왜 플라스틱을 알아야 할까요?
우리 주변을 둘러보면 플라스틱으로 만들어진 물건들이 정말 많습니다. 음료수 병, 식품 용기, 가전제품 케이스, 자동차 부품까지 플라스틱은 현대 생활에서 빠질 수 없는 소재가 되었습니다. 특히 사출성형이라는 제조 방법을 통해 다양한 플라스틱 제품들이 대량으로 생산되고 있습니다.
이번 글에서는 사출성형을 이해하기 위한 첫 번째 단계로, 플라스틱이 정확히 무엇인지, 왜 이렇게 많이 사용되는지, 그리고 플라스틱을 만드는 기본 원리인 고분자와 중합반응에 대해 자세히 알아보겠습니다.
1. 플라스틱의 특성 개요
플라스틱에 대해 본격적으로 알아보기 전에, 먼저 이 장에서 다룰 핵심 내용들을 정리해 보겠습니다. 크게 네 가지 주제를 다루게 됩니다.
첫째, 플라스틱의 사용 이유입니다. 왜 금속이나 유리 대신 플라스틱을 선택하는지 그 이유를 알아봅니다.
둘째, 플라스틱의 정의입니다. 플라스틱이라는 용어가 정확히 무엇을 의미하는지 살펴봅니다.
셋째, 고분자의 정의입니다. 플라스틱의 기본 단위가 되는 고분자가 무엇인지 이해합니다.
넷째, 고분자 제조방법인 중합반응입니다. 작은 분자들이 어떻게 합쳐져서 플라스틱이 되는지 그 과정을 배웁니다.
핵심적으로 기억해야 할 점은, 플라스틱은 경량화 및 경제성의 측면에서 많은 장점이 있고 다양한 중합법에 의해 대량생산이 용이하다는 것입니다.
2. 플라스틱의 사용 이유
2-1. 설계적 이유
플라스틱이 널리 사용되는 첫 번째 이유는 설계 측면에서 여러 장점을 가지고 있기 때문입니다.
내부식성(내화학성) 및 전기 절연 성능 우수
플라스틱은 화학물질에 잘 견디는 성질을 가지고 있습니다. 내부식성이란 부식되지 않는 성질을 말하고, 내화학성이란 화학약품에 의해 변질되지 않는 성질을 의미합니다. 또한 전기가 통하지 않는 절연체로서의 성능도 뛰어납니다. 그래서 전선의 피복이나 화학약품을 담는 용기로 많이 사용됩니다.
비강도 우수
비강도란 재료의 강도를 밀도로 나눈 값입니다. 쉽게 말해서 무게 대비 얼마나 튼튼한가를 나타내는 지표입니다. 플라스틱은 가벼우면서도 상당히 튼튼하기 때문에 비강도가 우수합니다. 이런 특성 덕분에 자동차나 항공기 부품에도 플라스틱이 사용됩니다.
다양한 색상 구현 가능(투명성 포함)
플라스틱은 제조 과정에서 다양한 색상을 입힐 수 있습니다. 금속은 도금이나 도장을 해야 하지만, 플라스틱은 원료 자체에 색을 넣어 성형할 수 있습니다. 또한 투명한 제품도 만들 수 있어서 음료수 병이나 안경 렌즈 등에 활용됩니다.
설계상 매우 용이
플라스틱은 금형만 있으면 복잡한 형상도 한 번에 만들어낼 수 있습니다. 금속 가공처럼 깎고 다듬는 과정이 필요 없어서 설계의 자유도가 높습니다.
2-2. 경제적 이유
플라스틱이 사용되는 두 번째 이유는 경제적인 측면에서 유리하기 때문입니다.
대량생산이 가능하고 저렴한 가격 제시 가능
사출성형 방식을 사용하면 한 번의 공정으로 수많은 제품을 빠르게 생산할 수 있습니다. 금형 제작 비용은 초기에 들지만, 일단 금형이 만들어지면 제품 하나당 생산 비용은 매우 낮아집니다.
고품질, 치수 안정성 부품 생산 가능
치수 안정성이란 제품의 크기가 일정하게 유지되는 성질을 말합니다. 사출성형으로 만든 플라스틱 제품은 치수가 정확하고 품질이 균일합니다. 수천 개, 수만 개를 만들어도 거의 동일한 제품을 얻을 수 있습니다.
후가공 최소화
플라스틱 제품은 금형에서 나오면 거의 완성 상태입니다. 금속 제품처럼 표면을 다듬거나 구멍을 뚫는 등의 추가 가공이 거의 필요 없습니다.
간단한 조립성
플라스틱 부품들은 스냅핏(끼워 맞춤) 구조로 설계할 수 있어서 나사나 접착제 없이도 조립이 가능합니다. 이는 조립 시간과 비용을 크게 줄여줍니다.
3. 플라스틱의 정의
3-1. 기존의 플라스틱 정의
플라스틱이라는 말은 원래 어떤 의미였을까요? 과거에는 플라스틱을 다음과 같이 정의했습니다.
수지(Resin) + 가소제(Plasticizer) = 플라스틱(Plastic)
여기서 수지란 고분자 물질 자체를 말하고, 가소제란 딱딱한 수지를 부드럽고 유연하게 만들어주는 첨가물입니다. 가소제를 영어로 Plasticizer라고 하는데, 여기서 Plastic이라는 이름이 유래했습니다.
기존에는 가소제를 이용한 성형으로 한정되어 플라스틱이라는 용어를 사용했습니다. 대표적인 예가 PVC(폴리비닐클로라이드)입니다. PVC는 원래 매우 딱딱한 물질인데, 가소제를 넣으면 유연한 호스나 전선 피복 등으로 만들 수 있습니다.
3-2. 현재의 플라스틱 정의
하지만 현재는 가소제 사용이 없어도 포괄적으로 플라스틱으로 표현합니다. 예를 들어 PP(폴리프로필렌)는 가소제 없이도 성형이 가능한데, 이것도 플라스틱이라고 부릅니다.
현대적 의미에서 플라스틱은 안료, 충진제, 안정제 및 성형 조제 등의 첨가제와 배합하여 사출성형에서 사용되어 포괄적인 함축성을 가집니다. 안료는 색을 내는 물질이고, 충진제는 강도를 높이거나 비용을 줄이기 위해 넣는 물질입니다. 안정제는 열이나 빛에 의한 분해를 막아주고, 성형 조제는 가공을 쉽게 해주는 물질입니다.
3-3. 오늘날 일반적인 플라스틱의 해석
오늘날 플라스틱의 일반적인 해석은 다음과 같습니다. 실온에서 분자 사슬이 움직일 수 없으며(Frozen, Immobil) 비조직화(Disorganized) 된 구조를 가진 물질입니다.
이 말이 조금 어렵게 느껴질 수 있는데, 쉽게 설명하면 이렇습니다. 상온에서 플라스틱을 구성하는 긴 분자 사슬들이 얼어붙은 것처럼 움직이지 못하고, 이 사슬들이 규칙적으로 정렬되지 않고 뒤엉켜 있는 상태라는 뜻입니다.
결론적으로, 어떤 고분자나 수지도 위와 같은 동일한 구조적 특성을 가지면 플라스틱이라고 할 수 있습니다.
4. 고분자(Polymer, Macromolecule)의 일반적인 정의
4-1. 분자량에 따른 분류
플라스틱을 이해하려면 먼저 고분자가 무엇인지 알아야 합니다. 고분자는 영어로 Polymer 또는 Macromolecule이라고 합니다. Poly는 많다는 뜻이고, mer는 단위를 의미합니다. Macro는 크다는 뜻이고, molecule은 분자입니다. 즉 고분자란 많은 단위들이 연결된, 큰 분자라는 뜻입니다.
분자들은 평균분자량에 따라 세 가지로 분류됩니다.
| 분류 | 영어명 | 평균분자량 |
|---|---|---|
| 단량체 | Monomer | 1~1,000 |
| 올리고머 | Oligomer | 1,000~10,000 |
| 고분자 | Polymer | 10,000 이상 |
여기서 평균분자량의 정의를 알아두면 좋습니다. 평균분자량이란 여러 가지 분자의 혼합물이 단일 분자로 이루어졌다고 볼 때의 분자량입니다. 실제 고분자는 길이가 다양한 분자들의 혼합물이기 때문에 평균값으로 표현합니다.
단량체(Monomer)는 고분자를 만드는 기본 단위가 되는 작은 분자입니다. Mono는 하나라는 뜻입니다.
올리고머(Oligomer)는 단량체가 몇 개 연결된 중간 단계의 분자입니다. Oligo는 적다는 뜻입니다.
고분자(Polymer)는 단량체가 아주 많이 연결된 거대 분자입니다.
4-2. 고분자가 만들어지는 과정
단량체들이 부가중합 또는 단계중합인 축합중합 등으로 제조됩니다. 이 과정을 간단히 설명하면 다음과 같습니다.
단량체들이 먼저 결합하여 올리고머가 됩니다. 이것이 1단계입니다. 그리고 올리고머들이 더 결합하여 고분자가 됩니다. 이것이 2단계입니다.
부가중합의 경우에는 연쇄반응처럼 한 번에 쭉 연결되기도 합니다. 축합의 경우에는 단계별로 반응이 진행됩니다.
5. 고분자 제조방법: 중합반응
5-1. 부가 중합(Addition Polymerization)
부가 중합은 고분자를 만드는 대표적인 방법 중 하나입니다. 이 방법의 특징은 세 가지입니다.
첫째, 분자들이 빠져나오지 않습니다. 반응 과정에서 물이나 다른 작은 분자가 생성되지 않습니다.
둘째, 이중결합이 열리면서 중합반응이 진행됩니다. 단량체에 있던 이중결합(=)이 단일결합(-)으로 바뀌면서 옆의 분자와 연결됩니다.
셋째, 비닐계 플라스틱이 이 방법으로 만들어집니다.
비닐계 플라스틱의 대표적인 예는 다음과 같습니다.
PE(Polyethylene, 폴리에틸렌): 비닐봉지, 용기 등에 사용됩니다.
PP(Polypropylene, 폴리프로필렌): 식품 용기, 자동차 부품 등에 사용됩니다.
PVC(Polyvinylchloride, 폴리비닐클로라이드): 파이프, 창틀, 전선 피복 등에 사용됩니다.
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 플라스틱의 기초 개념에 대해 알아보았습니다.
플라스틱은 설계적으로 내화학성, 전기 절연성, 비강도, 색상 구현 등의 장점이 있고, 경제적으로는 대량생산과 저비용이 가능합니다. 플라스틱의 정의는 과거에는 가소제를 사용한 것으로 한정되었지만, 현재는 실온에서 분자 사슬이 움직이지 못하고 비조직화된 구조를 가진 고분자 전체를 포함합니다. 고분자는 평균분자량 10,000 이상의 거대 분자이며, 단량체가 중합반응을 통해 연결되어 만들어집니다.
다음 편 예고
다음 편에서는 부가 중합의 구체적인 예시와 비닐계 플라스틱의 명명법, 그리고 축합 중합에 대해 자세히 알아보겠습니다. 또한 플라스틱의 형태와 성질에 따른 분류도 다룰 예정입니다.
