현대산업사회에서는 일상생활 용품과 각종 산업용품 제조에 탄성중합체가 많이 쓰입니다. 이 글에서는 천연고무와 합성고무의 역사와 제조법, 용도를 살펴보고 탄성력은 무엇인지, 탄성중합체의 종류와 용도 등을 살펴보도록 하겠습니다.
목차
1. 천연고무와 합성고무
천연고무
제조법과 원료
천연고무는 고무나무에서 나온 유액을 건조해 만듭니다. 1800년대부터 아마존강 유역, 동인도, 말레이반도 등에 분포한 고무나무에서 생산됐으며 뛰어난 탄성과 내마모성, 내노화성을 가진 천연 물질입니다.
천연고무 원료는 고형 또는 액체로 존재하며 이 중 고형성 고무가 널리 알려진 라텍스입니다. 라텍스는 고무나무에서 채취한 액체를 응고시킨 다음 판으로 된 건조된 고무로 생산됩니다.
역사
1839년 미국의 발명가인 굿이어(Charles Goodyear)가 천연고무의 탄성과 내열성, 내약품성을 띤 제품으로 만들 수 있음을 처음으로 알아냈습니다. 인도 고무와 황을 섞다 우연히 더 단단한 고무를 만들어 내게 되었고, 그 후 천연고무의 활용 범위가 급격히 확장되었습니다. 그리고 1888년 공기 타이어를 발명한 스코틀랜드의 수의사 J.B. 던롭(John Boyd Dunlop) 덕분에 고무 산업이 확립되었다고 볼 수 있습니다.
용도
천연고무는 자동차 등의 타이어, 호스, 신발, 일반 공업 용품 등 여러 산업 분야에 사용되며, 특히 합성고무와도 상용성도 우수하며 부드러운 촉감과 뛰어난 기계적 성질을 자랑합니다.
합성고무
제조법과 원료
합성고무는 고무나무의 유액을 건조해 만드는 천연고무와는 달리 인공적으로 제조한 고무입니다. 에틸렌이나 프로펜, 스타이렌, 비닐 클로라이드, 2-메틸프로펜, 테트라플루오로에텐 등의 탄소-탄소 이중결합을 지닌 화합물을 원료로 중합체를 만들어 내는 방식으로 합성고무를 만들 수 있습니다.
특성
합성고무는 천연고무보다 내노화성, 내열성, 내마모성이 더 좋고 무엇보다 생산비가 저렴하다는 점이 장점입니다. 천연고무 원료는 아주 비싸지만, 그에 비해 합성고무 제조는 비용이 상대적으로 저렴합니다. 하지만 합성고무보다 천연고무가 더 촉감이 좋다는 것은 잘 알려져 있습니다. 침구로 사용되는 라텍스 매트를 합성고무로 제조하지는 않습니다.
용도
천연고무와 마찬가지로 타이어와 호스, 신발, 일반 공업 용춤 등 여러 산업용품과 생활용품 제조에 사용됩니다.
2. 탄성력이란?
개념
탄성력(elasticity)이란 어떤 물체에 외부로부터 힘이 가해져서 운동 상태가 변하지 않은 채 물체의 외형이 변하고, 외부의 힘이 없어지면 원래 형태로 다시 돌아오는 성질을 말합니다.
특성
탄성력의 특성을 설명하기 위해 예를 들어보겠습니다. 흔히 볼 수 있는 고무 밴드를 떠올려 보면 이해하기 쉽습니다. 고무 밴드를 쫙 늘이면 원래 형태로 돌아가려는 성질을 띱니다. 이 상태에서 고무 밴드의 힘을 주지 않고 놓으면 원래 모양으로 돌아가려고 하며 이때 탄성력이 발휘됩니다.
훅의 법칙(Hooke's Law)
개념
탄성을 지닌 물체가 외부의 힘으로 늘어나거나 줄어들어 변형되었을 때 원래 상태로 돌아오려고 저항하는 복원력 크기, 변형의 정도 사이의 관계를 나타내는 물리 법칙을 말합니다.
발견자
훅 법칙은 영국 물리학자 로버트 훅(Robert Hooke)이 발견하였습니다.
수식
수식은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. F는 탄성력 크기, x는 탄성체의 변형 정도, k는 탄성력과 물체 변형 정도를 나타내는 상수이며, 이를 탄성 계수 또는 용수철 상수라고 부릅니다. 단위는 N/m로 나타냅니다.
F = -kx
3. 탄성중합체란?
개념과 특징
탄성중합체(elastomers)란 탄성이 뛰어난 합성 중합체를 말하며 합성 고무를 포함한 모든 탄성 재료를 일컫습니다. 다시 말하면 고무와 비슷한 성질을 지니며 탄성을 가진 고분자라고 볼 수 있습니다. 분자 간의 결합력이 약해 늘어나거나 다른 형태로 변형이 가능하다는 점이 특징입니다.
탄성중합체의 대표적 종류
SBR 고무(styrene butadiene rubber)
산업용 생활용품 등 일반적인 용도로 널리 사용되는 고무입니다. 신발이나 타이어 재료로 사용됩니다.
BR 고무(butadiene rubber)
우수한 탄성을 자랑하며 특히 발열이 적습니다. 따라서 타이어 제조 원료로 사용됩니다.
HBR 고무(high-cis butadiene rubber)
골곡성과 내마모성이 아주 우수하며 각종 산업, 용품 제조에 광범위하게 사용됩니다.
나이트릴 고무(nitrile butadiene rubber)
주방 고무장갑이나 식품용 고무장갑, 의료용 장갑 원료로 사용됩니다. 뛰어난 내유성을 자랑하며 생활용품과 산업용품 제조에 많이 사용되고 있습니다.
불소 고무 FKM(fluoroelastomer)
다른 고무와 비교해 볼 때 내한성, 내열성, 내유성 등이 특히 우수합니다. 따라서 특수 분야에서 많이 사용된다고 합니다.
CR 고무(chloroprene rubber)
건축용, 공업용 고무로 많이 사용되는 고무이며 가격이 비교적 높다는 것이 단점이라고 볼 수 있습니다.
EPM 고무(ethylene propylene rubber)
내후성과 내오존성 등 좋은 특성을 자랑하며 여러 공업 용품과 자동차 부품의 실링으로 사용된다고 합니다.
실리콘 고무(silicone rubber)
상온에서 유동성을 약간 띠며 무색 또는 희미한 황색을 띠는 탄성 고체입니다. 내열성과 탄성이 특히 우수해 항공 산업과 방위 산업 등 안정성이 있어야 하는 산업 분야에서 아주 많이 사용되고 있습니다.
탄성중합체의 또 다른 분류
탄성중합체를 다음과 같이 세 종류로도 분류해 볼 수 있습니다.
폴리우레탄 탄성중합체
내마모성과 내부식성, 내열성이 아주 뛰어납니다. 따라서 자동차 부품과 건축 용품, 다양한 스포츠용품 제조에 사용됩니다.
플루오로 탄성중합체
내부식성과 내유성, 내열성이 뛰어난 탄성중합체로 의료용품, 항공우주 산업, 화학 제품 등의 제조에 사용되는 원료로 널리 쓰입니다.
실리콘 탄성중합체
내산성과 내알칼리성, 내열성, 내유성 등 뛰어난 성질을 지닌 탄성중합체입니다. 따라서 전기 전자 제품과 자동차 제품, 의료용품 등 광범위하고 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.
탄성중합체의 용도
건설 산업
탄성중합체는 특히 실링과 접착제, 코팅 재료 등 건축 용품에 많이 사용됩니다.
의료 산업
의료용 가스켓이나 호스, 실리콘 패드나 폴리우레탄 패드, 그리고 인조 혈관과 인공 심장 등 의료용품에 사용됩니다.
자동차 산업
탄성중합체는 특히 자동차 부품으로 많이 사용되는데, 자동차 내부 시트와 타이어, 스티어링과 각종 내부 부품에 사용됩니다.
항공우주산업
탄성중합체는 로켓과 우주선의 부품 제조, 특히 엔진 부품과 실링, 연료 탱크 제조에도 사용되는 아주 중요한 원료로 항공우주 산업에 없어서는 안 되는 원료로 다양하게 사용됩니다. 최근 발사된 아폴로호에도 굿이어 제품이 사용되었다고 합니다.
결론
현대산업사회에서 탄성중합체는 광범위한 분야에서 쓰이고 있습니다. 천연고무와 합성고무에 대해 알아보고 탄성력이 무엇인지 살펴보았습니다. 천연고무는 1800년부터 고무나무에서 추출해 널리 사용되어 왔고, 그 후 원료의 값이 더 저렴한 합성고무를 알켄이나 다른 여러 화합물로부터 제조해 건설, 의료, 자동차, 항공우주산업 등에서 사용해 오고 있습니다.