일반화학실험 | 나일론과 헤어젤 합성

 

 

 

TIP

 

 

1. 고분자 물질은 생활 속에서 많이 쓰이는데, 최초의 합성 고분자였던 나일론(Nylon)의 합성과 머리모양을 고정시켜주는 헤어젤(Hair gel)의 합성을 통하여 고분자의 특성을 이해해 보고자 한다.
2. 중합 반응을 통해 고분자 물질인 나일론을 합성하고 젤화 반응을 시켜 헤어젤을 만든다.

 

 

 

나일론 합성

일반적으로 많은 수의 단위체(monomer)들이 반복적으로 결합된 분자를 고분자(polymer) 또는 거대분자(macromolecule)라고 한다. 보통 수백 개에서 수십만 개의 원자들이 공유결합으로 연결된 복잡한 구조의 분자를 말한다. 이런 고분자들은 자연에도 다양한 형태로 존재한다.

 

식물 세포의 벽은 셀룰로스(cellulose)라고 하는 3,000개 이상의 글루코스(glucose)라는 탄수화물이 복잡하게 연결된 분자로 되어 있고, 단백질은 수천 또는 수만 개의 아미노산이 연결된 것이다. 유전 정보를 전달해주는 DNA도 염기 분자들 사이의 수소 결합으로 이중 나선 구조라는 독특한 모양을 유지하는 고분자이다.

 

 

인공적으로 합성된 고분자가 본격적으로 개발되기 시작한 것은 1930년대부터이다. 이런 합성 고분자는 분자의 양쪽에 다른 분자와 공유 결합을 할 수 있는 작용기(functional group)를 가진 단위체(monomer)들을 반복적으로 결합시키는 중합 반응으로 만들어지는 중합체이다.

 

효소에 의하여 철저하게 조절되는 생체 반응에서 만들어지는 천연 고분자와는 달리 인공적으로 합성된 고분자들은 분자의 크기와 모양이 일정하지 않고 상당한 분포를 갖는 경우가 많다. 따라서 합성 과정을 조절해서 몰질량과 모양이 일정한 고분자를 만들어내는 것이 고분자 합성의 핵심이 된다.

 

 

헤어젤 합성

젤(gel)이란 화학적 구조를 살펴볼 때 고분자 사슬들이 화학적 또는 물리적으로 가교결합(cross-linked)하여 네트워크를 이룬 것이다. 이러한 분자 구조는 액체상에서 점도가 아주 높아져서 흐르지 않게 하여 고체적인 성질을 갖게 하는데 일반적인 고체와는 달리 모양을 맘대로 바꾸어 줄 수 있다.

 

젤은 산업체에서 여러 가지 공정에 많이 이용되기도 하고 생명체 내에서도 대부분의 생체조직들이 단백질과 탄수화물의 네트워크로 젤 상태를 이루고 있다. 젤화 과정(gelation)은 화학적 또는 물리적인 과정을 거쳐서 일어난다.

 

화학적인 젤화 과정은 공유결합을 통해서 교차결합 네트워크를 이루는 것이고, 물리적인 젤화 과정은 그보다는 약한 힘인 수소결합, 이온결합, 배위결합, 반데르발스 힘 등이 이용되는 것이다.

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실험 방법

1. 나일론 합성

1) 염화 세바코일 3.0㎖ (14.1mmol)를 눈금피펫으로 취하여 다이클로로메탄 (또는 사염화탄소) 50㎖가 들어 있는 250㎖ 비이커에 녹인다.

 

2) 100 ㎖ 비이커에서 헥사메틸렌다이아민 1.64g(14.1mmol)과 수산화 나트륨 1.0g (25.0mmol) 그리고 2～3 방울의 페놀프탈레인 용액 (또는 식용 색소 용액)을 50㎖의 증류수에 녹인 후, 이 용액을 염화 세바코일용액이 담긴 비이커의 벽을 따라 서서히 부어 넣으면 두 용액의 계면에서 나일론 필름이 생성된다.(두 용액이 섞이지 않고 층을 형성할 수 있게 천천히 부어야 한다.)

 

3) 생성된 나일론 필름을 핀셋으로 조심스럽게 끌어올려 유리 막대에 감는다. 계면에서 나일론 필름이 더 이상 만들어지지 않을 때까지 유리막대로 나일론 끈을 감아올린다. 이때 필름을 손으로 만지지 않도록 한다.

 

4) 유리막대를 돌려 계면에 생성된 필름을 비이커로부터 끌어올리면, 계면에서 계속 중합체가 생성되므로 계속 이어지는 나일론끈을 얻을 수 있다.

 

5) 중합체가 더 이상 생성되지 않을 때까지 유리막대로 나일론 끈을 감아올린다. 이 때 감아올린 나일론 끈은 반응하지 않은 출발물질을 포함하고 있을 수 있으므로 씻기 전까지는 손으로 만지지 않도록 한다.

 

6) 생성된 나일론 끈을 아세톤과 물의 1:1 수용액으로 씻은 후 다시 물로 충분히 씻는다.

 

7) 유리막대에 감긴 나일론 끈을 빼서 비이커에 넣고 안쪽 부분까지 충분히 씻어 준다.

 

8) 이것을 100℃ 이하의 오븐에서 말린 후 중합체의 녹는점을 측정하고 수득률을 계산한다.

 

2. 헤어젤 만들기

1) Carbopol Base만들기

 

 

2) 여기에 에탄올을 5㎖에 식용색소 한방울, 향수 한방울을 넣은 용액을 넣고 Stirrer로 5분간 저어준다.

 

3) 중화 : 트리에탄올아민 0.25g을 가하여 유리막대로 저어주어 중화시킨다. 이때 용액이 gel형태로 될 것이다.

 

4) PVP(폴리비닐피롤리돈) base 만들기

 

 

 

[일반화학실험]나일론과 헤어젤 합성 레포트