Title. PDMS 탱탱공 만들기
Object. 30g의 레진과 3g, 6g의 가교제의 합성을 통해 탱탱볼을 만든 뒤, 가교제의 양에 따라 탱탱볼의 탄성도가 얼마나 차이가 발생하는지 구하는 것이 이번 실험의 목표 이다. 이때 탄성도는 1m 높이에서 떨어뜨린 공이 튀어 오르는 높이를 측정하여 계
산한다.
Introduction
고분자는 수많은 저분자량(일반적으로 최소한 100) 단위들이 화학결합으로 연결되어 이루어 진 분자량이 10000이상(중합도가 100 정도 이상)인 분자를 말한다. 이런 고분자 화합물을 얻 기 위해서는 화학반응을 진행시켜 단량체(monomer)를 100개 이상 연결시켜야 하는 데, 이 를 중합(polymerization) 또는 중합반응(polymerization reaction)이라고 정의 한다.
단량체(monomer)로부터 중합체(polymer)를 얻는 중합반응은 유기화학적인 합성반응에 따라 축합중합(condensation polymerization)과 부가중합(addition polymerization)으로 분류한다.
모든 고분자는 열적가공거동에 따라 두 가지 종류로 나뉜다. 고분자를 원하는 형태로 변형 시키기 위해 열을 가하였을 때, 성형 가능한 고분자를 열가소성고분자(thermoplastic
polymer)라고 하며, 열가소성고분자의 폐기물은 열과 압력으로 재생될 수 있다. polystyrene 은 상업용 열가소성고분자의 중요한 예이다. 또 다른 예로는 polyolefine (ex.polyethylene, polypropylene)과 poly(vinly chloride)를 들 수 있다. 이와 달리 열경화성고분자 (thermosetting polymer)는 분자사슬이 중합 시에 공유결합에 의해서 화학적으로 결합될 뿐 만 아니라 가공 시에도 화학적 또는 열적으로 공유 결합되는 고분자이다. 한번 성형이 되면 가교되고, 가교된 고분자는 열에 의한 연화, 용매에 대해서 안정하지만 열로서의 재가공이 불가능하다. 이런 이유 때문에 열경화성고분자는 복합재료, 코팅재료, 접착제용으로 적합하 다. 열경화성고분자의 대표적 예료는 Fiberglas와 같은 유리강화 복합체의 제품에 이용되는 epoxy, phenol-formaldehyde수지, 불포화 폴리에스터 등이 있다.
탱탱볼을 만들기 위해서는 cross-linking 반응을 이용한다. cross-linking은 다리를 걸치는 것처럼 사슬 고분자의 분자 사이에서 화학결합을 형성시키는 것이다. 고무의 가황이 가교 반응의 대표적인 예이다. 가교로서 얻어지는 고분자를 가교폴리머라고 부른다. 3차원 그물 모양 구조를 가지고 있으며, 가교 전의 고분자에 비해 용해성이 현저하게 낮고 기계적 강도 가 증가한다. 탱탱볼은 실리콘 고무로 알려져 있는 PDMS(polydimethylsiloxane)의 원료를 직접 가교 반응시켜 탱탱공을 만든다. 실리콘 고무는 탄소-탄소 이중 결합을 기본으로 하는 뷰타다이엔 고무에 비해 열적, 화학적 안정성 및 투명성이 우수한 특징을 가진다. 실리콘 고 무는 기본적으로 실리콘-산소 결합의 반복 구조를 뼈대로 하는 실록세인 고분자이며 통상 적으로 고무(elastomer, or rubber)라 하면 위의 고분자들이 서로 가교 반응을 통해 물리적 변형에 대한 복원력을 가지고 있는 물질을 의미한다. 실험에서 사용하는 Sylgard 184는 사 슬 길이가 짧은 실록세인 올리고머(siloxane oligomer)에 포함된 Vynly기와, 가교제에 포함 된 실리콘 하이드라이드 (Si-H)가 유기금속 촉매에 의해 결합을 이 루는 가교반응을 이용하여 열적·화학적 안정성, 투명성이 좋은 실리콘 고무를 형성하게 된 다. 이러한 반응의 장점으로는 반응 부산물이 없으며, 가교제의 혼합비를 조절하여 고무의 탄성을 조절할 수 있고, 열을 가함으로써 가교 반응을 촉진시킬 수 있다는 것이다. 이 실험 에서는 가교제의 혼합비가 증가할수록 형성된 탄성체의 탄성이 증가, 더 높이 튀는 것을 확 인할 수 있다.
Experimental
-초자 및 시약: 90℃ 오븐, 알루미늄 호일, 탁구공, 종이컵, 자(1m), 스푼, siloxane oligomers, siloxane cross-linkers
-실험 방법
1. 탁구공 윗면에 칼로 약 1cm 직경의 구멍을 낸 후, 탁구공이 구르지 않도록 구멍을 위로 한 채 알루미늄 호일 받침위에 고정한다.
2. 약 30g의 PDMS 레진과 가교제를 각각 종이컵에 담 는다.
3. PDMS 레진과 가교제를 혼합한다.
4. 혼합물을 잘 교반한 후 15분간 거품이 제거되도록 놓아둔다.
(거품제거가 원활치 않을 때도 있으므로 조심스럽게 혼합한다.)
5. 대부분의 거품이 제거되면 탁구공에 조심스럽게 부어 가득 채운다.
6. 준비된 PDMS 혼합물을 90℃ 오븐에 20분 정도 가교반응 시킨다.
7. 탁구공을 조심스럽게 뜯어내고 만들어진 탱탱볼을 상온에서 식힌다.
8. 1m 높이에서 탱탱볼을 떨어뜨린 뒤, 튀어오르는 정도를 비교해 본다.
Safety tips.
1. 실험복은 항상 착용한다.
2. 실험 시, safety glasses와 safety gloves는 항상 착용한다.
3. 가교반응에 사용하는 오븐의 온도가 높으므로 화상에 주의한다.
Reference
1. 고분자공학개론, 김우식·서관호·이영무·이장우·임승순·장정식, 자유아카데미, p4 2. 고분자 화학, 안태완·김기수, 문운당, p68-69
3. 일반화학실험, 강종민·신구·원종옥·윤천·이경희·이원목·임동렬·장순민·채영기·최성신, 자유 아카데미, p55-56
