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플라스틱(plastics )

가온(加溫)함으로써 끈적끈적하게 유동화(流動化)된 상태의 고체로부터 소정의 모양으로 성형할 수 있는 유기(有機) 고분자 물질 중 천연수지 및 합성수지의 총칭. 보통 플라스틱이라고 하면 합성수지 및 그 성형물을 가리킨다.


필름 · 도료(塗料) · 접착제도 그 사용 형태상 플라스틱으로 간주된다.


플라스틱이란 가소성(可塑性) 재료란 뜻이며, 그리스어 plastos(형성되다)에서 유래한다.


합성고분자 물질은 아니지만, 니트로셀룰로오스를 장뇌(camphor)로 가소화(可塑化)한 셀룰로이드가 플라스틱의 선구이다.


셀룰로이드는 1868년 미국의 하이어트 형제가 발명했다.


합성고분자로서의 플라스틱은 1907년 미국의 L. H. 베이클랜드가 페놀수지의 발명 특허를 신청한 데서 비롯된다.


이어 21년에 요소 수지, 39년에 멜라민 수지 등의 열경화성수지가 발명되었으며, 제2차 세계대전 후에는 주로 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지 등의 공업적 생산으로 이어졌다.


또한 열가소성 수지는 아크릴 수지(27년)에 이어 폴리염화비닐 · 폴리스티렌이 생산되고, 고압법의 폴리에틸렌 등의 공업적 생산이 뒤따랐다.


50년대에 치글러-나타형 촉매(觸媒)가 발명되어, 저압법 폴리에틸렌, 입체 규칙성 폴리프로필렌의 공업적 생산이 시작되었다.


현재 폴리염화비닐 · 폴리스티렌 · 폴리프로필렌 · 폴리에틸렌이 4대 플라스틱으로, 세계 생산량의 60% 이상을 차지하고 있다.


30년대 후반부터 폴리아미드(나일론)나 플루오르 수지도 만들어지고, 각각 특이한 성질을 이용, 당시는 주로 군수용으로 쓰였다.


제2차 세계대전 후에 개발된 폴리카보네이트나 폴리아세탈 수지는 일반 플라스틱에 비해 튼튼하고 내열성 · 내구성이 뛰어나 금속 재료를 대신해 기계 구성 요소로서 쓰여 왔으며, 특히 이들을 엔지니어링 플라스틱이라고 한다.


합성섬유나 고무는 플라스틱과 약간 성질이 다르고, 각각 특징을 갖고 있으므로, 복합하여 내충격성 · 강직성 · 내용(耐用)온도를 현저하게 개선하는 복합화 기술이 플라스틱의 재료로서의 용도를 확대했다.


또한 ABS수지에 의한 합성목재나 섬유강화 플라스틱(FRP)으로도 이용되고 있는데, 소형 선박의 선체나 골프 클럽 샤프트, 라켓, 낚싯대 등이 그 사용 예이다.


발포체(發泡體)로서 폴리우레탄이나 폴리스티렌도 각종 용도에 응용되고 있다.


플라스틱은 원유가 1배럴에 1달러 28센트였던 70년경까지의 십여 년 동안에 이를 원료로 하여 크게 발전해 왔다.


일반적으로 성형이 쉽고 가볍고 부식하지도 않으며 내수성이나 전기절연성이 뛰어나고, 착색도 가능하나 금속에 비해 내열성이 부족하고 탄성률이 작은 것이 결점인데, 이것을 개량해 나가는 한 방법이 복합화이다.


〔분류〕 플라스틱은 고분자 화합물의 분자구조에 따라 열가소성 수지와 열경화성 수지로 분류된다〈표1〉.


① 열가소성 수지 : 열가소성 플라스틱이라고도 하며, 선상(線狀)구조의 고분자 집합인데, 이것을 가열해 나가면 [그림 1]처럼 분자의 열운동이 왕성해져 분자의 얽힘이 풀림으로써 고체의 중합체(폴리머)가 부드러워지고 끈적끈적한 액체가 된다.


즉, 열분해가 일어나기 직전까지 가열, 액체 상태에서 틀 속으로 밀어 넣어 냉각해서 성형한다.


선상 중합체는 그것을 용해하는 적당한 용매를 가하면 [그림 2]처럼 서로 얽힌 중합체 분자가 풀려 고분자의 둘레에 용매 분자가 배위(配位)하고, 용매에 녹는 상태가 된다.


이와 같은 열가소성의 선상 중합체에는 폴리염화비닐 · 폴리스티렌 · 폴리에틸렌 등이 있다.


보통의 폴리스티렌 · 폴리메타크릴산메틸 · 폴리카보네이트 등은 비결정성이며, 무정형(無定形) 고분자라고도 한다.


폴리염화비닐은 가는 결정 부분을 포함하지만, 전체로서는 무정형 중합체에 가까운 성질을 보인다.


무정형 중합체는 유리전이온도를 경계로 저온측에서는 무르고 딱딱한 유리상태를 나타내고, 고온측에서는 부드러운 고무모양의 성질을 나타내므로, 실용면에서는 사용 온도가 중요하다.


결정성 중합체는 고분자 물질이기 때문에 부분적으로밖에 결정하지 않으며, 용융상태에서 냉각하여 성형하는 경우의 결정화(結晶化)에서는, 처음에 석출한 결정핵에서 방사상으로 접은 결정으로 성장, 큰 구결정(球結晶)을 형성하면 자연 광선의 파장에 대해 불투명이 된다.


폴리에틸렌병이 불투명한 것은 그 때문이다.


결정성 중합체를 잡아 늘여 고도로 배향(配向)시키면 다발모양의 미결정(微結晶)이 생성되며, 이를 열처리해서 결정화를 진행시키면 고강도의 내열성이 좋은 중합체가 되어 합성섬유나 연신(延伸)필름으로 이용된다.


중합체의 결정화도(結晶化度)는 X선에 의해 간단히 구할 수 있다.


② 열경화성 수지 : 열경화성 플라스틱이라고도 하는 고분자 물질인데, 그것을 구성하는 단량체(모노머)의 결합이 3차원의 입체적인 구조를 가진 것이다.


3차원 중합체 또는 가교(架橋) 중합체라고도 부른다.


3차원 입체구조로 만들어진 것은 서로의 분자가 굳은 결합으로 가교화(架橋化)되어 있기 때문에 가열해도 액체가 되지 않는다.


더욱 강하게 가열하면 중합체의 열분해가 일어난다.


어떤 용매에도 녹지 않으며, 어떤 종류의 용매에서는 팽윤(膨潤)한다.


열경화성 수지의 성형은 분자량이 작은 단위체나, 다소 고분자가 되어 있지만 아직 선상구조여서 가열에 의해 용융할 정도의 부분중합체를 틀 속에 넣고, 가열한 틀의 내부에서 화학반응을 시켜, 가교화를 완성해 불용불융성의 3차원 그물구조를 형성시킨다.


열경화성 수지는 반응할 수 있는 작용기(作用基)를 3개 이상 가진 다작용성(多作用性) 구조 단위를 가진 물질을 출발 물질로 하고 있다.


경화물 물성을 지배하는 것으로 가교 밀도가 있으며, 이 밀도가 높을수록 단단해지고 내열성도 상승하지만, 깨지기 쉽게 된다.


일반적으로 다량의 충전제(filler)나 보강제를 혼합해 기계적 강도, 내열성, 전기특성 등을 개량하거나, 종이나 직포(織布) 혹은 유리 매트 등에 단위체 내지 부분중합체의 저점성도(低粘性度)의 형태로 함침(含浸)시키고, 가압 · 가열에 의해 적층판(積層板 ; laminate)의 형태로 한 이용법도 널리 쓰인다.


도료 · 접착제 등도 시공할 때는 저점성도 · 이용성(易溶性)의 특징을 살려 완성시 3차원 구조를 갖게 하는 용법으로서 다량으로 사용되고 있다.


성형법도 가열에 의해 성형과 가교화가 동시에 또는 연속해서 일어나므로, 열가소성의 것과 다른 성형법이 채용되는 경우가 많다.


〔일반적인 제조법〕정유공장에서 화학용으로 보내지는 원료 가운데 나프타(조제(粗製) 가솔린)가 가장 중요한데, 이것을 분해하면 에틸렌 · 프로필렌 · 부텐 · 부타디엔과 같은 올레핀과 벤젠 · 톨루엔 · 크실렌 등의 방향족 탄화수소가 얻어진다.


나프타보다 끓는점이 훨씬 높은 중질(重質) 경유와 정유소 가스가 나프타에 이어지고, 천연가스도 이용되고 있다.


이들의 합성가스(수소와 일산화탄소)는 암모니아 · 메탄올(메틸알코올) · 포르말린의 원료이다.


나프타 분해에 의해 얻어진 기본원료를 조합하여 플라스틱 원료의 단위체를 제조해 나간다.


유기합성 화학상 가장 중요한 것은 에틸렌과 벤젠이다.


[그림 3]은 단위체에서 중합체로, 다시 이것을 성형하여 플라스틱의 성형품을 만드는 전공정(前工程)까지의 제조공정례이다.


〔성형 가공〕플라스틱의 성형용 소재의 형태는 ① 액체(단위체 · 용액 · 부분중합체 등) ② 분말, 플레이크, 펠리칩 등 ③ 유탁액(乳濁液 ; 에멀션 · 라텍스등) ④ 페이스트 등인데, 액체인 것은 틀에 부어 중합을 완결시키며, 천이나 종이 등에 함침(含侵)시켜 건조하여 가압 · 가열하에 성형한다.


분말상의 것은 대부분 펠릿(pellet)의 형태로 이용한다.


펠릿이란 플라스틱에 착색제 · 층전제 등을 섞어 가름한 막대 모양으로 성형한 것을 짧게 절단한 것인데, 지름 또는 한 변이 2~3cm의 원기둥 또는 각기둥 모양의 것이다.


유탁액이나 페이스트 수지 등은 각각 적합한 성형 가공법이 있다.


성형 가공은 소재의 전처리(前處理), 1차 성형 가공과 2차 성형 가공으로 나눌 수 있다.


전처리란 중합체와 첨가제의 혼합 · 혼련(混練) · 건조 · 분쇄 등의 처리이고, 1차 성형 가공은〈표 2〉에서와 같은 성형 가공법을 의미한다.


2차 성형 가공이란 1차에서 만들어진 성형품을 후가공(後加工)해 부가가치를 높이는 가공으로서 접착 · 인쇄 · 도장(塗裝) · 메탈라이징(도금을 포함한 표면 가공) 등이다.


〔구조와 성질〕 ① 분자량과 분자량 분포 : 합성된 플라스틱의 분자는 단일한 분자량 성분으로는 성립되지 않으며, 분자량이 다른 동족체(同族體)의 혼합물이다.


이것은 중합체의 합성법이 통계적인 규칙에 따르기 때문이며, 그 분자량은 평균 분자량이다.


평균이란 여러 가지 크기의 분자량이 분포하고 있음을 의미하며, 예를 들면 [그림 4]와 같다.


다분산성(多分散性)이 넓은 폭인 것일수록 비(非)결정성이며 가소성(可塑性)을 나타낸다.


어느 정도의 결정성을 가지며 분자량이 큰 플라스틱은 강인하지만, 그 정도를 지나면 성형성이 나빠지고 실용에 부적합하다.


② 화학구조 및 입체구조와 결정성 : 플라스틱의 화학구조와 성질의 관계는 실제의 제품에는 여러 가지 첨가제가 사용되고 있으므로 논의하기 어렵다.


예컨대 〈표 3〉처럼, 구성하고 있는 원자단의 종류가 플라스틱의 성질에 미치는 효과가 나타난다.


화학구조와 함께 중요한 요인은 플라스틱 구성 분자 사슬의 입체구조와 결정성(結晶性)이다.


결정화는 플라스틱의 역학적 성질의 온도 특성 등과 관계가 있다.


무정형의 것은 T를 넘으면 탄성률은 3~4자리나 저하하여 유리상태에서 고무상태로 변하는 데 대해 결정성의 것은 비교적 높은 탄성률을 유지하고 있다.


중합체의 결정은 긴 분자 사슬의 일부분이 정해진 형태를 취해 규칙적으로 배열한 것이며, 폴리에틸렌에서는 저압법(低壓法)으로 만들어진 것만이 주(主)사슬 결합이 트랜스형 배치이고 한 방향으로 뻗은 평면 지그재그 상태를 취한다.


이와 비슷한 결정형은 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈산(테토론) 등이 있다.


CH=CHR라는 비닐 단위체를 중합시키면 머리와 꼬리가 결합한 중합체가 된다[그림 5].


이 중합체의 탄소-탄소 결합은 109.28˚의 각도를 가지므로 [그림 6]과 같은 배치가 된다.


치환기(置換基) R가 [그림 6]과 같은 3종류의 다른 공간 배치를 취할 수 있는 가능성을 갖고 있다.


이 탄소-탄소 결합의 위를 사람이 걷는다고 하자. (a)에서는 걸어가는 사람이 항상 위쪽에서 치환기 R를 발견하고, (b)에서는 아래위 번갈아가며 R를 발견하며, (c)에서는 위와 아래에서 발견하는 비율은 불규칙적이지만 전체로서 절반씩인 경우이다.


(a)의 입체 배치를 가진 중합체를 아이소택틱 중합체(isotactic polymer), (b)를 신디오택틱중합체(syndiotactic polymer), (c)를 어택틱 중합체(atactic polymer)라고 명명한다.


(a)와 (b)의 규칙적인 배열을 입체규칙성이라고 하는데, 그 때문에 고분자 결정성을 가진다.


규칙성이 없는 어택틱 중합체는 결정화하기 어렵다.


그러나 폴리비닐알코올은 예외적으로 어택틱 인데도 결정화한다.


입체규칙성을 만들기 위한 조건은 특수한 촉매나 중합 조건을 필요로 하며, 보통의 조건에서는 어택틱 중합체가 생성된다.


열경화성 수지에서는 분자구조가 불규칙적이며, 가교나 분지(分枝) 때문에 분자사슬의 열운동이 속박되고 결정화되지도 않는다.


이 경우의 기계적 강도를 지배하는 인자나 유리전이온도 등을 지배하는 인자는 가교 밀도이다.


〈표 4〉를 보면 플라스틱의 구조인자가 그 성질에 어떻게 영향을 주는지 알 수 있다.


③ 기계적 성질 : 플라스틱을 포함한 고분자 물질을 재료로서 이용할 때는 그 기계적 성질의 평가가 필요하다.


여러 가지 고분자 물질, 예컨대 폴리스티렌 · 폴리에틸렌 · 천연고무의 3종류의 인장(引張) 시험을 실시했을 때, 잡아당기는 힘(응력)과 그에 의해 생기는 변형과의 관계는 [그림 7]과 같다.


시료(試料)인 막대(단면적 1m)에 힘을 가해 잡아당기면 [그림]과 같은 곡선이 얻어진다.


폴리스티렌은 결정성이고 강직하므로 조금만 늘어나도 절단된다.


폴리에틸렌은 처음에는 응력에 비례해 변형되지만, 항복점을 지나면 약간의 외력(外力)의 변화로 변형량이 큰 상태, 즉 폴리에틸렌 분자가 그 막대의 내부에서 당기는 방향으로 유동하고, 분자의 재배열이 일어난다.


천연고무는 근소한 외력의 변화로 심하게 늘어난다.


이른바 고무 탄성으로 힘을 제거하면 본래의 길이로 돌아가는데, 더욱 잡아당기면 분자가 재배열해 결정화되고 마지막에 끊어진다.


열경화성 수지의 기계적 성질은 폴리스티렌에 가까운 형상을 보이지만, 파괴 강도는 더 큰 값을 나타내는데, 이는 분자 내에 가교구조를 갖고 있기 때문이다.


기계적 성질을 평가하는 편의적인 방법은 테스트 피스를 만들어 인장시험을 실시해 [그림 7]의 (a)와 같은 응력-변형량 곡선을 얻는다.


그 곡선의 모양이나 사선을 그은 면적의 대소로 [그림 7]의 (b)와 같은 성질이 평가된다.


최근에는 [그림 8]과 같이 가운데가 잘록한 테스트 피스를 만들고, 구멍이 뚫린 데를 좌우로 벌려 잘록한 데서부터 파괴되어 가는 에너지 G을 측정한다.


〈표 5〉는 각종 플라스틱의 경도(硬度)를 나타낸 것이고, 〈표 6〉은 마찰계수를 나타낸 것이다.


금속과 대비한 플라스틱의 특징은 녹이 슬지 않고 가벼운 점인데, 결점은 탄성률(플라스틱에 가한 힘을 변형량으로 나눈 값으로, 응력의 종류에 의해 여러 가지 탄성률이 있으며, 플라스틱의 물성값으로서 대표적인 것)이 작고 내열성이 부족한 점이다.


〔열적(熱的) 성질〕 플라스틱의 연화점(軟化點)이나 열분해 온도는 성형 가공 때의 중요한 정보이다.


플라스틱 제품을 사용할 때는 장기적으로 연속 사용시의 내열(耐熱)온도, 반복 내열온도나 열에 의해 변형되는 온도(열변형 온도) 등의 데이터를 알 필요가 있다.


〈표 8〉은 일반적인 플라스틱의 사용가능 온도를 나타낸 것이다.


내열성은 그 구조에 따라 다르며, 열가소성 수지에서는 플라스틱을 구성하는 원자의 종류와 그들의 결합수(結合手)의 강약, 분자량의 대소, 그리고 열경화성 수지에서는 가교 밀도 등이 관계된다.


열가소성 수지의 선팽창계수는 금속의 약 10배로 1×10/K 정도이다.


이 큰 수치는 공학적인 이용에서 결점이 되는 경우가 많지만, 복합화함으로써 금속과 비슷한 정도의 수치로 개선할 수 있다.


플라스틱은 일반적으로 열을 전달하기가 어렵다.


열전도율은 금속재료의 1/100 정도이다.


단열재(斷熱材)로서 쓰이는 것은 발포(發泡) 플라스틱인데, 열전도율은 더욱 작다.


① 전기적 성질 : 플라스틱은 절연체로서 쓰인다.


또한 그 필름 등을 고주파 유전(誘電) 가열에 의해 융착(融着)시키고, 표면에서의 정전기 발생에 의한 오염 등과 관계되는 체적 비(比)저항, 절연강도, 유전율(誘電率) 등의 값이 측정되고 있다.


② 내후성(耐候性)과 내광성(耐光性) : 옥외에서의 사용 수명을 좌우하는 것은 주로 자외선에 의한 광열화(光劣化)이다.


이에 대해 안정제의 첨가나 무기질 충전제의 혼합 등 방법이 쓰인다.


플라스틱에 빛, 특히 단파장인 자외선을 쬐면 그 에너지가 흡수되어 광분해(光分解)가 일어나는 수가 있으므로, 광안정제를 첨가하여 성형하는 예가 많다.


③ 난연성 : 탄소가 주성분인 플라스틱은 연소한다.


난연제(難燃劑)나, 분자구조 중 연소시 비활성기체를 방출, 공기를 차단시키는 원소를 도입하여, 급격한 연소를 억제하는 것이 난연화(難燃化) 대책이다.


〈표 10〉은 각종 플라스틱의 산소지수이다.


산소지수란 그 재료를 연소시키기 위해 필요한 최소 산소량으로, (100×산소)/(산소+질소)로 나타내며 숫자가 작은 것이 연소되기 쉽다.


〔플라스틱 폐기물의 처리〕생산량 증대와 함께 사용 후 폐기 문제가 심각하게 대두되고 있다.


본래 플라스틱은 ① 미생물에 의해 분해되지 않고 ② 공기 속 또는 수중에서도 안정하며, 분해되거나 용해되지 않고(수용성 플라스틱은 예외) ③ 연소시키면 발열량이 크고 고열을 내며 다량의 공기를 필요로 하거나 유해 가스나 검은 연기를 내는 것이 있고 완전히 연소하지 않는 것도 있으며 ④ 쓰레기 중에서 플라스틱만을 선별, 분해하는 일이 어렵다는 문제점을 안고 있다.


현시점에서는 가정에서의 플라스틱 폐기물은 쓰레기 처리장에서 처리되고 있으며, 다량의 플라스틱 폐기물에 대해서는 전용의 처리장에서 처리된다.


농업용의 폴리염화비닐 필름 폐기물처럼 동일품질의 것이 다량으로 폐기될 경우에는 다른 용도로의 재생 이용도 이루어지고 있다.


〔앞으로의 전망〕3대 소재로 일컬어지는 금속 · 세라믹스 · 고분자 재료 가운데 플라스틱은 여러 가지 특성을 가지며, 석유를 원료로 하므로 값싸게 대량 생산되고 있다.


플라스틱에 화학 반응을 이용하여 전기전도성 · 감광성 · 분리성 · 에너지 변환성 · 생체적합성 등 여러 가지 기능을 갖게 한 기능성 플라스틱(functional plastics)이 특수 재료로서 그 가치를 더하고 있다.


또 하나의 발전은 복합화이다.


2종류 이상의 이질 · 이형(異形)의 소재를 여러 가지 방법으로 조화시켜 소재 홑원소물질(單體)로서는 갖지 못하는 뛰어난 성질을 가질 수 있도록 하는 것이다.


보통 플라스틱은 섬유로 강화하는 경우가 많으며, 이를 섬유강화 플라스틱이라고 하는데, 입자 분말로 강화하는 예도 있다.


















 





























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