과학이야기 | 플라스틱의 역습 - 폴리에틸렌(Polyethylene)

 

 

 

벌거벗은 세계사 E170

 

 

폴리에틸렌(polyethylene)

에틸렌의 중합으로 생기는 사슬 모양의 고분자 화합물이다. 폴리에틸렌의 단위체(모노머)는 에틸렌구조를 가지고 있다. 에틸렌구조를 살펴보면 CH₂로만 이루어져있고 탄소와 탄소 사이가 이중결합으로 되어있다. 하지만 반응시에는 이중결합중 하나의 결합이 끊어지면서 단일결합으로 변하게 된다.

 

이러한 이유는 이중결합이 단일결합으로 변해야 모노머 양 말단에 전자를 하나씩 줄 수 있게 되고 이러한 상태에서 동일상태의 다른 모노머와 단일결합을 이루면서 폴리머가 되기 때문이다. 이렇게 다른 에틸렌과 결합하는 반응 과정을 반복하고, 긴 탄소사슬 형태를 거쳐 생성되는 것이 바로 폴리에틸렌이다. 여기서, n은 반복되는 유닛의 개수를 뜻하며 폴리에틸렌의 n은 1000에서 50000사이라고 한다.

 

 

폴리에틸렌의 분자구조를 단순히 2차원적으로 보면 위의 그림과 같지만 실제로 폴리에틸렌은 입체구조이다. 또한, 탄소원자의 배열에 의해 쇄식화합물을 뜻한다. 쇄식화합물이란 탄소원자가 한 줄로 나란히 결합하여 있는 노말사슬 모양의 구조를 가진 것을 말하며, 탄소원자의 사슬이 가지로 나뉘어 있는 구조를 가진 것도 있다.

728x90

 

 

폴리에틸렌의 역사

폴리에틸렌은 1930년대에 발명된 고분자로, 제2차 세계대전중 영국측이 독일전투기의 항로를 정확히 알고 그에 대응할 수 이었던 것은 막 개발된 레이더 때문이었다. 그런데 레이더 개발초기에는 알맞은 절연체를 찾지 못해 레이더이용이 힘들었다. 하지만 다행히 전쟁 발발직전 영국의 ICI사가 폴리에틸렌플라스틱을 생산하기 시작하였고 바로 이것이 우수한 절연체라는 사실을 알게 되어 훗날 연합군의 작전수행에서 매우 중요한 역할을 하게 된다.

 

벌거벗은 세계사 E170

 

1933년 ICI사 연구진은 고압장치를 사용해 에틸렌가스가 압력이 높은 상태에서 어떤 성질을 갖는지를 연구하고 있었다. 그런데 이상하게도 때때로 에틸렌 가스가 합쳐져 중합반응이 일어났고 폴리에틸렌이 형성되었다. 하지만 이 반응을 다시 시도해보면 뜻대로 잘 되지 않았고, 따라서 연구진은 원래의 연구목표에서 벗어나 왜 어떤 때는 폴리에틸렌이 생성되고 어떤 때는 생기지 않는지를 밝히기로 하였다.

 

많은 노력 끝에 고압용기에 아주 작은 깨진 틈이 있는 것을 발견하였고 이틈으로 산소가 알맞게 스며들었을 때 에틸렌가스가 중합된 사실을 알게 되었다. 얼마만큼이 적당한양인지를 알아보기 위해 많은 실험들을 하다 공장전체가 폭발하는 등 크고 작은 문제들이 있었지만 훗날 폴리에틸렌을 우리생활에서 꼭 필요한 존재가 되었다.

 

폴리에틸렌의 특성

폴리에틸렌은 실생활에서도 아주 널리 쓰이고 있다. 많은 특성들을 가지고 있는데 먼저, 폴리에틸렌은 가격이 다른 고분자보다 저렴한 편이다. 공학에서 제일 중요한 것은 가격효율성, 가격경쟁력이다. 저렴한 가격으로 많고 다양한 종류를 생산해 낼 수 있기 때문에 아주 각광받고 있다. 그리고 폴리에틸렌은 위에서 본 구조식처럼 CH₂로만 이루어져있고 생산과정에서 미량의 촉매 첨가제가 더해지지만, 사람의 몸에 거의 해가되지 않을 정도이기에 인체 무독성이 우수한 편이다.

 

또, 가볍고 유연하며 내수성이 양호하고 다양한 가공방법이 있다. 때문에 우리가 입고 있는 옷, 신고 있는 신발부터 시작해서 공장용, 농업용 필름과 파이프, 시트 등 아주 다양한 곳에 쓰이도록 만들 수 있다. 또한 내화학성이 뛰어나서 폴리에틸렌을 사용하여 다른 화학약품의 포장을 할 수도 있다. 그리고 전기 절연성이 우수하기 때문에 전선피복에도 많이 사용되고 있다. 이외에도 충격에 강하고, 내한성이 좋으며 열가소성물질이라 성형성 또한 좋다는 장점을 가지고 있다.

 

벌거벗은 세계사 E170

 

하지만, 위의 장점들뿐만 아니라 단점도 가지고 있다. 먼저, 폴리에틸렌은 무극성이라 도장이나 후가공이 힘들다. 그렇기 때문에 예를 들면, 프라이머를 사용하거나, 코로나를 사용하여 표면을 산화시켜서 사용하는 등 번거로움이 있다. 그리고 화학적으로 매우 안정하고 유기용매에 녹지 않는다.

 

사실 이것은 장점이면서, 단점이기도하다. 장점으로 말하자면, 화학적으로 안정되어 있기 때문에 식품 등을 보관하여도 사람의 몸에 안전하다. 단점으로 말하자면 폴리에틸렌들을 생산하는 공장들은 가격효율성을 제일 우선으로 한다. 때문에 사용되는 약품들이 대부분 유기용매인데 폴리에틸렌은 화학적으로 안정화되어 유기용매에 녹지 않기 때문에 공장의 생산자 입장에서는 여러 방법을 거쳐야하는 까다롭다면 까다로운 물질로도 볼 수 있다.

반응형

 

 

폴리에틸렌의 종류

폴리에틸렌은 그 종류가 매우 다양한데, 에틸렌을 어떤 방식으로 중합시키느냐에 따라서 성질이 조금씩 다른 여러 가지 폴리에틸렌들이 만들어진다. 수많은 폴리에틸렌중 대표적인 4가지만 정리를 해 보았다.

1. UHMWPE

UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene)는 초고분자량 폴리에틸렌이다. 이것은 선형 구조를 가지고 있고, 이름처럼 분자량이 HDPE(고밀도폴리에틸렌)분자량의 10배 정도로 매우 크다. 이것의 주요 특성은 높은 충격저항, 마모 및 마멸에 대한 높은 저항, 매우 우수한 화학적 저항, 우수한 전기절연성 등을 가지고있다는 점이다. 그러나 이것은 상대적으로 낮은 용융점(녹는점)을 가지고 있기 때문에, 온도가 증가함에 따라서 기계적 특성이 급격히 저하된다. 이러한 여러 특성들 때문에 방탄조끼, 군사용 복합 재료, 헬멧, 낚시 줄, 스키의 바닥 표면, 볼링장 바닥 등에 많이 사용되고 있다.

․ 1950 : 독일의 Ruhrchemie AG에 의해 개발 됨.

․ 1970 년대 말：네덜란드 화학 물질 회사 DSM에 의해 상용화됨. UHMWPE 섬유는, 탄 도 보호, 의료 기기 등 널리 사용된다.

․ 오늘날 Ticona, Braskem, 그리고 미쓰이에서 생산됨.

 

2. LLDPE

LLDPE(Linear low-density polyethylene)는 선형 저밀도 폴리에틸렌으로 선형구조를 가지고 있는데 단순한 선형구조가 아니라 선에 일정한 가지들이 덧붙여져있다. 이 가지들 때문에 밀도가 작아지고 강도는 좀 더 세게 만들어낼 수 있다. 이것의 특성은 독성이 없고 인장력이 우수하고 수증기 투과성이 낮고 다양한 색상첨가가 가능하다는 점으로 비닐봉지나 겉포장류에 많이 쓰인다.

․ 1950 : 저압공정으로 개발

․ 미국의 유니온카바이드․다우․듀퐁․엑슨 등 일본의 미쓰이․유니카, 영국의 BP사 등이 있다.

․  국내에서는 화학 석유화학이 1986년부터 UCC공법으로 생산시작.

3. HDPE

HDPE(High Density Polyethylene)는 고밀도폴리에틸렌으로 가지가 적은 선형에 가까운 구조를 띄고 있다. HDPE는 비교적 저압의 상태에서 특수 유기금속 촉매(치글러형 촉매)를 사용하여 만들어 지고 가지가 없어 긴 사슬 모양의 분자들이 서로 평행하게 규칙적으로 배열될 수 있다. 때문에 결정성이 높고 불투명하다. 그리고 비교적 단단하며, 강도가 크고 녹는점이 높다. 이러한 특성때문에 장난감, 병뚜겅, 우유통, 세제통이나 샴푸통 같은 각종 용기 등에 사용된다.

․ 1957 : 미국 필립스사에서 스탠다드법을 개발하여 생산시작.

․ 유니온카바이드에서는 저압법이면서도 중앙법에 사용되는 촉매를 사용하여 생산.

․  미국의 UCC․다우․퀀텀, 독일의 훽스트, 일본의 미쓰이 등에서 생산됨.

 

4. LDPE

LDPE(Low Density Polyethylene)는 저밀도폴리에틸렌이다. 1970년대가 되어 HDPE의 물성과 가공특성의 편차를 개선하기 위해서 개발되기 시작한 것이 LDPE이다. LDPE는 비교적 고압의 상태에서 에틸렌에 극히 소량의 산소를 촉매로 에틸렌분자가 사슬이 이어지면서 만들어진다. 저밀도 폴리에틸렌은 이렇게 가지가 있기 때문에 밀도가 작은 상태로 존재한다. 때문에 결정성은 조금 떨어지고 그로인해 유연하며 투명성이 높다. 비교적 낮은 녹는점을 가지고 있고 인장력이 우수하여 1회용 봉투나 비닐장갑, 랩 등에 많이 쓰고 있다.

․ 1933 : 영국의 ICI에서 우연히 발견

․ 1939 : 레이다용 전선피복에 사용

․ 1942 : 미국 듀퐁사에서 생산 시작

․ 1958 : 스미또모화학에서 생산시작

․ 1973 : 국내에서는 한화석유화학 울산에 공장설립

 

 

폴리에틸렌의 활용

폴리에틸렌은 우리 일상생활에서 거의 쓰이지 않는 곳이 없을 정도로 매우 다양한 곳에 많이 쓰이고 있다. 공업용, 농업용 필름에도 이용되며 각종 포장용 완충재, 보온재 그리고 건축용과 산업용 스폰지에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 또한, 앞에서 말했듯이 전기절연성이 우수하여서 전력케이블과 통신케이블의 절연 및 피복 재료로 각광받고 있고 각종 용기의 재료로도 쓰이고 있다. 그리고 투명성과 무독성 그리고 인장력 또한 좋아서 우리가 많이 사용하는 투명한 위생용 랩이나 일회용 장갑, 위생백에도 쓰인다.

 

벌거벗은 세계사 E170

 

 

과학이야기 | 플라스틱의 역습 - 최초의 플라스틱 합성 섬유 나일론(nylon)의 탄생

 

 

과학이야기 | 플라스틱의 역습 - PET(Polyethylene Terephthalate)