걸프만에 위치한 카타르 영해 ‘발랄유전’의 채굴 플랫폼 모습. 유전에서 채굴한 원유는 정유공장에서 나프타로 분리됩니다. [사진=AFP/연합뉴스]
우리 주위에 존재하는 대부분의 물건은 ‘원유’로 만들어진 것입니다. 플라스틱이 부품이나 포장재로 사용되지 않은 물건이 없고, 합섬섬유를 사용하지 않은 옷도 없습니다. 집이나 회사에 비치된 사무용품이나 생활용품도 플라스틱 소재가 사용되지 않은 것이 없습니다.
심지어 원목가구의 표면에 칠해진 투명한 니스도 석유화학제품이지요. ‘원유의 마술’이라고 할 수 있을 정도로 우리 생활과 연관된 대부분의 제품들은 원유로 만들어져 있습니다.
도대체 이 많은 제품들을 원유로 어떻게 만들었을까요? 이 모든 제품들이 원유를 가열해서 나온 부산물로 만든 것입니다. 산유국에서 수입한 천연 상태의 ‘원유(Crude Oil)’를 분리하면 다양한 ‘석유제품(Petroleum Products)’들이 생성됩니다. 원유를 분리하는 방법이 ‘가열’입니다. 쉽게 말하면 끓이는 것이지요.
원유의 주성분은 탄화수소입니다. 그래서 원유에는 탄소(C)가 하나 있는 메탄(CH4)부터 탄소가 여러 개 있는 중유, 벙커C유 등 여러 불순물이 섞여 있습니다. 이런 상태의 원유를 정유회사의 증류탑에 넣고 가열하면 석유가스(LPG)·가솔린·나프타(납사)·등유(석유)·경유·윤활유·중유 등의 석유제품과 찌꺼기가 발생합니다.
정유회사에서는 원유를 가열해 다양한 석유제품을 정제·분리합니다. 정유공장의 모습. [사진=아시아경제DB]
각 석유제품은 끓는점에 따라 분리됩니다. 가볍고 탄소 수가 적은 석유가스(LPG)는 끓는점이 30℃로 가장 먼저 분리됩니다. 그 다음은 자동차의 연료로 주로 사용되는 가솔린이 분리되는데 끓는점은 40~75℃, 가솔린 다음에 분리되는 나프타는 끓는점이 70~160℃입니다.
비행기 연료나 가정용 연료로 사용되는 등유는 끓는점이 150~240℃, 디젤엔진의 연료인 경유는 220~250℃, 윤활유 250~350℃, 중유는 350℃ 이상에서 각각 분리됩니다. 마지막에 남는 것이 찌꺼기인 아스팔트입니다. 끓는점이 높을수록 무겁고 탄소 수가 많습니다.
주로 선박의 연료 등으로 사용되는 중유는 보통 원유 부피의 30~50% 정도를 차지할 정도로 양이 많습니다. 중유의 품질은 비중(0.9~0.95)과 점도 등에 따라 A중유·B중유·C중유로 나누는데 C중유는 ‘벙커C유’로 불리기도 합니다. 대형 보일러나 대형 내열기관 등에서 가장 많이 소비되는 C중유가 점도가 가장 높습니다.
우리 주변에 가득 찬 플라스틱은 ‘나프타’를 재가열해서 원재료를 얻습니다. 정유사들이 원유를 가열해 분리정제하는 곳이라면, 석유화학회사는 나프타를 가열해 각종 석유화학제품들을 만들어내는 곳이지요.
나프타를 수증기와 함께 800~850℃로 가열하면 혼합물이 뜨거운 관에서 다수의 탄화수소로 분해되는데, 열분해된 탄화수소들은 다시 작은 분자로 합쳐집니다. 이 분자들은 다시 급랭공정에서 온도를 낮추고, 압축공정에서 압력을 높여줍니다. 이어 냉동공정을 거쳐 응축물을 분리한 후 분리정제를 통해 에틸렌, 프로필렌, 벤젠, 톨루엔 등의 기초유분을 생성합니다.
석유화학 공장에서는 나프타를 고온으로 가열해 벤젠 등 기초유분을 생산합니다. 석유화학 공장의 모습. [사진=아시아경제DB]
이런 공정을 ‘크래킹(craking)’이라고 하고, 이 과정을 수행하는 석유화학공장의 시설을 ‘NCC(naphtha cracking center)’라고 일컫습니다. 이렇게 생성된 에틸렌, 프로필렌, 벤젠, 톨루엔 등의 기초유분을 합성해 합성수지, 합성섬유 원료, 합성고무, 기타 정밀화학 중간재 등을 제조하게 됩니다.
‘크래킹’은 원료를 800~850℃로 가열해 다수의 탄화수소로 분해하는 ‘분해공정, 분해로에서 나온 물질을 약 400℃와 200℃로 두 차례 급랭해 가솔린 정류탑으로 보내는 ‘급랭공정‘, 분해가스를 약 36기압까지 압축하는 ‘압축공정‘, 수분이 제거된 기체를 프로필렌과 에틸렌 냉매로 단계적으로 냉각시키는 ‘냉각공정‘, 에틸렌·프로필렌·부타디엔·벤젠·톨루엔·자일렌 등으로 응축물을 분리하는 ‘분리정제공정’으로 이뤄집니다.
석유화학회사에서 만든 합성수지와 합섬원료, 합성고무 등이 가공업체로 보내져 플라스틱과 의류, 장난감, 화장품과 의약품 등이 생산되는 것입니다.
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아래는 2019년 8월 1일 뉴스입니다~
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금속을 대체하는 고성능 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱
흔히 플라스틱 하면 페트병, 플라스틱 장난감, 주방용품 등을 떠올리기 쉽죠. 그렇지만, 생활용품뿐만 아니라 전자제품과 자동차, 전기 부품으로도 사용되는 플라스틱이 있습니다. 특히, 전자제품과 자동차에 사용되는 플라스틱은 열에 좀더 잘 견딜 수 있는 ‘엔지니어링 플라스틱’이 사용됩니다.
엔지니어링 플라스틱은 용도와 종류에 따라 범용 엔지니어링 플라스틱, 슈퍼 엔지니어링 플라스틱, 탄소섬유강화 플라스틱 등으로 구분할 수 있는데요. 최근 전 세계 친환경 이슈 및 자동차 경량화 트렌드에 따라 무게는 더 가볍지만 강도는 더 강한 ‘엔지니어링 플라스틱’이 주목받고 있습니다. 오늘은 금속을 대체해 자동차 무게를 점점 가볍게 해주는 데 기여하고 있는 ‘엔지니어링 플라스틱’에 대해 알아보도록 하겠습니다.
#엔지니어링 플라스틱이란?
엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics)은 금속을 대체할 수 있는 고성능 플라스틱으로, 강도와 탄성, 내열성이 큰 플라스틱입니다. 내충격성, 내마모성, 내한성, 내약품성, 전기절연성이 뛰어나 생활용품과 전기전자제품, 그리고 항공기 및 자동차 구조재로 사용됩니다.
1958년 미국 듀폰사가 폴리아세탈(POM) 호모 폴리머를 ‘금속에 도전하는 플라스틱’으로 개발하기 시작하면서 ‘엔지니어링 플라스틱’이라는 단어가 사용되기 시작했는데요. 금속 재료의 우수한 점과 플라스틱 특유의 장점을 모두 가진 화학소재입니다.
엔지니어링 플라스틱 #종류 및 특징
범용 플라스틱은 대표적으로 PVC(Poly Vinyl Chloride), PS(Polystyrene), HDPE(High Density Polyethylene), PP(Polypropylene), ABS(Acrylonitrile, Butadiene, Styrene) 등을 꼽을 수 있는데요. 엔지니어링 플라스틱 5개를 꼽는다면, 폴리아미드(Polyamide), 폴리아세탈(Polyoxymethylene), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephtalate), 변성 폴리페닐렌옥사이드(polyphehyleneoxide)가 있습니다.
이들의 공통점은 분자량이 몇 십에서 몇 백 정도의 저분자 물질의 플라스틱과는 달리, 몇 십만에서 몇 백만이나 되는 고분자물질이라는 것입니다.
-폴리아미드(PA): ‘나일론’으로 마찰 마모성, 인장력, 내약품성, 난연성이 우수한 것이 특징입니다. 자동차 및 전기전자 부품, 기계부품, 의료용품, 식품포장 필름 및 낚시줄 등에 사용됩니다
-폴리아세탈(POM): 금속 기계부품과의 대체가 가장 활발한 소재로, 강도, 내마모성, 치수안정성이 우수합니다. VCR, 오디오와 같은 전기전자 부품, 자동차 도어락 및 와이퍼, 핸들류 및 기어류에 사용됩니다.
-폴리카보네이트(PC): 광학정보분야에 이용이 기대되는 소재로, 강도, 내열성, 내환성성이 우수해 정밀기계 부품에 많이 적용됩니다. 또한 흡습으로 인한 치수변화가 적고 온도변화에 안정된 특성으로 전기전자분야, 자동차 외장품, 카메라, 시계 등 기계분야 및 인공장기 등의 의료분야에 이용 됩니다.
-폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT): 강도, 내열성, 전기절연성이 뛰어나 전기 및 전자부품, 자동차 부품 등에 사용됩니다.
-변성 폴리페닐렌옥사이드(PPO): 우수한 강도, 치수안정성, 전기적 특성, 그리고 최저 -40℃~ 최고 130℃의 넓은 사용온도를 가지고 있습니다. 커넥터, 스위치 등 전기, 전자부품, 호일커버, 자동차 부품 등에 사용됩니다.
고성능 플라스틱 #슈퍼 엔지니어링 플라스틱
일반적인 범용 엔지니어링 플라스틱은 내열온도가 100°C 이상이며, 150 °C 이상의 고온에서도 연속 사용할 수 있는 엔지니어링 플라스틱은 ‘슈퍼 엔지니어링 플라스틱’으로 분류합니다.
대표적인 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로는 폴리이미드(Polyimid), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리아미드이미드(Polyamide-imide), 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone), 액정폴리에스테르(Liquid-Crystal Polyester) 등이 있으며, 특성에 따라 용도가 다르게 사용됩니다.
슈퍼 엔지니어링 플라스틱은 높은 내열성과 뛰어난 강도, 내약품성, 내마모성으로 엔진 및 엔진관련 고내열 부품, 전기전자 정밀부품, 펌프 및 배기가스 밸브 등에 사용됩니다.
강철을 대체하는 #탄소섬유강화 플라스틱
내열성과 강성을 강화하기 위해 유리섬유나 탄소섬유를 결합하기도 하는데요, 탄소섬유강화 플라스틱은 철보다 75% 가벼우면서도 강도와 탄성은 각각 10배, 7배 우수한 특성을 지니고 있어 철을 대체하는 차세대 경량 소재로 각광받고 있습니다.
또, 1,300°C에서 탄소섬유 가열 과정을 거치며, 강철 대비 인장 강도가 40배 상승하여 높은 강도와 강성을 요구하는 자동차 프레임과 엔진커버 등에 사용되고 있습니다.
우리가 생활 속에서 자주 접하는 ‘범용 플라스틱’, 전기전자제품과 자동차 부품 등에 사용되는 ‘엔지니어링 플라스틱’, 고내열성으로 자동차 엔진과 정밀 부품에 사용되는 ‘슈퍼 엔지니어링 플라스틱’, 그리고 강철을 대체하는 ‘탄소섬유강화 플라스틱’까지. 플라스틱도 그 종류와 용도에 따라 다양하게 발전하고 있습니다.
플라스틱 소재의 발전은 지구 온실가스 배출량의 25%를 차지하고 있는 자동차 산업에서 탄소배출을 줄이고 에너지 소비를 낮추는 데 기여하고 있다는 사실도 함께 기억해 주세요!