차시 1~3/9
플라스틱[plastic]
■ 플라스틱 시작은?
- 상아 당구공 대체품을 찾다가 발명한 플라스틱 !
플라스틱은 언제부터 등장한 것일까요? 그 시작은 산업혁명 시기입니다. 1846년 독일의 화학자인 크리스티안 쇤 바인(Christian Friedrich Schönbein)은 폭발성이 크고 탄성이 높은 질산섬유소 합성에 성공했습니다. 하지 만 단순히 합성에 성공했을 뿐 제품이 될 만한 물성은 부족했습니다. 발전은 당구공에서 다시 이어졌습니다.
그 당시 당구공은 아프리카 코끼리의 상아를 재료로 사용했습니다. 당구하려는 사람은 많아지는데 코끼리의 상아 는 그에 비해 턱없이 부족하자 당구공 제조업자들은 상금을 걸고 대체할 수 있는 당구공 소재를 찾았습니다. 이를 본 존 하이어트(John. W. Hyatt)가 당구공 소재를 찾던 중, 피부질환 치료제에 쓰이는 캠퍼팅크(Camphor Tincture)를 질산섬유소에 넣게 되었습니다. 그 과정에서 질산섬유소가 녹는 모습을 목격했습니다. 이렇게 최초의 플라스틱 셀룰로이드(Celluloid)가 만들어졌습니다. 셀룰로이드(Celluloid)는 열을 가하면 모양을 만들 수 있게 되 었고 열이 식으면 상아처럼 단단해졌습니다. 다만 잘 깨져서 당구공 재료에는 쓸 수 없었습니다. 대신 만년필 자 루, 안경테 등에 사용하게 되었습니다. 이 셀룰로이드(Celluloid)는 최초의 천연수지 플라스틱입니다.
합성수지를 원료로 한 플라스틱은 1907년 베이클랜드(Baekeland)가 발명했습니다. 그는 페놀과 포름알데히드로 베이클라이트(Bakelite)를 만들었습니다. 베이클라이트는 천연원료를 사용하지 않고 만들어진 최초의 합성수지로, 단단하고 절연성이 있으며 부식되지 않았습니다. 또한 여러 가지 첨가물을 넣고 가공하면 다양한 특성의 복합재료 가 만들어졌습니다. 열과 압력으로 성형한 뒤에는 다시 열을 가해도 물러지지 않는 열경화성 수지였고, 값싸고 내 구성도 뛰어났습니다. 전기절연성, 내열성, 기계적 강도 등의 특성이 뛰어나 여러 전자제품에 두루 쓰이게 됩니다.
<용어 이해하기>
- 합성수지: 화학공업에서 만들어지는 고분자화합물 중 합성섬유와 합성 고무를 제외한 것의 총칭 - 수지: 유기화합물 및 그 유도체로 이루어진 비결정성 고체 또는 반고체
■ 플라스틱 정의
우리 생활에서 가장 널리 쓰이는 소재 중 하나는 플라스틱입니다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 페트병, 밀폐 용기, 빨대 등 플라스틱이 없는 일상을 상상하기 어려울 정도입니다. 혹자는 우리가 사는 이 시대를 가리켜 플라스틱 시 대라고 말하기도 합니다. 그만큼 플라스틱은 현대 사회를 구성하는 주된 소재입니다.
플라스틱이라는 용어는 고대 그리스어인 플라스티코스(Plastikos)에서 유래했습니다. 플라스티코(Plastikos)는 성형하기 알맞다는 뜻입니다. 어원처럼 플라스틱은 다른 소재에 비해 모양을 바꾸거나 녹여서 본뜨기에 적합한 소 재입니다.
플라스틱이라고 정의할 수 있는 대상의 범위가 매우 넓습니다. 보통 고분자 소재인 폴리머(Polymer)를 원료로 만 든 소재입니다. 합성수지, 합성섬유, 합성고무 등을 들 수 있지만, 우리가 흔히 말하는 플라스틱은 합성수지를 뜻합 니다.
합성수지는 다시 열가소성수지(Thermoplastic Resin)와 열경화성수지(Thermosetting Resin)로 나눌 수 있습니다.
- 열가소성수지(Thermoplastic Resin)는 열을 가해 형태를 녹여 변형시킬 수 있는 수지
- 열경화성수지(Thermosetting Resin)는 열을 가해 모양을 만든 다음에 다시 가열해도 녹지 않는 수지
<용어 이해하기>
- 모노머(=단위체): 고분자 화합물을 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질 - 폴리머(=중합체): 구조 중에 다수의 반복 단위를 함유하는 고분자 화합물
< 나일론 분자 모형>
■ 플라스틱 특징
1. 강도와 경도
플라스틱은 단단하고, 질기고, 부드럽고, 유연하게 만들 수 있기 때문에 금속 제품으로 만드는 것보다 가공비가 저렴하 며, 우리 생활에 필요한 여러 가지 물품을 만드는 데 이용된다. 종류에 따라서는 금속 이상의 강도를 가지기도 한다.
2. 비중
플라스틱은 금속이나 유리에 비하여 가볍다. 플라스틱의 비중은 일반적으로 0.9 ~ 1.6 정도의 것이 가장 많다.
3. 단열성 - 열을 차단하는 성질이 우수하여 건축물의 단열재 또는 아이스박스에 이용된다.
4. 전기 절연성
플라스틱은 전기를 잘 전달하지 않는다. 대부분의 플라스틱은 전기 절연성이 좋아 전기를 잘 전달하지 않으며, 고 주파 전기에도 우수한 저항성을 나타낸다. 또한, 전도성 물질을 적당히 혼합하여 전도성이 나타나도록 할 수 있으 며, 필요에 따라 전기 절연성도 조절할 수 있으므로 전기 재료에 많이 이용된다.
5. 광학적 성질
빛을 잘 통과시키는 투광성이 우수하여 유리와 똑같은 용도로 이용할 수 있으며, 희망에 따라 투명도가 높은 것, 표면 광택이 좋은 것을 선택할 수 있다. 또한, 착색이 자유로워 아름다운 제품을 만들 수 있다.
6. 화학적 안정성 - 화학 약품에 안정적이어서 각종 화학 물질의 보관 용기 재료로 이용된다.
7. 탄성
플라스틱에는 수십 ~ 수백 % 까지 큰 탄성을 가지고 있는 것이 있어, 고무 공업용 재료로 사용할 수 있다.
8. 충격 흡수성 - 충격을 흡수하는 성질이 있어서 제품 포장의 완충재로 사용되기도 한다.
■ 플라스틱 표시 마크
소비자가 재활용 포장재의 분리배출을 쉽게 하도록 만들어진 플라스틱 표시 마크는 총 7가지로 나뉘는데, 삼각형 안 팎의 번호나 약어로 해당 플라스틱의 소재를 알 수 있다. 국제표준화기구(IOS)의 기준에 따르면 1번은 페트(PTE 또 는 PETE), 2번 고밀도폴리에틸렌(HDP 또는 HDPE), 3번 염화비닐(V 또는 PVC), 4번 저밀도 플라스틱(LDPE), 5 번 폴리프로필렌(PP), 6번 폴리스티렌(PS)이며, 1~6번에 해당하지 않는 소재는 모두 7번 OTHER로 표시된다.
PET(polyethylene terephthalate)
흔히 ‘페트병’이라 부르는 종류로 음료나 생수병, 식용류 등을 보관하는 용도 로 쓰인다. 일상생활에서 가장 많이 접하는 플라스틱 종류. 박테리아 발생에 취약하고, 일회용으로 만들어졌기에 재사용은 피하는 게 좋다.
HDP/HDPE(High-density polyethylene)
고밀도 폴리에틸렌으로 불리며 세제, 샴푸, 아이들 장난감 등에 주로 쓰인다.
가소제가 들어가지 않아 인체에 무해한 소재로 알려져 있고, 전자레인지 사용 도 가능하다. 마실 물을 담을 용기가 필요하다면 이 소재로 된 제품이 적합하 다.
PVC(Polyvinyl chloride)
지퍼백이나 포장용 랩에 많이 쓰인다. 원래 PVC는 파이프와 같은 건축자재 에 쓰일 정도로 단단한 성질을 가지지만, 이를 유연하게 만드는 과정에서 환경 호르몬의 주범인 가소제를 섞으면 문제가 발생한다. 특히 이 가소제 성분은 열 을 가하면 배출 속도가 빨라지니 절대 금물.
LDPE(Low-density polyethylene)
비닐봉지나 비닐장갑, 식품 용기의 마개 등으로 주로 쓰인다. PET나 HDPE 와 달리 재활용이 어려우므로 가급적 사용을 자제하는 게 좋다. 언제부턴가 대 형마트에서 비닐봉지가 사라진 이유.
PP(polypropylene)
폴리프로필렌은 가벼우면서도 단단한 성질을 지녀 자동차 부품에서부터 반찬 용기, 지퍼백, 플라스틱 컵 등에 널리 활용된다. 내열성이 좋아 전자레인지 사 용도 가능하지만, 사용 빈도가 늘면 내구성이 떨어지므로 주기적인 교체가 필 요하다.
PS(polystyrene)
폴리스타이렌은 일회용 숟가락, 포크, 카페의 테이크아웃 컵 등으로 쓰이는 범용 플라스틱이다. 가볍고 저렴하지만 열이 가해지면 부타디엔과 같은 발암물 질이 배출되므로 여기 담긴 음식이나 음료는 바로 옮겨 담고 일회용 수저의 재사용 또한 피해야 한다.
other
삼각형 기호 내 영문으로 ‘other’ 또는 숫자 7로 표시된 플라스틱은 문자 그대로 위에 열거한 이외의 것들을 의미한다. 그 중에는 PC나 트라이탄 등의 소재가 있는데, 전자는 고열에 손상 시 영유아는 물론이고 성인에게도 다양한 질병을 유발하는 환경호르몬(비스페놀 A)을 배출하는 폴리카보네이트, 후자는 반대로 비스페놀 A가 없어 유럽에서는 젖병으로까지 이용하는 신소재다.
■ 생활 속에서 플라스틱 제품을 찾고 그 제품의 특징을 찾아보자. J
생활 속 플라스틱 제품
플라스틱 표시
마크 특징
1
2
3
4
5
silly putty
평소엔 물렁하지만, 던지거나 세게 힘을 주면 단단해지는 액체괴물! 액체괴물의 조상 silly putty !
액체괴물의 본질은 동일하지만 여러 가지 이름이 존재합니다. 과거에는 플러버, 해외에서는 Slime, silly putty 등 여러 이름을 지니고 있는 이 아동용 장난감은 대한민국뿐 아니라 해외에서도 꾸준히 인기 있고 유명한 장난감입니다.
액체 괴물은 액체와 고체의 성질이 동시에 나타나는 점탄성물질입니다. 이름은 다르지만 본질은 같은 Silly putty를 통해, 점탄성물질인 액체괴물에 대해 알아볼까요?
Silly putty는 독특한 물리적 특성을 지닌 실리콘 중합체를 기본으로 한 장난감입니다. 떨어트렸을 때 튕기는 것을 볼 수 있지만, 빠르고 강한 힘이 주어지면, 유체임에도 불구하고 깨지며, 나중에는 액체처럼 흐르는 것을 관찰할 수 있 습니다. 즉, 장기간에 걸쳐 본다면 점성이 있는 액체로 작용하지만, 아주 짧은 순간엔 탄력 있는 고체로 작용합니다.
장난감으로 더 유명한 silly putty는, 사실 2차 세계대전에서 미국이 사용할 잠재적인 고무 대체물에 대한 연구 중 에 만들어졌습니다. 1943년 특허를 얻은 James Wright는 붕산과 실리콘 오일을 반응 시키면 몇 가지 독특한 특 성을 가진 끈적이고 탄력 있는 물질이 생성된다는 것을 발견했지만, 명확한 용도를 찾을 수 없어 Silly putty(멍청한 반죽)이라 불리게 되었습니다. 하지만 지난 반세기 넘게, Silly Putty에 대한 놀랍게도 실용적인 용도를 많이 축적했 습니다.
장난감으로 인기를 끈 것 외에도 silly putty에 대한 다른 다양한 용도가 있습니다. 가정에서는 먼지, 보푸라기, 머 리카락 같은 물질을 제거하는 데 사용할 수 있습니다. Silly putty의 고유한 특성은 의료 및 과학 분야로의 사용으로 이어졌습니다. 이 물질은 다양한 수준의 저항력을 제공하기 때문에 물리 치료시, 손 부상 등의 재활 치료에 사용하고 있습니다. 또한, 접착 특성으로 인해 Apollo 우주 비행사는 무중력 상태에서 공구를 고정하는 데 사용되었습니다.
고체, 액체의 특성을 모두 지닌물질? 점탄성 물질!
점탄성(Viscoelasticity)은 액체의 특성인 점성(viscous)과 고체의 특성인 탄성(elastic)을 겸비하는 성질을 말합니다.
poly(dimethylsiloxane)
점탄성물질인 silly putty의 성질은 질량의 65%를 차지하는 p oly(dimethylsiloxane) (이하 PDMS)가 설명해줄 수 있습니다.
PDMS의 물리적 성질은 점탄성의 성질을 지니고 있어, 긴 시간에 흐름에 있어선 꿀과 같이 점성액의 성질을 지니지만, 짧은 시간에 있어선 탄성고체의 성질을 지닙니다.