프리미엄 식품 랩: 신선도 보존 및 냄새 차단

배경

식품 랩은 얇고 유연하며 투명한 폴리머 필름으로, 자체 점착성과 용기 밀착성으로 밀봉을 형성하는 식품 포장재입니다. 공기 차단으로 식품 신선도를 지키고, 건식품의 수분 흡수와 습식품의 수분 손실을 막으며, 냄새가 옆 음식으로 퍼지는 것도 차단합니다.

플라스틱은 인공 고분자, 즉 같은 종류의 작은 분자(단량체) 수천 개가 긴 사슬로 결합된 거대 분자입니다. 결합 과정을 중합(polymerization)이라 합니다. 천연 고분자로는 실크, 고무, 면 등이 있습니다.

최초 플라스틱은 1862년 영국 화학자 알렉산더 파크스가 면, 질산, 황산, 피마자유, 장뇌로 '파크신(Parkesine)'을 만든 것. 2년 후 미국 존 웨슬리 하이엇이 개량해 '셀룰로이드(celluloid)'라 명명. 큰 성공을 거뒀으나 인화성이 높았습니다.

최초 완전 인공 고분자(셀룰로이드는 천연 고분자 셀룰로오스 유도체)는 1908년 벨기에 화학자 레오 베이클랜드가 페놀과 포름알데히드로 만든 '베이클라이트(Bakelite)'. 20세기 들어 인조 고무, 나일론 등 중요 고분자 다수 개발.

포장용 최초 플라스틱은 1911년 스위스 화학자 자크 브란덴베르거가 발명한 셀룰로오스 유도체 '셀로판(cellophane)'. 투명해 1924년부터 포장용으로 쓰였고, 1963년 폴리에틸렌에 추월될 때까지 가장 흔한 플라스틱 필름이었습니다.

폴리에틸렌은 1933년 영국 ICI 연구원들이 벤젠과 에틸렌을 고온고압 혼합하다 우연히 발견. 처음엔 전기 절연재로 주로 쓰이다 1945년 미국 비스킹(Visking)사가 필름화해 대중화.

폴리염화비닐(PVC)은 2차대전 전 개발돼 열등한 고무 대체재로 쓰였으나, 1950년대 들어 필름 양산. 오늘날 파이프, 바닥재, 전선, 신발, 의류, 랩 등 다양하게 쓰입니다.

폴리염화비닐리덴(PVDC) 필름은 2차대전 중 다우케미컬이 군사용으로 개발. 수분 차단과 오일·그리스·부식성 화학물질 저항성이 뛰어나 광학기기, 항공기 엔진 부품 등 민감 장비 포장에 쓰였습니다. 1952년 '사란랩(Saran Wrap)'이란 상표명으로 대중 출시.

원자재

대부분 가정용 랩은 폴리에틸렌, PVC, PVDC로 만듭니다. 이 고분자들은 메탄이나 에틸렌 같은 단순 탄화수소에서 유래하며, 천연가스나 석유에서 얻습니다. 폴리에틸렌은 에틸렌 직접 중합. PVC는 에틸렌 유도 비닐클로라이드나 메탄 유도 아세틸렌에서. PVDC는 비닐클로라이드와 비닐리덴클로라이드(1,1,2-트리클로로에탄 유도체, 다시 에틸렌/아세틸렌 유래)에서 만듭니다.

셀로판 등 일부 필름은 셀룰로오스에서 나오는데, 목재 펄프나 린터(면실에서 긴 섬유 제거 후 남은 미세 섬유)에서 얻습니다. 적어도 한 형태(플리오필름, 굿이어 상표)는 고무 유래.

제조 공정

원료 가공

• 1 고분자 합성에 필요한 화학물질은 보통 석유에서 얻습니다. 원유를로(爐)에서 약 752°F(400°C) 가열. 증기가 분별탑(기름 성분별 끓는점 차로 분리하는 높은 탑)으로 올라가 아래쪽 따뜻한 방에서 위쪽 차가운 방으로 가며 기체 상태에서 각 물질 끓는점에 맞춰 액화돼 별도 챔버에서 수집.
• 2 대부분 고분자는 끓는점 낮은 단순 탄화수소로 시작. 분별탑에서 액화되지 않고 기체로 탑 상단에서 배출. 천연가스(주로 메탄)에서도 얻음. 다른 공급원은 나프타(분별탑에서 얻는 액체 탄화수소 혼합물, 휘발유보다 무겁고 중유보다 가벼움). 나프타를 가압 가열해 액체 탄화수소를 작은 분자로 분해(크래킹). 촉매(천연/인조 점토: 알루미나·실리카 혼합물 또는 제올라이트)로 저온·저압 크래킹 가능. 촉매 크래킹 보통 932°F(500°C), 100kPa. 크래킹된 나프타를 분별탑처럼 증류해 성분 분리.

중합(Polymerization)

• 3 폴리에틸렌은 크래킹으로 얻은 에틸렌 중합. 에틸렌을 약 338°F(170°C), 20만 kPa 압력 챔버에서 소량 산소와 가열. 산소가 에틸렌을 자유 라디칼로 분해, 이들이 결합해 폴리에틸렌 사슬 형성. 비반응성 가스(프로판 등) 약 1% 첨가로 사슬 과성장 방지.
• 4 PVC는 비닐클로라이드 중합. 아세틸렌+염산 또는 에틸렌+염소로 비닐클로라이드 제조. 에틸렌이 나프타 크래킹으로 효율적이라 주로 사용. 아세틸렌 쓸 경우 메탄 2732°F(1500°C) 가열 등 별도 합성 필요. 비닐클로라이드를 물과 교반해 현탁액 형성(오일·식초 드레싱처럼). 전분·젤라틴 등 현탁제 첨가해 분리 방지. 현탁액 온도 104~122°F(40~50°C)로 올리고 개시제(보통 유기 과산화물) 첨가해 반응 개시. 비닐클로라이드 분자 간 결합으로 PVC 사슬 생성. 냉각 후 원심분리로 물에서 PVC 입자 분리, 오븐 건조.
• 5 PVDC는 비닐클로라이드 약 15%, 비닐리덴클로라이드 약 85% 혼합 중합. 비닐리덴클로라이드 제조: 아세틸렌+염산+염소 또는 에틸렌+염소로 1,1,2-트리클로로에탄 만든 뒤 수산화칼슘/나트륨 반응으로 비닐리덴클로라이드 얻음. PVDC 중합은 PVC와 유사.
• 6 폴리에틸렌은 본연 유연하나 PVC·PVDC는 가소제 없으면 딱딱. 다양한 유·무기 에스터를 가소제로 사용. 보통 액체 가소제를 건조 폴리머 분말에 천천히 분무하며 302°F(150°C) 가열해 균질 혼합물 만듦.

식품 랩 제작

• 7 압출(extrusion) 방식으로 제작. 플라스틱 알갱이 녹여 폴리에틸렌 약 212°F(100°C), PVC/PVDC 약 392°F(200°C)에서 용융. 다이를 통해 밀어내 따뜻하고 신축성 있는 튜브 형성. 일정 간격 압축 공기를 튜브 측면에 불어넣어 큰 기포 형성, 플라스틱을 원하는 얇기로 연신. 얇은 플라스틱 급속 냉각, 기포를 금속 롤러 사이로 눌러 필름 형성. 필름을 대형 금속 롤에 감아 수 km 길이 롤 생성. 이 롤을 풀어 적정 길이(보통 약 49피트/15m)와 폭(약 1피트/0.33m)으로 재단해 작은 종이 심에 재감기. (이 감기-풀기-재감기 과정으로 약한 음전하 정전기 발생, 밀착력 도움) 종이 심 랩을 톱니 가장자리 있는 판지 상자에 담아 소비자가 원하는 길이 뜯어 쓰게 함. 일부는 상자 끈적한 부분으로 랩 끝이 심에 붙지 않게 함. 랩 상자들을 카톤에 적재해 소매점 출하.

품질 관리

식품 랩 효과 검증을 위한 표준 테스트 다수. 가장 중요한 건 투과성, 내충격성, 인열 강도 테스트.

수증기 투과성: 염화칼슘(강력 흡습제) 담은 접시 덮고 무게 측정. 조절된 온습도 챔버에 두고 일정 시간 후 재측정. 무게 증가량으로 수증기 투과량 산출. 물 담아 무게 감소로 측정도 가능. 73°F(23°C)/50% RH, 90°F(32°C)/50% RH, 100°F(38°C)/90% RH에서 수행.

기체 투과성: 랩 샘플로 두 챔버 분리. 상부 챔버 100kPa 압력, 하부 챔버 진공+수은관 연결. 상부 공기 투과로 하부 압력 상승, 수은면 하강량으로 공기 투과량 측정.

내충격성: 증가하는 무게 추를 시편에 떨어뜨려 절반 파손 시 무게 기록. 또는 테스트 랩으로 만든 모래주머니를 단단한 표면에 떨어뜨려 터질 높이 기록. 소형 강구(steel ball)를 가압 공기로 발사해 랩 관통 시 감속량 측정도 가능.

인열 강도: 인열 개시 강도(찢기 시작 힘)와 인열 전파 강도(찢김 지속 힘). 얕은 V자 시편을 양 턱으로 당겨 찢어지기 시작할 때 힘 측정(90° 각도로 제어된 시작점 제공). 인열 전파는 미리 틈낸 시편 당겨 측정.

일반적으로 PVDC가 가장 강하고 투과성 낮고, 폴리에틸렌, PVC 순.

환경 이슈

식품 랩은 재활용 어렵고 재사용 드물어 폐기물 기여. 한 소비자 단체가 제조 에너지·원료, 제조·폐기 폐기물, 재활용성, 일반적 사용량 고려해 '양호(Good)' 평가. 비교: 재사용 플라스틱 용기 '우수(Excellent)', 비닐봉지 '매우 양호(Very Good)', 알루미늄 호일·냉동백 '양호(Good)', 냉동지 '불량(Poor)'. 또 다른 우려는 랩 내 가소제가 뜨거운 기름진 음식으로 이행될 가능성. 인체 유해성 입증된 적 없으나, 실험동물 대량 섭취 시 발암 확인. PVC 랩 가소제 최대 1/3, PVDC 약 10%, 폴리에틸렌은 보통 가소제 없음.