고분자 원료의 역사 - 플라스틱 수지

고분자 원료의 역사 - 플라스틱 수지 ①

이 시리즈에서는 플라스틱 산업의 역사와 현재에 도달한 과정을 살펴봅니다. 1850년대 동남아시아 토착민들이 사용하던 구타페르카의 발견은 이성질체가 고분자의 성질을 결정한다는 중요한 사실이며, 현대 고분자에 널리 사용되는 원리의 초기 사례의 좋은 예이다. 화학.

플라스틱 산업과 관련된 특정 역사적 사건에 대해 들어본 적이 있는지 묻는 이메일을 가끔 받습니다. 많은 관심을 받는 것 중 하나는 일반적으로 최초의 플라스틱이라고 불리는 소재를 최초로 만든 미국 발명가 John Wesley Hyatt의 이야기입니다.

이 소재는 1869년 Celluloid라는 이름으로 특허를 받았습니다. 특히 하얏트는 가장 주목받는 소재로 1860년대 초반 상아가 희소했기 때문에 당구공 가격에 미칠 영향을 우려했다.

그가 상금 1만 달러를 받은 것은 사실입니다.

이 이야기는 여러 가지 이유로 매우 흥미롭습니다. 먼저, 화학 천재를 통해 만들어진 합성 소재가 천연 유래 소재를 대체하고 개선했다는 플라스틱 산업에 깊숙이 자리 잡은 아이디어를 강화합니다. 또 다른 요인은 현재 거의 $200,000에 달하는 금전적 보상의 규모입니다.

일반적으로 그렇듯이 셀룰로이드 발명의 실제 이야기는 이보다 훨씬 더 복잡할 뿐만 아니라 이전의 업적에 크게 의존합니다. 그리고 이 소재의 실제 도입은 소재 자체보다 플라스틱 산업에 훨씬 더 큰 영향을 미친 또 다른 주목할만한 발명이 있었기 때문에 가능했습니다.

합성 물질을 만드는 것과 관련된 작업은 대부분 과학의 일부이지만 비즈니스 세계와 결과적으로 돈이 위험에 처해 있기 때문에 일반적으로 변호사와 얽혀 있습니다. 이 시리즈에서는 플라스틱 산업의 역사와 우리가 어떻게 현재에 이르렀는지 살펴보고자 합니다.

합성 재료의 세계는 자연에서 발견되는 재료에서 영감을 받았습니다. 이 모든 것의 출발점을 제공한 것으로 보이는 소재는 특정 나무에서 추출한 원료인 폴리이소프렌(Polyisoprene)이라고 불리는 천연고무다. 이성질체라고 하는 천연 고무 분자에서 두 가지 다른 원자 배열의 화학 구조는 아래 그림 1에 나와 있습니다.

16세기와 17세기에 카리브해와 중미(중앙 아메리카)를 여행한 유럽 탐험가들은 이 재료를 사용하여 단단한 공을 만들 뿐만 아니라 방수 직물에도 사용하는 문명을 발견했습니다. 우리가 오늘날의 엘라스토머 또는 엘라스토머 특성이라고 부르는 성질의 재료로 만들어진 단단한 공의 존재는 가죽 주머니에 공기를 불어 넣어 만든 공만 보던 북유럽 사람들에게 충격이었습니다. 이 모든 제품을 만든 것은 시스 이성질체였습니다. 트랜스 이성질체는 나중에 논의될 것입니다.

합성 재료의 세계는 자연에서 발견되는 재료인 플라스틱 수지에서 영감을 받았습니다.

1730년대에 한 프랑스 탐험가가 유사한 물질을 발견하기 위해 페루를 여행했지만 1751년에 이 새로운 물질에 대한 최초의 과학 논문이 출판되었습니다. 그러나 이 시점에서도 이 물질의 화학적 성질은 잘 이해되지 않았습니다. 특히, 온도가 원자재의 특성에 미치는 영향은 유럽에서 상업적 사용에 장애가 되었습니다.

특정 고온에서 온도 변동이 상대적으로 작은 중미 기후와 달리 유럽은 겨울과 여름 온도 변화가 매우 큽니다. 겨울의 낮은 온도에서 재료는 단단하고 부서지기 쉬운 반면 여름의 높은 온도에서는 매우 부드럽고 끈적거리게 되었습니다. 이 소재를 사용한 가장 창의적인 제품은 18세기 후반에 등장한 종이에 연필 자국을 지우는 지우개였다. 지우개를 고무라고 하는 것도 이런 특성 때문입니다.

1820년에 완전히 다른 분야의 두 사업가도 폴리이소프렌이 나프타와 테레빈유에 용해된다는 것을 우연히 발견했습니다. 녹은 고무는 면으로 가공하여 방수 의류를 만들 수 있습니다. 날씨가 너무 더워지지 않는 한 이것은 잘 작동했습니다. 그러나 온도가 상승함에 따라 코팅된 천이 끈적거리고 변형되었습니다.

온도로 인한 폴리이소프렌 활용의 한계는 1830년대부터 40년대까지 계속 문제였습니다. 이 기간 동안 Charles Goodyear는 이전 발명가와 마찬가지로 1.5회의 실험을 무작위로 수행하여 고온 성능 문제를 해결하는 두 가지 기술을 우연히 발견했습니다.

3년 후, 재료의 저온 특성을 향상시키는 것으로 더 잘 알려진 가황 공정이 발견되었습니다. Goodyear는 이 재료의 성능을 극적으로 향상시키는 가교 과정의 화학에 대해 전혀 이해하지 못했습니다.

심지어 '가황'이라는 용어도 Goodyear가 미국에서 특허를 출원하는 동안 Goodyear의 방법을 알아낸 영국 경쟁자가 영국에 특허를 출원하면서 만들어졌습니다. 고무에 가소제와 충전제(충전제)를 첨가하여 원료의 특성을 변경하는 기술이 등장하기까지는 여전히 수십 년을 기다려야 했습니다.

그러나 폴리머 산업의 기반은 구축되었습니다. 흥미롭게도 아메리카 원주민은 수백 년 전에 원시 라텍스를 흡연하여 고무의 특성을 안정화하는 방법을 발견했습니다. 이것은 물질의 가교에 필요한 질산염과 황 화합물을 공급하여 제어가 덜 정교할 수 있지만 실질적으로 동일한 효과를 달성하는 방법이었습니다.

플라스틱 수지 화학 시대의 발전은 주로 시행착오를 통해 이루어진 우연한 발견에 기인합니다.

1850년대에 굿이어와 영국의 라이벌 사이의 법정 싸움이 격화되던 시기에 동남아시아의 한 영국 외과의사는 이 지역의 원주민들이 이 지역의 토착 수종 중 하나에서 수액을 추출하는 것을 보았습니다.

재료를 뜨거운 물에 넣어 부드럽게 만든 뒤, 도구 손잡이, 막대기 등 다양한 용도로 사용할 수 있도록 성형했다. 화학적으로 수액을 얻은 나무의 학명을 따서 구타페르카(gutta-percha)라고 명명한 이 물질은 폴리이소프렌의 트랜스 이성질체입니다.

이것은 이성질체가 폴리머의 특성을 결정한다는 중요한 사실을 초기에 보여주는 좋은 예입니다(현대 폴리머 화학에서 널리 사용되는 원리). 시스 이성질체는 무정형이며 온도 변화에 매우 민감합니다. 따라서 사용 가능한 재료로 만들기 위해서는 가교가 필요합니다. 트랜스 이성질체는 결정화할 수 있는 물질입니다. 따라서 시스 이성질체와 상온의 유리전이온도는 같으나 상온 이상의 온도에서는 유용한 고체 물질의 성질을 갖는다.

Gutta Perca는 수백 년 동안 토착 문명에서 알려지고 사용된 또 다른 재료이지만, 보다 표적 지향적인 유럽인의 손에 들어갔을 때 수중 전신선의 절연 재료로 빠르게 채택되었습니다. 이러한 점에서 이 소재는 시스 이성질체 고무와 몇 가지 유사점뿐만 아니라 중요한 차이점을 보여줍니다.

두 재료의 비극성 구조는 우수한 전기 절연체입니다. 그러나 고무의 경우 가교된 형태를 가지고 있음에도 불구하고 독특한 비정질 구조로 인해 염수에 대한 내화학성이 부족하다. Gutta Perca는 바람직한 전기적 특성을 가질 뿐만 아니라 해수 및 기타 여러 화학 물질에 대한 저항성을 나타냅니다. 결정성의 유무가 내화학성을 결정한다는 이 원리는 폴리머계에서도 잘 알려져 있으며, 플라스틱 산업의 초창기에도 새로운 응용 분야를 창출할 수 있었습니다.

또한 새로운 재료의 사용과 관련된 또 다른 매우 중요한 측면인 새로운 화학 원료의 개발 및 가공 방법의 발명에 중점을 둡니다. 이 소재는 전선 피복재로 사용되었는데, 이는 압출기라는 매우 중요한 발명으로 가능하게 되었습니다.

다음 편에서 우리는 셀룰로이드를 둘러싼 기술적 진보와 그 과정에서 처리 기술의 또 다른 매우 중요한 발전에 대해 이야기할 것입니다.

출처:플라스틱코리아

폴리머 원료