폴리프로필렌

3. 화학적 및 물리적 특성

폴리프로필렌은 메틸기의 배열 방식에 따라 다양한 특성을 나타내는 흥미로운 고분자 물질이다.

• 아이소택틱: 비대칭 탄소가 같은 절대 배치를 갖는 구조이다. 프로필렌 측쇄의 메틸기가 모두 같은 방향을 향하고 있으며, 프로필렌이 머리-꼬리 결합을 하고 있다.
• 신디오택틱: 비대칭 탄소의 절대 배치가 번갈아 배열되는 구조이다.
• 아택틱: 절대 배치가 무작위인 구조로, 일반적으로 결정화되지 않는다.

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3. 1. 기본 성질

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3. 2. 기계적 성질

3. 3. 열적 성질

3. 4. 화학적 성질

3. 5. 광학적 성질

4. 구조

4. 1. 입체 규칙성 (택티시티)

4. 2. 결정 구조

• α형 (단사정계): 가장 일반적인 결정 구조이며, α_I(공간군 C2/c)와 α_II(공간군 P2₁/c)로 나뉜다. 라멜라 구조는 모라멜라에 거의 직각 방향으로 자라멜라가 성장한 크로스 해치 구조를 형성한다.
• β형 (육방정계): 라멜라 구조는 일반적인 α형과 같은 크로스 해치 구조를 취하지 않는다.
• γ형 (삼사정계): 일반적인 산업적 가공 조건에서는 나타나지 않는다.
• 스멕틱 결정: 산업적으로 필름 성형 시 급냉에 의해 나타난다.

5. 공중합체

폴리프로필렌 코폴리머도 사용된다. 특히 중요한 것은 '''폴리프로필렌 랜덤 코폴리머'''( '''PPR''' 또는 '''PP-R''' )로, 플라스틱 배관에 사용되는 폴리에틸렌과의 랜덤 코폴리머이다. '''폴리프로필렌 무작위 결정화 온도'''( '''PP-RCT''')는 플라스틱 배관에도 사용되는 플라스틱의 새로운 형태로, β-결정화를 통해 고온에서 더 높은 강도를 달성한다.^[29]

5. 1. 종류

6. 제조

폴리프로필렌은 프로펜을 원료로 하여 사슬 성장 중합을 통해 제조된다.

6. 1. 산업적 생산 공정

• 기상 중합: 유동층 반응기에서 진행되며, 프로펜 기체가 고체 촉매 층을 통과하면서 중합 반응이 일어난다. 생성된 폴리프로필렌은 미세 분말 형태로 분리된 후 펠릿으로 만들어진다. 반응하지 않은 기체는 다시 반응기로 재순환된다.
• 벌크 중합: 액체 프로펜 자체가 용매 역할을 하여 중합체가 침전되는 것을 막는다. 60~80 °C, 30~40 atm 조건에서 중합이 진행되며, 루프 반응기가 주로 사용된다. 액체 프로펜에 대한 폴리프로필렌의 용해도가 낮기 때문에, 벌크 중합은 공중합체 제조 시 에텐 함량을 최대 5%로 제한한다.
• 슬러리 중합: C4~C6 알칸(부탄, 펜탄, 헥산 등)과 같은 불활성 희석제를 사용하여 중합체 입자를 현탁시킨다. 프로펜은 기체 형태로 혼합물에 주입된다.

전 세계 대부분의 폴리프로필렌 생산 공장은 위에 소개된 공정 중 하나를 사용하여 폴리프로필렌을 생산하고 있다. 모든 공정은 촉매 잔류물을 제거할 필요가 없는 무탈회 공정이다. 다만, 일부 오래된 공정에서는 여전히 탈회가 필요한 경우도 있다.

6. 2. 촉매

6. 3. 제조 공정 (Process Technology)

• 기상 중합: 유동층 반응기에서 진행되며, 프로펜 기체가 불균일(고체) 촉매를 포함하는 층을 통과한다. 생성된 중합체는 미세 분말 형태로 분리된 후 펠릿으로 만들어진다. 반응하지 않은 기체는 재순환된다.
• 벌크 중합: 액체 프로펜이 용매 역할을 하며, 60~80 °C, 30~40 atm 조건에서 중합이 진행된다. 루프 반응기가 주로 사용된다. 액체 프로펜에 대한 중합체의 용해도가 제한적이기 때문에, 공중합체는 최대 5%의 에텐으로 제한된다.
• 슬러리 중합: C4~C6 알칸( 부탄, 펜탄, 헥산 등)이 불활성 희석제로 사용되어 중합체 입자를 현탁시킨다. 프로펜은 기체 형태로 혼합물에 주입된다.

대부분의 플랜트는 위 공정 중 하나를 사용하여 폴리프로필렌을 생산하며, 촉매 잔류물 제거가 필요 없는 무탈회 공정이다.

7. 가공

섬유 촉매하에서 중합하여 만든 입체 규칙성 구조를 가지는 폴리프로필렌을 방사한 것은 가볍고 마찰에 강하며 굴곡 강도도 크다. 내산·내알칼리성도 있는데 염색성에 난점이 있다.

폴리프로필렌 필름을 기계 방향과 기계 방향에 수직인 방향으로 모두 늘릴 때 이를 이축 배향 폴리프로필렌(BOPP)이라고 한다. BOPP 필름을 생산하는 데는 크게 두 가지 방법, 즉 양방향 텐터 공정 또는 이중 버블 취출 필름 압출 공정이 널리 사용된다.^[39] 이축 배향은 강도와 투명도를 높인다.^[40] BOPP는 스낵 식품, 신선 농산물, 과자류와 같은 제품의 포장재로 널리 사용된다. 포장재로서 필요한 외관과 특성을 부여하기 위해 코팅, 인쇄 및 라미네이션이 용이하다. 이 공정은 일반적으로 변환(Converting)이라고 한다. BOPP는 일반적으로 큰 롤 형태로 생산되며, 포장 기계에서 사용하기 위해 슬리팅 기계에서 더 작은 롤로 슬리팅된다. OPP와 더불어 스티커와 라벨에도 사용된다.^[41]

BOPP는 비반응성이므로 제약 및 식품 산업에서 안전하게 사용하기에 적합하며, 가장 중요한 상업용 폴리올레핀 필름 중 하나이다. BOPP 필름은 다양한 두께와 너비로 제공되며, 투명하고 유연하다.

옥외에서 사용하는 경우, 태양광에 포함된 자외선(UV) 조사에 의한 분자 사슬 절단으로 인한 열화는 불가피하다. 이러한 용도에는 UV 흡수제(벤조페논이나 벤조트리아졸 등)가 반드시 첨가된다. 카본블랙과 같은 흑색 안료도 UV 흡수제로 작용한다(자동차용 범퍼 기재 등에서는 이미 널리 사용되고 있다). 그러나 어느 것도 자외선에 의한 열화를 완전히 방지할 수 있는 것은 아니며, 폴리프로필렌은 자외선을 계속 쬐면 다른 수지 플라스틱과 마찬가지로 결국 열화된다.

7. 1. 용융 가공

7. 2. 기타 가공

8. 응용 분야

폴리프로필렌은 다양한 분야에서 활용되는 플라스틱 소재이다. 주요 용도는 다음과 같다.

• 포장재: 이축 배향 폴리프로필렌(BOPP) 필름은 강도와 투명성이 뛰어나 스낵 식품, 농산물, 과자류 등의 포장재로 널리 사용된다. 코팅, 인쇄, 라미네이션이 용이하여 다양한 디자인을 적용할 수 있다.^[39][40][41]
• 생활용품: 플립탑 병뚜껑과 같은 플라스틱 리빙 힌지는 폴리프로필렌으로 만들어진다. 내열성이 뛰어나 주전자, 식품 용기 등에 사용되며, 식기세척기에서도 안전하다.

• 배관 시스템: 부식 및 화학적 용출에 강하고, 충격과 동결에 강하여 배관 시스템 제조에 사용된다. 특히 식수, 온수 난방, 재이용수 배관에 적합하다.^{[42][43][44][45]}
• 의료 및 실험실 용품: 오토클레이브의 고온을 견딜 수 있어 의료 및 실험실 용품에 사용된다.^[46]
• 섬유: 가정용 카펫, 러그, 매트 등에 사용되며, 물에 뜨는 가벼운 로프 제조에도 사용된다.^[47][48]
• 기타: 저연무 무할로겐 케이블의 절연체, 지붕 막, 플라스틱 성형, 문구류 폴더, 보관 상자, 루빅스 큐브 스티커, 콘크리트 첨가제^[49][50], 부직포, 의류, 프롤렌(Prolene) 등에 사용된다.

• 말레산 무수물 변성 폴리프로필렌
• 염소화 폴리프로필렌
• 엘라스토머 변성
• 필러(충전재) 첨가
• TPV (열가소성 가황물)
• 골판지 파이프
• 전선 케이블 피복
• 광섬유 피복
• 발포 비드
• 폴리프로필렌 폼
• 폴리머 지폐 (호주 달러 지폐, 이스라엘 NIS 지폐)

8. 1. 주요 용도

소재 형태로는 흡수성이 없을 뿐만 아니라 염색성도 나쁘고, 빛에도 다소 불안정하기 때문에 의류 섬유로 사용되는 경우는 적었다. 하지만, 위킹(Wicking) 성능이 뛰어나므로 땀 등을 빠르게 증발시키는 속건성 소재로 사용되기 시작했다. 예를 들어, 다음과 같은 용도로 사용된다.

9. 재활용

대부분의 폴리프로필렌 재활용은 기계적 재활용을 사용한다. 이는 재료를 가열하여 부드럽게 하거나 녹인 다음 기계적으로 새로운 제품으로 성형하는 방식이다.^[56] 2015년 기준으로 생성된 폴리프로필렌의 1% 미만이 재활용되었다.^[57] 폴리에틸렌보다 탄소 골격이 더 심하게 열화되어 더 작은 유기 분자로 분해되는데, 이는 PP의 메틸 측쇄가 열산화 및 광산화 분해에 취약하기 때문이다.^[57]

폴리프로필렌은 수지 식별 코드로 "5"를 사용한다.^[58]

10. 안전 및 규제

폴리프로필렌은 100°C 이상의 온도에 노출되면 사슬 분해가 일어나기 쉽다. 산화는 일반적으로 3차 탄소 중심에서 발생하여 산소와의 반응을 통해 사슬이 끊어진다. 외부 환경에서의 분해는 균열과 크레이징으로 나타난다. 자외선 흡수 첨가제와 산화 방지제(예: 포스파이트(예: 트리스(2,4-디-tert-부틸페닐)포스파이트) 및 힌더드 페놀) 등 다양한 폴리머 안정제를 사용하여 보호할 수 있으며, 이러한 물질은 폴리머 분해를 방지한다.^[1]

전분과 혼합된 토양 샘플에서 분리된 미생물 군집은 폴리프로필렌을 분해할 수 있는 것으로 나타났다.^[30] 폴리프로필렌은 인체 내 이식형 메쉬 장치로 사용될 때 분해되는 것으로 보고되었다. 분해된 물질은 메쉬 섬유 표면에 나무껍질과 같은 층을 형성한다.^[31]

폴리프로필렌의 가장 일반적인 의료 용도는 에티콘(Ethicon Inc.)사에서 제조하는 합성, 비흡수성 봉합사인 프롤렌(Prolene)이다. 폴리프로필렌은 탈장 및 골반 장기 탈출 수술에서 동일한 위치에 새로운 탈장이 발생하는 것을 방지하기 위해 사용되었으나, 수일에서 수년에 이르는 불확실한 기간에 걸쳐 주변 조직을 침식시키는 경우가 보고되었다.

주목할 만한 용도 중 하나는 질 탈출 및 동반 요실금 치료에 사용되는 질 내 메시였다.^[54] 위에서 언급한 폴리프로필렌 메시의 주변 조직 침식 경향으로 인해, FDA는 골반 장기 탈출에 대한 특정 용도의 폴리프로필렌 메시 의료 키트 사용에 대해 여러 차례 경고를 발표했으며, 2012년 1월 3일에는 이러한 메시 제품의 제조업체 35곳에 이러한 의료기기의 부작용을 연구하도록 명령했다.^[55]

2020년 코로나19 범유행 발생으로 인해, 폴리프로필렌(PP) 수요가 크게 증가했다. 폴리프로필렌은 멜트블로운 직물 생산에 필수적인 원료이며, 이는 다시 마스크 생산의 원료가 되기 때문이다.

환경워킹그룹(Environmental Working Group)은 PP를 저위험 물질로 분류한다.^[60] PP는 도프 염색되며, 면과 달리 염색 과정에 물을 사용하지 않는다.^[61] 한 연구에 따르면 폴리프로필렌은 15명의 사망자 중 8명의 후각망울에서 가장 흔하게 발견된 미세 플라스틱 섬유였다.^[62]

폴리프로필렌은 다른 모든 유기 화합물과 마찬가지로 불에 잘 타는 성질을 가지고 있다.^[63] 일반적인 조성에서 불이 붙기 시작하는 온도인 인화점은 260°C이며, 스스로 불이 붙는 온도인 자연발화온도는 388°C이다.^[64]

일본에서는 불에 잘 타지 않도록 처리되지 않은 대부분의 폴리프로필렌 수지가 소방법에 따라 지정가연물(합성수지류)로 분류된다.^[83] (지정수량: 3000kg) 따라서 이러한 폴리프로필렌 수지를 보관하거나 다룰 때는 각 지방자치단체의 조례에서 정하는 기준을 따라야 한다.

미국의 UL(Underwriters Laboratories)^[84]은 세계에서 가장 큰 규모의 독립적인 안전 및 시험 연구 기관으로, 제품의 안전 시험과 인증 서비스를 제공한다. 폴리프로필렌의 경우 이 기관의 난연성 관련 수지 표준이 참고된다.

10. 1. 대한민국 규제

10. 2. 국제 규제

10. 3. 건강 문제

10. 4. 가연성

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