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 ◆ 프라스틱 제조 공정에 대하여 ...
 관리자(2005-12-15 17:55:08, Hit : 7472)  


프라스틱 제조공정



플라스틱의 선구는 니트로셀룰로오스를 장뇌(camphor)로 가소화한 셀룰로이드이며 합성고분자로서의 플라스틱은 1907년 미국의 L.H. 베이클랜드가 발명한 페놀수지(베이클라이트)로부터 시작된다. 이어서 1921년에 요소수지, 1939년에 멜라민수지 등의 열경화성 수지가 발명되었고 제2차세계대전 후에는 주로 불포화폴리에스테르수지, 에폭시수지 등이 생산되었다. 한편 열가소성수지로 1927년 아크릴수지를 이어 폴리염화비닐·폴리스티렌·고압법 폴리에틸렌 등이 공업적으로 생산되기에 이르렀다. 1950년대에는 치글러-나타 촉매(觸媒)를 이용한 저압법 폴리에틸렌, 입체 규칙성 폴리프로필렌의 공업적 생산이 가능하게 되었다. 현재 폴리염화비닐·폴리스티렌·폴리프로필렌·폴리에틸렌은 4대 플라스틱으로서 세계 생산량의 60% 이상을 차지하고 있다. 1930년대 후반에 합성된 폴리아미드(나일론)나 플루오르수지는 특성에 따라 주로 군수용으로 쓰였다. 제2차세계대전 후에 개발된 폴리카보네이트나 폴리아세틸수지는 일반 플라스틱에 비해 튼튼하고 내열성·내구성이 뛰어나 금속재료 대신 기계구성요소로서 쓰여 엔지니어링 플라스틱이라고도 한다. 합성섬유와 합성고무는 플라스틱과 성질이 약간 다르지만 각각의 특성을 복합하여 내충격성·강직성·내용(耐用)온도를 개선함으로써 플라스틱재료로서의 용도가 확대되었다. ABS수지의 합성목재나 소형 선박의 선체, 골프클럽 샤프트, 라켓, 낚싯대 등에 쓰이는 섬유강화플라스틱(FRP)이 그 예이다. 이러한 복합화는 각종 전자기기의 구성재료에도 쓰인다. 폴리우레탄이나 폴리스티렌의 발포체도 각종 용도에 응용되고 있다. 플라스틱은 원유가 값싼 원료였던 1970년 무렵까지 10여 년 동안에 크게 발전하였다. 일반적으로 성형이 쉽고 대량생산이 가능하고 제품은 가볍고 내구성·내수성·전기절연성이 뛰어나며 착색도 가능하다. 금속에 비해 내열성과 탄성률이 작은 것이 단점인데, 복합화기술을 통해 점차 개선되고 있다.

분류
플라스틱은 고분자 화합물의 분자 구조에 따라 열가소성 수지와 열경화성 수지로 분류된다〔표 1〕.

열가소성 수지
열가소성 플라스틱이라고도 하며, 선상(線狀)구조 고분자 집합이다. 이것을 가열하면 〔그림 1〕처럼 분자운동이 활발해져서 고체인 중합체가 부드러워지고 점성있는 액체가 된다. 액체 상태에서 주형에 밀어 넣어 냉각, 성형하는 것이 선상중합체성형법의 원리이다. 가소성이 있고 가열로 쉽게 부드러워지며, 성형 가능한 상태로 될 수 있는 중합체이므로 열가소성 중합체라고도 한다. 선상중합체는 적당한 용매에 용해되며 이러한 열가소성 선상 중합체에는 폴리염화비닐·폴리스티렌·폴리에틸렌 등이 있으며 적당한 용매에 용해된다. 대표적인 선상중합체의 반복단위와 연화점() 및 유리전이(遊離轉移)온도()는 〔표 2〕에 요약하였다. 보통 폴리스티렌·폴리메틸메타크릴레이트·폴리카보데이트 등은 비결정성이며, 무정형(無定形) 고분자라고도 부른다. 폴리염화비닐은 가는 결정 부분을 포함하지만, 전체적으로 무정형 중합체에 가까운 성질을 가진다. 무정형 중합체는 유리전이온도를 경계로 하여 저온측에서는 깨지기 쉽고 딱딱한 유리 상태를 나타내고, 고온측에서는 부드러운 고무의 성질을 나타내므로, 실제 사용온도가 중요하다. 결정성 중합체는 부분적으로만 결정을 이루며, 무정형 영역이 존재하므로 유리전이온도에서 성질변화가 크지만, 그 이외는 그다지 민감하지 않다. 용융 상태에서 냉각성형하는 경우에는 처음에 석출한 결정핵에서 방사상으로 접은 결정으로 성장하여 구결정(球結晶)을 형성하여 구결정이 크면 자연광에 대하여 불투명하게 된다. 구결정의 크기는 물성에 영향을 주므로 성형시 냉각속도 조절이 중요하다. 결정성 중합체를 고도로 배향(配向)시키면 다발모양의 작은 결정이 생성되며, 열처리로 결정화시키면 고강도의 내열성이 좋은 중합체가 되어 합성섬유나 연신(延伸)필름으로 쓰인다.

열경화성 수지
열경화성 플라스틱이라고도 하며, 구성 단위의 결합이 3차원적 입체구조를 가진다. 분자가 다리걸침구조로 중합되어 가열해도 액체로 되지 않고 어떤 용매에도 녹지 않으며 몇몇 용매에서는 팽윤(膨潤)한다. 열경화성수지의 성형은 분자량이 작은 단위체(모노머)나 가열에 의해 용융 가능한 부분중합체를 주형에 넣고 가열하여 다리걸침화반응으로 불용불융성의 3차원 그물구조를 만든다. 열경화성수지는 반응할 수 있는 작용기(作用基)를 3개 이상 가진 물질을 출발 물질로 하며 다리걸침밀도가 높을수록 단단해지고 내열성도 커지지만, 깨지기 쉽다. 일반적으로 다량의 충전제나 보강제를 혼합하여 기계적 강도, 내열성, 전기특성 등을 개량하여 작업성을 좋게 한 성형품이나, 종이·적포(織布)·유리 매트 등에 저점도 단위체 또는 부분중합체를 함침(含浸)시키고, 가압, 가열하여 적충판(laminate)의 형태로 한 이용법도 널리 쓰이고 있다. 도료·접착제 등도 저점성도·이용성(易溶性)의 특징을 살려 완성시 3차원 구조를 갖게 하는 용법이 많이 사용되고 있다. 가열에 의해 성형과 다리걸침화가 동시 또는 연속해서 일어나, 열가소성수지와는 다른 성형법이 채용되는 경우가 많다.

일반적인 제조법
석유 또는 천연가스가 주원료이며 나프타(조제 가솔린)가 가장 중요한데, 이것을 분해하면 에틸렌·프로필렌·부텐·부타디엔 등의 올레핀과 벤젠·톨루엔·크실렌 등의 방향족 탄화수소가 얻어지고 이들을 조합하여 플라스틱합성의 단위체를 만든다. 나프타보다 끓는점이 훨씬 높은 중질(重質) 경유와 정유소가스, 천연가스도 이용되고 있다. 〔그림 2〕는 단위체에서 중합체로 이것을 다시 성형, 플라스틱의 성형품을 만드는 전공정(前工程)의 예이다.

성형 가공
플라스틱은 성형가공이 쉬워 대량생산으로 성형품을 값싸게 제조할 수 있다. 플리스틱의 성형용 소재 형태는 ① 액체(단위체·용액·부분중합체 등), ② 분말·플레이크·펠릿칩 등, ③ 유탁액(乳濁液:에멀션·라텍스 등), ④ 페이스트 등이다. 액체는 주형에 부어서 중합을 완결시키거나 철·종이 등에 함침, 건조하여 가압·가열하에 성형한다. 분말은 대부분 플라스틱에 착색제·충전제 등을 섞어 막대모양으로 성형한 것을 짧게 자른 펠릿의 형태로 이용한다. 성형가공을 크게 나누면 소재의 전처리(前處理), 1차성형가공, 2차성형가공으로 나뉘어진다. 전처리란 중합체와 첨가제의 혼합·혼련(混練)·건조·분쇄 등이고, 1차성형가공은 〔표 3〕에 나타내었다. 2차성형가공은 성형품의 부가가치를 높이는 후가공(後加工)으로서 접착·인쇄·도장(塗裝)·메탈라이징(도금을 포함한 표면 가공) 등이다.

구조와 성질

분자량과 분자량 분포
중합체의 합성은 통계적 규칙을 따르므로 합성된 플라스틱 분자는 분자량이 다른 동족체(同族體)의 혼합물로서 그 분자량은 평균분자량이다. 이 분자량의 대소와 결정화도(結晶化度) 및 물성의 상관도는 폴리에틸렌을 예로 들면 〔그림 3〕과 같다. 분자량이 크고 어느 정도 결정성을 가지는 플라스틱은 강인하지만, 그 정도를 지나면 성형성과 실용성이 나빠진다. 열경화성 수지는 경화한 후 플라스틱용액이 되지 않으므로 분자량을 측정할 수 없으며 3차원 구조의 다리걸침밀도가 물성과 연관된다.

화학구조 및 입체구조와 결정성
플라스틱의 화학구조와 성질의 관계는 제품에 사용되는 첨가제로 인해 실제적으로는 다루기 어렵지만 기본적으로 구성 원자단이 플라스틱의 성질에 미치는 효과는 〔표 4〕와 같다. 플라스틱의 성질에 중요한 또 다른 요인은 분자사슬의 입체구조와 결정성(結晶性)이다. 결정화는 플라스틱의 온도 특성 등과 관계가 있다. 〔그림 4〕는 탄성률 와 온도와의 관계도를 나타낸다. 무정형 고분자는 를 넘으면 탄성률이 급감하여 유리상태에서 고무 상태로 변하는데 대하여 결정성고분자는 비교적 높은 탄성률을 유지한다. tan는 유전체 손실(誘電體損失)로서 전기장의 전압을 변화시켰을 때 플라스틱분자의 쌍극자의 배향 지체가 발열(發熱)이 되어 전력을 손실하는 것을 말한다. 이 손실이 나타나는 온도는 플라스틱 내 화학결합의 운동의 종류에 따라 다르다. 중합체의 결정은 분자 사슬의 일부분이 일정한 형태로 규칙적으로 배열한 것이다. 폴리에틸렌은 저압법(低壓法)으로 합성된 경우에만 주(主)사슬결합이 트랜스형이고 한 방향으로 뻗은 평면 지그재그 상태를 취하고 있다. 이와 비슷한 결정형에는 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈산(테트론) 등이 있다. 비닐 단위체(CH=CHR)를 중합시키면 머리와 꼬리가 결합한 중합체가 되고 탄소-탄소 결합은 109.28의 각도를 갖는다. 이때 3종류의 다른 공간배치를 갖는 치환기 R에 따라 아이소택틱중합체(isotactic polymer), 신디오택틱중합체(syndiotactic polymer), 어택틱중합체(atactic polymer)가 합성된다. 아이소택틱중합체와 신디오택틱중합체는 고분자 결정성을 나타낸다〔그림 2〕. 규칙성이 없는 어택틱중합체는 결정화하기 어려우나 예외적으로 폴리비닐알코올은 어택틱인데도 결정성을 갖는다. 입체규칙성을 갖도록 하려면 특수한 촉매나 중합 조건을 필요로 하머, 일반적인 조건에서는 어택틱중합체가 생성된다. 열경화성 수지는 분자구조가 불규칙하고 다리걸침이나 분지(分枝)로 분자의 열운동이 구속되며 결정화되지 않는다. 이 경우의 기계적 강도와 유리전이온도 등을 지배하는 인자는 다리걸침밀도이다.

기계적 성질
폴리스티렌과 폴리에틸렌에 잡아당기는 힘(응력)을 가하면, 폴리스티렌은 결정성이고 강직하여, 조금만 늘어나도 절단된다. 폴리에틸렌은 처음에는 응력에 비례해서 변형되지만, 항복점을 지나면 약간의 외력(外力)의 변화로 변형량이 큰 상태, 즉 폴리에틸렌 분자가 당기는 방향으로 유동하여 분자의 재배열이 일어난다. 열경화성 수지의 기계적 성질은 폴리스티렌과 비슷하지만 분자내에 다리걸침구조를 갖고 있어 파괴강도는 더 큰 값을 나타낸다. 플라스틱류는 금속에 비해 부드럽고, 표면에 흠이 생기기 쉬우나 표면이 부드럽고 탄성이 있어 쉽게 변형되고, 하중(荷重)을 제거하면 본래대로 돌아가므로, 여러 방면에 이용할 수 있다. 녹이 슬지 않고 가볍지만 탄성률(플라스틱에 가한 힘을 변형량으로 나눈 값으로, 응력의 종류에 의해서 여러 가지 탄성률이 있으며, 플라스틱의 물성값으로서 대표적인 것)이 작고, 내열성이 부족한 점이 결점이다.

열적(熱的) 성질
플라스틱의 연화점과 열분해온도는 성형가공에서 중요하다. 플라스틱 제품의 실제 사용에서는 내열(耐熱)온도·반복내열온도·열변형온도 등이 필요하며 〔표 5〕는 플라스틱의 사용가능온도를 나타낸 것이다. 내열성은 구조에 따라 다르며, 열가소성 수지에서는 플라스틱을 구성하고 있는 원자의 종류·결합력, 분자량의 대소에 따라 다르고 열경화성 수지에서는 다리걸침밀도 등이 관계된다. 열가소성 수지의 선팽창계수는 금속의 약 10배로 공학적인 결점이 되는 경우가 많지만, 복합화함으로써 금속과 비슷하게 개선할 수 있다. 플라스틱의 열전도율은 금속의 1/100 정도로 작고 단열재로 쓰이는 발포(發泡)플라스틱은 열전도율이 더욱 작다.

전기적 성질
플라스틱은 절연체로 쓰인다. 필름 등을 고주파 유전(誘電)가열로 융착(融着)시켜 표면의 정전지 발생에 의한 오염 등과 관계되는 체적 고유저항, 절연장도, 유전율(誘電率) 등의 값이 측정된다.

내후성(耐候性)과 내광성(耐光性)
플라스틱은 가볍고 녹이 슬지 않아 옥외에서의 사용량이 증가하고 있다. 옥외 사용수명은 자외선에 의한 광열화(光劣化)에 주로 좌우되므로 안정제나 무기질 충전제를 혼합하여 성형한다.

난연성
플라스틱은 탄소가 주성분이므로 연소한다. 분자구조에 난연제·비활성기체를 방출하는 원소를 도입, 급격한 연소를 막는다.

플라스틱 폐기물의 처리
생산량 증대와 함께 사용 후의 폐기가 문제로 떠오르게 되었다.

본래 플라스틱은
① 미생물에 의해서 분해되지 않는다
② 공기·물속에서 안정하며, 분해·용해되지 않는다(수용성 플라스틱은 예외)
③ 연소시키면 발열량이 크고 고열을 내며 다량의 공기를 소모하고 유해가스나 검은 연기를 내며 완전히 연소하지 않는 것도 있다
④ 쓰레기 중에서 플라스틱만을 선별, 분해하는 일이 어렵다
는 등의 문제점들을 안고 있어 플라스틱 쓰레기 처리는 심각한 문제가 되고 있다.

현재 가정용 플라스틱 폐기물은 쓰레기처리장에서 처리되고 있으며, 다량의 플라스틱 폐기물은 전용처리장에서 처리된다. 농업용 폴리염화비닐필름처럼 다량으로 폐기되는 경우에는 다른 용도로의 재생이용도 이루어지고 있다.

앞으로의 전망
플라스틱은 금속·세라믹스와함께 3대 소재로 일컬어지고 있다. 기능면에서는 화학반응을 이용하여 플라스틱에 전기전도성·감광성·분리성·에너지 변환성·생체적 합성 등의 여러 기능을 갖게 한 기능성 플라스틱(functional plastics)이 특수 재료로서 그 가치를 더하고 있다. 또 하나는 복합화를 통해 2종류 이상의 이질·이형(異形)의 소재를 여러 가지 방법으로 조화시켜서, 소재 홑원소물질(單體)로서는 갖지 못하는 뛰어난 성질을 갖도록 하는 것이다. 보통 플라스틱은 섬유로 강화하는 경우가 많으며, 이를 섬유강화플라스틱이라고 부른다. 이 밖에 입자 분말로 강화하는 예도 있다. 〔표 6〕은 시판(市販)되고 있는 플라스틱의 특성을 나타낸 것이다.


◆ 전기 전도성 프라스틱이란?

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