1. 개요
Polyethylene; PE플라스틱의 일종으로, 일상 생활에서 가장 많이 보이는 플라스틱이다. 폴리에틸렌과 플라스틱은 사실상의 동의어 취급을 받고 있지만 폴리스타이렌 등 플라스틱이라고 불리는 물질이 전부 폴리에틸렌은 아니므로, 폴리에틸렌이 플라스틱의 하위부류라는 것이 정확한 표현이다.
2. 제조법에 의한 분류
2.1. 고압법 폴리에틸렌
정제한 에틸렌 가스에 소량의 산소 또는 과산화물을 첨가, 2,000기압정도로 가압하여 200℃정도로 가열하면 밀도가 0.915~0.925의 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 생긴다. 이 중합법은 이른바 괴상중합이며, ICI법이라고도 불리는, 역사적으로 가장 오랜 에틸렌의 중합법이다. 중합장치에는 중합열을 제거하는 연구가 필요하며 또한 고중합률에 이르면 가교 폴리머를 생성하기 쉽기 때문에 전화율은 20% 정도로 억제할 필요가 있다. 중합압력이 높을수록 고분자량의 폴리머를 얻을 수 있다. 현재는 ICI법에서 파생한 갖가지의 고압중합법이 공업적으로 실시되고 있다.2.2. 중압법 폴리에틸렌
고압법의 발견 이래, 보다 저압으로 에틸렌을 중합하려는 연구가 많이 있어 왔다. Philips법은 촉매로서 SiO2-Al2O3담체에 CrO3를 2~3% 부착시킨 것을 사용, 100~170℃, 수십기압, 펜턴 등의 용매 속에 이루어진다. 얻어지는 폴리에틸렌의 분자량은 10,000~140,000이다. 또한 촉매를 개량하고 현탁중합형의 슬러리법도 개발되고 있다.Standard Oil법은 γ-Al2O3가 갖고 있는 MoO3를 촉매로 하고 용매에는 벤젠을 이용, 200~250℃, 15~150기압으로 중합을 하고 폴리에틸렌의 분자량은 넓은 범위에서 조절이 가능하다. 중압법 폴리에틸렌의 분자에는 고압법의 것에 비해서 주쇄에 분기가 거의 없고, 중압법에서는 연화점이나 강성이 큰 고밀도(0.955~0.965)의 품종(HDPE)을 얻을 수 있다.
2.3. 저압법 폴리에틸렌
지글러가 개발한 획기적인 유기금속 촉매인 TiCl4를 탄화수소 용매로 분쇄하여 90℃ 이하에서 상압의 에틸렌 가스를 통하면, 슬러리상 폴리에틸렌이 생성된다. 중합은 아니온 기구로 진행되며 활성점은 Ti에 있다. 생성한 폴리에틸렌의 분자량은 300,000에 이르고 분기가 적은 직쇄상의 것(linear PE)을 얻을 수 있다. 최근에는 고활성인 Ziegler 촉매도 개발되고 Ti 1밀리몰 당 30~40kg의 에틸렌을 얻을 수 있고 촉매의 제거도 불필요하게 되었다. 저압법으로 얻어지는 폴리에틸렌은 중압법에 의한 것과 성상에 유사하기 때문에 일괄해서 중저압법 폴리에틸렌이라고 부르는 일이 많다.2.4. 기상법 폴리에틸렌
미국의 유니언 카바이드사가 기상법이라고 부르는 새로운 폴리에틸렌의 제조법을 개발하였다. 이것은 가스로 촉매를 분사, 부유시켜 드럼 같은 반응조에 에틸렌을 중합하고 중저압에서 저밀도 폴리에틸렌을 합성하는 방법이며, 지금까지 수천기압을 요한 중압을 겨우 수십기압에서 하고 같은 성상의 폴리머를 얻는다는 획기적인 방법이다. 이 기상법은 용매를 사용하지 않고 기상유동상에서 중합시키는, 가장 간소한 프로세스이며, 종래의 고압법에 비하여 설비비는 1/2, 에너지소비량은 1/4로 저하된다는 것이다.얻어낸 폴리에틸렌은 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(Linear LDPE;L-LDPE)이라고 불리며 종래의 고압법에 의한 저밀도 폴리에틸렌(고압법 LDPE)과 같은 밀도수준을 가지면서 많은 특징이 있는 뛰어난 물성을 나타내는 소재로 주목되고 있다.
3. 밀도에 따른 분류
저밀도(LDPE)와 고밀도(HDPE)가 있으며 저밀도 폴리에틸렌은 우리가 아는 내열성이 불필요한 대부분의 범용 필름(비닐봉지, 비닐하우스 등)의 재료가 되며, 인체에 무해하므로 식품포장용 랩, 비닐봉지 등을 만드는데 널리 쓰인다. 또한 우유팩이나 종이 컵라면 용기의 안쪽 코팅도 폴리에틸렌이다. 가공성이 좋고 연성이므로 일반 전선피복도 이것으로 만들어진다. 고밀도 폴리에틸렌은 보다 단단한 특성을 살려 상수도관같은 파이프나 각종 용기를 만드는데 널리 사용된다. 내충격성, 내후성 등 장점이 많은 반면 내열성이 매우 나쁘다는 단점이 있고, 극성이 없으므로 접착성도 매우 나쁘다. 단, 접착성이 나쁜건 일장일단이 있으므로 단점이라고만 할 수는 없고 하나의 특성이라 보는 것이 맞다. 예를 들어 초고분자량 폴리에틸렌은 접착성이 나쁘다 = 이물질이 달라붙지 않고 오염에 강하다는 점을 살려 인공관절의 활면 재료로 사용된다. 그 분야의 1인자는 테플론이지만 초고분자량 폴리에틸렌은 테플론보다 내마모성이 우수하다는 장점이 있기 때문.재활용 업계에서는 PE를 물렁이라고 칭하기도 한다. 주로 장난감에 많이 쓰인다.
4. 특성과 쓰임새
폴리에틸렌은 산소의 이동을 막는데 매우 뛰어나다. 때문에 식품 포장등에 사용할 경우 산소 노출로 인한 산화(사과의 갈변현상 등)를 억제할 수 있다. 때문에 위에서 언급했듯이 우유팩이나 종이컵등의 내부 코팅재로도 사용되며, 내화학성 또한 좋아 음식 용기에 종종 쓰인다. [1] 이때문에 종이컵에서 폴리에틸렌의 녹는 온도인 105도 이상의 뜨거운 물을 부어두면 초미세플라스틱이 다량 발생할 수 있다. 전자렌지에 종이컵을 넣은 후 돌려도 녹아나올 수 있다.... 물론 자판기 커피 정도의 온도로는 아무 문제가 없다.산소투과도가 낮은 폴리에틸렌이 주성분인 비닐봉투를 머리에 뒤집어 쓰게 되면 산소 공급이 곤란해 사망에 이를 수도 있다는 이야기가 있지만, 비닐봉투에 의해 질식사하는 것은 폴리에틸렌 성분과는 관계 없이 단순하게 비닐봉투가 호흡기를 막아 기계적 기도폐색으로 사망하는 것이다.[2] 설령 산소투과도가 PE보다 매우 높은 PDMS나 HEMA[3]로 비닐봉투를 만든다 해도 이걸 뒤집어쓰면 질식사하는 것은 마찬가지이다.
폴리에틸렌으로도 완충포장재가 만들어지기도 한다. 폼, 쉬트, 백 등이 만들어진다.
의료공학에서는 폴리에틸렌을 원료로 인공 인대 및 힘줄을 만드는 데 사용하기도 한다.
인공빙판의 주재료이기도 하다.
고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 경우 비교적 높은 밀도와 많은 수소 원자 때문에 중성자 감속 및 차폐제로도 사용된다. 다양한 화학물질을 넣어둬도 반응하지 않는 안정성 때문에 제약업에서 약병의 재료로 많이 이용한다. 사실 모든 약병이 HDPE 재질이라 해도 틀리지 않다.[4] 심지어 휘발유, 알코올 등의 유기용매를 넣어둬도 상당 기간[5] 안전하여 제리캔의 재료로도 애용된다.
초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)은 강철의 대용품으로 철사나 각종 케이블을 만들기도 하고, 인공관절, 방탄복 등의 소재로도 사용된다.
프라모델에서는 신축성덕에 관절부에 사용되는 폴리캡의 원료로 사용되는 중이다. 옛날 식완 프라모델들은 폴리에틸렌으로 만들어지는 경우가 많았다고 한다.