플라스틱의 역사와 종류 3

우리의 일상생활에서 필요한 생활용품은 물론 자동차, 가전, 의료용품, 옷, 신발 등 생활 속 거의 모든 곳에 다양한 형태로 플라스틱이 사용됩니다. 플라스틱의 역사와 발전되어 온 과정을 이어서 알아보겠습니다.

천연고무 (Natural Rubber)

천연고무(Natural Rubber)는 일부 식물의 수액에서 발견되는 유백색 콜로이드 현탁액인 라텍스에서 파생된 엘라스토머(탄성 탄화수소 중합체)로, RSS(Ribbed Smoked Sheets)라 고도합니다.

이 형태로도 유용하지만,  

1839년 미국의 독학 화학자이자 발명가인 찰스 굿이어(Charles Goodyear, 1800~1860)가 고무와 유황이 작용하여 형성되는 굳은 고무인, 가황를 발견했습니다.

가황은 고무표면의 점착성 때문에 일어나는 불편을 없애 주었고,  탄성과 내구성을 향상하는 천연고무의 한 형태입니다. 

 

인조고무(Synthtic Rubber)

1907년 독일의 화학자 프리츠 호프만 (Fritz Hofmann)이 최초의 합성고무인 폴리아이소프렌(Polyisoprene)을 인공적으로 합성해 내지만 품질이 떨어지고 가격이 비싸다는 이유로 상업적으로 성공하지 못했습니다.

 

1910년 러시아 화학자 세르게이 레베데프(Sergey Lebedev)는 부타디엔(쉽게 기체화되는 무색 기체로 유기 화합물=1,3 Butadiene) 생성을 연구하고, 에탄올과 나트륨으로 중합을 일으켜 폴리부타디엔(Polybutadiene)을 생산하게 됩니다.

부타디엔은 아이소프렌에 비해 천연고무와 더 유사해 합성고무 산업발전에 크게 영향을 끼쳤습니다.

 

폴리에틸렌 (Polyethylene)

독일의 화학자인 한스 폰 푀치만(Hans von Pechmann) 박사는 디아조메탄을 연구하던 중 1898년 시험관의 바닥에 밀랍 물질이 달라붙어 있는 것을 발견하고, 폴리에틸렌(Polyethylene)이라고 이름 하였습니다.

하지만, 당시에는 실용성이 없어 보여 잊혔습니다.

폴리에틸렌 (Polyethylene)의 폴리(Poly-)는 '많은' , '여러 가지', '무거운'의  뜻을 가진 접두사입니다. 

폴리에틸렌은(PE)은 탄소 2개와 수소 4개의 분자로 이루어진 유기화합물인 에틸렌이 수십만 개가 모여 만들어진 탄화수소 사슬의 중합체로 가장 간단한 형태의 고분자라고 할 수 있습니다. 

 

그 후 1930년 영국의 대기업  임페리어 케미컬(Imperial Chemical Industries)에서 레지널드 깁슨(Reginald Gibson )과 에릭 포섹(Eric Fawcett)이 에틸렌과 벤즈알데히드를 합성하던 중 밀랍 같은 백색 물질을 만들었는데, 푀치만 박사가 발견한 것과 같은 물질이 만들어지는 것을 발견했습니다.

하지만 그 실험은 재현하기 어려웠고, 

2년 후에 다른 연구원인 마이클 페린(MIchael Perrin)이  폴리에틸렌(Polyethylene)을 생산하는 방법을 발견하였습니다.

 

플라스틱은 거대 분자로 이루어져 있어서 기본 단위를 구성하는 보통 크기의 분자들을 결합시키기 위해서는 외부 물질의 도움이 필요합니다.

그중 하나가 바로 촉매인데, 플라스틱 합성법의 획기적인 개선은 이 같은 촉매의 개발로 시작되었습니다. 

촉매를 이용하면 고온, 고압이 아닌 상온, 상압에서도 플라스틱을 합성할 수 있으며, 물성도 향상할 수 있습니다. 

1950년대 촉매가 개발되기 시작했는데 그중에서 손꼽히는 연구자는 독일의 화학자 카를 치클러(Karl Ziegler)입니다. 

 

2차 세계대전 후 1945년 막스플랑크연구소(구 카이저빌헬름연구소)에서 독일의 화학자 카를 치클러(Karl Ziegler) 박사에 의해 삼에틸알루미늄과 에틸렌을 가열해 사에틸알루미늄을 만드는 실험 중에, 실험장치에 다른 실험을 할 때 촉매로 쓰였던 니켈이 극소량 남아 있어서 예기치 못한 생성물을 발견했습니다.

이를 계기로 그는 삼에틸알루미늄과 사염화타이타늄을 조합한 촉매를 사용하면 고분자화 반응을 제어하고 원하는 길이의 분자 사슬을 얻을 수 있다는 사실을 알아냈습니다.

 

처음에 만들어진 폴리에틸렌은 곁가지가 많고 고압을 필요로 했던 저밀도폴리에틸렌(LDPE)이었습니다.

하지만, 치글러의 촉매로 합성된 폴리에틸렌은 곁가지가 없는 곧은 사슬로 이루어지며 저압에서도 만들 수 있는 고밀도폴리에틸렌(HDPE)입니다.

저압으로 폴리에틸렌을 만들 수 있는 이 기술은 고분자 화학의 비약적인 발전을 가져왔습니다.

 

폴리에틸렌(Polyethylene:PE)은 제조방법과 성능에서 저밀도폴리에틸렌( Low Density Polyethylene :LDPE):LDPE)과 고밀도폴리에틸렌( High Density Polyethylene :HDPE)으로 나뉩니다. 

저밀도폴리에틸렌(LDPE)은 밀도가 낮아 단단하지 않지만, 신축성이 뛰어나고 가공이 쉽다는 장점이 있습니다. 방수성, 보온성이 좋기 때문에 농업용. 포장용 투명 필름, 종이컵 안쪽의 코팅 재료로 사용되고 있습니다.

고밀도폴리에틸렌(HDPE)은 반투명한 고체의 합성수지로, 합성수지 중 가장 높은 밀도를 가지며, 강도가 우수하고 내한성을 가지고 있지만, 유연성과 가공성이 떨어지는 특징이 있습니다. 

각종 식품용기, 플라스틱 상자, 파이프, 연료탱크, 병뚜껑 등 딱딱한 제품을 만드는데 주로 사용되고 있습니다.

폴리프로필렌 (Polypropylene: PP)

1951년 필립스의 석유 화학자인 폴 호건(J.Paul Hogan)과 로버트 뱅크스(Robert Banks)가 프로필렌의 중합성을 시연했습니다. 

 

1954년 줄리오 나타(Giulio Natta)와 칼 렌(Karl Ren)에 의해 동위 원소에 대한 입체적 중합이 발견되었습니다.

줄리오 나타(Giulio Natta)는 카를 치클러(Karl Ziegler)의 촉매가 공간적으로 균일한 구조를 갖는 거대한 분자를  만들게 한다는 사실을 발견하여 치클러의 연구를 더욱 발전시키게 되었습니다.

보통의 탄화수소 사슬은 지그재그 모양인데 비해 치클러의 촉매를 사용하면 곁가지가 밖을 향하는 나선형을 형성하게 됩니다.

또한, 줄리오 나타(Giulio Natta)는 치클러의 촉매를 변형해서 그때까지 중합이 어려웠던 프로필렌을 삼에틸알루미늄과 삼염화타이타늄계에 의해 쉽게 중합시켰으며, 매우 규칙적인 구조를 가지는 폴리프로필렌(Polypropylene: PP)을 만들었습니다. 이것을 ' 치클러-나타 촉매 '라고 합니다.

이 공로를 인정받아 치클러와 나타는 1963년 노벨 화학상을 공동으로 수상 했습니다.

 

폴리프로필렌(Polypropylene:PP)은 폴리에틸렌(PE), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스타이렌과 함께 4대 범용 수지의 하나입니다.  

폴리프로필렌은 그 조상인 폴리에틸렌과 유사 하지만, 훨씬 더 견고합니다. 

플라스틱 병, 카펫, 포장용 필름, 섬유, 일용잡화, 완구, 의류, 플라스틱 가구, 공업용 부품, 컨테이너에 이르기까지 다양한 곳에 사용됩니다.

 

플라스틱의 역사와 종류 (4)로 이어집니다. 

 

(*한국민족문화백과사전, 위키피디아, 나무위키, 네이버 지식백과  등에서 자료를 조합하여 작성하였습니다.)