Chapter 12. 고분자 (Polymer)

Chapter 12의 주요하게 다루는 것 중의 하나가 고분자이다. 고분자 전공과목이 별도로 있을만큼 아주 중요한 내용이다. 주변 재활용 및 일회용등을 보면, 플라스틱 제품 들이 많이 있을 것이다. 이 용어, 즉, 플라스틱이 결국 고분자로 이루어진 것이다. 그렇다면, 고분자란 무엇일까? "단위체 (monomer)"라는 작은 분자가 화학적으로 결합하여 긴 사슬을 형성한 물질을 말하는데, 이러한 긴 분자 구조의 특성으로 인해 고분자는 매우 다양한 특성을 갖게 되는 것이다. 기본 개념은 다음과 같다. 

• 단위체: 고분자를 구성하는 기본 단위로, 보통 소수의 원자로 이루어져 있음.
• 중합(polymerization): 단위체들이 화학 반응을 통해 결합하여 긴 고분자 사슬을 형성하는 과정.

위의 내용을 바탕으로 조금 자세하게 알아보자.

1. 고분자의 종류

고분자는 그 합성 방식에 따라 두 가지로 나눌 수 있음.

1-1. 고분자의 합성 방식에 따른 분류

[1] 첨가 중합체 (Addition Polymers)

• 단위체가 두 개 이상의 결합 부위를 가지고 있어서 이들이 첨가 반응을 통해 연결되어 고분자가 형성됨.
• 주로 이중 결합이나 공유 결합을 가진 단위체에서 일어남.

 예시:

• 폴리에틸렌(PE): 비닐 아세테이트 같은 에틸렌 단위체가 결합하여 만든 플라스틱.
• 폴리프로필렌(PP): 프로필렌 단위체로 이루어진 플라스틱.
• PVC (Polyvinyl Chloride): 염화 비닐 단위체로 이루어짐.

[2] 축합 중합체 (Condensation Polymers)

• 단위체들이 결합하면서 작은 분자(주로 물 또는 알콜)가 떨어져 나가는 반응을 통해 형성.
• 에스터 결합이나 아마이드 결합 등의 결합이 사용됨.

예시:

• 폴리에스터: PET (페트병, 섬유 등), 테레프탈산과 에틸렌 글리콜이 결합하여 형성됨.
• 나일론(Nylon): 나일론 6,6 같은 물질로, 두 단위체가 결합하여 형성됨.
• 단백질: 아미노산들이 결합하여 이루어진 고분자.

Design of polymer membranes with regulated pore hydration. (출처: Nature 635, 2024, 353)

2. 고분자의 물리적 특성

고분자는 구조와 상태에 따라 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있어:

[1] 열가소성 고분자 (Thermoplastic Polymers)

• 열에 의해 변형될 수 있는 고분자.
• 온도가 올라가면 부드러워지고, 다시 냉각시키면 단단해짐.
• 재활용이 가능하고 가공이 쉬움.

예시:

• 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), PVC

[2] 열경화성 고분자 (Thermosetting Polymers)

• 열을 가하면 경화되어 고체로 변하며, 한번 경화되면 다시는 변형되지 않음.
• 내열성과 내구성이 뛰어나며, 고온에서 변형되지 않음.

예시:

• 에폭시 수지, 페놀 수지 (전자 부품, 접착제 등에서 사용)

 

3. 고분자의 특성에 따른 응용 분야

[1] 기계적 특성

• 강도: 고분자는 단단하고 강한 특성을 가질 수 있으며, 일부는 탄성을 가짐.
• 예: 고무는 탄성이 뛰어나며, 플라스틱은 내구성이 좋고 강한 특성을 가짐.

[2] 화학적 특성

• 고분자는 내구성이 뛰어나며, 화학 물질에 대한 내성을 가질 수 있음.
• 비교적 낮은 화학 반응성을 보이기도 하고, 일부 고분자는 내화학성이 뛰어나 다양한 환경에서 사용됨.

[3] 전자기적 특성

• 고분자는 전기를 잘 통하지 않거나, 절연체 역할을 할 수 있음.
• 예: 절연체 케이블, 전자 부품 외피

 

4. 고분자의 응용 분야

고분자는 그 다양한 특성 덕분에 많은 산업 분야에서 널리 사용되고 있음.

일상에서의 고분자 사용 예시

• 플라스틱: 포장재, 용기, 가전제품 등에서 사용.
• 고무: 타이어, 신발 밑창, 고무 장갑 등.
• 섬유: 나일론, 폴리에스터, 스판덱스 등 의류 및 스포츠 웨어.
• 접착제: 에폭시, 슈퍼글루 등.
• 의료 기기: 실리콘, 고무, 의료용 필름

5.고분자의 미래와 가능성

• 나노 기술과 결합하여 스마트 재료로 변형될 가능성.
• 환경 친화적인 고분자 개발: 생분해성 플라스틱 등.

물론, 고분자 합성의 따라 다양하게 나누어지게 된다. 하지만, 그 부분까지는 전공에 너무 깊이 들어가는 부분이라 이 정도로만 정리할려고한다. 하지만, 첨가/축합 중합체 정도는 알고 있으면 좋겠다. 축합이라는 말이 어려울 수 있겠으나, 물이 생성된다는 화학적 반응을 의미한다. 더 깊이 있게 알려고 하면 힘들어 질 수 있고, 이 블로그의 취지와 맞지 않는 부분이라 여기까지만 다룰려고 한다. 하지만, 그럼에도 배우고 싶다면 고분자 책을 정리하는 것은 할 수 있을 것 같다.