The Crosslinking 
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가교 반응

주요 단어
탄성체, , 열경화성


우연한 발명(가황 고무)

천연 고무인 폴리이소프렌(polyisoprene)은 오래 전부터 사용되어 왔습니다. 나무에서 직접 얻은 이 천연 고무 라텍스는 그 성능이 보잘 것 없었습니다. 날씨가 따뜻하면 껌과 같이 끈적끈적해지고 차가워지면 딱딱하고 깨지기 쉬운 상태로 변했습니다. 당연히 이것으로 만든 타이어는 성능이 좋지 못하여 일년내내 일정 온도를 유지하는 지역에서만 사용할 수 있을 정도였습니다.

타이어를 필요로 하는 자동차가 없었던 지금으로부터 약 160년 전인 1839년에 어떤 호기심 많은 사람이 쓸모가 있는 고무를 만들어보겠다고 마음먹었습니다. 이 사람이발명가인 Charles Goodyear이었습니다. 다들 아시죠? Goodyear 타이어말이죠. 고무 라텍스가 든 항아리를 들고 부엌 주위를 배회하던 중 그는 실수로 황을 항아리에 쏟았습니다. 이 사고가 일어날 때 까지 아무도 몰랐지만 그는 이 고무가 녹지 않고 열을 가하면 끈적거리게 되지도 않는다는 것을 알아냈습니다. 또한 매우 추운 겨울 날씨에도 쉽게 깨지지 않는 것을 알아냈죠. 그는 이것을 가황 고무(vulcanized rubber)라 불렀습니다. ,

가교 고분자 네트워크

위에서 본 사고에서 무슨 일이 일어났고, 황은 무슨 역할을 했을까요? 황은 브릿지를 형성하는 역할을 하였습니다. 고무에 있는 모든 고분자 사슬을 묶는 역할을 한거죠. 이 결합을 가교(crosslink)라고 부릅니다. 아래의 그림을 보시죠. 짧은 황원자로 구성된 사슬이 폴리이소프렌 사슬을 묶어 하나의 거대한 분자로 만든 것을 알 수 있죠?

그렇습니다. 고무를 가교시키는 목적은 사실 여러개의 고분자 사슬을 연결하여 하나의 고분자로 만드는 것입니다. 여러분의 손에 쥘 수 있을 만큼의 큰 분자를 말이죠.

놀랍지 않으세요. 분자를 육안으로 식별할 수 있을 뿐만 아니라 손으로 느낄 수도 있으니 말이죠!

이 가교결합으로 모든 고분자 사슬은 하나로 묶이게 된다는 것은 알겠죠. 함께 묶여 있기 때문에 가열하여도 용융되어 흘러다닐 수 없게 됩니다. 용융되지 않는다는 이야기죠. 마찬가지 이유로 쉽게 부숴지지도 않겠죠. Charles Goodyear가 발명한 가황고무가 차가운 날ㅆ에도 깨어지지 않았던 이유를 아시겠어요?

무엇을 이야기하는 지 개념적으로 알아보기 위하여 아래와 같은 그림을 사용하였습니다. 가교되어 네트워크를 형성한 고분자와 가교되지 않은 고분자를 식별할 수 있겠지요?


가교 반응을 이용하여 제조한 다른 종류의 중요한 고무(화학자들은 탄성체라고 부르기를 좋아함) 아래와 같은 것이 있으미 참고하십시오.

Polybutadiene
Polyisobutylene
Polychloroprene

좀더 알고 싶다구요?

고무만 가교시킬 수 있는 것은 아닙니다. 플라스틱도 가교를 통하여 더욱 강하게 할 수 있지요. 호마이카(formica)가 가교된 재료입니다.

가교 고분자는 가교시키기 전에 금형을 이용하여 성형하여야 합니다. 가교를 시키고 난 후에는 대개 높은 온도에서도 용융되지 않아 성형하기가 용이하지 않기 때문입니다. 일단 가교를 시킨 재료가 열을 가해도 녹지 않기 때문에 가교시킨 고분자를 열경화성(thermoset)재료라 합니다. 열을 가하면 녹아 열을 이용하여 쉽게 성형할 수 있는 열가소성(thermoplastic) 재료와 구별되는 것이죠. Goodyear가 발명한 폴리이소프렌이 첫 번째 열경화성 재료임을 알 수 있겠어요? 폴리이소프렌에 가하는 황의 양을 증가시킬수록 점점 딱딱하게 됩니다. 물론 줄이면 유연한 고무로 되구요. 아래에 고무가 아닌 열경화성 고분자의 예를 보여 주었으니 많이들 읽어보시기 바랍니다. 

에폭시 수지
Polydicyclopentadiene
폴리카보네이트

가교 고분자는 코팅, 접착제, 전자 부품 등에도 사용됩니다. 가교된 재료는 모든 고분자 사슬이 공유 결합에 의해 연결되어 있기 때문에 용매에 녹지 않습니다. 그러나 용먀를 흡수하기는 하죠. 어떤 가교 고분자는 많은 양의 용매를 흡수하여 을 형성하기도 합니다. 여러분과 친숙한 겔의 하나가 가교  polyacrylamide일 것입니다. 가교되지 않은 폴리아크릴아미드는 수용성이 있으나, 가교시킨 것은 물을 흡수할 뿐입니다. 이 가교 폴리아크릴아미드는 소프트 콘택 렌즈를 제조하는데 사용되기도 합니다.

열가소성 탄성체

가교를 시키면 탄성체나 플라스틱을 더욱 강하게 만들지만 문제가 있습니다. 녹지 않기 때문에 재생하여 사용할 수 없다는 점이 바로 큰 문제이죠. 이 문제를 해결할 수 있는 한가지 방법이 가역적이어서 쉽게 끈을 수 있는 가교 결합을 형성시키는 것입니다. 믿거나 말거나! 가역성이 있는 가교 결합을 이용하여 제조한 재료에 속하는 것이 열가소성 탄성체입니다.

Epilogue

Charles Goodyear는 위대한 발명에도 불구하고 부자가 되지 못했습니다. 자기 특허권을 지키기 위하여 평생을 법정에서 보냈기 때문입니다. 그러나 그가 죽고 나서 그의 회사인 Goodyear는 오늘날과 같이 큰 회사로 성장하였죠. 현재는 오하이오주의 Akron에 본사가 있습니다. 제가 이 이야기를 하는 것은 이 도시 건너편에 다른 고무 회사가 있는데 이 회사에서는 새로운 방법으로 가교 고무를 만들고 있습니다. 알고 싶다구요? 여기를 눌러보세요.


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