폴리에틸렌(Polyethylene)

폴리에틸렌에 대하여

플라스틱 용기, 가방에서부터 플라스틱 장난감까지 우리의 일상생활 거의 모든 곳에서는 폴리에틸렌(PE)으로 만들어진 플라스틱을 찾아볼 수 있습니다. 폴리에틸렌은 현재 가장 널리 사용되는 열가소성 플라스틱 중 하나입니다. 이 포스팅에서는 폴리에틸렌에 대해 알아보겠습니다.

 

폴리에틸렌(PE)이란 무엇인가요?

 

폴리에틸렌(PE)의 중합을 나타내는 화학구조식

 

폴리에틸렌은 화학식 C2H4의 에틸렌(또는 에텐)이라고 불리는 단량체(모노머)의 중합으로 만들어진 폴리머(고분자) 물질입니다. 대게 지글러-나타 또는 메탈로센이라고 불리는 촉매의 존재 하에서 부가중합 또는 라디칼 중합으로 만들어집니다. 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)은 다양한 결정 구조를 가진 가볍고 튼튼한 열가소성 수지로 매년 수천만톤의 생산량을 자랑하는 가장 널리 생산되는 플라스틱 중 하나입니다. 

 

폴리에틸렌(PE)의 종류와 특성

 

폴리에틸렌(PE)은 폴리올레핀(Polyolefin)계열의 폴리머에 속하며 밀도와 폴리머 사슬을 구성하는 가지에 따라 구분할 수 있습니다. 가장 일반적인 유형의 폴리에틸렌은 다음과 같습니다.

 

•  저밀도 폴리에틸렌 (LDPE)
•  선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE)
•  고밀도 폴리에틸렌 (HDPE)
•  초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE)
•  가교 폴리에틸렌 (PEX 또는 XLPE)

 

가지(Branch)에 따른 폴리에틸렌의 분자구조 

 

일반적이지는 않지만 다음과 같은 다른 유형으로도 구분됩니다.

 

•  중밀도 폴리에틸렌 (MDPE)
•  초저밀도 폴리에틸렌 (VLDPE)
•  고분자량 폴리에틸렌 (HMWPE)
•  초저분자량 폴리에틸렌 (ULMWPE)
•  염화 폴리에틸렌 (CPE)

 

고밀도 폴리에틸렌(HDPE)

 

고밀도 폴리에틸렌 (HDPE)은 분기가 없거나 매우 적어 선형 구조를 가지며 가격이 매우 저렴한 열가소성 수지입니다. 상대적으로 저온 (70 ~ 300°C) 및 낮은 압력 (10-80 bar)에서 제조되며 천연가스 또는 원유를 촉매분해한 원료를 기반으로 제조됩니다. HDPE는 주로 슬러리중합 또는 기상 중합 중 하나의 공정을 사용하여 생산됩니다. 고밀도 폴리에틸렌은 유연성이 높고 반투명하며 내마모성이 좋습니다. 또한 매우 낮은 온도에서도 강도가 적절히 유지되는 장점이 있습니다.

 

고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 특성

 

 녹는점 : 120 ~ 140°C

 밀도 : 0.93 ~ 0.97 g/cm3

 

 내화학성 

 

•  매우 우수 : 대부분의 용매
•  우수 : 알코올, 묽은 산 및 알칼리에 대한 우수한 내성
•  보통 : 오일 및 그리스에 대한 적당한 내성
•  불량 : 탄화수소에 대한 내성 부족 (지방족, 방향족, 할로겐화)

 사용온도 : -50°C ~ + 60°C 범위에서 비교적 단단함

 

고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 장점 

 

• 다른 형태의 폴리에틸렌에 비해 높은 인장 강도
• 저렴하지만 가공성이 우수
• 저온저항성과 전기절연성이 우수
• 매우 낮은 수분 흡수율

 

고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 단점

 

•  응력균열에 취약
•  폴리프로필렌(PP)보다 강성이 낮음
•  성형시 높은 수축률
•  내열성 낮으며 자외선에도 약함
•  고주파를 이용한 용접 및 접합 불가능

 

고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 응용

 

우수한 특성으로 인해 HDPE는 산업 전반의 다양한 분야에서 널리 사용되는 이상적인 소재입니다. 해당 분야에서 요구하는 특성에 따라 일부 특성의 최적화가 가능합니다.

 

포장 분야

 

고밀도 폴리에틸렌은 과일 쥬스나 우유를 담는 병, 트레이, 포장용 용기, 드럼 등 포장 응용분야에 널리 사용됩니다. 포장 분야에서 HDPE는 저렴하면서도 충분한 충격 강도를 거의 유일한 재료입니다.

 

소비재

 

저렴한 비용과 손쉬운 가공성의 장점을 가진 HDPE는 장난감이나 학용품, 가정용품같은 일상 소비재로서 널리 사용되는 재료입니다.

 

섬유

 

높은 인장강도 덕분에 HDPE는 로프, 낚시 및 스포츠 용품 뿐 아니라 농업용 또는 산업용 그물을 구성하는 섬유로써 널리 사용됩니다.

 

또 HDPE가 가지는 우수한 내화학성을 이용해 파이프나 피팅용 재료로 이용됩니다. 특히 물이나 하수 뿐 아니라 가스나 해수의 이송용 관, 연료탱크, 통신 케이블 보호 및 강관의 코팅용 재료로 적용될 수 있습니다.

 

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)

 

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 중간정도의 강성을 가지며 반투명성을 보이는 폴리머입니다. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 비교하면 측쇄(곁사슬, side chain) 정도가 더 높습니다.보통 자유 라디칼중합 공정을 통해 고압 조건(1000 ~ 3000 기압, 80 ~ 300°C)에서 생산됩니다.

 

보통 LDPE 분자는 4,000 ~ 40,000개의 정도의 탄소 원자로 구성되며 측쇄를 구성하는 사슬은 짧은 가지가 많습니다. 저밀도 폴리에틸렌 생산는 오토클래이브나 관형 반응기를 이용하는데 관형 반응기에서는 원료인 에틸렌 전환율이 높아 관형 반응기를 사용한 생산공정이 더 많이 사용되고 있습니다.

 

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 특성

 

 녹는점 : 105 ~ 115°C

 밀도 : 0.910 ~ 0.940 g/cm3

 

내화학성

 

•  우수 : 알코올, 희석 알칼리 및 산에 대한 내성
•  다소 불량 : 탄화수소, 미네랄 오일, 산화제 및 할로겐화 탄화수소에 대한 저항
•  사용온도 : 80°C (짧은 시간 95°C)

 

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 장점

 

•  저렴하지만 가공성이 우수
•  저온에서 우수한 충격 강도, 우수한 내마모성
•  저온저항성과 전기절연성이 우수
•  매우 낮은 수분 흡수율
•  투명성 (박막의 경우)

 

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 단점

 

•  응력 균열에 취약
•  낮은 강도 및 사용 온도
•  높은 가스 투과성
•  낮은 자외선 저항성
•  높은 가연성
•  고주파 용접 및 접합 불가능

 

저밀도 폴리에틸렌 (LDPE)의 응용

 

저밀도 폴리에틸렌 (LDPE)은 주로 세척병, 세척용기, 디스펜서, 일회용 가방이나 장갑 등 실험실 용품을 대상으로 사용되는 경우가 많습니다.

 

포장

 

LDPE는 유연성이 높지만 저렴한 비용으로 만들 수 있기 때문에 플라스틱 병이나, 훼손 방지용 마개, 쓰레기 봉투, 식품 포장용 필름 (냉동, 건조 제품 등)등의 포장 산업에 널리 사용됩니다.

 

파이프 및 피팅

 

저밀도 폴리에틸렌은 낮은 흡수율이 낮기 때문에 물의 이송을 위한 파이프나 호스의 제조에 사용됩니다.

 

그 이외에 가정용품, 유연성을 필요로 하는 완구, 농업용 필름, 케이블 절연체나 자켓 등으로 사용됩니다.

 

선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE)

 

선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)는 지글러-나타 또는 메탈로센 촉매를 사용하여 단량체인 에틸렌을 중합시키는 과정에 1- 부텐과 소량의 1- 헥센 및 1- 옥텐을 이용하여 만들어집니다. 구조적으로는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 유사합니다.

 

선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)의 구조는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과는 달리 짧고 균일한 가지를 가진 선형의 주쇄(골계)를 가지고 있습니다.  이러한 짧은 가지들로 인해 LLDPE는 인장력을 받을때 LPDE처럼 얽히지 않으면서 각 사슬들이 서로에 대해 미끄러질 수 있습니다. LLDPE는 LDPE의 좋은 대체제가 될 수 있는 특성을 가지고 있습니다.

 

선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)의 특성

 

•  매우 유연하지만 높은 충격 강도를 가짐
•  반투명함
•  우수한 내 화학성
•  높은 수증기 및 알코올 투과성
•  우수한 응력 균열 및 내충격성

 

 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)의 응용

 

 범용 필름, 의류 포장용 필름, 농업용 필름 등 다양한 필름 분야에 사용됩니다. 참고로 PE 필름은 연소시 잔류물 없이 물과 이산화탄소로 분해되어 유독가스가 발생하지 않습니다. 또한 가소제 또는 중금속이 포함되지 않아 친환경적이며 인체에 무해합니다.

 

초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE)

 

초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 수지보다 분자량이 10배가량 더 높은 수지입니다. 분자량은 보통 35,000에서 많게는 7,500,000에 이릅니다. 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)은 단위 분자 당 약 100,000개에서 250,000개의 단량체를 가지는 '에탄 단위'를 메탈로센 촉매의 존재하에서 반응시켜 만듭니다.

 

초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 특성

 

• 충격강도와 내마모성이 높음
• 마찰 계수는 낮음
• 화학적 반응성이 낮음

 

초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 응용

 

고온에서도 방향족, 할로겐화 탄화수소 또는 강한 산화성 물질(질산)을 제외한 다른 여러 용매들에 대해 내화학성이 우수하여 강한 부식성 분위기에서 사용이 가능합니다. 또한 튜브, 컨테이너 및 마모가 많이 일어나는 특수 분야의 소재로 적용되고 있습니다.

 

가교 폴리에틸렌 (Cross-Linked Polyethylene, XLPE)

 

XPLE라 불리는 가교 폴리에틸렌은 특수한 분야로의 응용을 위해 설계된 가교 구조의 폴리에틸렌의 형태입니다. 가교 폴리에틸렌은 폴리에틸렌에 자유 라디칼을 생성하는 유기 과산화물을 고압에서 반응시켜 생산합니다. 여기서 유기 과산화물에 의해 발생된 자유 라디칼은 중합체의 가교 결합을 생성하며 네트워크 구조를 이루게 됩니다. XPLE는 화학 물질의 저장을 위한 배관 시스템, 가열 및 냉각 시스템, 고전압 전기 케이블의 절연 피복과 같은 특수 용도를 위해 설계되고 생산되는 수지입니다.

 

가교가 일어나지 않은 PE(A)와 가교가 일어난 XLPE(B)의 분자구조

 

가교 폴리에틸렌(XLPE)의 특성

 

•  가수 분해 저항성
•  높은 전기 절연 특성
•  높은 내마모성
•  높은 압출 속도
•  저렴한 비용
•  우수한 기계적 특성

 

폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU) 및 폴리염화비닐(PVC) 튜브의 차이점

 

폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU) 및 폴리염화비닐(PVC)은 농업용 파이프, 튜빙, 호스의 제작에 널리 사용되는 대표적인 열가소성 수지입니다. 각 분야마다 요구하는 재료의 특성이 각기 다르기 때문에 하나의 플라스틱 파이프 제품이 모든 분야에 적용될 수 없습니다. 각 응용 분야별 특성을 고려하면 아래와 같이 생각할 수 있습니다

 

PU에 비해 PE는 유연성이 떨어지지만 내습성이 우수합니다. PU 파이프는 케이블 재킷, 공압 제어용 파이프, 분석 기기용 등과 같이 뛰어난 유연성, 내마모성과 꼬임 방지 특성이 함께 요구되는 경우에 사용됩니다. 반면 PE 파이프는 상대적으로 강도와 내화학성이 우수하여 광업, 매립지, 농업이나 해양과 같은 분야에 사용하기 적합합니다.

 

PVC는 내화학성, 내마모성, 고무와 같은 유연성을 가지면서도 흐름성이 우수합니다. 이러한 특성으로 인해 식품, 음료, 식수, 의료 및 화학분야에서는 PVC 파이프를 널리 사용합니다. 

 

폴리에틸렌(PE) 제품을 가공하는 방법은?

 

압출(좌측)과 사출성형(우측)의 공정 무식도

 

사출 성형, 블로우 성형, 압출 및 여러 필름 생성 공정을 이용하면 굉장히 다양한 형태의 폴리에틸렌 제품을 만들 수 있습니다.

 

고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 사출 성형, 압출, 블로우 성형 등으로 쉽게 가공 할 수 있습니다. 특히 사출 성형 공정에 이상적인 특성을 가진 재료이기 때문에 배치(Batch)타입 뿐 아니라 연속 생산에도 사용됩니다.

 

저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 또한 사출 성형이나 회전 성형으로 가공이 가능하지만 가장 널리 사용되는 가공 공정은 압출성형입니다.

 

폴리에틸렌(PE)의 재활용과 독성

 

LDPE와 HDPE는 미생물에 의해 자연적으로 생분해되지 않기 때문에 전 세계적인 환경오염으로 문제가 되고 있습니다. 다만 폴리에틸렌은 재활용이 가능하며 재활용을 통해 비식품용 플라스틱병, 실외용 플라스틱 용기 등을 만드는 데 사용됩니다

 

폴리에틸렌 그 자체는 안전하고 독성이 없지만 제조 공정 중 액체 또는 증기를 흡입하면 독성이 있을 수 있습니다.

 

폴리에틸렌(HDPE 및 XLPE)은 물과 관련된 분야의 소재로 널리 사용되고 있습니다. 가교 폴리에틸렌은 최근 식수 보급을 위한 파이프 소재로 널리 보급되어 왔지만 결합 또는 유지보수를 위해서는 특수한 피팅이 필요하며 재활용하기 어렵다는 단점이 있습니다. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 파이프는 비음용수의 응용 분야에 사용됩니다. 연구결과에 따르면 HDPE에 존재하는 미량의 물질이 물로 침출될 수 있다고 합니다. 그 오염수준은 인체에 무해한 수준이라고 밝혀졌지먀 오염정도의 안정성에 대해 의심하는 시각도 여전히 존재합니다.

 

 

폴리올레핀(Polyolefin)에 대하여