석유화학에서 지속 가능한 플라스틱 재활용으로의 글로벌 전환이 추진력을 얻습니다.

현대사회에서 플라스틱은 우리 삶의 거의 모든 면에 스며드는 편재한 소재가 되었습니다. 식품 포장재, 생활용품부터 전자제품, 자동차, 건축자재, 의료기기에 이르기까지 플라스틱은 사실상 어디에나 있습니다. 가볍고 내구성이 뛰어나며 다재다능하고 가격이 저렴한 특성은 우리의 삶의 방식을 획기적으로 변화시켜 산업 발전과 사회 발전을 주도했습니다. 그러나 플라스틱의 광범위한 사용으로 인해 플라스틱 오염이라는 점점 더 심각한 글로벌 문제가 발생했습니다.

매년 수백만 톤의 플라스틱 폐기물이 바다, 강, 육지로 유입되어 생태계에 심각한 피해를 입힙니다. 플라스틱 폐기물은 해양생물을 얽어 질식시킬 뿐만 아니라 미세플라스틱으로 분해되어 먹이사슬로 유입되어 궁극적으로 인류의 건강을 위협합니다. 더욱이 플라스틱 생산은 막대한 양의 에너지와 자원을 소비하여 기후 변화를 악화시킵니다. 점점 커지는 플라스틱 오염 위기에 직면하여 우리는 다음과 같이 질문해야 합니다. 플라스틱의 원료는 정확히 무엇입니까? 어떻게 제조되나요? 플라스틱 딜레마에 대한 해결책을 찾을 수 있을까요?

이 기사에서는 더 깨끗하고 건강한 지구를 위해 지속 가능한 플라스틱 사용을 향한 경로를 검토하는 동시에 플라스틱 소재에 대한 포괄적인 이해를 제공하는 것을 목표로 플라스틱의 기원, 제조 공정, 플라스틱이 제시하는 과제 및 잠재적인 미래 방향을 탐구할 것입니다.

"플라스틱"이라는 용어는 "모양을 만들 수 있다"는 뜻의 그리스어 "plastikos"에서 유래되었습니다. 과학적으로 플라스틱은 화학 결합으로 연결된 많은 반복되는 단량체 단위로 구성된 고분자 재료입니다. 플라스틱은 특정 온도와 압력 조건에서 성형이 가능하고 냉각 후에도 모양이 유지되는 독특한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 가소성 덕분에 플라스틱은 다양한 응용 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 모양과 크기로 형성될 수 있습니다.

플라스틱은 종류가 다양하며 다양한 기준에 따라 분류할 수 있습니다.

• 화학 구조별:
  • 열가소성 수지:특정 온도 범위 내에서 연화와 경화를 반복할 수 있는 플라스틱입니다. 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등 우수한 성형성과 재활용성을 제공합니다.
  • 열경화성 플라스틱:가열하면 영구적으로 경화되어 다시 녹일 수 없는 플라스틱입니다. 페놀 수지, 에폭시 수지 및 폴리우레탄을 포함하여 더 높은 강도, 경도 및 내열성을 나타냅니다.
• 소스별:
  • 석유 기반 플라스틱:석유나 천연가스로부터 생산됩니다. 이는 현재 플라스틱 응용분야를 지배하지만 생산 및 폐기 중에 상당한 환경적 압력을 발생시킵니다.
  • 바이오 기반 플라스틱:재생 가능한 바이오매스(옥수수, 사탕수수, 셀룰로오스 등)로 생산됩니다. 이는 보다 친환경적인 대안으로서 재생 가능하고 생분해성 이점을 제공합니다.
• 애플리케이션별:
  • 필수품 플라스틱:PE, PP, PVC와 같이 대량, 저비용으로 널리 사용되는 플라스틱입니다.
  • 엔지니어링 플라스틱:폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA), 폴리옥시메틸렌(POM) 등 기계적 물성, 내열성, 내화학성이 우수한 플라스틱입니다.

수십 년 동안 석유와 천연가스는 플라스틱 생산의 주요 원료로 사용되었습니다. 이러한 화석 연료는 복잡한 과정을 거쳐 우리가 매일 사용하는 친숙한 플라스틱 제품으로 변합니다. 탁월한 성능과 저렴한 비용을 지닌 석유 기반 플라스틱은 산업 전반에 걸쳐 널리 응용되어 현대 제조의 필수 구성 요소가 되었습니다.

석유와 천연가스를 플라스틱으로 전환하는 과정에는 일반적으로 다음 단계가 포함됩니다.

1. 정제 및 분해:원유와 천연가스는 정제되어 에탄과 프로판과 같은 성분을 분리합니다. "분해"를 통해 이들은 플라스틱 생산의 기본 단량체인 에틸렌과 프로필렌으로 변환됩니다. 이 고온 화학 공정(750~900°C)은 효율성을 높이기 위해 촉매를 사용하여 탄화수소 분자를 더 작은 단위로 분해합니다.
2. 중합:에틸렌 및 프로필렌과 같은 단량체는 촉매와 함께 중합되어 장쇄 중합체 분자를 형성합니다. 다양한 단량체와 중합 방법에 따라 다양한 플라스틱(PE, PP 등)이 만들어집니다. 중합 기술에는 자유 라디칼, 이온 및 배위 중합이 포함되며 각각 분자량, 분포, 분지화 및 입체 규칙성에 영향을 미치며 모두 플라스틱 특성에 중요합니다.
3. 수정 및 처리:폴리머는 종종 안정제(분해 방지), 가소제(유연성 향상) 또는 착색제로 변형됩니다. 사출 성형, 압출, 블로우 성형 등의 방법을 통해 가공되어 최종 제품이 됩니다. 포장에 일반적으로 사용되는 폴리에틸렌(폴리에틸렌)은 유연성, 내화학성 및 절연 특성을 통해 이 공정의 좋은 예입니다. 하지만 인화성, 노화 민감성 및 열악한 분해성은 환경 문제를 야기합니다.

석유와 천연가스 외에도 석탄과 소금도 중요한 플라스틱 원료로 사용되어 화석 연료 의존도를 줄이고 자원 다양화를 촉진하는 대체 자원을 제공합니다.

석탄은 가스화되거나 액화되어 합성가스로 생성될 수 있으며, 이는 화학적 공정을 통해 플라스틱 단량체를 포함한 다양한 제품을 생산합니다. 석탄 가스화는 석탄을 고온에서 산소/증기와 반응시켜 일산화탄소와 수소가 풍부한 합성가스, 메탄올, 에탄올, 에틸렌, 프로필렌의 공급원료를 생성합니다. 석탄 액화는 석탄을 고압 및 수소 하에서 액체 탄화수소로 직간접적으로 변환합니다.

소금(염화나트륨)은 전기분해를 거쳐 염소를 생성하는데, 이는 폴리염화비닐(PVC)과 같은 플라스틱 합성에 사용됩니다. PVC는 건설, 전기, 운송 분야에 탁월한 내화학성, 절연성, 난연성을 제공하지만 고온 분해로 인해 유독 가스가 방출되고 분해성이 낮아 환경 문제가 발생합니다.

식물 세포벽의 주성분인 셀룰로오스는 천연 고분자입니다. 가공된 셀룰로오스 또는 그 파생물은 셀룰로오스 플라스틱(바이오플라스틱)을 생성하며, 기존 석유 기반 플라스틱에 비해 재생 가능하고 생분해 가능한 이점을 제공합니다. 바이오플라스틱을 개발하면 화석 연료 의존도를 줄이고, 탄소 배출을 낮추며, 플라스틱 오염을 완화하는 데 도움이 됩니다.

셀룰로오스 플라스틱 생산에는 다음이 포함됩니다.

1. 원료 획득:주로 연목(나무껍질을 에너지원으로 사용)에서 추출하지만 목화, 짚, 사탕수수도 셀룰로오스를 제공합니다.
2. 셀룰로오스 분리:소화조의 목재 처리는 셀룰로오스 섬유를 다른 구성 요소로부터 분리하여 연료 또는 화학 공급 원료로 사용할 수 있는 수지 및 리그닌과 같은 부산물을 생성합니다. 분리 방법에는 화학적, 물리적, 생물학적 과정이 포함됩니다.
3. 수정 및 처리:분리된 셀룰로오스는 사출 성형이나 압출을 통해 제품으로 형성되기 전에 특성을 향상시키기 위해 화학적 변형(에스테르화, 에테르화)을 거칩니다. 이러한 변형을 통해 기계적 특성, 내수성/내열성 및 가공성이 향상됩니다.

높은 비용, 열악한 성능, 산림 자원에 대한 잠재적 압박 등의 과제가 남아 있어 새로운 생산 기술 및 농업 폐기물 활용에 대한 연구를 추진하고 있습니다.

중합은 작은 모노머를 큰 폴리머 사슬로 연결하는 플라스틱 제조의 핵심을 형성합니다. 다양한 방법은 분자량, 분포, 분지화 및 입체 규칙성을 통해 플라스틱 특성에 큰 영향을 미칩니다.

주요 중합 유형:

• 자유 라디칼 중합:라디칼에 의해 시작된 연쇄 반응 - 온화한 조건, 광범위한 적용 가능성, 그러나 분자량 제어 및 분기가 어렵습니다. PE, PP, PVC에 사용됩니다.
• 이온 중합:이온(양이온/음이온)에 의해 시작된 연쇄 반응 - 분자량과 입체규칙성은 제어되지만 조건이 가혹하고 범위가 제한됩니다. 폴리이소부틸렌, POM에 사용됩니다.
• 배위 중합:금속 촉매와의 연쇄 반응 - 고분자량, 뛰어난 입체규칙성, 강력한 제어가 가능하지만 값비싼 촉매와 까다로운 조건이 필요합니다. HDPE, PP에 사용됩니다.
• 중축합:작은 분자(물, 알코올)를 방출하는 단계적 성장 반응 - 간단하고 저렴하지만 분자량 제어 및 부반응이 어렵습니다. 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄에 사용됩니다.

다양한 응용요구를 충족시키기 위해 폴리머는 안정제, 가소제, 착색제 등으로 개질되어 기계적 물성, 내열성/내화학성, 가공성, 외관 등을 향상시킵니다.

일반적인 수정 접근 방식:

• 물리적 수정:혼합(고분자 혼합), 충전(강도/경도를 위한 무기/유기 충전재 추가) 또는 강화(강도/강성을 위한 섬유/시트)를 통해 물리적 구조를 변경합니다.
• 화학적 변형:가교(내열성/내화학성을 위한 분자 결합), 그래프팅(표면 특성을 위한 단량체 부착) 또는 말단 그룹 변형(반응성/호환성을 위한 기능적 말단)을 통해 화학 구조를 변경합니다.

컴파운딩은 폴리머, 첨가제 및 기타 구성 요소를 맞춤형 플라스틱 제제로 혼합하는 작업으로, 특정 응용 분야 요구 사항을 충족하는 데 중요한 단계입니다.

가공은 다양한 방법을 통해 변형된 폴리머를 최종 제품으로 변환합니다.

• 사출 성형:대량의 정확하고 복잡한 형상(전자 하우징, 자동차 부품)을 위해 플라스틱을 금형에 녹입니다.
• 압출:연속 프로파일/필름(파이프, 시트, 케이블)용 다이를 통한 용융.
• 블로우 성형:속이 빈 품목(용기, 장난감, 연료 탱크)용 금형에서 녹은 플라스틱을 팽창시킵니다.
• 캘린더링:매끄러운 필름/시트(포장, 바닥재)를 위해 롤러를 통해 압착합니다.
• 압축 성형:크고 복잡한 품목(자동차 인테리어, 가전제품 하우징)에 대한 금형 가열/압착.
• 열성형:대용량 품목(포장, 트레이)을 위해 진공/압력을 통해 시트를 금형에 가열합니다.

플라스틱 오염은 생태계와 인간의 건강을 위협하는 세계적인 환경 위기가 되었습니다.

• 해양 오염:연간 수백만 톤의 플라스틱 폐기물이 해양 생물을 얽매고 미세 플라스틱으로 먹이 사슬에 들어가며 국제적인 솔루션이 필요합니다.
• 토지 오염:축적된 폐기물은 경관에 영향을 미치고, 침출된 화학물질을 통해 토양/물을 오염시키며, 질병 매개체를 낳습니다.
• 대기 오염:소각하면 유독가스(다이옥신)와 CO2가 배출되어 건강에 해를 끼치고 기후 변화를 가속화합니다.

석유 기반 플라스틱은 유한한 화석 연료에 의존합니다. 자원 감소로 인해 생산 비용과 경제적 영향이 증가하고 추출/가공으로 인해 환경이 더욱 손상되고 기후 변화가 악화됩니다.

대부분의 석유 플라스틱은 자연적으로 분해되는 데 수십 년 또는 수 세기가 걸릴 정도로 극도의 안정성을 나타냅니다. 이는 장기적으로 토지를 점유하고 토양/수질을 손상시키는 위협입니다.

근본적인 솔루션은 소비 감소에서 시작됩니다.

• 재사용 가능한 대안 채택(가방, 병, 식기)
• 친환경제품 선택(대나무/목재제품)
• 과도한 포장을 거부한다
• 환경 이니셔티브에 참여

향상된 재활용 시스템과 기술이 중요합니다.

• 종합적인 수집 인프라 개발
• 대중 인식/참여 증대
• 효율적인 재활용 방법 발전

생분해성 재료의 혁신은 다음과 같은 가능성을 제공합니다.

• 비용 효율적인 바이오플라스틱을 위한 R&D 강화
• 상업적 채택 촉진
• 엄격한 기준을 세워라

플라스틱 루프를 닫으려면 다음이 필요합니다.

• 단량체/공급원료로의 화학적 재활용
• 재활용이 불가능한 물질로부터 에너지 회수
• 재활용 제품으로 재가공

강력한 거버넌스는 지속 가능한 관행을 보장합니다.

• 포괄적인 입법
• 위반사항에 대한 엄격한 처벌
• 효율적인 감독 메커니즘

현대에 없어서는 안 될 소재인 플라스틱은 환경에 대한 압박을 가하는 동시에 엄청난 이점을 제공합니다. 플라스틱의 지속가능성을 달성하려면 소비 감소, 재활용 강화, 대안 혁신, 순환 기술 발전, 강력한 정책 구현 등 다각적인 접근 방식이 필요합니다. 우리의 집단적 행동은 플라스틱이 책임으로 남을지 아니면 환경 자산으로 전환할지를 결정할 것입니다. 플라스틱의 미래는 우리 손에 달려 있습니다. 우리는 함께 지구를 보호할 수 있습니다.