폴리에틸렌 제조 공정에 대하여

폴리에틸렌에 관한 간략한 정의를 설명하겠습니다. 세계적으로 가장 많이 보급되어 사용되는 플라스틱입니다. 화학약품에 대한 안성성이 우수하며 저가이고 물성 또한 우수하기 때문에 일상제품 또는 산업용으로도 많이 쓰입니다.

 

다음은 제조입니다. 폴리에틸렌의 상업적 제조 공정은 제조회사에 따라 차이가 있으나 근본공정은 대동소이합니다. 다음 분자식을 보시면 에틸렌의 중합으로 폴리에틸렌을 제조할 수 있습니다

 

폴리에틸렌 제조 공정

다음은 제조 공정입니다. 제조 공정에는 고압법, 저압법, 중압법으로 3가지가 있습니다.

 

고압법

첫 번째로 고압법입니다. 가스사의 정제된 에틸렌을 1000기압 이상으로 압축 후 반응기에 투입합니다. 여기에 미량의 공기촉매를 사용하게 되면 낮은 밀도를 가진 LDPE가 생성됩니다. 그 이유는 고압상태에서 반응속도가 매우 빨라서 반응기 내에서 대류시간이 짧기 때문입니다. 그래서 반응의 중합율은 10~25%로 낮고 결정화된 부분도 65%밖에 되지 않습니다. 이렇게 생성된 LDPE는 가지가 많은 것이 특징입니다. 또한, 결정화도가 낮기 때문에 가공성, 유연성, 투명성이 우수합니다. 그러므로 EX) 산업용, 농사용 필름.

 

저압법

두 번째로 저압법입니다. 저압법은 상압에서 사염화티타늄과 삼에틸알루미늄 촉매를 넣어 반응하는 방법입니다. 고압법으로 제조되던 폴리에틸렌을 지이글러가 촉매를 개발하면서 비교적 낮은 압력에서도 폴리에틸렌을 제조하게 되었습니다. 이러한 공정을 사용하면 밀도가 높은 HDPE가 생성됩니다. 고압법보다 낮은 압력으로 반응이 진행되기 때문에 반응시간이 길어 중합율은 50%, 결정화된 부분도 86%로 높아졌습니다. HDPE는 가지가 적은 것이 특징입니다. 또한, 결정화도가 높기 때문에 투명성이 낮고 기계적 강도는 우수합니다. 그러므로 EX) 자동차 오일 통, 파이프

 

중압법 

마지막으로 중압법입니다. 중압법은 고압법과 저압법의 중간이라고 생각하시면 됩니다. 고압법보다는 낮은 30~100기압 사이의 압력으로 공정이 진행됩니다. 중압법에는 스탠다드법과 필립스법이 있습니다. 스탠다드법은 금속산화물을 촉매로 이용하고 필립스법은 산화크롬을 촉매로 이용합니다. 이러한 반응으로 LDPE보다 선형인 LLDPE가 생성됩니다. LLDPE는 LDPE과 HDPE 사이의 물성을 지니고 있지만 강인성과 투명성의 균형이 좋습니다. 또한, 내열성도 우수합니다

 

제조 시 불순물 처리 방법

폴리에틸렌 제조 공정에서 부산되는 폴리에틸렌 왁스는 분자량 분포가 매우 넓고, 일반적으로 촉매 잔사가 포함되어 색상, 내후성, 내열성 측면에서 개선의 여지가 큰 물질입니다. 하지만, 상업적으로 적용될 수 있는 수준의 화학왁스를 제조하기 위하여 정교한 분리/정제의 단계가 추가로 요구되는 문제점이 있다.

고분자량의 폴리올레핀을 열분해하여 왁스를 제조하는 방법은 장치 및 운전의 단순성으로 인하여 소규모의 왁스 제조에 적용되고 있으나 열처리 단계를 거치므로 합성법에 비하여 경제성이 낮으며, 왁스 품질의 균질성 보장에 어려움이 있다.

 

또한, 부산되는 저급 폴리에틸렌 왁스를 정제하는 왁스제조 방법에서는 분리/분획/정제 등의 추가 공정의 확보가 필수적이고 고품질 왁스 제조에는 적절치 않다. 폴리올레핀을 제조하는 촉매계를 기반으로 하여 폴리올레핀 왁스를 제조하는 소중합 방법에서는 분자량 제어를 위하여 과량의 수소가 필요하며, 높은 반응압력, 높은 반응온도 등의 반응조건을 적용할 수 있는 설비와 제어 방법이 확보되어야 하는 문제점이 대두되고 있다.

 

따라서, 반응활성이 상대적으로 낮으며, 제조되는 폴리올레핀 왁스의 물성 측면에서도 분자량 분포가 아직 넓고, 결정성이 상대적으로 낮으며, 연화점 및 융점이 낮아, 개선된 왁스 생산성 및 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 물성을 갖는 왁스 제조방법이 필요한 실정에 있다.

 

결론

폴리에틸렌 제조 단계에서 부산물로 저급 폴리에틸렌 왁스(분자량 분포 매우 넓고, 촉매가 포항되어 색상, 내열성, 내후성 측면에서 개선이 필요/ 상업적으로 적용 불리)가 생성된다. 이를 재활용 하기 위한 연구가 계속해서 진행되고 있다.