가. 플라스틱 첨가물질의 개념
고분자는 크게 플라스틱, 섬유 및 고무로 나뉘는데, 플라스틱 산업계에서는 주요 석유계 화석연료를 기반으로 하여 인공적으로 고분자 합성한 결과를 포괄적 의미의 플라스틱이라 고 규정한다(김규원 외, 2018, pp.3-4). 고분자를 명확히 정의하기 위한 분자량의 기준은 정해져 있지 않으나, 일반적으로 1만 개 이상의 분자량을 갖는 분자를 고분자라고 정의한다 (김규원 외, 2018, p.4).
플라스틱이란 일반적으로 성형이 가능한 고분자를 원료로 만든 다양한 형태의 수지 제품 을 통칭한다. 1869년 최초로 발견된 플라스틱은 이후 연구와 발전을 거쳐 현대 사회에서 경제성과 편리함의 이유로 다양한 산업 분야와 우리의 생활에 없어서는 안 될 존재가 되었 다. 산업적으로 플라스틱 제품을 만들 때는 보통 원료와 함께 첨가물질을 사용해 제조한다.
플라스틱 첨가물질(plastic additives)은 플라스틱의 가공을 용이하게 하고 제품의 성능 을 개량하기 위하여 가공이나 중합 과정에서 첨가제로서 포함되는 부수 물질들을 의미한다 (OECD, 2019, p.15). ECHA에 따르면, 플라스틱 첨가물질은 안정제, 난연제 등의 기능성 첨가제, 안료, 충전제, 보강제 등으로 구별되며8), ‘플라스틱 또는 최종 재료 또는 물품의 처리 중 물리적·화학적 효과를 얻기 위해 플라스틱에 의도적으로 첨가되는 물질’을 의미한 다(ECHA, 2019, p.3).
첨가물질을 사용하는 주요 목적은 주재료의 품질 향상, 안정성 유지 등이며, 사용 목적과 고분자 성질에 따라 그 종류와 함량이 결정되는 것이 일반적이다. 산업계 내부적으로 요구되 는 첨가물질의 기본적 속성은 수지와의 사용성이 좋고 표면 침출로 인한 외관 또는 기능 손상 이 없는 것, 가공 온도를 견딜 수 있고 분해나 휘발이 발생하지 않는 것, 일반 사용 상태에서 효과가 지속적인 것, 변용하여 사용되는 배합제와 반응하여 서로의 효과를 감소시키지 않는 것, 가공 도중 또는 사용 중 변색되지 않고 무독성이어야 하는 것 등으로 정리된다.9)
8) ECHA, “Mapping exercise – Plastic additives initiative”, 검색일: 2020.9.7.
9) R&F Chemical(2019.9.26), “첨가제 개요”, 검색일: 2020.3.4.
12 ∣ 플라스틱 내 유해물질 관리방안 연구
나. 플라스틱 첨가제의 종류
첨가제로 사용되는 플라스틱 첨가물질은 매우 다양하며, 조건과 수요에 맞게 새로운 첨가 제가 개발되고 있다. 첨가물질을 포함하는 대표적인 플라스틱 첨가제로는 가소제 (plasticizer), 안정제(stabilizer), 난연제(flame retardant) 등이 있다(한정우, 노승만, 성 기온, 2015). 최근 위생과 환경문제에 대한 관심이 높아짐에 따라 첨가제가 환경에 미치는 영향에 대한 관심이 높아지고 검토도 되고 있다.
범용 고분자로서 흔히 사용되는 폴리염화비닐[Poly(Vinyl Chloride), PVC]은 내열성, 절연성과 경제성이 우수하여 일상용품에 흔히 사용되는 유용한 플라스틱이지만, 과량 노출 시 중추신경계를 마비시킬 수 있는 독성물질이기도 하다. 특히 PVC 분자의 특성상 플라스 틱 제품 내에 과량의 첨가물질을 포함하고 있으므로 사용 시 주의가 필요하다(원호연, 김일 원, 1995, pp.101-104). 플라스틱 제조 시 첨가한 다양한 첨가물질들은 플라스틱이 미세 플라스틱으로 부서질 때 용출될 가능성이 있으며, 이 경우 인체와 생태계에 유해한 영향을 줄 수 있다.
현재 사용되는 플라스틱 첨가물질의 수와 첨가제의 종류는 다양하며, 분류 기준이나 성형 목적에 따라 그 유형도 여러 가지로 구분된다. 플라스틱산업포털의 내부 자료에 따르면 플 라스틱을 개량하는 목적은 가공성, 내후성 및 내구성 등 14개 정도로 분류할 수 있으며, 그에 따른 첨가제의 종류는 매우 다양하다.10) 이러한 분류 방식은 제시하는 주체에 따라 조금씩 달라질 수 있다.
ECHA(2019, p.3)는 <그림 2-1>과 같이 유럽 내에서 사용되는 플라스틱 첨가제를 가소 제, 윤활제, 정전기 방지제 등으로 구분하였고, ‘Plastic Additives Initiative’ 프로젝트를 통하여 첨가물질을 식별하였다. 그 결과 유럽 내에서 실제로 유통/사용 중인 첨가제는 약 10종으로 정리되었다(ECHA, 2019, p.4).
10) 플라스틱산업포털·플라스틱넷(2014.4.7), “플라스틱에서 첨가제의 영향 및 시장 동향”, 검색일: 2020.9.12.
제2장 플라스틱 첨가물질 인벤토리 구축 ∣ 13
14 ∣ 플라스틱 내 유해물질 관리방안 연구
제2장 플라스틱 첨가물질 인벤토리 구축 ∣ 15 Butyl benzyl phthalate(BBP), Diethylhexyl phthalate(DEHP), Dibutyl phthalate(DBP), Di-isononyl phthalate(DINP), Di-isodecyl phthalate(DIDP), Di-n-octyl phthalate (DNOP) 등이 있다. 여기서 DINP가 1차 가소제에 해당되고, DIDP, DBP 등이 2차 가소제
12) Plasticisers - Information center, “Plasticisers”, 검색일: 2020.8.18.
13) 한국코스틱, “프탈레이트 규제현황 및 자료”, 검색일: 2020.9.5.
14) 원호연, 김일원(1995), pp.101-103; 홍성준(2014), pp.10-11; Graham(1973), pp.1-8.
15) OECD(2019), p.15.
16) 안성호, 김대수(2013), pp.204-210.
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다) 발포제(Blowing agents)
발포제는 플라스틱이나 고무 등과 배합해 기포를 만들어내는 물질을 총칭한다. 수지 또는 고무의 종류와 특성·용도·가공 방법·조건 등에 따라 적합한 발포제를 선택해야 하는데, 크 게 화학적 발포제와 물리적 발포제의 두 종류로 나뉜다. 고분자 가공 시 물리적 발포제는 기화하여 제품에 기공(氣孔)을 만드는 반면, 화학적 발포제는 화학적 분해를 통해 기공(氣孔) 을 형성한다.17)
2) 표면 보호 및 개선에 사용되는 첨가물질
표면 보호 및 개선에 사용되는 첨가제에는 정전기 방지제, 김서림방지제(Anti-fog additives), 마찰방지제, 접착개선제 등이 있다.
가) 정전기 방지제(Antistatic agent)
대전방지제라고도 하며 전기 절연체의 정전기화를 방지한다. 코팅제와 블렌딩제로 분류 되며(OECD, 2O19, p.15), 합성섬유, 제직 공정 또는 착용 중의 마찰에 의해 발생하기 쉬운 정전기와 여러 가지 장해를 개선하기 위해 계면 활성제, 카티온성 고분자 화합물, 고분 자 전해질 등이 사용된다.18)
고분자 물질들의 특징 중 하나인 절연성과 관련하여, 일반적으로 전기 전도도가 낮은 고분자가 정전기가 한 번 대전되면 잘 사라지지 않아 생산 공정상에서 불량률을 높이거나 화재나 감전의 원인이 되기 때문에 정전기 방지제를 사용한다. 주로 계면활성제나 금속 산 화물을 사용하며 저분자계와 고분자계로 나뉜다. 저분자계는 수지에 넣었을 때 표면으로 이동하고 도전층을 형성함으로써 대전 방지 효과를 나타내며, 고분자계는 가공 성형할 때 수지 중에서 분산 고정화되면서 전하를 수지 내부에 이동시킴으로써 정전기 발생을 억제하 는 효과를 나타낸다.19)
17) 네이버지식백과, “발포제”, 검색일: 2020.9.11.
18) 네이버지식백과, “정전기 방지제”, 검색일: 2020.9.11.
19) 홍경호, 정노희(2009), pp.93-101.
제2장 플라스틱 첨가물질 인벤토리 구축 ∣ 17
나) 김서림 방지제(Anti-fog agent)
플라스틱의 소수성 표면이 응결하여 반투명성을 상실할 수 있는데, 이때 안개 등이 끼는 것을 방지하는 역할을 한다(OECD, 2019, p.15). 즉, 플라스틱 표면에 물방울이 흡착되면 김서림이 발생하여 빛의 통과를 방해할 수 있다. 김서림을 방지하고 플라스틱 표면의 친수 성을 변경하기 위해 김서림 방지제를 추가한다. 주로 투명 포장 용도와 농업용 필름에 적용 된다. 주로 투명 포장 용도와 농업용 필름에 적용되는 것으로, 김서림을 방지하고 플라스틱 표면의 친수성을 변경하기 위해 김서림 방지제가 추가된다. 이러한 제제를 첨가하면 물방울 이 균일한 투명한 물 층으로 변환되어 흐림 효과를 줄이고 플라스틱의 투명성을 향상시키는 것으로 알려져 있다.20)
다) 마찰방지제(Antifriction agents)와 접착개선제(Adhesion-improving agents) 마찰방지제는 플라스틱 표면의 마찰 계수를 감소시키며, 접착개선제는 플라스틱 표면의 접착성을 개선하는 역할을 한다.21)
3) 물질 보호 기능을 위한 첨가물질
물질 보호 기능을 위한 첨가제에는 산화방지제와, 포괄적으로는 안정제로 묶이기도 하는 광안정제, 열안정제, 자외선흡수제 등이 있다.
가) 산화방지제(Antioxidants)
황산화제라고도 하며, 산소의 작용으로 고분자물질·석유제품·유지류·비누 등에 생기기 쉬운 자동 산화를 방지하기 위해 첨가된다. 합성고무류에는 일반적으로 페닐-β-나프틸아민 을 사용하며, 천연고무에는 라텍스 중의 아미노산류를 천연의 산화방지제로 사용한다고 알 려져 있다.22)
공기 중의 산소나 다른 외부 환경에 의해 고분자가 산화되면 플라스틱 제품의 품질이나
20) SpecialChem, “Anti-fog additives”, 검색일: 2020.9.11.
21) OECD(2019), p.15.
22) 네이버지식백과, “산화방지제”, 검색일: 2020.9.11.
18 ∣ 플라스틱 내 유해물질 관리방안 연구
물성이 저하될 우려가 있다. 그러므로 산화가 가능한 환경에서 플라스틱 제품의 물성 저하 를 방지하고 산화를 억제하기 위해 사용한다. 산화방지제의 작용 원리는 열이나 기계적 전 단력, 빛 등에 의해서 생기는 자유 라디칼의 발생을 억제하며, 고분자의 열화 진행이 일어나 지 않게 하는 것이다. 크게 페놀계, 아민계, 유황계, 인계로 나뉜다.23)
나) 안정제(Stabilizer)
안정제는 고분자 제품이 다양한 외부 환경에 의해 분해되는 것을 방지하고 제품의 수명주 기를 높여주기 위해 사용하는 첨가제이다. 안정제는 크게 열 안정제와 광 안정제로 나뉜다.
열 안정제(Thermostabilizers)는 제조 또는 공정 과정에서 발생하는 열로부터 플라스틱이 변성되는 것을 막기 위해 사용한다(OECD, 2019, p.15). 광 안정제(light stabilizer)는 안정제 중 플라스틱 제품을 사용하는 동안 빛에 의한 산화를 방지한다(OECD, 2019, p.15).
다) 자외선흡수제(Ultraviolet-absorbing agents)
자외선 안정제라고도 한다. 플라스틱이나 고무 따위의 고분자로 유해한 자외선을 흡수시 켜 열화를 막는 효과가 있는 화합물을 의미한다.24) 또한 자외선에 의한 분자 결합의 파괴와 활성산소의 생성을 방지한다.25)
4) 물리화학적 특성 향상을 위한 첨가물질
물리화학적 특성 향상을 위해 쓰이는 첨가물질로는 난연제(Flame retardants), 충전제
물리화학적 특성 향상을 위해 쓰이는 첨가물질로는 난연제(Flame retardants), 충전제