플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

KEIT 한국산업기술평가관리원이 정밀화학분야인 기능성 고분자 첨가제의 글로벌 산업동향을 살펴보고 기술 개발 방향을 제시하기 위해 보고서를 발표했다. 기술 수준에 따라 범용제품과 스페셜티 제품 간 큰 격차가 발생하는 산업의 특성상 고부가가치화를 위한 끊임없는 노력이 필요한 기능성 고분자 첨가제 분야에 대해 보고서에서는 다양한 경쟁력 확보 방안을 다루고 있어 눈길을 끈다.

*자료 : KEIT 한국산업기술평가관리원
*저자 : KEIT 화학공정 PD실 한정우 PD/ KRICT 노승만 책임연구원/KEIT 화학공정 PD실 성기은 전임연구원

기능성 플라스틱 고분자 첨가제의 산업별 응용 분야

기능성 가소제의 대표적인 분류

충격보강제/가공보완제의 대표적인 분류

산화방지제의 대표적인 분류

1. 기능성 첨가제의 개요
기능성 첨가제란 고분자 소재의 특징과 장점을 손상하지 않으면서, 제조 과정과 용도에 맞도록 가공성과 물성을 개량할 목적으로 열적, 기계적, 전기적, 광학적 특성을 보완하기 위해 사용하는 첨가제를 통칭한다.
현재 기능성 첨가제는 고분자 응용 플라스틱, 고무소재, 필름, 코팅, 도료, 잉크, 점/접착제 등 국가 주력산업분야의 다양한 다운스트림 제품에 적용되고 있다. 이들 첨가제는 주로 강도, 탄성, 내충격성, 내마모성, 내열성, 내한성, 내약품성, 전기절연성이 높은 엔지니어링 플라스틱 소재에 산화방지, 난연성, 광안정성, 내충격성 등의 기능성을 부여하는 역할을 하며 코팅, 도료, 잉크, 점/접착제 등 고분자 가교화 개시 및 유변학적 거동 제어, 자외선 안정성, 흐름성 제어 기능을 제공하기도 한다.
최근 들어 정밀화학기반 첨가제는 시장의 고급화, 다기능화, 환경 및 보건안전에 적합한 기술개발 진전을 이어가고 있다. 또한 경량화와 에너지절감의 니즈, 셰일가스 붐으로 인한 플라스틱, 고분자 소재 사용이 증가됨에 따라 시장 경제차원의 확장도 이뤄지는 분위기다.
본 리포트는 시장규모가 큰 반면 국내 기술개발의 취약분야인 가소제, 난연제, 충격보강제/가공보완제, 산화방지제, 개시제, 안정제 등 6대 첨가제 분야에 대하여 북미 및 유럽지역 시장을 중심으로 검토하고자 한다.
먼저, 가소제란 고분자 플라스틱 제조 시 제품에 적합한 가소성을 부여하는 첨가제로서 85% 이상 PVC 생산에 적용되며 프탈레이트계와 비프탈레이트계로 구분할 수 있다. 난연제란 불이 잘 붙지 않는 내염 특성을 갖는 첨가제로 화재 시 다른 곳으로 불이 번지는 것을 막아주며 할로겐계와 비할로겐계로 구분된다.
충격보강제/가공보완제는 플라스틱 컴파운딩과 가공 시 단단함을 증가시켜 효과적으로 강도를 보강함으로써 창틀 프로파일, 파이프, 튜브, 의학도구 등에 적합한 특성을 제공하며 다양한 응용계로 나뉜다.
또한 산화방지제는 고분자 소재가 산화할 수 있는 외부환경에서 산화를 억제해주는 기능성 첨가제로 자유라디칼 생성을 막아주어 빛과 열에 대한 안정성 높여주는 기능을 제공하고, 유기과산화물 개시제란 고분자 광반응과 열반응 중합 가교화 사슬반응을 촉진시키는 반응성 촉매로서 반응속도의 인위적 제어를 통하여 새로운 화학적 구조를 얻을 수 있는 고부가가치 첨가제의 기술을 뜻한다.
한편, 안정제는 외부에서 고분자 소재에 전달되는 자외선을 차단해주는 동시에 내후성과 빛, 열에 대한 저항성을 제공해 제품 수명주기를 높여주는 필수적인 기능성 첨가제로 평가받고 있다.

안정제의 대표적인 분류

유기 과산화물 개시제의 대표적인 분류

2. 기능성 첨가제의 특징
고분자 플라스틱 첨가제의 밸류체인은 기초원료 업스트림과 완제품 다운스트림 중간의 미드스트림 내에 위치하며 고부가가치 창출이 가능한 제품 분야에 속한다.
기능성 첨가제는 적용 배합물질과의 상용성, 외관, 가공성능이 우수해야 하며 분해 또는 휘발하지 않고 그 특성을 지속적으로 유지해야하는 기능이 필수적으로 요구된다.
이와 더불어 고분자 소재 또는 합성수지 가공을 용이하게 하고 최종제품 성능을 개량하기 위해 가공이나 중합과정에 첨가되어 소재의 취약성을 보완하고 특성을 보강하는 역할을 한다.
기능성 첨가제는 역할에 따라 개질제, 안정제로 분류할 수 있다. 개질제는 고분자 플라스틱 물성을 개선하거나 새로운 특성을 부여하는 첨가제로 사용되며 안정제는 성형가공 시 열, 빛, 산소 등 외부 요인에 의해 물성이 저하되는 것을 막아주는 역할을 수행한다. 기능성 첨가제를 선택하고 적용되는 양을 결정할 때는 가격, 성능비교, 고분자 상용성, 고분자 물성 영향 인자, 가공 시 안정성, 화학적 활성, 인체 독성 여부에 대한 평가가 먼저 이뤄져야한다.
이들 기능성 첨가제는 특성에 따라 중합반응 시 단량체에 적용, 중합반응 후 고분자계에 첨가, 컴파운딩 시 적용, 고분자 가공공정 중 첨가 등 다양한 방법에 의하여 기능성 첨가제의 특징을 발현할 수 있다.
먼저 가소제는 고분자 사이에 침투하여 고분자의 분자간 인력을 약하게 함으로써 분자 움직임을 용이하게 만들어 유리전이온도를 낮춰준다. 이를 통해 고분자의 유연성을 부여하고 가공성을 높여주는 역할을 하는데, 휘발성이 낮고 내열성이 우수해야 한다는 특징이 있다.
난연제는 연소하기 쉬운 성질을 가진 플라스틱의 물리화학적 특성을 개선하여 잘 타지 않도록 첨가하는 물질로, 첨가형과 반응형으로 구분된다. 첨가형은 난연제 첨가로 난연성을 향상시키는 반면, 반응형은 화학반응을 통해 난연성을 높여준다.
충격보강제/가공보완제는 고분자 플라스틱 소재의 물리적 성질을 향상시켜 기계적 강도와 경도를 증진한다. 이를 통해 외부에서 전달되는 충격을 분산함으로써 쉽게 깨지거나 휘어지지 않도록 기능을 제공하는 것이다.
또한 산화방지제는 공기와 접촉하는 표면에서 발생하는 산화반응 제어로 압출 및 성형가공이나 코팅 적용 시 열, 기계적 전단력, 빛 등에 의해 발생되는 자유 라디칼을 차단하여 고분자 플라스틱의 열화 진행을 막아 본래 특성을 유지시켜 주는 기능을 한다.
유기과산화물 개시제는 고분자의 가교화에 필요한 자유 라디칼을 만들 수 있는 개시 역할의 기능성 첨가제로 열경화성 소부, 엘라스토머 가교, 열가소성 플라스틱 등 가교 개시제의 자체 반감기 특성을 활용한다.
끝으로 자외선 안정제는 빛, 열에 의한 화학반응을 제어하는 기능성 첨가제로, 300∼340㎚ 범위의 자외선을 연쇄적인 반응에 의해 스스로 흡수하여 차단하는 특징을 갖는다. 이를 통해 자외선 안정제는 범용 플라스틱을 가공 또는 사용할 때 열, 산소 등에 의해 탈염화수소반응 분해가 일어나는 것을 방해해줌으로써 분해요인을 저감시키는 기능을 제공하게 된다.
기능성 첨가제 공급망은 주로 수입 원재료를 최종 가공하여 판매하는 소량 다품종 제품군으로, 다양한 산업현장 적용에 필요한 테스트 마케팅을 통한 설계, 보완, 최적화 배합, 물성 및 신뢰성 평가가 필요한 분야이다.
따라서 수요제품의 특성, 공정, 원가, 품질안정성, 환경/보건 이슈 등을 고려하여 기능성 첨가제를 결정해야하며, 이러한 과정은 첨가제 물성, 적용 소재제품 물성 해석, 제조공정 시뮬레이션, 장기 신뢰성 평가로 구성된 정밀화학소재와 엔지니어링 융합화 기술의 주요 모델이라 할 수 있다.

가소제의 기능

난연제의 기능

충격보강제/가공보완제의 기능

산화방지제의 기능

유기과산화물 개시제의 기능

자외선 안정제의 기능

기능성 첨가제의 제품 응용 프로세스 및 구현 특징