폴리스타이렌
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1. 개요
폴리스타이렌은 1839년 에두아르트 시몬에 의해 발견된 플라스틱의 일종으로, 스티렌 단량체의 중합으로 생성된다. 역사적으로는 1931년 IG 파르벤에서 생산을 시작했으며, 이후 다양한 형태로 개발되어 현재는 시트, 폼, 공중합체 등 다양한 형태로 생산된다. 폴리스타이렌은 가볍고 성형이 용이하여 일회용 식기류, 포장재, 단열재 등 다양한 용도로 사용되지만, 생분해되지 않고 환경 오염을 유발한다는 문제점이 있다. 이에 따라 사용 규제가 강화되고 있으며, 재활용 및 업사이클링, 소각 등의 처리 방법이 연구되고 있다. 폴리스타이렌은 식품 용기로 사용될 때 스티렌 단량체의 용출 및 전자레인지 사용 안전성 등 건강 관련 문제도 제기되고 있으며, 화재 시 인화성이 높다는 안전상의 위험도 존재한다.
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| 폴리스타이렌 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| |
| IUPAC 명칭 | 폴리(1-페닐에텐) |
| 약칭 | PS |
| CAS 등록번호 | 9003-53-6 |
| 기타 명칭 | 써모콜 |
| 성질 | |
| 화학식 | (C₈H₈)ₙ |
| 겉모습 | 무색 투명한 고체 |
| 냄새 | 무취 |
| 밀도 | 0.96–1.05 g/cm³ |
| 녹는점 | ~240 °C (아이소택틱 폴리스타이렌의 경우) |
| 열전도율 | 0.033 W/(m·K) (발포체, ρ 0.05 g/cm³) |
| 끓는점 | 430 °C (분해됨) |
| 용해도 | 불용성 |
| 기타 용해도 | 벤젠, 이황화 탄소, 염소화 지방족 탄화수소, 클로로포름, 사이클로헥사논, 다이옥세인, 에틸 아세테이트, 에틸벤젠, MEK, NMP, THF에 용해됨 |
| 굴절률 | 1.6; 유전 상수: 2.6 (1 kHz – 1 GHz) |
| 위험성 | |
| GHS 그림 문자 | 해당 없음 |
| 관련 화합물 | |
| 관련 화합물 | 스타이렌 (단량체) |
| 일본어 명칭 | |
| 명칭 | 스티롤 수지 |
| 명칭 | 폴리스티렌 |
| 명칭 | AFCOLENE |
| 한국어 명칭 | |
| 명칭 | 폴리스타이렌 |
| 폴리스타이렌 역사 | |
| 역사 | 1949년 3월 22일, 폴리스타이렌 축음기 레코드 및 제조 공정 특허 |
| 식별 | |
| PubChem | 7501 |
| MeSH | Polystyrenes |
| SMILES | C1=CC=CC=C1C=C |
| J-GLOBAL ID | 200907094521701050 |
| RTECS | DA0520000 |
2. 역사
1839년 베를린의 약사 에두아르트 시몬이 폴리스타이렌을 발견했다.[8] 그는 동방 스위트검 나무(''Liquidambar orientalis'')의 수지인 스토락스에서 스타이렌이라는 유성 물질을 증류했다. 며칠 후 시몬은 이것이 젤리처럼 굳는 것을 발견했는데, 그는 산화로 인해 생성되었다고 추정하여 스타이롤 옥사이드("Styroloxyd")라고 명명했다.
화학적으로 폴리스타이렌은 페닐기(벤젠 유도체)가 교대로 탄소 중심에 부착된 긴 사슬 탄화수소이다. 폴리스타이렌의 화학식은 (C8H8)n이며, 탄소와 수소를 포함한다.
1845년 자메이카 출신 화학자 존 버들 블라이스와 독일 화학자 아우구스트 빌헬름 폰 호프만은 스타이롤의 동일한 변환이 산소가 없는 상태에서도 일어난다는 것을 보여주었다.[9] 그들은 그 생성물을 "메타 스타이롤"이라고 불렀는데, 분석 결과 시몬의 Styroloxyd와 화학적으로 동일하다는 것이 밝혀졌다.[10] 1866년 마르셀랭 베르텔로는 스타이롤로부터 메타 스타이롤/Styroloxyd가 형성되는 것을 중합 과정으로 정확하게 규명했다.[11] 약 80년 후, 독일 유기 화학자 헤르만 슈타우딩거 (1881–1965)의 학설에 따라 스타이롤의 가열이 거대 분자를 생성하는 연쇄 반응을 시작한다는 것을 알게 되었다. 이는 결국 이 물질이 현재의 이름인 폴리스타이렌을 얻게 된 계기가 되었다.
IG 파르벤사는 1931년경 루트비히스하펜에서 폴리스타이렌 생산을 시작했다. 그들은 가열된 튜브와 절단기를 통해 폴리스타이렌을 압출하여 펠릿 형태로 생산하는 반응기 용기를 개발함으로써 성공을 거두었다.[12]
다우 케미컬의 화학 엔지니어 레이 매킨타이어 (1918–1996)는 스웨덴 발명가 칼 문터스가 1930년대 초에 특허를 낸 공정을 재발견했다.[13] 1944년, 스티로폼이 특허를 받았다.[15]
1949년 이전에 화학 엔지니어 프리츠 스타스트니 (1908–1985)는 펜탄과 같은 지방족 탄화수소를 첨가하여 예비 팽창된 PS 비드를 개발했다. BASF와 스타스트니는 1949년에 특허를 신청하여 발급받았다. 성형 공정은 1952년 뒤셀도르프에서 열린 Kunststoff Messe 1952에서 시연되었다. 제품은 Styropor라는 이름으로 명명되었다.[16]
1954년, 펜실베이니아주 피츠버그에 있는 코퍼스는 발포 폴리스타이렌 (EPS) 폼을 Dylite라는 상표명으로 개발했다.[18] 1960년, 폼 컵 최대 제조업체인 다트 컨테이너에서 첫 주문을 출하했다.[19]
등방성 폴리스타이렌의 결정 구조는 줄리오 나타에 의해 보고되었다.[17]
3. 구조 및 생산
폴리스타이렌은 스티렌 단량체가 중합될 때 생성되는 첨가 중합체이다. 중합 과정에서 비닐기의 탄소-탄소 파이 결합이 끊어지고 새로운 탄소-탄소 시그마 결합이 형성되어 다른 스티렌 단량체의 탄소에 연결된다. 새로 형성된 σ 결합은 파괴된 π 결합보다 강하므로 폴리스타이렌을 탈중합하기 어렵다. 일반적으로 약 수천 개의 단량체가 폴리스타이렌 사슬을 구성하며, 몰 질량은 100,000–400,000 g/mol이다.
백본의 각 탄소는 사면체 기하 구조를 가지며, 페닐기가 부착된 탄소는 입체 발생이다. 연속적인 페닐기의 상대적인 입체화학 관계는 택티시티를 결정하며, 이는 재료의 물리적 특성에 영향을 미친다.[21]
이 재료의 특성은 고분자 사슬 사이의 단거리 반 데르 발스 힘 인력에 의해 결정된다. 분자는 수천 개의 원자로 구성되어 있으므로 분자 간의 누적 인력은 크다. 가열될 때 (또는 점탄성 및 단열 특성의 조합으로 인해 빠른 속도로 변형될 때), 사슬은 더 높은 정도의 배열을 취하고 서로 미끄러질 수 있다. 이러한 분자간의 약점은 유연성과 탄성을 부여한다. 유리 전이 온도 이상에서 시스템을 쉽게 변형할 수 있는 능력은 폴리스타이렌이 가열 시 쉽게 연화되고 성형될 수 있도록 한다. 압출 폴리스타이렌은 합금되지 않은 알루미늄과 거의 같은 강도를 가지지만 훨씬 더 유연하고 밀도가 훨씬 낮다(폴리스타이렌의 경우 1.05g/cm3, 알루미늄의 경우 ).[20]
3. 1. 택티시티 (Tacticity)
폴리스타이렌에서 입체 규칙성은 페닐기가 고분자 사슬 내에서 얼마나 균일하게 정렬되는지를 설명한다. 입체 규칙성은 플라스틱의 물성에 큰 영향을 미친다. 일반적인 폴리스타이렌은 아탁틱(Atactic)이다. 모든 페닐기가 같은 쪽에 있는 입체 이성질체는 아이소택틱(Isotactic) 폴리스타이렌이라고 하며, 상업적으로 생산되지 않는다.
3. 1. 1. 아탁틱 폴리스타이렌 (Atactic Polystyrene)
상업적으로 중요한 폴리스타이렌은 페닐기가 중합체 사슬의 양쪽에 무작위로 분포되어 있는 ''아탁틱'' 형태이다. 이러한 무작위적인 배치는 사슬이 결정성을 얻을 수 있을 정도로 규칙적으로 정렬되는 것을 방해한다. 이 플라스틱은 유리 전이 온도 ''T''g가 약 90 °C이다. 중합은 자유 라디칼로 시작된다.[22]
일반적으로 사용되는 폴리스타이렌은 과산화 벤조일을 이니시에이터로 하여 스티렌을 라디칼 중합하여 얻어지는 아탁틱 구조를 가진 플라스틱으로, 비정질의 폴리머이다. 아탁틱 폴리스타이렌은 열가소성 수지로 가격이 저렴하며, 쉽게 사출 성형할 수 있어서 일용품이나 프라모델의 소재로 널리 사용된다. 비교적 경질의 무색 투명 또는 백색 플라스틱으로, 염색성, 도장성, 접착성, 절삭 등 가공성도 양호하다. 프라모델에서는 탄력성이나 내마모성 등 강도 면에서 ABS 수지 등 다른 소재를 조합한 키트가 늘고 있지만, 이러한 이종 소재는 도장이나 가공에 각각 난점이 있어 주의가 필요하다.
결점으로는 탄성이 부족하여 구부리거나 충격에 약하고, 흠집이 잘 생긴다. 또한 경년 변화에 따라 황변이나 흐려짐이 생겨 실용품으로는 내구성이 다소 떨어진다. 폴리스타이렌에 발포제를 사용하여 성형한 발포 스티로폼은 식품의 단열 용기 외에, 최근에는 건축용 단열재로도 널리 사용되고 있다.
열가소성을 이용하여 플라스틱 판으로 학교의 공작이나 열쇠고리 등 공예품 제작에 사용되기도 하지만, 인화성이 높고, 인화 또는 고온을 가하면 유기 용제·석유 계열의 강한 냄새와 검은 연기를 발생시키므로, 오븐레인지 등에서 가열할 때는 온도를 너무 높이지 않도록 주의해야 한다. 테르펜유, 들기름, 차조기름 등 일부 식용유, 리모넨 (감귤류에 포함됨), 벤젠, 시너 등에 녹는다. 또한 알코올과 장기간 접촉하면 맛을 변질시킬 수 있다.
3. 1. 2. 신디오택틱 폴리스타이렌 (Syndiotactic Polystyrene)
치글러-나타 중합은 탄화수소 주쇄의 교대적인 측면에 페닐기가 위치하는 정돈된 ''신디오택틱'' 폴리스티렌을 생성할 수 있다. 이 형태는 270°C의 융점(''T''m)을 가지는 고결정성이다.[23] 메탈로센 촉매를 사용한 중합 반응으로 만들어지는 신디오택틱 폴리스타이렌 수지는 현재 이데미츠 코퍼레이션에서 XAREC라는 상표명으로 생산한다.[23]
메탈로센 촉매에 의한 중합에서는 신디오택틱 구조를 가진 폴리스타이렌을 합성할 수 있는데, 이것에 의해 생성되는 폴리스타이렌은 결정성 고분자이며 불투명하지만, 아탁틱 폴리스타이렌보다 내열성이 뛰어나다.
4. 분해 (Degradation)
폴리스타이렌은 비교적 화학적으로 비활성이지만, 아세톤을 포함한 많은 유기 용매, 염소화 용매, 방향족 탄화수소 용매에 노출되면 쉽게 분해된다. 다른 유기 화합물과 마찬가지로 폴리스타이렌은 연소 시 이산화 탄소와 수증기 외에 다른 열적 분해 부산물을 생성한다. 폴리스타이렌은 방향족 탄화수소이므로 불완전 연소 시 탄화되어 그을음이 생기는 불꽃으로 나타난다.[24]
폴리스타이렌을 단량체인 스티렌으로 탈중합하는 과정을 열분해라고 한다. 열분해는 고온 및 고압을 필요로 하며, 일반적으로 430°C에서 진행된다. 이러한 높은 에너지 비용 때문에 폴리스타이렌을 스티렌 단량체로 상업적으로 재활용하는 것은 어렵다.
4. 1. 생분해 (Biodegradation)
폴리스타이렌은 일반적으로 생분해되지 않는 것으로 여겨진다. 하지만, 특정 유기체는 비록 매우 느리지만, 이를 분해할 수 있다.[25]2015년, 연구자들은 밀웜 (딱정벌레의 유충인 ''Tenebrio molitor'')이 EPS를 소화하고 건강하게 섭취할 수 있다는 것을 발견했다.[26][27] 약 100마리의 밀웜은 하루에 34~39 밀리그램의 흰색 폼을 소비할 수 있었다. 밀웜의 배설물은 작물의 토양으로 사용하기에 안전한 것으로 밝혀졌다.[26]
2016년에는 슈퍼웜 (''Zophobas morio'')도 발포 폴리스티렌 (EPS)을 먹을 수 있다는 보고가 있었다.[28] 아테네오 데 마닐라 대학교의 고등학생 그룹은 ''Tenebrio molitor'' 유충과 비교했을 때, ''Zophobas morio'' 유충이 더 오랜 기간 동안 더 많은 양의 EPS를 소비할 수 있다는 것을 발견했다.[29]
2022년 과학자들은 슈퍼웜의 장에서 폴리스티렌의 분해 및 분해 산물인 스티렌과 관련된 효소를 암호화하는 ''Pseudomonas'', ''Rhodococcus'' 및 ''Corynebacterium''을 포함한 여러 박테리아 속을 확인했다.[30]
세균 ''Pseudomonas putida''는 스티렌 오일을 생분해성 플라스틱 PHA로 전환할 수 있다.[31][32][33] 이는 언젠가 폴리스티렌 폼을 효과적으로 처리하는 데 유용할 수 있다. 폴리스티렌은 스티렌 오일로 변환하기 위해 열분해를 거쳐야 한다는 점에 주목할 가치가 있다.
5. 생산되는 형태 (Forms Produced)
폴리스타이렌은 일반적으로 사출 성형, 진공 성형, 압출 성형으로 만들어지며, 발포 폴리스타이렌은 특수한 공정을 통해 압출되거나 성형된다. 최근에는 셀룰로오스[37][38] 및 전분[39]을 사용한 발포 폴리스타이렌 복합재도 생산되고 있다.
일반적으로 사용되는 폴리스타이렌은 과산화 벤조일을 라디칼 개시제로 사용하여 스티렌을 라디칼 중합하여 얻어지는 아탁틱 구조를 가진 플라스틱으로, 비정질 폴리머이다. 아탁틱 폴리스타이렌은 열가소성 수지로 가격이 저렴하고, 사출 성형이 용이하여 일용품이나 프라모델 소재로 널리 사용된다.
메탈로센 촉매를 이용한 중합을 통해 신디오택틱 구조를 가진 폴리스타이렌을 합성할 수도 있다. 이렇게 생성된 폴리스타이렌은 결정성 고분자로, 불투명하지만 아탁틱 폴리스타이렌보다 내열성이 우수하다.
폴리스타이렌은 테르펜유, 들기름, 차조기름 등 일부 식용유, 리모넨(감귤류에 포함), 벤젠, 시너 등에 녹는다.
5. 1. 시트 또는 성형 폴리스타이렌 (Sheet or Molded Polystyrene)
폴리스타이렌(PS)은 일회용 플라스틱 식기류, CD "쥬얼" 케이스, 연기 감지기 하우징, 번호판 프레임, 프라모델 조립 키트 등 경질의 경제적인 플라스틱이 필요한 많은 물건을 생산하는 데 사용된다.[40] 생산 방법에는 열성형 (진공 성형) 및 사출 성형이 있다.폴리스타이렌 페트리 접시, 시험관, 미세구멍판과 같은 기타 실험실 용기는 생의학 연구 및 과학에서 중요한 역할을 한다. 이러한 용도로는 거의 항상 사출 성형으로 만들어지며, 종종 성형 후 에틸렌옥사이드로 처리하거나 조사하여 멸균된다. 극성기를 도입하기 위해 성형 후 표면 변형(일반적으로 산소가 풍부한 플라즈마)이 종종 수행된다. 현대 생의학 연구의 상당 부분이 이러한 제품의 사용에 의존하므로 제약 연구에서 중요한 역할을 한다.[40]
5. 2. 폼 (Foams)
폴리스타이렌 폼은 95~98%가 공기로 이루어져 있어 단열 성능이 뛰어나다.[41][42] 이러한 특성으로 인해 단열 콘크리트 폼이나 구조용 단열 패널 건축 시스템과 같은 건축 단열재로 자주 사용된다. 특히 흑연을 포함하는 회색 폴리스타이렌 폼은 우수한 단열 특성을 지닌다.[43] 1935년 스웨덴의 칼 문터스와 존 구드브란드 탄드베리는 단열재로 사용되는 폴리스티렌 폼에 대한 미국 특허를 받았다(미국 특허 번호 2,023,204).[44]폴리스타이렌 폼은 댐핑(충격 흡수) 특성이 우수하여 포장재로도 널리 사용된다. 다우 케미컬 컴퍼니에서 제조한 "압출 폐쇄 셀" 폴리스티렌 폼에만 사용되어야 하는 스티로폼이라는 상표는, 미국과 캐나다에서 모든 발포 폴리스티렌 제품을 지칭하는 비공식적인 용어로 사용되기도 한다. 폴리스타이렌 폼은 (장식용 기둥과 같은) 비하중 건축 구조물에도 사용된다.
5. 2. 1. 발포 폴리스타이렌 (Expanded Polystyrene, EPS)
발포 폴리스타이렌(Expanded Polystyrene, EPS)은 일반적인 밀도 범위가 11~32 kg/m3인 단단하고 질긴 폐쇄 셀 폼이다.[45] 보통 흰색이며 미리 팽창된 폴리스타이렌 비드로 만들어진다. EPS는 음식 용기, 건축 단열재용 성형 시트, 포장재 등으로 사용된다. 또한 오토바이 헬멧 및 자동차 경주 트랙의 도로 장벽과 같은 자동차 및 도로 안전 분야에서 널리 사용된다.[47][48][49]
EPS 제조 공정은 일반적으로 작은 폴리스타이렌 비드를 만드는 것으로 시작된다. 스티렌 단량체(및 잠재적으로 다른 첨가제)는 물에 현탁되어 자유 라디칼 부가 중합을 거친다. 이 메커니즘에 의해 형성된 폴리스티렌 비드의 평균 직경은 약 200 μm일 수 있다. 그런 다음 비드는 비드를 팽창시킬 수 있는 물질인 "발포제"로 침투된다. 펜탄은 일반적으로 발포제로 사용된다. 비드는 다른 첨가제와 함께 발포제가 있는 지속적으로 교반되는 반응기에 추가되고, 발포제는 각 비드 내의 기공으로 스며든다. 그런 다음 비드는 증기를 사용하여 팽창된다.[46]
모든 EPS 제품의 상당 부분은 사출 성형을 통해 제조된다. 금형 도구는 강철(경화 및 도금 가능)과 알루미늄 합금으로 제조되는 경향이 있다. 금형은 게이트 및 러너의 채널 시스템을 통해 분할을 통해 제어된다.[50] EPS는 앵글로스피어에서 일상적으로 "스티로폼"이라고 불리며, Dow Chemical의 압출 폴리스티렌 브랜드의 일반화이다.[51]
5. 2. 2. 압출 폴리스타이렌 (Extruded Polystyrene, XPS)
압출 폴리스티렌 폼(XPS)은 폐쇄 셀 구조를 가지며, 표면 조도가 향상되고 강성이 높아지며 열전도율이 감소한다. 이러한 특성 덕분에 XPS는 건축 모형 제작에 사용된다.[52]5. 2. 3. 배향 폴리스타이렌 (Oriented Polystyrene, OPS)
배향 폴리스타이렌(OPS)은 압출된 PS 필름을 연신하여 생산되며, 흐림을 줄이고 강성을 높여 가시성을 향상시킨다. OPS는 주로 포장재에 사용된다.[53]6. 공중합체 (Co-polymers)
일반적인(단일 중합체) 폴리스타이렌은 투명성, 표면 품질, 강성 면에서 우수한 특성을 가지지만, 공중합 및 기타 변형(예: 폴리카보네이트, 신디오택틱 폴리스타이렌과의 블렌드)을 통해 그 적용 범위가 확장된다.
스티렌은 부텐, 아크릴로니트릴, 말레산 무수물과 같은 다른 단량체와 공중합될 수 있다. 낮은 부텐 함량을 가지는 스티렌-부탄 공중합체는 내충격성 폴리스타이렌(PS-I)과 스티렌-부타디엔 고무(SBR)를 생성하며, 이들은 모두 충격 저항성을 가진다. 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)은 순수 폴리스타이렌보다 더 강한 재료이다. 스티렌 아크릴로니트릴 수지(SAN)는 순수 스티렌보다 더 높은 내열성을 가진다.[63] [64]
6. 1. 스티렌-부탄 공중합체 (Styrene-butane Co-polymers)
스티렌-부탄 공중합체는 낮은 부텐 함량으로 생산될 수 있으며, 내충격성 폴리스타이렌(PS-I)과 스티렌-부타디엔 고무(SBR)가 이에 속한다. PS-I와 SBR은 모두 충격 저항성을 갖는다.6. 1. 1. 내충격성 폴리스타이렌 (Impact-resistant Polystyrene, PS-I)
공중합을 통해 만들어지는 내충격성 폴리스타이렌(PS-I)은 엘라스토머로 변성된 스타이렌-부타디엔 공중합체로, 단일 중합체 폴리스타이렌의 취성을 극복한다.[59]6. 1. 2. 스티렌-부타디엔 고무 (Styrene-butadiene Rubber, SBR)
스티렌-부타디엔 고무 (SBR)는 부텐 함량이 높은 스티렌-부탄 공중합체이다. 두 상의 효과가 반전되어 엘라스토머처럼 동작하지만 열가소성 수지처럼 가공될 수 있다.[61] 폴리부타디엔 비율이 높을 경우, 폴리스티렌과 폴리부탄은 서로 용해되지 않아 상 분리가 일어나고, 이는 충격 강도를 높이는 요인이 된다. 스티렌-부타디엔 고무는 변형 작업에 대한 흡수 능력이 높아, 인장 응력 하에서 크레이즈(미세 균열)가 형성되고 고무 입자로 확산된다. 이때 에너지가 고무 입자로 전달되면서 다수의 균열이 라멜라 구조를 형성, 파단 신장률을 증가시킨다.[61]6. 2. 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS)
ABS는 순수 폴리스타이렌보다 강한 재료이다. 프라모델에서 탄력성이나 내마모성 등 강도 면에서는 ABS 수지와 같은 다른 소재를 조합한 키트가 늘고 있지만, 이러한 이종 소재는 도장이나 가공에 각각 난점이 있어 주의가 필요하다.[62]6. 3. 기타
스티렌 말레산 무수물(SMA)은 말레산 무수물과 함께 사용되는 공중합체이다. 스티렌은 디비닐벤젠과 같은 다른 단량체와 공중합될 수 있다. 스티렌 아크릴로니트릴 수지(SAN)는 순수 스티렌보다 더 높은 내열성을 가진다.[63] [64]7. 환경 문제 (Environmental Issues)
폴리스타이렌은 환경에 다양한 영향을 미친다. 특히, 발포 폴리스타이렌(스티로폼)은 가볍고 바람에 잘 날려 해양 생태계에 심각한 문제를 일으킨다.
환경 오염
- 미세 플라스틱: 포장재, 특히 발포 폴리스티렌은 육상 및 해상 활동 모두에서 미세 플라스틱의 주요 공급원이다.[67]
- 해양 오염: 동물들은 폴리스티렌 폼을 먹이로 착각하여 섭취할 수 있으며,[69] 이는 바람에 날리고 물에 뜨는 특성 때문에 조류와 해양 동물들의 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있다.[69] 폴리스티렌 조각에 노출된 어린 무지개 송어는 조직 형태 변화와 같은 독성 영향을 보였다.[70]
사용 제한이러한 문제로 인해, 전 세계 여러 국가 및 도시에서 폴리스티렌 폼 사용을 금지하거나 제한하는 추세이다. 1987년 캘리포니아주 버클리에서 클로로플루오르화탄소(CFC) 식품 용기를 금지한 것을 시작으로,[72] 뉴욕주 서퍽 카운티는 미국 최초로 폴리스티렌을 전반적으로 금지했다.[73] 2006년에는 오리건주 포틀랜드, 샌프란시스코를 포함한 미국 내 약 100개 지역에서 폴리스티렌 폼 금지 조치가 시행되었다.[79] 2013년 캘리포니아주 산호세는 폴리스티렌 폼 식품 용기를 금지한 미국 최대 도시가 되었다.[77] 2019년에는 유럽 연합이 발포 폴리스티렌 식품 포장재 및 컵 금지 법안을 통과시켰고, 2021년에 법이 발효되었다.[94][95]
재활용폴리스타이렌은 일반적으로 길가 수거 재활용 프로그램에서 허용되지 않으며, 허용되는 경우에도 분리되어 재활용되지 않는다.[68] 그러나 독일에서는 포장법에 따라 제조업체가 판매하는 모든 포장재의 재활용 또는 폐기 책임을 지므로 폴리스타이렌을 수거한다.
대부분의 폴리스타이렌 제품은 압축 및 물류 시스템 투자 유인이 부족하여 현재 재활용되지 않는다. 그러나 폐기물이 초기 압축 과정을 거치면 재료의 밀도가 높아져 재활용 플라스틱 펠릿 생산자에게 가치 있는 재활용 상품이 된다.
소각폴리스타이렌을 높은 온도(최대 1000°C[100])에서 충분한 공기(14 m3/kg)[100]와 함께 제대로 소각하면 물, 이산화탄소, 그리고 난연제에서 남은 소량의 할로겐 화합물이 생성될 수 있다.[100] 불완전 연소가 이루어지면 탄소 그을음과 휘발성 화합물의 복잡한 혼합물도 생성된다.[101]
7. 1. 생산
폴리스타이렌 폼은 기포를 형성하고 폼을 팽창시키는 발포제를 사용하여 생산된다. 발포 폴리스타이렌의 경우, 이러한 발포제는 펜테인과 같은 탄화수소이며, 이는 신규 제조된 물질의 제조 또는 저장 시 가연성 위험을 초래할 수 있지만, 환경 영향은 비교적 미미하다. 압출 폴리스티렌은 수소불화탄소 (HFC-134a)로 만들어지는데,[65] 이는 이산화탄소보다 약 1000~1300배 높은 지구 온난화 지수를 가지고 있다.[66] 포장재, 특히 발포 폴리스티렌은 육상 및 해상 활동 모두에서 미세 플라스틱의 주요 공급원이다.[67]7. 2. 환경 오염 (Litter)
동물들은 폴리스티렌 폼을 먹이로 착각할 수 있으며,[69] 이는 바람에 날리고 물에 뜨는 특성 때문에 조류와 해양 동물들의 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있다.[69] 폴리스티렌 조각에 노출된 어린 무지개 송어는 조직 형태 변화와 같은 독성 영향을 보였다.[70] 이러한 폴리스티렌 폼의 환경 오염 문제로 인해, 전 세계 여러 국가 및 도시에서 폴리스티렌 폼 사용을 금지하는 추세이다. 1987년 캘리포니아주 버클리에서 CFC 식품 용기를 금지한 것을 시작으로,[72] 뉴욕주 서퍽 카운티는 미국 최초로 폴리스티렌을 전반적으로 금지했다.[73] 2006년에는 오리건주 포틀랜드와 샌프란시스코를 포함한 미국 내 약 100개 지역에서 폴리스티렌 폼 금지 조치가 시행되었다.[79] 2013년 캘리포니아주 산호세는 폴리스티렌 폼 식품 용기를 금지한 미국 최대 도시가 되었다.[77] 2015년 뉴욕시는 일회용 폴리스티렌 폼의 판매, 소유 및 유통을 금지하려 한 미국 최대 도시가 되었다.[80] 2019년에는 유럽 연합이 발포 폴리스티렌 식품 포장재 및 컵 금지 법안을 통과시켰고, 2021년에 법이 발효되었다.[94][95] 중국은 1999년경부터 폴리스티렌 포장 및 식기류 사용을 금지했으나, 규정 준수에 어려움을 겪고 있다.[89] 인도와 타이완 역시 2007년 이전에 폴리스티렌 폼 식품 서비스 용기를 금지했다.[90]7. 3. 사용 제한 (Reducing)
발포 폴리스티렌 테이크아웃 식품 포장 사용 제한은 많은 환경 단체의 우선 과제이다.[71] 미국, 유럽 연합, 중국, 인도 등 여러 국가 및 지역에서 폴리스타이렌 폼 사용을 금지하거나 제한하는 조치를 시행하고 있다.| 국가/지역 | 연도 | 내용 |
|---|---|---|
| 캘리포니아주 버클리 | 1987년 | 클로로플루오르화탄소(CFC) 식품 용기 금지[72] |
| 뉴욕주 서퍽 카운티 | 1988년 | 미국 최초 폴리스타이렌 전반적 금지[73] (법적 소송으로 연기[74][75]) |
| 캘리포니아주 버클리 | 1988년 | 일반 폴리스타이렌 폼 금지 조치 시행[79] |
| 메인주 프리포트 | 1990년 | 광범위한 폴리스타이렌 금지 조치 시행[78] |
| 오리건주 포틀랜드, 샌프란시스코 등 미국 내 약 100개 지역 | 2006년 | 식당 내 폴리스타이렌 폼 금지 조치 시행 |
| 캘리포니아주 오클랜드 | 2007년 | 식당에서 생분해성 일회용 식품 용기로 전환 요구[76] |
| 캘리포니아주 산호세 | 2013년 | 폴리스타이렌 폼 식품 용기 금지 (미국 최대 도시)[77] |
| 뉴욕시 | 2015년 | 일회용품 폴리스타이렌 폼 판매, 소유, 유통 금지 시도 (항소에서 뒤집힘)[80] |
| 샌프란시스코 | 2017년 | "스티로폼"(EPS) 금지 조치 발효 (특정 용도 예외)[81] |
| 메릴랜드주 | 2019년 | 폴리스타이렌 폼 식품 용기 금지 |
| 메인주 | 2019년 | 폼 식품 용기 금지 조항 법률 제정 |
| 유럽 연합 | 2019년 | 발포 폴리스티렌 식품 포장재 및 컵 금지 법안 통과[94] |
| 뉴저지주 | 2020년 | 폴리스타이렌 폼으로 만든 일회용 폼 식품 용기와 컵 금지 법안 통과[88] |
| 피지 | 2020년 | 환경 관리 법안 통과 |
| 유럽 연합 | 2021년 | 발포 폴리스티렌 식품 포장재 및 컵 금지 법안 공식 발효[95] |
| 피지 | 2021년 | 폴리스티렌 제품 수입 금지[96] |
중국은 1999년경 발포 폴리스티렌 포장 및 식기류 사용을 금지했지만, 규정 준수가 문제였으며 2013년에는 금지 조치 폐지 로비가 있었다.[89]
인도와 타이완 역시 2007년 이전에 폴리스티렌 폼 식품 서비스 용기를 금지했다.[90]
짐바브웨 정부는 2012년에 폴리스티렌 용기를 금지했다.[91][92]
캐나다 밴쿠버시는 2018년 제로 폐기물 2040 계획을 발표하고, 2019년 6월부터 폴리스티렌 폼 컵 및 테이크 아웃 용기 사용 금지 조례를 도입할 예정이었다.[93]
미국 녹색 식당 협회(Green Restaurant Association)는 인증 표준의 일부로 폴리스타이렌 폼 사용을 허용하지 않는다.[82] 네덜란드 환경부를 포함한 여러 녹색 리더들은 재사용 가능한 커피 컵 사용을 권장한다.[83]
7. 4. 재활용 (Recycling)
폴리스타이렌은 일반적으로 길가 수거 재활용 프로그램에서 허용되지 않으며, 허용되는 경우에도 분리되어 재활용되지 않는다.[68] 독일에서는 포장법(Verpackungsverordnung)에 따라 제조업체가 판매하는 모든 포장재의 재활용 또는 폐기 책임을 지므로 폴리스타이렌을 수거한다.대부분의 폴리스타이렌 제품은 압축기 및 필요한 물류 시스템에 투자할 유인이 부족하여 현재 재활용되지 않는다. 폴리스타이렌 폼의 낮은 밀도 때문에 수거가 경제적이지 않다. 그러나 폐기물이 초기 압축 과정을 거치면 재료의 밀도가 30kg/m3에서 330kg/m3으로 변하여 재활용 플라스틱 펠릿 생산자에게 가치가 높은 재활용 상품이 된다. 발포 폴리스타이렌 스크랩은 EPS 단열 시트 및 건설용 기타 EPS 재료와 같은 제품에 쉽게 추가할 수 있다. 많은 제조업체는 수거 문제로 인해 충분한 스크랩을 얻을 수 없다. 더 많은 EPS를 만드는 데 사용되지 않을 때 폼 스크랩은 옷걸이, 공원 벤치, 화분, 장난감, 자, 스테이플러 몸체, 묘목 용기, 액자 및 재활용 PS로 만든 건축 몰딩과 같은 제품으로 만들 수 있다.[97] 2016년 기준으로 영국에서는 매달 약 100ton의 EPS가 재활용된다.[98]
재활용 EPS는 또한 많은 금속 주조 작업에 사용된다. 라스트라는 콘크리트 기초와 벽을 만드는 데 단열 보강재로 사용하기 위해 시멘트와 결합된 EPS로 만들어진다. 미국의 제조업체는 1993년부터 약 80%의 재활용 EPS로 만든 단열 콘크리트 폼을 생산해 왔다.
7. 5. 업사이클링 (Upcycling)
2022년 3월, 미국 뉴욕주 이타카에 위치한 코넬 대학교의 과학자 오세원과 에린 스타치는 폴리스타이렌을 벤조산으로 업사이클링하는 새로운 공정을 발견했다. 이 공정은 20시간 동안 백색광과 산소 하에서 염화철과 아세톤을 사용하여 폴리스타이렌을 조사하는 방식으로 진행되었다.[99] 이들은 또한 폴리스타이렌을 벤조산과 같은 가치 있는 작은 분자로 업사이클링하는 유사하고 확장 가능한 상업적 공정을 몇 시간 만에 시연했다.[99]
7. 6. 소각 (Incineration)
폴리스타이렌을 높은 온도(최대 1000°C[100])에서 충분한 공기([100]14 m3/kg)와 함께 제대로 소각하면 물, 이산화탄소, 그리고 난연제에서 남은 소량의 할로겐 화합물이 생성될 수 있다.[100] 불완전 연소가 이루어지면 탄소 그을음과 휘발성 화합물의 복잡한 혼합물도 생성된다.[101] 미국 국립 표준 기술 연구소는 발포 폴리스타이렌 폼 연소 중에 57개의 화학 부산물이 방출된다는 것을 발견했다.[104]8. 안전성 (Safety)
폴리스타이렌의 안전성은 크게 건강 문제와 화재 위험으로 나뉜다.
건강 측면에서는 폴리스타이렌 제조에 사용되는 스티렌이 발암 의심 물질로 알려져 있지만, 미국 화학 협회와 미국 식품의약국(FDA) 등은 식품 포장재로 사용되는 폴리스타이렌이 안전하다고 평가한다. 그러나 스티렌 노출과 관련된 잠재적 위험에 대한 연구는 계속 진행 중이다.
화재 위험 측면에서 폴리스타이렌은 가연성 물질로, DIN4102에 따라 "B3" 등급, 즉 "쉽게 점화됨"으로 분류된다. 따라서 건축 자재로 사용할 때는 난연제 처리하거나 다른 재료로 덮어야 한다.
8. 1. 건강 (Health)
미국 화학 협회(American Chemistry Council)는 50년 이상에 걸친 과학적 테스트를 바탕으로 정부 안전 기관이 폴리스타이렌이 식품 서비스 제품에 사용하기에 안전하다고 결론 내렸다고 밝혔다.[105] 예를 들어, 폴리스타이렌은 식품을 보관하고 제공하기 위한 포장에 대한 미국 식품의약국(U.S. Food and Drug Administration) 및 유럽 위원회/유럽 식품 안전청(European Commission/European Food Safety Authority)의 엄격한 기준을 충족한다. 홍콩 식품 환경 위생 부서에서도 폴리스타이렌 식품 서비스 제품의 안전성에 대해 미국 FDA와 동일한 결론을 내렸다.[105]1999년부터 2002년까지 하버드 위험 평가 센터(Harvard Center for Risk Assessment)에서 스티렌 노출과 관련된 잠재적 건강 위험에 대한 포괄적인 검토를 수행했다. 이 연구에 따르면 스티렌은 딸기, 쇠고기, 향신료와 같은 식품에 미량으로 자연적으로 존재하며 와인과 치즈와 같은 식품 가공 과정에서 자연적으로 생성된다. 또한 식품 포장재로 인한 스티렌 노출은 일반 대중에게 유해한 영향을 일으키기에는 너무 낮은 수준이라고 결론 내렸다.[106]
폴리스타이렌은 음식과 음료 용기에 일반적으로 사용된다. 폴리스타이렌을 만드는 스티렌 단량체는 발암 의심 물질(cancer suspect agent)이다.[107] 그러나 스티렌은 "소비자 제품에서 일반적으로 매우 낮은 수준으로 발견되어 위험이 실질적이지 않다".[108] 식품과 접촉하는 폴리스타이렌은 중량 기준으로 1% (지방 식품의 경우 0.5%)를 초과하는 스티렌을 포함하지 않을 수 있다.[109] 식품 포장에 사용되는 폴리스타이렌 용기의 스티렌 올리고머가 음식으로 이동하는 것으로 밝혀졌다.[110] 야생형 및 아릴 탄화수소 수용체(AhR)-null 생쥐에 대한 일본 연구에서는 조리된 폴리스타이렌 용기 포장 즉석 식품에서 검출한 스티렌 삼량체가 갑상선 호르몬 수치를 증가시킬 수 있음을 발견했다.[111]
폴리스타이렌을 전자레인지에 사용할 수 있는지 여부는 논란의 여지가 있다. 일부 용기는 라벨이 있는 경우에만 전자레인지에서 안전하게 사용할 수 있다.[112] 카로틴 (비타민 A) 또는 식용유가 함유된 음식은 피해야 한다는 제안도 있다.[113]
폴리스타이렌의 광범위한 사용으로 인해, 이러한 건강 관련 문제는 여전히 중요한 문제로 남아 있다.[114]
8. 2. 화재 위험 (Fire Hazards)
다른 유기 화합물과 마찬가지로 폴리스타이렌은 가연성 물질이다. DIN4102에 따라 "B3" 등급으로 분류되며, 이는 인화성이 매우 높거나 "쉽게 점화됨"을 의미한다. 따라서 저온에서 효율적인 단열재이기는 하지만, 재료가 난연성이 아닌 경우 건축의 노출된 설비에는 사용이 금지된다. 석고보드, 금속판 또는 콘크리트 뒤에 가려져야 한다.[115] 발포 폴리스타이렌 플라스틱 재료는 우발적으로 점화되어 거대한 화재와 인명 피해를 야기했는데, 뒤셀도르프 국제공항 화재와 1996년 채널 터널 화재 (폴리스타이렌이 화재가 발생한 기차 객차 안에 있었음)가 그 예이다.[116]폴리스타이렌은 인화성이 높고, 인화 또는 고온을 가하면 유기 용제·석유 계열의 강한 냄새와 검은 연기를 발생시키므로, 오븐레인지 등에서 가열할 때는 온도를 너무 높이지 않도록 주의해야 한다.
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