[여러가지 화합물]고분자 화합물 2부

고무

열대지방에서 재배되는 고무나무의 껍질에 상처를 주면 수액이 흘러나오는데, 이것을 라텍스(latex)라고 한다. 라텍스에 아세트산이나 포름산을 가해 응고시킨 것을 생고무 혹은 천연고무라고 한다. 이 천연고무를 분해하면 이소프렌 이라는 물질이 얻어지는 것으로 천연고무는 이소프렌의 첨가중합체임을 알 수 있다.

이소프렌을 라디칼 혹은 양이온 중합반응으로 합성천연고무를 만들려는 많은 시도가 있었으나 두 가지 이유로 실패하였다. 첫째는 대부분의 시도로 생성된 것은 다소 비결정 고분자인 트랜스-폴리이소프렌(천연고부는 시스형태임) 이었다. 두 번째 이유는 중합반응 중에 고분자 사슬에 상당량의 가지가 생성되지 때문이다.

1955년 지글러-나타 중합 공정이 발견됨으로서 특별한 금속 촉매를 사용하면 시스 혹은 트랜스 폴리이소프렌을 만들 수 있었다. 그리하여 천연고무와 똑 같은 합성고무를 만들 수 있었다.

천연고무는 그자체로는 자동차 타이어에는 사용이 적합지 않다. 1839년 굳이어(Goodyear)는 가황공정을 개발하였다. 가황에 의하여 천연고부의 물성은 탄성을 가지면서도 열이나 추위에 잘 견디고 더 단단해졌다. 그리하여 자동차의 타이어에도 사용하게 되었다. 이 공정은 최근에도 사용되고 있으며, 고부의 탄화수소 사슬이 황의 가교로 인하여 늘어나지만 찢어지거나 미끄러지는 천연고무의 물성을 개선하였다.

내구성이 있는 자동차나 트럭의 타이어는 스타이렌과 1,3-뷰타디엔을 공중합하여 만든 제품, SBR(Styrene-Butadiene Rubber)이라 부르는 합성고무를 주로 사용한다.

축합중합반응(Condensation Polymers)

축합중합 고분자는 두개의 작용기가 반응하여 새로운 작용기를 만든다. 이 과정에서 작은 분자 (주로 물분자)가 제거된다. 예를 들어 산과 알코올이 반응하여 에스터를 만들고 물은 제거된다. 첨가반응과는 다르게 축합반응은 사슬반응이 아니다. 축합반응에는 두 가지 종류가 있다. 첫째는 두개의 서로 다른 단량체(monomer)가 각기 끝에 같은 작용기를 가지고 있는 경우이고, 둘째는 한 개 단량체의 각 끝에 반응 할 수 있는 작용기를 가지는 경우이다.

1. 폴리아마이드

두 가지 천연섬유, 비단과 모 때문에 폴리아마이드를 합성섬유로 사용하려는 연구가 처음으로 시도 되었다. 비단은 누에로부터 만들어 지는 폴리 펩타이드로 글리신과 알라닌 두개의 아미노산의 불규칙 배열로 이루어져 있다. 모 는 많은 동물에서 발견되는 머리카락과 같이 폴리펩타이드로서 다양하고 많은 아미노산을 포함하고 있지만 중요한 것은 시스테인이다. 모 에서 시스테인은 산화에 의하여 두개의 사슬이 황-황 결합을 이루어 가교 역활을 한다. 

나일론-6,6는 분자량 10,000이 되면 반결정성의 고분자로 되며 직물로 뽑아서 나일론 스토킹으로 1939년에 뉴욕의 세계박람회에 “나일론”이라는 상품명으로 출품되었다. 1940년에는 전세계 적으로 나일론이 팔려 나갔으나 2차 세계대전 때에는 낙하산을 만드는데 쓰느라 일시 시장에서 사라졌었다. 전쟁이 끝나고 나서는 나일론은 다시 시장을 점유하기 시작하였다.

폴리아마이드는 일반적으로 디카르복시산과 디아민이 반응하여 물이 빠지고 생긴다. 나일론-6,6는 헥산다이오익산과 1,6-헥산다이아민이 반응하여 생성된다 (6,6는 두 성분이 가지고 있는 탄소 수를 나타낸다).

방향족 고리를 포함한 폴리아마이드를 아라미드라 부른다. 그들은 벤젠 고리 때문에 거의 평면 구조를 가지고 거의 결정성을 가지고 있으므로 나일론-6,6 보다 더 견고하고 강하다. 예를 들어 케블라는 테레프탈산과 1,4-다이아미노벤젠으로 만든다. 케블라는 방탄조끼, 헬멧, 그리고 래디알 타이어에 쓰인다.

나일론-6도 폴리아미이드이다. 그것은 6-아미노헥산산을 축합 반응하여 얻어진다. 이 단량체에는 두 개의 작용기가 있다. 그러나 현재는 ε-카프로락탐의 카보닐에 물이 반응하여 고리열림을 하는 반응을 이용하여 나일론-6를 생산한다.

2. 폴리에스터

이름이 말해주듯이 폴리에스터는 에스터 작용기가 되풀이 되는 것을 포함한다. 가장 일반적인 폴리에스터는 테레프탈산과 에틸렌글리콜로부터 만들 수있으며 폴리에틸렌 테레프탈레이트라 부른다. 이것을 실로 뽑아 직물로 만들어 데크론, 테릴린 혹은 폴리에스터로 팔린다. 플라스틱 병으로 성형하면 PET로 부른다. 얇은 필름으로 만들면 마이라(Mylar)로 팔리며, 오디오, 비디오, 그리고 컴퓨터의 자기테이프로 사용된다.

카보닉산(carbonic acid)과 알코올로부터 만든 고분자는 폴리에스터이지만 기술적으로 말하자면 폴리카보네이트라고 부른다. 비스페놀A와 포스겐과의 반응이나 비스페놀A와 다이에틸 카보네이트와의 반응으로 생성되는 고분자는 렉산(Lexan)이라 불리고, 매우 강한 물질로 방탄 조끼나 헬멧에 이용된다.

3. 폴리우레탄

카바메이트라고도 불리는 우레탄은 아마이드 작용기와 에스터 작용기를 포함하고 있는 카보닉산(HO-CO-OH)의 유도체이다. 우레탄은 이론적으로 포스겐(Cl-CO-Cl)을 알코올과 아민을 단계적으로 반응시키면 얻을 수 있다. 실제로는 이소사이아네이트(R-N=C=O)를 알코올과 반응하여 우레탄을 얻을 수 있다.

다이이소사이아네이트와 다이올을 중합하면 폴리우레탄이 만들어 진다. 가장 일반적인 중합반응은 에틸렌글리콜과 톨루엔2,4-다이이소사이아네이트를 사용한 반응이다.

폴리우레탄은 벼개, 의자쿠션, 혹은 포장재로 쓰이는 부드러운 폼을 만드는 원료이다. 이러한 제품은 고분자의 약간의 사교가 필요하다. 이것은 과량의 이소사이아네이트 단위체를 사용하여 고분자 사슬에 있는 아마이드 작용기가 이소사이아네이트 작용기에 직교 할 수 있게 함으로서 가능하다. 또한 이것은 기포 만드는데 필요하다. 적은양의 물을 중합 반응 마지막에 첨가하면 물은 남아있는 과량의 이소사이아네이트 작용기와 반응하여 카바믹산과 기포로 이용되는 이산화탄소 기체를 발생한다. 그리하여 부피는 커지고 상대적인 무게는 감소하여 가볍고 부드러운 폼을 생산할 수 있다.

강화 플라스틱과 생분해성 플라스틱

1. 강화플라스틱 : 강도가 약하다는 플라스틱의 단점을 보완한 신소재인 섬유강화 플라스틱과 엔지니어링 플라스틱이 개발되어 널리 이용되고 있다.

섬유강화 플라스틱: 플라스틱을 가공할 때 탄소섬유나 유리섬유, 석면 등을 넣어 열이나 외부의 충격에 잘 견디는 성질을 가지는 플라스틱으로, 안전헬멧, 테니스 라켓, 낚싯대, 욕조, 물탱크, 모터보트의 몸체 분야에 이르기 까지 소형화, 경량화를 달성할 수 있는 가볍고 강인한 구조의 재료로 사용하고 있다.

엔지니어링 플라스틱: 기계적 강도나 내열성 등이 우수하여 혹독란 조건에서도 오랜 시간동안 물리적, 화학적 성질이 변하지 않는 플라스틱으로, 콤펙트 디스크, 자동차, 비행기, 방탄복, 소방수의 방화복 등에 이용되고 있다.

2. 생분해성 플라스틱 : 생분해성 플라스틱이란 상용 후 단숞 매립하여도 미생물의 작용에 의해 수개월-1, 2년 (일반 플라스틱의 경우에는 분해 되는데 50년 내지 수백 년이 걸린다)만에 물, 이산화탄소, 메탄가스 등으로 완전 분해 되는 플라스틱을 말한다. 현재 개발된 생분해성 플라스틱은 전분 등을 이용한 전분계 생분해성 플라스틱과 화학적인 반응을 이용하여 합성한 폴리에스테르계 생분해성 플라스틱으로 나뉜다. 전분계 생분해성 플라스틱은 가격이 저렴하지만 품질이 조금 떨어진다는 단점이 있으며, 폴리에스테르계 생분해성 플라스틱은 가격이 비싼 반면 품질이 우수하다는 장점이 있다.

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