연구 개발에 대한 자극제, 새로운 아이디어와 영감(inspiration)이 떠오르는 기회!

 

한국화학산업전문가협회와 전북대학교 BK21 반도체화학공학교육연구단이 공동으로 주최한 제50회 석유화학강좌가 2023년 2월 9일부터 10일까지 양일간 전북대학교 진수당에서 ‘고분자에 사용되는 첨가제’라는 주제로 개최됐다.

 

2019년 11월 12일 “열경화성 고분자와 그 응용” 이란 주제로 제50회 석유화학강좌가 2월 6일부터 7일까지 한밭대학교에서 개최된다는 소식을 받았다. 이후에도 열심 있는 운영진들의 홍보는 지속적으로 이어졌고 관심이 고조되던 한창의 때 신종 코로나19 바이러스(COVID-19)가 급습했다. 급기야 전 세계를 혼란 속으로 빠트린 코로나 바이러스 확산 예방 조치에 의해 50회 석유화학 강좌도 무기한 연기라는 소식을 2020년 2월 3일 전해왔다. 

 

위기는 기회다! 이 또한 지나가리라! 등을 모토로 삼고 일상의 회복을 소망하며 코로나시기를 지나오는 동안 참으로 많은 것들의 변화와 또 새로운 발전을 목격하며 지내왔다. 그렇게 3년여의 시간이 흐르고 점차 바라던 일상으로 자리를 찾아갈 즈음 2022년 11월 9일 50회 석유화학강좌가 고분자에 사용되는 첨가제란 주제로 전북대학교에서 개최한다는 소식을 알려 왔다. 이번 참가가 연구 개발에 대한 자극제가 되고 새로운 아이디어와 영감(inspiration)이 떠오르는 기회가 되기 바란다는 메시지는 코로나를 극복한 현재의 시점에서 이제 새로운 시작이 열렸음을 알리기에 충분했다. 

 

1995년 6월 23일 제1회 석유화학강좌 -폴리올레핀을 중심으로- 개최를 시작으로 1996년  2회부터는 매년 2회에 걸쳐 2019년 제49회 석유화학강좌 -유화중합과 현탁중합의 응용- 개최에 이르기까지 한 번도 막힘없이 진행되어져 왔다는 것이 가히 놀랍다. 성실함과 책임감과 의무를 다한 그 열정과 정신은 후대에 길이 남을 것이며 앞으로도 지속적으로 이어지며 산 • 학계에 지대한 영향력을 끼칠 것이다. 도춘호 교수님을 비롯해 함께 이끌어온 석유화학강좌 운영진과 많은 연사 분들께 지면을 통해 감사의 마음을 전한다. 

 

50회 석유화학 강좌의 열기는 뜨거웠다. 코로나19에서 완전히 자유롭지 않은 상황임에도 불구하고 130여명이 넘는 참가자가 모였다는 것은 상당히 고무적인 현상임에 틀림없다. 특히 젊은 층들의 약진이 두드러졌을 뿐만 아니라 퇴임 후 현역에서는 물러나 있지만 여전히 연구 활동에 이바지하며 다음 세대에 힘을 실어주고 계신 노령의 분들, 그리고 제품의 올바른 솔루션 제공을 위해 관련 이론 지식을 폭넓게 익히고자 참여한 마케팅 홍보분야에 계신 분들의 참여도 눈길을 끌었다. 대한민국의 미래는 든든하다.

 

플라스틱, 섬유, 고무, 그리고 다른 형태인 폼, 페인트, 코팅 재료를 포함하는 고분자의 응용에는 다양한 종류의 첨가제들이 사용되고 있다. 각 분야의 현장실무 경험과 탄탄한 이론으로 풍부한 자료제공과 더불어 강연을 심도 있게 풀어나가는 연사 분들의 강연이 끝난 후 진행되는 질의응답 시간을 통해 추가적으로 얻는 정보도 쏠쏠하다. 톡톡 튀는 질문으로 적당한 긴장감을 줌으로써 집중케 하는 참가자들의 질문과 어떠한 질문에도 막힘없이 답을 찾아주는 연사 분들의 수준 높은 실력은 덤으로 얻어가는 현장 강좌만의 묘미일 것이다.

 

본고에서는 고분자에 사용되는 첨가제! 이번 50회 석유화학강좌 주제에 따라 심혈을 기울여 준비한 연사 분들의 각 강연에 대한 초록을 소개한다. 고분자, 첨가제의 응용과 연구 분야 등 관련되는 분들에게 도움이 되기를 바란다.

 

■ 가소제의 종류와 특성 _ 애경케미칼(주) 정종환 팀장

“각종 플라스틱에 첨가하여 그의 용융 온도 또는 용융 점도를 저하시켜 성형 가공을 용이하게 해주며, 폴리머의 유연 온도를 저하시켜 최종 제품의 사용 온도 범위에서 플라스틱에 유연성을 부여한다.”

 

가소제는 폴리염화비닐(PVC)을 비롯한 각종 플라스틱에 널리 사용되는 첨가제이다. 가소제 공업은 석유화학 공업을 비롯한 다른 공업 분야와 밀접한 관계를 갖는 화학 공업의 중요한 부분이다. 각종 플라스틱에 첨가하여 그의 용융 온도 또는 용융 점도를 저하시켜 성형 가공을 용이하게 해주며, 폴리머의 유연 온도를 저하시켜 최종 제품의 사용 온도 범위에서 플라스틱에 유연성을 부여한다. 

또한 필요로 하는 탄성, 접착성 등의 각종 특성을 부여해줄 뿐만 아니라 그 특성을 지속시켜주는 역할을 한다. 폴리머 상호간의 분자간 힘을 약화시켜 폴리머 분자사슬의 운동을 용이하게 하여 유연성, 탄성, 내한성 등의 성질을 부여하는 것으로 생각할 수 있다. 

 

■ 광유계 프로세스 오일 _ 미창석유공업㈜ 조용래 팀장

“윤활유 기초유가 어떤 가공품의 원료의 하나로 사용되거나 가공 과정을 원활하게 하는 기능을 하는 목적으로 사용되는 경우 이를 “프로세스 오일”이라 칭한다.”

 

광유란 석유, 석탄, 타르, 셀유 등의 광물성 원료에서 얻어지는 기름의 총칭으로서, 좁은 의미로는 석유 원유 제품인 가솔린, 등유, 경유, 중유 등을 지칭하는데, 중유의 일부는 더욱 정제하여 윤활유 용도의 유분으로 사용되고 있다. 

윤활유 산업의 한 분야에서 일반적인 윤활유의 기능이 상대 운동을 하는 표면의 분리, 마찰 마모 감소 등이라고 할 때, 기능성 유체는 윤활 기유로부터 유도된 광유계 오일로서 특히, 윤활유 기초유가 어떤 가공품의 원료의 하나로 사용되거나 가공 과정을 원활하게 하는 기능을 하는 목적으로 사용되는 경우 이를 “프로세스 오일”이라 칭한다. 

본 강좌에서는 프로세스 오일이 산업 특수용도 특히, 고무나 플라스틱과 같은 고분자 물질의 합성이나 합성된 고무나 플라스틱의 칩이나 펠릿 등을 가공하여 성형품을 제조하는 최종 가공 단계의 첨가물로 적용되는 경우 등에 대하여 설명했다. 이에 더하여 요구되는 광유계 오일의 성상이나 성능 및 그것의 기능과 가소제 또는 가공 보조제로서의 기능 등에 대하여 각 사례를 중심으로 한 강의가 펼쳐졌다.

 

■ 복합재료를 위한 무기 충전제 _ 롯데케미칼 이기현 팀장

“복합재료는 일반적으로 주 성분이 되는 모재와 물성향상을 위해 투입되는 충전제로 구성된다. 경제적이고 우수한 물성을 얻기 위해 다양한 충전제들이 고려된다.”

 

더 좋은 물성과 더 경제적인 물질 얻기를 사람들은 원한다. 기존 물질보다 우수한 재료를 만들기 위해 2개 이상의 물질을 혼합해 만든 복합재료를 연구한다. 복합재료는 일반적으로 주 성분이 되는 모재(matrix)와 물성향상을 위해 투입되는 충전제(filler)로 구성된다. 경제적이고 우수한 물성을 얻기 위해 다양한 충전제들이 고려된다. 

무기 충전제는 무기물로 구성된 충전제다. 무기 충전제의 종류는 calcium carbonate (CaCO3), talc, mica(운모), Wollastonite(규회석), 유리섬유(glass fiber) 등 다양하다. 사용목적에 따라 적합한 무기충전제의 선정이 중요하지만, 동일한 종류와 양의 무기충전제를 사용할 경우에도 무기 충전제의 입자 크기, 형상, top size, aspect ratio, 표면적 등에 따라 성능이 달라질 수 있다. 

최근에는 nanometer (10-9 m) 크기의 미네랄 파티클(mineral particle)들을 고분자에 분산시키는 나노컴포지트가 주목 받고 있다. 본 강좌에서는 이와 관련한 나노컴포지트의 정의와 그 특징에 대한 설명, 무기 충전제를 사용할 때 고려해야 할 사항들, 무기 충전제 사용에 따라 복합재료의 물성이 어떻게 변화하는지 등에 대한 내용이 마지막으로 다루어졌다.

 

■ 고분자 충격 개질제 _ 목원대학교 신소재 화학공학과 윤승희 연구교수

“온도가 높아짐에 따라 PP자체 충격강도는 완만하게 증가하며 EPDM과 혼용 시 온도증가에 따른 충격강도의 향상이 커진다.”

 

본 고분자 충격보강제(Polymer impact modifier) 강좌에서는 고분자 충격 보강 이론과 다양한 종류의 고무계 충격 보강제 소개 및 시장 상황에 대한 내용의 설명으로 이해를 도왔다.

 

■ 필름용 슬립제와 블로킹방지제 _ 공석우 나노컴(주) 대표

“블로킹은 필름성형 시 닙롤(Nip-Roll)에서 필름내면이 서로 달라붙은 현상으로 표면마찰로 인한 슬립성과 구분되어야 한다.”

슬립제란 필름이나 시트가 잘 미끄러지도록 하기 위한 첨가제로써 가공도중이나 직후에 표면으로 스며 나와 도포된다. 이 도포막이 마찰계수를 줄이는데 필요한 윤활작용을 하게 되므로 슬립성을 개선해준다. 

블로킹은 일차적으로 냉각시간을 연장하고, 닙롤의 온도를 수지의 연화점 이하로 유지하면 일반적으로 감소한다. 또한 무기광물질의 미세한 입자인 실리카, 규조토, 카올린 및 탈크 등을 블로킹방지제로 사용하여 필름표면을 거칠게 하여 인접한 필름 층 사이에 얇은 공간을 형성함으로써 접착을 방지한다. 

필름은 때때로 표면끼리 달라붙어 작업상 지장을 주는 경우가 있으며 이러한 현상은 높은 마찰계수나 블로킹으로 인한 현상이다. 블로킹은 필름성형 시 닙롤(Nip-Roll)에서 필름내면이 서로 달라붙은 현상으로 표면마찰로 인한 슬립성과 구분되어야 함을 강조했다.

 

■ 내열 및 내후용 실리콘 첨가제 _ 한국다우케미칼 김봉식 부장

“HTR 분말 코팅은 실리콘과 유기 수지를 냉간 혼합하여 만든다. 용융 및 응고 시 실리콘이 표면으로 이동하기 쉬워져 코팅 표면의 표면 에너지가 낮아진다.”

 

실리콘은 다양한 유기 수지에서 내열 또는 내후 물성을 증가시키고자 하는 경우, 단순 혼합 또는 공중합을 통하여 사용을 검토해 볼 수 있는 물질이며 이는 실리콘의 기초적인 화학 구조식에서 시작을 한다. 이 외에 slip, anti-scratch, wetting, levelling, antifoam 등 고분자 수지를 연구 개발함에 있어서 필연적으로 요구되어지는 첨가제로써의 사용도 가능하다. 

기존의 HTR 분말 코팅은 실리콘과 유기 수지를 냉간 혼합하여 만든다. 용융 및 응고 시 실리콘이 표면으로 이동하기 쉬워져 코팅 표면의 표면 에너지가 낮아진다. 실리콘 수지의 함량이 낮은 경우에도 재코팅 문제가 발생할 수 있다.

이 모든 것의 시작점인 Silicone building block 부터 시작하여, 기존 광범위하게 상용화되어 있는 실리콘 레진 및 첨가제 제품의 특성을 이해하여 보다 다양한 유기 고분자 수지의 물성을 개선할 특정한 목적을 가지고 나온 새로운 제품인, 지속가능한 성장에 기여할 수 있는 수용성 실리콘레진과 폴리에스터에 합성할 수 있는 Silicone resin intermediate를 본 강의를 통해 소개했다.

 

■ 고분자 유체의 유변학적 성질 조절제 _ (주)미래고분자연구 이대수 대표

“고분자 재료들을 이용한 플라스틱, 고무, 섬유, 도료, 접착제 등의 제조와 성형 및 가공공정에서의 문제점을 해결하고 생산성을 높이기 위하여 유변학적 성질을 조절하는 것이 요구되고 있다.”

 

고분자 재료를 이용하는 공정에서 유변학적 성질들에 대한 고찰은 불량을 줄이고 생산성을 높이는 데 도움이 된다. 본 강좌에서는 고분자 용액 및 고분자 용융체의 유변학적 성질에 미치는 요인들 가운데 분자 내의 가역적인 결합을 포함한 경우, 가공조제(processing aids), 가소제, 증점제, thixotropic agent, 희석제, 결합제(coupling agent) 등에 대하여 원리와 응용 기술을 다루었다.

구체적으로는 가역적 공유결합을 이용한 점탄성 조절, 가공조제의 첨가를 통한 melt fracture 해소 방안, 가소제 첨가에 따른 점탄성과 유리전이온도 변화, 증점제의 작용 원리와 점도 변화, thixotropic agent의 작용 원리와 응용기술, 결합제의 역할과 점탄성 등에 미치는 영향 등의 설명이 이어졌다. 이러한 내용이 기존의 고분자 재료 가공공정들을 최적화하고 새로운 소재 개발에서 가공성을 고려하는 가이드가 되는데 도움이 될 것이다. 

고분자 재료들을 이용한 플라스틱, 고무, 섬유, 도료, 접착제 등의 제조와 성형 및 가공공정에서의 문제점을 해결하고 생산성을 높이기 위하여 유변학적 성질을 조절하는 것이 요구되며, 이를 위해 온도와 공정속도 등은 물론 재료의 분자량과 첨가제 등의 조성들을 변화시킬 수 있다.

 

■ 플라스틱 경량화용 발포제 _ ㈜동진쎄미켐 김정환 팀장

“에너지 절감 및 원가 절감을 위한 경량화의 시도가 각 분야에서 활발하게 일어남에 따라 발포제의 수요가 증가하고 있다. 친환경적인 발포체의 개발이 필요한 때이다.”

 

발포제란 열에 의해 분해되어 가스를 방출하거나 팽창하여 플라스틱이나 고무 내에 기포를 형성하여 cellular structure를 구현하는 첨가제를 총칭한다. 화학발포제, 물리발포제로 구분할 수 있으며, 세부적으로는 유기, 무기, 가스형, 팽창형 발포제로 구분할 수 있다. 

근래에는 초경량 필러 또한 플라스틱, 고무 경량화에 응용되는 추세이다. 발포체(foams) 제조 공정 및 적용 수지에 따라 적합한 발포제를 사용하여야 하며 이를 위해서는 발포제별 원리, 용도, 발포체 성형방법 등에 대한 기초지식이 필요하다. 21세기에 들어 마이크로 캡슐형 발포제의 수요가 증폭되고 있어 이 부분에 대한 설명과 이해를 돕기 위해 뒷받침하는 기술 자료를 통하여 발포제에 대한 전반적인 강의가 이어졌다.

최근에는 에너지절감 및 원가절감을 위한 경량화의 시도가 각 분야에서 활발하게 일어남에 따라 발포제의 수요가 증가하고 있으며 아울러 친환경적인 발포체의 개발 필요에 발맞추어 발포제도 그러한 요소에 부합하도록 연구가 진행되고 있다.

 

■ 난연제 기술동향 _ 한국생산기술연구원 김주혜 수석연구원

“최근 친인체, 친환경 공정 및 제품 생산에 관심이 많으며 난연제도 친환경적인 방법으로 효과적인 난연 성능을 부여하기 위한 노력이 지속되고 있다.”

 

목재와 같은 자연소재 이외에 가장 빈번하게 화재의 위험에 노출되는 것이 플라스틱이다. 고분자로 이루어지는 섬유나 플라스틱은 열에 약하기 때문에 쉽게 연소되며 이들은 연소할 때 열과 스모크를 발생시키고 유독가스를 방출하기 때문에 화재 그 자체의 피해 이외에도 위험한 요소를 갖추고 있다고 할 수 있다. 한번 발생하면 인명과 건물 그리고 많은 금전적 피해를 주는 화재를 예방하기 위하여 다양한 종류의 난연제가 개발 및 사용되어져왔다. 

지금까지 가장 난연 효과가 좋다고 알려진 할로겐계 난연제는 그 독성 때문에 일부 선진국에서는 그 사용이 제한되어있고 이를 대체할 친환경 소재로서 인계, 인-질소계 등의 난연제가 개발되어오고 있다. 난연제 시장은 매해 5%의 증가세를 보이며 2018년 70억불 시장을 이루고 있을 만큼 수요가 증가하고 있다. 그럼에도 불구하고 아직까지 친환경적이면서도 할로겐계 만큼 난연 효과를 내는 난연제는 찾아보기 힘든 실정이다. 

최근 친인체, 친환경 공정 및 제품 생산에 관심이 많으며 난연제도 친환경적인 방법으로 효과적인 난연 성능을 부여하기 위한 노력이 지속되고 있다. 가장 관심을 받는 친환경 난연제는 인계 난연제와 무기계 난연제의 혼합물 또는 무기계 난연제를 고분자에 혼입한 형태의 난연 시스템이다. 본 강좌에서는 환경 친화적 난연제에 대해서 보다 자세히 다루었다.

 

■ 산화방지제와 자외선 안정제 _ 송원산업 권희정 팀장

“각 단계에서 요구되는 물성의 유지를 위해서는 산화방지제와 자외선 안정제 같은 폴리머 안정제의 처방이 필요하다.”

 

현대 사회에서 일상생활 전반에 사용되는 플라스틱은 제조부터 사용 후 폐기까지의 과정에서 다양한 요인에 의해 분해될 수 있다. 각 단계에서 요구되는 물성의 유지를 위해서는 산화방지제와 자외선 안정제 같은 폴리머 안정제의 처방이 필요하다. 

본 강좌에서는 폴리머 안정제의 종류별 특성과 메커니즘을 비롯하여 가공안정성, 장기내열성, 내광/내후성 등 목적에 따른 폴리머 안정제 조합에 대하여 설명함으로써 산화방지제와 자외선 안정제에 대한 기본적인 이해를 도왔다.

 

■ 플라스틱용 색소: 염료와 안료의 기초 _ 한국화학연구원 김진수 박사

“플라스틱 제품의 색상은 제품의 시장 경쟁력을 결정하는 요인이므로 색소의 선택과 착색 공정은 매우 중요하다.”

 

플라스틱 착색 기술은 플라스틱 산업 발전과 더불어 비약적으로 발전하여 왔다. 플라스틱 제품의 색상은 제품의 시장 경쟁력을 결정하는 요인이므로 색소의 선택과 착색 공정은 매우 중요하다. 플라스틱용 색소는 염료(dyes)와 안료(pigments)로 분류된다. 

색소는 착색 전 플라스틱 고유성질(내후성, 내광성, 투명성, 식품안전성 등)에 영향을 준다. 플라스틱을 착색하여 심미성 및 감성을 부여할 수 있다. 또한 식별 효과, 내용물 보호, 플라스틱의 내후성 향상, 식물 생육 촉진, 전도 및 대전 방지, 열 흡수 및 반사 기능 등의 다양한 기능을 제공함으로써 최종제품의 상품가치를 향상시키는 매우 중요한 역할을 하는 첨가제(additives)이다. 본 강좌에서는 플라스틱용 색소를 주제로 (1) 플라스틱 착색, (2) 색의 과학 3) 색의 표현, (4) 염료와 안료와 관련된 기초지식에 대해 설명했다.

 

■ 염료와 안료의 응용 _ (주)솔루시스 기술연구소 김진원 소장

“제품 디자인을 실제적인 플라스틱에 칼라를 구현하는 것을 조색이라 하는데, 조색과정에서는 메타머리즘의 극복과 염료, 안료의 분석이 중요하다.”

 

기업들은 자사 제품에 독창적인 아이덴티티(IDENTITY)를 가진 컬러를 부여하려는 노력을 계속하고 있다. 제품자체의 기능과 더불어 외형적인 디자인은 고객의 선택을 받을 수 있는 중요한 요소이며 제품 경쟁력에도 영향을 준다. 

제품 디자인을 실제적인 플라스틱에 칼라를 구현하는 것을 조색이라 하는데, 조색과정에서는 메타머리즘의 극복과 염료, 안료의 분석이 중요하다. 몇 가지 분석 사례를 통해 알아보고, 조색에서 적용 소재의 특성을 고려한 염료, 안료의 선정 시 주의해야할 점 등을 소개했다.

최근 고출력 다이오드 레이저 기술의 발전으로 광통신, 분광학, 레이저 재료 가공분야로 확대되는 추세이다. 레이저 마킹은 대상 물체에 레이저광을 조사하여 표면 녹이기, 태우기, 박리, 산화, 절삭, 변색을 통해 제품정보를 인쇄하는 방법이다. 한편 염료, 안료는 칼라로서의 기능 외에 빛의 파장을 제어하는 기능을 가지는데, 이를 활용한 몇 가지 사례들을 소개하고 이해를 돕는 강의를 펼쳐나갔다.

 

올해 하반기에 진행될 제51회 석유화학강좌가 어디에서 어떤 주제, 어떤 내용으로 우리 곁을 찾아와 도움을 줄지 사뭇 기대된다.

 

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