탱탱한 탄력의 대명사 고무 속의 화학 이야기

 

탱탱한 탄력의 대명사 고무 속의 화학 이야기

안녕하세요. 롯데정밀화학 유쾌발랄소화제의 화통이입니다.

자동차의 타이어, 실내 놀이터의 매트, 실내 운동을 위한 밴드의 공통점은 무엇인지 아시나요? 그것은 바로 탱탱한 탄력의 대명사인 <고무>랍니다. 위에서 설명한 것 외에 고무 제품을 생각한다면 노란 고무줄이 먼저 생각나실 거예요. 천연고무가 아닌 합성고무를 만들어 사용한 지 어느덧 100년의 세월이 흘렀습니다. 오늘은 우리의 일상생활과 밀접한 고무 속에 담긴 화학 이야기를 들려 드릴게요.

 여러 개의 이소프렌의 결합

고무는 탄력성 고분자의 일종이에요. 그래서 고무에 적절한 힘을 주어 잡아 늘리면 늘어나게되고, 힘을 멈추면 본래의 상태로 돌아가는 특성이 있습니다. 천연고무는 파라고무나무 수액을 통해서 얻게 되는데요. 천연고무 결합 특성을 분석해보면 이소프랜(C₅H₈)이 *시스 결합으로 이루어져 있다는 사실을 확인할 수 있는데, 전기화학의 아버지라 불리는 페러데이를 통해서 밝혀졌답니다.

*시스 결합 : C=C 탄소와 탄소 사이에 이중 결합으로 이루어진 화합물에서 볼 수 있는 구조로 보통 시스와 트랜스 두 가지 형태로 존재해요. 시스(cis)구조는 탄소원자에 결합하는 치환기가 같은 고리 평면에 위치한 경우를 말하고, 치환기가 반대 방향으로 같은 평면에 존재하지 않는 경우는 트랜스 구조라고 말합니다.

천연고무는 이소프렌 단위 7,000여 개가 길게 결합해 있는 고분자에요. 이 긴 고분자 사슬이 실처럼 엉켜 있으나 사슬 간에는 서로 잡아당기는 인력이 별로 크지 않습니다. 그리고 천연고무는 더우면 끈적거리고, 추우면 단단해지는 특성이 있으며, 탄성도 거의 없죠. 이런 천연고무를 쓸모 있게 변형시키기 위해 미국의 찰스 굿이어라는 과학자가 실험을 하던 중, 천연고무에 황가루를 섞어 가열하면 탄성이 매우 좋은 고무로 변하는 것을 발견했습니다. 그리고 1844년 이 가황고무 제조에 관한 특허를 얻었어요. 그렇다면 이 가황 과정에서 어떤 화학반응이 일어나기에 천연고무가 탄성체로 변하는 것일까요?

 고무의 탄성을 개선한 가황 공정

 

천연고무에 황을 넣고 함께 가열하면 이소프렌의 긴 사슬들이 여기저기 서로 연결하여 3차원적인 그물 구조를 만들게 됩니다. 이 연결 결합을 '황다리 결합'이라고 부르며, 사슬 사이를 연결하는 황다리 결합에는 황 원자가 1~4개가 연결되어 있어요. 이처럼 3차원 다리 결합을 이루고 있는 고무는 분자량이 무한대에 가까우며, 잡았다 놓으면 원래 모양으로 돌아가는 탄성체의 특성을 가지게 됩니다.

일반적으로 사용하는 고무줄을 손으로 잡아당겼다가 놓으면 원래 길이로 줄어들게 되는데 이 까닭은 무엇일까요? 고무를 이루고 있는 긴 고부자 사슬이 황다리 결합을 하기 전 구불구불 엉켜 있는 상태는 고무 분자가 가장 좋아하는 에너지가 낮은 모양입니다. 그러나 강제로 힘을 주어 한쪽 방향으로 잡아 늘이며 엉켜 있던 사슬들이 힘을 받아 늘리는 방향으로 나란히 정돈하려고 해요. 이 모양은 에너지가 높은 상태입니다. 그러다 외부의 힘이 사라지면 원래의 모양, 즉 에너지가 낮은 상태로 되돌아가게 되는데 이것이 바로 탄성입니다.

 세계대전으로 탄생한 합성고무

산업이 발전함에 따라 필요한 고무를 모두 자연산으로 충당할 수가 없었어요. 이에 천연고무를 대체할 수 있는 합성고무를 생산할 수밖에 없었답니다. 합성고무의 생산량은 세계대전을 겪으면서 급증하기 시작했어요. 독일의 경우, 연합군에 의해 천연고무의 생산지가 봉쇄되어 군수용 고무의 부족을 해결하기 위해 합성고무 연구에 많은 노력을 기울이게 되었답니다. 연구를 거듭한 결과, 이소프렌의 메틸기(CH₃-) 위치에 염소 원자(Cl)가 치환된 클로로프렌 단량체로 합성한 고분자로부터 네오프렌이 만들어졌어요. 이 네오프렌은 천연고무보다 우수한 성질 대문에 가솔린 연료관, 구두창 등에 쓰이며 유기용매나 산화에도 훨씬 잘 견딘답니다.

오늘날 사용하고 있는 자동차 타이어도 2차 세계대전 중에 발명된 합성고무로 부타디엔과 스티렌을 약 3 : 1로 섞어 중합한 공중합체에요. 타이어가 까만 것은 탄소 검댕을 넣어 고무 특성을 보강하고 열전도성을 높였기 때문입니다.

오늘날 우리 일상에서 쉽게 발견하고, 사용하고 있는 고무. 천연고무에 가황 공정이 있었기에 탱탱한 탄력의 대명사로 고무를 일컫게 된 것이 아닐까요?