HDPE와 LDPE의 특징

비타민을 담은 몇몇 통 아래에 보면 HDPE라고 적혀 있다. 이 문자를 보고 문득 이런 생각이 들었다. '대부분의 포장지는 폴리에틸렌(PE)로 구성되어 있는데, 이것도 플라스틱의 한 종류인 PE의 하나가 아닐까?' 그와 관련된 내용들을 찾아보고 글을 정리해보았다.

1. PE와 에틸렌 그리고 에틸은 무엇인가?

PE는 Polyethylene의 약자로, 수많은 에틸렌 단량체가 결합된 고분자를 말한다. (C2H4)n의 화학식으로 표현되며, 0.88~0.96 g/cm3의 밀도를 가진다.

폴리에틸렌 구조식

3D로 그린 폴리에틸렌

여기서 Poly-는 많음을 뜻하는 접미사이며, ethylene은 C2H4라는 화학식을 가지는 가장 간단한 에틸렌계 탄화수소를 말한다.

에틸렌 구조식

3D로 그린 에틸렌

-ene는 화학식에서 불포화 탄소 화합물에 붙는 접미사라는 것을 이 글(https://mspproject2023.tistory.com/298)에서 알 수 있다.

물질의 구성에 대하여. (화합물 및 원소류 정리)

그럼 ethyl은? 수소 원자 하나를 잃은 에탄(ethane)으로부터 공식적으로 파생된 일가 탄화수소기를 말한다. 그래서 정확하게는 에틸기(Ethyl group)라고 부르는게 좋다.

벤젠의 에틸화

화학에서, 에틸기는 에탄(C2H6)에서 파생된 알킬(alkyl) 치환기를 말한다. 정확하게는 위에서 말했듯 에탄 분자에서 수소원자 한 개를 제거한 나머지 부분을 말하는 것이다. 그럼 아래의 공식이 성립하게 된다.

에탄 분자=에틸기 + 수소 원자 1개

에탄의 구조식

에틸기 자체는 수명이 짧으며, 단독으로 존재하기도 하지만 보통 염화에틸, 에틸알코올(에탄올)과 같이 에틸이 들어간 화합물들의 합성 재료로 이용된다. 에틸화에서 가장 유명한 예시는 벤젠을 에틸렌과 함께 에틸벤젠으로 에틸화하는 것이다.
요약하면, 벤젠을 에틸화시킬 때 이용되는 에틸렌을 중합시키면 고분자 화합물인 폴리에틸렌이 된다.

2. 그럼 이렇게 중합된 PE는 어디에서 쓰일까?

이 고분자 물질은 산소를 막아주기 때문에 주로 비닐 봉지, 플라스틱 필름, 차단재로 쓰이는 지오멤브레인(Geomembrane), 플라스틱 용기 등과 같이 제품을 포장할 때 주로 사용된다. 또 장난감이나 방탄조끼를 만들 때도 사용하며, 식품 포장재나 내부 코팅재로도 쓰인다.
2017년 기준으로 연간 1억 톤 이상의 폴리에틸렌 수지가 생산되었으며, 이는 전체 플라스틱 시장의 34%를 차지하는 양이다!!

3. PE의 종류에는 어떤 것들이 있을까?

폴리에틸렌은 각각의 밀도와 분지(分枝, branching)에 따라 분류되며, 각각의 특성은 분지의 유형과 범위, 결정 구조, 분자량과 같은 변수에 따라 크게 달라진다.

영명	한명	약어	재료
Ultra-High-Molecular-Weight PolyEthylene	초고분자량 폴리에틸렌	UHMWPE	초고강도섬유, 방탄복, 인공관절, 베어링 등
Ultra-Low-Molecular-Weight PolyEthylene	초저분자량 폴리에틸렌	ULMWPE PE-WAX	팔레트. 연료탱크, 파이프, 포장필름 등
High-Molecular-Weight PolyEthylene	고분자량 폴리에틸렌	HMWPE	마모 부품, 내마모성 부품, 도마 등
High-Density PolyEthylene	고밀도 폴리에틸렌	HDPE PEHD	팔레트, 운반용이, 장난감, 야외용 의자, 우유용기, 비닐쇼핑백 등
High-Density cross-Linked PolyEthylene	고밀도 가교 폴리에틸렌	HDXLPE	배관 등
cross-Linked PolyEthylene	가교 폴리에틸렌	PEX XLPE	배관, 낸난방 시스템, 고전압 전기 케이블 등,석유 및 화학물질 운송용 용기, PVC 대체품
Medium-Density PolyEthylene	중밀도 폴리에틸렌	MDPE	가스 호스, 자루, 수축 필름, 포장 필름, 나사 고정용 베어링 등
Linear Low-Density PolyEthylene	선형 저밀도 폴리에틸렌	LLDPE	농업용 및 공업용 필름, 가정용품 뚜껑, 포장필름, 물탱크 등
Low-Density PolyEthylene	저밀도 폴리에틸렌	LDPE PELD	주방용기 뚜껑, 인조잔디, 종이 코팅, 타포린 코팅, 연포장 코팅 등
Very-Low-Density PolyEthylene	초저밀도 폴리에틸렌	VLDPE	호스 및 배관, 냉동 식품 봉투, 식품 포장 랩, 충격 보강재 등
Chlorinated PolyEthylene	염소화 폴리에틸렌	CPE PE-C	PVC 제품의 충격 완화제

이 중 산업계에서 가장 많이 파는 폴리에틸렌은 HDPE, LLDPE, LDPE이다. 그럼 이제 HDPE와 LDPE의 차이를 알아보자.

4. HDPE와 LDPE의 차이는?

미리 요약하자면 HDPE와 LDPE의 차이는 밀도의 정도라고 할 수 있겠다.

우선 HDPE로 불리는 고밀도 폴리에틸렌은 단량체 에틸렌으로 만들어진 열가소성 폴리머이며, 밀도는 940 kg/m3이다. 강도 대 밀도비가 높아 페트병, 내식성 배관, 지오멤브렌, 플라스틱 목재 제조에 사용되며, 병, 컵, 우유잔 등의 재료로도 사용된다. 일반적으로 재활용할 수 있으며, 미국 수지 식별코드는 2다.

LDPE로 불리는 저밀도 폴리에틸렌은 단량체 에틸렌으로 만들어진 열가소성 플라스틱이며, 높은 유연성과 탄성을 지니기 때문에, 비닐, 소형 용기, 튜빙, 음료수를 묶기 위해 사용하는 식스팩링이 등의 재료로 사용된다. 밀도는 917~930 kg/m3 정도이다. 미국 수지 식별코드는 2다. 1933년 영국의 제국 화학 산업(Imperial Chemical Industries)에서 개발했기에, LDPE는 최초의 합성된 폴리에틸렌이라는 의의를 가진다.