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저밀도 폴리에틸렌

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목차

1. 개요

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 에틸렌의 라디칼 중합을 통해 제조되는 열가소성 수지의 일종이다. 고압법을 통해 생산되며, 가지가 많은 구조적 특징으로 인해 밀도가 낮고 유연하며 반투명한 외관을 갖는다. LDPE는 다양한 용도로 사용되며, 특히 비닐 봉투, 포장재, 용기, 생활용품, 산업용 부품 등에 널리 활용된다. 그러나, 햇빛에 노출되면 온실 가스를 배출하고, 다른 플라스틱보다 더 빠르게 분해되어 환경 문제의 원인이 되기도 한다.

2. 제법

각 폴리에틸렌은 석유를 원료로 한 나프타를 열분해하여 얻은 에틸렌을 라디칼 중합하여 제조된다. 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 주로 고압법(덩어리 중합법, ICI법)을 통해 에틸렌을 라디칼 중합하여 제조된다.

2. 1. 고압법

석유를 원료로 한 나프타를 열분해하여 얻은 에틸렌을 라디칼 중합하여 제조한다. 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 고압법으로 중합된다.[13] 덩어리 중합법 또는 ICI법이라고도 한다. 공기 중의 산소 또는 과산화물 등 라디칼 개시제를 촉매로 사용하여 에틸렌을 1,000~4,000기압, 100°C~350°C 환경에서[13] 다단 가스 압축기로 중합한다. 그 후 잔류 단량체를 분리하고 냉각하여 얻는다.

LDPE는 이와 같이 고압·고온 조건에서 중합되기 때문에 에틸렌이 단순한 사슬 모양으로 결합하지 않고, 많은 장쇄 분기(LCB) 및 단쇄 분기(SCB)를 갖게 된다. 이 구조가 직접적으로 밀도를 낮추고 유연성을 만든다. 또한 가지 구조의 수와 길이의 비율은 분자량 분포와 함께 LDPE의 물성 및 성형성에 영향을 미치며, 다양한 등급 설계에 크게 관여한다.

3. 특징

LDPE는 밀도가 낮고(0.92 g/cm³ 전후) 유연하며, 유백색 반투명하다. 필름 형태로 가공하면 거의 투명해진다. LDPE는 다음과 같은 특징을 갖는다.


  • 물리적 성질: 비중이 0.92 전후로 가볍고, 필름으로 만들면 거의 투명해진다. 맛과 냄새가 없으며, 결정화도가 낮아 유연하고 부드럽지만 강성은 낮다. 충격 강도와 내한성이 우수하지만, 내열성은 떨어진다.
  • 화학적 성질: 내수성 및 무기 용제에 대한 내약품성이 우수하지만, 석유계 용제나 톨루엔, 벤젠 등에는 약하다. 계면활성제와 접촉한 상태에서 응력이 가해지면 균열이 발생할 수 있다.
  • 전기적 성질: 전기 절연 특성이 비교적 좋지만, 염료 착색, 접착, 인쇄 가공성은 떨어진다.
  • 기타 성질: 내후성이 낮아 햇빛이나 열에 노출되면 열화되며, 태우면 파라핀 냄새가 난다. 가공성은 우수하다.

3. 1. 물리적 성질

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 밀도가 917–930 kg/m3 범위로 정의된다.[6] 상온에서 강한 산화제를 제외하고는 반응성이 없으며, 일부 용매에 의해 부풀어 오르기도 한다. 65°C에서 지속적으로, 90°C에서 단시간 동안 견딜 수 있다. 반투명 및 불투명 형태로 제작되며, 상당히 유연하고 질기다.

LDPE는 가지가 HDPE보다 많아 분자간 힘(순간 쌍극자 유도 쌍극자 인력)이 약하고, 인장 강도는 낮지만 탄성은 더 높다. 측면 가지 때문에 분자가 덜 조밀하게 포장되고 결정성이 낮아져 밀도가 낮아진다.

일관된 햇빛에 노출되면, LDPE는 상당한 양의 온실 가스인 메탄과 에틸렌을 생성한다. 밀도가 낮아 (가지가 많음) 다른 플라스틱보다 쉽게 분해되며, 이 과정에서 표면적이 증가한다. 미세 가스 생성은 플라스틱의 표면적과 시간에 따라 증가하므로, LDPE는 다른 플라스틱보다 더 지속 불가능한 속도로 온실 가스를 배출한다. 212일 배양 후의 테스트에서 메탄 5.8 nmol g-1 d-1, 에틸렌 14.5 nmol g−1 d−1, 에탄 3.9 nmol g−1 d−1, 프로필렌 9.7 nmol g−1 d−1의 배출량이 기록되었다. 공기 중에서 배양했을 때, LDPE는 물보다 약 2배, 에틸렌은 약 76배 더 높은 속도로 메탄과 에틸렌을 배출한다.[7]

  • 비중이 0.92 전후로 가볍다.
  • 유백색 반투명이며, 필름으로 성형하면 거의 투명해진다.
  • 무미무취이다.
  • 이론상 폴리에틸렌의 결정 밀도는 1.014, 비결정 밀도는 0.850이므로, LDPE는 결정화도가 50% 미만으로 낮다. 따라서 유연하고 부드러우며, 강성은 낮다.
  • 충격 강도가 우수하다.
  • 내한성이 우수하여 실용 온도는 -60℃ 정도로 낮다.
  • 내열성이 떨어진다. 융점은 100~115℃이며, 실용 온도는 그보다 낮다.
  • 내수성 및 무기 용제에 대한 내약품성이 우수하다. 그러나 석유계 용제나 톨루엔, 벤젠 등에는 약하며, 팽윤이나 균열 발생 등이 일어난다. 계면활성제와 접촉한 상태에서 응력이 가해지면 약해져 균열 등을 일으킨다(환경 응력 균열).
  • 전기적 절연 특성이 비교적 좋다.
  • 분자 내 분극이 적어 염료에 의한 착색이 불가능하다. 또한 접착 및 인쇄 가공성이 떨어진다.
  • 내후성은 낮으며, 햇빛 등 자외선이나 열에 노출되면 열화된다.
  • 태우면 구조가 같은 파라핀 냄새가 난다.
  • 가공성이 우수하며, 각종 첨가제를 줄인 성형이 가능하다.[14]

3. 2. 화학적 성질

LDPE는 내수성 및 무기 용제에 대한 내약품성이 우수하다. 그러나 석유계 용제나 톨루엔, 벤젠 등에는 약하며, 팽윤이나 균열 발생 등이 일어난다.[14] 계면활성제와 접촉한 상태에서 응력이 가해지면 약해져 균열 등을 일으킨다(환경 응력 균열).[14]

묽고 농축된 산, 알코올, 염기, 에스터에 대해 매우 우수한 내성을 보인다. 알데히드, 케톤, 식물성 기름에 대해서는 좋은 내성을 보인다. 지방족 및 방향족 탄화수소, 광물유, 산화제에 대해서는 제한적인 내성을 보인다. 할로겐화 탄화수소와 함께 사용 시 내성이 좋지 않다.[8][9]

3. 3. 전기적 성질

분자 내 분극이 적기 때문에 전기적 절연 특성이 비교적 좋다.[14] 그러나 염료에 의한 착색이 불가능하며, 접착 및 인쇄 가공성이 떨어진다.

3. 4. 기타 성질

LDPE는 분자 내 분극이 적어 염료에 의한 착색, 접착 및 인쇄 가공성이 떨어진다.[14] 내후성이 낮아 햇빛(자외선)이나 열에 노출되면 열화될 수 있다. 연소 시 구조가 같은 파라핀 냄새가 난다. 가공성이 우수하여 다양한 형태로 성형이 가능하다.[14]

4. 개질

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 단점을 보완하기 위해 여러 방법으로 개질된다. 내후성을 높이기 위해 카본 블랙이나 자외선 열화 방지제를 컴파운드하기도 하고, 환경 응력 균열에 대한 내성을 높이기 위해 초산 비닐과 공중합하여 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)를 만들기도 한다.

4. 1. 컴파운드

옥외 사용 등 내후성이 요구되는 경우에는 카본 블랙이나 자외선 열화 방지제를 첨가(컴파운드)하여 내후성을 향상시킨다. 농업용 멀칭 시트에서 자주 사용된다.

4. 2. 공중합

환경 응력 균열에 대한 내성을 높이기 위해 초산 비닐과 공중합하여 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)를 제조하기도 한다.

5. 용도

LDPE는 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다.


  • 포장재: 비닐 봉투, 식품 포장, 기포 완충재(뽁뽁이), 수축 필름, 랩 등
  • 용기: 각종 용기, 분배 병, 세척 병, 타파웨어 뚜껑 등
  • 생활용품: 물뿌리개 호스, 위생 장갑, 조화 등
  • 산업용: 농업용 필름, 전선 피복, 파이프, 배터리 케이스, 자동차 부품 등
  • 기타: 액체 포장재(우유 카톤 등, 라미네이트 형태), 컴퓨터 하드웨어 포장, 놀이터 미끄럼틀 등


GEECO 그릇, 1950년경, 2014년에도 사용 중


LDPE로 만든 포장 폼 조각


LDPE로 만든 지퍼백


LDPE로 만든 세안 젤 병


LDPE는 필름 형태로 많이 사용되는데, 가격이 저렴하여 과자, 의류 등의 간이 포장이나 쓰레기 봉투로 유용하다. 내수성이 높아 신선 식품 포장에도 많이 사용되며, '뽁뽁이'로 불리는 기포 완충재도 LDPE로 만든다. 낮은 융점은 히트 씰(heat seal)용 재료로 적합하여 공압출 재료로도 활용된다.[18][19]

부드러운 성질을 이용하여 중공 성형을 통해 연질 용기로도 많이 사용되며, 압출 성형된 유연한 물뿌리개 호스가 대표적이다. 사출 성형품으로는 용기류나 타파웨어의 반투명 뚜껑 등이 있다.

5. 1. 역사

영국의 임페리얼 케미컬 인더스트리즈(Imperial Chemical Industries)가 1933년 고압 하의 유기 합성 실험 중 우연히 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 발견하였다. 1939년에 산업화되었다. 제2차 세계 대전 중에는 레이더[15]나 병기의 부품[16], 일본군이 격추한 연합국 군 전투기의 절연 재료로도 사용되었다.[17] 전쟁 후에는 가벼움과 충격 강도 등이 평가되어 일용품이나 포장용 필름 등에 채용되었다.

5. 2. 사용 예

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 다양한 용도로 사용된다.

  • 포장재: 비닐 봉투, 식품 포장, 기포 완충재(뽁뽁이), 수축 필름, 랩 등
  • 용기: 각종 용기, 분배 병, 세척 병, 타파웨어 뚜껑 등
  • 생활용품: 물뿌리개 호스, 위생 장갑, 조화 등
  • 산업용: 농업용 필름, 전선 피복, 파이프, 배터리 케이스, 자동차 부품 등
  • 기타: 액체 포장재(우유 카톤 등, 라미네이트 형태), 컴퓨터 하드웨어 포장, 놀이터 미끄럼틀 등


LDPE는 필름 형태로 사용되는 경우가 많은데, 저렴한 가격 덕분에 과자, 의류 등의 간이 포장이나 쓰레기 봉투로 유용하게 사용된다. 높은 내수성을 활용하여 신선 식품 포장에도 많이 사용되며, '뽁뽁이'로 불리는 기포 완충재도 LDPE로 만들어진다. 또한, 낮은 융점은 히트 씰(heat seal)용 재료로 적합하여 공압출 재료로도 활용된다.[18][19]

부드러운 성질을 살려 중공 성형을 통해 연질 용기로도 많이 사용되며, 압출 성형된 유연한 물뿌리개 호스가 대표적인 예시이다. 사출 성형품으로는 용기류나 타파웨어의 반투명 뚜껑 등이 있다.

6. 환경 문제

Low-density polyethylene|저밀도 폴리에틸렌영어(LDPE)은 햇빛에 지속적으로 노출되면 메탄, 에틸렌 등 온실 가스를 상당량 배출한다. 밀도가 낮아 다른 플라스틱보다 쉽게 분해되면서 표면적이 증가하기 때문이다. 미세 가스 생성은 플라스틱의 표면적과 시간에 비례해 증가하므로, LDPE는 다른 플라스틱보다 더 빠른 속도로 온실가스를 배출하는 경향이 있다. 212일간 배양 실험 결과, LDPE는 메탄 5.8 nmol g-1 d-1, 에틸렌 14.5 nmol g−1 d−1, 에탄 3.9 nmol g−1 d−1, 프로필렌 9.7 nmol g−1 d−1을 배출했다. 공기 중에서 배양했을 때는 물에서보다 메탄은 약 2배, 에틸렌은 약 76배 더 많이 배출했다.[7]

참조

[1] 서적 Introduction to Industrial Polyethylene: Properties, Catalysts, and Processes https://books.google[...] John Wiley and Sons 2010
[2] 웹사이트 Municipal Solid Waste Generation,n word and Disposal in the United States http://www.epa.gov/o[...] EPA.gov 2016-11-15
[3] 웹사이트 Market Study: Polyethylene LDPE (2nd edition) http://www.ceresana.[...] Ceresana
[4] 뉴스 How to Recycle Number 4 Plastic https://homeguides.s[...] San Francisco Chronicle 2018-12-28
[5] 뉴스 Exactly What Every Plastic Recycling Symbol Really Means https://www.goodhous[...] Good Housekeeping 2022-02-18
[6] 웹사이트 Polyethylene (Low Density) LDPE, LLDPE http://www.bpf.co.uk[...] 2018-06-14
[7] 간행물 Production of methane and ethylene from plastic in the environment 2018-08-01
[8] 간행물 Determination of low-density polyethylene–water partition coefficients for novel halogenated flame retardants with the large volume model and co-solvent model 2021-08
[9] 웹사이트 LDPE Chemical Compatibility Chart http://www.calpaclab[...] CP Lab Safety
[10] 간행물 Chemical recycling of plastic wastes made from polyethylene (LDPE and HDPE) and polypropylene (PP) 2007-11
[11] 웹사이트 LDPE products and applications http://www.exxonmobi[...] Exxon Mobil Corporation
[12] 웹사이트 DOW LDPE 5004I https://web.archive.[...] IDES – The Plastics Web
[13] 문서 文献によって条件が異なるため、最小値と最大値をそれぞれ選択している。
[14] 웹사이트 ポリエチレン樹脂 http://www.food.sugi[...] 椙山女学園大学 2008-01-12
[15] 웹사이트 低密度ポリエチレン(LDPE)とは? http://www.housougij[...] 包装技術ねっと 2008-01-12
[16] 웹사이트 ご存知?ポリ袋 http://www.bs-aqua.c[...] ビーエス・アクア株式会社 2008-01-12
[17] 웹사이트 やさしいプラスチックの話【第8話】 http://www.chem-tb.c[...] 岡康生、テクノブレインズ 2008-01-12
[18] 웹사이트 フォーム製品 http://www.asahi-kas[...] 旭化成 2008-01-12
[19] 웹사이트 【技術分類】1-3-2有機高分子多孔質体製造法／発泡体／物理的発泡法 http://www.jpo.go.jp[...] 特許庁 2008-01-12
[20] 웹인용 Market Study: Polyethylene LDPE (2nd edition) http://www.ceresana.[...] Ceresana


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