수분산폴리우레탄

실험주제: 수분산폴리우레탄

실험목적: 수분산폴리우레탄을 합성 및 분석할 수 있다.

이론적 배경

 

어렸을 때, 명절에 한복을 입었던 적이 있었다. 한복을 입고 큰 절을 할 때면, 바지가 너무 땡겨 불편했던 기억이 떠오르곤 한다. 그런데 현대에 들어와서 앉았다 일어났다 해도 그렇게 큰 불편함은 없다, 도대체 왜 그런 것일까?

이는 폴리우레탄이라고 불리는 합성섬유 때문이다. 합성섬유는 흔히 스판덱스로 불리며 나일론 과 같은 섬유로 덮어져 속옷, 양말, 수영복 등에 쓰인다. 폴리우레탄은 거품구조를 가지기 때문에 탄성이 있고 가벼운 특성을 가지기 때문에 현대의 옷에 정말 많이 사용되고 있다.

이러한 폴리우레탄을 효과적으로 이해하기 위해서는 일련의 개념에 대해 알 필요가 있어 간략하게 훑어보려고 한다.

 

동식물로부터 얻는 천연 상태의 polymer는 수세기 동안 사용되어 왔다. 그리고 우리에게 친숙하고 다양한 용도에 사용되는 것으로는 플라스틱, 탄성체(고무), 섬유, 코팅, 접착제 및 필름등이 있다. 가장 많은 종류의 폴리머 재료가 플라스틱으로 분류된다. 플라스틱 재료는 인가된 하중하에서 구조적 강성을 가지고 있기 때문이다.

그리고 이번 시간을 통해서 실험하게 될 폴리우레탄도 플라스틱으로 분류가 된다. 이러한 폴리우레탄의 주요 특성으로는 고상 강체 플라스틱에서 저밀도 폴리퍼 폼까지 넓은 영역의 기계적 성질을 갖고있다. 또한 충격 및 마멸저항, 우수한 전기 절연체, 광범위한 회복력, 저온 유연성등의 장점을 갖고 있어 널리 쓰인다.

이러한 폴리우레탄의 물성은 금속이나 세라믹들과 마찬가지로 폴리우레탄의 구조적 구성 요소에 의하여 좌우된다. 그리고 폴리머의 물리적 특성은 분자량과 형태에 따라 결정될 뿐 만아니라 분자 사슬 구조의 차이에 대해서도 결정되기에 폴리우레탄의 분자구조 및 형태에 대해서 이야기 해보려고 한다.

 

 

폴리우레탄은 위의 그림과 같이 가교 결합형 폴리머 분자 구조를 갖는다. 가교 결합은 합성중 또는 일반적으로 높은 온도에서 발생하는 비가역적 화한 반응으로 이루어 진다. 그리고 이때 원자들이 수소결합으로 이루어져 있다. 특히 이 가교결합으로 인해 상당히 큰 변형량까지 변형이 가능하며, 응력이 제거되면 탄성적으로 원래의 형상으로 돌아온다.(청바지를 계속 입을 수 있는 이유)

 

 

 

 

그리고 이러한 가교결합으로 인해 폴리우레탄이 낮은 유리 천이 온도를 갖는다는 것이다. 유리천이는 비정질 또는 준결정질 폴리머가 액상으로부터 냉각 시에 발생하는데 분자 사슬의 운동에너지가 온도 감소에 따라 감소하기 때문에 발생한다. 폴리우레탄의 경우 -20도씨~ -50도씨로 비교적 유리천이온도가 낮은 편에 속하므로 , 상온에서도 폴리우레탄 섬유는 신축성을 유지할 수 있다.

 

 

 

 

뿐만 아니라, 폴리우레탄구조의 부드러운 부분은 비정질 고무phase상을 제공할 뿐만 아니라, 폴리우레탄의 딱딱한 부분이 결정질 상을 나타내는데 이부분으로 인해서 높은 녹는점을 갖고있어, 상온에서 사용될 수 있다.

이러한 이유로 폴리우레탄은 널리 쓰인다. 하지만 폴리우레탄을 사용한 섬유에서 휘발성 유기 화합물 (Volatile organic compounds) 이 방출된다는 문제점이 존재한다. 이러한 VOC는 인간에게 구토, 설사, 현기증등을 유발하는 피해를 낳는다.

 

 

 

 

 

위의 그림과 같이 폴리우레탄을 만들기위해선 폴리머들끼리 합성을 시켜야 한다. 그런데 이때 용매로서 아세톤, 톨루엔, 크실렌 등고 같은 유기용매를 사용했기 때문에 VOC가 방출이 된다.. 따라서 유기 용매 대신 물을 이용해 합성을 하면 기존의 장점을 살리면서 단점을 극복할 수 있다. 그것이 바로 수분산 폴리우레탄이다.

수분산 폴리우레탄으로 구성된 라텍스는 코팅으로 많이 사용된다. 라텍스는 수용액에 불용성 폴리머 입자가 분산되어 있는 안정한 현탁액이다. 또한 유기용매를 거의 포함하고 있지않아 대기 중으로 방출되는 VOC가 적어 널리 사용되고 있다.

 

 

 

4. 참고

1.  재료과학과 공학

2. Introduction to polymer third edition