폴리에스터

3. 합성

폴리에스터는 일반적으로 디카르복실산과 디올의 축합 반응을 통해 합성된다. 일반적인 반응식은 다음과 같다.

:(n+1) R(OH)₂ + n R'(COOH)₂ → HO[ROOCR'COO]nROH + 2n H₂O

폴리에스터는 다양한 반응을 통해 얻을 수 있는데, 그중 가장 중요한 것은 산과 알코올의 반응, 저분자량 에스터의 알코올분해 또는 산분해, 아실 클로라이드의 알코올분해이다.^[1]

• 공비 증류 에스터화: 알코올과 카르복실산의 반응으로 생성된 물을 공비 증류로 제거한다. 단량체의 녹는점이 낮으면 진공으로 반응수를 제거하며 직접 에스터화로 폴리에스터를 형성할 수 있다.

• 에스터교환반응: 알코올 말단 올리고머와 에스터 말단 올리고머가 축합하여 에스터 결합을 형성하고 알코올이 제거된다.

• 아실 클로라이드법: 반응성이 높은 아실 클로라이드를 사용하여 저온에서 반응을 진행한다.

4. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)

폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 테레프탈산과 에틸렌글리콜의 축합 중합으로 생성되는 대표적인 폴리에스터이다. 정제 테레프탈산(PTA) 또는 그 디메틸 에스터 디메틸 테레프탈레이트(DMT)와 모노에틸렌글리콜(MEG)를 원료로 사용하여 만들어진다. 생산된 모든 플라스틱 소재의 18% 시장 점유율을 차지하며, 폴리에틸렌(33.5%)과 폴리프로필렌(19.5%)에 이어 3위를 차지하고 일반 플라스틱으로 분류된다.^[1]

PET는 다음과 같은 특징을 가진다.

• 비교적 쉽게 구할 수 있는 원료(PTA 또는 DMT와 MEG)를 사용한다.
• 합성이 간단하고, 모든 원료 및 부산물의 독성 수준이 낮다.
• 낮은 배출량으로 폐쇄 루프에서 생산이 가능하다.
• 뛰어난 기계적 및 화학적 특성을 지니고 재활용이 가능하다.

4. 1. 역사

4. 2. 용도

• '''섬유:''' 의류용 섬유의 절반 가까이를 차지할 정도로 널리 사용되며, 다양한 기능성 섬유로 개발되고 있다.
• 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET)가 대표적이다.
• 내열성, 강도가 우수하고 염색성과 증산성에도 뛰어나다.
• 용융 방사법으로 방적할 때 실의 형태를 변화시키거나 항균 소재를 섞어 다양한 특성을 가진 합성 섬유를 만들 수 있다.
• 셔츠, 바지, 재킷, 모자, 침대 시트, 담요, 가구 커버, 컴퓨터 마우스 패드 등 다양한 제품에 사용된다.
• 산업용으로는 자동차 타이어 보강재, 직물 컨베이어 벨트, 안전벨트, 코팅 직물, 고에너지 흡수 플라스틱 보강재 등에 사용된다.
• 스테이플 섬유(PSF), 필라멘트(POY, DTY, FDY), 산업용 원사 및 타이어 코드, 부직포 및 스펀본드, 모노필라멘트 등 다양한 형태로 가공된다.
• '''페트병:''' 음료 용기로 널리 사용된다.
• 탄산음료, 물, 맥주, 주스, 세제 등의 병에 사용된다.
• '''필름:''' 포장재, 절연 필름 등에 사용된다.
• A-PET 필름, 열성형, 이축 배향 필름(BO-PET), 스트래핑 등에 사용된다.
• 방수포, 돛(데크론(Dacron)), 카누, 액정표시장치, 홀로그램, 필터, 축전기용 유전체 필름, 전선 및 절연 테이프의 필름 절연을 만드는 데 사용된다.

5. 기타 폴리에스터

합성 폴리에스터 계열에는 다음과 같은 종류가 있다.^[1]

• 선형 지방족 고분자량 폴리에스터 (''M_n'' >10,000)는 녹는점이 40~80 °C인 반결정성 고분자이며, 기계적 성질이 좋지 않다. 가수분해 불안정성으로 인한 생분해성 때문에 포장, 일회용품, 농업용 멀칭 필름^[6], 생의학 및 제약 분야^[7]에 적합하다.
• 지방족 선형 저분자량 (''M_n'' < 10,000) 하이드록시 말단 폴리에스터는 폴리우레탄 생산을 위한 고분자 단량체로 사용된다.
• 과다 가지형 폴리에스터는 낮은 점도, 우수한 용해도, 높은 기능성^[9] 때문에 열가소성 플라스틱의 유변학적 개질제 또는 코팅의 가교제^[8]로 사용된다.
• 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이드(PBT), 폴리헥사메틸렌 테레프탈레이트(PHT), (PTT, 소로나) 등 지방족-방향족 폴리에스터는 녹는점이 160~280 °C인 고융점 반결정성 재료이며, 엔지니어링 열가소성 플라스틱, 섬유, 필름에 사용된다.
• 완전 방향족 선형 코폴리에스터는 우수한 기계적 성질과 내열성을 가지며 여러 고성능 응용 분야에 사용된다.
• 불포화 폴리에스터는 다기능 알코올과 불포화 이염기산으로 만들어져 가교 결합되며, 복합재료의 매트릭스로 사용된다. 알키드 수지는 다기능 알코올과 지방산으로 만들어지며, 산소 존재 하에서 가교 결합될 수 있어 코팅 및 복합재료 산업에서 널리 사용된다. 열가소성 폴리에스터 엘라스토머(에스터 TPE)라고 하는 고무와 같은 폴리에스터도 존재한다. 불포화 폴리에스터(UPR)는 열경화성 수지이며, 주조 재료, 시트 성형 화합물, 섬유 유리 적층 수지, 비금속 자동차 차체 충전재로 사용된다. 프리프레그의 열경화성 고분자 매트릭스로도 사용되며, 유리섬유 강화 불포화 폴리에스터는 요트 선체 및 자동차 차체 부품에 널리 사용된다.

5. 1. 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 (PTT)

5. 2. 폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT)

5. 3. 폴리에틸렌나프탈레이트 (PEN)

5. 4. 폴리부틸렌나프탈레이트 (PBN)

6. 응용 분야

폴리에스터는 다양한 분야에 널리 사용되는 합성 고분자 물질이다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

• '''섬유:''' 폴리에스터 섬유는 의류, 침구, 산업용 섬유 등 다양한 제품에 사용된다. 특히 셔츠, 바지, 재킷, 모자, 침대 시트, 담요, 가구 커버, 컴퓨터 마우스 패드 등에 광범위하게 사용된다. 산업용으로는 자동차 타이어 보강재, 직물 컨베이어 벨트, 안전벨트, 코팅 직물, 고에너지 흡수 플라스틱 보강재 등에 사용된다. 또한 베개, 이불, 봉제 인형 및 캐릭터, 쿠션 패딩의 쿠션 및 단열재로도 사용된다.^[15] 폴리에스터는 얼룩에 강하고, 세탁 시 주름 및 수축에 강한 특성이 있어 아동복에 자주 사용되며, 면과 같은 다른 섬유와 혼방되어 사용되기도 한다.

• '''플라스틱:''' 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 페트병, 포장재, 전자 제품, 자동차 부품 등 다양한 플라스틱 제품에 사용된다.

• '''필름:''' 폴리에스터 필름은 포장재, 절연 필름, 액정표시장치, 홀로그램, 필터, 축전기용 유전체 필름, 전선 및 절연 테이프의 필름 절연 등 다양한 용도로 사용된다.^[16]

• '''기타:''' 폴리에스터는 접착제, 코팅제, 의료용품, 고급 목제품(기타, 피아노, 차량/요트 내부)의 마감재^[16] 등에도 사용된다.

7. 환경 문제 및 재활용

폴리에스터는 생산과 폐기 과정에서 여러 환경 문제를 야기한다. 특히 세탁 시 발생하는 미세 플라스틱은 심각한 오염원으로 작용한다. 영국 플리머스 대학교 연구에 따르면, 6kg 세탁물에서 폴리에스터는 약 496,030개의 미세 섬유를 방출하여 플라스틱 오염을 유발한다.^[33][34][35]

폴리에스터는 자연 분해가 어렵지만, 푸투로(Futuro) 주택의 경우 시아노박테리아와 고세균에 의해 분해된 사례가 보고되었다.^[31][32]

7. 1. 재활용 기술

• 기계적 재활용: 폐 폴리에스터를 분쇄하고 세척하여 다시 섬유나 플라스틱으로 생산하는 방법이다.
• 화학적 재활용: 폴리에스터에 존재하는 에스터 결합을 가수분해(산성 또는 염기성 조건), 메탄올 분해, 글리콜 분해 등의 방법을 통해 화학적으로 분해하여 원료 물질로 되돌리는 방법이다.^[43]
• 생물학적 재활용: PETase, 큐티나아제, 에스터라제, 리파제 등의 효소를 사용하여 PET를 분해하는 방법이다.^[44] PETase는 PET와 유사한 방향족 에스터 결합을 포함하는 다른 합성 폴리에스터(PBT, PHT, Akestra™ 등)의 효소적 분해에도 사용될 수 있다고 보고되었다.^[45]

8. 안전성

폴리에스터는 자체로는 인체에 유해하지 않다고 알려져 있다. 그러나 일부 폴리에스터 합성 과정에서 비스페놀 A 같은 첨가제를 사용하기도 하는데, 이러한 첨가제는 내분비계를 교란할 수 있다는 연구 결과가 있다.^[39]

참조

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