료: 차량 제어판, 엔진 덮개, 선박 문, 컨테이너 등;
- 건축 자재: 벽 패널, 천장 타일, 배수관, 단열 파이프;
- 목재 대체재: 가구, 피아노 부품, 손잡이 및 표지판(목재와 외관/밀도가 유사하지만 방수/내식성이 뛰어나고 표면 패턴, 색상 및 몰딩을 맞춤 제작할 수 있음).
전기 도금
전기 도금 본 공정은 전기 도금 등급의 ABS 수지를 사용합니다. 주요 공정은 표면 거칠기 처리, 감광 처리, 활성화, 환원/탈겔화, 무전해 도금 및 전기 도금입니다.
표면 거칠기 처리: 표면의 친수성과 거칠기를 개선하여 코팅 접착력을 높입니다. 화학적 에칭이 주요 방법이며, 고크롬산염 제형이 최상의 접착력을 제공합니다.
감광 처리: 활성화 과정에서 Ag⁺/Pd²⁺를 촉매 Ag/Pd로 환원시키기 위해 거칠어진 표면에 Sn²⁺(환원제)를 흡착시킵니다. 아래 표는 감광 처리 용액 및 조건을 나타냅니다.
| 염화주석 | 10-30 | 2-5 |
| 염산 | 40-50 | 2-5 |
| 감작 온도/℃ | 20-25 | 20-25 |
| 감작 시간/분 | 3-5 | 3-10 |
활성화: 촉매 역할을 하는 귀금속 핵을 형성하여 무전해 도금을 개시합니다. 이온 활성화와 콜로이드 활성화(감광 및 활성화의 결합)로 나뉩니다. 아래 표는 콜로이드 팔라듐 활성화 조성물 및 조건을 보여줍니다.
환원: 이온 활성화 후, 환원 과정을 통해 촉매 활성이 향상되고 무전해 도금 속도가 빨라지며 잔류 활성제가 제거되어 도금액 분해를 방지합니다. 콜로이드 팔라듐 활성화 후, 탈겔화 과정을 통해 Sn²⁺ 가수분해물 층이 제거되어 Pd 핵이 노출됩니다(35~45℃에서 1~3분간 36% HCl 용액에 침지).
무전 해 도금 및 전기 도금: 환원/탈겔화 후, ABS는 무전해 도금 및 전기 도금을 거칩니다.
무전해 니켈/구리 코팅은 직접 전기 도금이 가능합니다. 열충격 저항성을 높이려면 구리 도금이 선호됩니다(선팽창 계수가 ABS와 유사하여 옥외 사용 수명이 연장됨). 구리 코팅은 착색하거나 다른 금속, 가장 일반적으로 니켈/크롬(Ni/Cr)으로 도금할 수 있습니다.
ABS 수지의 응용 분야
가전제품 및 전자 부품
가전제품: ABS의 가장 크고 유망한 응용 분야는 TV, 테이프 레코더, 세탁기, 냉장고, 턴테이블, 전화기, 진공청소기, 에어컨, 램프, 선풍기 등의 케이스 및 내부 부품을 포함합니다.
전자 부품: 안테나 소켓, 코일 보빈, 터미널 블록, 변환기, 스피커, 커넥터 등에 사용됩니다.
자동차
내부 구성 요소: 계기판, 계기 클러스터 하우징, A필러, 통풍구, 제어 박스, 도어 라이너, 공구함, 조절기 손잡이, 스위치, 노브, 스티어링 칼럼 커버, 스티어링 휠, 경적 커버, 전선관 등
외부 구성 요소: 흙받이, 팔걸이, 그릴, 램프 덮개, 통풍구 덮개, 휠 커버, 브래킷, 루버, 명판, 후면 스포일러, 범퍼 가드, 미러 프레임 등
기계
기계 케이스 및 일반 부품에 사용됨: 모터 하우징, 계기 상자, 물탱크 외피, 배터리 탱크, 기어, 베어링, 펌프 임펠러, 손잡이, 볼트, 덮개, 부싱, 패스너 등.
사무 기기
ABS는 뛰어난 내충격성, 강성, 치수 안정성 및 성형성을 갖추고 있어 팩스, 복사기, 타자기, 컴퓨터, 모니터 등 사무기기 케이스에 이상적인 소재입니다. 화재 안전 요건으로 인해 난연성 등급이 일반적으로 사용됩니다.
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