폴리에틸렌

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Polyethylene; PE

1 개요

플라스틱의 일종으로, 일상 생활에서 가장 많이 보이는 플라스틱이다. 폴리에틸렌과 플라스틱은 사실상의 동의어 취급을 받고 있지만 폴리에틸렌이 플라스틱의 하위부류라는 것이 화학적으로 정확한 표현이다.

2 종류

2.1 고압법 폴리에틸렌

정제한 에틸렌 가스에 소량의 산소 또는 과산화물을 첨가, 2,000기압정도로 가압하여 200℃정도로 가열하면 밀도가 0.915~0.925의 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 생긴다. 이 중합법은 이른바 괴상중합이며, ICI법이라고도 불리는, 역사적으로 가장 오랜 에틸렌의 중합법이다. 중합장치에는 중합열을 제거하는 연구가 필요하며 또한 고중합률에 이르면 가교 폴리머를 생성하기 쉽기 때문에 전화율은 20% 정도로 억제할 필요가 있다. 중합압력이 높을수록 고분자량의 폴리머를 얻을 수 있다. 현재는 ICI법에서 파생한 갖가지의 고압중합법이 공업적으로 실시되고 있다.

2.2 중압법 폴리에틸렌

고압법의 발견 이래, 보다 저압으로 에틸렌을 중합하려는 연구가 많이 있어 왔다. Philips법은 촉매로서 SiO₂-Al₂O₃담체에 CrO₃를 2~3% 부착시킨 것을 사용, 100~170℃, 수십기압, 펜턴 등의 용매 속에 이루어진다. 얻어지는 폴리에틸렌의 분자량은 10,000~140,000이다. 또한 촉매를 개량하고 현탁중합형의 슬러리법도 개발되고 있다.

Standard Oil법은 γ-Al₂O₃가 갖고 있는 MoO₃를 촉매로 하고 용매에는 벤젠을 이용, 200~250℃, 15~150기압으로 중합을 하고 폴리에틸렌의 분자량은 넓은 범위에서 조절이 가능하다. 중압법 폴리에틸렌의 분자에는 고압법의 것에 비해서 주쇄에 분기가 거의 없고, 중압법에서는 연화점이나 강성이 큰 고밀도(0.955~0.965)의 품종(HDPE)을 얻을 수 있다.

2.3 저압법 폴리에틸렌

지글러가 개발한 획기적인 유기금속 촉매인 TiCl₄를 탄화수소 용매로 분쇄하여 90℃ 이하에서 상압의 에틸렌 가스를 통하면, 슬러리상 폴리에틸렌이 생성된다. 중합은 아니온 기구로 진행되며 활성점은 Ti에 있다. 생성한 폴리에틸렌의 분자량은 300,000에 이르고 분기가 적은 직쇄상의 것(linear PE)을 얻을 수 있다. 최근에는 고활성인 Ziegler 촉매도 개발되고 Ti 1밀리몰 당 30~40kg의 에틸렌을 얻을 수 있고 촉매의 제거도 불필요하게 되었다. 저압법으로 얻어지는 폴리에틸렌은 중압법에 의한 것과 성상에 유사하기 때문에 일괄해서 중저압법 폴리에틸렌이라고 부르는 일이 많다.

2.4 기상법 폴리에틸렌

미국의 유니언 카바이드사가 기상법이라고 부르는 새로운 폴리에틸렌의 제조법을 개발하였다. 이것은 가스로 촉매를 분사, 부유시켜 드럼 같은 반응조에 에틸렌을 중합하고 중저압에서 저밀도 폴리에틸렌을 합성하는 방법이며, 지금까지 수천기압을 요한 중압을 겨우 수십기압에서 하고 같은 성상의 폴리머를 얻는다는 획기적인 방법이다. 이 기상법은 용매를 사용하지 않고 기상유동상에서 중합시키는, 가장 간소한 프로세스이며, 종래의 고압법에 비하여 설비비는 1/2, 에너지소비량은 1/4로 저하된다는 것이다.

3 밀도에 따른 차이

얻어낸 폴리에틸렌은 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(Linear LDPE;L-LDPE)이라고 불리며 종래의 고압법에 의한 저밀도 폴리에틸렌(고압법 LDPE)과 같은 밀도수준을 가지면서 많은 특징이 있는 뛰어난 물성을 나타내는 소재로 주목되고 있다.

저밀도(LDPE)와 고밀도(HDPE)가 있으며 저밀도 폴리에틸렌은 우리가 아는 내열성이 불필요한 대부분의 범용 필름(비닐봉지, 비닐하우스 같은)의 재료가 되며, 인체에 무해하므로 식품포장용 랩, 비닐봉지 등을 만드는데 널리 쓰인다. 또한 우유팩이나 종이 컵라면 용기의 안쪽 코팅도 폴리에틸렌이다. 가공성이 좋고 연성이므로 일반 전선피복도 이것으로 만들어진다. 고밀도 폴리에틸렌은 보다 단단한 특성을 살려 상수도관이나 각종 용기를 만드는데 널리 사용된다. 내충격성, 내후성등 장점이 많은 반면 내열성이 매우 나쁘다는 단점이 있고, 극성이 없으므로 접착성도 매우 나쁘다. 재활용 업계에서는 PE를 물렁이라고 칭하기도 한다. 주로 장난감에 많이 쓰인다.

4 특성과 쓰임새

폴리에틸렌은 산소의 이동을 막는데 매우 뛰어나다. 그래서 폴리에틸렌이 주성분인 비닐봉투를 머리에 뒤집어 쓰게 되면, 산소 공급이 곤란해져 사망에 이를 수도 있다. 또한, 폴리에틸렌은 살균과 소독에도 매우 뛰어나서 주로 음식 용기에 많이 쓰인다.

이 재질로도 완충포장재가 만들어지기도 한다. 폼, 쉬트, 백 등이 만들어진다.