폴리프로필렌
[ PP ]
약어 | polypropylene |
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폴리프로필렌은 탄소 3개로 이루어진 프로필렌 단량체가 사슬 성장 중합하여 얻어지는 열가소성 고분자 소재이다. 폴리에틸렌과 함께 대표적인 폴리올레핀계 고분자이다. 포장, 섬유, 필름, 자동차 부품, 보관 용기, 의료용 제품 등 넓은 용도로 쓰인다. 2013년 기준 5천 5백만 톤이 생산되어 소비되었다. 폴리에틸렌에 이어 2번째로 많이 생산되는 고분자 재료이다.
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폴리프로필렌 (출처: 대한화학회)
목차
폴리프로필렌의 역사
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줄리오 나타 ()
1951년 필립스 석유의 폴 호간(J. Paul Hogan)과 로버트 뱅크스(Robert Banks)가 최초로 프로필렌을 중합하였다. 1954년 이탈리아의 화학자 줄리오 나타 (Giulio Natta)는 결정성을 가지는 아이소택틱(isotactic) 폴리프로필렌을 처음 합성하였다. 아이소택틱 폴리프로필렌은 1957년 독일 획스트 (Hoechst), 이탈리아 몬테카티니(Montecatini), 미국 허큘레스(Hercules)에서 상업 생산을 시작하였다. 이후 신디오택틱 폴리프로필렌의 합성법도 개발되었다. 한국에서는 1972년 대한유화에서 일본 치소(Chisso)사의 기술을 도입하여 처음 상업 생산을 시작하였다. 2015년 국내 폴리프로필렌 생산량은 연 436만톤으로 세계 5위 이다.1)
폴리프로필렌의 구조
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폴리프로필렌의 입체 구조 (출처: 대한화학회)
폴리프로필렌은 각 반복 단위의 메틸 작용기의 상대적인 위치에 따라 다른 물성을 가진다. 메틸 작용기의 위치가 불규칙한 어택틱 폴리프로필렌, 메틸이 고분자 주 사슬에 대해서 한쪽 방향으로 배향된 아이소택틱 폴리프로필렌, 메틸이 주 사슬에 대해 앞 뒤로 교대 배열을 가지는 신디오택틱 폴리프로필렌으로 구분된다. 아이소탁틱 및 신디오택틱 폴리프로필렌의 사슬은 규칙적인 나선 구조를 형성하며, 이 규칙성은 사슬과 사슬간의 배향을 쉽게하여 결정상을 이룬다. 그에 반하여, 어택틱 폴리프로필렌은 불규칙한 배열로 결정을 형성하지 않는다. 사슬간의 인력이 상대적으로 강한 아이소택틱 및 신디오택틱 폴리프로필렌은 단단한 물성을 가지는데 반하여 어택틱 폴리프로필렌은 상온에서 물렁물렁한 물성을 가진다. 상용되는 폴리프로필렌의 대부분은 아이소택틱 폴리프로필렌이다.
폴리프로필렌의 물성
폴리프로필렌은 탄소와 수소로만 이루어진 지방족 탄화수소이고, 폴리에틸렌과 유사한 특성을 가진다. 특히 용해도와 전기적 특성에서 유사하다. 하지만 메틸 작용기의 추가에 따라 폴리에틸렌에 대비하여 기계적인 성질과 내열성이 우수하다. 하지만 내화학성 및 내산화성은 상대적으로 떨어진다. 아이소택틱 폴리프로필렌은 사슬간의 결정성을 향상시켜 폴리에틸렌이나 어택틱 폴리프로필렌보다 강하고 변형에 잘 견딘다.
기계적 성질![](https://img-api.cboard.net/img_n.php?image_url=https://dbscthumb-phinf.pstatic.net/5506_000_1/20180704185902831_796AX9NRI.png/PP_hinge.png?type=w540_fst_n)
폴리프로필렌 경첩 ()
폴리프로필렌은 폴리에틸렌보다 밀도가 낮다 (0.895-0.920 g/cm3). 범용 고분자 재료 가운데 밀도가 가장 낮다. 기계적으로는 강하면서도 유연하다. 반복적인 구부러짐에 대해 우수한 물성 유지 능력을 가져 플라스틱 경첩 부분에 사용한다. 에틸렌과 공중합 된 경우 기계적 특성은 더 개선이 되어 ABS와 같은 고강도 플라스틱 재료와 경쟁할 수준에 이른다.
열적 성질2)열적 성질은 미세 구조의 배열에 따라 변화한다. 높은 수준의 아이소택틱 구조로 이루어진 PP는 녹는점이 170도까지 보고되었다. 상용 아이소택틱 PP는 일반적으로 160-165도에서 녹는다.3) 일부 문헌이나 자료에서는 신디오택틱 PP가 아이소택틱 PP 대비 녹는점이 낮다고 보고하고 있지만, 높은 수준의 신디오택틱 PP의 녹는점은 아이소택틱 PP와 유사한 160도 이상의 녹는점을 가진다. 0도 이하에서 폴리프로필렌은 잘 부스러지는 성질을 나타낸다. 열팽창 계수는 8 - 10 x 10-5 cm/(cm °C) 범위이며, 폴리에틸렌(10-20 x 10-5 cm/(cm °C))에 대비하여 낮지만 타 재료보다는 높다.4) 유리 섬유 (Glass fiber)등과 혼합 가공하여 열팽창 정도를 개선할 수 있다.
화학적 성질폴리프로필렌은 상온에서 대부분의 화학 제품에 대해 안정하다. 일부 강한 산화제의 경우 탄소-수소 결합에 변형을 준다. PP로 제작된 용기에 일반적인 산/염기 물질의 보관이 가능하다. 높은 온도에서 PP는 비극성 유기 용제에 녹는다. 100도 이상의 고온에서 고분자 사슬의 변형 및 분해가 쉽게 발생한다. 산소에 의한 산화 반응이 폴리에틸렌에 비하여 빠르다. PP 제품의 야외 사용시에 제품의 갈라짐 및 재료의 강도가 약해지는 현상이 자주 발생한다. 이와 같은 변형을 보호하기 위하여 산화 방지제를 첨가하여 가공한다.
폴리프로필렌의 제조법
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메탈로센 촉매와 생성 폴리프로필렌의 구조 (출처:대한화학회)
일반적인 상용 폴리프로필렌은 아이소택틱 구조이며, 지글러-나타 촉매를 이용하여 제조하는 것이 일반적이다. 매우 높은 수준의 아이소택틱 구조를 가지는 폴리프로필렌 또는 다른 알파-올레핀과 공중합된 기능성 폴리올레핀은 메탈로센 촉매로 제조한다. 신디오택틱 폴리프로필렌은 메탈로센 촉매를 이용하여 제조한다.5) 2002년 아토피나 석유화학(Atofina Petchem)에서 신디오택틱 폴리프로필렌의 상업 생산을 처음 개시하였다.6)
폴리프로필렌의 용도
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폴리프로필렌 포장재 (출처: 대한화학회)
폴리프로필렌은 가장 저렴한 고분자 재료 중에 하나이다. 2017년 기준 1,500원/kg 수준에서 거래되었다.7) 일반적인 특성으로 단단함, 투명함, 내화학성, 내피로성, 내열성을 가진다. 또한, 다양한 첨가제와 보강제를 혼합 가공하여 그 물성을 향상하며 다양한 가공법의 발전에 따라 PP를 포함하는 저렴하고 우수한 물성의 재료들이 개발되어, 고가의 엔지니어링 플라스틱 소재들을 대체해가는 추세이다.
포장재필름 소재로서 널리 사용되는 폴리프로필렌은 투명성, 우수한 천공 저항성, 가격 경쟁력을 바탕으로 음식 및 과자류, 담배, 의류 포장에 사용한다. 또한, 제품 보호를 위한 단단한 외장 포장제조에도 사용한다. 일회용 커피 컵의 뚜껑, 플라스틱 음료수 뚜껑의 주요 재질이다.
자동차 소재자동차의 내외장 소재로서 다양하게 폴리프로필렌을 사용한다. 범퍼, 휀더, 배터리 외장재, 충격 흡수 부품, 계기판 패널 등에 사용하며 자동차용 플라스틱 소재 중에 차지하는 비율이 가장 높다.8)
섬유![](https://img-api.cboard.net/img_n.php?image_url=https://dbscthumb-phinf.pstatic.net/5506_000_1/20180704190049806_ITQIMURPG.png/%25ED%258F%25B4%25.png?type=w540_fst_n)
폴리프로필렌 용도 (출처: 위키미디아)
폴리프로필렌은 기저귀, 와이퍼, 흡수제용 부직포에 사용되는 주요 재료이다. 또한, 실 형태로 가공하여 섬유, 테이프, 로프, 어망 등에 사용한다.
의료일회용 주사기 및 수술용 봉합사, 의료용 병 및 수액 팩의 제조에 사용한다.
일상용품의자, 테이블 등의 가구, 자전거 헬멧, 유아용 카시트와 같은 안전 용품 등 다양한 생활용품의 재료로써 활용된다.
참고문헌
1. 최창현, 김일섭, 고분자 과학과 기술, 2016년 27권 5호 p.484
2. Stereoselective Polymerization with Single-Site Catalysts. Chapter 2. Fluorenyl-Containing Catalysts for Stereoselective Propylene Polymerization. CRC Press. 2007. ISBN 9781574445794
3.
4.
5. Kaminsky catalyst,
6.
7.
8. 자동차 고분자재료 개발동향, 글로벌 오토 뉴스, 2009년,