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고분자 재료의 역사 추적, 13부

나일론 개발을 일으킨 동일한 혁신의 물결이 합성 폴리에스터도 만들었습니다. Wallace Carothers가 이끄는 DuPont 팀의 일원인 Julian Hill은 섬유로 방적할 수 있는 폴리에스터를 처음으로 합성했습니다. 이것은 나일론이 개발되기 전에 발생했습니다. 그러나 나일론의 특성이 명백해지자 폴리에스터에 대한 작업은 보류되었습니다. 나일론과 폴리에스터의 역사는 그 이후로 얽혀 있으며, 그 이유를 이해하려면 약간의 화학 반응을 이해하는 것이 좋습니다.

폴리에스터와 최초의 나일론은 모두 축합 폴리머입니다. 이러한 자료를 만드는 데 사용된 반응은 Carothers가 아직 학계에 있을 때인 1926년부터 고려하기 시작했습니다. 듀폰 연구소의 자원을 마음대로 사용할 수 있게 되자 그는 빠르게 이론을 실천으로 옮겼습니다. 축합 중합체는 분자의 양쪽 말단에 작용기를 갖는 특정 유형의 화학 물질을 반응시켜 생성되어 반응이 결과 생성물을 양방향으로 확장하여 긴 사슬을 생성할 수 있습니다.

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에스테르는 알코올과 카르복실산을 반응시켜 만듭니다. 여기에 표시된 에틸 알코올은 아세트산과 결합하여 에스테르인 에틸 아세테이트를 생성합니다. (이미지:Mike Sepe)

에스테르는 알코올과 카르복실산을 반응시켜 만듭니다. 에틸 알코올이 아세트산과 결합되어 에스테르인 에틸 아세테이트를 생성하는 예가 그림 1에 나와 있습니다. (유기화학에서 화합물의 이름이 "-ate"로 끝나면 거의 에스테르인 것이 확실합니다.) 에스테르에는 이미지에서 강조 표시된 독특한 그룹이 포함되어 있습니다. 아미드는 알코올 대신 아민을 사용한다는 점을 제외하고 유사한 방식으로 만들어집니다. 이것은 그림 2에 나와 있습니다. 이 반응에서 프로판산은 아민 요소와 결합하여 프로판아미드를 생성합니다.

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이 두 경우 모두 반응물 중 하나 또는 둘 모두는 분자의 한쪽 끝에만 반응성 기를 가지므로 일단 반응이 일어나면 프로세스가 종료됩니다. 그러나 Carothers와 그의 팀은 분자의 양쪽 말단에 작용기가 있는 반응물을 사용하면 반응이 확장되어 고분자인 장쇄 거대분자를 생성할 수 있음을 발견했습니다. 그림 3은 이러한 원리를 나일론 66에 적용한 모습을 보여주고 있다. 이전에 같은 반응을 통해 실제로 합성되었던 폴리에스터를 선반 위에 놓고 모든 초점을 나일론으로 옮겼다.

<그림> <소스 미디어="(최소 - 너비:401픽셀) 및 (최대 너비:1000픽셀)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/1221ptkhmaterials3.jpg;maxWidth=560 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/1221ptkhmaterials3.jpg 2x"> <소스 미디어="(최대 너비:400px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/1221ptkhmaterials3.jpg;maxWidth=360 1x, https://d2n4wb9orp1vta .cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/1221ptkhmaterials3.jpg;maxWidth=720 2x">

작용기가 있는 반응물이 분자의 양쪽 말단에 사용되면 반응이 확장되어 장쇄 거대분자인 폴리머를 생성할 수 있습니다. 이 원칙은 나일론 66에 적용됩니다.

그 이유를 이해하려면 에스테르와 아미드 그룹의 화학적 성질을 이해할 필요가 있습니다. 아미드 그룹은 폴리머 백본 내의 질소-탄소 결합으로 구성됩니다. 이중 결합으로 탄소에 부착된 것은 산소 원자이고, 수소 원자는 질소에 부착되어 있습니다. 이것은 매우 우연한 상황을 설정합니다. 아미드 그룹의 이 두 부분은 양극과 음극이 잘 정의된 작은 자석처럼 작동합니다. C=O 결합의 경우 산소는 음전하를 띠고 N-H 결합에서는 수소가 양전하를 띤다. 폴리머 사슬의 인접 부분이 정렬되면 음전하를 띤 산소와 양전하를 띤 수소 사이의 인력이 매우 강해 기계적 특성이 우수하고 융점이 매우 높아집니다.

DuPont 연구원들의 관심을 끈 것은 260C(500F)의 융점과 매우 높은 강도 및 재료 모듈러스였습니다. 여기서 질소에 결합된 수소의 존재가 핵심입니다. 수소는 우리 우주에서 가장 단순한 원소로, 하나의 음전하를 띤 전자가 주위를 도는 하나의 양전하를 띤 양성자를 포함하는 핵으로 구성되어 있습니다. 어떤 원자라도 화학 반응을 일으키면 파트너와 최소한 하나의 전자를 공유함으로써 수행됩니다.

수소의 경우 이 전자를 공유하면 양의 핵이 차폐되지 않습니다. 파트너 원자가 핵에서 충분히 멀리 수소 전자를 제거할 수 있다면 양의 핵은 수소 결합으로 알려진 매우 강한 인력에 참여할 수 있게 됩니다. 세 가지 원소만이 그러한 수소 결합을 생성할 수 있을 만큼 충분히 수소 전자를 핵에서 끌어당길 수 있으며 질소가 그 중 하나입니다. 이러한 강한 양전하가 음전하를 띤 산소 원자와 정렬되면 그림 4와 같이 이러한 부분을 결합하는 힘이 매우 강해지고 나일론의 우수한 특성이 나타납니다.

<그림> <소스 미디어="(최소 - 너비:401픽셀) 및 (최대 너비:1000픽셀)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/1221ptkhmaterials4.jpg;maxWidth=560 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/1221ptkhmaterials4.jpg 2x"> <소스 미디어="(최대 너비:400px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/1221ptkhmaterials4.jpg;maxWidth=360 1x, https://d2n4wb9orp1vta .cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/1221ptkhmaterials4.jpg;maxWidth=720 2x"> 질소는 수소 결합으로 알려진 강한 인력을 생성하기 위해 핵에서 충분히 멀리 수소 전자를 끌어당길 수 있는 세 가지 요소 중 하나입니다. 이 강한 양전하가 음전하를 띤 산소 원자와 정렬되면 여기에 표시된 것처럼 이러한 부분을 결합하는 힘이 매우 강해지며 결과적으로 나일론의 우수한 특성이 나타납니다.

아미드 그룹 사이의 나일론 중합체 구조는 사슬의 측면에 부착된 수소 원자를 갖는 탄소 사슬로만 구성된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이것은 화학에서 지방족 구조라고 하는 단순한 분자 기하학인 폴리에틸렌의 화학 구조와 유사합니다. 지방족 구조는 일반적으로 매우 인상적인 열 및 기계적 특성을 나타내지 않습니다. 그러나 아미드 그룹 간격의 대칭성과 결합된 수소 결합에 의해 제공되는 강한 인력의 조합이 일반적으로 예상되는 것 이상의 특성을 제공하기 때문에 폴리아미드에서 작동합니다.

그렇다면 왜 폴리에스터는 나일론 화학에 찬성하여 백 버너에 놓이게 되었습니까? 그림 1의 구조로 돌아가면 에스테르 그룹이 아미드 그룹과 유사하지만 수소 결합을 형성할 기회를 놓치고 있음을 알 수 있습니다. N-H 그룹 대신 산소 원자만 있습니다. 수소 결합이 없으면 훨씬 더 낮은 융점과 훨씬 더 낮은 강도를 갖는 지방족 폴리에스테르가 생성됩니다. 나일론 66에 필적하는 평균 분자량을 갖는 지방족 폴리에스터의 융점은 80C(176F)에 불과하며 가수분해가 일어나는 경향이 있습니다. 이러한 특성은 주로 직물 및 의류용 섬유에 중점을 두었던 DuPont 연구원의 기대를 충족시키지 못했습니다.

따라서 연구실에서 폴리에스터를 만들어 섬유화하는 것은 나일론보다 3년 정도 앞서는 반면, 개발은 나일론이 모두 강조되어 폴리에스터가 선반 위에 놓였다. 1930년대 후반에 두 명의 영국 연구원인 John Rex Whinfield와 James Tennant Dickson은 DuPont의 Carothers 팀이 폴리에스터에 대해 수행한 작업을 검토하기 시작했습니다. 그들은 DuPont 팀이 원래의 지방족 구조를 방향족으로 알려진 화학 유형으로 대체하는 화학을 사용하여 폴리에스터의 특성 프로파일을 개선하는 방법을 추구하지 않았다는 것을 발견했습니다. 화학에서 방향족이라는 용어는 매우 특별한 의미를 갖습니다. 일반적으로 6개의 탄소를 포함하고 벤젠 및 크실렌과 같은 물질로 예시되는 고리와 같은 화학 구조를 나타냅니다.

방향족 고리는 현대 고분자 화학에서 없어서는 안될 부분이지만 1930년대에는 페놀과 같은 열경화성 고분자에만 사용되었습니다. 이 링은 평면형이며 매우 단단하므로 유기 화합물 및 폴리머에 통합될 때 열 및 기계적 성능이 크게 향상됩니다. 1939년 Whinfield와 Dickson은 방향족 카르복실산인 테레프탈산을 에틸렌 글리콜과 함께 사용하여 최초의 상업적으로 실행 가능한 폴리에스터인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 생산했습니다. 두 명의 영국 발명가 W.K. Birtwhistle과 C.G. Ritchie는 PET 폴리에스터에 대한 특허를 취득하고 1941년 Imperial Chemical Industries(ICI)에서 Terylene으로 도입한 소재를 기반으로 섬유를 상업화했습니다.

이 개발로 폴리에스터의 긴 역사가 시작되었으며 다음 기사에서 다룰 것입니다.

저자 소개:Michael Sepe 애리조나 주 세도나에 기반을 둔 독립 재료 및 가공 컨설턴트로 북미, 유럽 및 아시아 전역에 고객을 보유하고 있습니다. 그는 플라스틱 산업에서 45년 이상의 경험을 가지고 있으며 재료 선택, 제조 가능성을 위한 설계, 프로세스 최적화, 문제 해결 및 실패 분석을 지원합니다. 연락처:(928) 203-0408 • [email protected]


수지

  1. 현대 플라스틱 개발
  2. 나사의 역사
  3. K 2019:Messe에서 중요한 재료
  4. 고분자 재료의 역사 추적--2부
  5. 고분자 재료의 역사 추적:1부
  6. 고분자 재료의 역사 추적, 4부
  7. 고분자 재료의 역사 추적:5부
  8. 고분자 재료의 역사 추적:6부
  9. 고분자 재료의 역사 추적:7부
  10. 고분자 재료의 역사 추적:9부