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폴리올레핀
폴리올레핀(聚烯烴, polyolefine)은 모노머로서 간단한 올레핀(일반식 CₙH₂ₙ을 갖는 알켄으로도 불림)으로부터 중합되어 제조된 폴리머의 한 유형을 의미한다. 다시 말하면 이중결합을 1개 이상 가지고 있는 사슬 또는 고리형 불포화 탄화수소의 종합체를 뜻하는 말이다. 예를 들어 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)은 에틸렌 모노머를 중합시켜 만든 폴리올레핀(Polyolefin)이다. PP라고 불리는 폴리프로필렌(Polypropylene은 프로필렌(Propylene) 모노머로부터 중합된 폴리올레핀이다.
폴리올레핀은 다른 소재 대비 저렴하면서도 뛰어난 물성을 가지고 있기 때문에 폴리올레핀의 수요는 지속적으로 증가하고 있으며 이로 인해 여러 화학 기업들간의 경쟁이 치열해지고 있는 상황이다. 석유화학 또는 화학기반의 기업에서 대량 생산된 대부분의 폴리올레핀은 촉매를 사용한 중합공정을 통해 제조된다. 이러한 폴리올레핀의 중합에 사용되는 촉매로는 라디칼 촉매, 지글러-나타(Ziegler-Natta)촉매, 크로뮴 촉매(Chrom ium), 메탈로센 촉매(Metallocene) 등이 있다.
폴리올레핀은 밀도에 따라 다른 특성을 보이기 때문에 밀도를 기준으로 제품을 구분한다. 대체로 밀도가 낮으면 액체나 고무와 같은 탄성(Elasticity)을 가지며 밀도가 높은 경우 가소성(Plasticity)을 가진다. 밀도가 0.885 gcm³ 이하의 초저밀도 폴리올레핀은 폴리올레핀 엘라스토머(POE)라 부르고 밀도가 0.885 ~ 0.915 gcm³ 사이의 폴리올레핀은 폴리올레핀 플라스토머(POP)라고 부른다. POE 또는 POP 모두 중합 공정의 조절을 통해 다양한 물리적 특성을 가지는 고부가가치 제품을 만들 수 있기 때문에 차량의 내외장제 전선용 소재 차음용 소재에서 식품 포장용 필름까지 다양한 용도로 사용이 가능하다. 상업화된 폴리올레핀의 종류로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리 메틸펜텐(PMP), 폴리 부텐-1(PB1), 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 폴리이소부틸렌(PIB), 에틸렌프로필렌 고무(EPR) 등이 있다. 있습니다
개요
폴리올레핀은 Poly + Olefin이 합쳐진 단어이다. 여기서 'Poly-'라는 접미사는 다중의 즉, 여러 개로 결합되는 것을 의미한다. Olefin은 이중결합을 1개 가진 사슬 모양 탄화수소 화합물을 뜻한다. 따라서 폴리올레핀이 된다면, 이중결합의 Olefin이 단일결합이 되면서 여러 개로 결합되는 것을 나타낸다.
폴리올레핀은 합성수지의 종류로써, 에틸렌과 프로필렌 같은 올레핀(분자 1개당 1개의 이중결합을 포함하고 있는 탄화 수소)을 첨가중합반응시켜 만드는 유기물질이다. 제조 방법에 따라 저압, 중압, 고압으로 나뉘는 폴리에틸렌과 EVA, 그리고 전선 수지를 포함하고 있다. 폴리올레핀의 장점은 기존의 플라스틱 물질보다 가벼울 뿐만 아니라 투명도도 높고, 수분도 거의 흡수하지 않아 방수가 된다는 장점이 있다.
폴리올레핀은 배터리의 안전성 강화 분리막(SRS)의 소재로 쓰이고 있다.
특성
폴리올레핀의 물리적 특성은 주로 중합체의 분자량이나 결정화도(Crystallinity)에 의해 결정되는데 결정화도가 0%에 가까우면 액체에 가깝고 결정화도가 60% 이상으로 높으면 딱딱한 경질 플라스틱과 같은 특성을 보인다. 결정화도는 주로 중합공정 동안 결정화가 가능한 중합체의 길이에 의해 좌우된다. 예를 들어 에틸렌의 중합 동안 1- 헥센 또는 1- 옥텐과 같은 소량의 공단량체(Comonomer)를 첨가하거나 또는 이소택틱(isotactic) 프로필렌의 중합공정 중 stereo/regio 결함을 일으킬 수 있는 불규칙적인 단량체의 삽입 등을 통해 결정화도를 변화시킬 수 있다. 대체로 이러한 결함이 증가함에 따라 중합체의 결정화도는 감소하는 경향이 있다.
낮은 결정화도(0~20%)의 폴리올레핀 중합체는 액체와 유사한 탄성체의 특성을 보여준다. 중간 정도의 결정화도(20~50%)를 가지는 폴리올레핀 중합체는 연성의 열가소성 특성을 보여주며 50% 이상의 높은 결정화도를 가지는 폴리올레핀 중합체는 단단하지만 부서지기 쉬운 물리적 특성을 보여준다. 폴리올레핀은 우수한 내 화학성을 가지며 여러 유기용매와 반응을 하지 않으며 표면 에너지가 매우 낮고 젖음성이 낮은 특성을 가지기 때문에 용매를 이용한 용접방식으로 가공을 하기 어렵다는 특성도 있다.
폴리올레핀의 화학구조에 따라 여러 분류의 중합체로 구분할 수 있지만 상업적으로 가장 중요한 폴리올레핀은 '이중결합을 1번 탄소에 1개만 가지고 있는 사슬형 불포화 탄화수소의 중합체'인 폴리 알파-올레핀(Poly α-olefin, PAO)을 들 수 있다. 알파-올레핀(또는 α-올레핀)은 탄소-탄소의 이중 결합이 α-탄소 원자에서 시작하는 알켄(alkene)이기 때문에 분자 내 1번과 2번 탄소 사이에 이중결합이 존재한다. 1-헥센(1-Hexene)과 같은 알파-올레핀은 공단량체(co-monomer)로 사용되어 알킬 분지형 폴리머를 얻을 수 있다.
많은 폴리 알파-올레핀은 중합체의 골격을 이루는 메인 사슬(주사슬)의 다른 모든 탄소에 유연한 알킬 분지기(branching group)를 가진다. 이러한 알킬 분지기를 가지는 경우 알킬 분지기를 기점으로 수많은 형태의 중합체가 만들어질 수 있기 때문에 중합체 분자가 순서대로 나란히 정렬되는 것은 거의 불가능에 가깝다. 이러한 형태의 중합체는 분자들 사이의 접촉 가능한 표면적과 분자간 상호작용이 크지 않기 때문에 많은 폴리 알파-올레핀은 쉽게 결정화되거나 응고되지 않으며 심지어 저온에서도 점성을 가지는 액체 상태로 유지할 수 있다. 또 낮은 분자량의 폴리 알파-올레핀은 넓은 온도 범위에서 사용 가능한 차량용 합성 윤활제로서 널리 사용되고 있다.
소량의 1-헥센(1-Hexene)과 같은 알파-올레핀(예 : 1-헥센, 1-옥텐 또는 그 이상)과 공중합된 폴리에틸렌조차도 가지(branch)가 없는 단순한 선형 고밀도 폴리에틸렌simple straight chain high density, PE)보다 더 유연하다. 폴리프로필렌 중합체상의 메틸 분지 그룹은 폴리프로필렌을 폴리에틸렌보다 더 유연하게 만들기에 충분히 길지 않다.
종류 및 용도
폴리올레핀 종류로는 대표적으로 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이 있다.
폴리에틸렌(PE)은 에틸렌의 중합에 의해 본질적으로 직쇄(straight chain)의 고분자량 탄화수소가 생성된다. 폴리에틸렌의 분자의 구조는 선택적 촉매를 이용해 제어 할 수 있으며 분자 구조의 분기도측쇄 형성에 따라 특성을 분류할 수 있다. 다른 내화학성이 좋은 폴리올레핀과 마찬가지로 폴리에틸렌은 화학적으로 불활성이다. 강한 산화제는 폴리에틸렌의 산화와 취화(Embrittlement)를 일으킬 수는 있지만 실온에서 폴리에틸렌을 완전히 녹일 수 있는 용매는 아직까지 발견되지 않았다. 다만 반응성이 좋은 몇몇 용매는 폴리에틸렌의 가역적인 연화나 팽창을 유발할 수는 있다.
고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)보다 훨씬 낮은 분기도를 가지는 것이 특징이다. 이러한 낮은 분기도로 인해(분자량에 따라 약간의 차이는 있지만) HDPE는 70% 이상의 높은 결정화도를 가지게 되며 결정의 크기나 균일성 또한 우수하다. HDPE는 다른 유형의 폴리에틸렌보다 견고하고 단단하지만 유연하지 않고 내균열성이 좋지 않다. 따라서 HDPE는 높은 강도, 강성이 필요하거나 우수한 내 화학성이 필요한 분야에 주로 사용된다.
저밀도 폴리에틸렌(LDPE)'은 보다 광범위한 영역에서 분지기를 가지기 때문에 분자 구조가 대형화되는 반면 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 분지가 최소화되어 LDPE보다 견고하고 투과성이 떨어진다. 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)은 저밀도 폴리에틸렌의 인성과 고밀도 폴리에틸렌의 강성을 함께 가지는 중합체이다.
선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)'은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 비슷한 강도를 가지지만 훨씬 더 유연하다. LLDPE 중합체의 사슬은 LDPE 중합체의 사슬보다 훨씬 짧은 사슬을 가지기 때문에 힘을 받는 상황에서도 사슬이 서로 꼬이지 않고 서로 쉽게 미끄러질 수 있는 특징을 가지고 있다. LLDPE는 일반적으로 LDPE보다 분자량 분포가 좁고 분지기가 적어 결정화도가 높기 때문에 LDPE에 비해 인장 강도가 높고 내충격성이 우수하다. 또 HDPE 및 LDPE보다 균열 내성이 우수하면서도 얇은 막 형태로 가공하기 쉬운 소재이다.
가교(Crosslinked)된 고밀도 폴리에틸렌(XLPE)은 고밀도 폴리에틸렌의 한 형태로 개별 분자 사슬이 열, 빛 또는 화학적인 요인에 의해 서로 결합되어 매우 높은 분자량을 가지는 3차원의 중합체를 형성한다. 이 구조는 우수한 응력 및 균열 저항성을 가지며 HDPE의 인성 강성 및 내 화학성을 함께 가지고 있다. XLPE는 우수한 기계적 물리적 특성을 요구하는 대형 저장 탱크를 제작하기에 적합한 재료이다.
폴리케톤(PK)은 일산화탄소, 에틸렌 및 소량의 다른 알파 올레핀으로 구성된 독특한 지방족 폴리머 재료이다. 폴리케톤은 반결정성의 수지로서 폴리올레핀과 유사하게 가공할 수 있으면서도 엔지니어링 폴리머의 특성을 함께 나타낸다. 특히 산 염기 및 지방족 및 방향족 탄화수소에 대한 광범위한 내 화학성을 가지면서도 동시에 우수한 내크립성 및 강성을 나타내는 재료이다.
폴리프로필렌(PP)'은 폴리에틸렌(PE)과 유사하지만 고분자 사슬의 각 단위에는 메틸기가 포함되어 있다. 대부분의 폴리프로필렌은 이소택틱(i-PP) 폴리프로필렌으로 생산되며 LDPE와 HDPE 사이의 결정화도를 가진다. 결성정이 낮지 않음에도 불고하고 성형이 비교적 용이하다. 폴리프로필렌은 대체로 폴리에틸렌보다 밀도가 낮고 녹는점은 더 높기 때문에 식품용기와 같은 고온 응용분야에 적합하지만 내충격성이 낮다는 단점이 있다. 에틸렌과 공중합된 폴리프로필렌은 내충격성과 인성 유연성이 향상된다. 폴리프로필렌은 반투명하고 내화학성이 좋은데 폴리에틸렌과 마찬가지로 실온에서 알려진 용매가 없지만 폴리에틸렌보다 강한 산화제에 약간 더 잘 반응하는 특징이 있다.
폴리프로필렌 공중합체(PPCO)는 사슬 내 단량체인 에틸렌과 프로필렌의 반복 순서를 갖는 선형의 공중합체이다. 이 공중합체는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 장점을 함께 가질 수 있는 소재이다. PPCO는 폴리프로필렌의 고온안정성과 폴리에틸렌의 저온 강도 및 유연성을 함께 가지고 있다.
폴리메틸펜텐(PMP 또는 TPX)은 폴리프로필렌과 유사하지만 사슬의 각 단량체 그룹에 이소부틸(isobutyl) 그룹이 포함되어 있다. 내화학성은 폴리프로필렌(PP)과 유사하지만 일부 탄화수소 또는 염소계 용매에 의해 쉽게 연화되며 산화제에 의해 조금 더 민감하게 반응한다. 탁월한 투명성 견고성 및 내화학성 고내열성 덕분에 실험용품으로 널리 사용되는 재료이다. 예를 들면 150°C에서의 반복적인 고압멸균(Auto-claving)에도 문제가 없으며 175°C의 고온에 잠시 노출되어도 변형이 없다. 하지만 폴리메틸펜텐으로 만들어진 제품은 상온에서 취성이 있으며 사람의 허리 높이에서 떨어뜨리면 깨지거나 부서 질 수 있다.
폴리스티렌(PS)은 기계적으로 견고하고 독성이 낮으며 치수 안정성이 뛰어나지만 유기용매에 대한 화학적 안정성이 좋지 않다. 폴리스티렌으로 만든 제품은 상온에서도 부서지기 쉽기 때문에 일회용 제품에 널리 사용된다.
폴리염화비닐(PVC)은 폴리에틸렌과 화학적 구조가 유사하지만 각 단량체 단위에는 염소 원자가 들어 있다. PVC는 염소 원자로 인해 일부 용매에 대한 내화학성이 나쁘지만 오일(정유 제외)에 대한 내화학성이 매우 우수하고 대부분의 가스에 대한 투과성이 매우 낮다. 폴리염화비닐은 푸른 색조를 가지고 투명한데 프탈레이트계 가소제를 혼합하면 부드럽고 유연해져 가공성이 매우 크게 향상된다.
참고자료
- 이호림 공학박사, 〈폴리올레핀(Polyolefin)에 대하여〉, 《티스토리》
- 〈세계 일류상품의 중심, 폴리올레핀을 알아보자!〉, 《한화솔루션 케미칼 공식블로그》
같이 보기
