■ 가소제의 종류와 특성 – 애경케미칼(주) 김장수 책임연구원

가소제는 폴리염화비닐(PVC)을 비롯한 각종 플라스틱에 널리 사용되는 첨가제이다. 가소제 공업은 석유화학 공업을 비롯한 다른 공업 분야와 밀접한 관계를 갖는 화학 공업의 중요한 부분이다. 각종 플라스틱에 첨가하여 그 용융 온도 또는 용융 점도를 저하시켜 성형가공을 용이하게 해주며, 폴리머의 유연 온도를 저하시켜 최종제품의 사용 온도 범위에서 플라스틱에 유연성을 부여한다. 

또한 필요로 하는 탄성, 접착성 등의 각종 특성을 부여해줄 뿐만 아니라 그 특성을 지속시켜주는 역할을 한다. 폴리머 상호 간의 분자간 힘을 약화시켜 폴리머 분자 사슬의 운동을 용이하게 하여 유연성, 탄성, 내한성 등의 성질을 부여하는 것으로 생각할 수 있다. 

가소제의 제품 종류 및 용도로는 Phthalate계, Adipate계, Trimellitate계로 나눠진다. Phthalate계 제품으로는 DBP(도료, 접착제, 윤활유 등에 이용), DOP와 DINP(PVC 범용, 레자, 시트, 전선 등에 이용), DIDP(내열 전선용, 자동차용 레자, 콤파운드, 페이스트 등에 이용) 등이 있다. Adipate계 제품은 DOA(PVC용 내한성 가소제 등에 이용)와 DINA(식품 포장용 필름, 일반 필름, 레자용 등에 이용)가 있다. Trimellitate계 제품은 TOTM과 TINTM 내열성 가소제 등에 이용된다. 

 

 

■ 산화방지제와 자외선 안정제 - 송원산업 김정두 차장

유기계 고분자 물질은 외부의 물리적 또는 화학적인 영향을 받아 물성 변화를 일으킴으로써 고유의 성질을 상실하게 된다. 화학적으로 고분자 분해(polymer degradation)의 가장 큰 영향은 산화 반응으로부터 비롯된다. 일반적으로 고분자 물질은 산소와의 반응성이 약해 산화 반응에 대하여 매우 안정되지만, 가공 시 열을 받아 산화 반응(Thermooxidation)을 일으키거나, 장기간 외부 노출 시 빛 에너지에 의한 광 산화 반응(Photooxidation)이 개시됨으로써 분해 과정으로 이어지게 된다. 고분자 제조 및 가공(컴파운드, 마스터 배치) 과정에서 열에 의해 산화 반응이 일어나고, 고분자 물질 내에 존재하는 소량의 불순물(제거되지 못한 금속 촉매)이나 기타 첨가제에 의해 그 분해가 촉진될 수 있다. 사용 시 외부 노출에 의한 산화 반응도 필연적으로 발생한다. 이와 같은 산화분해 반응을 최소화시키기 위하여 산화방지제와 자외선 안정제의 첨가는 필수적이다. 산화방지제는 가공 안정성과 장기 내열 안정성을 위해 사용된다. 본 강좌에서는 유기 고분자 물질 산화분해 반응의 화학적인 과정 및 이에 대응하는 위한 산화 방지 메커니즘과 그 방법을 알아보고, 현재까지 상품화되어있는 대표적인 산화방지제들의 적용 및 그 효과를 소개하고자 한다. 

 

■ 전자파 차폐용 첨가제 - 한국자동차연구원 윤여성 수석

전기차, 자율주행차, 커넥티드카의 수요가 증가하면서 차량 내에서 수많은 전자파가 발생하고 있으며, 노이즈를 차단하고 간섭을 최소화할 수 있는 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다. 자동차의 Night vision, Front object CCD 카메라, 타이어 압력 센서, IR 센서, Rear camera 등 많은 부품에서 전자파가 발생될 수 있다. 전장 부품 간 전자파 간섭으로 인한 오작동, 성능 저하, 인체 유해성 및 안전성 문제가 대두됨에 따라 이에 적합한 차폐 소재 개발이 필요하다. 기존 금속 소재를 대체하기 위한 고분자 복합소재를 이용한 차폐 소재 개발이 진행되고 있으며, 열가소성수지를 이용하여 탄소계의 다양한 첨가제들을 적용하여 복합소재의 성능을 제어할 수 있음을 제시했다. 탄소계 첨가제 함량에 따른 차폐의 반사율(RL)과 흡수율(AL)의 기여도에 있어 탄소계 첨가제 함량이 증가할수록 반사율의 기여도가 증가하고 흡수율의 기여도는 감소한다. 첨가제는 흑연, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등 탄소계 첨가제를 사용하였으며, 마이크로와 나노입자의 조합으로 각 필러의 특성에 따라 전자기파 차폐와 흡수 특성으로 복합재료를 제조할 수 있음을 제시하고자 한다. 

 

■ 할로겐 프리 친환경 난연제 – 애경케미칼(주) 박성기 책임연구원

산업혁명 이후, 플라스틱 소재의 발전과 더불어 많은 첨가제의 개발이 요구되었고, 그에 따른 개발도 지속적으로 이루어졌다. 이러한 플라스틱 소재의 가장 큰 단점은 열에 약하고, 쉽게 연소반응이 일어난다는 것이다. 이를 방지하기 위한 방법으로 연소반응을 억제하는 난연제가 개발되고 사용되기 시작한다. 그러나 가장 저렴하고 효과적인 난연제인 Halogen계의 경우, 물질 자체에 의한 생태 독성과 연소 후 발생하는 가스에 의한 인체 유해성이 발견되고, 사용을 규제하는 움직임이 EU를 중심으로 각 국가로 확대되면서, Halogen Free한 친환경 난연제의 요구가 커지고 있으며, 이에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. 난연제는 구조형, 반응형, 첨가형, 표면처리 난연제로 나눠진다. 2020년 기준 난연제의 세계 시장 현황은 EU의 RoHS 규격이나 글로벌 전자기업들의 자발적인 Halogen Free 정책으로 브롬(Br)계의 수요가 감소하고 있다. 단, 물성적인 문제로 아직까지 브롬(Br)계의 수요가 유지 중이며, 선진국 외 국가에서는 자국 내 수요를 유지 중이다. 이에 대한 대안으로 유기 인(P)계 난연제와 무기계(수산화물) 난연제의 수요가 증가하고 있다. 국가별로는 중국의 수요가 가장 많이 증가했으며 일본의 전기·전자 분야의 제조업체 및 물량의 감소로 일본의 수요가 급격히 감소했다. 미국은 수요 규모가 다소 감소했으나 유럽의 수요는 꾸준히 유지 중이다. 

 

■ 복합재료를 위한 무기 충전제 – 롯데케미칼(주) 이기현 팀장

사람들은 더 좋은 물성과 더 경제적인 물질들을 얻기를 원한다. 기존 물질보다 우수한 재료를 만들기 위해 2개 이상의 물질을 혼합해 만든 복합재료를 연구한다. 복합재료는 일반적으로 주성분이 되는 모재(matrix)와 물성 향상을 위해 투입되는 충전제(filler)로 구성된다. 경제적이고 우수한 물성을 얻기 위해 다양한 충전제들이 고려된다. 무기 충전제는 무기물로 구성된 충전제다. 무기 충전제의 종류는 calcium carbonate (CₐCO₃), talc, mica (운모), Wollastonite (규회석), 유리섬유(glass fiber) 등 다양하다. 사용 목적에 따라 적합한 무기 충전제의 선정이 중요하지만, 동일한 종류와 양의 무기 충전제를 사용할 경우에도 무기 충전제의 입자 크기, 형상, top size, aspect ratio, 표면적 등에 따라 성능이 달라질 수 있다. 최근에는 나노미터(10~9m) 크기의 미네랄 파티클들을 고분자에 분산시키는 나노컴퍼지트가 주목받고 있다. 이와 관련해 나노컴퍼지트 정의와 특징에 관해 설명한다. 또한, 무기 충전제를 사용할 때 고려해야 할 사항들을 정리하고, 무기 충전제 사용에 따라 복합재료의 물성이 어떻게 변화하는지에 대해 다룬다. 

 

■ 희토류 원소와 응용 - 한국화학산업전문가협회 도춘호 박사

희토류 원소는 주기율표에서 3족에 속하는 원소들로 스칸듐, 이트륨과 란탄족 15원소들을 포함한 17원소들을 말한다. 희토류 원소는 이름이 나타내는 것과 같이 희귀한 것은 아니고, 니켈, 저마늄, 비소, 브롬, 주석 등과 비슷한 비율로 존재한다. 특정 광물로 존재하기보다는 다른 광물에 섞여서 나오며 방사성 광석에 포함된 경우가 많다. 그래서 정제하기도 쉽지 않다. 또 란탄족 원소들은 성질이 비슷해서 분리 정제가 어렵다. 희토류 원소는 촉매 등에도 사용되며 최근 영구자석 등 전기차, 전자제품 등 첨단 산업 분야에서 응용 분야가 늘어나고 있다. 희토류 원소는 중국에 대한 의존도가 높은 것이 문제다. 한국무역협회 자료에 따르면 희토류 원소의 전 세계 가채광량은 1억2천만 톤이다. 2020년 기준 생산량은 24만 톤으로 이 중 58%에 해당하는 14만 톤이 중국에서 생산된다. 그러나 2024년 최신 뉴스에 따르면 미국 내에서 23억 톤 규모의 희토류 매장 지역이 발견됐다는 소식이 있어 희망적이다. 한편 희토류 원소 생산과정에서 발생하는 환경 오염 문제도 개선해야 할 연구 과제다. 희토류 원소의 응용 분야는 자석, 촉매, 합금, 유리, 연마제, 통신, 방위산업, 세라믹, 배터리, 형광물질, 안료, 재활용 등으로 다양하다. 희토류 원소의 성질과 응용 그리고 대체재에 대한 이해가 우리나라 산업 발전을 위해 필요하다.

 

■ 쌀겨 실리카 친환경 첨가제 - 금호석유화학 중앙연구소 고재영 수석

실리카는 지구에서 가장 풍부한 천연 규소와 산소로 이루어진 소재로 산업 분야에서는 기계적 특성을 강화하는 첨가제로 널리 사용되고 있다. 특히 고무 산업에서 카본 블랙과 함께 중요한 보강성 충전재로 널리 사용되어 왔으며, 환경 문제에 대한 우려가 증가함에 따라 수요가 점차 증가하고 있다. 

실리카는 용도에 따라 표면적, 입자 크기, 분포, 구조 등이 다양하게 나타나며, 특히 고무 보강재로 사용되는 경우 입자 크기가 작을수록 기계적 특성이 뚜렷하게 향상된다. 그러나 실리카는 표면의 친수성 실란롤 기능기로 인해 일반 폴리머 내에서의 분산에 어려움을 겪고 있다. 이는 폴리머와의 상호작용이 약해져 보강성능이 저하되어 물성이 하락할 수 있다. 그러나 커플링제의 도입은 실리카와 폴리머 간의 친화력을 극대화하여 분산성을 개선하고 결합력을 증대시키는 역할을 한다. 본 발표에서는 쌀겨로부터 생산되는 실리카의 친환경성 및 이를 활용한 다양한 응용 분야에 관해 소개한다. 

쌀겨 성분 중 20% 정도를 차지하는 쌀겨 실리카(Rice Hulk Silica)는 기존 원료 대비 이산화탄소 발생을 90%까지 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 최근 수요가 계속 증가하고 있는 전기차는 배터리로 인한 차량 무게 증가로 일반 엔진 자동차에 비해 타이어 마모가 심한 편이다. 천연 실리카 컴파운드는 고무와 실리카의 연비를 20%가량 향상시키고 내마모성도 개선하는 효과가 있어 친환경적 목표를 만족시킨다. 

쌀겨 실리카는 전 세계적으로 900만 톤 이상 제조가 가능하다. 현재 국내에서 생산 가능한 쌀겨 실리카는 연간 3만5천 톤으로 기존 실리카를 대체하기에 부족한 실정이어서 대부분 수입 중국산에 의존하고 있다. 

 

■ 계면활성제와 고분자 - 동림유화 한인선 연구소장

계면활성제는 영어로 surface-active agent, surfactants, amphiphilic molecule 등으로 표기되며, 한 분자 내에 친수성 부분(hydrophilic part)과 소수성 부분(hydrophobic part)이 공존되어 표면(surface) 또는 계면(interface)에 흡착(adsorption)하여 표면 또는 계면의 성질을 극단적으로 변화시키는 화합물로 정의될 수 있다. 계면활성제의 가장 중요한 핵심은 상호 친화성이 없는 소수성 부분과 친수성 부분을 한 분자 내에 동시에 가지고 있어 화학구조 측면에 따라 계면 또는 수용액 내에서의 분자배열 및 회합 상태가 크게 변화되어 결과적으로는 수용액의 물리적 성질을 변화시키게 되고 이로 인해 매우 다양한 산업적 응용 분야를 가지게 되는 것이다. 

계면활성제는 전 산업 분야에 걸쳐 응용 분야가 다양하며 제품의 고품질화, 고기능화, 고부가가치화를 달성하는데 반드시 필요한 정밀화학제품이다. 다양한 고분자 재료에는 그 성능이나 물성을 향상시킬 목적으로 많은 계면활성제가 다양한 형태로 사용되고 있다. 고무나 플라스틱의 유화중합에 유화제로 사용되고 있으며 각종 플라스틱에 첨가되어 성형가공을 용이하게 해주며, 생산성의 향상에도 기여하고 있다. 정전기를 방지하기 위한 대전방지제나 폴리올레핀 필름의 결로방지를 위한 방담제, 색소나 분체 등 분산을 위한 분산제, 발포 폴리우레탄용의 정포제 등 다양한 계면활성제가 여러 가지의 형태로 이용되고 있다. 고분자의 요구 성능에 따른 계면활성제의 종류와 응용에 대해 다루고자 한다. 

추가적으로 탄소 중립을 위한 순환경제의 이행 및 국제적 추세에 따른 투명 페트병의 고품질 재활용(식품 용기)을 위한 처리를 위한 계면활성제의 응용과 바이오 재생 탄소 지수에 대해 살펴보기로 한다. 

 

■ 폴리올레핀 필름용 슬립제와 블록킹 방지제 - 나노컴(주) 공석우 대표

폴리올레핀(Polyolefin)의 물성은 생산 공정과 촉매에 의해 미세 구조가 결정되고 첨가제에 의해 물성이 보완, 기능성이 부여된다. 첨가제에는 1차 산화방지제, 2차 산화방지제, 중화제, 가공 조제, 대전방지제, 광산화 안정제, 슬립제, 블로킹 방지제 등이 있다. 

슬립제는 필름 표면에 슬립성을 부여해서 필름이나 시트가 잘 미끄러지게 하기 위한 첨가제다. 슬립제는 가공 도중이나 직후에 표면으로 배어 나와 막을 형성하고 이것이 윤활 작용을 하여 잘 미끄러지도록 해준다. 슬립제의 물성에 있어서 다음과 같은 특성이 요구된다. 표면으로 이행 시 마찰계수가 낮아져야 함, 인쇄 등 후가공 공정에서 간섭이 없어야 함, 열적으로 안정돼야 함, 블루밍 효과에 의한 필름의 투명성에 미치는 영향이 적어야 함, 독성과 냄새가 없어야 함. 

폴리올레핀 필름은 때때로 표면끼리 달라붙어 작업상 지장을 주는 경우가 있으며 이러한 현상은 높은 마찰계수나 블로킹으로 인한 현상이다. 블로킹은 필름 성형 시 닙롤(Nip-Roll)에서 필름 내면이 서로 달라붙는 현상으로 표면마찰로 인한 슬립성과 구분되어야 한다. 블로킹은 일차적으로 냉각시간을 연장하고, 닙롤의 온도를 수지의 연화점 이하로 유지하면 일반적으로 감소한다. 또한, 무기 광물질의 미세한 입자인 실리카, 규조토, 카올린 및 탈크 등을 블로킹 방지제로 사용하여 필름 표면을 거칠게 하여 인접한 필름층 사이에 얇은 공간을 형성함으로써 접착을 방지한다. 

 

■ 고분자 응집제를 이용한 폐수처리 - 한국케미라화학(주) 이진호 팀장

제지산업은 종이를 생산하기 위한 다량의 물을 사용하는 대표적인 물 사용 산업 중의 하나로, 최종 방류수 수질 관리 기준 강화 등의 이슈로 종이 생산 중 사용한 물의 수처리가 중요한 화두이다. 종이를 생산하는데 다양한 종류의 약품들이 사용되며, 종이 내 보류(retain)되지 않은 약품들에 의한 수처리 부하가 증가 되는 추세에 따라 기존의 수처리 공정 이외에 AOP (Advanced oxidation process), 활성탄 등과 같은 추가 처리 공정이 최근 검토 및 운전되고 있다. 특히 재사용 원료(recycled raw material)를 사용하는 골판지 원지 공장의 경우, 원료의 저급화, 원료 저급화에 따른 종이 생산 시 약품 사용량 증가 등에 의해 골판지 원지 생산 공장의 수처리는 일반 백상지 대비 수처리의 부하가 높은 현실이다. 수처리는 기본적으로 원 폐수 내의 고체와 액체를 분리하여 고체는 농축하여 소각로 원료 등으로 처리하고, 분리된 액체는 액체 내에 포함되어있는 COD/TOC 유발 물질을 생물학적 처리를 통해 분해하여 최종 방류수 수질 기준 이하의 COD/TOC를 관리한다. 수처리 공정은 고체와 액체를 분리하기 위해 1차 처리, 생물학적 처리, 2차 처리 및 3차 또는 산화 처리의 공정이 일반적이며, 효과적인 고체/액체 분리를 위해 화학 약품(응집제, 응결제)이 기계적 처리 공정 내에 (부상, 침전) 투입되어 고체 액체 분리의 효율성을 향상시키게 된다. 제지 수처리의 이해를 위해 제지 생산에 사용되는 주요 약품, 수처리 공정 및 수처리 약품에 관해 소개하고자 한다. 

 

■ 염료와 안료의 기초 - 한국화학연구원 김진수 박사

본 강좌에서는 플라스틱용 색소를 주제로 (1) 플라스틱 착색, (2) 색의 과학, (3) 색의 표현, (4) 염료, 안료와 관련된 기초지식을 설명하고자 한다. 플라스틱 착색 기술은 플라스틱 산업 발전과 더불어 비약적으로 발전해왔다. 플라스틱 제품의 색상은 제품의 시장 경쟁력을 결정하는 요인이므로 색소의 선택과 착색 공정은 매우 중요하다. 플라스틱용 색소는 염료(dyes)와 안료(pigments)로 분류된다. 색소는 착색 전 플라스틱 고유성질(내후성, 내광성, 투명성, 식품안전성 등)에 영향을 준다. 플라스틱을 착색하여 심미성 및 감성을 부여할 수 있다. 또한, 식별 효과, 내용물 보호, 플라스틱의 내후성 향상, 식물 생육 촉진, 전도 및 대전 방지, 열 흡수 및 반사 기능 등의 다양한 기능을 제공함으로써 최종제품의 상품 가치를 향상시키는 매우 중요한 역할을 하는 첨가제(additives)이다. 플라스틱 제품의 색상은 무색(26%), 유채색(27%), 백색(23%), 검정색(24%) 등으로 나타난다. 색상은 제품의 시장 경쟁력을 결정하므로 색소의 선택과 착색 공정 기술이 중요하다. 색상 효과를 내는 재료인 색소 제품의 형태로는 마스터 배치, 펠릿 컬러 수지, 파우더, 색상 제품 등이 있다. 착색제인 염료와 안료는 각각 다음과 같은 특징으로 구분된다. 염료는 고투명의 매우 밝은 색상으로 내열 및 내광성의 변동이 크다. 분산이 용이하지만 폴리올레핀용으로 부적합하다. 투여 속도 및 오염을 방지하기 위하여 복잡한 조작이 필요하고 값이 비싸다. 안료는 투명하지 않고 색이 흐리다. 열 안정성 및 내구성이 좋은 반면 분산이 어렵다. 이행성 없고 사용량에 제한을 받으므로 진한 색을 내기 어렵다. 염료와 안료는 레진에 대한 용해성으로 구분되는데 염료는 용매, 플라스틱 또는 첨가제(윤활제, 안정제, 산화방지제)에 녹는다.

 

■ 스마트 고분자용 바이오매스 조성물 - ㈜미래고분자연구 이대수 대표

스마트 고분자는 자극에 감응하는 특징으로 다양한 응용 분야에서 각광을 받고 있다. 오늘날 과학 기술의 발전은 많은 분야에서 스마트(smart)해지는 것을 추구하는 공통점을 가지고 있다. 스마트해지는 기술들은 외부에서 가해지는 자극에 감응하는 센서 물질들에 기반하는 것으로, 다양한 자극들(stimuli)에 감응하는 것이 이용되고 있다. 다양한 자극에 감응하는 스마트 고분자 물질의 경우 의료 분야, 섬유, 플라스틱, 고무 등으로의 용도 개발이 이루어지고 있으며, 이들 분야의 빠른 기술 개발은 관련 문헌 정보의 급격한 증가 추세에서도 엿볼 수 있다. 이러한 스마트해져 가는 과학 기술이 가능하도록 하는 바탕에는 자극에 반응하는 센서 물질이 이용되고, 종합적인 통제는 인공 지능 시스템 활용 기술이 이용되고 있다. 

스마트 고분자의 중요한 조성 측면의 특성은 물리적·화학적으로 동적인 특성을 가지는 회합 및 공유결합 구조를 가지는 점이다. 본 강의에서는 자극에 반응하는 물질로써 스마트 고분자 소재 가운데 바이오 소재가 적용되어 지속가능성 구현이 가능해지는 것으로, 아이소소바이드(Isosorbide), 바닐린(vanilline), 유제놀(eugenol)을 고찰하고자 한다. 이 물질들은 동적 공유결합(dynamic covalent bond)을 형성할 수 있고, 동적 공유결합의 특성으로 크랙 복원 능력을 보이는 소위 self-healing 가능으로 제품 수명 연장은 물론 물질 재활용을 용이하게 해줌으로써 지속가능성을 높여주는 장점을 보이기 때문이다. 우레탄 결합 및 아조메틴 결합의 동적 공유결합 특성을 이용하는 경우 크랙 회복이 가능하고 얽힌 구조의 고분자 용융체와는 매우 다른 유변학적 성질을 이용할 수 있으며, 재활용이 용이한 스마트 고분자 시스템들의 구현이 가능할 것이다.