플라스틱 기초 (1) 플라스틱과 폴리머, 중합

플라스틱 업계에 발을 들였지만, 화학이나 고분자 전공이 아닌 분들을 위해 간단한 플라스틱 강의를 시작합니다. 일을 하면서 필요한 기본적인 개념을 포함하여 몇몇 소재에 대해서 다루겠습니다.

 

플라스틱이란?

일반적인 정의는 아래와 같습니다.

플라스틱은 쉽게 원하는 모양으로 가공할 수 있다는 의미의 그리스어 플라스티코스(plastikos)에서 유래했으며, 열과 압력을 가해 성형할 수 있는 합성수지이다. (출처 : 위키피디아)

 

이름에서 알 수 있듯, 플라스틱의 핵심은 '원하는 모양으로 만드는 것' 입니다. 

 

폴리머(Polymer)란?

한글로 바꾸면 중합체이나, 일반적으로 폴리머라고 부르므로 여기서도 폴리머라고 부르겠습니다. 폴리머는 '모노머(단랑체)'를 '중합'하여 만든 화학 물질입니다.

 

아래 사진을 보면 파란색 레고 블럭이 약 10개가 연결되어 있습니다. 이 레고 블록은 공간만 주어진다면 1000개도, 20000개도 연결할 수 있습니다. 그리고 그 블록 사진 아래에 보면 똑같은 화학 구조(CH2)가 반복되는 모양을 볼 수 있습니다.

 

이렇게 무수히 연결된 레고 블록 전체를 폴리머라고 한다면, 레고 블록 하나가 '단량체(Monomer)' , 그리고 이렇게 연결하여 붙이는 과정을 '중합(Polymerization)'이라고 부릅니다. 

 

Monomer를 Polymer로 이어붙이는 과정이 Polymerization 인 것입니다. 매우 직관적이죠?

https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/cti-2020-0017/html

 

보통 모노머 수천개에서 수만개가 붙어서 하나의 덩어리가 되고, 그 덩어리가 수천조개가 있으면 우리가 일반적으로 눈에 보이는 플라스틱이 됩니다.

 

아래 사진은 폴리펩타이드 1개 분자(고분자) 구조입니다. 위의 예시 처럼 단순하게 생긴 레고 말고, 희한하고 복잡하게 생긴 레고들을 반복하여 이어 붙이면 아래 처럼 복잡한 덩어리가 됩니다.

폴리펩타이드 고분자의 모습 (출처 : 위키피디아)

 

 

 

폴리머의 예시

 

폴리머 예시

 

플라스틱과 폴리머의 차이

모든 플라스틱은 폴리머지만, 모든 폴리머가 플라스틱인 것은 아닙니다. 위에서 예를 들었던 폴리펩타이드는 폴리머지만, 인간이 인위적으로 합성하지 않았고, 자연에서 우리 몸의 단백질과 DNA 등을 구성하는 데 사용되고 있습니다.

 

 

PA66의 중합

PA6, PA66 등 엔지니어링 플라스틱 소재에 대해서는 다른 게시물에서 더 자세히 다루겠습니다만, 중합 얘기가 나온 김에 조금 설명하고 가겠습니다.

 

위에서는 한 종류의 레고 블록을 이용하여 규칙적, 반복적으로 연결하여 중합을 했었습니다. 하지만 우리는 종류의 다른 블록을 반복해서 이어 붙일 수도 있습니다. 연결하는 양쪽 모양만 잘 들어맞으면요.

 

단순하지만 아래의 그림과 같습니다. (묘사를 위해 가져온 사진이니 내용은 무시 부탁드립니다.)

 

레고로 설명, 출처 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0032386116306814

 

 

자, 위에서 폴리머로 예시를 들었던 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene)등은 모두 단량체가 한개였습니다. PE는 에틸렌, PP는 프로필렌을 중합하여 만듭니다. PA6도 마찬가지입니다. PA6는 카프로락탐 하나의 모노머를 중합하여 만듭니다. 

 

 

그러나 PA66은 단량체가 두 개 입니다. PA66은 HMDA(Hexamethylenediamine)와 AA(Adpic acid)를 중합하여 만듭니다. 레고로 비교하자면 각각을 빨강, 파랑 블록으로 보시면 됩니다.  참고로 실제로는 중합 전에 두 블록을 미리 붙여놓았다가 중합을 합니다. (AH Salt)

중합 전에, 두 모노머를 미리 붙여놓은 AH Salt의 예시

 

분자로 표시한 PA66의 반응식입니다.

반응식에서는 하나씩 그려놨지만, 실제로는 수천개씩 연결되는 중합반응이 일어납니다.

PA66 중합