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폴리염화 비닐

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목차

1. 개요

폴리염화 비닐(PVC)은 염화 비닐 단량체의 중합으로 생산되는 열가소성 수지로, 다양한 첨가제를 혼합하여 강성 PVC와 가요성 PVC로 나뉜다. PVC는 제조 과정에서 현탁 중합, 유화 중합, 괴상 중합 방식을 사용하며, 분자 구조상 염소 원자를 포함하여 폴리에틸렌과 다른 특성을 나타낸다. PVC는 저렴한 가격, 내화학성, 가공성, 난연성 등의 장점을 가지고 있어 파이프, 전선, 건축 자재, 간판, 의류, 의료 기기, 식품 포장재 등 광범위하게 사용된다. 그러나 PVC는 가소제, 납, 염화비닐 단량체, 연소 시 다이옥신 발생 등 건강 및 안전 문제를 야기할 수 있으며, 환경호르몬에 대한 우려로 인해 사용이 제한되기도 한다. 산업계는 PVC 폐기물 재활용을 위한 노력을 지속하고 있으며, 지속 가능한 사용을 위한 연구가 진행되고 있다.

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폴리염화 비닐 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
PVC 중합체 사슬의 반복 단위
PVC 중합체 사슬의 반복 단위
가소제가 없는 순수한 PVC 분말
IUPAC 명칭폴리(1-클로로에틸렌)
기타 명칭폴리클로로에텐
약칭PVC
CAS 등록번호9002-86-2
KEGGC19508
MeSH 이름폴리염화 비닐
ChEBI53243
속성
화학식(C₂H₃Cl)n
외관흰색, 부서지기 쉬운 고체
냄새무취
밀도1.4 g/cm³
용해도불용성
용해도 (에탄올)불용성
용해도 (테트라히드로푸란)약간 용해됨
굴절률1.544
자기 감수율−10.71×10⁻⁶ (SI, 22 °C)
위험성
NFPA 7041-1-0
PEL15 mg/m³ (흡입 가능), 5 mg/m³ (호흡 가능) (TWA)
TLV-TWA10 mg/m³ (흡입 가능), 3 mg/m³ (호흡 가능)

2. 제조

폴리염화 비닐은 염화비닐 단량체(VCM)를 중합하여 생산한다. 염화비닐 단량체는 카바이드에 물을 반응시켜 얻어지는 아세틸렌에 염화수소를 부가하거나, 석유에서 얻어지는 에틸렌에 염소가스를 반응시켜 수소 원자 하나를 염소로 치환하여 제조할 수 있다. 이렇게 얻어진 염화비닐은 -10°C 전후에서 기화하는 저비점 액체이다.[93] PVC는 나프타 또는 에탄 원료에서 생산할 수 있는 에틸렌으로부터 제조될 수도 있다.[16]

중합 방식에는 현탁 중합, 유화 중합, 괴상 중합 등이 있다. 생산량의 약 80%는 현탁 중합으로 이루어지며, 유화 중합이 약 12%, 괴상 중합이 8%를 차지한다. 현탁 중합은 평균 직경 100~180 μm의 입자를 생성하는 반면, 유화 중합은 평균 크기 약 0.2 μm의 훨씬 작은 입자를 생성한다. 중합 개시제와 기타 첨가제를 VCM, 물과 함께 반응기에 주입하고, 반응기 내용물을 가압, 지속적으로 혼합하여 현탁액을 유지하고 균일한 PVC 수지 입자 크기를 보장한다. 이 반응은 발열 반응이므로 냉각이 필요하며, 반응 중 부피 감소에 따라 물을 혼합물에 지속적으로 추가한다.[15]

염화 비닐의 중합반응


1872년 독일 화학자 외젠 바우만이 장기간의 조사와 실험 끝에 PVC를 합성하였다.[11] 20세기 초, 러시아 화학자 이반 오스트로밀렌스키와 독일 화학 회사 그리스하임-엘렉트론의 프리츠 클라테는 PVC를 상업 제품에 사용하려 했으나, 가공의 어려움으로 인해 실패하였다. 1926년 월도 세몬과 굿리치 사는 다양한 첨가제를 혼합하여 PVC를 가소화하는 방법을 개발했다.[12]

2. 1. Microstructure

폴리머는 선형이며 강하다. 단량체는 주로 머리-꼬리 배열을 이루는데, 이는 염화물이 번갈아 가는 탄소 중심에 위치한다는 것을 의미한다. 폴리염화 비닐(PVC)는 주로 무정형 입체화학을 가지는데, 이는 염화물 중심의 상대적인 입체화학이 무작위적임을 의미한다. 사슬의 약간의 신디오택틱성은 재료의 특성에 영향을 미치는 수 퍼센트의 결정성을 제공한다. PVC 질량의 약 57%는 염소이다. 염화물기의 존재는 구조적으로 관련된 물질인 폴리에틸렌과는 매우 다른 특성을 폴리머에 부여한다.[17]

3. 성질과 장단점

폴리염화 비닐(PVC) 분자 사슬은 폴리에틸렌 분자 사슬의 탄소 하나 건너에 염소가 붙은 구조이다. 염소 원자는 크고 전자를 강하게 끌어당겨 PVC 사슬은 자유롭게 움직이기 어렵다. 이 때문에 염화 비닐은 단단하고 부서지기 쉽다.[93]

폴리염화비닐 파이프


PVC를 실제로 사용할 때는 DOP(dioxy phtalate), TCP(tricrazyl phosphate)와 같은 가소제를 섞어 가소성을 높인다. 또한 안정제나 충전제를 섞어 분해를 방지한다. 연질 PVC는 가소제를 염화 비닐의 반량 정도 사용하는데, 이는 염화 비닐과 가소제의 용액 상태이다. 하지만 가소제가 많으면 고온에서 무르고 저온에서 단단해지는 결점이 있다. 경질 PVC는 가소제를 적게 쓰고, 충전제로 탄산칼슘 등을 많이 섞는다.[93]

PVC는 열가소성 수지 중합체로, 강성 PVC와 가요성 PVC로 분류된다.[30]

특성단위강성 PVC가요성 PVC
밀도[31]g/cm31.3–1.451.1–1.35
열전도율[32]W/(m·K)0.14–0.280.14–0.17
항복강도[31]psi (제곱인치당 파운드)4,500–8,7001,450–3,600
MPa (메가파스칼)31–6010.0–24.8
영률[33]psi490,000—
GPa (기가파스칼)3.4—
굽힘 강도 (항복)[33]psi10,500—
MPa72—
압축 강도[33]psi9,500—
MPa66—
열팽창 계수 (선팽창)[33]mm/(mm °C)5×10−5—
비카트 B[32]°C65–100권장되지 않음
비저항[34]Ω (옴) m10161012–1015
표면 저항[34]Ω1013–10141011–1012



PVC는 다음과 같은 장점 때문에 뛰어난 합성수지로 평가받는다.[93]


  • 투명하고, 착색과 가공이 쉽다.
  • 난연성이며, 전기 절연성이 있다.
  • 소다 공업에서 식염수 전기분해 부산물인 염소 가스가 주원료(중량의 절반 이상)이기 때문에 가격이 매우 저렴하다.[81]


PVC는 내수성·내산성·내알칼리성·내용제성이 우수하다. 일부 용제에는 용해되지만, PVC 용제계 접착제를 이용한 접착성은 양호하다.

이러한 장점 덕분에 PVC는 의류, 벽지, 가방, 의자나 소파 장지(비닐 레더), 인테리어(쿠션재, 단열재, 방음재, 보호재), 줄넘기용 로프, 전선 피복(절연재), 방충망, 포장재료, 상수도 파이프, 건축자재, 농업용 자재(농비), 레코드판, 지우개 등 다양한 용도로 사용된다.[82]

3. 1. 열 및 화재

PVC는 열가소성 수지 중합체로, 열 안정성이 매우 낮아 가공 과정에서 열 안정제를 첨가해야 한다. PVC 제품은 열 변형이 시작되는 최대 작동 온도가 약 60°C이다.[35] PVC는 단열성이 있어 결로 현상을 줄이고, 고온 및 저온 액체의 내부 온도 변화에 저항하는 데 도움이 된다.[35] PVC가 연소되면 염화 수소(HCl)와 이산화탄소가 생성된다.

4. 첨가제

폴리염화 비닐(PVC)는 열 안정제, 자외선 안정제, 가소제, 가공 보조제, 충격 개질제, 난연제 등 다양한 첨가제와 혼합하여 최종 제품으로 만들어진다.[18] 이러한 첨가제는 최종 제품의 용도에 따라 다르게 선택된다. 예를 들어, 지하 배관, 창틀, 정맥 주사용 튜브, 바닥재는 서로 다른 성능 요구 사항을 충족하기 위해 다른 성분을 사용한다.[18] 과거에는 폴리염화비페닐(PCB)이 난연제 및 안정제로 사용되기도 했다.[19]

염화비닐 모노머만을 중합한 수지는 단단하고 부서지기 쉬우며, 자외선에 의해 열화되어 황변하기 쉽다. 이를 방지하기 위해 가소제와 안정제를 첨가한다. 가소제의 양에 따라 경질 또는 연질 PVC가 만들어지며, 내수성, 내산성, 내알칼리성, 내용제성이 우수하다. 일부 용제에는 용해되지만, 이를 이용해 염화비닐 수지 용제계 접착제를 만들 수 있다. 열가소성 수지이므로 용접도 가능하지만, 경질 염화비닐은 염소로 인한 변질 및 열화에 주의해야 한다. PVC는 난연성이며 전기 절연성도 우수하다. 또한, 소다 공업에서 식염수 전기분해 부산물인 저렴한 염소 가스를 주원료로 사용하기 때문에 가격이 저렴하다.[81]

PVC의 가장 중요한 첨가제 중 하나는 열 안정제이다. 열 안정제는 70°C 이상에서 발생하는 HCl 손실을 억제한다.[15] 가요성 PVC에는 금속비누(지방산의 금속 "염", 예: 스테아르산칼슘)가 일반적으로 사용된다.[15]

4. 1. 가소제

일반적인 플라스틱 중에서 PVC는 많은 양의 가소제를 받아들이는 데 있어 독특한데, 이는 단단한 고체에서 부드러운 젤까지 물리적 특성이 점진적으로 변화하기 때문이다.[20] 모든 가소제 생산량의 거의 90%가 유연한 PVC 제조에 사용된다.[21][22] 대부분은 필름과 케이블 피복에 사용된다.[23] 유연한 PVC는 질량 기준으로 85% 이상의 가소제로 구성될 수 있지만, 무가소제 PVC(UPVC)에는 가소제가 포함되어서는 안 된다.[24]

프탈레이트 가소제 함량에 따른 PVC 특성은 다음과 같다.[24]

프탈레이트 가소제 함량에 따른 PVC 특성
가소제 함량 (중량 기준 DINP %)비중 (20 °C)쇼어 경도
(A형, 15초)		굽힘 강성 (MPa)인장 강도 (MPa)파단 신율 (%)용도 예시
강성01.490041<15무가소제 PVC(UPVC): 창틀과 창대, 문, 강성 배관
반강성251.26946931225바닥재, 유연한 배관, 박막(신축랩), 광고 배너
유연성331.22841221295전선 및 케이블 절연, 유연한 배관
매우 유연성441.17663.414400장화와 의류, 풍선
극도로 유연성861.02< 10낚시 미끼(소프트 플라스틱 베이트), 폴리머 클레이, 플라스티졸 잉크



BaZn 안정제는 유럽에서 많은 반강성 및 가요성 PVC 용도에서 카드뮴계 안정제를 성공적으로 대체했다.[28]

유럽, 특히 벨기에에서는 카드뮴(이전에는 창틀 프로필의 열 안정제의 일부 구성 요소로 사용됨)의 사용을 없애고 2015년까지 액상 오토다이크로메이트 및 폴리하이드로쿠메이트칼슘과 같은 납계 열 안정제(파이프 및 프로필 분야에 사용됨)의 사용을 단계적으로 중단하려는 노력이 있었다. ''Vinyl 2010''의 최종 보고서[29]에 따르면, 카드뮴은 2007년까지 유럽 전역에서 제거되었다. 같은 문서에서 2000년 이후 75% 감소하고 지속적으로 감소하고 있음을 보여주는 납계 안정제의 점진적인 대체도 확인된다. 이는 유럽 외 지역에서도 점점 더 납계 안정제의 대안으로 사용되는 칼슘계 안정제의 상응하는 성장으로 확인된다.[15]

프탈레이트는 플라스틱에 가소제로 첨가되며, 미국 가소제 시장의 약 70%를 차지한다. 프탈레이트는 설계상 고분자 매트릭스에 공유 결합되지 않아 용출되기 쉽다. 프탈레이트는 플라스틱에 높은 비율로 포함되어 있다. 예를 들어, 정맥 주사용 의료용 백에는 무게 기준 최대 40%, 의료용 튜브에는 최대 80%까지 함유될 수 있다.[49] 비닐 제품은 장난감,[50] 자동차 내장재, 샤워 커튼, 바닥재 등에 광범위하게 사용되며, 초기에는 공기 중으로 화학 가스를 방출한다. 일부 연구에 따르면 이러한 첨가제의 탈기가 건강 문제에 기여할 수 있으며, 샤워 커튼 등의 용도에서 DEHP 사용 금지 요구로 이어졌다.[51]

2004년 스웨덴-덴마크 합동 연구팀은 어린이의 알레르기와 실내 공기 중 DEHP 및 BBzP(부틸 벤질 프탈레이트) 수치 사이에 통계적 연관성을 발견했다. BBzP는 비닐 바닥재에 사용된다.[52] 2006년 12월, 유럽 집행위원회의 유럽 화학 물질국은 BBzP에 대한 최종 위험 평가 초안을 발표했으며, 어린이를 포함한 소비자 노출에 대해 "우려 없음"을 밝혔다.

4. 1. 1. 프탈레이트

비스(2-에틸헥실) 프탈레이트는 일반적인 PVC 가소제였지만 더 높은 분자량의 프탈레이트로 대체되고 있다.


PVC에 가장 일반적으로 사용되는 가소제는 프탈산의 디에스터인 프탈레이트이다. 프탈레이트는 분자량에 따라 고분자량과 저분자량으로 분류할 수 있다. 비스(2-에틸헥실) 프탈레이트(DEHP) 및 디부틸 프탈레이트(DBP)와 같은 저분자량 프탈레이트는 건강상의 위험이 증가하여 일반적으로 단계적으로 폐지되고 있다.[22] 디이소노닐 프탈레이트(DINP) 및 디이소데실 프탈레이트(DIDP)와 같은 고분자량 프탈레이트는 일반적으로 더 안전한 것으로 간주된다.[22]

DEHP는 의료 기기 사용을 위해 수년 동안 의학적으로 승인되었지만, 2008년 미국 의회에 의해 미국에서 아동 제품 사용이 영구적으로 금지되었다.[25] DEHP는 용혈(적혈구 파열)을 최소화하기 때문에 PVC-DEHP 조합은 혈액 백 제조에 매우 적합한 것으로 입증되었다. 그러나 DEHP는 유럽에서 점점 더 큰 압력을 받고 있다. 프탈레이트, 특히 PVC 의료 기기에서 DEHP 사용과 관련된 잠재적 위험에 대한 평가는 유럽 연합 당국에 의해 과학적 및 정책적 검토를 받았으며, 2010년 3월 21일 발암성, 돌연변이성 또는 생식 독성(CMR) 물질로 분류되는 프탈레이트를 함유한 모든 기기에 대한 특정 라벨링 요구 사항이 EU 전역에 도입되었다.[26] 이 라벨은 의료 전문가가 이 장비를 안전하게 사용하고 필요한 경우 과다 노출 위험이 있는 환자에 대해 적절한 예방 조치를 취할 수 있도록 하기 위한 것이다.[27]

20세기 말 무렵, 환경호르몬에 대한 관심이 높아지면서 PVC에 포함된 가소제가 식품 등에 용출되어 인체에 미치는 영향에 대한 우려가 제기되기 시작했다. 그동안 널리 사용되어 온 가소제인 프탈산 에스터의 일종인 비스(2-에틸헥실)프탈산염(DEHP)은 유지를 포함한 식품에 용출될 가능성이 있어, 식품과 직접 접촉하는 용기나 포장에의 사용이 제한되기 시작했다. 또한, 장난감 중에서 소프트 비닐 인형 등 "영유아가 입에 접촉하는 것을 본질로 하는 장난감"에 대해서도 프탈산 에스터를 포함한 폴리염화비닐의 사용이 제한되었으며[84], 대체 재료로 열가소성 엘라스토머가 사용되기 시작했다.

식품 제조 시 사용되는 폴리장갑도 같은 이유로 문제가 되었다. 2000년 6월, 후생성(현 후생노동성)은 식품 제조 시 폴리염화비닐 장갑의 사용을 중지하도록 통달을 내렸다. 참고로 2003년 환경성 검토회에서 프탈산 에스터에는 환경호르몬과 같은 작용이 확인되지 않았다는 보고가 있었다.

4. 2. 금속 안정제

유럽에서는 납계 안정제 사용이 중단되었다. 2000년에 시작된 바이닐플러스(VinylPlus) 자발적 약정에 따라 유럽 안정제 생산자 협회(ESPA) 회원들은 2015년에 납계 안정제를 완전히 대체했다.[55][56]

4. 3. 열 안정제

PVC의 가장 중요한 첨가제 중 일부는 열 안정제이다. 열 안정제는 70°C 이상에서 시작되는 자촉매적인 열화 과정인 HCl 손실을 억제한다.[15] 전통적으로 중금속(납, 카드뮴) 유도체를 포함하여 다양한 작용제가 사용되어 왔다. 금속비누(지방산의 금속 "염" 예: 스테아르산칼슘)는 가요성 PVC 응용 분야에서 일반적이다.[15]

5. 응용 분야

PVC는 가격이 저렴하고 내수성, 내산성, 내알칼리성, 내용제성이 우수하며, 일부 용제에는 용해되는 성질을 이용해 접착제로도 사용된다. 또한, 열가소성 수지이므로 용접도 가능하고, 난연성이며 전기 절연성도 뛰어나다.[81]

이러한 특성 덕분에 PVC는 의류, 벽지, 가방, 의자나 소파에 사용되는 인조피혁(비닐 레더), 쿠션재, 단열재, 방음재와 같은 인테리어 자재, 줄넘기용 로프, 전선 피복(절연재), 방충망, 포장재료, 상수도 파이프, 건축자재, 농업용 자재(농비), 레코드판, 지우개 등 다양한 분야에서 활용된다. 과거에는 완구에도 많이 사용되었으며, 최근에는 경량화를 위해 일부 자동차용 언더코팅재로도 사용되고 있다.[82]

바이닐 레코드


uPVC 배수관과 낙수관, 외벽 마감재, 장식용 모조 반목구조, 창문, 문을 갖춘 현대식 튜더베스식 주택

5. 1. 파이프

PVC는 저렴한 비용, 내화학성, 그리고 이음매 연결의 용이성 때문에 하수관에 광범위하게 사용된다.


전 세계에서 매년 생산되는 폴리염화 비닐(PVC) 수지의 약 절반은 지자체 및 산업용 배관 제조에 사용된다.[36] 미국 가정용 시장에서는 가구 시장의 66%를 차지하며, 가정용 하수관 배관에서는 75%를 차지한다.[37][38] 직경 100mm 이상의 상하수도 매설용 PVC 배관은 일반적으로 개스킷(gasket)으로 밀봉된 이음매를 통해 연결된다. 북미에서 가장 일반적으로 사용되는 개스킷은 금속으로 강화된 엘라스토머(elastomer)로, 일반적으로 라이버(Rieber) 밀봉 시스템이라고 한다.[39]

염소 비율을 높인 "염소화 폴리염화비닐"은 일반 폴리염화비닐보다 고온 구조 강도가 높아 온수 배관용 등으로 사용되는 내열성 경질 폴리염화비닐관으로서 JIS K 6776 등에 규격화되어 있다.

5. 2. 전선

PVC는 우수한 전기 절연성, 용이한 압출 성형, 그리고 내연성 때문에 전기 케이블의 절연 피복으로 흔히 사용된다.[40] 화재 시 PVC는 염화수소 연기를 발생시킬 수 있지만, 염소는 자유 라디칼을 제거하는 역할을 하여 PVC 피복 전선을 난연성으로 만든다.[41]

5. 3. 건축

PVC는 건설 및 건축 산업에서 광범위하고 대량으로 사용된다.[15] 특히 비닐 사이딩은 아일랜드, 영국, 미국, 캐나다에서 인기 있는 저유지보수 자재이다. 이 자재는 다양한 색상과 마감으로 제공되며, 주로 신축 건물에 단열 이중창을 설치할 때 창틀과 문턱으로 사용되거나, 기존의 단창을 교체하는 데 사용된다. 또한 외벽 마감재, 사이딩 또는 덧널판으로도 사용된다. PVC는 주철을 대체하여 배수관, 하수관, 빗물받이, 낙수관 등에 사용되며, 화학 물질, 햇빛 및 물에 의한 산화에 대한 강한 저항성을 가진다.[42]

5. 4. 간판 및 그래픽

가소제가 첨가된 PVC는 얇고, 색이 있거나 투명하며, 뒷면에 접착제가 붙은 필름 형태로도 생산되는데, 이를 "비닐"이라고도 부른다. 이러한 필름은 컴퓨터 제어 플로터(비닐 커터 참조)로 절단하거나 대형 프린터로 인쇄하여 사용한다.[43] 이 PVC 시트와 필름은 상업용 간판 제품, 차량 비닐 랩핑이나 경주용 스트라이프와 같은 장식, 또는 일반적인 스티커 제작에 활용된다.[43]

5. 5. 의류

PVC 원단은 방수되는 소재로, 방수 기능을 활용하여 코트, 스키 장비, 신발, 재킷, 앞치마 등에 사용된다.[81]

검은색 PVC 바지

5. 6. 의료

일회용 폴리염화 비닐(PVC) 화합물은 주로 유연한 용기와 튜브 형태로 의료 분야에서 사용된다. 용기는 혈액 및 혈액 성분 보관, 소변 수집, 배설물 수집 등에 쓰이며, 튜브는 채혈 및 수혈 세트, 카테터, 인공심폐기, 혈액투석 세트 등에 사용된다. 유럽에서는 매년 약 8만 5천 톤의 PVC가 의료 기기 제조에 사용되며, 플라스틱 기반 의료 기기의 약 3분의 1이 PVC로 만들어진다.[44]

가소화된 PVC는 의료용 장갑의 재료로도 쓰이지만, 탄력성과 유연성이 떨어져 임상 치료나 정밀한 조작이 필요한 경우에는 라텍스나 니트릴 장갑이 권장된다. PVC 장갑은 특정 화학 물질에 대한 내성이 약하며, PVC에 첨가되는 물질(예: 항산화제 비스페놀 A)이 피부 반응을 유발할 수 있다는 연구 결과도 있다.[78]

5. 7. 식품 포장

PVC는 병, 포장 필름, 블리스터 팩, 클링 필름, 금속 뚜껑의 밀봉재 등 다양한 용도로 사용되어 왔다.[81]

5. 8. 와이어 로프

PVC는 압출되어 일반 용도로 사용되는 와이어 로프와 항공 케이블을 피복할 수 있다. PVC 코팅 와이어 로프는 취급이 용이하고, 부식 및 마모에 강하며, 가시성 향상을 위해 색상 코드를 사용할 수 있다. 실내외를 포함한 다양한 산업 및 환경에서 사용된다.[46]

5. 9. 기타 용도



성형된 폴리염화비닐(PVC)은 축음기 또는 "바이닐" 레코드를 생산하는 데 사용된다.[47] PVC 파이프는 악기 제작에 사용되는 금속 튜브보다 저렴한 대안이므로 관악기, 특히 레저용이나 콘트라베이스 플루트와 같은 희귀 악기를 만들 때 일반적으로 사용된다. 거의 전적으로 PVC 튜브로 제작되는 악기로는 통폰이 있는데, 이것은 플립플랍이나 이와 유사한 것으로 열린 튜브를 때려서 연주하는 타악기이다.[47] PVC는 자동차 하체 코팅의 원료로도 사용된다.[48]

6. 염소화 PVC (CPVC)

염소화 폴리염화 비닐(CPVC)은 폴리염화 비닐(PVC)을 염소화하여 만든다. 염소 함량이 67% 이상으로 높아져 내열성이 향상된다. CPVC는 현탁액 PVC 입자의 수용액을 염소화한 다음 자외선에 노출시켜 자유 라디칼 염소화를 유도하는 방식으로 생산된다.[15]

7. 건강 및 안전 문제

폴리염화 비닐(PVC)은 생산, 사용 및 폐기 과정에서 다양한 건강 및 환경 문제를 일으킬 수 있다. 주요 문제는 다음과 같다.


  • 가소제: PVC를 유연하게 만들기 위해 사용되는 프탈레이트는 건강에 유해할 수 있다. 특히 비스(2-에틸헥실) 프탈레이트(DEHP)와 같은 저분자량 프탈레이트는 내분비계 장애를 일으킬 수 있어 사용이 제한되고, 디이소노닐 프탈레이트(DINP)와 같은 고분자량 프탈레이트로 대체되고 있다.[22] 2000년 6월, 후생성(현・후생노동성)은 식품 제조 시 PVC 장갑 사용을 중지하도록 통달을 내렸다.[84]


비닐 장갑

  • 납: 과거 PVC 안정제로 사용되었던 납 화합물은 음용수로 용출될 수 있어[54] 유럽에서는 2015년에 사용이 중단되었다.[55][56]
  • 염화비닐 단량체(VCM): PVC 제조 과정에서 사용되는 VCM은 간 혈관육종(angiosarcoma)을 포함한 암을 유발하는 발암 물질로 알려져 있다.[57][15]
  • 연소 시 유해 물질 발생: PVC는 연소 시 HCl, 이산화탄소, 다이옥신 등 유해 물질을 생성한다.[58] 특히 다이옥신은 매립지 화재나 쓰레기 소각 과정에서 발생하며, PVC가 주요 원인 중 하나로 지목된다.[58] 1990년대에는 PVC를 포함한 염소계 플라스틱이 다이옥신류의 주요 발생원으로 여겨져 사회 문제로 떠올랐고 불매 운동으로 이어졌다.[83]


미국 친환경 건축 위원회(US Green Building Council)(USGBC)는 2007년 보고서에서 PVC를 다이옥신 배출 위험 때문에 인체 건강에 가장 해로운 재료 중 하나로 분류했다.[65]

7. 1. 가소제

프탈레이트는 폴리염화 비닐(PVC)에 가장 일반적으로 사용되는 가소제이다. 분자량에 따라 고분자량과 저분자량으로 나뉘는데, 비스(2-에틸헥실) 프탈레이트(DEHP) 및 디부틸 프탈레이트(DBP)와 같은 저분자량 프탈레이트는 건강상의 위험 때문에 점차 사용이 줄고 있다. 대신 디이소노닐 프탈레이트(DINP) 및 디이소데실 프탈레이트(DIDP)와 같은 고분자량 프탈레이트가 더 안전한 것으로 여겨져 사용된다.[22]

DEHP는 오랫동안 의료 기기에 사용되었지만, 2008년 미국에서 아동 용품 사용이 영구적으로 금지되었다.[25] DEHP는 적혈구를 안정시켜 용혈(적혈구 파열)을 줄이기 때문에 혈액 백 제조에 적합하지만, 유럽에서는 사용에 대한 규제가 강화되고 있다. 2010년 3월 21일, 유럽 연합은 발암성, 돌연변이성, 생식 독성(CMR) 물질로 분류되는 프탈레이트를 함유한 의료 기기에 대해 특별 라벨링을 도입했다.[26] 이는 의료 전문가가 장비를 안전하게 사용하고, 필요한 경우 과다 노출 위험이 있는 환자에게 적절한 예방 조치를 취하도록 돕기 위한 것이다.[27]

프탈레이트는 플라스틱에 첨가되어 가소제로 사용되며, 미국 가소제 시장의 약 70%를 차지한다. 프탈레이트는 고분자 매트릭스에 공유 결합되지 않아 쉽게 용출될 수 있다. 플라스틱에 높은 비율로 포함되어, 정맥 주사용 의료용 백에는 무게 기준 최대 40%, 의료용 튜브에는 최대 80%까지 함유될 수 있다.[49] 비닐 제품은 장난감,[50] 자동차 내장재, 샤워 커튼, 바닥재 등에 널리 사용되며, 초기에는 공기 중으로 화학 가스를 방출한다. 일부 연구에서는 이러한 첨가제의 탈기가 건강 문제와 관련이 있을 수 있다고 보고 있으며, 샤워 커튼 등에서 DEHP 사용 금지를 요구하는 목소리가 높아졌다.[51]

2004년 스웨덴-덴마크 합동 연구팀은 어린이의 알레르기와 실내 공기 중 DEHP 및 BBzP(부틸 벤질 프탈레이트, butyl benzyl phthalate)) 수치 사이에 통계적 연관성을 발견했다. BBzP는 비닐 바닥재에 사용된다.[52] 그러나 2006년 12월, 유럽 화학 물질국(European Chemicals Bureau)은 BBzP에 대한 최종 위험 평가 초안에서 어린이를 포함한 소비자 노출에 대해 "우려 없음"을 발표했다.[53]

가소화된 PVC는 의료용 장갑의 일반적인 재료이다. 그러나 비닐 장갑은 탄력성과 유연성이 떨어져, 임상 치료나 수동 조작이 필요하거나 환자 접촉 시간이 짧지 않은 절차에는 라텍스 또는 니트릴 장갑을 사용하도록 권장한다. 비닐 장갑은 글루타르알데히드 기반 제품 및 소독제 제조에 사용되는 알코올을 포함한 많은 화학 물질에 대한 내성이 약하다. PVC에 첨가된 물질은 알레르기성 접촉성 피부염과 같은 피부 반응을 유발할 수 있다. 항산화제 비스페놀 A, 살생물제 벤지소티아졸리논, 프로필렌글리콜/아디페이트 폴리에스터 및 에틸헥실말레에이트 등이 그 예이다.[78]

20세기 말, 환경호르몬에 대한 관심이 높아지면서 PVC에 포함된 가소제가 식품 등에 용출되어 인체에 미치는 영향에 대한 우려가 제기되었다. 널리 사용되던 가소제인 프탈산 에스터의 일종인 DEHP는 유지(油脂)를 포함한 식품에 용출될 가능성이 있어, 식품과 직접 접촉하는 용기나 포장에의 사용이 제한되기 시작했다. 영유아가 입에 접촉하는 장난감에도 프탈산 에스터를 포함한 PVC 사용이 제한되었으며,[84] 대체 재료로 열가소성 엘라스토머가 사용되기 시작했다.

2000년 6월, 후생성(현・후생노동성)은 식품 제조 시 PVC 장갑 사용을 중지하도록 통달을 내렸다. 2003년 환경성 검토회에서 프탈산 에스터에는 환경호르몬과 같은 작용이 확인되지 않았다는 보고가 있었다.

7. 2. 납

납 화합물은 이전에는 가공성과 안정성을 개선하기 위해 PVC에 널리 첨가되었지만, PVC 파이프에서 음용수로 용출되는 것으로 나타났다.[54]

유럽에서는 납계 안정제의 사용이 중단되었다. 2000년에 시작된 바이닐플러스(VinylPlus) 자발적 약정에 따라 유럽 안정제 생산자 협회(ESPA) 회원들은 2015년에 납계 안정제를 완전히 대체했다.[55][56]

7. 3. 염화비닐 단량체 (VCM)

1970년대 초, 염화비닐(일반적으로 염화비닐 단량체 또는 VCM이라고 함)이 발암 물질이며, 폴리염화 비닐 산업 노동자들의 암과 관련이 있다는 사실이 밝혀졌다. 특히, B.F. 굿리치 공장(켄터키주 루이빌 근처)의 중합 공정 부서 노동자들은 희귀 질환인 간 혈관육종(angiosarcoma)(hemangiosarcoma) 진단을 받았다.[57] 그 후 호주, 이탈리아, 독일, 영국의 PVC 노동자들에 대한 연구에서 특정 직업성 암이 염화비닐 노출과 관련이 있다는 사실이 밝혀졌고, VCM이 발암 물질이라는 것이 확인되었다.[15]

7. 4. 연소

PVC는 연소 시 HCl와 이산화탄소를 생성한다. 가정 쓰레기 소각 연구에 따르면 PVC 농도가 증가함에 따라 다이옥신 생성이 일관되게 증가하는 것으로 나타났다.[58]

미국 환경보호청(U.S. EPA)의 다이옥신 목록에 따르면, 매립지 화재는 환경에 대한 다이옥신의 더 큰 발생원일 가능성이 높다. 국제 연구 조사 결과, 폐기물 야외 소각으로 영향을 받는 지역에서 일관되게 높은 농도의 다이옥신이 확인되었으며, 호몰로그 패턴을 조사한 연구에서는 다이옥신 농도가 가장 높은 샘플이 "PVC 열분해의 전형적인 것"임을 발견했다. 다른 EU 연구에서는 PVC가 "매립지 화재 중 다이옥신 형성에 이용 가능한 염소의 압도적인 대부분을 차지할 가능성이 높다"고 나타낸다.[58]

미국 환경보호청(U.S. EPA) 목록에서 두 번째로 큰 다이옥신 발생원은 의료 및 도시 쓰레기 소각로이다.[59] 상업용 소각로에 대한 연구에서는 폐기물의 PVC 함량과 다이옥신 배출량 사이에 관계가 없음을 보여주었지만,[60][61] 다른 연구에서는 다이옥신 형성과 염화물 함량 사이에 명확한 상관관계가 있음을 보여주었고, PVC가 소각로에서 다이옥신과 PCB 형성에 상당한 기여를 한다고 나타낸다.[62][63][64]

2007년 2월, 미국 친환경 건축 위원회(US Green Building Council)(USGBC)는 LEED 친환경 건축물 등급 시스템에 대한 보고서를 통해 "다이옥신 배출 위험으로 인해 PVC가 인체 건강 영향에 있어 일관되게 최악의 재료 중 하나로 분류된다"는 결론을 내렸다.[65]

유럽에서는 다이옥신 형성에 연소 조건이 매우 중요하며, 연소 가스의 온도가 가장 중요한 요인이다. 산소 농도도 중요하지만 염소 함량은 그렇지 않다.[66]

몇몇 연구는 폐기물에서 PVC를 제거해도 배출되는 다이옥신의 양이 크게 줄어들지 않음을 보여주었다. EU 집행위원회는 2000년 7월 PVC의 환경 문제에 대한 녹색 논문을 발표했다.[67] 유럽 집행위원회가 의뢰한 연구에서는 "최근 연구에 따르면 PVC의 존재는 플라스틱 폐기물 소각을 통한 다이옥신 배출량에 유의미한 영향을 미치지 않는다"고 명시하고 있다.[68]

1990년대에는 PVC를 포함한 염소계 플라스틱이 다이옥신류의 주요 발생원으로 여겨져 사회 문제로 떠올랐고 불매 운동으로 이어졌다. 현재는 염소계 플라스틱뿐만 아니라 염소와 방향족 화합물이 포함된 폐기물을 소각할 때 불완전 연소가 발생하면 다이옥신류가 생성되는 것으로 생각된다. 대책으로는 소각로 성능 향상, 분리 수거, 재활용 제도 확충, 염소계 플라스틱 사용량 감소 등이 제안된다. 업계 단체에서는 소각로에서 다이옥신류의 주요 발생원은 PVC가 아니라 식염이라는 연구도 발표하고 있다.[83]

7. 5. 다이옥신

PVC(폴리염화 비닐) 농도가 증가하면 다이옥신 생성이 꾸준히 증가한다는 연구 결과가 있다.[58] 미국 환경보호청(U.S. EPA)에 따르면, 매립지 화재가 환경에 더 큰 다이옥신 발생원일 수 있다. 국제 연구 조사에서는 폐기물 야외 소각 지역에서 높은 농도의 다이옥신이 발견되었으며, PVC 열분해와 관련된 다이옥신 농도가 높은 샘플도 확인되었다.[58] EU 연구에서는 PVC가 매립지 화재 시 다이옥신 형성에 필요한 염소의 대부분을 차지할 가능성이 높다고 밝혔다.[58]

미국 환경보호청 목록에서 두 번째로 큰 다이옥신 발생원은 의료 및 도시 쓰레기 소각로이다.[59] PVC 함량과 다이옥신 배출량 간의 관계에 대해서는 상반된 연구 결과가 있다. 일부 연구에서는 관계가 없음을 보여주었지만,[60][61] 다른 연구에서는 염화물 함량과 다이옥신 형성 사이에 명확한 상관관계가 있으며, PVC가 소각로에서 다이옥신 및 PCB 형성에 크게 기여한다고 밝혔다.[62][63][64]

2007년 2월, 미국 친환경 건축 위원회(US Green Building Council)(USGBC)는 LEED 친환경 건축물 등급 시스템에서 PVC 회피 관련 자재 크레딧에 대한 보고서를 발표했다. 보고서는 PVC가 다이옥신 배출 위험 때문에 인체 건강에 최악의 재료 중 하나로 분류된다고 결론 내렸다.[65]

유럽에서는 연소 조건이 다이옥신 형성에 매우 중요하다는 것이 여러 연구를 통해 밝혀졌다. 연소 가스의 온도가 가장 중요한 요소이며, 산소 농도도 중요하지만 염소 함량은 그렇지 않다.[66] 폐기물에서 PVC를 제거해도 다이옥신 배출량이 크게 줄지 않는다는 연구 결과도 있다. EU 집행위원회는 2000년 7월 PVC의 환경 문제에 대한 녹색 논문을 발표했다.[67] 유럽 집행위원회가 의뢰한 연구에서는 PVC의 존재가 플라스틱 폐기물 소각을 통한 다이옥신 배출량에 큰 영향을 미치지 않는다고 밝혔다.[68]

1990년대에는 PVC 등 염소계 플라스틱이 다이옥신류의 주요 발생원으로 여겨져 사회 문제로 떠올랐고 불매 운동으로 이어지기도 했다. 현재는 염소계 플라스틱뿐만 아니라 염소와 방향족 화합물이 포함된 폐기물을 소각할 때 불완전 연소가 발생하면 다이옥신류가 생성되는 것으로 알려져 있다. 대책으로는 소각로 성능 향상, 분리 수거, 재활용 제도 확충, 염소계 플라스틱 사용량 감소 등이 제안된다. 업계 단체에서는 소각로에서 다이옥신류의 주요 발생원은 PVC가 아니라 식염이라는 연구[83]도 발표하고 있다.

8. 산업계의 노력

유럽에서는 2000년에 설립된 Vinyl 2010[69]이 PVC 폐기물 관리의 발전을 모니터링해 왔다. Vinyl 2010의 목표는 2010년 말까지 유럽에서 연간 20만 톤의 소비 후 PVC 폐기물을 재활용하는 것이었다.

2011년 6월부터는 지속 가능한 발전을 위한 새로운 목표를 설정한 VinylPlus[70]가 이를 이어받았다. 주요 목표는 2020년까지 연간 80만 톤의 PVC를 재활용하는 것이며, 그중 10만 톤은 "재활용이 어려운" 폐기물이다. PVC 폐기물의 수집 및 재활용을 위한 촉진자 중 하나는 Recovinyl이다.[71] 2016년에 보고되고 감사를 받은 기계적 재활용 PVC 톤수는 568,695톤이었으며, 2018년에는 739,525톤으로 증가했다.[72]

PVC 폐기물 문제를 해결하기 위한 한 가지 방법은 Vinyloop이라는 공정을 통해서도 이루어진다. 이것은 용매를 사용하여 PVC를 다른 재료와 분리하는 기계적 재활용 공정이다. 이 용매는 폐쇄 루프 공정으로 전환되어 재활용된다. 재활용된 PVC는 다양한 용도에서 신규 PVC 대신 사용된다.[73] 이 재활용 PVC의 1차 에너지 수요는 기존 PVC보다 46% 낮다. 따라서 재활용 재료의 사용은 훨씬 더 나은 생태 발자국으로 이어진다. 지구 온난화 지수는 39% 낮다.[74]

중량 비로 염소가 약 절반을 차지하고 석유 소비량이 적기 때문에, 다른 석유계 플라스틱에 비해 폴리염화비닐은 중량당 이산화탄소 배출량이 적고, 환경에 미치는 영향이 작은 플라스틱이라는 견해가 가능하다.[85] 수지화학업계 단체는 염화비닐이 제조 과정에서 다른 탄화수소계 수지와 비교하여 에너지 투입량이 적게 들고, 석유 소비량도 적으며, 고단열성으로 에너지 절약에 기여한다고 주장하고 있다.[86]

한편, 일반적인 탄화수소계 수지와 비교하여 화학적 성질이 상당히 다르기 때문에, 수지를 재활용할 때 폴리염화비닐이 혼합되어 있으면 장애의 원인이 되기 쉽다.[87] 재활용 시설에서는 폴리염화비닐과 다른 수지의 X선 투과 특성이 다르다는 것을 이용하여 분류하는 사례도 있다.

9. 규제

유럽에서는 2000년에 설립된 Vinyl 2010[69]이 PVC 폐기물 관리의 발전 상황을 모니터링해 왔다. Vinyl 2010의 목표는 2010년 말까지 유럽에서 연간 20만 톤의 소비 후 PVC 폐기물을 재활용하는 것이었다.

2011년 6월부터는 지속 가능한 발전을 위한 새로운 목표를 설정한 VinylPlus[70]가 이를 이어받았다. 주요 목표는 2020년까지 연간 80만 톤의 PVC를 재활용하는 것이며, 그중 10만 톤은 "재활용이 어려운" 폐기물이다. 2016년에 보고되고 감사를 받은 기계적 재활용 PVC 톤수는 568,695톤이었으며, 2018년에는 739,525톤으로 증가했다.[72]

PVC 폐기물 문제를 해결하기 위한 한 가지 방법은 Vinyloop이라는 공정을 통해서도 이루어진다. 이것은 용매를 사용하여 PVC를 다른 재료와 분리하는 기계적 재활용 공정이다. 재활용된 PVC는 수영장 코팅, 구두창, 호스, 터널 다이어프램, 코팅된 직물, PVC 시트 등 다양한 용도에서 신규 PVC 대신 사용된다.[73] 이 재활용 PVC의 1차 에너지 수요는 기존 PVC보다 46% 낮다. 지구 온난화 지수는 39% 낮다.[74]

2005년 11월, 미국의 대형 병원 네트워크 중 하나인 가톨릭 헬스케어 웨스트(Catholic Healthcare West)는 B. 브라운(B. Braun) 멜숭겐과 비닐이 없는 정맥 주사 백과 튜브에 대한 계약을 체결했다.[75]

2012년 1월, 미국 서부 해안의 주요 의료 제공업체인 카이저 퍼머넌트(Kaiser Permanente)는 PVC와 DEHP 유형 가소제로 만들어진 정맥 주사(IV) 의료 장비를 더 이상 구매하지 않겠다고 발표했다.[76]

1998년, 미국 소비자 제품 안전 위원회(U.S. Consumer Product Safety Commission)(CPSC)는 제조업체와 자발적 합의에 도달하여 PVC 딸랑이, 젖꼭지 등에서 프탈레이트를 제거했다.[77]

10. 지속 가능성

유럽에서는 2000년에 설립된 Vinyl 2010[69]이 PVC 폐기물 관리를 감독해왔다. 이들은 2010년까지 연간 20만 톤의 소비 후 PVC 폐기물 재활용을 목표로 했다. 2011년부터는 VinylPlus[70]가 지속 가능한 발전을 위한 새로운 목표를 설정, 2020년까지 연간 80만 톤의 PVC 재활용을 목표로 하고 있다. Recovinyl[71]은 PVC 폐기물 수집 및 재활용을 촉진하는 단체 중 하나이다. 2016년에는 568,695톤, 2018년에는 739,525톤의 PVC가 재활용되었다.[72]

Vinyloop[73] 공정은 용매를 사용해 PVC를 다른 재료와 분리하는 재활용 기술이다. 이 공정에서 용매는 재활용되며, 재활용된 PVC는 신규 PVC를 대체하여 수영장 코팅, 구두창, 호스, 터널 다이어프램, 코팅된 직물, PVC 시트등의 다양한 제품에 사용된다. 재활용 PVC는 기존 PVC보다 1차 에너지 수요가 46% 낮고, 지구 온난화 지수는 39% 낮다.[74]

가톨릭 헬스케어 웨스트(Catholic Healthcare West)는 2005년에 B. 브라운(B. Braun)과 비닐이 없는 정맥 주사 제품 계약을 체결했다.[75] 카이저 퍼머넌트(Kaiser Permanente)는 2012년에 PVC와 DEHP 가소제로 만들어진 의료 장비를 구매하지 않겠다고 발표했다.[76] 1998년, 미국 소비자 제품 안전 위원회(U.S. Consumer Product Safety Commission)(CPSC)는 PVC 딸랑이 등 유아용품에서 프탈레이트를 제거하기로 제조업체와 합의했다.[77]

PVC의 수명 주기와 지속 가능성에 대한 논의가 계속되고 있다.[79] 2020년에는 731,461톤의 PVC가 재활용되었는데, 이는 코로나19 팬데믹으로 인해 2019년 대비 5% 감소한 수치이다.[80]

중량의 약 절반이 염소이고 석유 소비량이 적어, 폴리염화비닐은 다른 석유계 플라스틱보다 이산화탄소 배출량이 적고 환경에 미치는 영향이 적다는 견해가 있다.[85] 수지화학업계는 염화비닐 제조 시 에너지 투입량이 적고, 고단열성으로 에너지 절약에 기여한다고 주장한다.[86]

하지만, 폴리염화비닐은 다른 탄화수소계 수지와 화학적 성질이 달라 재활용 시 혼합되면 문제가 될 수 있다.[87] 염화비닐 소각 시 다이옥신류 생성 억제 장치가 필요하며, 용광로에서 환원제로 사용하거나 페트병 재활용에 어려움을 겪는 사례도 있다. 재활용 시설에서는 X선 투과 특성 차이를 이용해 폴리염화비닐과 다른 수지를 분류하기도 한다.

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