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쉽게 이해하는 화학용어 4 #폴리머와 #모노머
[생활 속 원소 이야기 5] 탄소와 수소의 조합으로 이뤄진 플라스틱
폐플라스틱에서 새로운 자원으로, 재생 플라스틱의 미래!
플라스틱 생산부터 재활용까지! 차세대 촉매 기술의 모든 것!
아빠가 즐겨 마시는 홍삼액을 담는 파우치, 엄마가 즐겨 마시는 커피가루를 담는 지퍼팩 포장지, 끓는 물에 간편하게 데워 먹을 수 있는 3분 짜장이 담긴 레토르트 파우치, 하루 한 알씩 먹는 비타민이 담긴 통. 정말 다양한 포장용기가 실생활에 사용되고 있어요. 석유화학의 발전 과정에서 만들어낸 많은 물질들이 이 포장용기들을 만드는 원료입니다. 어떤 것들이 있는지 알아 볼까요?
음식 보관용 랩, 주방 식기, 플라스틱 장난감의 주 재료는 폴리에틸렌입니다. 1960년대에 태어나 우리의 삶에 깊숙이 자리잡은 플라스틱입니다. 지금 생산되는 플라스틱의 절반 이상이 폴리에틸렌일 만큼 다양한 물건을 만드는 데 쓰이며 많이 소비되고 있지요. 영국 화학회사 임페리얼케미컬인더스의 과학자들은 에틸렌 기체를 가지고 갖가지 실험을 하다가 우연히 폴리에틸렌을 만들게 됩니다. 에틸렌 기체 속으로 들어간 산소가  '촉매'작용을 하면서 에틸렌이 고분자로 합성되게 한거죠. (* 촉매 : 화학반응 속도를 증가시키면서 자신은 변하지 않는 물질) 이렇게 폴리에틸렌이라는 긴 사슬 모양의 고분자가 만들어졌답니다. 폴리에틸렌 입자는 짜잔~ 이렇게 투명한 쌀알갱이 모양이예요.
이후 폴리에틸렌을 만드는 보다 효율적인 방법들을 통해 간단하면서도 저렴하고, 열과 압력에 더 잘 견디는 폴리에틸렌이 만들어져 우리 생활에 이용되기 시작하였습니다.
폴리에틸렌은 포장용기나 포장용품을 만드는 데에도 빠질 수 없는 재료입니다. 특히 기내식처럼 음식물을 간편하면서 효율적으로 포장해서 운반할 때 가장 많이 쓰이는 포장지입니다. 즐겨 마시는 음료수 팩의 포장지를 보면 “포장재 : 폴리에틸렌(PE)”라고 적힌 문구를 쉽게 찾을 수 있습니다.
원유에서 나프타를 얻고, 나프타에서 다시 에틸렌을 얻어낸 다음이 에틸렌을 중합시키면 폴리에틸렌이 만들어 집니다. 이 폴리에틸렌은 밀도에 따라 저밀도 폴리에틸렌과 고밀도 폴리에틸렌으로 나누어 지지요. 포장지로 많이 쓰이는 건 저밀도 폴리에틸렌입니다. 잘 늘어나며 충격에 강하고, 가공하기 쉬우면서 값싸게 만들 수 있기 때문에 식품 포장 봉투나 쇼핑백 등 일상적으로 사용하는 포장재로 널리 쓰이고 있어요. 약품과의 반응성이 낮기 때문에 각종 약을 포장하는 용기로도 이용되고 있습니다.
# 폴리에틸렌의 형제, 폴리프로필렌(PP)
석유화학 공정을 통해 만들어지는 폴리프로필렌은 폴리에틸렌과 비슷한 구조를 가지고 있지요. 프로필렌은 에틸렌과 비슷하며 에틸렌보다 탄소원자를 하나 더 가지고 있습니다.
프로필렌은 액화석유가스로 쓰이는 기체지만 여기에 열과 촉매를 가하여 '중합'하면 단단한 고분자 물질인 폴리프로필렌이 만들어집니다.
(* 중합 : 분자가 2개 이상 결합하여 더 큰 분자로 만들어지는 반응)
고밀도의 폴리프로필렌은 폴리에틸렌보다 내구성이 좋기 때문에 기기 부품으로 많이 이용되며 케이블에도 쓰입니다. 또한 음식을 포장하는 용기로도 제격이라 폴리에틸렌과 함께 음식 포장용기를 만드는 주요한 소재로 이용되고 있어요. 열에 잘 견디고 투명성도 좋기 때문에 각종 케이스, 화장품 용기, 의류포장에 쓰이고 있지요. 또한 폴리프로필렌은 포장용 접착테이프로도 사용되고 있답니다.
# 폴리에틸렌을 업그레이드한 OPP 필름(OPP)
OPP(oriented polypropylene)필름은 폴리에틸렌을 가공해 만든 필름입니다. 폴리에틸렌보다 충격에 강하고 습기에 무척 강합니다. 게다가 냄새나 독성이 없어 위생적이기에 음식 포장에 더할 나위 없이 좋지요.그래서 과자나 라면 포장지로 이용되고, 필름 막에 수증기가 쉽게 맺히지 않게 처리할 수 있어서 물이 묻으면 안되는 야채나 과일 포장지로도 자주 쓰인답니다.
또, 이 필름은 무광택으로 만들거나 진주광택, 흰 광택이 나게 만들면 포장지 표면이 아름다우면서 인쇄가 잘 됩니다. 그래서 아이스크림 포장지나 초콜렛 포장지, 비누 포장지 등 고급 포장지로 애용되지요. 알루미늄을 더하면 광택이 좋아지면서 가스나 물기의 차단력이 더 우수해지기 때문에
과자나 선물 포장재로 이용된답니다.
# 충격에 끄떡없는 포장, 스티로폼
더운 여름날 아이스크림을 사가지고 가는 동안 녹아서 줄줄 흘러내려 낭패를 본 적 없나요? 이 고민을 말끔하게 해결해 주는 포장재가 발포폴리스티렌입니다. 방향족 탄화수소인 스티렌 분자가 결합해 길게 이어진 것이 폴리스티렌인데요, 1930년대에 만들어진 이 물질은 산과 염기성 물질에도 잘 견디며 물에 젖지 않고 전기를 잘 차단하는 성질을 가지고 있습니다. 그래서 각종 용기를 만드는 데 이용되었습니다.
폴리스틸렌에 이산화탄소 같은 발포제를 섞어서 부풀리면 발포폴리스틸렌으로 변신하지요. 이것이 우리에게 ‘스티로폼’으로 익숙한 물질입니다.
스티로폼이라는 이름은 미국 다우케이컬사가 발포폴리스틸렌에 붙인 상표명에서 왔어요. 발포폴리스틸렌의 빈 공간은 공기로 채워져 열을 잘 이동시키지 않습니다. 그래서 건물 벽 사이에 끼워서 열을 차단하는 재료로 쓰이지요. 이 성질을 이용해서 아이스크림이나 차게 보관해야 할 신선식품을 포장하는 케이스로 이용되고 있습니다.
발포폴리스틸렌은 공기로 가득찬 빈 공간이 충격 흡수를 잘 해내기 때문에 컴퓨터와 같이 충격에 민감한 가전제품을 포장하거나 접시, 컵처럼 깨지기 쉬운 물건의 포장에도 널리 쓰이고 있습니다.
음료수병의 조건엔 뭐가 있을까요?
일단 음료를 안전하게 담아낼 강도를 가지고 있어야 합니다. 그리고 맥주나 청량음료처럼 탄산이 녹아 있는 경우 내부 기체 압력을 이길 수 있을 만큼의 힘을 지녀야 할 거예요. 또, 뭐가 들었는지 보이면 좋을 테니 투명했으면 좋겠지요. 또한 뜨겁게 살균 처리한 음료를 부어도
변형되지 않게 어느 정도 열에도 강하면 금상첨화일 듯 합니다.
이런 조건을 모두 만족시키는 물질이 바로 폴리에틸렌 테레프탈레이트입니다. 간단히 페트(PET)라 부르지요. 페트병의 그 페트예요. 아주 친근한 이름이죠?? 사슬구조의 폴리에스테르로 열가소성 수지에 속합니다. 강도가 좋고 마모에도 강하기 때문에 필름이나 섬유용으로 사용됩니다.
페트는 포장용기, 특히 음료수병에 안성맞춤입니다. 요즘 인기 있는 기능성 음료나 혼합차도 모두 이 페트병에 담겨 있습니다. 페트병은 폴리에틸렌으로 만든 병보다 단단하면서 외부 물질의 차단력이 훨씬 좋습니다. 그래서 내용물을 보다 안전하게 담을 필요가 있을 때 페트병을 사용하지요.
알루미늄은 가벼운 금속이므로 항공기나 차량 등의 주 재료로 쓰입니다. 몸체를 가볍게 해 속도를 내기 좋게 해 주거든요. 산소와 반응을 잘 하지 않아 비교적 안정된 금속이므로 식기에도 쓰입니다. 가볍고 녹슬지 않기 때문에 음료수의 캔으로 애용되고 있지요.
알루미늄은 포장지의 세계에서도 잘 나가는 금속입니다. 늘어나는 성질인 연성이 좋기 때문에 매우 얇게 만들 수 있어 주방에서 쓰는 호일이나 고급 포장용지로 제작이 가능하거든요.  특히 알루미늄 호일은 빛을 완전히 가려주기 때문에 장기간 보존해야 하는 음식을 포장하는 데 쓰이고 있습니다. 또한 알루미늄은 OPP필름이나 PET 등과 더하여 과자나 라면의 포장재로 이용되고 있어요.
이렇게 석유화학의 발전으로 만들어진 PE, PP, OPP, PET 등의 물질들은 포장지 계를 지탱하는 든든한 버팀목이 되고 있답니다. 지금, 주변에 있는 포장용기와 포장지를 한번 살펴보세요. '포장재질'에 이름이 뭐라고 써있나요?
* 참고문헌: 플라스틱재료독본(플라스틱재료연구회 저)
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