2차 세계대전 당시 태어난 이후, 상업용 고분자(일반 명칭으로 “플라스틱”) 산업은 빠르게 성장해 왔다. 2015년 섬유를 제외한 전 세계 고분자 물질 생산량은 3억 3천만 톤이 넘었다.
지난 5년 전까지만 해도, 고분자 물품 디자이너들은 자기가 만든 물품의 수명이 다하면 어떤 취급을 받게 될지 신경 쓰지 않았다. 이런 모습이 변하기 시작했고, 이 문제는 앞으로도 점점 더 중요해질 것이다.
플라스틱 산업
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“플라스틱”은 고분자 물질에 대한 다소 잘못된 설명이다. 일반적으로 원유 또는 천연가스에서 얻어지는 고분자 물질은 수만 개의 분자가 서로 사슬로 연결되어 있는 긴 사슬 분자이다. 고분자 물질은 저분자 물질에는 없는 강도와 인성 같은 중요한 물리적 특성을 갖고 있다.
열을 가하면 계속해서 변형이 가능한 “써머플라스틱(thermoplastic; 열가소성 수지)”의 줄임말이 바로 “플라스틱”이다.
현대 고분자 산업은 1930년대 듀폰사의 월리스 크로더스에 의해 시작되었다고 해도 과언이 아니다. 그는 폴리아마이드에 대한 열정적인 연구로 나일론의 상업화를 이끌었다. 전시의 실크 부족으로 여성들은 다른 재료로 만든 스타킹을 신어야만 했다.
2차 세계대전 동안 물자가 부족해지자, 과학자들은 이를 메우기 위해 합성 고분자를 연구했다. 예를 들어, 일본이 동남아시아를 점령하자, 자동차 타이어용 천연고무 공급이 중단되었고, 그로 인해 합성 고분자 대체물이 등장한 것이다.
화학 분야에서 호기심에 비롯된 연구가 획기적인 돌파구가 된 경우도 있다. 바로 지금도 널리 사용되고 있는 폴리프로필렌 및 고밀도 폴리에틸렌이 바로 그렇다. 테플론 같은 일부 고분자 물질도 우연히 발견되었다.
결과적으로, 필요, 과학적 진보 및 뜻밖의 발견이 어우러져 전반적인 고분자 물질이 세상에 나왔고, 현재 모두가 “플라스틱”이라고 부르는 물질이 되었다. 고분자 물질은 물품의 무게를 줄일 수 있었고, 셀룰로오스나 면 같은 천연 물질의 저렴한 대체재였기 때문에, 빠른 속도로 상용화되었다.
플라스틱의 종류
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전 세계적으로 생산되는 합성 고분자 물질 중 상당 부분이 폴리올레핀(폴리에틸렌과 폴리프로필렌)이다.
폴리에틸렌에는 “고밀도”와 “저밀도” 두 가지 종류가 있다. 분자 수준으로 볼 때, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 규칙적인 간격으로 작은 이빨이 있는 빗처럼 생겼다. 반면 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 불규칙적인 간격으로 크고 작은 이빨이 듬성듬성 있는 빗처럼 생겼다. 위에서 보면 지류가 여럿인 강의 모습을 하고 있다. 둘 다 폴리에틸렌이지만, 모양의 차이 때문에 필름 또는 다른 물품으로 성형했을 때 각기 다른 특성을 갖는다.
폴리올레핀이 주로 생산되는 데는 몇 가지 이유가 있다. 첫째, 비교적 저렴한 천연가스로 생산할 수 있다. 둘째, 대규모로 생산할 수 있는 가장 가벼운 합성 고분자로서, 밀도가 아주 낮기 때문에 물에 뜬다. 셋째, 실제 사용 시 접하게 되는 물, 공기, 그리스, 세정 용제로 인해 손상이 생기지 않는다. 마지막으로, 물품으로 성형하기 쉽고, 만들어진 물품은 하루 종일 햇볕을 쬐어도 변형되지 않는다.
하지만, 심각한 단점도 있다. 폴리올레핀은 분해 속도가 상상 이상으로 더디기 때문에, 수십 년 내지 수백 년 동안 환경을 오염시킨다는 것이다. 또한, 파도와 바람에 의해 미립자 형태로 마모되어, 물고기와 동물이 섭취할 수 있게 되고, 이는 다시 먹이사슬을 따라 우리 인류의 몸속에 들어올 수 있다.
수집 및 세척 문제로 인해, 폴리올레핀 재활용은 원하는 만큼 간단하지 않다. 식료품과 다른 물질이 폴리올레핀을 오염시키는 한편, 산소와 열이 내부 사슬을 변형시킨다. 화학 분야의 지속적인 발전으로 강도와 내구성이 향상된 새로운 품질의 폴리올레핀이 만들어졌지만, 재활용 과정에서 다른 품질의 폴리올레핀과 혼합이 용이하지 않다. 게다가, 폴리올레핀은 다층 포장지에서 다른 재료와 결합되는 경우가 많다. 이러한 다층 구조 물질은 사용하는 데는 좋지만, 재활용은 불가능하다.
때로는 점점 희소해져 가는 원유와 천연가스로 생산된다는 점에서 비판되기도 한다. 하지만 고분자 생산에 쓰이는 천연가스 또는 원유의 양은 아주 적다. 매년 생산되는 원유 또는 천연가스 중 플라스틱 생산에 쓰이는 규모는 5%도 채 되지 않는다. 또한, 브라질의 브라스켐에서 상업적으로 수행되고 있는 것처럼, 사탕수수 에탄올로도 에틸렌을 제조할 수 있다.
플라스틱의 용도
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지역에 따라 다르지만, 폴리올레핀이 지배적인 합성 고분자 전체 생산량 중 35~45%가 포장재로 소비되고 있다. 음료수 병과 섬유 시장은 거의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 장악하고 있다.
건축과 건설 분야의 소비량도 20%가량 된다. PVC 파이프와 화학 약품이 주다. PVC 파이프는 가볍고, 납땜 또는 용접보다 접착제로 더 잘 붙일 수 있으며, 물속의 염소로 인한 손상도 없다. 유감스럽게도, PVC에 이런 장점을 가져다주는 염소 원자 때문에 재활용이 아주 어렵다. 대부분 수명이 다하면 폐기물로 처리된다.
나머지 고분자 물질인 폴리우레탄은 가정 및 가전제품용 발포 단열재로서뿐만 아니라 건축용 도료로도 널리 사용된다.
자동차 분야에서도 열가소성 플라스틱을 점점 더 많이 사용하고 있는데, 주로 자동차의 무게를 줄이고, 그에 따라 연료 효율 기준에 맞출 수 있기 때문이다. 유럽 연합에서는 일반 자동차의 무게 중 16%가 플라스틱 부품, 특히 실내 부품에 가장 많이 사용되는 것으로 추정한다.
연간 7천만 톤 이상의 열가소성 플라스틱이 섬유, 주로 의류 및 카펫 생산에 사용되고 있다. 주로 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 제조된 합성 섬유 중 90% 이상이 아시아에서 생산된다. 생산에 상당 면적의 땅이 필요하기 때문에 가격이 비싼 면과 울 같은 천연 섬유 대신으로, 의류에 사용되는 합성 섬유의 양이 점점 더 많아지고 있다. 신축성, 흡습성 및 통기성 같은 좋은 특성으로 인해 의류 및 카펫 시장의 호황에 힘입어 합성 섬유 업계도 극적인 성장을 보여왔다.
포장재의 경우와 마찬가지로, 섬유 또한 일반적으로 재활용되지 않는다. 일반 미국인들은 매년 41kg 이상의 섬유 폐기물을 만들어 낸다고 한다. 그린피스에 따르면, 2016 년 일반인 1인당 연간 구매하는 의류 품목이 15년 전보다 60% 더 늘었으며, 의류 착용 기관 또한 점점 떠 짧아지고 있다고 한다.
<출처: The Conversation, “The world of plastics, in numbers”>
늘~~ 읽어 주셔서 감사드립니다.
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