3.1 플라스틱
Reporting Date: October. 25, 2024
플라스틱의 역사와 분류에 대해 다루고자 한다.
목차01 기초 유기물질
02 석유화학 산업
03 셀룰로이드 (Celluloid)
04 베이클라이트 (Bakelite)
05 플라스틱의 구분
01 기초 유기물질
유기화합물의 기본 단위로, 일반적으로 탄소(C)와 수소(H)로 구성된다.
이러한 물질들은 단순한 분자 구조를 가지고 있으며, 다양한 화학적 성질을 지니고 있다.
1. 단일 유기물질
(모노머, Monomer)
하나의 유기 분자로, 다른 분자와 결합하여
고분자 구조를 형성할 수 있는 능력을 가진 물질.
예를 들어, 에틸렌(ethylene)이나
프로필렌(propylene) 같은 작은 분자들이 모노머에 해당된다.
2. 다중 유기물질
(폴리머, Polymer)
여러 개의 모노머가 결합하여 형성된 고분자.
예를 들어, 폴리에틸렌(polyethylene)이나
폴리프로필렌(polypropylene) 같은 플라스틱이 이에 해당된다.
플라스틱 (Plastic)
일반적으로 합성고분자로,
다양한 형태와 물리적 특성을 가지고 있다.
그러나 모든 고분자가 플라스틱은 아니며,
자연에서 유래된 고분자(예: 셀룰로오스)도 존재한다.
합성수지 (Synthetic Resin)
인위적으로 합성된 고분자로, 플라스틱의 한 종류로 분류될 수 있다.
다양한 화학 구조를 가질 수 있으며, 응용 분야에 따라 다양한 특성을 발휘한다.
탄소 결합
탄소 원자는 4개의 결합을 형성할 수 있는 능력이 있어,
다양한 화합물을 만들 수 있다.
탄소 원자 간에는 단일결합, 이중결합, 삼중결합이 존재할 수 있으며,
이로 인해 다양한 분자 구조가 생성된다.
1. 단일결합 (Single Bond)
두 원자가 한 쌍의 전자를 공유하는 결합.
수소 분자(H₂), 메테인(CH₄) 등.
가장 약한 결합이지만, 가장 길며, 회전이 자유롭다.
2. 이중결합 (Double Bond)
두 원자가 두 쌍의 전자를 공유하는 결합.
이산화탄소(CO₂), 에틸렌(C₂H₄) 등.
단일결합보다 강하지만, 결합 길이는 더 짧고
회전이 제한된다(결합의 평면 구조 유지).
3. 삼중결합 (Triple Bond)
두 원자가 세 쌍의 전자를 공유하는 결합.
질소 분자(N₂), 아세틸렌(C₂H₂) 등.
가장 강하고, 가장 짧은 결합을 가지며,
회전이 불가능하다(직선형 구조 유지).
02 석유화학 산업
석유와 천연가스를 원료로 하여 다양한 화학 물질과 소재를 생산하는 산업.
이 과정에서 생성되는 다양한 화합물들은 여러 산업에서 원료로 사용된다.
1. 저비용
석유화학 산업에서 생산되는 플라스틱 및 기타 화합물들은
대량 생산이 가능하여, 원가가 상대적으로 저렴한다.
이는 산업 전반에서 비용 효율적인 재료로 인식되게 한다.
2. 내화학성
석유화학 제품은 대개 화학적 안정성이 높아 산, 알칼리 등
다양한 화학 물질에 대한 저항력이 크다.
이로 인해 부식이나 변질이 잘 일어나지 않다.
예를 들어, 화학 저장 탱크와 같은 산업용 장비에서 많이 사용된다.
3. 내충격성
석유화학 제품은 충격에 대한 저항성이 뛰어나며,
이는 자동차 범퍼와 같은 안전 장비에 활용된다.
내충격성을 가지는 플라스틱은 변형이 가능하며,
충격 흡수능력이 뛰어난 특성을 가지고 있다.
4. 절연성
석유화학 소재는 전기 절연성이 우수하여
전선 피복재, 전기 기기 및 전자기기에서 많이 사용된다.
이는 전기 전도성을 방지하고 안전성을 높이는 데 기여한다.
03 셀룰로이드 (Celluloid)
존 웨슬리 하야트(John Wesley Hyatt)라는
미국의 발명가가 1869년에 개발한 최초의 열가소성 합성수지이다.
셀룰로오스는 나무나 잎에서 추출된 천연 물질로,
이를 화학 물질과 결합시켜 셀룰로이드라는 합성 물질을 만든다.
보통 니트로셀룰로스와 플라스틱 가소제(Izers)가 주요 화학 성분으로 사용된다.
이러한 과정을 통해 유연성과 내구성이 뛰어난 플라스틱으로 변형된다.
초기에는 코끼리 상아의 대체물질로 당구공 제작에 사용되었으며,
이후에는 복잡한 공예품 제작에도 활용되었다.
1. 몰딩 (Molding)
이 방식은 셀룰로이드가 열과 압력을 받으며
성형되어 원하는 형태로 만들어지는 공정이다.
가열하면 부드럽게 변형되어 몰딩할 수 있으며,
냉각 후에는 굳어져 일정한 형태를 유지한다.
2. 물리적 특성
셀룰로이드는 80도 이상의 온도에서
변형되는 문제점이 있어 열에 민감한 특성을 가지고 있다.
또한, 담배 불에 의해 쉽게 불이 붙거나 심지어 폭발할 수 있는 위험이 있었다.
셀룰로이드는 발화점이 낮아 170 ~ 190도에서 쉽게 불이 붙는다.
그래서 주로 장식품과 같은
불에 잘 타지 않아도 되는 제품에만 사용되었다.
탁구공의 경우 2014년까지 셀룰로이드가 사용되었으며,
현재 다른 재료로 대체되었다.
3. 영화 산업에서의 사용
1900년대 초, 영화 필름(Kodak)의 소재로 사용되었다.
이는 열을 가해 명암 차이를 조절할 수 있어,
많은 양의 필름을 저렴하게 생산할 수 있었기 때문이다.
오늘날 영화 산업의 발전에 중요한 기여를 한 소재로 알려져 있다.
4. 논쟁
셀룰로이드는 천연 물질을 사용하여 만들어졌지만,
화학 처리를 통해 물리적 성질을 변화시키는 방식으로 제조되기에
'합성 플라스틱'이라고 불리기 어렵다고 주장하는 학자도 있다.
전통적인 합성 플라스틱은 완전히 합성된 물질로,
자연에서 직접 얻을 수 있는 성분이 아니라
인위적으로 화학 반응을 통해 처음부터 끝까지 만들어진다.
이런 점에서 셀룰로이드는 전통적인 합성 플라스틱과는 다른 범주로 간주된다.
04 베이클라이트 (Bakelite)
레오 헨드릭 베이클랜드(Leo Hendrik Baekeland)라는
벨기에 출신의 화학자가 1907년에 개발한 최초의 합성 플라스틱이다.
그의 이름을 따서 이 소재에 "베이클라이트"라는 이름이 붙여졌다.
이 물질을 개발한 공로로 "플라스틱의 아버지"라는 별명을 얻었다.
그는 페놀(Phenol)과 포름알데히드(Formaldehyde)의
중합 반응을 통해 만들어진 합성수지이다.
100% 합성 물질로, 천연 원료가 아닌 인공적으로 합성된 플라스틱이다.
이는 다른 합성 물질들과는 달리, 자연에서 유래하지 않는 점에서 특징적이다.
이 개발은 플라스틱 및 고분자 산업의 기초를 다지는 계기가 되었다.
1. 내열성 및 내구성
내열성이 뛰어나고, 전기 절연성이 좋아
전자제품의 케이스 등 다양한 분야에서 사용된다.
2. 가공성
경화 과정을 통해 단단한 플라스틱으로 변형되며,
가공 후에는 변형되지 않는 특성을 가지고 있다.
이는 복잡한 형태로 성형하기에 적합하다.
3. 환경 저항성
화학물질과의 반응성이 적어, 내구성이 우수하여
다양한 환경에서도 사용될 수 있다.
4. 사용 용도
초기에는 전기 기기, 주방용품, 자동차 부품 등 다양한 산업 분야에서 사용되었으며,
특히 당시 호황이었던 전기 산업에서 전자기기의 절연체로 많이 활용되었다.
LP판(레코드판)의 제작에도 사용되었으며, 이는 음향 품질을 높이는 데 기여했다.
시간이 지나면서 수요가 증가함에 따라 합성 플라스틱의 사용은 더욱 확대되었다.
쉘락은 인도락깍지벌레(Laccifer lacca)의 분비물에서 얻어지는 천연 수지로,
본래 LP판의 제작에 사용되는 소재였다.
그러나 내구성이 낮고 가격이 비쌌기 때문에, 당시 LP판을 즐겨 듣던
레오 베이클랜드는 베이클라이트라는 새로운 소재를 개발한 것이다.
05 플라스틱의 구분
1. 열가소성 수지
(Thermoplastic Resin)
가열 시에 부드러워져 흐물흐물하게 변하며,
냉각하면 다시 단단해지는 성질을 가진 합성 수지이다.
대표적인 예로는 폴리에틸렌(PE),
폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC) 등이 있다.
사슬 형태
긴 사슬 형태의 분자 구조로 되어 있어,
열을 가할 때 분자 간의 결합이 풀리면서 흐물해진다.
재활용 가능성
대부분의 플라스틱 물질이 열가소성 수지로 만들어지며,
이들은 재활용 마크를 가지고 있는 경우가 많다.
화학처리를 통해 기초 물질로 분리(회귀)할 수 있어,
재활용이 용이하다.
범용 플라스틱
다양한 용도로 사용되며, 일상생활에서 자주 볼 수 있는
플라스틱 제품의 대부분이 열가소성 수지로 제작된다.
예를 들어, 포장재, 용기, 가전 제품 부품 등이 있다.
가공 방법
(1) 사출 성형 (Injection Molding)
다양한 형태의 제품을 만들 수 있으며,
이는 산업 생산에서 매우 일반적인 방법이다.
(2) 압출 성형(Extrusion Molding)
연속적인 형태로 성형하는 방식으,
주로 파이프, 필름, 시트, 와이어 코팅 등의 제품 제작에 사용된다.
2. 열경화성 수지
(Thermosetting Resin)
가열 시에 경화되는 성질을 가진 합성 수지로,
한 번 경화되면 다시 가열하더라도 형태를 변경할 수 없는 특성을 가지고 있다.
대표적으로 베이클라이트와 같은 물질이 이에 해당한다.
불가역적 경화
열경화성 수지는 가열 후 화학 반응을 통해
경화가 이루어지며, 이 과정은 불가역적이다.
한 번 경화되면 다시 녹이지 못하고 원래의 형태로 되돌릴 수 없다.
그물 형태
열경화성 수지는 분자가 그물망처럼 연결된 구조를 가지고 있다.
이 구조 덕분에 열과 화학적 스트레스를 잘 견디며, 높은 강도와 내열성을 가진다.
재활용 불가능
일단 경화되면 재활용이 어려워, 폐기 시 환경 문제를 일으킬 수 있다.
가공 방법
(1) 사출 성형 (Injection Molding)
초기 단계에서 보통 액체 상태로 가공된 후,
고온에서 경화 과정을 거쳐 최종 제품을 만들어지는 공정이다.
(2) 압축 성형 (Compression Molding)
주로 복합 재료 제작에 사용되며, 압력을 가해 경화시키는 방식이다.
(3) 전사 성형 (Transfer Molding)
섬유 강화 플라스틱(FRP) 같은 제품을 만들 때 주로 활용되는 성형 방법이다.