지난 1편에서는 플라스틱이 왜 널리 사용되는지, 플라스틱의 정의가 무엇인지, 그리고 고분자의 기본 개념에 대해 알아보았습니다. 또한 부가 중합이라는 고분자 제조방법의 기본 특징도 살펴보았습니다.
이번 2편에서는 부가 중합의 구체적인 예시와 비닐계 플라스틱의 명명법을 자세히 알아보고, 또 다른 중합 방법인 축합 중합에 대해서도 배워보겠습니다.
1. 부가 중합 상세 설명
1-1. 비닐계 플라스틱의 명명법
고분자의 이름은 어떻게 지어질까요? 비닐계 플라스틱을 예로 들어 설명하겠습니다.
에틸렌(Ethylene)이라는 단량체가 중합반응을 거치면 폴리에틸렌(Polyethylene)이 됩니다. 화학식으로 보면 CH₂=CH₂가 반응하여 -(CH₂-CH₂)n- 구조가 됩니다. 여기서 n은 반복 횟수를 나타내며, 수천에서 수만 번 반복됩니다.
고분자 이름을 짓는 규칙은 다음과 같습니다.
첫째, 반복단위 이름을 우선 명명합니다. 위의 예에서는 ethylene이 반복단위입니다.
둘째, 앞에 Poly를 붙입니다. Poly는 많다는 뜻이므로, Polyethylene은 에틸렌이 많이 연결되었다는 의미입니다.
셋째, 원칙적으로 반복단위는 괄호로 묶어야 합니다. 하지만 괄호로 묶지 않는 경우도 종종 있습니다. 예를 들어 Poly(ethylene)이라고 쓰기도 하고, Polyethylene이라고 쓰기도 합니다. 둘 다 같은 물질을 가리킵니다.
1-2. 부가 중합형의 예
부가 중합으로 만들어지는 플라스틱의 구체적인 예를 살펴보겠습니다.
단량체로 에틸렌에서 합성된 폴리에틸렌이 있습니다. 폴리에틸렌은 우리 주변에서 가장 흔히 볼 수 있는 플라스틱입니다. 비닐봉지, 플라스틱 용기, 포장재 등에 널리 사용됩니다.
프로필렌에서 합성된 폴리프로필렌도 있습니다. 폴리프로필렌은 내열성이 좋아서 전자레인지용 용기나 자동차 부품에 많이 사용됩니다.
비닐클로라이드에서 합성된 폴리비닐클로라이드도 대표적인 예입니다. 흔히 PVC라고 부르며, 수도관, 창틀, 바닥재 등에 사용됩니다.
부가 중합의 가장 큰 특징은 반응 전후 부산물 발생이 되지 않기 때문에 분자량 차이가 없다는 것입니다. 단량체의 총 무게와 생성된 고분자의 무게가 같습니다. 아무것도 빠져나가지 않기 때문입니다.
1-3. 부가 중합 플라스틱 정리표
| 단량체 이름 | 단량체 구조 | 플라스틱 이름 | 플라스틱 구조 | 부산물 발생 |
|---|---|---|---|---|
| Ethylene | CH₂=CH₂ | Polyethylene (LDPE, HDPE) | -(CH₂-CH₂)n- | X |
| Propylene | CH₂=CH-CH₃ | Polypropylene | -(CH₂-CH)n- (CH₃ 곁가지) | X |
| Vinyl chloride | CH₂=CH-Cl | Polyvinylchloride (PVC) | -(CH₂-CH)n- (Cl 곁가지) | X |
표에서 X 표시는 부산물이 발생하지 않는다는 의미입니다. LDPE는 Low Density Polyethylene(저밀도 폴리에틸렌)의 약자이고, HDPE는 High Density Polyethylene(고밀도 폴리에틸렌)의 약자입니다. 같은 폴리에틸렌이라도 제조 방법에 따라 밀도가 달라집니다.
2. 축합 중합(Condensation Polymerization)
2-1. 축합 중합의 기본 원리
축합 중합은 부가 중합과는 다른 방식으로 고분자를 만드는 방법입니다. 가장 큰 차이점은 반응 과정에서 물이나 다른 작은 분자가 빠져나온다는 것입니다.
대표적인 예로 PA66(폴리아마이드 66)의 합성 과정을 살펴보겠습니다.
헥사메틸렌디아민(HMDA)과 아디핀산(AA)이 1단계 반응을 거쳐 PA66 Salt가 됩니다. 그리고 2단계 반응을 거쳐 PA66과 함께 물(H₂O)이 생성됩니다. 이처럼 반응 과정에서 부산물이 생성되는 것이 축합 중합의 특징입니다.
축합 반응은 단계별로 반응이 진행되며 단계별 반응 조건도 다릅니다. 1단계와 2단계에서 필요한 온도, 압력, 시간 등이 서로 다릅니다. 이는 부가 중합이 한 번에 쭉 진행되는 것과는 다른 점입니다.
2-2. 축합 중합으로 만들어지는 플라스틱
폴리아마이드(Polyamide)와 폴리에스터(Polyester) 등이 축합 중합으로 만들어집니다. 폴리아마이드는 흔히 나일론이라고 불리는 물질이고, 폴리에스터는 페트병의 재료로 유명합니다.
이들은 반응 중이나 반응 후에도 가수분해가 일어나기 쉽습니다. 가수분해란 물과 반응하여 분해되는 현상입니다. 축합 중합으로 만들어진 고분자는 물 분자가 빠져나오면서 결합이 형성되었기 때문에, 반대로 물이 들어오면 결합이 끊어질 수 있습니다. 그래서 이런 플라스틱은 습기 관리가 중요합니다.
2-3. 축합 중합형의 예
축합 중합형의 구체적인 예를 살펴보겠습니다.
입실론 카프로락탐(ε-caprolactam)을 합성하면 폴리아마이드 6(PA6)을 얻을 수 있습니다. 이 반응에서는 물(H₂O)이 부산물로 생성됩니다. PA6은 나일론 6이라고도 불리며, 섬유나 기계 부품에 많이 사용됩니다.
비스페놀에이(bisphenol A)와 포스겐(Phosgen)을 합성하면 폴리카보네이트(PC)를 얻을 수 있습니다. 이 반응에서는 염산(HCl)이 부산물로 생성됩니다. 폴리카보네이트는 투명하고 충격에 강해서 안경 렌즈, CD, 방탄유리 등에 사용됩니다.
축합 중합의 핵심 특징은 반응 중 부산물이 발생하므로 중합반응 전후 분자량 차이가 있다는 것입니다. 단량체의 총 무게보다 생성된 고분자의 무게가 적습니다. 물이나 염산 같은 부산물이 빠져나갔기 때문입니다.
2-4. 축합 중합 플라스틱 정리표
| 단량체 이름 | 단량체 구조 | 플라스틱 이름 | 부산물 발생 |
|---|---|---|---|
| ε-caprolactam | 고리형 구조 | Polyamide 6 (PA6) | H₂O |
| bisphenol A + Phosgen | (HOC₆H₄)₂C(CH₃)₂ + ClCOCl | Polycarbonate (PC) | HCl |
3. 부가 중합과 축합 중합 비교
두 가지 중합 방법의 차이점을 정리해 보겠습니다.
| 구분 | 부가 중합 | 축합 중합 |
|---|---|---|
| 반응 방식 | 이중결합이 열리며 연결 | 작용기 간 반응으로 연결 |
| 부산물 | 없음 | 있음 (물, HCl 등) |
| 분자량 변화 | 단량체 합 = 고분자 | 단량체 합 > 고분자 |
| 대표 플라스틱 | PE, PP, PVC | PA, PC, PET |
| 반응 진행 | 연쇄적 | 단계적 |
| 가수분해 | 잘 안됨 | 잘 됨 |
이 표를 보면 두 중합 방법의 차이가 명확히 이해될 것입니다. 어떤 플라스틱이 어떤 방법으로 만들어졌는지 알면, 그 플라스틱의 특성도 예측할 수 있습니다. 예를 들어 축합 중합으로 만들어진 나일론은 습기에 약하므로 사출성형 전에 충분히 건조해야 합니다.
4. 플라스틱의 형태와 성질에 따른 분류 개요
지금까지 플라스틱이 어떻게 만들어지는지 알아보았습니다. 이제부터는 만들어진 플라스틱을 어떻게 분류하는지 살펴보겠습니다.
플라스틱은 크게 네 가지 기준으로 분류할 수 있습니다.
첫째, 고분자의 형태에 따른 분류입니다. 분자 사슬의 모양이 어떻게 생겼는지에 따라 나눕니다.
둘째, 산출 형태에 따른 분류입니다. 천연에서 얻어지는지, 인공적으로 합성하는지에 따라 나눕니다.
셋째, 열적 성질에 따른 분류입니다. 열을 가했을 때 어떻게 반응하는지에 따라 나눕니다.
넷째, 기계적 성질에 따른 분류입니다. 강도, 탄성 등의 물리적 특성에 따라 나눕니다.
핵심적으로 기억해야 할 점은, 플라스틱은 설계방법에 따라 구조가 결정되면 이에 기인한 관련 열적 및 기계적 성질은 결정된다고 볼 수 있다는 것입니다. 즉, 분자 구조를 알면 그 플라스틱이 어떤 특성을 가질지 예측할 수 있습니다.
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 중합반응의 두 가지 종류에 대해 자세히 알아보았습니다.
부가 중합은 이중결합이 열리면서 분자들이 연결되는 방식으로, 부산물이 생기지 않습니다. PE, PP, PVC 등 비닐계 플라스틱이 이 방법으로 만들어집니다. 고분자 이름은 반복단위 앞에 Poly를 붙여서 짓습니다.
축합 중합은 작용기들이 반응하면서 물이나 HCl 같은 부산물이 생성되는 방식입니다. PA, PC 등이 이 방법으로 만들어지며, 가수분해가 잘 일어나므로 습기 관리가 중요합니다.
다음 편 예고
다음 3편에서는 고분자의 형태에 따른 분류를 자세히 알아보겠습니다. 단량체 종류에 따른 분류(Homopolymer, Copolymer, Terpolymer), 고분자 형태에 따른 분류(선형, 가지, 망목), 그리고 다양한 고분자 설계방식에 대해 배워볼 예정입니다.
