폴리프로필렌

폴리프로필렌(PP)

폴리프로필렌

폴리프로필렌(聚丙烯, polypropylene,PP)은 폴리에틸렌, PVC, 폴리스타이렌과 함께 4대 범용수지의 하나이다. 폴리에틸렌과 같이 석유에서 얻어진 프로필렌을 치글러-나타 촉매로 중합시킨 것으로, 저압법 폴리에틸렌과 같은 방법으로 만들어진다. 탄소와 수소로만 이루어진 안정된 PP는 환경단체 그린피스가 환경호르몬으로부터 자유롭고 재활용이 가능해 '미래의 자원'으로도 분류한 바 있다.

폴리프로필렌은 폴리에틸렌 분자 사슬의 탄소에 하나씩 걸러 메틸기(CH₃)가 붙은 것이며, 규칙적으로 짧은 가지가 달린 형태를 하고 있다. 폴리프로필렌 필름은 폴리에틸렌 필름보다 투명도가 높고 약간 경질이다.

또 성형용으로도 많이 사용되며 병 용기 등이 만들어진다. 비중은 0.92로서 현재 있는 플라스틱 중에 가장 가벼우며, 용해 온도도 135∼160℃로 높고, 그 응용범위도 넓다. 그러나 착색하기 힘든 것과 열이나 빛에 조금 약하다는 것이 결점이다.

개요

폴리프로필렌은 탄소 3개로 이루어진 프로필렌 단량체가 사슬 성장 중합하여 얻어지는 열가소성 고분자 소재이다. 폴리에틸렌과 함께 대표적인 폴리올레핀계 고분자이다. 포장, 섬유, 필름, 자동차 부품, 보관 용기, 의료용 제품 등 넓은 용도로 쓰인다. 2013년 기준 5천 5백만 톤이 생산되어 소비되었다. 폴리에틸렌에 이어 2번째로 많이 생산되는 고분자 재료이다.

폴리프로필렌은 자동차 부품이나 내외장재로 널리 사용된다. 특히, 자동차용 플라스틱 제품 중 대표적인 범용 플라스틱으로 이름을 떨치고 있다. 자동차는 무게가 무거울수록 연료가 많이 든다. 반면 자동차가 가벼우면 빠르게 달릴 수도 있고 연비도 좋아진다. 폴리프로필렌은 플라스틱 중에서도 비중이 0.9로 범용 플라스틱 중에서 가장 가볍다. 비중이 1보다 작아 물에 뜰 수 있을 정도로 가벼운 플라스틱이다. 즉, 자동차 경량화 목적에 아주 잘 부합한다. 또한 가격 경쟁력이 뛰어나고, 다양한 모양으로 성형이 가능하기 때문에 자동차의 여러 부품으로 활용된다. 대표적인 부품으로 인스트루먼트 패널(IP)이 있다. 인스트루먼트 패널은 자동차 운전석과 보조석의 앞부분에는 운전대가 달려있고 각종 스위치나 디스플레이가 장착된 커다란 부품으로 차량 내부 인테리어를 좌우하는 주요한 차량 부품이다.

또한, 반복되는 휘어짐에도 강한 특성 때문에 본체와 뚜껑을 하나로 연결하는 힌지를 만들 때도 사용된다. 이 외에도 범퍼, 휀더, 배터리 외장재, 충격 흡수 부품, 계기판 패널 등에 사용하며 자동차용 플라스틱 소재 중에 차지하는 비율이 가장 높다.

폴리프로필렌(PP)와 같은 합성수지는 리튬이온 배터리의 핵심 구성 요소인 분리막 소재로도 사용되고 있다.

역사

1951년 필립스 석유의 폴 호간(J. Paul Hogan)과 로버트 뱅크스(Robert Banks)가 최초로 프로필렌을 중합하였다. 1954년 이탈리아의 화학자 줄리오 나타 (Giulio Natta)는 결정성을 가지는 아이소택틱(isotactic) 폴리프로필렌을 처음 합성하였다. 아이소택틱 폴리프로필렌은 1957년 독일 획스트 (Hoechst), 이탈리아 몬테카티니(Montecatini), 미국 허큘레스(Hercules)에서 상업 생산을 시작하였다. 이후 신디오택틱 폴리프로필렌의 합성법도 개발되었다. 한국에서는 1972년 대한유화에서 일본 치소(Chisso)사의 기술을 도입하여 처음 상업 생산을 시작하였다. 2015년 국내 폴리프로필렌 생산량은 연 436만톤으로 세계 5위 이다.

구조

폴리프로필렌의 입체 구조

폴리프로필렌은 각 반복 단위의 메틸 작용기의 상대적인 위치에 따라 다른 물성을 가진다. 메틸 작용기의 위치가 불규칙한 어택틱 폴리프로필렌, 메틸이 고분자 주 사슬에 대해서 한쪽 방향으로 배향된 아이소택틱 폴리프로필렌, 메틸이 주 사슬에 대해 앞 뒤로 교대 배열을 가지는 신디오택틱 폴리프로필렌으로 구분된다. 아이소탁틱 및 신디오택틱 폴리프로필렌의 사슬은 규칙적인 나선 구조를 형성하며, 이 규칙성은 사슬과 사슬간의 배향을 쉽게하여 결정상을 이룬다. 그에 반하여, 어택틱 폴리프로필렌은 불규칙한 배열로 결정을 형성하지 않는다. 사슬간의 인력이 상대적으로 강한 아이소택틱 및 신디오택틱 폴리프로필렌은 단단한 물성을 가지는데 반하여 어택틱 폴리프로필렌은 상온에서 물렁물렁한 물성을 가진다. 상용되는 폴리프로필렌의 대부분은 아이소택틱 폴리프로필렌이다.

특성

폴리프로필렌은 탄소와 수소로만 이루어진 지방족 탄화수소이고, 폴리에틸렌과 유사한 특성을 가진다. 특히 용해도와 전기적 특성에서 유사하다. 하지만 메틸 작용기의 추가에 따라 폴리에틸렌에 대비하여 기계적인 성질과 내열성이 우수하다. 하지만 내화학성 및 내산화성은 상대적으로 떨어진다. 아이소택틱 폴리프로필렌은 사슬간의 결정성을 향상시켜 폴리에틸렌이나 어택틱 폴리프로필렌보다 강하고 변형에 잘 견딘다.

기계적 성질

폴리프로필렌은 폴리에틸렌보다 밀도가 낮다 (0.895-0.920 g/cm³). 범용 고분자 재료 가운데 밀도가 가장 낮다. 기계적으로는 강하면서도 유연하다. 반복적인 구부러짐에 대해 우수한 물성 유지 능력을 가져 플라스틱 경첩 부분에 사용한다. 에틸렌과 공중합 된 경우 기계적 특성은 더 개선이 되어 ABS와 같은 고강도 플라스틱 재료와 경쟁할 수준에 이른다.

열적 성질

열적 성질은 미세 구조의 배열에 따라 변화한다. 높은 수준의 아이소택틱 구조로 이루어진 PP는 녹는점이 170도까지 보고되었다. 상용 아이소택틱 PP는 일반적으로 160~165도에서 녹는다. 일부 문헌이나 자료에서는 신디오택틱 PP가 아이소택틱 PP 대비 녹는점이 낮다고 보고하고 있지만, 높은 수준의 신디오택틱 PP의 녹는점은 아이소택틱 PP와 유사한 160도 이상의 녹는점을 가진다. 0도 이하에서 폴리프로필렌은 잘 부스러지는 성질을 나타낸다. 열팽창 계수는 8 - 10 x 10-5 cm/(cm °C) 범위이며, 폴리에틸렌(10-20 x 10-5 cm/(cm °C))에 대비하여 낮지만 타 재료보다는 높다. 유리 섬유 (Glass fiber)등과 혼합 가공하여 열팽창 정도를 개선할 수 있다.

화학적 성질

폴리프로필렌은 상온에서 대부분의 화학 제품에 대해 안정하다. 일부 강한 산화제의 경우 탄소-수소 결합에 변형을 준다. PP로 제작된 용기에 일반적인 산/염기 물질의 보관이 가능하다. 높은 온도에서 PP는 비극성 유기 용제에 녹는다. 100도 이상의 고온에서 고분자 사슬의 변형 및 분해가 쉽게 발생한다. 산소에 의한 산화 반응이 폴리에틸렌에 비하여 빠르다. PP 제품의 야외 사용시에 제품의 갈라짐 및 재료의 강도가 약해지는 현상이 자주 발생한다. 이와 같은 변형을 보호하기 위하여 산화 방지제를 첨가하여 가공한다.

제조법

일반적인 상용 폴리프로필렌은 아이소택틱 구조이며, 지글러-나타 촉매를 이용하여 제조하는 것이 일반적이다. 매우 높은 수준의 아이소택틱 구조를 가지는 폴리프로필렌 또는 다른 알파-올레핀과 공중합된 기능성 폴리올레핀은 메탈로센 촉매로 제조한다. 신디오택틱 폴리프로필렌은 메탈로센 촉매를 이용하여 제조한다. 2002년 아토피나 석유화학(Atofina Petchem)에서 신디오택틱 폴리프로필렌의 상업 생산을 처음 개시하였다.