공업 화학 | 천연고무와 합성고무

Hevea brasiliensis 나무에서 얻는 천연고무는 실험식이 C₅H₈인 탄화수소이다. 이 천연 고무는 산소가 없는 상태에서 분해가 일어날 때 단량체 2-메틸-1,3-부타디엔(이소프렌), CH₂=C(CH₃)CH=CH₂이 얻어진다.

 

천연고무는 고무나무를 베었을 때 흘러나오는 라텍스(물에 고무 입자가 유화된 액)로서 취해진다. 고무 입자 침전물은 탄성적이고 물과 섞이지 않을 뿐만 아니라 따뜻하게 하면 매우 끈적끈적한 수지 덩어리가 된다. 1839년에 Charles Goodyear(1800～1860)는 천연고무에 대한 연구로서 황과 함께 수지고무를 가열하여 더 이상 끈적끈적하지 않고 여전히 탄성적이면서 방수 성질도 있는 물질의 생산에 성공하였다.

 

Goodyear가 발견한 가황고무는 천연고무의 고분자 사슬 중에 불포화를 감소시킨 황 사슬을 갖고 있다. 황 사슬은 고분자 사슬을 정렬시키는 것을 돕는다. 그래서 인장 되었을 때 영구적 변화가 일어나지 않고 힘이 제거되었을 때 본래의 형태와 크기로 다시 돌아온다. 이러한 식으로 행동하는 물질을 탄성체(elastomer)라 부른다.

 

천연고무(polyisoprene)의 성질은 고분자 사슬 내의 특이한 기하학적 구조 때문이다. 폴리이소프렌의 분자식은 이중결합의 반대 위치에 CH₂기를 가질 수 있다(트란스 배열).

 

 

또는 이중결합의 같은 쪽에 CH₂기를 가진 배열로도 쓸 수 있다(시스배열).

 

 

천연고무는 폴리-시스-이소프렌이다. 트란스 물질도 sapotacea 나무의 잎과 나무 껍질에서 발견되고 구타페르카(gutta-percha)로 알려져 있다. 이 물질은 단단하기 때문에 골프 공의 바깥 부분과 전기 절연물로 사용된다.

 

1955년에 Firestone사의 화학자들은 폴리-시스-이소프렌의 제조법을 발견하였다. 오늘날 합성 폴리-시스-이소프렌은 값싸게 제조되어서 천연고무가 부족할 경우에 매우 유용하게 사용된다.

 

상업적으로 매우 중요한 많은 첨가 고분자 물질들은 공중합체(copoly- mers)로서 둘 혹은 그 이상의 서로 다른 단량체를 중합시켜 만든다. 부타디엔과 스티렌의 공중합체는 미국에서 생산되는 가장 중요한 합성고무이다. 스티렌-부타디엔 고무(SBR)는 미국에서 타이어를 제조하기 위하여 1년에 140만톤 이상이 생산된다. 네오프렌은 2-클로로부타디엔(2-chlorobutadi- ene) 단위체의 첨가고분자로 미국에서 생산된 최초의 합성고무이다.

 

 

2-클로로부타디엔은 이소프렌에 있는 메틸기를 염소원자로 치환시킨 것이다. 네오프렌은 개스킷, 정원 호스 그리고 접착제의 생산에 사용된다. 폴리부타디엔은 타이어, 호스 그리고 벨트의 생산에 사용되는 합성고무이고 1,3-부타디엔 단위체의 첨가 고분자이다.

 

 

또 다른 중요한 공중합체는 에틸렌과 프로필렌의 혼합물이나 아크릴로니트릴, 부타디엔, 스티렌의 혼합물을 중합시킴으로써 만들어진다. Saran Wrap은 염화비닐과 1,1-디클로로에티렌의 공중합에 의하여 만들어진 물질이다.

 

 

 

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