가소제

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1. 개요
2. 역사 (고분자 가소제)
3. 작용 원리 (고분자 가소제)
4. 종류
5. 안전성 및 독성
6. 대한민국 현황 및 전망
참조

1. 개요

가소제는 플라스틱의 유연성, 내구성을 향상시키는 데 사용되는 물질로, 고분자 사슬 사이에 삽입되어 유리 전이 온도를 낮추는 역할을 한다. 2017년 기준 세계 시장 규모는 750만 톤이었으며, 북미와 유럽에서 각각 101만 톤, 135만 톤이 사용되었다. 가소제는 PVC, 아크릴레이트, 셀룰로스계 플라스틱 등 다양한 고분자에 사용되며, 프탈레이트 에스터가 가장 흔하게 사용된다. 가소제는 종류에 따라 저온 유연성, 내열성, 난연성 등의 특성을 부여하며, 프탈레이트, 아디페이트, 트리멜리테이트, 폴리에스터, 인산 에스터 등이 있다. 콘크리트 및 회반죽 혼합물에도 사용되어 작업성을 향상시키며, 화약 조성물에도 사용된다. 일부 가소제는 환경 호르몬 유사 작용을 한다는 우려가 있으며, 플라스틱 제품 간의 융합을 유발할 수 있다.

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가소제
일반 정보
정의	재료를 더 부드럽고 유연하게 만드는 물질
분류
종류	프탈레이트 테레프탈레이트 에폭시 지방족 트리멜리테이트 기타
주요 가소제	프탈산 에스터 아디프산 에스터 인산 에스터 에폭시화 아마인유 폴리에스터 가소제 트리멜리트산 에스터 시트르산 에스터
용도
주요 용도	폴리염화 비닐 (PVC)
기타 용도	고무 셀룰로스 수지 폴리우레탄 폴리비닐 아세테이트 폴리비닐 부티랄 니트로셀룰로스 에틸셀룰로스 염화 고무
안전성
잠재적 위험	일부 가소제는 내분비 장애 물질로 작용할 수 있음
기타
전 세계 소비량 (2014년)	800만 톤
시장 점유율 (2014년)	프탈레이트: 70% 테레프탈레이트: 12% 에폭시: 7% 지방족: 4% 트리멜리테이트: 2% 기타: 5%

2. 역사 (고분자 가소제)

지난 60년 동안 30,000가지가 넘는 다양한 물질이 고분자 가소제로서의 적합성을 평가받았다. 이 중 약 50개 정도만이 오늘날 상업적으로 사용되고 있다.^[7]

에스터 계열 가소제는 비용 대비 성능을 고려하여 선택된다. 고무 화합물 제조 시에는 에스터 가소제의 상용성, 가공성, 영속성 및 기타 성능 특성을 평가해야 한다. 상업적으로 생산되는 주요 에스터 화학 물질에는 세바케이트, 아디페이트, 테레프탈레이트, 디벤조에이트, 글루타레이트, 프탈레이트, 아젤레이트 및 기타 특수 혼합물이 포함된다. 이러한 다양한 가소제는 튜브 및 호스 제품, 바닥재, 벽 덮개, 씰 및 개스킷, 벨트, 전선 및 케이블, 인쇄 롤과 같은 많은 엘라스토머 응용 분야에서 요구되는 성능을 제공한다.

낮은 극성부터 높은 극성까지 다양한 에스터 가소제는 니트릴, 폴리클로로프렌, EPDM, 염화 폴리에틸렌, 에피클로로히드린 고무를 포함한 광범위한 엘라스토머에 사용될 수 있다. 가소제와 엘라스토머 간의 상호 작용은 용해도 파라미터, 분자량, 화학 구조 등 여러 요인에 의해 결정된다. 특정 용도에 맞는 고무 배합을 개발할 때 상용성과 성능 특성은 핵심적인 고려 사항이다.^[8]

PVC 및 기타 플라스틱에 사용되는 가소제는 종종 중간 사슬 길이의 선형 또는 분지형 지방족 알코올을 이용한 에스터 기반의 폴리카르복실산으로부터 유도된다. 이러한 화합물은 낮은 독성, 모재와의 우수한 상용성, 낮은 휘발성 및 경제성 등 여러 기준에 따라 선택된다. 직쇄 및 분지쇄 알킬 알코올의 프탈레이트 에스터는 이러한 요구 조건을 잘 만족시켜 널리 사용되는 가소제이다. 과거에는 오르소-프탈레이트 에스터가 가장 지배적으로 사용되었으나, 인체 및 환경 유해성에 대한 우려와 규제 강화로 인해 고분자량 오르소-프탈레이트나 다른 대체 가소제로 전환되는 추세이며, 특히 유럽에서 이러한 경향이 두드러진다.

3. 작용 원리 (고분자 가소제)

플라스틱 가소제는 일반적으로 고분자 사슬 사이에 들어가 간격을 넓히고("자유 부피" 증가),^[3]^[4] 고분자를 팽창시켜 플라스틱의 유리 전이 온도(T_g)를 상당히 낮추어 재료를 더 부드럽게 만드는 것으로 여겨졌다. 그러나 이후 연구를 통해, 자유 부피 이론만으로는 가소제의 모든 효과를 설명하기 어렵다는 것이 밝혀졌다.^[5] 가소제가 존재할 때 고분자 사슬의 이동성은 단순히 플로리-폭스 방정식이 예측하는 것보다 더 복잡한 양상을 보인다.

가소제 분자는 고분자 사슬의 이동성을 제어하는 역할을 한다. 단순히 고분자 끝부분 주변의 자유 부피가 증가하는 것만으로는 설명되지 않는 현상도 관찰된다. 예를 들어, 가소제나 물 분자가 고분자의 친수성 부분과 수소 결합을 형성하면 관련된 자유 부피가 오히려 감소할 수도 있다.^[6]

탄성 계수에 대한 가소제의 효과는 온도와 가소제 농도에 따라 달라진다. '교차 농도'라고 불리는 특정 농도 이하에서는 가소제가 재료의 탄성 계수를 감소시킬 수 있다. 그러나 재료의 유리 전이 온도는 가소제의 농도와 관계없이 항상 감소한다. 또한 '교차 온도'라는 개념도 존재하는데, 이 온도 이하에서는 가소제가 탄성 계수를 증가시키는 경향을 보인다.

가소제가 시간이 지남에 따라 플라스틱에서 빠져나가면 유연성이 감소하고 재료가 부서지기 쉬워진다(취성 증가). 수십 년 된 이 플라스틱 램프 코드는 가소제 손실로 인해 구부릴 때 쉽게 부서진다.

프탈산 비스(2-에틸헥실)(DEHP)은 널리 사용되는 대표적인 가소제이다.

일반적으로 열가소성 수지는 특정 온도 이하에서는 분자 배열이 규칙적인 결정 구조를 가지는 유리 전이 온도를 갖는다. 이 온도부터 융점까지의 온도 범위에서는 분자 배열이 불규칙한 비정질 상태가 된다. 비정질 상태의 열가소성 수지는 유연하고 빛 투과성이 높아 유용하게 사용될 수 있다. 반면, 결정성 상태의 수지는 불투명하고 저온에서 결정화가 진행되면 충격에 약해지는 단점이 있다.

융점이나 유리 전이점은 수지의 종류와 중합도에 따라 고유하게 결정되므로, 원하는 제품의 사용 온도 환경과 항상 일치하지는 않는다. 따라서 열가소성 수지에 가소제를 첨가하여 비정질 상태를 유지하는 온도 범위를 넓히고, 저온에서도 취약해지지 않도록 하거나 유연성을 높여 원하는 온도 특성과 물리적 성질을 갖도록 조절한다. 가소제는 수지의 분자 사슬 사이에 끼어들어 규칙적인 배열을 방해함으로써 유리 전이점 이하에서도 비정질 상태를 유지하도록 돕는다. 이러한 이유로 가소제는 분자 구조 내에 부피가 큰 곁사슬(side chain)을 가질 때 효과적인 경우가 많다. 또한, 가소제는 목표 수지와 잘 섞여야 상 분리를 일으키지 않으므로, 다양한 수지에 대해 넓은 상용성을 갖는 것이 중요하다. 가소제를 첨가하면 탄성이 증가하여 사출 성형 시 금형에서 제품을 분리하기 쉬워지는 등 성형성 향상에도 기여한다.

특히 폴리염화 비닐(PVC) 수지는 가소제를 첨가하여 매우 다양한 특성의 제품을 만들 수 있다. 대표적인 PVC용 가소제로는 프탈산 에스터 계열 화합물이 사용되며, 그중에서도 '''DEHP'''나 '''DINP''' 등은 이상적인 범용 가소제의 특성을 보여 생산량이 많다.

한편, 가소제와 반대 효과를 나타내는 고분자 첨가제도 있는데, 이를 '안티플라스티사이저(antiplasticizer)' 또는 '안가소제'라고 부른다. 안가소제는 재료의 탄성률을 증가시키면서 동시에 유리 전이 온도는 감소시키는 특징을 가진다.

4. 종류

지난 60년 동안 30,000가지가 넘는 다양한 물질이 고분자 가소제로서의 적합성을 평가받았으나, 이 중 약 50개 정도만이 오늘날 상업적으로 사용되고 있다.^[7]

에스터 계열 가소제는 비용 대비 성능을 고려하여 선택되며, 고무 화합물 제조 시 상용성, 가공성, 영속성 등 다양한 특성이 평가된다. 주요 에스터 화학 물질로는 세바케이트, 아디페이트, 테레프탈레이트, 디벤조에이트, 글루타레이트, 프탈레이트, 아젤레이트 등이 있으며, 이들은 튜브, 바닥재, 전선 등 다양한 엘라스토머 응용 분야에 사용된다. 가소제와 엘라스토머 간의 상호작용은 용해도 파라미터, 분자량, 화학 구조 등 여러 요인에 의해 결정된다.^[8]

PVC 및 기타 플라스틱에 사용되는 가소제는 주로 중간 사슬 길이의 알코올을 이용한 에스터 기반 폴리카르복실산 유도체이다. 낮은 독성, 상용성, 낮은 휘발성, 비용 등을 고려하여 선택되며, 특히 프탈레이트 에스터가 널리 사용되어 왔다. 그러나 일부 프탈레이트의 잠재적 유해성 문제로 인해, 특히 유럽에서는 고분자량 프탈레이트나 다른 대체 가소제로 전환되는 추세이다.

가소제는 다양한 종류가 있으며, 주요 고분자 가소제는 다음과 같다.

'''프탈산 에스테르 (Phthalate)''': 무수프탈산과 알코올의 에스터로, 성능 균형이 좋은 범용 가소제이다. 연질 폴리염화비닐 및 고무 제품에 널리 쓰인다. (자세한 내용은 #프탈레이트 참조)
'''아디핀산 에스테르 (Adipate)''': 아디핀산과 알코올의 에스터로, 저온 유연성과 내열성을 부여한다. 식품용 랩 필름 등에 사용된다. (자세한 내용은 #아디페이트 및 세바케이트 참조)
'''트리멜리트산 에스테르 (Trimellitate)''': 트리멜리트산과 알코올의 에스터로, 내열성 및 내후성이 우수한 저휘발성 가소제이다. 내열 전선 피복, 자동차용 합성 피혁 등에 사용된다. (자세한 내용은 #트리멜리테이트 참조)
'''폴리에스터 (Polyester)''': 카복실산과 글리콜로 이루어진 저분자 폴리에스터이다. 저휘발성 및 내유성이 특징이며, 전선 피복, 개스킷 등에 사용된다.
'''인산 에스테르 (Phosphate)''': 난연성을 부여하는 가소제로, 고무 제품에도 사용된다. TCP 등이 대표적이다. (자세한 내용은 #기타 고분자 가소제 참조)
'''시트르산 에스테르 (Citrate)''': 저독성이 특징으로, 식품용 랩 필름, 장난감 등에 사용된다. 아세틸시트르산 트리부틸(ATBC) 등이 있다. (자세한 내용은 #바이오 기반 가소제 참조)
'''에폭시화식물성 기름 (Epoxidized oil)''': 내열성을 부여하며 수지의 열 안정제로도 사용된다. 식품용 랩 필름 등에 쓰인다. 에폭시화 대두유(ESBO) 등이 있다. (자세한 내용은 #바이오 기반 가소제 참조)
'''세바신산 에스테르 (Sebacate)''': 아디핀산 에스테르보다 저온 유연성과 내열성이 더 우수하며, 고무 제품에도 사용된다. (자세한 내용은 #아디페이트 및 세바케이트 참조)

고분자 가소제 외에도 특정 용도를 위한 가소제들이 있다.

'''콘크리트 가소제 (고성능 감수제)''': 콘크리트 혼합물에 첨가되어 작업성과 강도를 향상시키는 역할을 한다. 리그노설포네이트, 술폰화된 나프탈렌 또는 멜라민 포름알데히드, 폴리카르복실산 에테르(PCE) 등이 있다.^[16]^[17] (자세한 내용은 #콘크리트 가소제 (고성능 감수제) 참조)
'''회반죽(스터코) 가소제''': 석고보드 회반죽 혼합물의 작업성을 개선하기 위해 사용된다. 콘크리트 가소제와 유사한 종류가 사용된다.^[18]^[19] (자세한 내용은 #회반죽(스터코) 가소제 참조)
'''활성 가소제 (에너지 가소제)''': 화약 조성물, 특히 고체 로켓 추진제 및 무연 화약에 사용되어 물리적 특성을 개선하고 에너지 수율을 높인다. 니트로글리세린 등이 대표적이다. (자세한 내용은 #활성 가소제 (에너지 가소제) 참조)

4. 1. 고분자 가소제

고분자 가소제는 일반적으로 휘발성이 낮은 액체 또는 고체 형태를 띤다. 2017년 기준으로 전 세계 가소제 시장 규모는 약 750만 톤에 달했으며, 같은 해 북미 지역에서는 약 101만 톤, 유럽에서는 약 135만 톤이 다양한 산업 분야에서 사용되었다. 특히, 일부 저분자량(LMW) 오르토프탈레이트에 대한 규제 문제로 인해, 보다 분자량이 큰 고분자량(HMW) 오르토프탈레이트나 다른 대체 가소제로 전환되는 추세가 나타나고 있다.

고분자 가소제의 약 90%는 PVC에 사용되어 재료의 유연성과 내구성을 향상시키는 데 쓰인다.^[2] PVC 외에도 아크릴레이트나 셀룰로스 기반 플라스틱(예: 아세트산 셀룰로스, 니트로셀룰로스, 아세트산 부티르산 셀룰로스) 등에도 가소제가 첨가될 수 있다.

일반적으로 열가소성 수지는 특정 온도(유리 전이 온도)를 기준으로 물성이 달라진다. 유리 전이 온도 아래에서는 분자 배열이 규칙적인 결정성을 보이지만, 그 이상의 온도(융점까지)에서는 불규칙한 비정질 상태가 된다. 비정질 상태의 수지는 유연하고 투명하여 유용하게 쓰이는 경우가 많다. 반면, 결정성 상태에서는 불투명하고 저온에서 충격에 약해지는 경향이 있어 사용에 제약이 따르기도 한다.

가소제는 이러한 열가소성 수지의 특성을 조절하기 위해 첨가된다. 수지 분자 사이의 빈 공간으로 들어가 분자들이 규칙적으로 배열되는 것을 방해함으로써, 유리 전이 온도 아래에서도 비정질 상태를 유지하도록 돕는다. 이를 통해 저온에서의 취약성을 개선하고 유연성을 높여 원하는 온도 특성과 물리적 성질을 갖도록 조절하는 것이다. 또한, 가소제로 인해 탄성이 증가하면 사출 성형 시 금형에서 제품을 분리하기 쉬워지는 등 성형성 향상에도 기여한다.

가소제가 효과를 발휘하려면 목표로 하는 수지와 잘 섞이는 성질, 즉 상용성이 중요하다. 상용성이 부족하면 수지와 가소제가 분리되는 상 분리 현상이 발생할 수 있다. 따라서 가소제는 다양한 수지에 대해 넓은 상용성을 갖도록 개발된다.

특히 PVC 수지는 가소제 첨가를 통해 매우 다양한 특성을 가진 제품으로 만들어질 수 있다. 대표적으로 사용되는 가소제는 프탈산 에스터류이며, 그중에서도 '''DEHP'''나 '''DINP''' 등은 이상적인 범용 가소제로서의 특성을 가져 생산량이 많다.

4. 1. 1. 프탈레이트

프탈레이트 에스터는 가장 흔하게 사용되는 가소제 종류 중 하나로, 특히 PVC의 유연성과 내구성을 향상시키기 위해 널리 사용된다.^[2] 프탈레이트 기반 가소제는 물과 기름에 대한 내성이 필요한 환경에서 주로 쓰인다.

그러나 일부 저분자량(LMW) 오르토프탈레이트는 내분비 교란 물질로 작용할 수 있다는 우려와 함께 잠재적인 발달 독성 문제 등이 제기되면서 규제가 강화되는 추세이다. 특히 유럽을 중심으로 이러한 규제 움직임이 나타나면서, 상대적으로 분자량이 큰 고분자량(HMW) 오르토프탈레이트나 다른 종류의 대체 가소제로 전환되는 경향이 뚜렷해지고 있다. 과거 수십 년간 가장 흔하게 사용되었던 DEHP(DOP 또는 다이옥틸 프탈레이트) 역시 미국과 유럽 등지에서 점차 고분자량 프탈레이트나 다른 대체 가소제로 바뀌고 있지만, 전 세계적으로는 여전히 많이 사용되고 있다.^[12]

프탈레이트 가소제는 분자량에 따라 크게 저분자량과 고분자량으로 나눌 수 있으며, 종류별 특징과 용도는 다음과 같다.

구분	종류 (화학명)	약어	주요 용도
저분자량 (LMW)	다이메틸 프탈레이트	DMP	향료, 방충제, 산업용 용매/운반체
	다이에틸 프탈레이트	DEP	향료 운반체/고정제
	다이아이소부틸 프탈레이트	DIBP	-
	다이-n-부틸 프탈레이트	DBP	셀룰로스 플라스틱, 식품 포장재, 접착제, 향수, 화장품 (매니큐어, 샴푸, 자외선 차단제 등)
	부틸 벤질 프탈레이트	BBzP	비닐 타일, 교통 콘, 식품 컨베이어 벨트, 인조 가죽, 플라스틱 폼
	비스(2-에틸헥실) 프탈레이트	DEHP (DOP)	바닥재, 의료 기기, 각종 소비재 (제품), 고성능 폭발물 (Semtex) 등 (과거 주력 가소제, 현재 대체 추세)
고분자량 (HMW)	다이아이소노닐 프탈레이트	DINP	바닥재, 정원 호스, 신발, 장난감, 건축 자재
	비스(2-프로필헵틸) 프탈레이트	DPHP	케이블, 전선, 지붕 재료
	다이아이소데실 프탈레이트	DIDP	전선 및 케이블 절연, 자동차 언더코팅, 신발, 카펫, 수영장 라이너
	다이아이소운데실 프탈레이트	DIUP	전선 및 케이블 절연, 자동차 언더코팅, 신발, 카펫, 수영장 라이너 (고온 및 야외 내후성 우수)
	다이트리데실 프탈레이트	DTDP	자동차 케이블 및 전선 (고온 성능 우수)

프탈레이트계 가소제는 성능과 비용 면에서 장점이 많아 널리 사용되었지만, 일부 종류에서 환경 호르몬 유사 작용을 한다는 의혹이 제기되었다. 또한, 실내 마감재나 가구 등에 사용된 프탈레이트가 휘발되면서 새집 증후군의 원인이 되거나, 자동차 내장재에 포함된 프탈레이트가 새 차 냄새의 원인이 될 수 있다는 지적도 있다. 이러한 문제들로 인해 프탈레이트 사용에 대한 규제가 강화되고 있으며, 보다 안전한 대체 가소제 개발 및 사용이 중요해지고 있다.

4. 1. 2. 테레프탈레이트

테레프탈레이트는 오르토 프탈레이트와 이성질체 관계에 있다. 하지만 가수 분해 및 대사 분해 과정에서 안정적인 모노에스테르를 형성하지 않아, 오르토 프탈레이트보다 더 깨끗한 독성학적 결과를 보이는 것으로 입증되었다.^[8] 이러한 특성 때문에 환경 및 안전 규제 강화 추세 속에서 기존 프탈레이트계 가소제의 대체재로 주목받고 있다. 주요 테레프탈레이트 가소제는 다음과 같다.

명칭	약어 / 다른 이름	대체 대상	비고 (상표명)
테레프탈산 비스(2-에틸헥실)	DEHT / DOTP (디옥틸 테레프탈레이트)	DEHP, DINP	Eastman 168™ (Eastman Chemical Company)
디아이소펜틸 테레프탈레이트	DiPT	DBP, DiBP	ELATUR® DPT (Evonik Industries)
디부틸 테레프탈레이트	DBT	DBP, DiBP	Eastman Effusion™ (Eastman Chemical Company)

4. 1. 3. 트리멜리테이트

트리멜리테이트는 트리멜리트산과 알코올의 에스터이다. 내열성과 내후성이 우수하며 휘발성이 매우 낮은 저휘발성 가소제로,^[13] 주로 자동차 내장재, 내열 전선 피복, 자동차용 합성 피혁 등 고온 저항이 요구되는 용도에 사용된다.

주요 트리멜리테이트 가소제는 다음과 같다.

트리(2-에틸헥실)트리멜리테이트 (TEHTM 또는 TOTM, 트리옥틸 트리멜리테이트)^[13]
트리(이소노닐)트리멜리테이트 (TINTM)
트리(이소데실)트리멜리테이트 (TIDTM)
트리(이소트리데실)트리멜리테이트 (TITDTM)

4. 1. 4. 아디페이트 및 세바케이트

아디페이트(Adipate) 기반 가소제는 저온 또는 자외선 저항이 필요한 경우에 사용된다.^[7] 아디핀산과 알코올의 에스터 형태로, 저온에서의 유연성과 내열성을 부여하는 특징이 있으며, 식품용 랩 필름 등에 사용된다. 주요 종류는 다음과 같다.

DOA(DEHA) (Dioctyl adipate): 아디핀산 디옥틸.
DINA (Diisononyl adipate): 아디핀산 디이소노닐.

세바케이트(Sebacate) 기반 가소제는 다양한 플라스틱 재료 및 합성 고무(특히 니트릴 고무 및 네오프렌)와의 뛰어난 상용성, 우수한 저온 특성 및 내유성을 제공한다.^[14] 아디페이트계 가소제보다 저온 유연성과 내열성이 더 우수하며, 고무 제품에도 사용된다. 주요 종류는 다음과 같다.

DBS (Dibutyl sebacate).
DOS (Di(2-ethylhexyl) sebacate, Dioctyl sebacate).^[14]

4. 1. 5. 기타 고분자 가소제

유기 인산염: 다음을 포함한다.
*트리크레실 인산염 (TCP): 난연성을 부여하는 가소제로 고무 제품에도 사용된다.^[8] 신경 독성이 강한 오르토 이성체는 현재 사용되지 않는다.
*2-에틸헥실 디페닐 포스페이트
1,2-사이클로헥산 다이카복실산 다이아이소노닐 에스터: BASF사의 상표명 Hexamoll DINCH로 알려져 있다.
비스(2-에틸헥실) 사이클로헥세인-1,4-다이카복실레이트: 한화의 상표명 Eco-DEHCH로 알려져 있다.
알킬 설폰산 페닐 에스터 (ASE): 랑세스(Lanxess)사의 상표명 Mesamoll로 알려져 있다.
트리에틸렌글라이콜 다이-2에틸헥사노에이트: 이스트만 케미컬(Eastman Chemical)사의 상표명 Eastman TEG-EH로 알려져 있다.

'''바이오 기반 가소제'''

연구 및 사용되는 바이오 기반 가소제는 다음과 같다. 이들은 주로 특정 틈새 시장에서 활용된다.

글리세롤 트리아세테이트 (트리아세틴)
아세틸트리부틸시트레이트 (ATBC): 저독성이 특징이며, 폴리염화비닐리덴의 식품용 랩 필름이나 연질 폴리염화비닐 장난감 등에 사용된다.
에폭시화 대두유 (ESBO): 많은 비닐 응용 분야에서 2차 가소제 및 열 안정제로 널리 사용된다. 식품용 랩 필름 등에도 사용된다.

4. 2. 콘크리트 가소제 (고성능 감수제)

콘크리트 기술에서 가소제와 고성능 감수제는 고성능 감수제라고도 불린다. 콘크리트 혼합물에 첨가되면 작업성 및 강도 향상을 포함한 여러 가지 특성을 부여한다. 콘크리트의 강도는 첨가되는 물의 양, 즉 물-시멘트비(w/c)에 반비례한다. 더 강한 콘크리트를 생산하기 위해 더 적은 양의 물을 첨가하면 콘크리트 혼합물의 작업성이 떨어지고 혼합이 어려워지므로, 이때 가소제(감수제, 고성능 감수제, 유동화제 또는 분산제)의 사용이 필요하다.^[16]

가소제는 또한 콘크리트에 포졸란을 첨가하여 강도를 향상시키는 데 자주 사용된다. 이 혼합 비율 방법은 고강도 콘크리트 및 섬유 보강 콘크리트를 생산할 때 특히 널리 사용된다.

시멘트 단위 중량당 1-2%의 가소제를 첨가하는 것으로 충분하다. 과도한 양의 가소제를 첨가하면 콘크리트 분리가 과도하게 발생하므로 권장하지 않는다. 사용되는 특정 화학 물질에 따라, 너무 많은 가소제를 사용하면 지연 효과가 발생할 수 있다.

가소제는 일반적으로 리그노설포네이트로 제조되며, 이는 제지 산업의 부산물이다. 고성능 감수제는 일반적으로 술폰산 나프탈렌 응축물 또는 술폰산화된 멜라민 포름알데히드로 제조되었지만, 최근에는 폴리카르복실산 에테르(PCE) 기반 신제품도 사용된다. 전통적인 리그노설포네이트 기반 가소제, 나프탈렌 및 멜라민 설포네이트 기반 고성능 감수제는 정전기적 반발 메커니즘을 통해 응집된 시멘트 입자를 분산시킨다 (콜로이드 참조). 일반적인 가소제에서 활성 물질은 시멘트 입자에 흡착되어 음전하를 띠게 하여 입자 간의 반발을 일으킨다. 리그닌, 나프탈렌 및 멜라민 설포네이트 고성능 감수제는 유기 고분자이다. 긴 분자는 시멘트 입자를 감싸서 매우 음전하를 띠게 하여 서로 반발하게 한다.

폴리카르복실산 에테르(PCE)계 고성능 감수제 또는 간단히 '''폴리카르복실산''' (PC)은 술포네이트 기반 고성능 감수제와 다르게 작용하며 steric stabilization^eng(입체 안정화)에 의해 시멘트 분산을 제공한다. 이러한 형태의 분산은 그 효과가 더 강력하고 시멘트 혼합물에 작업성 유지를 개선한다.^[17]

4. 3. 회반죽(스터코) 가소제

가소제는 석고보드 회반죽 혼합물에 첨가하여 작업성을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 석고보드 건조에 소비되는 에너지를 줄이기 위해 물 사용량을 줄이면, 석고 혼합물의 작업성이 나빠지고 혼합이 어려워지므로 가소제, 감수제 또는 분산제의 사용이 필요하다.

주요 가소제 종류는 다음과 같다.

리그노설폰산염: 주로 제지 산업의 부산물로 만들어진다. 일부 연구에 따르면, 리그노설폰산염 분산제를 너무 많이 사용하면 응결이 지연되는 효과가 나타날 수 있다. 이는 비정질 결정이 형성되어 코어 내부의 기계적인 바늘 모양 결정 간 상호 작용을 방해하고, 결과적으로 더 강한 코어가 형성되는 것을 막기 때문이다. 리그노설폰산염에 포함된 당류, 킬레이트제(예: 알돈산) 및 기타 추출 화합물이 응결 지연의 주된 원인으로 여겨진다.
고성능 초가소제: 일반적으로 술폰산 나프탈렌 축합물을 술폰화하여 제조되거나, 더 현대적인 대안인 폴리카르복실산 에테르로 만들어진다. 이 두 종류의 고성능 감수제는 리그노설폰산염 유형에 비해 1/2에서 1/3 정도의 양만 사용해도 효과를 나타낸다.^[18]

전통적인 리그노설폰산염 및 나프탈렌 설폰산염 기반 가소제는 정전기적 반발 메커니즘을 통해 서로 뭉쳐 있는 석고 입자를 분산시킨다(콜로이드 참조). 가소제의 활성 물질이 석고 입자 표면에 흡착되어 입자가 음전하를 띠게 만들고, 이로 인해 입자들 사이에 서로 밀어내는 반발력이 발생한다. 리그닌 및 나프탈렌 설폰산염 가소제는 유기 고분자인데, 이 긴 분자들이 석고 입자 주위를 감싸면서 강한 음전하를 부여하여 입자들이 서로 반발하도록 유도한다.^[19]

4. 4. 활성 가소제 (에너지 가소제)

화약 조성물, 특히 고체 로켓 추진제 및 총기용 무연 화약에는 종종 가소제가 사용된다. 이 가소제는 추진제 결합제나 전체 추진제의 물리적 특성을 개선하고, 보조 연료를 제공하며, 이상적으로는 추진제의 비에너지 수율(예: 비추력, 그램당 에너지 수율 등)을 향상시키는 역할을 한다.

활성 가소제는 이러한 물리적 특성을 개선하는 동시에 비에너지 수율을 증가시키는 가소제를 말한다. 특히 고체 로켓 추진제에서는 비활성 가소제보다 활성 가소제가 선호되는데, 이는 추진제에 필요한 질량을 줄여 로켓이 더 많은 탑재량을 운반하거나 더 높은 속도에 도달할 수 있게 해주기 때문이다. 그러나 안전이나 비용 문제 때문에 로켓 추진제에도 비활성 가소제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 우주 왕복선의 고체 로켓 부스터 연료로 사용된 고체 로켓 추진제는 비활성 보조 연료로 HTPB(합성 고무)를 사용했다.

로켓 추진제와 무연 화약에 사용되는 주요 활성 가소제(에너지 가소제)는 다음과 같다.

니트로글리세린 (NG, 글리세릴 트리니트레이트)
부탄트리올 트리니트레이트 (BTTN)
디니트로톨루엔 (DNT)
트리메틸올에탄 트리니트레이트 (TMETN, 메트리올 트리니트레이트, METN)
디에틸렌 글리콜 디니트레이트 (DEGDN, 또는 DEGN)
트리에틸렌 글리콜 디니트레이트 (TEGDN, 또는 TEGN)
비스(2,2-디니트로프로필)포르말 (BDNPF)
비스(2,2-디니트로프로필)아세탈 (BDNPA)
2,2,2-트리니트로에틸 2-니트록시에틸 에테르 (TNEN)

이 중 NG와 BTTN은 2차 알코올 그룹 때문에 열 안정성이 비교적 낮다. TMETN, DEGDN, BDNPF, BDNPA는 상대적으로 에너지가 낮으며, NG와 DEGDN은 증기압이 비교적 높다는 특징이 있다.

5. 안전성 및 독성

일부 고분자 가소제의 안전성에 대해 상당한 우려가 제기되었으며, 특히 일부 저분자량 오르소-프탈레이트는 잠재적인 내분비 교란 물질로 분류되었고 일부 발달 독성 보고도 있다.^[9] 가소제는 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되어 있지 않기 때문에, 플라스틱의 사용 중 이동이나 마모 과정에서 빠져나와 환경이나 인체에 노출될 수 있다.

흔히 "새 차 냄새"의 원인으로 가소제나 그 분해 산물이 지목되기도 하지만,^[10] 실제 냄새 성분을 분석한 여러 연구에서는 프탈레이트가 의미 있는 양으로 검출되지 않았다. 이는 프탈레이트 자체의 휘발성과 증기압이 매우 낮기 때문인 것으로 보인다.^[11] 다만, 자동차 내장재에 사용된 가소제에서 발생하는 휘발성 유기 화합물이 차 안에 축적되어 냄새의 원인이 될 수 있다는 우려는 여전히 존재한다. 또한 프탈레이트와 같은 일부 가소제는 환경 호르몬과 유사한 작용을 할 수 있다는 의혹이 있으며, 새집 증후군의 원인 중 하나로 지목되기도 한다.

가소제가 많이 포함된 플라스틱 제품이 다른 종류의 플라스틱 제품과 장시간 접촉하면 서로 융합되어 달라붙는 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, PVC로 만든 플라스틱 지우개나 그 부스러기가 PS 재질의 필통이나 자에 달라붙는 현상이 대표적이다. 이는 지우개 속 가소제가 필통이나 자의 플라스틱으로 이동하면서 발생하는 현상으로, 특히 고온 환경에서는 더 빠르게 진행될 수 있다.

6. 대한민국 현황 및 전망

대한민국은 가소제 생산 및 소비량이 많은 국가 중 하나이며, PVC 산업의 발달과 함께 가소제 시장도 성장해왔다. 최근 환경 및 건강 문제에 대한 사회적 관심이 높아지고 정부의 관련 규제가 강화되면서, 기존에 널리 사용되던 프탈레이트계 가소제의 사용은 점차 감소하는 추세이다. 대신 환경 친화적인 대체 가소제의 개발과 사용이 증가하고 있다.

특히, 식품 용기, 어린이 용품, 의료기기 등 인체에 민감하게 영향을 미칠 수 있는 제품군에서는 DEHP(프탈산 다이에틸헥실), DBP(프탈산 다이뷰틸) 등 유해성 논란이 있는 특정 프탈레이트계 가소제의 사용이 엄격히 제한되고 있다. 이러한 규제 강화에 따라 DINP(프탈산 다이아이소노닐), DOTP(테레프탈산 디옥틸) 등 상대적으로 안전성이 확보된 대체 가소제의 사용이 확대되는 경향을 보인다.

환경 호르몬 논란 외에도 일부 가소제는 새집 증후군의 원인 물질 중 하나로 지목되기도 하며, 자동차 내장재에 사용된 가소제에서 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 소위 '새 차 냄새'의 원인이 될 수 있다는 우려도 제기되고 있다. 이러한 사회적 우려와 요구에 발맞추어, 유해 화학 물질로부터 안전한 사회를 만들기 위한 노력이 중요해지고 있으며, 가소제를 포함한 생활 화학 제품의 안전 관리 강화 및 친환경 기술 개발 지원에 대한 정책적 관심이 요구된다.

참조

_[1] 논문 Poly(Vinyl Chloride)
_[2] 서적 Plasticizers Wiley-VCH, Weinheim
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_[4] 논문
_[5] 논문
_[6] 논문 Free Volume in a PVME Polymer–Water Solution
_[7] 웹사이트 Chemical Economics Handbook Report on Plasticizers https://www.ihs.com/[...] 2015-07-01
_[8] 웹사이트 http://www.hallstar.[...]
_[9] 논문 Plastics and Health Risks
_[10] 논문 Investigation of volatile organic compounds and phthalates present in the cabin air of used private cars
_[11] 뉴스 http://pubs.acs.org/[...] Chemical and Engineering News
_[12] 문서 DEHP (plasticizer)
_[13] 문서 TOTM as plasticizer
_[14] 문서 DEHS (plasticizer)
_[15] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
_[16] 웹사이트 CAA https://web.archive.[...] www.admixtures.org.uk
_[17] 웹사이트 C&EN: Coverstory - Synthetic Chemistry Moves Into Concrete http://pubs.acs.org/[...]
_[18] 웹사이트 http://pharosproject[...]
_[19] 논문 Rheological property evolution in concentrated cement-polyelectrolyte suspensions
_[20] 특허 2,2,2-trinitroethyl 2-nitroxyethyl ether and a method of preparation - US Patent 4745208 http://www.freepaten[...]
_[21] 서적 可塑剤50年史可塑剤工業会 2007-07-01
_[22] 뉴스 Plasticizer Makers Want A Piece Of The Phthalates Pie http://cen.acs.org/a[...]
_[23] 웹사이트 Chemical Economics Handbook Report on Plasticizers https://www.ihs.com/[...] 2015-07-01

가소제