고분자와 첨가제 - 기핵제, 난연제, 슬립제, 개구제, 무적제, 향균제

기핵제 (Nucleating Agent)

보편적으로 결정성 고분자는 용융 상태에서 냉각되면 중합촉매 잔사와 무기계의 불순물을 개시점으로 서서히 결정화하지만 결정화가 조절되지 않으면 성형품의 결정부와 비결정부의 분포 상태가 불균일해져서 얻어지는 성형품은 이러한 상태를 반영한 다양한 물리적 특성을 나타냅니다.

 

고분자인 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트와 같은 고분자에 기핵제를 첨가하면 결정화의 개시점을 현저하게 증가시킬 수 있으며 많은 개시점으로부터 미세한 고분자 결정이 생성됩니다. 이로써 냉각만으로도 미세한 결정이 생성되는 효과를 얻을 수 있습니다.

 

기핵제가 고분자 용융 시 충분한 수의 개시점으로 작용하려면 기핵제의 결정구조 그 자체가 가지는 핵 생성 능력뿐만 아니라 미세한 결정에 대응할 수 있는 균일한 분산이 특히 중요합니다.

 

기핵제를 적용한 예시로는 폴리프로필렌(PP)과 같은 결정성 수지의 기계적 물성이나 광학적 성질이 고분자의 형태학에 크게 의존하므로 형태학의 조절이 물성 개선의 큰 과제 중 하나입니다.

 

기핵제를 첨가하면 폴리프로필렌 구정(Spherulite)의 성장이 조절되어 결과적으로 결정이 매우 미세하게 되며 결정화 온도와 결정화도가 상승하여 성형 사이클 단축 및 성형 효율 향상이 가능합니다. 또한 투명성, 열변형 온도, 강성 등 PP의 광학적 성질과 기계적 물성을 현저하게 개선할 수 있습니다.

 

구체적인 이점으로는 :

(1) 결정화 온도 상승에 의한 과냉각(빠른 결정화 개시)으로 성형 사이클 단축과 성형 효율 향상

(2) 성형물의 투명성 향상

(3) 더 높은 결정화도에 의한 열변형 온도 상승

(4) 강성을 포함한 기계적 물성 향상 등이 있습니다.

PP에 첨가되는 주요 기핵제로는 인산금속염류, 카르본산금속염류, 벤질리덴소비톨(Benzylidene Sorbitol) 등이 있습니다.

난연제 (Flame Retardant)

플라스틱의 연소방지성을 부여하는 가장 유용한 첨가제 중 하나는 삼산화안티몬입니다.

 

효과적으로 연소를 방지하려면 화합물과 같이 사용하여 유효염소를 발생시키는 것이 좋습니다. 널리 사용되는 연소방지제로는 옥시염소화 안티몬이 있으며, 또한 안티몬유도체나 인산에스터형 가소제는 특히 비닐수지의 가연성을 줄이는 데 사용됩니다. 고분자 재료의 가연성을 감소시키는 주된 방법은 다음과 같습니다.

냉각에 의한 휘발성 연료의 제거

탄화 등을 통한 연소 방지로 열 전도력을 저하시켜 연료를 제거 화기 내에서 사슬 반응을 방지하기 위해 많은 양의 라디컬 소멸제 등을 첨가 난연제의 주요 종류로는 유기염화물, 유기브롬화합물, 유기인산, 안티몬산화물, 보론화합물, 알루미나삼수화물(ATH, Alumina Trihydrate) 등이 있습니다.

슬립제 (Slip Agent)

필름이 원활하게 미끄러지도록 돕기 위한 첨가제로, 가공 중이나 가공 직후에 필름 표면으로 스며들어 도포됩니다.

 

이 도포막은 마찰 계수를 감소시켜 필요한 윤활 효과를 발휘하므로 슬립성을 향상시키는 역할을 합니다. 또한 가공 중의 압출 부하를 감소시키는 효과도 있습니다.

 

대표적인 슬립제로는 올레아미드(Oleamide), 에루카미드(Erucamide), 스테아라미드(Stearamide) 등이 있습니다. 이러한 슬립제는 주로 PE, PP 필름에 적용되고 있습니다.

개구제 (Antiblocking Agent)

필름에 무기물을 첨가하여 돌기를 형성하여 서로 달라붙지 않도록 방지하는 기능을 하는 첨가제입니다.

 

필름 블로킹(Film Blocking)은 압출기 다이(Die)와 립 롤(Lip Roll)의 온도를 수지의 연화점 이하로 유지하면 감소하는 경향이 있습니다. 그러나 무기 광물질인 실리카, 규조토, 카올린, 활석(Tale) 등의 미세한 입자를 첨가하여 필름 표면을 거칠게 만들어 인접한 필름층 사이에 얇은 공간을 형성함으로써 접착을 방지할 수 있습니다. 주로 PE, PP 재질의 필름에 사용됩니다.

무적제 (Antifogging Agent)

식품을 포장하거나 온상 피복하는 PE, EVA, PVC 필름의 경우 필름 내면에 물 방울이 맺혀서 음식 보관이나 작물 생육에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 물과의 친화력을 향상시켜 표면장력을 증가시키기 위해 비이온계 계면활성제 중 하나인 Antifogging (AF)제를 첨가합니다.

 

특히 온상 필름에 사용되는 경우가 많은데, AF제는 필름 표면으로 접촉하면서 발생되는 물방울을 퍼져 흐르게 함으로써 소모되는데, 이때 발생하는 문제 중 하나는 AF제의 소모가 불규칙하고 지속 기간이 짧다는 것입니다.

 

AF제의 소모량은 필름재질과의 상호친화성, 온상 주변의 온도, 온상 내부의 수증기 증발량 등과 깊은 관계가 있어서 무적(물방울 제거) 지속성을 일정하게 유지시키는 것이 어렵다는 어려움이 있습니다.

항균제 (Antimicrobial)

생활용품에 항균제를 첨가한 제품이 늘어나고 있는데, 이는 건강과 안전을 고려하기 위한 것입니다. 각종 플라스틱에 항균제 기능이 부여된 제품의 사용이 증가할 것으로 예상됩니다. 항균제는 천연 추출물이나 합성 유기물 등의 유기계와 항균성을 가진 은, 구리, 아연 등의 금속이 무기계 충진제(Filler)에 담겨 사용됩니다. 유기계의 경우 소량 첨가로도 큰 효과를 나타내며, 폴리올레핀 용으로는 내열성이 상대적으로 낮아 문제가 될 수 있습니다. 대표적인 활성원체로는 다양한 유기계 화합물이 사용됩니다.

 

안전성을 갖는 편백 티올(Hinoki Thiol), 대나무 추출물 등과 같은 천연제도 출시되고 있지만 이러한 물질들은 주로 폴리올레핀용으로는 부적합합니다.

 

최근에는 고내열성과 고내후성을 갖고 안전성이 우수한 항균제가 새로운 형태로 개발되어 출시되고 있습니다. 그러나 이러한 새로운 항균제의 구조 등은 아직 공개되지 않았습니다.

 

무기계는 은, 구리, 아연 등의 금속이온을 제올라이트, 실리카, 알루미나 등에 교환 흡착시켜 금속이온이 갖는 항균성을 유지하면서 고정화하여 안정화시킵니다. 그러나 과도한 금속이온은 이온으로 존재하면 변질과 변색을 유발할 수 있습니다. 내후성, 내열성, 착색과 같은 문제가 있어서 안전성을 향상시키는 연구가 진행 중입니다.

살생물제(Biocide)

폴리올레핀이나 비닐 고분자들은 일반적으로 박테리아에 대해 강한 내성을 가지고 있지만, 천연고무, 셀룰로오스, 일부 폴리에스터 등은 미생물의 공격에 취약합니다. 살생물제는 박테리아의 생장을 조절하거나 파괴하는 화합물로, 박테리시드(Bactericide), 박테리스탯(Bacteristat), 밀드시드(Mildecide), 살곰팡이제(Fungicides), 편지스탯(Fungistat), 살균제(Germicide), 살조류 제(Algicide)로 불립니다.

 

살생물제의 응용 중 하나로는 라텍스 페인트나 직물이 있습니다. 이상적인 살생물제는 목표 미생물에게는 유독하나 인체나 동물에는 안전해야 합니다. 음식포장에 사용되는 경우 미국 식품의약국(FDA, Food and Drug Administration)의 승인을 받아야 하며, 미국의 경우 모든 살생물제는 환경보호국(EPA, Environmental Protection Agency)에 등록되어야 합니다.

 

산업용 살생물제로는 라텍스 페인트, 직물, 플라스틱에 사용되는 트리부틸틴옥사이드(Tributyltin Oxide)와 비닐 및 우레탄 배합에 사용되는 10,10-옥시비스페녹시아르신(OBPA, 10,10-Oxybisphenoxy Arsine) 등이 있습니다.