고분자화학

고분자화학이란 분자량이 10,000 이상의 중합물에 대해 합성과 중합 반응의 연구, 중합체의 구조와 특성에 관한 연구를 하는 학문이다. 인공적 합성 고분자 외에도 단백질, 식물성·동물성 고분자 등 천연 고분자에 대한 연구도 활발하며, 이러한 성과들은 섬유화학으로 발전되어 왔다.

고분자화학은 유기화학을 기반으로 한 응용 분야로, 고분자화학에 대한 활발한 연구는 다양한 기능성 고분자들의 개발로 이어졌다. 내구성 및 안정성을 극한 조건에서도 유지시켜 고내열성과 고강도의 특성을 갖는 고분자들을 개발하여 자동차 및 내연기관에 활용되며, 에너지 효율을 높일 수 있게 되었다. 또한 핸드폰 배터리에 들어가는 고분자 막, 의료용 산업에서의 다양한 고분자 물질, 고강도 섬유의 개발 등 특수한 기능을 가진 다양한 고분자 화합물들의 개발로 우리의 생활은 더욱 풍요로워졌다.

 

이렇듯 고분자는 여러 가지 관점에서 분류할 수 있는데, 산출 상태, 구조, 합성법, 재료의 성질 및 용도, 형태 등에 따라 분류할 수 있다. 산출 상태에 따라 천연에서 얻을 수 있는 셀룰로오스, 전분, 천연고무, 양모, 견 등과 같은 천연 고분자가 있고, 세라믹 재료, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 나일론, PVC와 같은 합성 고분자들도 있다. 구조와 형태에 따라 선형, 분지, 가교, 망상 고분자 등으로 구분할 수 있다. 합성법에 따라서는 단계 중합과 연쇄 중합, 부가 중합, 개환 중합 등이 있으며, 재료의 성질과 용도에 따라 고기능성 재료 및 생체 고분자들이 있다.

가장 많은 비중을 차지하고 있는 고분자 산업은 석유화학 정제품으로부터 얻어지는 단위체와 유기금속 화합물로 이루어진 다양한 촉매를 사용하여 고분자 화합물을 대량으로 생산하는 것이다. 또한 이들 고분자 화합물들의 성능을 높이기 위해 다양한 첨가제들이 사용되는데, 첨가제의 역할은 산화방지제, 가소제 등의 기능성을 추가해 고온, 고압에서 압출 및 성형, 가공하는 공정에서 특별한 물성과 품질을 갖출 수 있도록 하는 것이다. 주로 유기 화합물들이 사용된다.

또한 최근에는 고부가가치 소재들이 고분자 산업에서 각광받고 있다. 최신 TV나 핸드폰에 사용되는 광학용 필름, 전자기기 소재용 고기능 필름 등이 있다. 광학적 특성을 가진 특수 첨가제를 첨가하여 제품화하였다. 고분자를 이루는 단위체로 사용되는 물질도 다양해졌으며, 최근에는 이산화탄소를 단위체로 이용하여 고분자를 대량 생산하는 기술들이 개발되어 환경 문제에도 대응하고 있다.

또한 고분자들의 생분해성 또한 중요한 특성으로 주목받고 있는데, 이는 다양한 화합물들이 야기시킨 환경오염에 대한 염려가 점점 더 크게 작용하고 있기 때문이다. 앞으로도 환경오염에 대응하기 위한 중요도가 커짐에 따라 이러한 소재에 대한 연구의 중요성도 점점 커질 것이다.

 

고분자화학의 접근 방법과 연구 영역

 

고분자는 저분자와 다른 특이한 물성과 반응성을 가지기 때문에, 이러한 특성을 연구하기 위한 분야가 유기화학 분야에서 분리되어 발전해 나갔다. 이러한 연구 결과로 향상된 성능의 고분자 화합물을 합성하게 되었고, 보다 경제적이고 효율적으로 사용하기 위한 합성 경로를 모색하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

고분자의 구조 해석에는 여러 가지 분석 방법이 사용된다. 대표적으로 적외선 분광 분석법이 있는데, 이를 통해 고분자의 화학 구조를 해석하며, X선 회절법을 통해 고분자의 결정 형태, 크기, 결정화도, 배향도 등의 구조를 해석할 수 있다. 열 분석을 통해서는 고분자의 열적 성질을 분석할 수 있으며 첨가제 등을 평가할 수 있다.

고분자화학은 고분자의 분자 구조를 다루는 분야와 고분자 자체의 열 특성, 구조역학적 특성 및 전기·화학적 성질들을 다루는 분야로 분류할 수 있다. 고분자는 치환, 부가, 제거 및 고리화 반응들을 일으킬 수 있으므로, 이러한 화학반응을 이용하여 새로운 물성을 부여하여 개선할 수 있다. 그러나 이러한 반응에 참여하는 관능기가 고분자 사슬에 있어 저분자의 유기 화합물 반응과는 양상이 다르다. 특히 인접 치환기 및 입체 장애에 따라 반응성이 달라지며, 이러한 반응성은 용해성과 촉매 등에도 영향을 받는다.

고분자는 대량 생산되어 널리 활용되고 있는데, 이러한 연구에 따른 물성 향상으로 우수한 내구성을 가지게 되었다. 하지만 이러한 내구성은 심각한 환경오염 문제 또한 동반하게 되었다. 이러한 문제에 대한 대응책으로 현재는 고분자 분해에 대한 다양한 연구도 활발히 진행되고 있다.

 

추가 용어 정리

 

콜로이드는 한 물질이 다른 물질 속에 작은 알갱이 상태로 분산된 것을 말한다. 액체 속에서 고체나 또는 고체 속에 고체가 분산된 것을 졸이라고 한다. 액체가 액체 속에 분산된 것은 에멀전이라고 한다. 콜로이드는 용매를 끌어당기느냐 또는 밀어내느냐에 따라서 친액성과 소액성으로 분류하며, 특히 물이 용매일 때는 친수성과 소수성으로도 분류한다.

콜로이드 상태는 큰 덩어리 상태일 때보다 열역학적으로 불안정하지만, 보호막, 특히 알갱이들을 둘러싸서 엉키는 것을 막아주는 전기이중층 때문에 운동론적으로는 안정되어 있으며 상태를 유지할 수 있다.