지난 2편에서는 고분자를 만드는 두 가지 방법인 부가 중합과 축합 중합에 대해 자세히 알아보았습니다. 부가 중합은 부산물 없이 이중결합이 열리며 연결되는 방식이고, 축합 중합은 물이나 염산 같은 부산물이 생성되는 방식이었습니다.
이번 3편에서는 만들어진 고분자를 어떻게 분류하는지 알아보겠습니다. 특히 단량체 종류에 따른 분류, 고분자 형태에 따른 분류, 설계방식에 따른 분류, 그리고 산출 형태에 따른 분류를 자세히 살펴보겠습니다.
1. 고분자의 형태 – 단량체 종류에 따른 분류
1-1. 단량체가 1종류인 경우: Homopolymer
고분자를 만들 때 한 가지 종류의 단량체만 사용하면 호모폴리머(Homopolymer)라고 부릅니다. Homo는 같다는 뜻입니다. 즉, 같은 단위가 반복되는 고분자라는 의미입니다.
호모폴리머의 구조를 문자로 표현하면 다음과 같습니다.
-A-A-A-A-A-A-A-A-
여기서 A는 하나의 단량체를 나타냅니다. 같은 단량체가 계속 반복해서 연결되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 앞서 배운 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐클로라이드(PVC) 등이 모두 호모폴리머에 해당합니다.
1-2. 단량체가 2종류인 경우: Copolymer
두 가지 종류의 단량체를 사용하여 만든 고분자를 코폴리머(Copolymer)라고 부릅니다. Co는 함께라는 뜻입니다. 즉, 두 종류의 단위가 함께 있는 고분자라는 의미입니다.
코폴리머는 두 단량체가 어떻게 배열되느냐에 따라 다시 네 가지로 나눌 수 있습니다.
랜덤 코폴리머(Random copolymer)
구조: -A-B-B-A-B-A-A-B-
A와 B가 무작위로 섞여 있는 형태입니다. 어떤 규칙 없이 랜덤하게 배열되어 있습니다. 마치 흰색 구슬과 검은색 구슬을 무작위로 연결한 것과 같습니다.
교대 코폴리머(Alternating copolymer)
구조: -A-B-A-B-A-B-A-B-
A와 B가 번갈아 가며 배열된 형태입니다. 규칙적으로 하나씩 교대로 나타납니다. 흰색과 검은색 구슬이 번갈아 연결된 것과 같습니다.
블록 코폴리머(Block copolymer)
구조: -A-A-A-A-B-B-B-B-
A가 여러 개 연속으로 나온 후, B가 여러 개 연속으로 나오는 형태입니다. 같은 종류끼리 블록을 이루고 있습니다. 흰색 구슬 여러 개가 연결된 후 검은색 구슬 여러 개가 연결된 것과 같습니다.
그래프트 코폴리머(Graft copolymer)
구조: -A-A-A-A-A-A-A-A- (주쇄) | B B (곁가지)
A로 이루어진 주쇄(메인 사슬)에 B로 이루어진 곁가지가 붙어 있는 형태입니다. 나무 줄기에 가지가 붙어 있는 모양과 비슷합니다. Graft는 접붙이기라는 뜻입니다.
1-3. 코폴리머 종류 정리표
| 종류 | 영어명 | 배열 구조 | 특징 |
|---|---|---|---|
| 랜덤 | Random | -A-B-B-A-B-A-A-B- | 무작위 배열 |
| 교대 | Alternating | -A-B-A-B-A-B-A-B- | 규칙적 교대 |
| 블록 | Block | -A-A-A-A-B-B-B-B- | 같은 종류끼리 모임 |
| 그래프트 | Graft | 주쇄에 곁가지 | 접붙이기 형태 |
1-4. 단량체가 3종류인 경우: Terpolymer
세 가지 종류의 단량체를 사용하여 만든 고분자를 터폴리머(Terpolymer)라고 부릅니다. Ter는 셋이라는 뜻입니다.
가장 대표적인 터폴리머는 ABS입니다. ABS는 3종류의 단량체인 Acrylonitrile(아크릴로니트릴), Butadiene(부타디엔), Styrene(스티렌)으로 제조됩니다. 이름도 이 세 단량체의 앞 글자를 따서 ABS라고 붙였습니다.
ABS는 유화 중합이라는 방법으로 만들어집니다. 유화 중합이란 물과 기름처럼 섞이지 않는 두 액체를 유화제를 사용하여 섞은 상태에서 중합반응을 진행하는 방법입니다.
ABS는 세 가지 단량체의 장점을 모두 가지고 있습니다. 아크릴로니트릴은 내화학성과 강도를, 부타디엔은 충격 강도와 유연성을, 스티렌은 가공성과 광택을 제공합니다. 그래서 ABS는 레고 블록, 가전제품 케이스, 자동차 내장재 등 다양한 곳에 사용됩니다.
1-5. 단량체 종류에 따른 분류 정리표
| 단량체 종류 | 분류명 | 대표 예시 |
|---|---|---|
| 1종류 | Homopolymer | PE, PP, PVC |
| 2종류 | Copolymer | 에틸렌-프로필렌 공중합체 |
| 3종류 | Terpolymer | ABS |
2. 고분자의 형태 – 고분자 형태(Type)에 따른 분류
2-1. 선형(Linear) – 열가소성
선형 구조는 고분자 사슬이 일자로 쭉 뻗어 있는 형태입니다. 마치 실이나 국수처럼 생겼습니다. 가지나 연결 없이 하나의 사슬로만 이루어져 있습니다.
선형 구조의 고분자는 열가소성을 가집니다. 열가소성이란 열을 가하면 부드러워지고, 식히면 다시 딱딱해지는 성질입니다. 이 과정을 여러 번 반복할 수 있습니다. 선형 사슬들이 서로 화학적으로 연결되어 있지 않기 때문에, 열을 가하면 사슬들이 움직일 수 있게 되어 부드러워지는 것입니다.
2-2. 가지(Branch) – 열가소성
가지 구조는 주 사슬에서 곁가지가 뻗어 나온 형태입니다. 나무에 가지가 달린 것처럼 생겼습니다. 하지만 가지들이 다른 사슬과 연결되지는 않습니다.
가지 구조의 고분자도 열가소성을 가집니다. 가지가 있어도 사슬들이 서로 화학적으로 연결되어 있지 않기 때문입니다. 다만 가지가 있으면 사슬들이 서로 얽히기 쉬워서 선형보다 물성이 달라질 수 있습니다.
저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 대표적인 가지 구조 고분자입니다. 가지가 많아서 사슬들이 촘촘하게 모이지 못하고, 그래서 밀도가 낮습니다.
2-3. 망목(Network) – 열경화성
망목 구조는 사슬들이 서로 화학적으로 연결되어 그물처럼 얽혀 있는 형태입니다. 3차원적으로 연결되어 있어서 마치 그물망이나 스펀지 내부 구조처럼 생겼습니다.
망목 구조의 고분자는 열경화성을 가집니다. 열경화성이란 한 번 굳으면 다시 열을 가해도 녹지 않는 성질입니다. 사슬들이 화학적으로 단단하게 연결되어 있기 때문에, 열을 가해도 이 연결이 끊어지지 않고 오히려 분해되어 버립니다.
열경화성 수지와 고무가 망목 구조에 해당합니다.
2-4. 고분자 형태에 따른 분류 정리표
| 형태 | 영어명 | 열적 성질 | 구조 특징 | 예시 |
|---|---|---|---|---|
| 선형 | Linear | 열가소성 | 일자 사슬 | HDPE |
| 가지 | Branch | 열가소성 | 곁가지 있음 | LDPE |
| 망목 | Network | 열경화성 | 3차원 연결 | 에폭시, 고무 |
3. 고분자의 형태 – 설계방식(Polymer Architecture)에 따른 분류
고분자는 설계 방식에 따라 더 다양한 형태로 만들 수 있습니다. 특수한 목적을 위해 여러 가지 독특한 구조가 개발되어 있습니다.
3-1. 별(Star) 구조
중심점에서 여러 개의 사슬이 뻗어 나오는 형태입니다. 마치 별 모양처럼 생겼습니다. 중심에 있는 핵에서 팔처럼 사슬들이 방사형으로 뻗어 있습니다.
3-2. 빗(Comb) 구조
주 사슬 한쪽에서만 곁가지가 규칙적으로 뻗어 나오는 형태입니다. 빗의 이빨처럼 한 방향으로만 가지가 나 있습니다. 그래프트 코폴리머와 비슷하지만, 더 규칙적인 배열을 가집니다.
3-3. 사다리(Ladder) 구조
두 개의 주 사슬이 가로대로 연결되어 사다리처럼 생긴 형태입니다. 두 사슬이 평행하게 달리면서 중간중간 연결되어 있습니다. 이런 구조는 열에 매우 강한 특성을 가집니다.
3-4. 덴드리머(Dendrimer) 구조
나무가 가지를 치듯이 점점 더 많은 가지가 뻗어 나가는 형태입니다. Dendri는 나무라는 뜻입니다. 중심에서 시작하여 각 가지 끝에서 다시 여러 개의 가지가 나오고, 그 끝에서 또 가지가 나오는 식으로 기하급수적으로 분지됩니다. 매우 규칙적이고 대칭적인 구조를 가지며, 의약품 전달 등 특수한 용도로 연구되고 있습니다.
3-5. 설계방식에 따른 분류 정리표
| 구조 | 영어명 | 형태 특징 | 특수 용도 |
|---|---|---|---|
| 별 | Star | 중심에서 방사형 | 점도 조절 |
| 빗 | Comb | 한쪽으로 규칙적 가지 | 표면 개질 |
| 사다리 | Ladder | 두 사슬이 가로대로 연결 | 내열성 |
| 덴드리머 | Dendrimer | 나무처럼 분지 확산 | 약물 전달 |
4. 산출 형태에 따른 분류
4-1. 천연 고분자
자연에서 얻어지는 고분자를 천연 고분자라고 합니다. 인간이 합성하지 않아도 자연계에 이미 존재하는 고분자입니다.
대표적인 천연 고분자로는 셀룰로오스(Cellulose)가 있습니다. 셀룰로오스는 식물 세포벽의 주성분으로, 나무나 목화에서 얻을 수 있습니다. 종이의 원료가 바로 셀룰로오스입니다.
라텍스(Latex)도 천연 고분자입니다. 고무나무에서 채취하는 유백색 액체로, 천연고무의 원료가 됩니다. 고무장갑, 풍선 등에 사용됩니다.
그 외에도 단백질, DNA, 전분 등이 모두 천연 고분자에 해당합니다.
4-2. 합성 고분자
인간이 화학적으로 합성하여 만든 고분자를 합성 고분자라고 합니다. 우리가 일반적으로 플라스틱이라고 부르는 대부분의 물질이 합성 고분자입니다.
플라스틱(Plastic)은 합성 고분자의 대표적인 예입니다. PE, PP, PVC, ABS 등 앞서 배운 물질들이 모두 여기에 해당합니다.
합성고무(Synthetic rubber)도 합성 고분자입니다. 천연고무와 비슷한 성질을 가지도록 인공적으로 만든 고무입니다. 자동차 타이어 등에 사용됩니다.
섬유(Fiber)도 합성 고분자로 만들 수 있습니다. 나일론, 폴리에스터 등이 합성 섬유에 해당하며, 의류, 로프, 그물 등에 사용됩니다.
4-3. 산출 형태에 따른 분류 정리표
| 분류 | 정의 | 대표 예시 | 용도 |
|---|---|---|---|
| 천연 고분자 | 자연에서 얻음 | 셀룰로오스, 라텍스 | 종이, 천연고무 |
| 합성 고분자 | 인공 합성 | 플라스틱, 합성고무, 섬유 | 용기, 타이어, 의류 |
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 고분자를 분류하는 여러 가지 기준에 대해 알아보았습니다.
단량체 종류에 따라 1종류면 Homopolymer, 2종류면 Copolymer, 3종류면 Terpolymer로 분류합니다. 코폴리머는 배열 방식에 따라 랜덤, 교대, 블록, 그래프트로 다시 나뉩니다.
고분자 형태에 따라 선형과 가지 구조는 열가소성, 망목 구조는 열경화성을 가집니다. 특수한 설계방식으로는 별, 빗, 사다리, 덴드리머 구조가 있습니다.
산출 형태에 따라 자연에서 얻으면 천연 고분자, 인공 합성하면 합성 고분자로 분류합니다.
다음 편 예고
다음 4편에서는 열적 성질에 따른 분류인 열가소성 수지와 열경화성 수지에 대해 더 자세히 알아보겠습니다. 또한 기계적 성질과 분자량의 관계, 그리고 온도에 따른 플라스틱의 거동 변화에 대해서도 배워볼 예정입니다.
