폴리올레핀

폴리올레핀의 중합 반응 개요 (출처: 대한화학회)

폴리올레핀은 알켄 탄화수소 단량체(올레핀)를 중합하여 얻는 고분자 재료를 묶어서 이르는 용어이다. 고분자 재료에서 가장 많은 비중을 차지하는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌을 포함한다.

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탄소와 수소로만 이루어진 탄화수소 골격 때문에 일반적으로 소수성을 가진다. 올레핀 주사슬과 곁사슬의 구조에 따라서, 다양한 물리적 특성을 가질 수 있다. 탄소 2개의 에틸렌에서 10개의 1-데센 그리고 그 이상의 길이를 가지는 올레핀의 단일 중합 또는 공중합으로 얻을 수 있는 소재의 범위는 매우 넓다. 상온에서 점도가 높은 액체인 폴리알파올레핀에서 방탄 소재로 쓰일 정도로 단단한 초고분자량 폴리에틸렌에 이르기까지 많은 제품들이 개발되었다. 일반적으로는 고밀도 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같이 주사슬에 곁가지 길이가 짧고 반복 단위의 규칙성이 높을 수록 단단하고 충격에 강하며, 곁가지의 수가 많거나 반복 구조의 불규칙성이 커지면 재료는 부드럽고 잘 늘어난다.

소수성 고분자이기 때문에 다른 물질들과의 접착성이 부족하다. 특히 극성 분자들이 많은 무기 충전제나 섬유들과 혼합이 잘 되지 않는다.

폴리올레핀은 실제 사용되는 고분자 소재 가운데 가장 많은 부분을 차지한다. 전체 플라스틱 생산량에서 폴리에틸렌이 36%, 폴리프로필렌이 21%를 차지한다.¹⁾ 그밖에도 폴리알파올레핀과 같이 상대적으로 생산량이 적지만 특수 용도로 사용하는 다양한 제품들이 있다.

폴리올레핀 제품의 개요 (출처: 대한화학회)

가장 간단한 올레핀인 에틸렌을 원료로 만드는 소재이다. 제조하는 공법에 따라 그 물성이 매우 다르다. 고압 에틸렌 중합법은 라디칼 공법으로 가지 구조가 많이 생기며, 그에 따라 밀도가 낮은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 생성된다. 지글러-나타 또는 메탈로센 등, 금속 촉매를 이용한 에틸렌 중합 공법은 가지 구조가 억제된 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 생산한다. 신축성이 뛰어난 LDPE는 필름, 일회용 포장재 용도로 많이 사용되며 충격에 강하고 전기 절연성이 우수한 HDPE는 파이프, 케이블 등에 쓰인다.

탄소 3개 올레핀 프로필렌을 중합하여 얻는 폴리프로필렌은 지글러-나타 또는 메탈로센 촉매를 이용하여 얻는 선형 고분자이다. 단단하면서 또한 열에 강하다. 포장, 섬유, 필름, 자동차 부품, 보관 용기, 의료용 제품 등 넓은 용도로 쓰인다.

말단에 알켄을 가지는 긴사슬 탄화수소를 알파올레핀이라 부르며, 이를 중합하여 얻는 소재들이 폴리알파올레핀이다. 움직임이 자유로운 곁사슬을 가져서 흐름성이 좋으며, 점도가 높은 액체이다. 고성능 윤활유로 사용한다.

1. Geyer, R.; Jambeck, J. R.; Law, K. L. Sci. Adv. 2017, 3, 1700782,