2021. 08. 27
분체도료나 페트병 필름, 코팅제 등에 사용되는 NPG(NeoPentylGlycol, 네오펜틸글리콜)는 안정적이며 산(Acid)과 축합반응(유기 화학물의 두 분자 또는 그 이상의 분자가 반응하여 새로운 화합물을 만드는 반응을 말하며 물이 함께 생성됨)할 때 반응 속도가 빠릅니다. 또 뛰어난 광택성, 약품에 잘 견디는 내약품성 및 잘 썩지 않는 성질인 내후성 등을 지녔습니다. 이런 특징을 가진 NPG는 우리가 흔히 볼 수 있는 자동차 휠의 녹과 부식을 막고 휠을 보호하기 위한 분체도료로 쓰입니다.
분체도료는 쉽게 말해 용제, 물 등의 희석제를 포함하지 않은 분말 형태의 도료인데요. 휘발성 유기 용제를 포함하지 않아 친환경 도료로 쓰이고 있습니다. NPG는 이소부틸알데히드(Iso-Butylaldehyde)와 포름알데히드(Formaldehyde)를 반응하여 생성됩니다. NPG를 아디프산(Adipic acid), 테레프탈산(Terephthalic acid) 및 무수프탈산(Phthalic anhydride) 등의 산과 함께 축합반응해 폴리에스터(Polyester)로 제조됩니다. 조금 더 자세히 NPG가 만들어지는 공정을 그림으로 살펴볼까요?
NPG의 주원료인 이소부틸알데히드(Iso-Butylaldehyde)와 수소(H2)등을 원료에 사용해 알돌반응(Aldol reaction, 알데히드또는 케톤이 2분자 반응하여 β-히드록시알데히드 또는 β-히드록시케톤 등 알돌을 생성하는 반응) 및 수소 첨가 반응으로 정제한 뒤 플레이크(flake) 제품과 물 10%, NPG 90% 등의 제품으로 생산됩니다.
NPG의 공정은 크게 알돌 공정, 수첨 공정, 정제 공정 3단계로 이루어지는데요.
알돌공정에서는 이소부틸알데히드와 포름알데히드(Formaldehyde)의 반응으로 NPG의 전구체인 HPA(Hydroxy pivaldehyde)를 제조하고 다음 수첨 공정에서 HPA에 수소를 반응시켜 NPG를 합성합니다. 마지막으로 정제 공정에서 정제칼럼(액체를 주입하여 불순물을 제거하는 방법)에서 불순물을 제거한 뒤 NPG제품을 생산합니다.
NPG의 구조를 살펴보면 베타(β) 위치에 수소가 없어 외부적인 내열성, 내후성, 내약품성 등으로부터 안정적인데요. NPG가 산과 반응해 폴리에스터로 제조됐을 때 가수분해(물과 반응해 산 혹은 알카리로 분해되는 반응) 안정성이 우수해 내화학성*과 내약품성*이 우수합니다. 더불어 분자가 대칭 구조를 이루어 열 안정성이 우수합니다.
*내화학성: 물질이 화학적 물질이나 처리에 견디는 정도. 화학 반응이 일어나려는 정도를 반응 속도로 나눈 값. 외관, 크기, 기계적 성질의 변화 따위에 따라 평가됨
*내약품성: 산, 알칼리 등의 화학약품에 견디는 성질의 총칭.
NPG는 포화폴리에스테르수지(Saturated Polyester Resin), 불포화폴리에스테르수지(Unsaturated Polyester Resin), 특수 아크릴레이트(Specialty Acrylates) 그리고 폴리우레탄(Polyurethane) 등 크게 네 가지 용도로 나눌 수 있습니다. 그 중 포화폴리에스테르수지가 차지하는 비중이 50%로 가장 많고 다음으로 큰 비중을 차지하는 것은 불포화폴리에스테르수지이며 폴리우레탄 그리고 특수 아크릴레이트 순으로 사용 비중을 차지합니다.
포화폴리에스테르수지는 대부분 도료 분야에 많이 사용되는데요. 도료 특성에 따라 PCM(Pre Coated Metal)과 파우더 코팅(Powder Coating)용으로 나눌 수 있습니다. 최근에는 음료 및 포장 제품에 사용되는 수축성 페트 필름용으로도 사용됩니다.
불포화폴리에스테르수지는 최대 온도 200도에서 반응되며 수지가 형성될 경우 체인에 이중결합이 생겨 상온에서 항상 고체 상태를 유지하게 됩니다. 욕조, 물탱크, 자동차의 차제 부분 등의 고강도 내수성, 성형성 등을 요구하는 제품에 주로 사용됩니다.
또 NPG는 방수 코팅 또는 접착제용으로 사용되는 폴리우레탄의 중간체인 폴리에스테르 폴리올(Polyester polyol)의 원료로 사용됩니다.
NPG는 제품 특성상 보관 시 딱딱하게 굳는 케이킹(Caking) 현상이 발생할 수 있어 제품 생산할 때나 보관 시 각별한 주의가 필요한 제품입니다. 딱딱하게 굳는 원인으로는 여러 가지가 있는데 흡습성이 매우 강하기 때문에 습한 대기에 노출도 그 원인 중 하나로 꼽힙니다. 제품 입자 구조가 약해 잘 부스러지고 입자가 뭉칠 수 있어 장기 보관 시 조심해야 합니다. 또 플레이크 제품을 만들 때 제품을 식히는 쿨링 온도가 높으면 포장 보관할 때 굳을 수 있습니다. 입자 구조가 작게 분쇄되었을 경우에도 뭉침 현상이 늘어날 수 있습니다. 이 외에도 포장이나 보관 시에 제품이 굳는 현상이 발생하는 원인이 있습니다.
NPG제품이 굳는 현상을 방지하기 위해 제품 생산 시 아주 낮은 온도로 제품을 쿨링하고 제품의 입자 사이즈를 적당히 유지할 수 있도록 유의합니다. 포장 시에는 건조한 상태를 항상 유지하고 제품 보관은 건조한 곳에 보관합니다. 포장을 개봉한다면 즉시 사용하는 것이 바람직하며 제품을 2단 이상 적재하지 않도록 하는 보관 시스템을 지켜야 합니다.
요즘에는 화학 원료로 만든 NPG 소재를 넘어 바이오 밸런스드 NPG소재가 개발되었습니다. 바이오 밸런스드 NPG는 기존 NPG 화학 원료의 일부를 재생 가능한 원료에서 추출해 바이오 원료로 만든 제품입니다. NPG 소재는 건설이나 가전제품 코팅 등 코팅 분야에선 필수적인 소재입니다. 글로벌 시장에서도 지속해서 필요한 NPG소재를 친환경 소재로 개발해 사용한다면 지속가능성에 기여할 수 있으리라 기대합니다.
바이오 밸런스드(Bio-balanced) NPG는 재생 가능한 식물성 기름에서 추출한 재생원료(Renewable feedstock)인 바이오 재생 원료(Bio-renewable feedstock)를 일부 사용해 생산한 NPG 소재를 말합니다. 이렇게 생산된 바이오 밸런스드 NPG는 친환경 바이오 제품의 지속가능성을 입증하는 국제인증 제도 ISCC+ 인증을 획득했다고 합니다. 바이오 제품을 연구하고 개발하는 것은 온실가스를 줄일 수 있는 한 단계의 움직임입니다. 화학 기반의 원료들을 재생 가능한 친환경 원료로 대체한다면 우리의 지구는 더 건강해질 수 있습니다.
바이오 밸런스드 NPG만이 아니라 다양한 제품들에 바이오 원료를 적용하려는 노력을 생겨나고 있습니다. 관련 업계 종사자들은 단순히 소재의 기능을 높이는 데만이 아니라 꾸준히 지속가능한 소재를 연구하고 개발해야 할 것입니다. 탄소배출량은 줄이고 지구의 생태계를 되살리는 일은 우리 모두의 중요한 사명이기 때문입니다. 석유화학 사업에서 친환경 소재로 그 중심이 바꾸는 데 많은 분들이 관심을 가지고 노력해주길 기원합니다.
감수: LG화학 아크릴CS팀 박근영 선임
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