폴리프로필렌

[alun]

용도:	열까소성 플라스틱, 섬유, 열까소성 탄성체
단량체:	프로필렌
중합:	찌이글러-나타(Zieglar-Natta) 중합, 메탈로센 촉매 중합
구조:	고결정성(isotactic), 비결정성(atactic)
용융점:	174 o C (100% isotactic)
유리전이온도:	-17 o C

폴리프로필렌은 우리가 사용하는 플라스틱 중에서 그 용도가 가장 많은 것 중의 하나입니다. 근본적으로 플라스틱으로도 섬유로도 사용할 수 있기 때문이지요. 플라스틱으로 사용하여 식기세척기에 사용하여도 무방한 여러 가지 음식 용기로 사용할 수 있습니다. 160 ^oC이하의 온도에서는 녹지 않기 때문입니다. 더욱 널리 사용되는 폴리에틸렌은 140 ^oC근처에서 녹기 때문에 폴리에틸렌으로 만든 접시는 식기세척기에서 그 모양이 변할 수도 있습니다. 폴리프로필렌은 옥외용 카펫트를 제조하기위한 섬유로도 사용됩니다. 물론 옥내용으로도 사용됩니다. 수영장이나 미니 골프장에 있는 카펫트가 폴리프로필렌으로 만들어진 것입니다. 옥외용으로 특히 유용한 것은 쉽게 원하는 색깔로 착색할 수 있고 나일론과는 달리 물을 흡수하지 않기 때문입니다.

폴리프로필렌은 구조적으로 비닐계 고분자(vinyl polymer)로서 고분자 주쇄에 있는 탄소 중의 하나에 메틸기가 결합되어 있다는 점 외에는 폴리에틸렌과 같습니다. 폴리프로필렌은 찌이글러-나타 중합(Ziegler-Natta polymerization)과 메탈로센 촉매 중합(metallocene catalysis polymerization)에 의해 제조됩니다.

좀 더 알고 싶은가요?

메탈로센 촉매 중합을 행하면 매우 아름다운 구조의 폴리프로필렌을 만들 수 있습니다. 즉, 서로 다른 입체규칙도(tacticity)를 가진 폴리프로필렌을 제조할 수 있습니다. 대부분의 폴리프로필렌은 아래에 나타낸 것 처럼 메틸기가 한쪽 방향으로만 결합되어 있는 이소택틱(isotactic) 형태입니다.

그러나, 메틸기가 방향성이 없이 부규칙적으로 결합되어 있는 어택틱(atactic) 폴리프로필렌도 얻어질 수 있습니다.

블록 공중합체(block copolymer)를 제조할 수 있다는 점은 메탈로센 촉매를 가치있게 만드는 중요한 인자이기도 합니다. 아래에 나타낸 것 처럼 이소택틱 블록과 어택틱 블록을 가지는 폴리프로필렌을 제조할 수 있습니다.

이 고분자는 놀랍게도 우수한 탄성체(elastomer)입니다. 이소택틱 블록은딱딱한 결정성을 보이지만 비결정성이며 고무의 성질을 보이는 어택틱 블록과 연결되어 있음에 주의할 필요가 있습니다. 수많은 작은 결정성(딱딱한) 블록과 마찬가지로 많은 비결정성(고무성) 블록이 교차되어 나타남으로써 결과적으로 훌륭한 탄성체가 되는 것입니다. 오른쪽에 보여준 그림을 참고하시면 이해가 쉬울 것입니다. 하나의 단량체를 이용하여 고분자의 내부 구조를 바꿈으로써 이와 같은 훌륭한 새로운 종류위 고분자를 제조할 수 있다니 놀랍지 않으십니까?

솔직히 말하자면 어택틱 폴리프로필렌은 분자량은 크나 그 자체가 비결정성이며 고무와 같은 성질을 보이기 때문에 이소택틱 블록의 도움이 없으면 강하지 못합니다. 강한 이소택틱 블록이 고무 성질을 보이는 어택틱 블록을 보호하고 있는 셈입니다. 여러분이 알다시피 대부분의 고무는 가교되어야 제 성능을 발휘하지요. 그러나, 지금까지 설명한 특수한 고무는 가교되지 않은 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer)인 셈이며, 당연히 재생할 수 있다는 강점을 가집니다.

폴리올레핀은 올레핀계 단량체를 사용하여 중합한 합성수지를 일컫는 일반적인 용어이다.
폴리올레핀 군에는 폴리프로필렌과 폴리에틸렌 등이 속한다. 폴리프로필렌은 작은 단량체들을 결합하여 수천 개의 각각의 연결고리를 가진 긴 중합체를 형성시킴으로써 만들어진다.

기본 단량체인 프로필렌과 에틸렌은 실내온도에서는 기체상태로 존재한다. 그러나 그들이 합체되면서 중합체라고 불리는 긴 사슬을 만들면서, 쓰임새가 많은 단단하고 유연한 플라스틱 물질로 변화한다.

단량체들은 중합반응을 거쳐야 서로 연결될 수 있다. 높은 온도와 높은 압력, 그리고 촉매 시스템이 필요하다. 사용되는 촉매는 대개 티타늄과 알루미늄 화합물이다. 이 놀라운 물질들 없이는 폴리프로필렌을 만들어 낼 수 없었을 것이다. 정교한 촉매 시스템의 개발이 곧 고품질의 폴리프로플렌 제조와 직결되는 요인이다.

폴리프로필렌은 세계에서 가장 급성장하고 있는 고분자 소재이며 이러한 이유는 다음과 같다.
가격과 성능 : 폴리프로필렌이 종래에 쓰이던 플라스틱과 천연 물질들을 대체하면서 비용이 절감되었다. 또한 강도와 수명이 계속 개선된 결과, 생산자들은 상대적으로 적은 양의 물질을 사용하여 동일한 성능의 제품을 생산할 수 있게 되었다.

몇 가지 예 :
1) 1972년에서 1990년 사이, 수퍼마켓 봉투는 23g에서 6g으로 중량이 감소했다.
2) 오늘날 폴리프로필렌 요구르트 컵은 1980년대의 3분의 2가 안 되는 무게의 물질을 사용한다.

3) 폴리프로필렌으로 만든 자동차 범퍼는 더욱 극적인 중량 감소를 경험했다. 최근 적용되고 있는 Thin-walled Bumper 충격흡수력이나 내구성, 유연성을 그대로 유지하고있으면서 그 중량은 휠씬 가벼워졌다.

비용절감 효과를 떠나, 재료 삭감을 통해 적은 물질을 사용하는 것은 자원을 절약하고 쓰레기를 줄임으로써 보다 환경 친화적이다.

다양한 쓰임새 : 오늘날 폴리프로필렌은 그 종류가 다양해졌다. 그 쓰임새는 야외 가구와 차 부속품에 쓰는 단단하고 강한 물질에서부터, 아기 기저귀에 쓰는 부드럽고 유연한 섬유에 이르기까지 광범위하다. 이러한 다양한 용도에 맞게끔 각각의 소재는 각기 다른 다양한 특성을 갖고 있다. 전자레인지용 음식 용기에 사용되는 것은 열에 강하고 열로 봉합하는 식품 포장용 소재는 열에 잘 녹는, 각기 다른 특성를 지니고 있다. 또 어떤 것은 유리처럼 투명하고, 어떤 것은 불투명하기도 하다.

끊임없는 연구와 개발을 통하여 다양한 쓰임새의 소재가 개발되고 있는 폴리프로필렌은, 많은 분야에서 다른 고분자 소재가 기존에 사용되던 천연 물질을 대체하고 있다.

현대 사회에서 플라스틱은 없어서는 안될만큼 우리 생활속에 깊이 침투해 있으며 인류의 발전과 함께 해왔다고 해도 과언이 아닐 것이다.

Lyondellbasell은 환경 친화적인 제품 생산과 종합기술개발에 전력을 기울이고 있다. Lyondellbasell의 Catalloy 공정으로 제조된 수지로 만들어진 Geomembrane은 Lyondellbasell이 얼마나 환경을 개선시키기 위해 노력을 기울이고 있는지를 보여주는 한 예이다.

플라스틱 소재 중에서도 폴리프로필렌은 환경에 최소한의 영향을 끼친다. 폴리프로필렌을 생산하는데 쓰이는 공정은 여러 가지 산업 중에서도 가장 깨끗하고 효율적이다. 폴리프로필렌은 그 유용한 수명을 다하고 난 후에도 쉽게 화학 변화를 일으키지 않는 안전한 물질이기 때문에 재활용을 비롯한 다양한 방식으로 안전하고도 효율적으로 처리될 수 있다.

에너지 회수 : Energy from waste(EFW) 시설이나 Fuel Pellet Technology를 이용하여 쓰레기로부터 에너지를 회수하는 것은 매우 유용한 쓰레기 처리 방식이다. 천연 자원을 보존할 수 있기 때문이다. 폴리프로필렌은 모든 고체 쓰레기 중에서 단위 무게당 가장 높은 에너지를 지니고 있기 때문에. 사용하고 난 뒤에도 소비재로부터 에너지를 회수할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다.

자원절약 : 폴리프로필렌 특유의 낮은 밀도와 Lyondellbasell의 최첨단 생산 기술이 결합되어 만들어진 이러한 제품들은 소비자들이 더 적은 중량의 물질을 사용할 수 있게 해주었다. Lyondellbasell의 합성수지 기술은 다른 어떤 물질로 만든 제품보다도 더 가벼운 제품을 개발할 수 있는 기회를 제공한다.

재활용 : 폴리프로필렌은 세상에서 가장 재활용 가능성이 높은 세 가지 합성수지 중의 하나며, 또한 밧데리 재활용 덕택으로 가장 많이 재활용되는 플라스틱 자동차 부품 중의 하나이다. 경제성만 뒷받침해 준다면, 전통적으로 '재활용'은 일회용품이나 내구성 물품의 쓰레기를 처리하는 가장 좋은 접근법이다. 폴리프로필렌은 재활용되었을 때 그 기능이 아주 미세하게 감소할 뿐이다. 따라서 야외용 가구라든지 자동차부품 및 설비 등으로 재활용되어 사용될 수 있다. Lyondellbasell은 Refax 합성수지라는 재활용 방식을 통하여, 재생된 폴리프로필렌 합성수지 시장을 개척하는 데 있어 선구자적인 역활을 해왔다.

폴리프로필렌이 광범위한 성능을 다양하게 발현하게 됨으로써, 제조업자들이 그들의 제품을 한가지 성분, 폴리프로필렌만으로 설계한다는 작업이 점점 쉬워지고 있다. 예를 들어 복잡 다양한 물질로 만들어지는 자동차용 부품의 경우, 미래에는 모든 부품이 폴리프로필렌으로 교체될 것이다. 이러한 설계를 통해 중량은 더 가벼워지고 더 재활용 가능성이 높으며 더 저렴한 형태로 변화할 것이다. 이 단일 물질화 방식의 접근은 카페팅을 비롯한 다른 많은 분야에서도 개발되고 있다.

앞서 언급했듯이 폴리프로필렌은 프로필렌과 에틸렌 단량체들이 긴 사슬을 형성함으로써 만들어진다.

에틸렌은 1930년 성공적으로 중합되었지만 이후 1950년대가 될 때까지는 프로필렌의 중합 분야에서 별다른 진전이 이루어지지 않았다. 그 이유는 프로필렌분자가 에틸렌보다 약간 복잡하기 때문에 생성되는 주 사슬에 세가지 방식으로 프로필렌이 결합될 수 있기 때문이었다. 연결고리가 모두 한쪽 방향으로 향하지 않으면 폴리프로필렌은 결정화되지 않고 무정형 상태로 존재하게 된다.

프로필렌 단량체가 한쪽 방향으로만 결합된 'isotactic' 형태의 폴리프로필렌을 창조할 수 있었던 비결은 바로 촉매에 있다. 특정한 촉매를 사용하면 분자들이 일정한 방향으로 사슬을 형성하며 결합하게 만들 수 있는 것이다.

각종 촉매에 대한 연구의 결과로, 1954년 3월 11일 큰 발견이 이루어졌다.
Lyondellbasell의 전신이었던 몬테카티니에서 연구하던 Giulio Natta 박사가 고체 폴리프로필렌을 만드는데 최초로 성공했던 것이다.

그후 수십 년에 걸쳐 폴리프로필렌을 만드는 촉매와 공정 시스템이 혁신적으로 정교해짐에 따라, 제조 공법은 더욱 간단하고 효율적으로 바뀌게 되었다.

이러한 발전의 정점은 바로 Lyondellbasell의 Spheripol 공정이다. 오늘날 전세계 고생산성(High-yield) 폴리프로필렌을 제조하는 데 가장 선두의 위치를 차지하는 이 공정은 최소한의 손실로 자신의 무게의 60,000배의 무게를 가진 중합체를 만들어 낼 수 있는 촉매를 사용함으로써 광범위한 종류의 폴리프로필렌을 생산해내고 있다.

그 결과 폴리프로필렌 제조 비용이 절감되었을 뿐만 아니라, 폴리프로필렌으로부터 얻어낼 수 있는 특성이 더 다양해졌다. 이로 인해서 폴리프로필렌은 급속도로 더 많은 영역에 응용되어 쓰이고 있다.

폴리프로필렌은 반응기로부터 대개 작고 하얀 구형으로 제조되어 나온다.

이것은 최종 제품으로 만들어지기 위해서는 여러 가지 적용 분야에 적합한 강도와 유연성, 내구성 등을 갖추고 있어야 하기 때문에 후 공정에서 이런 특성들을 부여한다.

폴리프로필렌은 다음과 같은 다양한 방법으로 최종 제품을 생산한다.

사출성형 (Injection molding)
사출성형은 수지를 녹여서 필요한 안료나 첨가제 등을 압출기에서 혼련한 뒤 고압의 성형몰드에 주입하여 플라스틱 가공품을 성형하는 방법이다. 성형몰드에서 수지가 냉각/고화되면 완성품이 생산된다. 이 방법은 병 뚜껑에서부터 가구, 자동차 범퍼에 이르기까지 많은 종류의 제품을 만드는데 쓰인다. 일반적으로 폴리프로필렌은 용융 흐름성이 높으므로 주입식 주조에 알맞다.

블로우성형(Blow-molding)
블로우성형은 병과 용기들을 만드는데 많이 쓰인다. 용융된 수지를 원통형의 다이를 통해 압출하고 이를 성형몰드에 넣고 공기를 불어넣어 제품을 성형하는 방법이다. 냉각이 충분히 끝나면 성형몰드를 열어 제품을 토출시킨다. 블로우성형에 적합한 수지는 용융물의 처짐을 억제하고 공기 주입시의 압력에 견딜 수 있는 정도의 용융 점도를 필요로 한다.

필름(Film)
폴리프로필렌으로 만든 필름은 음식과 기타 제품 포장에 널리 쓰이고 있다. 이것은 얇고 긴 틈을 가진 다이를 통해 용융시킨 수지를 통과시킴으로써 만들어진다. 이런 방식으로 생산된 필름의 강도를 중가시키기 위해 연신과정을 거치기도 한다. 필름은 방수성이 보강된 종이를 만드는 코팅재로 쓰이기도 한다.

필름을 제조하는데 사용되는 재료는 매우 투명하고 표면 광택이 우수할 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 우수하여야 한다. 식품용 포장 소재는 음식과 접촉하는 경우에 요구되는 규정 사항을 충족시켜야 한다. 전세계에서 음식 포장에 가장 많이 사용되고 있는 폴리프로필렌은 이러한 다양한 요구 특성을 충분히 충족시키고 있다. 폴리프로필렌 분야에 있어 새로운 발전이 이루어진 것과 더불어, 새로운 필름 제조 기술에서도 많은 발전이 이루어지고 있다.

섬유(Textile/Yarn)
전세계 인조 카페트의 대부분은 폴리프로필렌 섬유로 만들어진다. 섬유는 용융상태의 수지를 수많은 미세구멍을 가지는 다이를 통과시킴으로써 만들어진다. 로프를 만들기 위한 폴리프로필렌 섬유도 역시 비슷한 방식으로 만들어진다. 최근에는 혁신적으로 개발된 강하고 부드러운 '부직포' 섬유가 일회용 의류, 기저귀, 그리고 보호용 의류 등에 사용되고 있다. 섬유 제조는 요구 특성이 매우 까다롭기 때문에 폴리프로필렌 응용분야 중에서 매우 전문적인 분야이다.

이상이 폴리프로필렌으로 제조되는 성형품 들이 만들어지는 주요 공정이다. 계속 새로운 제조 방법이 개발되고 있으며, in-mold labeling injection, co-injection 등은 가장 최근에 개발된 방법들이다. 신기술을 개발할 때에는 기계 제조업자들과 수지 제조사들간의 긴밀한 협력이 필요한데 이것은 새로운 공정에 적합한 물성을 가진 최적의 수지를 개발하기 위해서이다.

지금까지 살펴본 것처럼 폴리프로필렌의 비약적인 발전은 촉매 기술의 향상이 직접적인 영향을 주었다.

Lyondellbasell Spheripol 공정은 지속적인 개발로 인해 폴리프로필렌계 소재의 적용 범위를 넓혀왔으며, 최근에는 폴리프로필렌 소재의 비약적인 성능 향상을 이룰 수 있는 두 가지의 새로운 프로세스를 개발하였다.

Lyondellbasell이 1989년 Catalloy 공법을 도입한 이래로, 이를 사용하여 유례가 없는 강도와 유연성 및 용융특성을 가지는 혁신적인 소재들이 끊임없이 쏟아져 나왔다. 그 결과 폴리프로필렌 소재에 잠재되어 있던 막대한 이용 가능성이 실현되고 있다.

Lyondellbasell은 Hivalloy로 알려진 고성능 소재를 개발하였다. 폴리프로필렌계 주 사슬에 이종의 단량체를 그라프트 공중합 시킬 수 잇는 이 획기적인 촉매기술은 새로운 올레핀계 공중합 알로이 제품을 탄생시켰다. 무정질과 결정질의 특성이 최적으로 조합된 올레핀계 공중합 알로이 제품은 기존의 소재에서 찾아볼 수 없는 강성과 내충격성의 환상적인 균형을 발현한다.

지난 40년간 이루어진 획기적인 촉매 기술은 아직도 개발이 진행되고 있으며, 향후 40년 동안에도 지속적으로 이루어질 것이다.

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