폴리프로필렌 폼: 지속가능성과 비용 효율성 동시 향상

폴리프로필렌(PP) 폼은 자동차 및 포장 분야에서 경량화와 지속가능성 향상을 위해 점점 더 많이 채택되고 있다. (사진: 어비언트)

최근 몇 년간 폴리프로필렌 발포 기술은 압출 PP 폼에서 시작하여 사출 및 블로우 성형 변형으로 확장되며 상당한 모멘텀을 얻고 있다. 주요 시장은 자동차와 포장이며, 그 뒤를 건설, 소비재, 산업 용도가 잇는다. 최근 공급 제약과 견조한 수요로 인한 국내 가격 급등 속에서 비용-성능이 주요 동인으로 남아 있다. 더 중요한 것은 발포 PP에 대한 수요 증가가 지속가능성 요구에서 비롯된다는 점이다. 더 적은 수지를 사용하며 PS와 EPS에 대한 더 친환경적인 대안을 제공한다.

자동차 산업의 전기차(EV) 전환 추세가 경량화 노력을 가속화하며 발포 PP 채택을 견인하고 있다. 포장 분야 역시 소재 사용량 감소를 선호하는 지속가능성 규제의 혜택을 받고 있다. 물리적 및 화학적 발포 기술 발전(종종 결합)이 이러한 성장을 가능하게 한다. 예를 들어 트렉셀(Trexel)의 뮤셀(MuCell) 직접 가스 주입 기술은 지난 3년간 진화하여 이전에는 불가능했던 박벽 성형 수준을 달성했다.

아이디 애디티브스(iD Additives), 어비언트, 트렉셀의 화학적 발포제(CFA)는 예외적으로 작고 균일한 셀과 우수한 미관을 가진 미세세포 폼을 생성한다. 동시에 사빅(SABIC), 아사히 카세이 플라스틱(Asahi Kasei Plastics), 보레알리스(Borealis) 등 PP 수지 공급업체들은 압출 또는 성형 PP 폼용 고융점 강도 등급과 발포에 최적화된 특수 강화 컴파운드를 출시했다.

2018년 마켓츠앤마켓츠(Markets & Markets) 분석에 따르면 글로벌 압출 PP 폼 시장은 2023년까지 연평균 거의 7% 성장할 것으로 전망됐다. 사빅의 폼 & 경량 팀은 자사의 초고융점 강도 PP가 자동차, 건설, 포장용 압출을 지원하며, 중량 감소와 지속가능성이 중요한 사출 및 블로우 성형 분야에서도 기회를 확인했다고 밝혔다.

신흥 포장 규제가 PP 폼 채택을 더욱 촉진한다고 업계 관계자들은 전한다. 어비언트 첨가제 제품 매니저 크레이그 시볼(Craig Sibol)은 발포 PP가 주로 사출 성형을 통해 한 자릿수 후반에서 두 자릿수 초반 성장을 보일 것으로 예상했으나, 공급 제약이 건설 분야 압출 성장을 제한한다고 지적했다.

아사히 카세이 플라스틱 북미 영업 및 기술 부문 수석 부사장 토드 글로고브스키(Todd Glogovsky)는 발포와 박벽화가 비용, 중량, 사이클 타임 절감을 위해 지속적으로 평가되고 있다고 강조했다. 제조업체는 절감 효과와 성능에 가장 큰 영향을 주는 옵션을 선택할 것이다.

아이디 애디티브스 사장 닉 소토스(Nick Sotos)는 2021년 PP 가격 상승이 발포제 수요 증가를 촉발했다고 회상했다. 이에 대응하여 회사는 이해관계자들에게 비용 완화 전략을 교육하기 위해 '폼 잇 오어 필 잇(Foam It or Fill It)' 웨비나를 개최했다.

트렉셀 사장 브라이언 베차드(Brian Bechard)는 최근까지 PP 가격 상승이 성형업체들을 발포로 크게 이끌지 않았다고 지적했다. 성공적인 상용 부품에는 상당한 리드타임과 설계 조정이 필요하기 때문이다. 그러나 수지 가격이 상승 추세를 보이면서 발포의 경제성이 점점 더 매력적으로 변하고 있다.

사빅의 장섬유 스타맥스(Stamax) PP와 코어백 발포 공정은 미니 컨트리맨(Mini Countryman) 계기판 캐리어에 적용되어 15% 중량 감소를 달성하며 SPE 자동차 혁신상을 수상했다.

자동차 분야 트렌드

사빅 자동차 부문은 자동차 부품에 발포 PP를 거의 20년간 사용해 왔으며, 주로 발포와 더 얇은 부품 형상을 통한 중량 감소에 초점을 맞춰왔다. 2017년 사빅의 장섬유 스타맥스 PP와 코어백 발포 기술이 미니 컨트리맨 IP 캐리어에 적용되어 약 15% 중량 절감을 달성하며 SPE 자동차 혁신상을 수상했다.

과거 발포 PP는 표면 마감이 불충분하여 구조적 비가시 부품에 국한되었다. 경량 심미적 인테리어와 사이클 타임 절감에 대한 수요 증가가 차세대 PP 폼의 우수한 표면 품질 개발을 주도했으며, 이는 자동차 산업의 연료 소비 및 배출 저감 목표와 일치한다.

사빅 자동차 소식통은 EV 생산 급증이 차량 중량이 효율과 주행거리에 직접 영향을 미치므로 더 가벼운 부품에 대한 필요성을 높인다고 강조했다. 발포 PP 컴파운드는 부품 중량을 8-10% 줄일 수 있으며, 향상된 흐름으로 더 얇고 설계 유연한 부품을 가능하게 하여 비발포 대비 20-25% 중량 절감 잠재력을 제공한다.

사빅은 중량 절감과 우수한 표면 심미성을 결합한 발포 가능 PP 컴파운드 제품군에 투자했다. 주요 개선 사항으로는 줄무늬와 결함 최소화, 박벽 부품에서도 싱크 마크 완화가 있다. 일반적인 인테리어 부품 두께는 최대 3mm이지만 발포로 인한 내부 압력이 수축을 상쇄하여 싱크 마크를 줄인다. 최적화된 설계와 공정으로 PP 폼의 잠재력을 최대한 끌어내며, 외장 용도로 심미성을 더욱 향상시킬 계획이다.

충전 PP 자동차 부품(계기판, 도어 패널, 언더후드 하우징 등)에 대한 광범위한 뮤셀 발포 경험을 바탕으로 트렉셀 CEO 브라이언 베차드는 자동차 및 포장용 무충전 PP 발포 활동이 증가하고 있다고 보고했다. 테코셀 CFA는 가시 자동차 인테리어에서 클래스 A 표면 마감을 제공하는 것으로 인정받으며 여러 부품이 상용화 직전이다.

발포 PP가 전통적으로 비클래스 A, 비구조적 자동차 영역(배터리 커버, 언더후드 부품 등)에 사용되어 온 반면, 아사히 카세이의 글로고브스키는 플로어 콘솔, 헤드라이너, 하부 인테리어 트림 등 준구조적 용도를 목표로 하고 있다.

보레알리스는 자사 다플로이(Daploy) HMS-PP 제품군이 고융점 강도와 신장성을 제공하는 장쇄 분지 폴리머로 구성되어 있다고 밝혔다. 이 소재들은 표준 PP 압출 등급과 매끄럽게 블렌딩되어 자동차, 포장, 건설, 건축 시장에서 맞춤형 폼 특성을 구현한다.

어비언트 제품 매니저 크레이그 시볼은 자동차 발포 PP 수요가 경량화 이니셔티브와 향후 미국 CAFE 기준에 힘입어 견조하다고 주장했다. 어비언트는 사출 성형 자동차 부품과 일부 포장에 집중하지만, 그 CFA는 사출 성형용 경량화제와 직접 가스 주입 압출용 핵제제로 모두 작용하여 더 미세한 폼 구조를 생성한다.

트렉셀은 박벽 포장용 무충전 PP를 타겟으로 하며, 뮤셀이 기존 프레스에서 더 얇은 부품을 생산할 수 있도록 흐름을 개선한다고 밝혔다. 회사는 브랜드 오너 및 성형업체와 협력하여 상용 제품을 시장에 출시하고 있다.

포장 분야 성장

트렉셀의 무충전 PP 박벽 포장 초점은 용기, 컵, 그릇, 뚜껑, 스파우트를 포함한다. 베차드는 뮤셀이 흐름을 개선하여 동일 장비에서 더 얇은 부품 생산을 가능하게 하며, 차이나플라스에서 중국 사출기 제조사의 그릇에서 5% 중량 감소, 15% 낮은 사출 압력, 20% 클램프 톤수 감소 달성을 강조했다.

사빅 폼 & 경량 팀은 이커머스 반품 상자, 팔레트, 식품 포장, 보호 포장용 발포 PP 수요 증가를 보고했다. 2017년 PP-UMS(초고융점 강도) 소재 출시가 시장 성장을 촉발했으며, 2020-2021년 상당한 가속화가 있었다.

아이디 애디티브스 닉 소토스는 게이로드(Gaylord) 및 팔레트 등 산업용 포장을 주요 발포 PP 시장으로 지목했으며, 회사는 마이크로 파인 셀(Micro Fine Cell) 발포제를 사용한 블로우 성형 병, 캡, 클로저로도 확장 중이다.

아사히 카세이 글로고브스키는 포장 던네지(dunnage)를 유망 분야로 보며, 두꺼운 단면 부품에서 소재 질량 감소로 사이클 타임을 5-35% 단축할 수 있다고 지적했다.

보레알리스는 다플로이 HMS-PP 수지와 블렌드가 비가교 상태를 유지하여 결과적인 압출 폼이 완전히 재활용 가능하다는 점을 강조했다. 이는 포장 및 기타 플라스틱 분야의 핵심 이점이다.

성형 기술자 론 비숍(Ron Bishop)이 아이디 애디티브스 신규 마이크로 파인 셀 CFA로 생산한 폼을 시연하고 있다.

건설/기타 용도

닉 소토스는 플라스틱 목재를 PP 폼의 자연스러운 적합처로 꼽으며, 지붕재, 공구함, 건설 레벨 등도 탐색 중이다.

사빅 폼 & 경량 팀은 구조용 폼과 프리팹 건축 부품(주택 단열재, 배관, 바닥재 언더레이먼트 등)을 추구하며, 아사히 카세이 글로고브스키는 이 분야에서 경량화를 이차적 동인으로 보고 주로 운송비 절감에 초점을 맞춘다.

글로고브스키는 소비자 및 헬스케어 분야를 케이스별로 검토하며 사이클 타임 개선에 집중한다. 트렉셀은 주요 가정용품 회사와 협력하여 제품군 전반의 비용과 수지 소비를 줄이고 있으며, 아이디 애디티브스는 발포 PP 옷걸이 등 소비재와 협력 중이며, 사빅 폼 & 경량 팀은 신발 등 틈새 용도도 언급했다.

아사히 카세이의 써마일린(Thermylene) 단섬유 강화, 화학 결합 PP는 발포 선루프 모듈에 적용되어 비발포 장섬유 PP를 대체하면서 우수한 심미성을 제공했다.

최신 발전

사빅 자동차 부문은 2022년 초 심미적 인테리어 부품용 발포 PP 컴파운드 신규 라인 출시를 계획 중이며, 표면 마감 개선을 약속하는 3개 초기 컴파운드를 선보일 예정이다.

아사히 카세이는 심미성과 경량화를 모두 향상시키는 발포 소재를 개발했으며, 발포 선루프 모듈에 사용된 써마일린 단섬유 강화 화학 결합 PP가 대표적이다.

닉 소토스는 아이디 애디티브스 마이크로 파인 셀 CFA가 박벽 용도 타겟팅 능력을 혁신적으로 개선했다고 언급했다.

NPE2018에서 트렉셀은 빠른 사이클 박벽 포장에 최적화된 뮤셀 P-시리즈 가스 시스템을 도입했다. 베차드는 이 시스템이 이제 스크류 팁 도징을 제공하여 표준 스크류가 플라스티케이팅 출력 희생 없이 가스를 공급할 수 있게 되었으며, 이는 고처리량 포장에 결정적 이점이라고 설명했다.

트렉셀은 저비용 고출력 중앙 가스 부스터를 갖춘 위성 기반 도징 유닛을 확장하여 다중 머신 운영 성형업체에게 뮤셀 유연성과 경제성을 제공한다.

어비언트의 확장된 액체 및 고체 CFA 포트폴리오와 포괄적인 테스트 지원은 고객이 기계적 무결성을 유지하면서 경량화 한계를 넓힐 수 있게 한다. 시볼은 더 작은 셀 크기와 표면 특성 조작으로 추가 코로나 처리 없이 페인트나 데칼 적용이 가능해져 생산 효율이 향상된다고 강조했다.

사빅 폼 & 경량 팀은 PP-UMS를 차세대 고융점 강도 발포 가능 PP로 홍보한다. 65 cN을 초과하는 융점 강도로 높은 발포 비율 부품에서 특히 우수한 발포성을 입증한다.

사빅 PP-UMS는 EPS를 대체할 수 있는 발포 식품 용기 제작을 가능하게 하여 더 지속가능한 대안을 제공한다.