초고분자량 폴리에틸렌

3. 구조 및 특성

• 매우 높은 내충격성을 가지며, 이는 폴리카보네이트(PC)를 능가한다. 또한, 이 특성은 저온에서 고온에 이르는 폭넓은 온도 영역에서도 저하되지 않는다.
• 내마모성이 뛰어나며, 자기 윤활성을 가진다. 모래를 사용한 마찰 시험에서도 불소 수지나 폴리아세탈(POM)보다 우수하다.
• 내약품성을 가지며, 식품 안전 위생 수지이다.
• 비중 0.92 - 0.94로 가볍다.
• 흡수율이 낮아, 치수 안정성이 뛰어나다.
• 특수한 성형 방법이 필요하다. 용융 시의 유동성은 극히 낮아 사출 성형에는 적합하지 않다. 따라서 분체를 압축 성형하여 절삭하거나, 중공 성형 등의 수법이 사용된다.

4. 제조

화학적 합성으로 단량체인 에틸렌을 합성하여 폴리에틸렌의 기본 제품을 형성한다. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)보다 분자 사슬이 훨씬 긴데, 이는 메탈로센 카민스키 촉매 기반 합성 공정으로 인해 UHMWPE 분자가 일반적으로 분자당 100,000~250,000개의 단량체 단위를 갖는 반면, HDPE는 700~1,800개의 단량체를 갖기 때문이다.^[6]

UHMWPE는 압축 성형, 램 압출, 젤 방사, 소결 등 다양한 방법으로 가공된다.^[6] 젤 방사는 용매 내 개별 사슬 분자를 분리하여 분자간 렙테이션 얽힘을 최소화한다. 얽힘은 사슬 배향을 어렵게 만들고 최종 제품의 강도를 낮춘다.^[11]

저압의 현탁 중합법으로 제조하며 반응 시간을 길게 하여 분자량을 높인다.^[32][33] 1953년 독일 막스 플랑크 연구소의 카를 치글러가 발견한 사염화 티탄과 유기 알루미늄 화합물을 촉매로 사용하여 분자량이 큰 폴리에틸렌 중합이 실현되었다. 1980년대에는 활성이 높은 메탈로센계 촉매가 개발^[34]되어, 폴리에틸렌 분자량을 더욱 높인 중합이 가능해졌다.

5. 응용 분야

초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)은 내마모성, 내충격성, 낮은 마찰 계수 등 뛰어난 특성으로 다양한 분야에서 활용된다.

• 섬유: 방탄복, 방탄 헬멧, 차량 장갑 복합재, 절단 방지 장갑, 활 시위, 등반 장비, 낚싯줄, 고성능 돛, 스포츠 낙하산 및 패러글라이더 서스펜션 라인, 요트 장비, 연 및 연줄, 선박용 케이블, 스키 및 스노보드, 리프팅 슬링, 우주 밧줄, 경량 캠핑 장비, 궁술 활 시위, 스카이다이빙 서스펜션 라인 등에 사용된다.^{[16][17][19][20][21][22][23]}
• 의료: 엉덩이, 무릎, 척추 임플란트 등 정형외과 및 척추 임플란트용 생체 재료, 수술용 봉합사^[6][24][28]
• 산업용: 기어, 톱니바퀴, 개스킷 등 소형 부품부터 농기구, 불도저 블레이드, 사일로, 호퍼 등 대형 설비, 스케이트 링크, 저온 환경 기계 가이드 레일, 스키 활주면, 스노모빌 기어 레일, PVC 창문 및 문 제조, 유압 씰 및 베어링 제조
• 기타: 전선 및 케이블 절연, 해양 인프라, 이형 필름, 컴파운드용 재료, 인공 뼈, 의족^{[35][29][30][38][36]}

5. 1. 섬유

• 방위 산업: 방탄복, 방탄 헬멧(ECH 등), 차량 장갑의 복합재 판 등에 사용된다.^[16]
• 산업: 절단 방지 장갑, 찢어짐 방지 스타킹,^[17] 활 시위, 등반 장비, 자동차 윈치, 낚싯줄, 작살총용 작살 줄, 고성능 돛, 스포츠 낙하산 및 패러글라이더의 서스펜션 라인, 요트의 장비, 연 및 연줄(카이트 스포츠용) 등에 사용된다.
• 등산: UHMWPE와 나일론 혼방 코드 및 웨빙은 가볍고 부피가 작아 등반 장비에 사용된다. 매듭 유지 능력이 떨어지므로, 매듭보다는 미리 꿰매어진 '슬링'(웨빙 루프)에 주로 사용된다. UHMWPE 섹션을 연결하기 위해 매듭이 필요한 경우 이중 어부 매듭보다 삼중 어부 매듭을 사용하는 것이 좋다.^[19][20]
• 해양: 선박용 하울러 및 케이블은 물에 뜨는 특성(비중 0.97)으로 인해 강철 와이어의 대안으로 사용된다. 견인 보트 커뮤니티에서는 "스펙트라 와이어"라고 불린다.^[21]
• 스키 및 스노보드: 유리 섬유 복합 재료 강화, 베이스 레이어(왁스 흡수 및 유지) 등에 사용된다.
• 리프팅: 저중량 및 고강도 리프팅 슬링 제조, 합성 리프팅 슬링 코너 보호 장치 등에 사용된다.
• 세일링 및 패러세일링: 낮은 신장성, 높은 강도, 저중량으로 인해 고성능 라인에 사용된다.^[22]
• 글라이더 윈치 발사: 강철 케이블에 비해 뛰어난 내마모성, 낮은 무게로 인해 사용된다.
• 우주: 우주 밧줄(젊은 기술자 위성 2)에 사용되었다.(2007년 9월)^[23]
• 경량 캠핑 장비: 다이니마 복합 섬유(DCF)는 텐트, 백팩, 곰 방지 식품 가방 등 경량 캠핑 장비 제조에 사용된다.
• 궁술: 활 시위 재료(낮은 크리프 및 신장)로 널리 사용된다. 순수 UHMWPE 섬유 외에도 벡트란 등과 혼합하여 크리프와 신장을 더욱 줄인 혼합물도 사용된다.
• 스카이다이빙: 서스펜션 라인, 예비 낙하산 닫기 루프(낮은 마찰 계수) 등에 사용된다. 열에 노출되면 치수 안정성이 없어 주기적인 라인 교체가 필요하다.

5. 2. 의료

5. 3. 산업용

5. 4. 기타

• 전선 및 케이블: 불소 중합체/UHMWPE 절연 양극 보호 케이블은 이중 절연 구조로 되어 있다. ECTFE와 같은 불소 중합체의 기본 층은 염소, 황산, 염산에 대한 화학적 저항성을 가지며, HMWPE 절연 층은 유연성과 설치 중 손상에 대한 내성을 제공한다. HMWPE 외피는 추가적인 기계적 보호 기능을 제공한다.^[29]
• 해양 인프라: 선박 및 부유 구조물 계류를 위한 해양 구조물에 사용되며, 펜더 시스템의 표면재로 사용된다. 마모 저항성, 충격 저항성, 낮은 마찰 특성(자기 윤활성)이 뛰어나다.^[30]
• 필름: 이형 필름 형태로 제조되어 피막재나 보호 필름 등으로 사용된다.^[38]
• 컴파운드용 재료: 내마모성 향상을 위해 사불화 에틸렌 수지(PTFE)나 이황화 몰리브덴보다 블렌딩성이나 가격 면에서 우수하다.^[36]
• 기타 용도: 기어·톱니바퀴, 가스켓, 농기구, 불도저 블레이드, 사일로, 호퍼, 얼음 없는 스케이트 링크, 저온 환경 기계 가이드 레일, 스키 활주면, 스노모빌 기어 레일, 인공 뼈, 의족^[35], 전투용 헬멧(ECH) 등.

6. 한계 및 개선

UHMWPE는 융점이 약 130°C에서 136°C이며, 80°C에서 100°C 이상의 온도에서 장기간 사용하는 것은 바람직하지 않다.^[8] -150°C 이하의 온도에서는 취성이 된다.^[9] 올레핀 분자 간의 약한 결합 때문에 국소 열 자극이 주어지면 사슬의 결정 구조가 조각별로 파괴되어 다른 고강도 섬유보다 열 저항성이 낮다.

인장 하중을 받으면 UHMWPE는 응력이 존재하는 한 지속적으로 변형되는 ''크리프'' 현상이 발생한다.

UHMWPE는 물, 습기, 대부분의 화학 물질, UV 방사선 및 미생물에 매우 강하다. 그러나 분자 구조가 단순하여 고성능 폴리머에서는 보기 드문 표면 및 화학적 특성을 보인다. 대부분의 폴리머는 극성 분자 그룹이 있어 물에 쉽게 결합하지만, 올레핀은 그러한 그룹이 없기 때문에 UHMWPE는 물을 쉽게 흡수하지 않으며, 잘 습윤되지 않아 다른 폴리머와 결합하기 어렵다.

7. 대한민국 현황 및 전망

대한민국은 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 소재의 국산화 및 응용 분야 확대를 위해 지속적인 연구 개발을 진행하고 있다.

참조

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