고분자화학실험 | 페놀-포름알데히드 수지의 합성(열경화성 수지) - 산 및 알칼리 촉매를 이용한 합성

 

 

 

TIP

 

 

1. 페놀과 포름알데히드를 축합시켜 생기는 열경화성수지인 페놀수지의 고분자 합성법을 통하여 부가축합을 이해하고 수지에 대하여 배운다.
2. 페놀수지는 페놀과 포름알데히드의 축합반응에 의해 합성되는 수지로서 Bakelite 라는 상품명으로 불리워지고 있다.
3. 페놀수지는 산 촉매에 의해 제조되는 노볼락(Novolak)과 염기 촉매에 의해 제조되는 레졸(Resole)로 나눌 수 있다.
4. 페놀수지는 열경화성 플라스틱으로 기계적 강도가 크고 내열성, 내약품성 및 전기 절연성이 우수하여 전기 및 기계 부품으로 널리 이용되고 있다.

 

 

 

열경화성 및 열가소성 수지

1. 열경화성 수지(熱硬化性樹脂, thermoset)

열을 가하여 경화(硬化) 성형하면 다시 열을 가해도 형태가 변하지 않는 수지로 일반적으로 내열성, 내용제성, 내약품성, 기계적 성질, 전기절연성이 좋으며, 충전제를 넣어 강인한 성형물을 만들 수가 있으며 고강도 섬유와 조합하여 섬유강화플라스틱을 제조하는 데에도 사용된다. 열경화성수지는 축중합형(縮重合形)과 첨가중합형으로 나뉘는데 축중합형에는 페놀수지·요소수지·멜라민수지, 첨가중합형에는 에폭시수지·폴리에스테르수지 등이 있다.

① 성형, 가공 공정 중 가열하게 될 때 화학반응이 수반되고 이 화학반응의 결과로 가교결합(crosslinking)이 일어나 불용, 불융의 상태가 되어 고화되는 수지.

 

② 단점: 일반적으로 고분자 제품의 내약품성, 내용제성, 내열성을 향상시키기 위해서는 가교구조(crosslinked network)를 가지는 것이 유리하나 일단 가교 구조가 생성된 이후에는 용해되지도 않고 용융시킬 수도 없기 때문에 가공이 어렵다. 이를 해결하기 위해 가공 전에는 용해, 용융될 수 있는 저분자량의 반응기를 갖는 올리고머(oligomer)를 제조한 다음 이를 성형, 가공공정 중에 열이나 촉매에 의하여 반응시켜 성형과 경화 공정을 동시에 일어나도록 하는 반응 성형(reactive processing)을 이용하는데 이 경우 경화반응이 일어나 고온에서도 불용, 불융의 상태가 되기 때문에 고화된다.

 

③ 열경화성 수지의 대표적인 예: 요소수지, 페놀수지, 멜라민수지, PU수지, UPE수지, 에폭시수지 등이 있으며 가공 전 저분자량의 올리고머 상태(A-stage)에서 가공 후 가교구조 상태(C-stage)로 변화된다.

 

2. 열가소성 수지(thermoplastics)

① 고분자를 가열해 분자간 인력을 이길 수 있는 열에너지를 가하고(결정성 고분자는 융점(T_m) 이상, 비결정성 고분자는 유리전이온도(T_g)이상) 분자쇄가 유동성을 갖도록 한 다음 금형에 사출하거나 일정한 단면적을 가진 다이(die)를 통해 압출한 다음 냉각시켜 고화시키는 고분자 재료

 

② 가열, 성형공정 중 고분자의 화학적 변화없이 물리적인 변화만 수반.

 

③ 주로 석유화학 공업에서 제조되는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 염화비닐수지PVC), 폴리스티렌(PS)이 대표적인 제품이고 합성섬유 공업에서 생산되는 나일론, 폴리에스터, 아크릴 섬유 등이 열가소성 고분자이다.

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실험 방법

1. 산 촉매를 이용한 페놀수지 합성

1) 100㎖ 둥근바닥 플라스크에 13.0g(0.138㏖)의 페놀과 37% 포름알데히드 수용액을 가하고 '촉매(catalyst)'로 0.5N HCl 3㎖를 가한 후 환류냉각기를 장치하고 물중탕을 이용하여 95℃로 2시간 가열한다.

 

2) 가열 후 시험관으로 옮긴 반응 혼합물의 모습이다. 이 혼합물을 2시간 정도 방치해두면 오른쪽 사진처럼 두 층으로 나뉘어지는데 위에 있는 투명한 층이 물이고 아래 층이 페놀이 함유된 기름상의 물질이다.

 

 

3) 위에서의 시험관에서 물을 버리고 나머지 기름상의 물질을 알루미늄 접시로 옮긴다. 그리고 가열기를 이용해 수분을 증발시킨다.

 

4) brittle(잘깨지는)한 노볼락(novolak) 수지 합성 완료. 손으로 눌렀을때 지문이 남지 않을 정도여야 한다.

 

5) 위에서 얻어진 노볼락수지 4.6g을 0.67g의 헥사메틸렌테트라민, 0.2g의 산화마그네시움 0.1g의 마그네시움 스테아레이트와 함께 볼밀에 넣고 혼합한다.

 

6) 이 혼합물질을 금형(nold)에 넣고 2000psi로 160℃에서 5분간 가열하면 경화된 페놀수지가 얻어진다.

 

2. 알칼리 촉매를 이용한 페놀 수지 합성

1) 10g의 페놀과 20㎖의 37% 포름알데히드 수용액을 가하고 촉매로 1㎖의 25% 를 가한 용액이 들어있는 플라스크에 환류냉각기를 장치한 뒤 100℃의 온도로 3시간 동안 열중탕을 가한다. 환류냉각기 상부에는 알루미늄 호일을 씌워줌으로써 냉각되어 액화된 증기가  내부에서 계속 순환하도록 해준다.

 

2) 물중탕을 가하면 처음에 무색이었던 용액에 노란색을 띄는 기름물질이 형성된다.

 

3) 채취한 시료를 시험관으로 옮긴후 냉각시키면 점성이 큰 기름물질(레졸 수지)이 아래 층에 형성된다. 위층의 수용액 층을 버리고 실험을 진행한다.

 

 

4) 시료 내의 물을 증발시키면서 유리막대를 이용하여 저어준다. (알루미늄 접시가 타는 것을 방지하기 위해서이다.) 그리고 가열과 냉각을 반복시키켜 성공적으로 완성된 brittle한 레졸 수지(resole resin)를 얻는데 성공하였다.

 

 

[고분자공학실험]페놀수지의 합성

 

 

[고분자화학실험]페놀-포름알데히드 수지의 합성(열경화성 수지) 레포트