플라스틱 (plastic)
내용 요약
플라스틱은 열이나 압력으로 소성 변형을 시켜 성형할 수 있는 고분자 물질이다. 합성수지를 열가공하거나 경화제·촉매·중합제 등을 사용하여 시이트·판·관·막대기 등을 일정한 형상으로 성형한 것 또는 그 원료인 고분자 재료를 플라스틱이라 한다. 비중이 작고, 착색이 자유롭고, 절연성이 뛰어나다는 장점이 있다. 반면에 내열 온도가 매우 낮아 고온에 사용하기에 적합하지 않다. 우리의 일상생활에 밀착하여 기술이 성장하면서 생활 필수품이 되었다. 오늘날 자원의 절약과 환경보전이 강조되면서 플라스틱 사용과 처리에도 변화가 생겨나고 있다.
정의
열이나 압력으로 소성(塑性) 변형을 시켜 성형할 수 있는 고분자(高分子) 물질.
내용
합성수지(合成樹脂)주1가 대부분인 고분자 물질을 주원료로 하여 인공적으로 유용한 형상으로 성형한 물체를 말하나, 섬유 · 고무 등은 제외된다. 즉, 합성수지를 열가공하거나 또는 경화제 · 촉매 · 중합제 등을 사용하여 시이트 · 판 · 관 · 막대기 등 일정한 형상으로 성형한 것 또는 그 원료인 고분자 재료를 플라스틱이라 한다.
고분자(polymer)란 분자량이 매우 큰 물질을 뜻하며, 유기 화합물을 분자량과 관련하여 분류할 때 전형적인 고분자는 분자량이 1만∼100만이다. 작은 화학적 단위인 1종 또는 수종의 단량체(單量體, monomer)가 다수 결합하여 고분자가 형성되며, 천연계에서 산출하는 실크 · 셀룰로이드 · 양모 · 생체 조직과 같은 천연 고분자와, 단량체에 부가적 중합이나 축합적 중합 등의 화학 반응을 일으켜 제조하는 합성 고분자로 구분한다. 후자를 일반적으로 플라스틱이라 부른다.
구조면에서 사슬 모양의 분자로 이루어져 있는 중합체를 선상(線狀) 고분자라고 하며, 주5 · 주6 · 주7 · 주8 · 주9 등이 여기에 속한다. 이 종류는 통상 가열에 의해 연화(軟化)하고 이 상태로 성형 가공이 가능하므로 열가소성 플라스틱이라 한다. 이에 대하여 주10과 주11의 축합 생성물은 생성 고분자가 망상(網狀)인 경고한 결합 구조를 형성하여, 가열해도 연화하지 않는 3차원적 망상 중합체를 형성한다. 이를 열 경화성 플라스틱이라 부르며, 주12 · 주13 · 주14 등이 여기에 속한다.
축합적 중합 또는 부가적 중합 공정 등에 의해 제조한 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에 충전제(充塡劑) · 가소제 · 안정제 · 윤활제 · 착색제 등 필요한 첨가제를 적당량 가하여 성형 재료를 만들고, 이를 금형(金型)에 넣어 성형한다. 열경화성 수지의 경우 강재(鋼材)로 만든 금형에 분말 또는 타블렛형 성형 재료를 넣어 금형을 닫고 성형기에 끼워 열과 압력을 가한다.
성형 재료는 일단 유동 상태가 되어 금형의 구석구석에 흘러들어 거기에서 화학 반응에 의해 굳어진다. 적당한 시간이 지난 후 금형을 열어 성형품을 끄집어낸다. 열가소성 수지의 경우 성형 재료는 열에 의해 연화 주15하고 냉각에 의해 주16하므로, 금형으로 가열 용융시키고 그 뒤 압력을 가하면서 금형을 냉각함으로써 성형품을 얻을 수 있다.
플라스틱의 일반적 특성으로는 첫째 비중이 작다는 것을 들 수 있다. 강철 7.8, 황동 8.5, 알루미늄 2.7에 비하면 현재 플라스틱 중에서 가장 작은 메틸펜텐폴리머가 0.83, 4불화에틸렌 수지가 2.2로, 평균 1.2 정도에 불과해 매우 가볍다. 플라스틱은 또한 착색이 자유롭다. 글래스와 같은 투명 제품을 만들 수 있는가 하면, 각종 착색제를 넣어 선명한 색채를 부여할 수도 있다. 또 진공증착(眞空蒸着) 공법 등으로 성형품의 표면을 금속화하여 금속 광택을 갖는 제품을 만들 수도 있다.
한편, 플라스틱은 전기 및 열의 절연성이 뛰어나다. 특히 폴리스틸렌 · 폴리에틸렌 · 폴리프로필렌 등은 고주파 특성이 우수하다. 또한 플라스틱은 열의 불양도체이므로 내열성이 우수한 것은 열의 절연 재료로 적합하다. 플라스틱이 일반적으로 약품류에 저항성이 크다는 것도 잘 알려져 있는 사실이다. 그 중에서도 주17 · 폴리에틸렌 · 폴리프로필렌 ·4불화에틸렌 수지는 특히 우수하다. 금속 재료와 비교하면 약품류, 수중 또는 해수 중에서 부식하지 않는 점도 특색 중의 하나이다.
또한 플라스틱은 자기윤활성(自己潤滑性)이 풍부하므로 이러한 성질이 요구되는 베어링 · 톱니바퀴 등에 많이 활용된다. 가장 큰 특징은 성형기 및 금형으로 미세 복잡한 형상의 물체도 능률적으로 대량생산할 수 있다는 점이다.
그러나 플라스틱에는 결함도 적지 않다. 플라스틱의 내열 온도는 60∼300℃ 범위이므로 강철에 비하면 매우 낮아 고온에서 사용하기에 부적합하다. 강철에 비하면 플라스틱의 열팽창계수는 일반적으로 크다. 강철의 1.2에 대해 폴리스틸렌은 약 5배, 폴리아세탈은 약 7배로 훨씬 크기 때문에 온도에 의한 크기 변화가 크다. 한편 플라스틱은 일반적으로 표면이 부드러워 흠집이 생기기 쉬우며 정전기를 띠기 때문에 표면에 먼지가 붙어 쉽게 더러움이 드러나는 경우가 많다.
플라스틱이 고분자 과학과 기술, 그리고 석유화학 공업의 응용 산물이라고 할 때 그 기원은 이들 공업의 발달 과정으로 거슬러 올라간다. 고분자의 개념이 차차 굳어져 가던 1920년대가 지나고 1930년대 초 미국에서는 뒤퐁(Du Pont)사의 캐러더스(Carothers, W. 주3가 나일론의 발견에 이르는 축합적 중합에 관한 많은 연구들을, 그리고 독일에서는 폴리스틸렌 등 비닐계 중합물의 합성을 진행하고 있었다.
처음에는 유기 화학적인 색채가 짙었던 반응의 연구도 점차로 고분자 생성론적 경향을 띠게 되어 1940년경까지 축합적 중합에서의 반응도와 중합도나 그 분포의 관계, 비닐 중합에서의 라디칼 연쇄 중합설, 그 속도론과 중합도 식이 거의 확립되었다.
1950년대 후반에 치글러(Ziegler, 주2가 발견하고 나타(Natta, 주4가 발전시킨 배위(配位) 촉매에 의한 입체규칙성(立體規則性) 중합은 그 효과가 고분자 구조론이나 물성론에까지 크게 파급되었다. 플라스틱의 성형, 섬유의 방사(紡糸), 실용 특성과 밀접한 관계가 있는 고분자의 유변적(流變的) · 열적 성질의 연구들이 크게 진전한 것도 이 때부터였다.
이처럼 1950∼60년대에 고분자 과학과 기술은 석유화학 공업, 고분자 공업과 서로 상부상조하면서 일대 도약을 이룩한 것이다. 국내에서의 플라스틱 공업의 체계적인 시발도 1970년대에 들어와 제1, 2차 경제개발 5개년 계획의 일환으로 울산 및 여천에 석유화학 공업단지를 건설하면서부터였다.
우리들의 일상 생활에 밀착하여 성장해 온 플라스틱은 생활 필수품 내지는 준 필수품으로 부상하였다. 1997년 현재 우리나라 각종 플라스틱 제품의 생산량은 455만t이며 ,이 중 14%인 64만t이 수출되어 391만t이 내수용으로 사용되었다. 플라스틱 제품의 국내 수요량은 수입량 14만t을 합하면 405만t으로 국민 1인당 약 88㎏에 이르고 있다. 각종 플라스틱의 국내 생산량을 제품별로 살펴보면 필름류가 연간 117만t으로 1위이며, 이어 기계부품 · 인조피혁 · 강화플라스틱 · 용기류 등의 순이다.
오늘날 생활이 고도화되고 자원 에너지의 절약과 환경보 전이 강조되는 추세로 볼 때 플라스틱의 장래에도 변화가 예상된다. 현재 기초 분야에서는 타 영역과 많은 연계를 갖는 고분자 과학과 기술, 생체고분자들에 많은 관심이 쏠리고 있으며, 응용 분야에서는 초저온 · 초고온 · 초고전압(超高電壓), 강한 충격과 마찰 등 열악한 여건에서 견뎌 낼 수 있는 플라스틱에 대한 기대가 크다.
참고문헌
『플라스틱산업총람』(한국플라스틱기술정보센터, 1999)
Polymer Handbook(Brandrup, J. ＆ Immergut, E. H., New York, John Wiley and Sons, 1989)
주석
집필자