[여러가지 화합물]고분자 화합물 1부

인간은 오래전부터 자연에서 얻어지는 고분자 화합물을 이용해 왔다. 즉 집 지을 때 쓰는 셀룰로오즈(나무, 짚), 음식에 쓰이는 녹말(옥수수, 감자) 그리고 단열을 위한 단백질(피부, 머리카락). 그러나 20세기 중반에 들어서 합성 고분자 화합물의 합성이 급속하게 발달되어 이러한 자연의 고분자는 합성 고분자로 대체 되었다. 비닐 판자나 거품 등이 집 지을 때 쓰이고 나이론, 올론, 그리고 폴리에스터 섬유가 옷감에 쓰이고 운송에 쓰이는 합성 타이어, 가방에 쓰이는 폴리에틸렌이나 거품 등이 쓰이고 있다. 이러한 합성 고분자 대부분은 유기 고분자 물질이다.

화학 공업이 성공적으로 발전한 이유 중의 하나는 매우 다양한 물리적 성질을 특별한 작용에 맞도록 고분자를 경제적으로 합성하는 방법을 개발한 것이다. 초기 산업화 시기의 사람들은 플라스틱(plastic : 가소성-열이나 압력 등에 의하여 여러 모양으로 성형할 수 있는 성질)이라는 단순한 이라는 이름이 유용한 성질에 비하여 걸맞지 않아 보다 나은 이름으로 만들려고 시도하기도 하였다. 그러나 1951년에 공식적으로 가소성을 갖는 물질이라는 의미로서 복수 집합을 의미하는 플라스틱(plastic)으로 최종이름이 확정되었다.

고분자 화합물의 물리적 성질

1930년부터 화학자들은 특별한 성질을 가진 물질들을 대규모로 생산하고 자 고분자를 합성하기 시작하였다. 고분자 화합물은 주로 공유결합으로 이루어진 분자성 물질로 이온성 물질이나 금속과는 크게 다른 성질을 가지고 있다. 보통 화합물들은 분자의 질량, 끓는점, 녹는점 등이 일정하지만 고분자 화합물은 분자의 질량, 끓는점, 녹는점 등이 일정하지 않으므로 분리하거나 정제하기가 어렵다. 

또한 고분자 화합물들은 일반적으로 용매에 녹기 어렵고 특정한 용매에만 녹는데, 녹더라도 끈적끈적한 점성이 있는 용매가 된다. 고분자 화합물은 열, 전기, 및 공기에 대하여 화학적으로 안정하므로 반응성이 거의 없으며, 화합약품에 잘 견딘다. 분자의 질량이 작은 화합물은 고체, 액체, 기체 상태로만 존재하지만 고분자 화합물은 기화하기 전에 분해 되므로 고체나 액체상태로 존재하며, 기체상태로는 존재하지 않는다.

플라스틱의 합성방법

플라스틱은 분자의 질량이 작은 분자들이 수없이 많이 결합하여 이루어진 고분자 화합물이다. 고분자를 형성하는 작은 분자를 단위체(monomer)라 하고, 단위체를 결합시켜 고분자 물질을 만드는 반응을 중합(polymerization)이라 하며, 이때 만들어진 고분자 화합물을 중합체(polymer)라고 한다. 중합체를 만드는 방법에는 다음과 같이 첨가중합반응과 축합중합반응의 두 가지가 있다.

1. 첨가중합반응 (Addition Polymerization)

선형 고분자들은 단위체들을 순서대로 쭉 연결함으로서 얻을 수 있는 데 이때 이차원 혹은 3차원적인 교차결합이 없어야 한다. 가장 간단하면서도 널리 이용되는 것으로 폴리에틸렌 (polyethylene)을 들 수 있다. 고분자 사슬이 1,000개 이상이 되면 점차 딱딱한 고체상태가 되고 여러 가지 방법으로 성형이 가능하게 된다.

첨가 중합은 양이온, 라디칼 혹은 음이온 조건에서 개시될 수 있다. 각 경우에 있어서 규칙은 같다. 개시단계에서는 알켄에 개시제가 첨가된다. 이것은 반응성이 큰 중간체인 카보양이온, 라디칼, 카보음이온이 된다. 전개단계에서는 반응성이 큰 중간체가 또 다른 알켄에 첨가된다. 이 과정이 반복된다.

 

2. 라디칼 중합반응

만일 라디칼 개시제 대신 적당한 산에 의하여 첨가중합반응이 진행되는 경우를 특별히 양이온 중합반응이라 하는데 다음 그림과 같이 반응이 이루어 진다.

1) 폴리스타이렌 : 폴리스타이렌은 스타이렌을 라디칼 중합하여 얻어진다. 폴리스타이렌의 평균 분자량은 2백만이다. 성형하여 여러 가지의 가정용기구, 라디오, 텔레비전과 컴퓨터의 케이스에 사용된다.

스티로폼은 끓는점이 낮은(펜테인) 소량의 용매에 폴리스타이렌을 녹여서 만든다. 끓는점이 낮은 첨가제는 증발하고, 중합체가 식으면서 증기가 방울로 구멍을 만들며 그 속에 잡힌다. 최근에는 이산화탄소를 방울을 만드는데 쓴다. 스티로폼은 매우 가볍고 단열성이 좋아서 건축물이나 냉장고 냉동고에 단열재로 쓰인다.

2) 폴리에틸렌: 에틸렌을 폴리스타이렌과 같이 라디칼 중합하면 폴리에틸렌을 얻는다.

폴리에틸렌은 선형 중합체이며 메틸렌기가 긴 쇄를 이루는 중합체이다. 그러나 연쇄반응 중에 상당한 양의 가지가 생기고 이러한 가지는 100oC이하에서 녹는 비결정중합체를 만들고 낮은 비중의 폴리에틸렌(LDPE)이라 알려져있다. LDPE는 필름, 포장용기 등에 쓰인다. 높은 비중의 폴리에틸렌(HDPE)는 가지가 거의 없으므로 비중이 크고 녹는점이 높다. 이것은 단단한 물성을 가지며 특히 용기나 병을 만드는데 쓰인다.

3) 폴리비닐클로라이드 (PVC): 비닐클로라이드를 라디칼 중합을 하면 PVC를 얻는다. PVC는 가정 혹은 공장배관의 플라스틱 관에 주로 쓰인다. 비닐클로라이드와 1,1-디클로로에텐을 공중합하면 투명한 판을 만들 수 이다. 이 과정에서 생성된 제품은 사란랩(saran wrap이라는 이름으로 팔린다.

4) 테프론 (Teflon) : 테트라프푸오로에틸렌을 라디칼 중합을 하면 디프푸오로에틸렌의 선형 사슬를 얻을 수 있고 이것은 테프론이라는 이름으로 상품화 되어 있다. 탄소-불소 결합은 매우 강하므로 이 물질은 매우 반응성이 없다. 불소의 비공유 전자들은 비극성이므로 사슬간의 정전기를 적게 한다. 그러므로 테프론은 사슬 간에 인력이 매우 적으므로 미끄러운 성질을 갖는다. 테프론은 프라이팬에 코팅제로 쓰이고 스포츠 경기장 건믈의 지붕으로도 사용된다.

테트라프루오로에텐                       테프론

테프론은 “숨쉬는” 그러나 방수도 되는 신발이나 옷을 포함한 고어-텍스 상품을 만드는 섬유를 만드는데 쓰이기도 한다.

5) 폴리아크릴아마이드 (Polyacrylonitrile): 아크릴아마이드(CH2=CH-CN)의 중합반응으로 생성되는 매우 단단한 물질은 의류에서부터 운동 경기장의 인공 표면으로 쓰인다. 일반명으로는 아크릴릭 섬유라 부르고 상품명으로는 올론(Orlon)혹은 아크리란(Acrilan)으로 부른다.

6) 폴리메틸메타크릴레이트 [Poly(methyl methacrylate)]: 메틸 메타그릴레이트(methyl 2-methylpropanoate)의 에스테르를 라디칼 중합하면 프렉시그라스나 루사이트를 만드는 데 사용되는 고분자를 만들 수 있다. 프렉시그라스는 투명성이 좋고 강도가 매우 크다. 그러므로 바람막이 유리대신에 사용되고 학키 링크나 반탄 유리로도 쓰인다.

3. 양이온 중합반응

알켄을 양이온 중합반응하는 것은 개시제로 쓰이는 카보양이온이 안정할 때매우 실용적이다. 예를 들어 이소부틸렌이 진한 황산, 혹은 삼불소화 보론 같은 친전자체와 반응하여 t-부틸 양이온이 생성된다. 이러한 카보양이온은 또 다른 이소부틸렌과 반응하고 이러한 과정을 되풀이 하면 폴리이소부틸렌이 된다.

낮은 분자량의 폴리이소부티렌은 주로 종이의 접착제로 쓰이고 높은 분자량의 폴리이소부티렌은 부틸고무라 부르고 고무타이어의 내부 튜브에 사용된다.

 

4. 음이온 중합반응

음이온도 어떤 알켄의 중합반응을 개시하는데 사용될 수 있다. 음이온 중합반응에서 개시제는 일반적으로 그리니아 시약이나 유기리튬 시약 같은 강한 친핵체이어야 한다. 이와 같은 양이온은 알켄에 첨가되는 것은 일반적으로 알켄이 친전자체와 첨가되는 반응과는 다르다.

 

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