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HHH OOO Urethane group

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HHH OOO HHH Urea group

2.2.5 우레탄(Urethane), 우레아(Urea)계 고분자

주쇄중에 우레탄(-NHCOO-)기와 우레아(-NHCONH-)기가 각각 규칙적으로

연결된 고분자를 통칭하여 폴리우레탄(Polyurethanes) 또는 폴리우레아(Polyureas)

라 부른다. 이들 고분자 역시 우레탄기 혹은 우레아기 사이의 지방족 세그먼트 또는

방향족 세그먼트의 종류나 길이에 따라 다양한 고분자가 만들어진다.

폴리우레탄: -CH2CH2-OOCHN-φ-NHCOO-

폴리우레아: -CH2CH2-NHOCHN-φ-NHCONH-

– Polyurethanes : PU

쿠숀용 우레탄 폼을 비롯하여 각종 엘라스토머, 및 섬유를 제조하는 고분자로 신축성이 우수하여 고

무대용으로 사용된다. 물성은 소프트세그먼트(지방족 분자쇄)와 하드세그먼트(방향족 분자쇄)의 종류와

길이를 조절하여 단단한 것에서부터 유연한 것까지 제조할 수 있다.

보다 신축성이 큰 우레탄로 하드세그먼트에 디페닐메탄 분자를 소프트세그먼트에 긴 에칠렌옥사이드

분자를 사용한 예를 아래 그림에 나타내었다.

이 고분자는 diisocyanatodiphenylmethane 과 ethylene glycol을 단량체로 중합한다.

Isocyanate group

폴리우레탄 섬유는 섬유로서의 강도와 유연성을 유지하면서 신축성을 갖도록

분자 설계된 고분자로써 “스판덱스 (Spandex)”라 통칭하며, 이중으로 구성된 디페닐

메탄 하드세그먼트와 수십개의 에칠렌옥사이드 소프트세그먼트로 구성되어 있다.

스포츠 웨어, 스타킹, 양말, 등 각종 직물에 혼용되는 기능성 고분자이며, 의료용으로는 심장박동조절기 절연제, 카테터, 혈관이식재, 심장보조 풍선펌프, 심장판막, 상처 드레싱 등에 이용된다.

Sports wear

methylene group

Urethane groupUrea group

폴리우레아는 아이소시아네이트(isocyanate)기와 아민(amine)기 사이에 결합반응에 의해 만들어 지

는 고분자로 diisocyanatodiphenylmethane 과 ethylene diamine을 단량체로 하는 폴리우레아의 예를

아래에 나타내었다.

2.2.6 엘라스토머 (Elastomer)

엘라스토머란 탄성중합체(탄성체)를 일컬으며, 합성고무를 만드는 고분자이다. Polybutadiene,

Polyisoprene, Polyisobutylene, Polychloroprene, 등이 여기에 속하며, 각각에 대하여 살펴보기로 하자.

– Polybutadiene

부타디엔을 단량체로 금속이온촉매에 의해 합성되는 인조고무용 합성고분자로 대표적 개체명은

trans-1,4-Poly(1,3-butadiene) 이며, 사용강도를 부여하기 위하여 가황처리(vulcanization)하여 가교

시켜 사용한다. 저온안정성이 커서 벨트, 호스, 개스킷(gaskets), 각종 자동차 부품에 사용된다.

가황처리는 황분자의 반응성을 이용하여 고분자중의 이중결합과 황을 일차결합시킴으로써 이웃 고

분자간에 황화물(sulphide)에 의해 연결시키는 가교반응(Crosslink reaction)으로 주로 이황화물에 의해

가교가 형성되므로 디술파이드결합(disulfide bond)이라고도 한다.

아래 그림은 폴리부타디엔과 황에의한 분자간 가교형태를 나타낸 것이다.

– Polyisoprene

천연고무의 주성분으로 아래와 같이 cis-1,4-Polyisoprene 을 합성하여 사용하기도 하며,

폴리부타디엔과 마찬가지로 가교반응시켜 장화 등 각종 고무제품에 사용한다.

– Polyisobutylene

기체차폐성과 내열신축성이 우수한 고분자로 가교 처리하여 풍선, 타이어,

농구공 등의 inner liner 로 사용된다. 또한 1%의 isoprene 과 공중합하여 인조

고무 “아이소프렌”이란 이름으로 시판된다.

– Polychloroprene

2 차대전중 주산지 인도네시아로부터 천연고무의 공급이 차단되자 군수용으로 만든 최초의

합성고무로서 오일저항성 뛰어난 물성을 지니며, “네오프렌(Neoprene)” 이란 이름으로 상품화 되었다.

2.2.7 엔지니어링 플라스틱 (Engineering plastics)

산업과 생활에 사용되는 각종 플라스틱 제품을 위한 고분자를 말하며, 일상 조건에서 사용되는 것을

범용 엔지니어링 플라스틱이라 하고, 극한조건이나 특수기능을 부여한 것을 특수 엔지니어링 플라스틱

이라 한다.

– Polycarbonate : PC

범용 플라스틱으로 투명성이 우수하여, 비산방지유리,

경량렌즈, 각종 플라스틱 하우징(housing) 등에 사용된다.

비스페놀염과 포스겐가스를 단량체로 중합한다.

* 알카리에 의해 비스파놀 소디움염으로 전처리

최근 투명도를 더 높이고, 강도를 보완한 재료로 방향족인 phenyl groups 대신에

allyl groups으로 대체하여 가교시킨 아래와 같은 폴리카보네이트가 초경량렌즈, 어린이용

고강력 안경유리, 산소발생기 하우징, 심폐우회기 등에 이용되고 있다.

Network를 형성한 allyl Polycarbonate 의

분자구조.

– Epoxy Resin

접착제, 코팅제, 복합재료, 전자회로기판등에 사용되는 범용 플라스틱으로 diepoxy prepolymer와

diamine 을 중합하여 만드는 Network형의 고분자이다. 먼저 diepoxy의 저분자량의 prepolymer는 아

래 과정과 같이 비스페놀과 에피클로로하이드린으로 중합하여 만든다.

이 표시가 있는 그림은 크릭하면 동영상이 실행됩니다.

prepolymer의 중합도(DP; Degree of Polymerization: 단량체의 개수)가 25이상이면

상온에서 고체상이 된다. 여기에 diamine을 혼합하여 Epoxy 가교 고분자를 형성하게 된다.

Epoxy Network Linked polymers

– Polyimides

고강력, 고내열성, 내화학성이 뛰어난 특수 엔지니어링 플라스틱용

고분자로 유리 및 금속대용품으로 히터, 냉동기, 전자레인지 등 고온,

고열제품의 회로기판, 단열재, 절연재, 접착제, 방호복의 난연성 섬유

등으로 사용된다.

폴리이미드는 아래 그림과 같이 선형과 사이클형이 있으며 고성능의

재료로는 사이클형의 폴리이미드가 사용된다.

이와 같은 Aromatic heterocyclic polyimides는 매우 강직한 구조와 분간력으로 인하여 극한 물성을

보이지만, 제조 및 가공에 있어서는 매우 불리하다.

이 고분자가 매우 경직된 분자구조를 가지는 원인은 페닐과 결합된 풍부한 전자를 가진 질소원자

(donor)가 전자가 부족한 카르보닐기 (acceptor)로 전자를 공급하므로서 일차결합의 사다리꼴 분자구조

를 튼튼히 하기 때문이며,

뿐만 아니라 분자쇄간의 결합력이 큰 이유 또한 카르보닐의 전자 acceptor가 이웃하는 분자쇄의 질

소 donor와 서로 맞물리게 적층되어 있어, 상호 큰 이차결합이 가능하고, 아래 그림과 같이 주쇄의 방향

환 또한 적층되는 구조를 하게 됨으로써 전하이동결합도 동시에 일어나게 되어 매우 단단한 물성을 갖

게 된다.

따라서 제조 및 가공상의 응용성을 고려하여 분자간 결합력을 다소 낮춘 폴리이미드가 실용화되고

있다. 그 예로 아래와 같은 bisphenol-A를 소프트 세그먼트로 공중합한 폴리이미드를 들수 있다.

– Poly(phenylene sulfide) : PPS

내열성이 우수한 고분자로 dichlorobenzene 과 sodium sulfide를 중합시켜 만들며, 전기소켓, 전자레

인지 부품, 헤어드라이어 하우징 등에 이용된다.

– Poly(phenylene sulfone)

열에 녹지 않으며, 유리전이온도도 없으며, 500°C 이상에서

분해되는 내열성이 대단히 크고, 매우 단단하여 거의 가공이

불가능한 특수 엔지니어링 플라스틱용 고분자이다.

– Poly(phenylene oxide) : PPO

유리전이온도가 210°C 이상이며, 불용성인 고분자로, HIPS와 혼합하여 전자제품의 하우징 등에 사용

되며, “Noryl” 상품명으로 시판되었다.

Poly(2,6-dimethylphenylene oxide)

– Poly(ether sulfone) : PES

유리전이온도 230°C 이상인 우수한 내열성을 보이는 고분자로

의료용품, 주방용품, 산소발생기 막 재료 등에 이용되고 있으며,

아래 그림과 같은 방법으로 비스페놀-A를 공중합하여 실용성에

맞추어 유리전이온도를 190°C 로 낮춘 폴리에테르술폰도 사용되고

있다.

– Polyketones

폴리케톤은 오른편 그림과 같이 메칠렌(-R-)과 카르보닐기

(-CO-)로 구성된 비교적 단순한 구조의 고분자로써 용융점은

255°C 이나, 카르보닐기의 극성으로 인하여 분자간 결합이 많아

강용매인 hexafluoroisopropanol 에만 녹을 정도로 내화학성이

크고, 고결정성이며, 고강도를 보이는 재료이다.

이로 인해 가공이 어려워 현재 실용화되지 못하고 있으나, 에칠렌과 일산화탄소를 단량체로 쉽게 중합

되기 때문에 제조 원가가 저렴하고, 아래 그림과 같이 에칠렌 세그먼트를 적절히 조정함으로써 가공성

을 보완할 수 있어, 앞으로 개발 가능성이 가장 높은 고분자이다.

– Polydicyclopentadiene

폴리디사이클로펜타디엔은 성형중에 가교를 일으켜 Network를

형성하는 고분자로 재료 전체가 일차결합으로 연결됨으로써 규모가 큰

형태라도 강도를 유지하고 밀폐성이 좋은 성형품을 이룬다. 따라서

트렉터 커버등 원피스몰더(mold in one piece)를 위한 고분자이며, 특히

저온에서 내충격성이 우수하여 화학품 저장탱크, 위성접시안테나등에 이용

된다.

아래 그림과 같이 endo-dicyclopentadiene을 단량체로 하여 일차로

개환 중합 (ROMP: ring opening metathesis polymerization)하여 Poly(

endo-dicyclopentadiene)을 합성하고, 이를 다시 성형하면서 비닐 중합

으로 가교반응 (RIM: reaction injection molding)시켜 만든다.

2.2.8 무기 고분자 (Inorganic polymers)

무기분자를 주쇄로 하는 고분자를 무기고분자라 총칭한다. 대부분의 고분자는 탄소를 비롯한 유기

분자가 주로 주쇄를 이루고 있으나, 무기원소 중에서 4가의 원자가를 가지는 Si, Ge, Sn, Pb 등은 탄소

처럼 고분자의 주쇄를 형성할 수 있다.

– Polysilanes

실리콘을 주쇄로 하는 고분자를 통칭하여 폴리실란

이라 하며, 이중 옆의 화학식과 같이 dimethylsilane으로

중합한 폴리디메칠실란(Polydimethylsilane)은 고결정성

으로 강도가 매우 크고, 불용성 고분자로 연마제로 사용

된다.

이 역시 실용적 용도를 다양화하기 위하여 아래와 같이

methylphenylsilane등 다른 단량체와 공중합하여 용융온도

를 300°C 까지 낮출 수 있다.

– Polysiloxanes

실리콘과 산소로 주쇄를 이루는 고분자의 통칭으로 Poly(dimethyl siloxane)이 대표적이다.

폴리디메칠실록산은 일명 실리콘 고무라 불리며, 내열성과 유연성이 우수하여 가교 정도에 따라 밀봉

제, 내열타일 등으로 사용된다. 이 고분자의 유연성은 부피가 큰 실리콘 원자의 결합전자에 대한 방향

구속력이 유기원소에 비해 약하여 결합각이 아래 그림에서 처럼 다소 가변적이라는데 기인한다.

그 밖의 폴리실록산으로 Polymethylphenylsiloxane과 Polydiphenylsiloxane을 들 수 있으며, 이들은 보다 유연한

탄성체로 장난감 등의 탄성재료로 사용된다. 특히 boric acid

(B(OH)3)에 의한 gel은 탄성, 경도, 연성, 그리고 접착성을 동시에 보이는 특이 물성이 흥미롭다.

의료용 재료로는 심장판막, 가슴보형물, 귀, 턱, 코 정형물, 카테터, 튜빙, 절연재 등에 이용된다.

– Polygermanes and Polystannanes

주기율 Group IV의 원소들로 아래와 같은 디메칠화 고분자는 전도성은 지님으로써 도전성 고분자로

이용된다.

– Polyphosphazenes

오염화인과 염화아민으로 중합되는 인과 질소로 주쇄를 이루는 고분자로, 유연성과 전기절연성, 그리

고 가공성이 우수하여 전기절연체, 섬유 가공제, 코팅제 등으로 사용되며, 의료용으로 DDS제로 연구되고

있다.

2.2.9 공중합체 (Copolymers)

공중합체란 두개이상의 단량체를 서로 혼합하여 중합시킨 고분자로 한 고분자 내에 2 가지 이상의

다른 단량체가 혼재되어 있는 고분자를 말한다. 앞서 소개된 SAN, SBS, ABS 등이 공중합체이다. 공중

합체는 중합기구(mechanism)상 고분자 구조제어가 어려워, 주로 기능상의 목적으로 2 개의 단량체로

된 공중합체(di-polymers)가 주로 사용된다. 다음은 몇몇 공중합체들의 예를 나타내었다.

따라서 3 개의 단량체에 의한 공중합체 (ter-polymers)는

특별한 용도 외에는 제한적으로 사용된다.

SBS rubber