고분자과학과 기술 제 22 권 1 호 2011년 2월 41 특수 고분자(specialty polymer)는 종종 성능을 증가시키기 위해 첨가물(additive)을 포함하고 있다. 그러나 이러한 첨가물은 고분자와 섞이 기 어려운 경우도 있고, 또는 시간이 지나감에 따라 첨가물이 밖으로 유출되어 여러 가지 문제들을 유발하기도 한다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 두 가지 시도가 최근 발표되었다.
영국의 연구팀은 고분자를 기능화하는 새로운 친환경적인 개념을 적용하여 고분자에 염료를 직접 부착하는 방법을 개발했다. 석유자원의 고갈과 기존 고분자의 난분해성 문제를 해결하기 위하여 친환경 고분자의 개발이 요구된다. 옥수수로부터 얻어지는 poly(lactic acid)(PLA)는 이러한 문제에 답을 제공한다. 그러나 PLA로 된 상업용 섬유는 널리 쓰이지 않고 있는데, 그 이유 중 하나는 염색공정이 어렵기 때문이다.
리즈대학의 Patrick McGowan, Christopher Rayner, Richard Blackburn으로 구성된 연구팀은 lactide로부터 PLA를 만드는 개환중합의 촉 매에 염료 성분을 부착시켰다[Angew. Chem. Int. Ed., 50, 291 (2011)]. 이 방법에 의해 염료는 고분자와 공유결합을 형성하고 고분자에 색상을 부 여하게 된다. 염료가 고분자 구조의 일부이기 때문에 일반적인 염색법에서와 같은 추가 세척이 필요 없어지고 이에 따른 환경오염도 최소화된다.
McGowan은 ‘사람들은 보통 안전과 변색 문제로 촉매를 고분자에서 제거해야 한다고 생각하지만, 우리는 이러한 새로운 개념을 사용하였으며 원하는 색상을 구현하기 위해서는 촉매 구조를 미세하게 조절할 수도 있다.’라고 말했다. 연구팀은 흑색, 적색, 황색 및 자주색의 PLA 섬유를 만 들었으며 PLA 섬유로 만든 드레스는 현재 영국 런던의 과학박물관에 전시되어 있다(첨부그림 참조).
연구팀이 창업한 회사인 DyeCat은 본 기술이 좀 더 널리 활용될 것으로 기대하고 있다. 형광 혹은 자외선 감응형 분자를 결합시킨 PLA는 포장 분야에서 쓰일 수 있을 것이며, 항생물질이나 향료를 스포츠 의류에 결합할 수도 있는 등 섬유를 디자인하고 사용하는 방법을 근본적으로 변화시 키게 될 것으로 저자들은 믿고 있다.
두 번째 연구는 첨가제가 필요 없는 고기능성 고분자의 개발에 대한 것이다. 방염 효과를 주기 위한 할로겐화 첨가물은 밖으로 유출될 경우 환경 속에서 지속적으로 존재하며 생체 내에 축적되어 심각한 건강상의 질병을 유발하는 것으로 알려져 있다. 할로겐화 첨가물이 필요 없는 향상된 기능의 자소성 고분자(self-extinguishing polymer)가 매사추세츠대 앰허스트캠퍼스의 Todd Emrick에 의해 개발되었다[Angew. Chem. Int. Ed., 49, 9539 (2010)].
불연성 고분자들의 개발에 있어서의 핵심은 고분자의 분해 메커니즘을 이해하는 것이다. 몇몇 방향족 고분자들은 분해될 때 자리옮김반응 (rearrangement reaction)을 하고 불연성을 지니게 된다. 연구자는 디페닐트리아졸(diphenyltriazole) 구조를 고분자들에 도입하는 것에 관심 을 가졌다. 이 구조는 높은 온도에서 자리옮김 반응을 하여 질소 가스를 방출하며 페닐인돌(phenylindole)로 바뀐다. 먼저 연구자는 이 구조을 포함하고 있는 1,4-bis(4-hydroxyphenyl)-1,2,3-triazole을 합성하고 이를 이염기산 클로리드(diacid chloride)와 반응하여 폴리에스터 (polyester)를 생산하였다. 제조된 고분자는 초저 가연성(ultralow flammability)을 지닌 것들로 분류될 수 있으나 일반적인 용매에 거의 녹지 않기 때문에 분석과 가공이 매우 어려웠다. 다음 시도에서는 페놀기의 치환 패턴이 조금 다른 1,4-bis(3-hydroxyphenyl)-1,2,3-triazole 구조를 가 진 단량체를 사용하였다. 이로부터 합성한 고분자는 일반용매에 대한 용해도가 급격히 향상되었다. 또한 이 고분자의 가연성은 비슷한 정도로 유지되거나 심지어는 향상되기까지 하였다.
<염료분자가 고정된 PLA의 합성과 이로부터 만든 의류>
<트리아졸계 자소성 고분자>
본 내용은 한국과학기술정보연구원의 글로벌동향브리핑에서 발췌, 정리하였습니다.
<숭실대학교 유기신소재⋅파이버공학과 곽영제, e-mail:ykwark@ssu.ac.kr>
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첨가물이 필요 없는 고기능성 고분자
