[일반화학실험]PDMS 탱탱공 만들기

실험 목적

고무형 고분자의 중합 및 열가교 반응을 통해 탄성이 조절된 탱탱공을 만들어 본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

실험에서 사용하는 Dow corning사의 Sylgard 184는 사슬 길이가 짧은 실록세인 하이드라이드가 유기금속 촉매에 의해 Si-CH2-CH2-Si 결합을 이루는 가교 반응을 이용, 열적 화학적 안정성, 투명성이 좋은 실리콘 고무를 형성하게 된다. 반응의 장점은 반응 부산물이 없고, 가교제의 혼합비를 조절하여 고무의 탄성을 조절할 수 있고 열을 가함으로써 가교 반응을 촉진시킬 수 있다는 점이다. 가교제의 혼합비가 증가할수록 형성된 탄성체의 탄성이 증가, 더 높이 튀는 것을 확인해 볼 수 있다.

 

2. 정의

“실리콘 고무”로 알려져 있는 폴리다이메틸실록세인의 원료를 직접 가교 반응시켜 탱탱공을 만든다. 실리콘 고무는 탄소-탄소 이중 결합을 기본으로 하는 뷰타다이엔 고무에 비해 열적, 화학적 안정성을 및 투명성이 우수한 특징을 가진다. 실리콘 고무는 기본적으로 실리콘-산소 결합의 반복 구조를 뼈대로 하는 실록세인 고분자이며 통상적으로 “고무”라 하면 위의 고분자들이 서로 가교 반응을 통해 물리적 변형에 대한 복원력을 가지는 물질을 의미한다.

 

3. 고무

고분자들이 서로 가교반응을 통해서 물리적 변형에 대한 복원력을 갖는 물질이다. 상온에서 고무상 탄성을 나타내는 사슬모양의 고분자물질이나 원료가 되는 고분자 물질이다. 크게 보면 천연고무, 합성고무로 나뉜다.

 

4. 가교 반응

사슬모양 고분자의 사슬 사이에서 다리 역할을 하는 물질을 연결하는 반응이다. 고분자 수지에 경도, 탄력성들의 기계적 강도와 화학적 안정성을 갖게 한다. 수지의 분자가 서로 다리를 놓는 것처럼 결합하는 것이다. 우레탄이나 수부도료가 경화될 때 일어나는 반응으로 3차원 구조 페인팅을 형성한다.

 

5. 탄성

물체에 외력을 가하면 변형하지만 외력을 제거하였을 때 원래의 형태로 되돌아가는 성질이다. 성질, 외력에 의해서 일정한 응력이 발생함과 동시에 그에 대응하여 일정한 변형이 나타나는데 응력을 제거하면 순간적으로 변형도 없어지는 경우를 뜻한다. 부피의 변화에 대해 일어나는 체적 탄성과 모양의 변화에 대해 일어나는 현상 탄성으로 나뉜다.

 

6. 이중 결합

분자 중에서 두 개의 원자가 두 공유결합으로 이어져 있는 화학결합이다. C＝C, C＝O, N＝N 등. 탄소 원자간의 이중결합은 에틸렌 결합이라고 한다. 일반적으로 단일 결합에 비해서 결합 간격이 작으며, 반응성이 풍부하다. 몇 개의 이중 결합이 서로의 단일 결합에 의해서 결합한 것을 짝이중결합이라 한다.  Ex) －CH＝CH－CH＝CH－

 

7. 실리콘 고무

고중합도 곧은사슬 모양의 디올가노폴리실록산에 미분 실리카 등을 보강제로 혼화하여 가교시킨 고무 탄성체이다. 내후성, 전기적 특성이 우수하여 －50 ~200℃의 범위에서 사용할 수 있다. 독자적인 성질을 보이는 것은 내열성으로, 250℃에서3일간 방치하여도 강도와 신장률의 변화를 10% 이내로 유지할 수 있다. 또한 －45℃에서도 고무 탄성을 잃지 않는다. 항공기의 창문을 봉하는 용도와 발수성을 필요로 하는 곳, 또는 발열하는 곳에 특수 재료로 사용되며, 고무롤러의 속 부분, 패킹 재료 등으로 널리 쓰인다.

 

8. 가교제

선상 고분자 화합물의 분자를 서로 화학 결합으로 연결지어, 3차원 그물 모양 구조의 고분자 화합물로 하는 물질을 말한다. 미리 단위체에 혼합하여 중합 반응과 동시에 가교 반응을 일으키는 경우와 기존의 천연 또는 합성 고분자 화합물에 섞어서 가열 기타 처리에 의해 그물 모양화를 시키는 경우가 있다. 크게 보면 유리기적 기구에 의한 가교제, 이온적 기구에 의한 가교제로 나뉜다. 불포화 폴리에스테르에 스티렌 단위체를 혼합하여 중합하고, 3차원 구조의 폴리에스테르를 만들 때의 스티렌 단위체도 일종의 가교제라 생각해도 좋다.

 

9. PDMS

Polydimethylsiloxane, 또는 dimethylpolysiloxane라고 불리는 유기규소 화합물로 화학식은 이다. 가장 간단한 형태이면서도 가장 널리 사용되는 규소계 고분자로, 우리가 흔히 이야기하는 ‘살라콘’이 이 물질을 지칭한다. Muller-Rochow 반응에 위해 고순도 실리카와 CH2Cl2의 반응에서 생성되는 Me2SiCl를 가수분해하여 제조한다. 이렇게 만들어진 물질이 실리콘이라는 이름으로 통용되기 시작하였다.

 

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 130℃오븐, 알루미늄 호일, 탁구공, 스파튤러, 긴 자 (1m)

2) 스파튤러 → 소량의 시약 또는 종자를 다룰 때 사용하는 숟가락 모양의 도구이다.

3) Sylgard Elastomer → DC-184 A(레진), B(가교제)는 실리콘탄성코팅제, 실리콘성형제, 실리가드라 불리며 강한 인장강도가 입증되었으며 구조물의 외관을 성형시키는 등에 쓰인다.

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 탁구공 윗면에 면도칼로 약 1㎝ 직경의 구멍을 형성한다.

2) 탁구공이 구르지 않도록 구멍을 위로 한 채 알루미늄 호일 받침 위에 고정한다.

3) 약 30g의 PDMS를 이용하여 레진(A)과 가교제(B)의 비율을 5:1 ~ 20:1 사이로 조정하면서 혼합물을 만든다. (5:1, 10:1, 20:1의 비율로 각각 세조에서 같은 혼합비로 제조한다.)

4) 혼합물을 잘 교반한 후 15분간 거품이 제거되도록 놓아 둔다.

5) 대부분의 거품이 제거되면 탁구공에 조심스럽게 부어 가득 채운다.

6) 준비된 PDMS 혼합물을 130℃의 오븐에서 20분간 가교 반응시킨다.

7) 탁구공을 뜯어내고 형성된 탱탱공을 상온으로 식힌다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

1) 레진과 가교제의 비율이 10:1인것과 20:1인것의 탄성비교와 그와 같은 결과가 나온 이유에 대해서 설명하기

실험결과 10:1의 비율의 탱탱공이 20:1의 비율의 탱탱공보다 탄성이 더 좋다는 것을 볼수 있었습니다. 이를 통하여 레진과 가교제의 혼합물에서 가교제의 비율이 클수록 탄성력이 더 좋다는 것을 알 수 있었습니다. 이 이유로는 가교반응 때문이라고 볼수 있습니다. 탱탱볼을 만들기 위해서는 가교반응을 이용하는데 가교반응은 레진분자 사이에서 결합을 형성하여 탄성력을 갖게 합니다. 이를 통해 가교제의 비율이 높으면 높을수록 탄성력이 강할것이라는 예측을 할수 있으며 이와 맞는 결과가 나오게 되었습니다.

 

2) 5:1의 경우는 어떨것인지 예상하기

5:1의 경우에는 10:1의 비율보다 가교제의 비율이 증가 하였으므로 위 실험결과에 따라서 더 강한 탄성력을 갖게 될것입니다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 거품이 생기면 안되는 이유는?

거품이 생기므로써 혼합물사이에 기체가 들어간다고 볼 수 있습니다. 기체가 들어가게 되면 열을 가해 가교반응을 형성할 때 기체가 팽창하여 분자사이의 결합을 파괴할 수 있는 가능성이 생긴다고 생각합니다. 또한 거품이 있는상태에서 열을 가해 경화시켜주게되면 표면이 일정하지 못한 결과물이 나와 탄성비교를 하기 힘들어질수 있습니다.

 

2. 생각해볼 문제

1) 뷰타다이엔 고무에 비해 PDMS 고무가 열적, 화학적 안정성이 뛰어난 이유를 분자결합의 관점에서 생각해보자.

뷰타다이엔 고무는 PDMS 고무와는 다르게 탄소-탄소와의 골격에 불포화탄소결합이 포함되어있어 반응성이 높아 산소와 쉽게 결합하여 산화반응에 취약한 반면 PDMS 고무는 가교제를 첨가하여 가교반응을 일으킴으로서 불포화결합에 대한 산소의 반응성을 줄일수 있으며, 산소와 규소로 이루어진 기본 구조로 인한 강한 결합력 때문에 물리적 화학적으로 PDMS 고무가 더 안정성이 뛰어나다고 볼 수 있습니다.

 

2) 뷰타다이엔 고무는 어떻게 가교반응을 시켜 탄성을 부가하는가?

뷰타다이엔 고무는 폴리머 사슬의 파이결합과 파이결합 사이에 황원자 또는 다른 원자단이 첨가되어 가교반응을 일으켜 분자를 고정시킵니다.