열경화성 플라스틱 아시나요? [우리가 몰랐던 과학 이야기] (69)

 

출처=www.curbed.com

플라스틱은 생활 필수품에서부터 가전제품, 스마트 기기, 자동차 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있지요. 이렇게 활용 분야가 넓은 건 성형과 주조를 통해 원하는 모양과 컬러로 쉽게 변형할 수 있는 특징 때문입니다.

그런데 이 플라스틱이 단단해야 할 자동차 차체와 엔진룸까지 점령하기 시작했습니다. 튼튼하면서도 열과 진동에 강해야 할 자동차 소재로 쓸 수 있는 건 바로 열경화성 플라스틱 덕분입니다. 아울러 자동차 무게를 줄여주어 연비를 향상시키는 데 기여하고 있는 열경화성 플라스틱은 과연 어떤 소재일까요?

◆열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱

 
플라스틱은 본래 한번 성형한 제품이라도 열을 다시 가하면 재성형을 할 수 있는 소재입니다. 일상 생활에서 우리가 자주 이용하는 페트병이나 플라스틱 장난감, 세제 용기 등은 바로 열을 가하면 다시 녹는 성질이 있는 열가소성(thermoplastic)입니다. PVC와 PE, PP, PS, PET 등이 바로 열가소성 플라스틱에 해당합니다.

출처=wonderopolis.org

한번 성형하면 다시 가열해도 모양이 변하지 않는 플라스틱도 있습니다. 바로 열경화성 플라스틱(thermosetting resin)인데요, 한번 굳으면 다시 열을 가해도 녹지 않습니다. 접착제 등의 실리콘 수지, 건물 방수 도료 등의 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 등이 해당합니다.

열가소성 플라스틱은 열을 가해 녹이거나 부드럽게 만든 뒤 형틀을 이용해 제품을 만드는 방식이 적용되며, 열경화성은 수지에 경화제를 첨가해 경화가 일어나고 있는 과정 중 형틀을 이용해 제품을 만들어냅니다.

◆단단하고 열에 강하다

▲(a)아크릴, 나일론, PVC 등 열가소성 플라스틱 (b)폴리에틸렌 (c)고무 및 탄성중합체 d)열경화성 플라스틱. 출처=slidesplayer

열경화성 플라스틱은 구성하는 단량체의 결합이 3차원의 입체적인 그물 구조여서 입체 폴리머(중합체) 또는 가교 폴리머라고도 합니다. 일반적인 사슬형 고분자와 달리 기존 사슬 사이에 추가적인 결합이 형성돼 그물망 구조를 갖게 되는데요, 이로 인해 분자의 전체 크기가 커져 분자량이 매우 높아지게 됩니다. 따라서 기존의 고분자보다 훨씬 높은 녹는 점과 탄성을 갖게 됩니다. 열에 강하고 단단하기 때문에 내열 및 내화학 제품에 주로 활용됩니다.

◆강화 열경화성 플라스틱 SMC

출처=todosobrelasfibrassinteticas.blogspot.com

열경화성 수지에 유리나 섬유 등 강화제를 추가해 다양한 강화 플라스틱을 만들 수 있는데요. ‘섬유 강화 플라스틱’(FRP)와 ‘탄소섬유 강화 플라스틱’(CFRP) 등이 바로 ‘강화 열경화성 플라스틱’(SMC)입니다.

SMC는 최근 금속만큼 단단하고 강하지만 무게가 가벼워 자동차 경량화 소재로 각광받고 있는데요. 자동차 부품과 전기 자동차의 배터리 소재로 사용되면서 차체 무게를 획기적으로 줄여주는 친환경 소재로 이용되고 있습니다.

◆열경화성 플라스틱도 재활용한다

IBM에서 개발한 고분자의 합성법 및 분자구조. 출처=www.nerac.com

열경화성 플라스틱은 자동차와 전자제품 등에 쓰여는 등 우리 생활에 꼭 필요한 소재인데요. 한편으로는 재활용이 불가능하다는 단점을 지니고 있었습니다.

하지만 열경화성 플라스틱도 재활용할 수 있는 기술이 나오기 시작했습니다.

2015년 IBM은 재사용할 수 있는 열경화성 플라스틱을 발표해 산업계를 놀라게 했는데요. 아민과 포름알데히드 사이의 탈수반응(Dehydration)을 통해 열경화성 고분자를 만드는 방식이 그 비법입니다. 이 고분자를 HDCN(Hemiaminal Dynamic Covalent Networks)이라 하는데요, 고분자가 HDCN에 열을 가해 추가적인 탈수반응을 일으켜 만든 열경화성 플라스틱은 산성용액에서 쉽게 분해됩니다. 이로써 열경화성 플라스틱이라 해도 산성용액에 넣으면 쉽게 분해해 재활용할 수 있도록 한 것입니다. 이 기술은 세계경제포럼에서 ‘2015 뜨는 10대 기술’로 선정된 바 있습니다.

환경을 생각한 전기 자동차를 만드는 소재인 동시에 재활용까지 고려한 기술을 연구 중인 열경화성 플라스틱. 우리 생활을 더욱 편리하게 하면서도 환경을 생각하는 ‘지속가능한 플라스틱’을 위해 학계와 산업계가 힘을 합해 연구를 계속하고 있는데요. 한화케미칼도 지속가능한 미래를 위한 화학기술을 개발하는데 더욱 노력하도록 하겠습니다.

한화케미칼 블로거

*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.