기계공학 취준일기 #13 LDPE, HDPE 1

1. 폴리에틸렌( Polyethylene, PE)

  폴리에틸렌은 가장 많이 사용되는 열가소성 수지이다. PE는 우수한 전기절연성, 질김성, 방수성으로 초기 제품의 대부분은 군수용으로 사용되었다. 이후 가격이 저렴하면서 가공이 쉽고, 내화학성과 유연성이 좋아 일상생활 용품으로 응용됨에 따라 수요와 생산이 증가되었다. 

  폴리테릴렌의 중합은 고압법에 의한 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE)가 탄생했다. 하지만 170℃의 온도에서 최대 2,000기압의 압력이라는 환경이 요구되었다. 이러한 극단적인 조건 속에서 높은 비용으로 대량생산하기엔 한계가 있었기에 조금더 저압에서 폴리에틸렌을 생산하고자 새로운 촉매와 공정이 개발되었다. 지글러-티탄 촉매 및 CR촉매 등을 사용하는 중저압법의 고밀도폴리에틸린(HDPE)공정이 소개되었다.

  폴리에틸렌은 LDPE, HDPE, 그리고 낮은 압력에서 제조되며 저밀도폴리에틸렌과 비슷한 특성을 가지는 선형저밀도폴리에틸렌(LLDPE)가 있다.

  제조 방법으로는 LDPE를 제조하는 고압법 폴리에틸렌과, 연화점이나 강성이 큰 HDPE를 제조할 수 있는 중압법, LLDPE를 제조할 수 있는 기상법이 있다. 

  저밀도 폴리에틸렌은 상온에서 투명한 고체이고 가공이 쉬우면서 유연합니다. 이로인해 투명한 비닐제품이나 필름, 코팅, 비닐하우스의 비닐등에서 사용된다. 반면 고밀도 폴리에틸렌은 밀도가 높고 단단해 외부 충격에도 잘 견디기 때문에 용기나 병, 뚜껑, 파이프등에 사용된다. LLDPE는 저밀도 폴리에틸렌과 비슷한 성질을 가졌지만, 더 유연하면서 강도가 높아 찢어지거나 구멍이 나지 않으면서도 충격을 흡수할 수 있다. 따라서 포장재, 농업용이나 공업용 필름으로 활용된다.

  HDPE와 LDPE의 밀도차이는 결합구조에 따라 달라진다. HDPE는 직선과 같은 체인형으로 연결되어 있다. 반면에 LDPE는 폴리머 체인에 곁사슬을 두고 있어 고분자와 결합력이 상대적으로 떨어진다. 이는 반데르발스 결합의 차이로 이어진다. 반데르발스 결합은 분자 내 끌어당기는 인력이나 척력을 말하는데, 저밀도 폴리에틸렌은 곁사슬이 많아 정렬에 방해가 되고, 이는 곧 반데르발스 결합의 약화로 이어집니다. 고분자간의 끌어당기는 힘이 약하기 때문에 유연하면서 투명성을 띄고 결정성은 낮다. 반면 고밀도 폴리에틸렌은 일직선 형태로 정렬해있어 서로간의 반데르발스의 힘이 강하며, 결정성이 크로 단단해 진다.

  이제 공정에 대해 알아보자.

 

2. LDPE에 대해 알아보자

출처 한국산업안전공단

LDPE공정은 크게 압축 -> 중합 -> 미반응 GAS분리와 순환 -> 제립 -> 이송 순으로 공정이 진행된다.

 

2.1 1차 2차 압축공정

 

출처 한국산업안전공단

주 원료인 에틸렌 가스를 3MPa 상온으로 1차 압축기에 공급하고, 여기에 일부 미반응 gas인 저압순환 gas(저압분리기에서 분리된 gas)를 합하여 24~25MPa까지 압축하여 고압순환 gas system에 주입한다. 미반응 고압순환gas(고압분리기에서 분리된 gas)와 1차 압축기에서 압축된 에틸렌 gas는 2차 압축기로 공급된다.

 

2차 압축공정에서는 1차 압축기에서 압축된 에틸렌 가스를 중합반응에 필요한 압력까지 상승시키고 미반응 에틸렌 gas를 순환시키는 공정이다. 2차 압축기는 미반응 고압순환 gas와 1차 압축기에서 압축된 에틸렌 gas를 중합반응에 필요한 압력까지 압축하여 냉각시킨 후 중합반응기로 공급한다.

 

2.2 중합 반응 공정 

출처 한국산업안전공단

2.2.1 Tubular 반응기 사용 공정

 

  반응기는 이중관으로 구성되어 있고 내관에는 중합반응이 일어나며, 외관에는 냉각수가 흐른다. 냉각수(hot water)는 발열반응인 에틸렌중합반응에서 중합열을 제어하기 위한 열전달 매체이다. 에틸렌 중합과정에서의 전환율은 생산되는 제품의 종류에 따라 차이는 있지만 약 20~25%이다. 종전에는 반응 개시제로는 공기가 사용되었으나, 현재는 유기과산화물(peroxide)가 전환율을 높이고자 사용되고 있다. Autoclave 반응기보다 반응열 제어가 쉬우며, 개시제는 약 3회정도 분산하여 주입한다. 

 

2.2.2 Autoclave 반응기 사용 공정

 

  4개의 zone으로 구분되고 교반기가 내장된 초고압용반응기로 1,2차 압축에 의해 압축된 에틸렌 gas와 반응개시제가 주입되어 중합반응이 일어난다. 이때의 반응개시제는 유기과산화물(peroxide)가 주로 사용되며, 주입펌프에 의해 반응기로 주입된다. 

 

2.3 분리/순환공정

 

출처 한국산업안전공단

 

미반응 gas 분리와 순환하는 공정이다. 반응기에서 미반응된 에틸렌은 반응기 후반부에서 압력이 강하된 후 고압 분리기에서 1차 분리되어 일부는 불순물의 축적을 방지하기 위해 에틸렌 정제시설로 보내지고, 나머지는 고압 압축기로 순환된다. 저압분리기에서 분리된 에틸렌은 승압압축기에서 압축되어 1차 압축기로 유입된다.

 

2.4 제립공정

 

  저압분리기 하부에는 압출기와 다공판이 있으며 3단계로 gas를 제거한 용융 폴링틸렌을 압축하여 수중절단기를 거쳐 펠렛 상태로 만든다. 수중에서 절단된 폴리에틸렌 펠렛은 원심 분리기에서 건조된 후 선별기를 지난 후 품질 검사조, 잔존 gas 제거조, 저장조등을 지나 출하된다. 

 

HDPE는 다음시간에 이어 알아보자