폴리스타이렌

합성 방향족 탄화수소 고분자 중 하나다. 스타이렌 단량체를 중합하여 제조한다. 가장 널리 쓰이는 범용 플라스틱 소재 중 하나이다. 열가소성 플라스틱이며 가볍고 투명하며 단단하다. 컵라면, 음료 용기, 가전제품 외장, 포장 보호재, 건축 단열재로 널리 사용되는 소재이다. 또한 다른 단량체와 같이 공중합한 제품은 폴리스타이렌의 단점을 보강하여, 더 넓은 용도에 사용한다.

폴리스타이렌의 화학 구조 및 폴리스타이렌 포장 보호재()

목차

1839년 독일의 에듀어드 사이먼(Eduard Simon)은 천연 레진 스토락스(Storax)에서 증류 분리한 물질인 스타이롤(styrol)이 보관 과정에서 점도가 높아지면서 젤 형태로 변하는 현상을 보고 하였다.¹⁾ 이 물질이 문헌에서 보고된 최초의 폴리스타이렌이다. 하지만 그 당시에는 화학 구조와 점도가 증가하는 현상에 대한 설명은 제시되지 않았다.

약 한 세기가 지나서 독일의 화학자 헤르만 스타우딩거(Hermann Staudinger)는 이 현상이 스타이롤이 중합반응을 통해서 반복되는 구조를 가지는 긴 사슬 구조, 즉 고분자로 변환한다는 것을 규명하였다. 이후 고분자를 의미하는 폴리(poly)라는 접두어를 사용하여 이 고분자를 폴리스타이렌(polystyrene)이라 명명하였다. 1931년 독일의 IG 파벤(IG Farben)사가 처음 상업 생산을 시작하였다. 1941년 다우(Dow)사에서는 스타이로폼 제조법을 개발하였다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌테레프탈레이트와 더불어 사용량이 가장 많은 범용 플라스틱 가운데 하나이다.

폴리스타이렌은 스타이렌 단량체의 이중 결합이 끊어지고 단량체 간의 단일 결합을 형성하여 사슬 형태로 전환되는 과정을 거쳐 만들어진다. 폴리스타이렌 단일중합체(homopolymer)는 대부분 라디칼 중합법으로 제조한다. 이렇게 제조되는 폴리스타이렌은 혼성배열 중합체(atactic polymer)이다. 일본의 이데미츠사는 메탈로센 촉매를 사용하여 구조가 제어된 교대배열(syndiotactic) 폴리스타이렌을 생산하여 판매하고 있으며 일반 폴리스타이렌 대비 매우 높은 열 안정성을 가지는 특수 수지이다.

폴리스타이렌의 중합법과 구조 (출처: 대한화학회)

폴리스타이렌을 포함하는 스타이렌-뷰타다이엔-스타이렌(styrene-butadiene-styrene) 공중합체(SBS)와 스타이렌-아이소프렌-스타이렌(styrene-isoprene-styrene) 공중합체(SIS)는 음이온 중합법으로 제조한다.

일반적으로 사용되는 폴리스타이렌은 사슬을 따라 벤젠 고리가 불규칙하게 배치된 혼성배열(atactic) 구조이다. 이런 불규칙성은 사슬과 사슬 간의 배열을 방해하며, 그로 인하여 폴리스타이렌은 비결정성 고분자이다. 유리 전이 온도는 90 °C 근처에서 형성된다.

교대 배열 폴리스타이렌의 경우는 규칙적인 구조에 따라 사슬 간의 쌓임이 잘 일어나서 결정 구조를 형성한다. 결정 구조의 녹는점은 250 °C로 매우 높다.

폴리스타이렌은 단단하고 투명하다. 높은 경제성과 낮은 독성은 다양한 일회용 제품의 재료로써 선택되었다. 일회용 식기, 플라스틱 조립 모형, 디스크 보관함 등에 많이 사용된다. 또한 일회용 시험관, 페트리 접시 등 투명 실험 기기에도 사용한다.

폴리스타이렌으로 만든 일회용 페트리 접시(출처: GettyimagesKorea)

1941년 미국의 다우(Dow)사는 발포제를 포함한 상태에서 폴리스타이렌을 사출 성형하여 폼형태의 폴리스타이렌 가공법을 개발하고 상품명 스타이로폼(Styrofoam)으로 출시하였다. 우수한 단열 성능으로 건축 단열재로 널리 사용된다. 이와 유사한 성능을 가지지만 제품 제조 과정에서 끊는점이 낮은 펜테인을 사용하여 폴리스타이렌 입자를 10배 이상 팽창시키고 진공 성형하는 공법으로 제조하는 폴리스타이렌 제품을 발포 폴리스타이렌(EPS, Expanded Polystyrene)이라 부른다. 엄밀하게 구분하면 다우사에서 개발된 스타이로폼과는 다른 공법으로 제조하지만, 그 성질과 용도가 유사하여 스타이로폼이 두 제품을 같이 아우르는 용어로 혼용된다. 그리고 스타이로폼은 우수한 완충 성능 때문에 제품을 보호하는 완충 포장재로도 많이 쓰인다. 또한 스타이로폼은 일회용 식품 용기로서 안정성을 인정받은 재료이다.²⁾

발포폴리스타이렌 일회용 커피잔(출처: GettyimagesKorea)

폴리스타이렌은 단단하지만, 잘 부스러진다. 이를 보강하기 위하여 공중합체 또는 다른 재료와 혼합하여 쓰이는 경우가 대부분이다.

폴리스타이렌의 단단한 성질과 폴리뷰타다이엔, 폴리아이소프렌과 같은 고무 제품의 높은 연성을 동시에 가지는 공중합 제품은 두 재료가 가지는 물성을 유지하면서 단점을 보완한다. 폴리스타이렌의 중합 과정에 폴리뷰타다이엔을 혼합하여 폴리스타이렌 주사슬에 폴리뷰타다이엔을 그라프트 고분자 형태로 부착한 제품이 고충격 폴리스타이렌(High Impact Polystyrene, HIPS)이다. 폴리스타이렌의 부스러짐을 보강한 재료로서 전자제품 부품, 일용잡화, 식품 용기(요구르트병)등 다양한 용도에 사용한다. ³⁾

HIPS의 화학구조 (좌측), HIPS(검은색)와 일반PS(투명)를 사용한 CD케이스 (우측) ()

연속 음이온 중합과정으로 제조한 폴리스타이렌과 폴리뷰타다이엔 또는 폴리아이소프렌 블록공중합 제품은 탄성체로서 성질을 가진다. 스타이렌-뷰타다이엔-스타이렌으로 이루어진 삼원 공중합체는 경질 고무라고도 불리며, 신발 밑창, 타이어 등과 같이 내구성이 요구되는 용도에 쓰인다. 유리 전이 온도가 상온보다 낮은 폴리뷰타다이엔 양쪽에 유리 전이 온도가 높은 폴리스타이렌이 자리 잡고 있기 때문에, 상온에서는 폴리스타이렌끼리 엉킴으로써 물리적 가교가 일어나지만 충분히 높은 온도에서는 고분자를 쉽게 가공할 수 있을 만큼 흐름성이 좋아진다.⁴⁾

SBS 타이어()

ABS 수지(acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer)는 아크릴로나이트릴, 뷰타다이엔, 스타이렌의 세 가지 성분으로 이루어진 공중합 제품이다. 충격과 열에 강한 플라스틱 소재이다. 아크릴로나이트릴(acrylonitrile)은 내화학성, 뷰타다이엔(butadiene)은 내충격성, 스타이렌(styrene)은 가공성이 뛰어나기 때문에 이 원료들로 합성된 ABS 수지는 안정적 기계적 물성과 우수한 광택을 가지고 있으며, 성형성과 착색성이 우수하다. 제품의 용도에 맞추어 세 성분의 혼합 비율 및 공중합체의 구조를 조절함으로써 다양한 용도의 ABS 수지를 만들 수 있다. 가전 제품의 외장재, 블록 완구, 자동차 경량 소재, 여행용 가방 등 다양한 용도에 사용한다.⁵⁾

ABS 수지의 단량체 구조 및 사용()

1. Simon, E.  [ On liquid storax (Styrax liquidus)] , Annalen der Chemie, 1839, 31, 265–277
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3. 금호석유화학 HIPS 소개
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