폴리올레핀

폴리올레핀()은 R이 알킬기인 일반식 (CH2CHR)n을 갖는 중합체의 일종이다. 이들은 대개 단순한 올레핀(알켄)들의 작은 집합으로부터 유도된다. 상업적인 관점에서 지배적인 것은 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이다. 더 특수한 폴리올레핀으로는 폴리아이소뷰틸렌과 폴리메틸펜텐이 있다. 이들은 모두 무색 또는 흰색의 오일이나 고체이다. 다양한 뷰텐 이성질체의 혼합물에서 유도되는 폴리뷰텐과 같은 많은 공중합체가 알려져 있다. 각 폴리올레핀의 이름은 그것이 제조되는 올레핀을 나타낸다. 예를 들어, 폴리에틸렌은 에틸렌에서 유도되고, 폴리메틸펜텐은 4-메틸-1-펜텐에서 유도된다. 폴리올레핀 자체는 올레핀이 아닌데, 이는 중합체를 형성하기 위해 각 올레핀 단량체의 이중 결합이 열리기 때문이다. 뷰타다이엔 및 아이소프렌과 같이 하나 이상의 이중 결합을 가진 단량체는 이중 결합을 포함하는 중합체(폴리뷰타다이엔 및 폴리아이소프렌)를 생성하며, 일반적으로 폴리올레핀으로 간주되지 않는다. 폴리올레핀은 많은 화학 산업의 기초가 된다.

 산업용 폴리올레핀 
대부분의 폴리올레핀은 단량체를 금속 함유 촉매로 처리하여 만들어진다. 이 반응은 매우 강력한 발열 반응이다.

전통적으로 치글러-나타 촉매가 사용된다. 노벨상 수상자인 카를 치글러와 줄리오 나타의 이름을 딴 이 촉매는 염화 타이타늄을 트라이에틸알루미늄과 같은 유기 알루미늄 화합물로 처리하여 준비한다. 어떤 경우에는 촉매가 불용성이어서 슬러리 형태로 사용되기도 한다. 폴리에틸렌의 경우, 크롬을 함유한 필립스 촉매가 자주 사용된다. 카민스키 촉매는 중합체의 입체규칙성을 수정하기 위해 체계적인 변화가 가능한 또 다른 촉매군이며, 특히 폴리프로필렌에 적용 가능하다.

 열가소성 폴리올레핀
 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE),
 선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE),
 최저밀도 폴리에틸렌 (VLDPE),
 극저밀도 폴리에틸렌 (ULDPE),
 중밀도 폴리에틸렌 (MDPE),
 폴리프로필렌 (PP),
 폴리메틸펜텐 (PMP),
 폴리뷰텐-1 (PB-1);
 에틸렌-옥텐 공중합체,
 스테레오 블록 PP,
 올레핀 블록 공중합체,
 프로필렌–뷰테인 공중합체;
 폴리올레핀 엘라스토머 (POE)
 폴리아이소뷰틸렌 (PIB),
 폴리(α-올레핀),
 에틸렌 프로필렌 고무 (EPR),
 에틸렌 프로필렌 다이엔 단량체 (M-클래스) 고무 (EPDM 고무).

알파-올레핀(α-olefins)의 올리고머화는 알코올을 조촉매로 사용하는 삼불화 붕소 기반의 프리델-크래프츠 올리고머화를 통해 수행될 수 있다.

 성질 
폴리올레핀의 성질은 액체 상태에서 단단한 고체까지 다양하며, 주로 분자량과 결정화도에 의해 결정된다. 폴리올레핀의 결정화도는 0%(액체와 유사)에서 60% 이상(단단한 플라스틱)까지 이른다. 결정화도는 주로 중합 중에 형성된 중합체의 결정화 가능한 서열의 길이에 의해 지배된다.Tashiro, Stein, Hsu, Macromolecules 25 (1992) 1801-1810 예를 들어 에틸렌의 중합 중에 1-헥센 또는 1-옥텐과 같은 공중합체를 소량 첨가하거나,Alizadeh et al., Macromolecules 32 (1999) 6221-6235 아이소택틱 프로펜의 중합 중에 가끔 발생하는 불규칙한 삽입("스테레오" 또는 "레지오" 결함) 등이 있다. 결함 함량이 증가할수록 중합체가 높은 정도로 결정화되는 능력은 감소한다.

낮은 결정화도(0-20%)는 액체와 유사하거나 탄성체적인 성질과 관련이 있다. 중간 정도의 결정화도(20-50%)는 연성 열가소성 수지와 관련이 있으며, 50% 이상의 결정화도는 단단하고 때로는 부서지기 쉬운 플라스틱과 관련이 있다.A. J. Kinloch, R. J. Young, The Fracture Behaviour of Polymers, Chapman & Hall, 1995. pp. 338-369. 

폴리올레핀 표면은 우수한 내화학성을 가지고 일반적인 용매의 영향을 받지 않기 때문에 용제 용접으로 효과적으로 접합되지 않는다. 이들은 본질적으로 매우 낮은 표면 에너지를 가지며 나뭇진으로 잘 젖지 않는다(wet-out). 표면 처리 후 접착제로 결합할 수 있으며, 일부 순간 접착제(시아노아크릴레이트)와 반응성 (메트)아크릴레이트 접착제를 사용할 수 있다."Properties and Applications of Polyolefin Bonding" " Master Bond Inc." Retrieved on June 24, 2013 이들은 화학적으로 매우 비활성이지만 저온 및 고온에서 강도가 저하되는 특성을 보인다. 이 결과로 인해 열 용접이 일반적인 접합 기술로 사용된다.

실용적 또는 상업적으로 중요한 거의 모든 폴리올레핀은 알파-올레핀을 중합하여 만든 중합체인 폴리-알파-올레핀(또는 폴리-α-올레핀 또는 폴리알파올레핀, 때때로 PAO로 약칭됨)이다. 알파-올레핀(또는 α-올레핀)은 탄소-탄소 이중 결합이 α-탄소 원자에서 시작하는, 즉 분자 내 1번과 2번 탄소 사이에 이중 결합이 있는 알켄이다. 1-헥센과 같은 알파-올레핀은 알킬 가지가 있는 중합체(아래 화학 구조 참조)를 만들기 위한 공단량체로 사용될 수 있으나, 윤활 기유로는 1-데센이 가장 일반적으로 사용된다.


많은 폴리-알파-올레핀은 중합체 주쇄의 매 두 번째 탄소마다 유연한 알킬 가지 그룹을 가지고 있다. 수많은 형태를 가질 수 있는 이러한 알킬 그룹은 중합체 분자들이 나란히 질서 있게 배열되는 것을 매우 어렵게 만든다. 이는 분자 사이의 접촉 겉넓이를 낮추고 분자 간의 상호작용을 감소시킨다."Properties of Alkanes ." Retrieved on June 24, 2013 따라서 많은 폴리-알파-올레핀은 쉽게 결정화되거나 고체화되지 않으며 낮은 온도에서도 기름진 점성 액체 상태를 유지할 수 있다. 저분자량 폴리-알파-올레핀은 차량용 합성 엔진 오일과 같은 합성 윤활유로서 유용하며 넓은 온도 범위에서 사용될 수 있다.

소량의 알파-올레핀(1-헥센, 1-옥텐 또는 그 이상)과 공중합된 폴리에틸렌조차도 가지가 없는 단순한 직쇄형 고밀도 폴리에틸렌보다 더 유연하다. 폴리프로필렌 중합체의 메틸 가지 그룹은 전형적인 상업용 폴리프로필렌을 폴리에틸렌보다 더 유연하게 만들 만큼 길지는 않다.

 용도 
 폴리에틸렌:
 고밀도 폴리에틸렌(HDPE): 필름(물품 포장), 블로우 성형(예: 병), 사출 성형(예: 장난감, 나사 캡), 압출 코팅(예: 우유 팩 코팅), 상하수도 및 가스 배관, 전선 및 케이블 절연에 사용된다.
 저밀도 폴리에틸렌(LDPE): 주로(70%) 필름에 사용된다.
 폴리프로필렌: 사출 성형, 섬유 및 필름. 폴리에틸렌에 비해 폴리프로필렌은 더 단단하지만 잘 깨지지 않는다. 밀도는 낮지만 내화학성은 더 높다.
 합성유(현재 가장 많이 사용됨): 산업용 및 자동차용 윤활유.

폴리올레핀은 장난감과 같은 블로우 성형 또는 회전 성형 부품, 전자 기기의 연결부를 기계적 및 전기적으로 보호하는 데 사용되는 열수축 튜브, 잠수복용 래시 가드나 속옷 등에 사용된다.

폴리올레핀 시트나 폼은 다양한 포장 용도에 사용되며, 때로는 식품과 직접 접촉하기도 한다.

폴리올레핀 엘라스토머(POE)는 크록스 신발과 같은 자체 외피형 신발 제작, 시트 쿠션, 팔걸이, 스파 베개 등 성형 유연 폼 기술의 주요 성분으로 사용된다. 수소화된 폴리알파올레핀(PAO)은 레이더 냉각제로 사용된다. 헤드는 폴리올레핀 테니스 라켓 스트링을 제조한다. 폴리올레핀은 제약 및 의료 산업에서 HEPA 필터 인증에도 사용되는데, PAO 연무질을 필터에 통과시킨 후 배출되는 공기를 연무질 검출기로 측정한다.

엘라스토올레핀은 직물에 사용되는 섬유이다. 이케아의 베터 쉘터(Better Shelter)는 폴리올레핀 폼으로 만든 구조 패널을 사용하며, "강하고 내구성이 있다"고 밝히고 있다. 물, 화학 물질 또는 가스를 운송하기 위한 배관 시스템은 일반적으로 폴리프로필렌으로 생산되며, 폴리에틸렌은 훨씬 더 광범위하게 사용된다. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, PE100, PE80) 배관 시스템은 세계에서 가장 일반적으로 사용되는 식수, 폐수 및 천연가스 공급 배관 시스템이 되고 있다.

액체 폴리알파올레핀은 이 문맥에서 흔히 합성 탄화수소로 불리며, 높은 압력과 온도가 문제가 될 수 있는 다양한 유형의 공기 압축기 및 터빈(왕복동식, 원심식, 회전식 스크류 압축기 포함)에서 오일로 사용된다. 이러한 기유는 주로 극한의 온도에도 성능을 유지하는 능력과 광유 기유와 유사하면서도 성능이 향상되었다는 점 때문에 가장 널리 사용되는 합성유 혼합물이다.

자동차 응용 분야에서 폴리프로필렌은 자동차 범퍼, 내부 트림 및 기타 부품에 흔히 사용되며, 플라스틱의 UV 안정성을 개선하기 위해 이산화 타이타늄(TiO₂)을 첨가하여 시간이 지나도 햇빛에 노출되었을 때 부품이 열화되거나 색이 변하지 않도록 한다. 폴리에틸렌 필름은 농업에서 온실, 멀칭, 사일리지 포장용으로 널리 사용된다.

 재활용 
재활용 가능성에도 불구하고 폴리올레핀의 실제 재활용은 기술적 한계보다는 경제적 요인으로 인해 널리 보급된 이후 수십 년 동안 불충분했다. 폴리올레핀 폐기물은 순수 중합체, 나프타, 청정 연료 또는 단량체를 포함한 다양한 제품으로 전환될 수 있지만, 이는 손실이 발생하는 공정이 요구되지 않는 범위 내에서만 가능하다. 2020년대에 개발된 개선된 촉매는 폴리올레핀의 상업적 재활용을 단량체 회수의 순환 경제로 이끌 수 있으며, 이는 기존의 PET 폴리에스터 병 상황과 더 비슷해질 수 있다.

 각주 

 외부 링크 

 MSDS (Material Safety Data Sheet)

분류:플라스틱