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선형 저밀도 폴리에틸렌

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목차

1. 개요

선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 유사한 직쇄 구조를 가지지만, 짧은 가지(SCB)의 수가 더 많아 밀도가 낮다. LLDPE는 다양한 α-올레핀을 사용하여 등급을 설계하며, α-올레핀의 선택은 물성에 영향을 미친다. LLDPE는 전이 금속 촉매를 사용하여 용액상 또는 기상 반응기에서 제조되며, 기상 중합법과 액상 중합법이 있다. LLDPE는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)보다 인장 강도, 충격 강도, 천공 저항성이 높고, 유연하며 다양한 용도로 사용된다. 2013년 LLDPE의 세계 시장 규모는 400억 달러에 달했으며, 비닐 봉투, 필름, 파이프 등 다양한 제품에 사용된다.

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선형 저밀도 폴리에틸렌
개요
선형 저밀도 폴리에틸렌 반복 단위
선형 저밀도 폴리에틸렌 반복 단위
화학 이름폴리에틸렌 공중합체
약어LLDPE
속성
분자량10,000 ~ 400,000 g/mol
밀도0.915–0.925 g/cm³
녹는점120–130 °C
추가 정보
용도포장재
플라스틱 백
필름
장난감
덮개
파이프

2. 종류

LLDPE는 α-올레핀의 종류와 함량에 따라 물성이 달라진다. LLDPE는 인장 강도가 높고, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)보다 충격 및 천공 저항이 높다. 매우 유연하며 응력 하에서 늘어난다. 더 얇은 필름을 만들 수 있으며, 환경 응력 균열 저항성이 더 좋다. 화학 물질에 대한 내성이 뛰어나고, 전기적 특성도 우수하다. 그러나 LDPE만큼 가공하기 쉽지 않고, 광택이 낮으며, 열접착 범위가 좁다. 일반적으로 옥텐은 용액상에서 공중합체이며, 부텐과 헥센은 기상 반응기에서 에틸렌과 공중합된다.

2. 1. α-올레핀의 영향

L-LDPE의 등급 설계는 밀도나 평균 분자량 조절 등으로 이루어지는 한편, α-올레핀의 선택도 중요한 요소이다.

고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 코폴리머가 에틸렌 모노머 1000개당 1~5개의 짧은 가지(SCB)를 가지는 데 반해, L-LDPE의 SCB 수는 10~30개 정도이며, 이에 따라 밀도가 낮아진다. 또한, HDPE는 공중합 모노머로 주로 1-부텐이 사용되는 데 반해, L-LDPE는 더 다양한 α-올레핀을 사용한다. 예시는 다음과 같다.

  • 1-부텐: CH2=CH-CH2-CH3
  • 1-헥센: CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH3
  • 4-메틸펜텐-1: CH2=CH-CH2-CH(-CH3)-CH3
  • 1-옥텐: CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3


이들 R 부분이 긴 경우, 밀도는 낮아진다.

이러한 α-올레핀의 선택은 SCB 수와 함께 L-LDPE의 물성에 다양한 영향을 준다. 단순하게 밀도가 같은 등급이라도, 강도나 가공 적성, 투명성이나 내응력 균열성 등이 좌우될 수 있으며, 등급 선정에는 신중함이 요구된다.

3. 제조 방법

LLDPE는 주로 저압에서 에틸렌과 α-올레핀을 공중합하여 생산한다. 전이 금속 촉매, 특히 지글러 또는 필립스 종류의 촉매가 사용된다. 실제 중합 과정은 용액상 또는 기상 반응기에서 수행될 수 있다.

일반적으로 옥텐은 용액상에서 공중합체이며, 부텐과 헥센은 기상 반응기에서 에틸렌과 공중합된다. LLDPE는 인장 강도가 높고, LDPE보다 충격 및 천공 저항이 높다. 매우 유연하며 응력 하에서 늘어난다. 더 얇은 필름을 만들 수 있으며, 환경 응력 균열 저항성이 더 좋다. 화학 물질에 대한 내성이 뛰어나고, 전기적 특성도 우수하다. 그러나 LDPE만큼 가공하기 쉽지 않고, 광택이 낮으며, 열접착 범위가 좁다.

각 폴리에틸렌은 석유를 원료로 한 나프타를 열분해하여 얻는 에틸렌을 라디칼 중합하여 제조된다. L-LDPE는 HDPE와 같은 중압법으로 중합된다. 중합 환경에는 기상 내와 용액상 내가 있다.

3. 1. 기상 중합법

유니온 카바이드 공법이라고도 불린다. 기체 상태의 에틸렌과 α-올레핀을 지글러-나타 촉매 또는 크롬계 촉매를 사용하여 중합하여 분말 형태의 LLDPE를 얻는다. 에틸렌 가스와 촉매를 중합조 내에 분사하여 수십 기압의 환경에서 기상 유동상 또는 교반상에서 중합시킨다.

3. 2. 액상 중합법

미쓰이 석유화학법, 듀폰법, 다우법이라고도 불린다. 포화 탄화수소를 용매로 사용하고, 메탈로센 촉매를 사용하여 비교적 온도를 높인 용액 내에서 중합한다. 그 후, 감압 환경에서 용매와 잔류 모노머를 분리 회수하여 얻어진다. 이 중합법으로 제조된 선형 저밀도 폴리에틸렌(L-LDPE)은 '''m-L-LDPE'''라고도 불린다. 다만 이 제법으로는 분자량 분포가 극히 좁아지기 때문에, 다른 분자량을 생성하는 활성점을 가진 바이모달형 메탈로센 촉매를 사용하거나, 기존 LDPE와 블렌드하는 등의 방법으로 가공성을 개선하고 있다.

3. 3. 기타 중합법

LLDPE는 필립스 공법 (현탁 중합)으로 중합된다. 중합은 기상 또는 용액상에서 이루어진다.

4. 특성

LLDPE는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)보다 인장 강도, 충격 및 천공 저항이 높다. 매우 유연하며 응력 하에서 늘어나고, 더 얇은 필름을 만들 수 있으며, 환경 응력 균열 저항성이 좋다. 화학 물질에 대한 내성이 뛰어나고, 전기적 특성도 우수하다. 그러나 LDPE만큼 가공하기 쉽지 않고, 광택이 낮으며, 열접착 범위가 좁다. LDPE와 LLDPE는 고유한 유변학적 또는 용융 흐름 특성을 가지고 있다. LLDPE는 더 좁은 분자량 분포와 짧은 사슬 분기 때문에 전단에 덜 민감하다. LLDPE의 유변학적 특성은 "전단 시 강성" 및 "연신 시 부드러움"으로 요약된다. LLDPE는 재활용될 수 있으며, 쓰레기 봉투, 목재, 조경용 타이, 바닥 타일, 퇴비통, 배송 봉투 등과 같은 다른 제품으로 재활용된다.

LLDPE의 특성을 정리하면 다음과 같다.

특성내용
비중0.910~0.925
외관유백색 반투명, 필름 성형 시 거의 투명해지지만, 투명도나 외관은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)보다 약간 떨어진다. 핀홀 저항성이 우수하다.
냄새/독성냄새가 적고 무독성이다.
강성/유연성고밀도 폴리에틸렌(HDPE)와 LDPE의 중간이다.
내열성약 125℃로 HDPE와 LDPE의 중간이다. 동일한 비중이라면 액상 중합법으로 제조된 L-LDPE가 내열성이 더 우수하다.
내수성/내약품성/내유성내수성 및 내약품성이 뛰어나며, 내유성 및 계면활성제가 일으키는 환경 응력 균열에 대한 저항성은 HDPE 및 LDPE를 능가한다.
전기적 특성전기 특성이 좋고, 유전성이 우수하다.
착색/접착/인쇄 가공성분자 내의 분극이 적기 때문에, 염료를 이용한 착색이 불가능하다. 또한 접착 및 인쇄 가공성이 떨어진다.
내후성낮다.
연소 열량높다.
가공성HDPE 및 LDPE보다 떨어진다.
제조 비용고압법으로 제조되는 LDPE보다 제조 시 에너지 소비가 적고 가격 면에서 우위에 있다.


5. 가공

LLDPE는 LDPE와 고유한 유변학적 또는 용융 흐름 특성을 가지고 있다. LLDPE는 더 좁은 분자량 분포와 짧은 사슬 분기 때문에 전단에 덜 민감하다. 압출과 같은 전단 과정에서 LLDPE는 동등한 용융 지수의 LDPE보다 더 점성이 높게 유지되므로 가공하기가 더 어렵다. LLDPE의 낮은 전단 민감도는 압출 과정에서 고분자 사슬의 빠른 응력 완화를 가능하게 하며, 따라서 물리적 특성은 블로우 업 비율의 변화에 ​​영향을 받기 쉽다. 용융 연신에서 LLDPE는 모든 변형률에서 낮은 점도를 갖는다. 이는 LDPE가 연신될 때와 같은 방식으로 변형 경화되지 않음을 의미한다. 폴리에틸렌의 변형 속도가 증가함에 따라 LDPE는 사슬 얽힘으로 인해 점도가 급격히 상승하는 것을 보여준다. 이러한 현상은 LLDPE에서 장쇄 분기가 없기 때문에 LLDPE에서는 관찰되지 않는데, 이는 사슬이 얽히지 않고 연신 시 서로 미끄러질 수 있도록 한다. 이러한 특성은 LLDPE 필름이 높은 강도와 인성을 유지하면서 쉽게 게이지를 낮출 수 있기 때문에 필름 응용 분야에 중요하다. LLDPE의 유변학적 특성은 "전단 시 강성" 및 "연신 시 부드러움"으로 요약된다.

6. 재활용

LLDPE는 재활용이 가능하며, 쓰레기 봉투, 건축 자재(목재, 조경용 타이, 바닥 타일), 퇴비통, 배송 봉투 등으로 다시 재활용된다.[1]

7. 용도

LLDPE는 비닐 봉투, 시트(LDPE보다 얇은 두께로 사용 가능), 랩, 스트레치 랩, 파우치, 장난감, 덮개, 뚜껑, 파이프, 버킷, 용기, 케이블 피복, 지오멤브레인[1], 유연한 튜브 등 폴리에틸렌이 사용되는 거의 모든 곳에 쓰인다. 2013년 세계 LLDPE 시장 규모는 400억달러였다.[2] 메탈로센 촉매로 제조된 LLDPE는 'mLLDPE'로 표시한다.

7. 1. 필름

LLDPE는 폴리에틸렌의 거의 모든 전통적인 시장에 진출했으며, 비닐 봉투와 시트(이는 LDPE보다 낮은 두께를 사용할 수 있게 해준다), 랩, 스트레치 랩, 파우치, 장난감, 덮개, 뚜껑, 파이프, 버킷 및 용기, 케이블 피복, 지오멤브레인[1], 주로 유연한 튜브에 사용된다. L-LDPE의 75%는 필름으로 사용되며, 식품 포장이나 쇼핑백, 쌀, 설탕, 소금, 시멘트 봉투 등 비교적 무게가 있는 것을 넣는 중포대에도 적용된다.

7. 2. 성형 제품

LLDPE는 폴리에틸렌의 거의 모든 전통적인 시장에 진출했으며, 비닐 봉투와 시트, 랩, 스트레치 랩, 파우치, 장난감, 덮개, 뚜껑, 파이프, 버킷 및 용기, 케이블 피복, 지오멤브레인[1], 주로 유연한 튜브에 사용된다. 폴리에틸렌 중에서는 높은 내환경 응력 균열성을 살려 다음과 같은 성형 제품을 만든다.

7. 3. 기타

LLDPE는 폴리에틸렌의 거의 모든 전통적인 시장에 진출했으며, 비닐 봉투와 시트(LDPE보다 낮은 두께를 사용할 수 있게 해준다), 랩, 스트레치 랩, 파우치, 장난감, 덮개, 뚜껑, 파이프, 버킷 및 용기, 케이블 피복, 지오멤브레인[1], 유연한 튜브 등에 사용된다.[2]

8. 역사

선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)은 1950년대 미국 듀폰의 과학자 프랭크 그레샴이 발명했으며, 그는 라부아지에 메달Lavoisier Medal영어을 수상했다.[3] 1960년대부터 대량 생산이 시작되었다.[4]

9. 시장 동향

2013년 세계 LLDPE 시장 규모는 400억달러에 달했다.[2]

10. 개질

내후성을 높이기 위해 자외선 열화 방지제나 카본 블랙 혼련이 실시된다.

참조

[1] 웹사이트 LLDPE Smooth Geomembranes for Landfill & Waste Containment http://www.gseworld.[...]
[2] 웹사이트 Market Study: Polyethylene LLDPE (2nd edition) http://www.ceresana.[...] Ceresana
[3] 웹사이트 デュポン200年の軌跡、第一部、「基礎」対「応用」の摩擦 http://www2.dupont.c[...] デュポン 2008-05-16
[4] 웹사이트 メタロバリアーとは http://www.cik.co.jp[...] シーアイ化成 2008-05-16


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