폴리에틸렌 플라스틱: 일상 용도부터 종류·물성까지 총정리

가장 흔한 현대 소재, 폴리에틸렌 입문

폴리에틸렌은 단연코 가장 흔한 소비자용 플라스틱으로 일상 곳곳에 쓰입니다. 열가소성이라 녹여 액체로 만들었다 식혀 고체로 되돌리기를 반복 가능. 가공 조건 차이로 다양한 등급 생산 → 용도 스펙트럼 극과 극: 한쪽 끝은 유연한 랩(클링랩), 다른 끝은 단단한 볼라드 포스트 커버.

폴리에틸렌 최대 매력: 내구성. 퇴색·칩핑 저항, 산·알칼리 등 다수 화학 물질 불침투. 우수한 전기 절연체. 극저온서 물성 유지, 고온서 용융.

폴리에틸렌: 탄소-수소 분자

분자 구조와 일반 물성

기본 단위 에틸렌 분자(C₂H₄: 탄소 2, 수소 4)가 직선/분지 사슬로 결합해 폴리에틸렌 형성. 이중 결합 끊고 자유 라디칼 만들어 다음 에틸렌과 연결. 거대분자는 공유 결합 아닌 분자간 힘으로 결정 구조 유지. 곁가지 적을수록 결정성 낮아지고 밀도 높아져(종류별 물성 차이 원인).

내후성 우수하나 장기 햇빛 노출 시 취성화. UV 안정제 첨가로 극복. 발화 후 발화원 제거돼도 연소 지속, 파란 불꽃에 노란 팁, 플라스틱 떨어뜨림. 표면 특성상 전처리 없인 접착·인쇄 어려움. 등급·두께·첨가제 따라 투명/반투명/불투명.

폴리에틸렌 분류

저밀도 폴리에틸렌(LDPE): 폴리머 사슬에 긴/짧은 곁가지 다수. 곁가지로 사슬 밀집 방해 → 유연성 확보 → 비닐봉지, 전선 피복, 랩 등에 적합. 산·염기·알코올·알데히드·케톤·식물성 오일 등 대부분 화학약품에 높은 저항. 흡수율 극저.

선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE): LDPE 유사하나 주로 선형 사슬에 짧은 곁가지 다수. 에틸렌과 알파-올레핀(1-부텐, 1-헥센, 1-옥텐) 공중합으로 생산. 조성비 조절로 물성 제어 가능.

고밀도 폴리에틸렌(HDPE): 대부분 직선 사슬, 곁가지 거의 없음 → 분자간 힘으로 빽빽이 밀집. 적당히 딱딱 → 도마, 주스 용기, 플라스틱 목재, 장난감 등. 양호한 내화학성, 극저온(-76°F / -60°C)서도 강인. 왁스질 표면, 방수.

초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE): 극도로 긴 사슬, 강철보다 높은 인장강도 섬유로 방사 가능. 긴 직선 사슬 간 강력한 분자간 힘 → 초고내충격성. 방탄조끼 등에 사용. 여타 폴리에틸렌처럼 대부분 화학약품 저항(산화성 산 제외). 낮은 흡습성, 자가윤활성으로 내마모성 탁월.

ASTM(미국재료시험학회)이 용도별 폴리에틸렌 등급 규격 정함. 주요 등급별 물성표:

물성	LDPE	HDPE	UHMWPE
밀도 (lb/in³)	.035	.035	.034
흡수율 24hr (%)	< 0.01	0	0
인장강도 (psi)	1,800–2,200	4,600	3,100
노치 충격강도	파단 안 됨	3	파단 안 됨
선팽창계수 (×10⁻⁵ in/in/°F)	3	3	3
최대 연속 사용온도 (°F)	160	180	180
약 녹는점 (°F)	230	260	280
절연파괴강도 (V/mil, 1/8″)	460–700	450–500	900

폴리에틸렌 플라스틱 제조법

기본 빌딩 블록: 에텐 분자(C₂H₄). 천연가스에 존재, 원유 정제 과정서도 생성. 1차 정제 산물 나프타 → 촉매 크래커로 고옥탄물질 생산. 이 크래킹 공정서 에텐도 생성돼 분리 후 폴리에틸렌용 후공정 투입. 에텐은 기체.

등급별 다른 공정:

LDPE: 에텐 기체 50,000 psi 압축 → 냉각 → 반응기 투입. 개시제 첨가해 중합 반응. 반응기 내 지속 교반으로 최대 전환율. 미반응 에텐 분리·재활용. 폴리머 압출·펠릿화·건조 → 사일로 저장 → 포장 출고 → 고객사서 녹여 성형.
HDPE: 촉매 공정으로 저온·저압 생산 가능. 치글러-나타/크로뮴 촉매가 초기, 신규 촉매 지속 개발로 공정·물성 개선. 서로 다른 폴리에틸렌 블렌딩 공정도 있어 등급 간 경계 모호해지기도.
LLDPE: 촉매 공정 + 코모노머(알파 올레핀: 부텐, 헥센) 첨가. 긴 사슬에 짧은 곁가지 다수 구조.
UHMWPE: 메탈로센 촉매로 10만 단량체 이상 초장사슬 생성. 2차 공정 젤 스피닝: 가열된 UHMWPE 젤을 스피너렛으로 압출 → 수욕 냉각. 95% 고분자 배향도로 초고 인장강도 섬유 획득.

폴리에틸렌 플라스틱 성형 가공법

펠릿 형태로 출하, 스펙별 등급 분류. 고객사서 열·압력 가해 녹여 액체 상태로 만든 뒤 최종 형상으로 성형. 원료 등급·완제품 종류 따라 다양한 성형법:

사출 성형(Injection molding)
가장 흔한 두 방법 중 하나. 펠릿 가열 실린더 투입 → 회전 오거로 용융 수지 게이트 통해 금형 주입. 고정량 10,000~30,000 psi 고압 사출. 사출 완료 후 금형 냉각 → 개형·제품 취출. 버킷, 병뚜껑 등 대량 생산품에 전형적.
블로 성형(Blow molding)
병, 주사기 등 내부 공동 제품용. 1단계: 표준 금형으로 코어 핀 주위 프리폼 성형. 프리폼 냉각 후 2번째 금형 중앙 배치. 재가열·코어 핀 통해 압축 공기 불어넣어 용융 수지 최종 금형 내벽에 밀착 → 내부 공동 형성. 냉각 후 핀 제거.
압축 성형(Compression molding)
주로 열경화성 플라스틱(재가열·재성형 불가). 분말 등 첨가해 특수 물성·강화. 가열 플레이트가 압력 가해 성형. 짧은 사이클 타임으로 자동차 부품 등 대량 용도에 유리.
트랜스퍼 성형(Transfer molding)
용융 상태서 압축 성형 공정으로 이송. 미세 구멍·금속 인서트 많을 때 정렬 흐트러짐 없이 성형 유리.
필름 인서트 성형(Film insert molding)
필름/직물 금형 내 삽입 후 수지 사출 → 완제품 내 필름 포착.
압출(Extrusion)
사출 성형과 쌍벽 이룬 인기 공법. 펠릿 호퍼→가열 챔버→오거로 용융 수지 전진. 챔버 끝 다이(die)로 형상 잡으며 대기 중 배출. 연속 시트, 튜브, 케이블, 파이프 등 생산. 컨베이어서 공랭(블로어 보조) 또는 수랭.
가스 사출 성형(Gas injection molding)
표준 사출에 추가 단계. 금형 70% 채운 뒤 가스 주입해 수지 금형 끝까지 밀어냄. 중공 중심 형성으로 소재 절약.
회전 성형(Rotational molding)
분말 수지 중공 금형 넣고 회전 허브 고정. 허브 2축 회전하며 용융 수지 금형 내벽 코팅. 냉각 사이클(금형 외부에 물 분사) 중에도 회전 지속. 최종 제품 취출. 금형 단순, 압력 불필요, 용접/이음새 없는 게 장점.
구조 폼 성형(Structural foam molding)
용융 수지 + 압축 가스 어큐뮬레이터로 폼 효과. 어큐뮬레이터→금형 주입. 압력 강하로 수지 팽창·금형 충진. 냉각 후 표면 매끄럽고 내부 코어 폼화 → 높은 강성.
열성형/진공 성형(Thermoforming/Vacuum forming)
플라스틱 시트 가열 연화 → 금형 위 드레이핑. 양압 또는 진공으로 밀착. 냉각 후 제품 배출.
반응 사출 성형(Reaction injection molding)
신기술. 기존 사출보다 저온서 수지+타 성분 혼합. 금형 내 발열 반응으로 가압. 저온·저압으로 생산비 절감. 유리섬유 첨가로 강도 보강 가능.