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반응하는 고분자

反應－高分子

플라스틱·섬유·종이·필름 등은 고분자가 여러 가지 형태를 취해, 그것의 형태와 성질이 이용되고 있는 것이다. 이와 같은 용도로 사용되는 재료는, 모양을 부여한다는 의미에서 '부형재료(賦形材料)'라고 한다. 한편 고분자 중에는 그 자신에 반응하는 능력이 있는 것이 있고, 그 고분자 자신을 반응시킴으로써 기능을 나타내는 것이 있는데 이를 반응하는 고분자라 한다. 열경화성수지(熱硬化性樹脂) 등도 성형시(成型時)에 그와 같은 성질을 가지고 있고, 용액 중에서 이온을 선택적으로 흡수하는 이온교환수지도 그 예이며, 대표적인 것으로는 도료(塗料)·접착제 등이 있다.

여기서는 도료나 접착제를 중심으로 고분자 자신의 반응이 어떻게 이용되고 있는가를 살펴보기로 한다.

도료

도료

塗料

물체의 표면에 도료를 발라 표면을 보호하거나 아름답게 하려고 했던 것은 고대 이집트 시대부터 시행되어 왔다. 현재 널리 사용되고 있는 바니시란 이름도 당시 천연수지로부터 바니시를 만드는 기술이 발견되고 그것이 아름다운 아마색(亞麻色)의 광택을 주기 때문에 당시의 미희 바니시의 이름을 따서 붙여진 것이라고 한다. 오늘날에는 우리들이 일상 대하는 것으로, 그 종류도 매우 많아 도장(塗裝)이나 표면 가공이 일반화되어 있다.

색채를 내게 하는 안료에 대해서는 별도로 설명하기로 하고, 여기서는 안료를 녹여 물체의 표면을 덮어씌우는 도료에는 어떠한 성질이 있는가를 알아보기로 한다.

바니시

varnish

우선 간단한 도료의 제조법을 보면 아마인유나 동백기름과 같은 식물유를 적당량 플라스크에 담고, 여기에 약 10분의 1 정도의 송지(松脂：rosin)를 넣어 서서히 열을 가하면서 용해한다. 잘 저으면서 온도를 올리면 180℃ 전후에서 액은 조청빛으로 되고, 점차로 점도(粘度)가 높아진다. 액이 겔화(gel化：固溶化)되기 전에 점도가 상당히 높아졌을 무렵 불을 끄고 식힌다. 이것을 시너(thinner)로 녹여 희석하면 대표적인 도료용 바니시(oilvarnish)가 된다.

도료의 조건

塗料－條件

바니시처럼 기름에 천연수지를 녹이고 가열해서 만든 것이 어떻게 도료로서 사용되는가를 생각해 보자.

물체의 표면을 덮어 씌우기 위해서는 먼저 도료 자체가 그 물체에 대해 밀착성이 좋아야 하고, 둘째는 건조하면 얇은 피막을 만들고 또한 표면이 굳어져야 한다.

바니시로 사용되는 기름은 반(半)건성유나 건성유로, 탄소수가 16∼18인 유지(油脂)이고, 그 탄소－탄소 결합 중의 1∼2개가 이중결합된 것이다. 이와 같은 이중결합을 이룬 기름을 공기 중에 장시간 방치하거나 가열하면 이중결합이 풀려 기름의 분자가 서로 일렬로 결합되어 고분자 화합물이 되는 성질이 있다. 더욱이 유지(油脂)가 가지고 있는 지방산과 글리세린 부분과의 에스테르 결합은 목재에 대해 친화성이 풍부하기 때문에 반건성유나 건성유는 미리 가열 처리한 후 목재 등의 표면에 바르면, 그 표면을 덮는 동시에 잘 밀착하는 성질이 있다.

도료의 또 하나의 성분인 천연수지는, 〔그림〕－1에 표시된 것과 같이 큰 화합물이며, 탄소가 고리 모양으로서 연결되어 있다. 기름에 녹이면 잘 융합하며, 도료에 대해 굳고 강하게 되는 성질을 갖게 한다.

이상과 같이 도료로서 필요한 성질을 종합하면, ① 면을 만들기 쉬울 것, ② 피막에 굳기·세기·아름다움이 있을 것, ③ 도포(塗布)하면 소재에 대해 밀착하기 쉬운 원자단을 가지고 있을 것 등의 세 가지 조건이 필요하다.

고대의 바니시로부터 현대의 합성수지를 사용한 도료에 이르기까지, 모두 이와 같은 성질을 가지는 재료를 골라, 도포하는 소재에 대응하는 다양한 종류의 도료가 사용되고 있다.

옻칠

－漆

바니시 이외의 대표적인 천연도료로서 우리나라에서는 예부터 옻칠이 사용되었다. 옻칠은 옻나무에서 수액을 채취, 수액 중에서 수지상물질(樹脂狀物質)을 모아 처리한 것이다. 옻칠은 일반적으로 나무를 소재로 한 식기나 상자 등의 가구, 사찰 건축물의 도료 등으로 사용되어 왔는데, 그 소재가 되는 나무가 다 썩었어도 도료로서의 옻칠은 그대로 남아 있을 정도로 그 질이 매우 훌륭한 것이다. 이와 같은 성질은 어디서 오는 것일까. 옻칠의 주성분은 우루시올(urushiol)인데, 그 분자는 2종류의 페놀에 탄소수가 10여 개인 가지가 붙어 있고, 또한 그 가지에 탄소－탄소의 이중결합을 가지고 있다. 옻칠을 바르면 건조되는 과정에서 천연으로 함유되어 있는 효소가 작용하고, 우루시올의 분자가 굳게 결합하여 면상(面狀)의 고분자(高分子)를 만든다. 이 결합은 우루시올의 탄소의 측쇄(側鎖)가 있는 곳에서도, 또 페놀의 수산기(－OH)가 있는 곳에서도 이루어지는 것으로 일반적으로 추측되고 있다.

건조한 옷칠의 고분자의 구조를 보면 탄소의 측쇄부분과 벤젠핵 부분이 규칙적으로 결합되어 있어, 옻칠 특유의 성질을 지니고 있는 것이다. 또 수산기가 함유되어 있기 때문에 목재에 친화성과 밀착성을 주고 있다.

합성도료

합성도료

合成塗料

오늘날에는 과학기술의 진보와 더불어 앞서 말한 천연도료 외에 합성고분자를 사용한 수많은 합성도료가 공업적으로 제조되고 있다. 여기서 그 대표적인 것을 들어 보기로 한다.

먼저 기름을 개량하여 보다 좋은 성질을 가지게 하려는 시도로서, 건성유에 무수말레인산 또는 스티렌을 반응시킨 것이 있다. 전자를 '말레인산 변성유', 후자를 '스티렌화유(styrene 化油)'라고 한다. 이들은 유지(油脂) 중의 이중결합을 열어 무수말레인산이나 스티렌을 결합시켜 경도(硬度)·강도 등을 적당히 조절한 것이다. 특히 잉크용 재료 등에 널리 사용되고 있다.

또 수지를 개량하여 막상(膜狀)으로 얇게 발랐을 때 잘 칠해지고 소재와 잘 밀착하며, 또한 강한 피막을 만들도록 하기 위해 합성고분자를 사용하기도 한다.

이와 같은 것으로는 폴리초산비닐계의 고분자를 사용한 것이 있다. 이것이 수성페인트로서, 주택의 벽 등에 널리 사용되고 있으나 내구성은 별로 좋지 않다. 마찬가지로 면에 잘 퍼지는 성질을 가진 합성고분자를 사용하는 것으로, 물에 균일하게 분산시켜 사용하는 폴리염화비닐계 고분자나 니트로셀룰로오스를 시너에 녹인 래커(lacquer) 등이 있다.

이상과 같은 합성도료는 이미 만들어 놓은 고분자를 시너 등의 용제(溶劑)에 녹여 칠하기 쉽게 해서 사용하는 것이다. 따라서 완성된 도료의 피막은 이것을 바르기 쉽게 하기 위해 사용한 용제에 잘 녹아야 한다.

반응성 합성도료

反應性合成塗料

앞서 말한 바니시나 옻칠과 같이 칠한 뒤 건조하는 동안에 분자가 반응하여 3차원적인 결합을 만들고, 면상(面狀)의 고분자막으로 되는 것은 다시 용제로 녹일 수가 없다. 합성도료로서도 이와 같은 성질의 것이 바람직하다. 이와 같은 성질의 합성도료도 여러 가지가 연구되어 있는데, 대표적인 것으로서 페놀수지·요소수지(尿素樹脂)·멜라민수지 등 열경화성수지(熱硬化性樹脂)를 사용한 것이 있다. 또 글리프탈수지라고 하는 폴리에스테르계의 고분자를 사용한 것도 있다.

글리프탈수지는 〔그림〕－3에서 보는 바와 같이 프탈산과 글리세린이 반응하여 고분자화한 것으로, 여기에 다시 유지 중의 지방산이 첨가된 것이다. 이것은 같은 폴리에스테르계의 텔레프탈산과 에틸렌글리콜로 이루어지는 테트론과는 달리 분자가 구불구불하게 엉겨 있고, 또한 비교적 긴 가지를 가지고 있다.

이와 같은 구조로 인해 면상(面狀)으로 퍼져서 굳으며, 휘어지기 쉬운 성질을 가지게 되는 것이다. 천연수지인 옻칠의 구조와 비교해서 매우 흥미 있는 일이다. 이와 같은 글리프탈수지 도료는 자동차의 도료로 널리 사용되고 있다.

페놀·멜라민·요소수지를 도료로서 사용할 때는 건성유나 기타 유용성(油溶性)의 비닐화합물과 반응시켜 도포(塗布)하고, 도포한 후 가열하여 3차원적으로 고분자화한다.

아크릴수지 도료도 반응하는 고분자를 이용한 것으로, 아크릴산·아크릴산에스테르·메타크릴산 및 에스테르에스티렌 등의 모노머를 가해 중합시킨 고분자를 주체로 하고 있다. 그리고 다시 여기에 메틸화멜라민 등을 가해, 도포 후 가열·건조하면 아크릴산의 카르복시기와 메티롤기가 반응하여 막상고분자화(膜狀高分子化)한다.

이 밖에, 반응하는 합성고분자 도료로서는 에폭시수지 도료·우레탄수지 도료 등 많은 것이 사용되고 있다.

도장방법

塗裝方法

도장의 가장 간단한 방법으로서는 솔로 칠하는 방법이 있다. 그러나 오늘날에는 이와 같은 방법 이 외에 도료의 성질을 이용하는 효과적인 방법이 고안되어 있다.

스프레이법과 정전도장법

spray 法－靜電塗裝法

배·자동차·전차 등과 같은 대형의 것에서는 솔로써 일일이 칠하기가 곤란하므로 도료를 가압공기(加壓空氣)로 스프레이(분무)하는 방법이 이용된다. 이보다 더욱 개량된 방법으로는, 도료와 도포물(塗布物)에 각각 양음(陽陰)의 전하(電荷)를 줌으로써 도포하기 쉽게 하는 방법이 이용된다. 이것이 정전도장법(靜電塗裝法)으로서, 가정용의 전기제품 등에도 널리 이용되고 있다.

전착도장법

電着塗裝法

정전도장의 결점은 정전기가 볼록한 부분에 잘 모이므로, 볼록한 부분에는 두껍게, 오목한 부분에는 얇게 칠해지는 경향이 있는 점이다. 현재 이 결점을 개량한 방법으로 전착도장법이 사용되고 있다. 이 방법은 마치 도금을 하는 것처럼, 도포물을 수용성 도료 속에 담그고 전압을 걸어 도포하는 방법이다. 이 방법에 사용되는 도료는 수용성이어야 하며, 전하(電荷)를 가져야 한다. 도료분자는 수용액 속을 이동하여 대전(帶電)되어 있는 도포물의 표면에 부착한다. 도료가 일단 부착하면 전하(電荷)를 잃어 재차 도료가 부착하지 않게 된다. 그 때문에 울퉁불퉁한 표면을 가지고 있는 물체도 균일하게 칠할 수가 있는 것이다.

접착제

접착제

接着劑

물체와 물체를 접합하는 접착제도 특수한 성질을 가진 고분자물질이다. 또한 그 종류도 다종다양하여 가정에서 흔히 사용되는 풀을 비롯하여, 금속을 접합하는 접착제 및 수술 후의 절단된 부분을 봉합하지 않고 접착시키는 접착제에 이르기까지 여러 종류의 접착제가 사용되고 있다.

접착제로서의 역할을 하려면, 첫째 접착하려고 하는 물체에 잘 밀착해야 하고, 둘째 접착 후 접착제 자신이 적당한 강도로 되어야 할 것 등의 성질이 필요하다.

물건과 물건을 접착시킬 때 서로 성질이 비슷한 것끼리 달라붙기 쉽다. 이것은 분자의 구조나 거기에서 유래하는 극성(極性)이 가까운 것은 분자와 분자가 끌어당기는 힘이 크기 때문에 접착하기 쉬운 까닭이다. 종이나 나무를 접착하기 위해 옛날부터 쌀알을 으깨어 풀을 만들어서 사용하고 있는데, 이것은 나무와 종이·쌀의 성분이 모두 셀룰로오스 전분이라고 하는 동종의 화합물이기 때문에 접착이 가능한 것이다.

오늘날에는 접착제로서 여러 가지 고분자물질을 처리하여 용도에 알맞는 것이 제조되고 있다. 그 중에서 가장 대표적인 것이 고무풀이다. 이것은 천연고무를 롤러로 곱게 갈아 고무의 분자사슬(分子鎖)을 적당히 절단한 후, 약간 산화시켜 벤젠이나 톨루엔 등의 용제에 녹인 것이다. 말할 것도 없이 천연고무를 붙이는 접착제로서 사용되고 있다.

이 밖에 고무 계통의 공업용 접착제로서는 네오프렌 등의 합성고무를 사용하여, 여기에 수지나 충전재(充塡材)를 가해 균일하게 용제에 녹인 것이 흔히 사용되고 있다. 또 목재나 천 등의 접착에는 초산비닐이나 요소수지를 주체로 한 접착제가 사용되고 있다.

반응성 접착제

反應性接着劑

전분풀이나 고무풀과 같이 이미 고분자로 되어 있는 것을 용제에 녹여 접착제로 사용할 경우에는 접착력이 강하기는 하나 접착제로 건조한 후에 피접착물보다 강도가 약하고 접착제 자신이 갈라져 버리기 때문에 좋지 않다. 따라서 접착제와 피접착물이 화학적으로 결합하거나 또는 친화성을 가지며 상호 융합하여 일체로 되는 한편 접착제 자신도 반응하여 고분자화하고 또한 강도를 증강시키는 등의 성질을 가진 것이 접착제로서 이상적이다. 이와 같은 이유로 접착제로서도 반응하는 고분자가 유용한 것이다.

돌·도기(陶器) 등의 접착에 사용되는 에폭시수지 접착제는 이와 같은 성질을 가진 것 중의 하나이다. 접착 전에 주체로 되는 에폭시수지에 가교제(架橋劑)인 아민화합물을 혼합하고, 이것을 발라 접착시키면 수지가 반응하여 강한 접착력을 갖게 된다. 또 최근에 매우 강한 순간접착제로서 사용되고 있는 시아노아크릴산계 접착제는 분자 내에 －C

N, －COOR라고 하는 관능기(官能基)를 갖는 반응성고분자이다. 이 접착제는 소량의 물을 가하기만 하면 고분자 자신이 반응하여 중합되어 순간적으로 접착된다. 금속끼리의 접착이나 의료용으로도 사용되고 있다.

점착테이프

粘着 tape

완전히 접착시키는 것이 아니고 일시적으로 접착해 두려고 할 때 점착테이프는 가장 편리하게 사용된다. 이것은 성질이 비슷한 것끼리 달라붙기 쉬우나 분자구조가 다른 것은 친화성이 없어 붙기 어렵다는 점을 이용한 것이다.

대표적인 점착테이프인 종이테이프는 종이의 한 면에 왁스를 바르고, 다른 면에는 기름에 녹인 천연고무를 바른 것인데, 왁스를 바른 면을 밖으로 하여 둥글게 말아서 상품으로 시판되고 있다. 이렇게 해 두면 고무를 바른 접착면은 왁스를 바른 면과는 친화성이 없기 때문에 사용시에 쉽게 떼어 내어 사용할 수가 있다. 접착제로서는 천연고무 외에 가소제(可塑劑)·충전제(充塡劑) 등을 넣은 것이나 폴리비닐부티랄이라고 하는 접착제와 비슷한 것들이 사용되고 있다.

셀로판테이프도 종이테이프와 마찬가지로 셀로판의 얇은 테이프의 한 면에 천연고무나 합성고무 등의 접착제를 바르고, 다른 면에는 접착제와 친화성이 없는 물질을 발라 둥글게 만 것이다.

접착되지 않는 물질

接着－物質

여러 가지 접착 목적에 따라 다조다양한 접착제가 만들어지고 있는데 현재도 아직 충분히 접착되지 않은 것이 몇 종류 있다. 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌이 바로 그것이다. 이들 플라스틱은 그 자신이 탄소나 수소만으로 되어 있어 다른 어떤 물질에 대해서도 친화성이 없다. 마치 천연의 납(蠟)과 같은 것이다. 이와 같은 것들은 아직도 적당한 접착제가 만들어져 있지 않다. 현재 이와 같은 플라스틱을 접하는 데는 접착하는 부분을 가열하여 플라스틱 자신을 용융 접착하는 방법이 이용되고 있다.

이온교환수지와 실리콘수지

이온교환수지

ion 交換樹脂

고분자 자신이 강산성기(强酸性基)나 강염기성기를 관능기(官能基)로서 가지며, 단순히 기계적 강도를 이용한 재료로서가 아닌 작용하는 고분자로서 이용되고 있는 것에 이온교환수지나 이온교환막(交換膜)이 있다. 이러한 것들의 작용은 생물체 내에서 각종 대사시(代謝時)에 이루어지는 세포막의 작용과 비교되는 흥미 깊은 것이다.

디비닐벤젠으로 가교(架橋)한 폴리스티렌수지를 농황산과 반응시키고, 산성기로서의 설폰기를 가지게 한 수지를 식염 등을 함유하고 있는 물에 넣으면, 수지 중의 설폰산의 수소이온(H＋)과 식염수 중의 나트륨이온(Na＋)이 교환한다. 또 이와 같은 수지에 4급암모늄염기라고 하는 염기성의 원자단을 가지게 한 것은 염소이온(Cl－)과 같은 음이온과 수지 중의 수산이온(OH－)을 교환한다. 이와 같은 작용을 하는 수지를 이온교환수지라고 하며, 전자와 같은 수지를 양이온교환수지, 후자와 같은 수지를

음이온교환수지라고 한다. 이 밖에 이온교환수지에는 산성기와 염기성기 양쪽을 모두 갖는 것이 있는데, 이것을 양성(兩性)이온교환수지라고 한다.

이온교환수지의 작용을 이용하여 양이온교환수지와 음이온교환수지를 채워 넣은 탑에 염을 함유한 물을 통과시키면 염을 구성하는 이온은 제각기 각 수지에 흡수되어 순수한 물이 얻어진다. 이와 같은 장치를 정수장치(淨水裝置)라고 한다(〔그림〕－4). 이온을 흡수한 수지를 각각 산과 알칼리로 씻어내면 양이온교환수지는 수소이온(H＋)을 함유한 산형으로 되고 음이온교환수지는 수산이온(OH－)을 함유한 염기형으로 된다. 재생된 수지는 재차 이온을 흡수하여 탈염이 되는 것이다. 현재 이와 같은 이온교환수지를 이용한 정수장치(淨水裝置)는 물의 전기분해용수나 고압기관용수(高壓汽罐用水) 등의 공장용수를 비롯하여, 원자로 용수 등 많은 분야에 이용되고 있다.

이온교환막

ion 交換膜

강한 산성·염기성기를 갖는 이온교환수지를 얇은 막상으로 한 것이 이온교환막이다. 양이온교환막 중에는 음(陰)으로 하전된 설폰기(SO3－)가 있으므로 음이온은 막을 통과하지 못하고 양이온만 통과한다. 또 음이온교환막에서는 반대로 양이온은 통과하지 못하고 음이온만이 통과한다.

이와 같은 이온교환막을 사용해서 금속의 정제(精製)나 바닷물의 순수화 등 각 방면에 걸쳐서의 이용이 연구되고 있다.

실리콘수지의 선택투과성

silicon 樹脂－選擇透過性

실리콘수지는 3차원적인 망상구조(網狀構造)를 가진 고분자로, 공기·이산화탄소·수증기 등은 비교적 잘 통과시키나 액체인 물은 통과시키지 않는다. 그리하여 실리콘수지막을 바른 상자에 쥐를 넣고 물속에 담가 놓아도 실리콘수지막을 통해 이산화탄소와 산소가 교환되므로 쥐는 질식하지 않는다. 이것은 실리콘수지막이 마치 폐와 같은 작용을 하기 때문인데, 현재 이와 같은 고분자의 성질을 유용하게 이용하려는 연구가 진행되고 있다.