폴리머 소재의 역사 추적 13편: 나일론과 폴리에스터가 섬유 혁신을 다시 쓰다

나일론의 탄생을 이끈 동일한 혁신의 물결이 합성 폴리에스터의 창조도 촉진했습니다. 1930년대, 월리스 캐로더스의 듀폰 팀 핵심 멤버인 줄리언 힐이 나일론보다 먼저 폴리에스터 섬유를 처음 합성했습니다. 그러나 나일론의 탁월한 특성이 드러나자 폴리에스터 연구는 보류되었습니다. 나일론과 폴리에스터의 얽힌 이야기는 그들의 화학을 더 자세히 살펴봄으로써 가장 잘 이해할 수 있습니다.

1세대 나일론과 초기 폴리에스터 모두 축합 중합체 계열에 속합니다. 캐로더스는 1926년 학계에 있을 때부터 이 반응들을 탐구하기 시작했습니다. 듀폰 연구소의 자원을 활용하여 그는 이론을 신속하게 실천으로 옮겼습니다. 축합 중합체는 양 끝에 반응성 작용기를 가진 두 분자가 반응하여 작은 분자(종종 물)를 방출하고 양방향으로 성장하여 긴 사슬을 생성할 때 형성됩니다.

그림 1에서 에틸알코올과 아세트산이 에틸아세테이트를 형성하는 것처럼, 에스테르는 알코올이 카복실산과 반응할 때 생성됩니다. 카보닐-산소 이중 결합이 에스테르 작용기의 특징을 정의합니다. 아마이드는 유사하게 형성되지만 알코올 대신 아민이 참여합니다. 그림 2에서 프로판산이 요소와 반응하여 프로판아마이드를 생성합니다.

일반적인 에스테르 및 아마이드 합성에서는 하나의 반응성 말단만 참여하여 반응이 종료됩니다. 캐로더스는 분자의 양 끝이 반응성 기를 가질 때 과정이 계속되어 긴 사슬 거대분자인 중합체를 생성할 수 있음을 발견했습니다. 그림 3은 이 원리가 나일론 66에 적용된 것을 보여줍니다.

아마이드 결합은 카보닐기(C=O)와 N-H 결합으로 구성되어 쌍극자를 생성하며, 이는 강력한 분자간 수소 결합을 촉진합니다. 산소는 부분적 음전하를, 질소에 결합된 수소는 부분적 양전하를 띱니다. 인접한 중합체 사슬이 정렬되면 이러한 쌍극자가 서로 끌어당겨 나일론의 높은 인장 강도와 260°C(500°F)의 녹는점을 부여합니다. 이 수소 결합 네트워크가 나일론의 우수한 기계적 성능의 초석입니다.

반면, 에스테르 결합에는 N-H 성분이 없어 동일한 견고한 수소 결합을 형성할 수 없습니다. 그 결과, 나일론 66과 비슷한 분자량을 가진 지방족 폴리에스터는 일반적으로 약 80°C(176°F)의 낮은 녹는점을 보이며 가수분해에 더 취약합니다. 이러한 특성은 고성능 섬유를 위한 듀폰의 목표에 부합하지 않아 회사가 나일론에 전적으로 집중하게 만들었습니다.

3년 후, 영국 화학자 존 렉스 윈필드와 제임스 테넌트 딕슨은 듀폰의 데이터를 재검토하고 방향족 고리를 도입하여 폴리에스터의 특성을 개선하는 방법을 찾아냈습니다. 벤젠이나 자일렌 같은 방향족 구조는 평평하고 강성이며, 중합체 사슬에 내장될 때 열적 및 기계적 거동을 크게 향상시킵니다.

1939년, 윈필드와 딕슨은 방향족 카복실산인 테레프탈산과 에틸렌글리콜을 결합하여 최초의 상업적으로 실행 가능한 폴리에스터인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 생산했습니다. W.K. 버트위슬과 C.G. 리치와 함께 그들은 PET를 특허받았고, 1941년 임페리얼 케미컬 인더스트리(ICI)가 테릴렌(Terylene)이라는 브랜드명으로 섬유를 출시했습니다.

이 돌파구는 현대 폴리에스터 섬유 시대의 서막을 열었으며, 그 이야기는 다음 편에서 계속될 것입니다.

저자 소개
마이클 세페는 애리조나주 세도나에 기반을 둔 독립 소재 및 가공 컨설턴트입니다. 플라스틱 업계에서 45년 이상의 경력을 가지고 있으며, 북미, 유럽, 아시아의 고객들에게 소재 선택, 제조용 설계, 공정 최적화, 문제 해결, 고장 분석을 자문합니다. 연락처: (928) 203‑0408 | mike@thematerialanalyst.com