'고무'에 해당되는 글 2건

고무 속 화학 이야기

 

 

 

 

 

 

안녕하세요. 유쾌발랄 화통이입니다.

2년 전 석촌호수에 띄워진 러버덕을 기억하시나요?

러버덕은 목욕탕의 욕조에서 둥둥 떠다니는 노란 고무오리에서 착안하여 프로렌타인 호프만이 고안하여 전세계적으로 평화와 행복, 희망의 메세지를 전달하기 위해 시작된 것인데요. 귀여운 외모와 특별함을 더하여 사람들에게 긍정적인 자극을 주었었죠.

오늘은 노란 오리를 만들어준 재료 고무에 대해 알아볼까 합니다.

 

 

 

 

질긴 고무는 고분자

 

고무는 힘을 가해주면 늘어났다가 힘을 빼면 다시 본래대로 돌아가는 특징이 있는데, 부드럽고, 변형이 쉽다는 장점을 가지고 있습니다.

탄성은 외부의 힘에 의해 변형된 물체가 원래의 상태로 돌아가려는 성질을 말하는데, 변형의 한계점이 지나면 돌아가지 않는 힘을 잃어버립니다. 늘어날 때에는 물체 안의 원자배치가 안정한 구조에서 일그러진 형태로 변하게 되는데 이렇게 되면 에너지가 높아져 불안정한 상태가 됩니다.

 

 

 

 

 

고무는 탄소 5개와 수소 8개로 이루어진 이소프렌이라는 분자가 연결되어 만들어진 고분자라는 것을 전기화학의 아버지 페러데이가 발견합니다. 이소프렌은 석유 정제의 부산물로 얻어지는데요. 요즘에는 사탕수수대나 옥수수대로부터 다당류를 추출하여 이소프렌으로 전환시켜 바이오이소프렌을 합성하는 연구도 활발히 진행되고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

천연 고무는 고무나무로부터..

 

고무의 산지는 대부분 적도 부근, 동남아시아에 집중되어 있는데요. 고무나무 줄기에 상처를 내면 수액이 그림과 같이 나오는데 이 때 얻어진 수액을 라텍스라고 합니다. 단백질 층에 쌓인 천연고무 입자가 물 속에 떠 있는 액체형태인데요. 과거에는 라텍스를 가열하거나 연기에 그을려 생고무를 만들었습니다.

 

고무를 유럽으로 처음 소개한 사람은 누구일까요? 바로 신대륙 개척자 콜럼버스입니다. 그는 원주민들이 튀어오르는 공을 가지고 놀이를 하는 것을 보고 그 재료에 놀라 유럽에 처음 소개를 합니다. 그러나 천연고무의 한계로 지우개나 장난감 등에만 주로 이용하게 되었죠.

고무를 의미하는 'Rubber'는 영어로 '문질러 지우다'에서 유래했다고 해요.

 

 

 

 

 

 

 

고무에 황(S)을 더하다?!

 

탄력성이 높은 고무가 상용화 되게 만든 사람은 바로 미국의 찰스 굿이어(Charles Goodyear, 1800~1860)입니다. 1839년 천연 고무덩어리와 황 혼합물을 난로위에 떨어뜨리게 되었고, 반응한 고무가 천연고무와는 다르게 뜨거운 열을 받고도 탄성을 유지한다는 사실을 발견하게 됩니다. 이처럼 고무에 황을 섞는 것을 가황이라고 하는데 이 가황을 통해서 고무의 탄성이 개선되었고, 내구성도 좋아지게 되어 다양한 산업군에도 사용되기 시작합니다.

 

 

가황을 하지 않은 고무는 변형이 되면 원래 모양으로 돌아오지 않으나 가황을 하면 탄력성이 증가해 원래 모양으로 잘 돌아오게 됩니다.

바로 고무를 이루고 있는 이소프렌 고분자들이 이황화 결합으로 서로 교차결합을 해서 분자의 성질이 변하게 되는 경우입니다.

 

 

 

지우개로 글씨를 지우고, 고무장갑을 끼고 설거지를 하며, 비오는 날 장화를 신고, 자동차를 운전하는 등 우리의 일상 생활에 깊숙이 자리 잡은 고무는 생산된지 100년이 넘은 소재입니다. 우리나라도 합성고무 분야에서는 꽤 경쟁력있는 위치에 있는데요. 앞으로도 더 많은 소재들이 개발되어서 우리 생활을 윤택하게 만들어주기를 기대해봅니다!

 

 

 

블로그 이미지

화통이

소통이와 화통이가 전하는 화학 이야기. 세상에 빛을 더하는 정밀화학 이야기를 들려 드립니다 :) Leading Fine Change

 


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)*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?


 


블로그 이미지

화통이

소통이와 화통이가 전하는 화학 이야기. 세상에 빛을 더하는 정밀화학 이야기를 들려 드립니다 :) Leading Fine Change

티스토리 툴바