고무 탄성체(Synthetic Rubber)

고무 탄성체(Synthetic Rubber)

탄성체(Elastic Body)는 주로 (a) 디엔탄성체 (b) 비 디엔탄성체 (c) 열가소성 탄성체로 나뉩니다.

디엔(Diene) 탄성체에는 주로 폴리부타디엔(Polybutadiene), 폴리이소프렌(Polyisoprene), 폴리클로로프렌(Polychloroprene) 등이 속하며, 이들은 2개의 연속적인 이중결합을 가진 단량체로부터 중합됩니다.

 

여기서 치환기 R이 수소원자(H)인 경우 폴리부타디엔(Polybutadiene), 염소원자(Cl)인 경우 폴리클로로프렌(Polychloroprene), 메틸기(CH3)인 경우 폴리이소프렌(Polyisoprene)이 됩니다. 중합은 가교 (가)의 위치를 결정하는 1개의 이중결합을 가진 반복단위를 생성합니다.

 

비디엔(Non-Diene) 탄성체에는 폴리이소부틸렌(Polyisobutylene), 폴리실록세인(실리콘고무), 폴리우레탄(Spandex), 플루오로고무(Viton) 등이 포함됩니다.

 

비 디엔 탄성체는 불포화기가 없어 가교에는 축중합이 필요하며, 폴리실록세인과 같은 경우에는 3작용기 단량체, 자유 라디컬 개시제, 또는 소량의 디엔 단량체(예: 부타디엔)와의 공중합과 같은 대안적인 방법이 필요합니다.

 

 

SBS(Syrene Butadiene Styrene) 삼원 공중합체와 같은 열가소성 탄성체는 화학적으로 가교된 탄성체와는 달리 단단한 유리상 영역과 유연한 고무상 영역을 가진 열가소성 수지입니다. 냉각 과정에서 단단한 영역과 유연한 영역은 물리적으로 명확하게 분리됩니다. 여기서 단단한 영역은 고무상 영역에 대해 물리적으로 고착(Physical Anchor) 역할을 하여 열가소성 탄성체가 인장되면 복원력을 제공합니다.

디엔탄성체(Diene Elastic Body)

탄성 망상 구조를 형성하는 방법 중 하나는 이웃한 고분자의 분자에 2개의 불포화 탄소를 화학 결합하는 것입니다. 불포화 탄소를 갖는 중요한 합성 고무에는 앞에서 언급한 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리클로로프렌이 있습니다. 아래 그림에서와 같이 이소프렌과 클로로프렌 같은 공액 디엔(Conjugated Diene)은 1,2-, 3,4, 1,4- 고분자를 형성할 수 있습니다. 그리고 1,4-고분자의 경우 cis 형과 trans 형 둘 다 가능합니다. 비대칭 치환기가 존재하지 않는 1,3-부타디엔 중합 경우와 1,2,3,4- 구조는 동일합니다.

 

고분자 사슬에 유입되는 각 구조형의 비율은 고분자의 열적, 물리적 물성에 영향을 주며 중합 조건과 중합 방법에 의해 조절됩니다. 예를 들어 부타디엔을 자유라디컬 부가반응으로 낮은 온도에서 중합하면 약 20% 정도의 1,2- 구조를 함유하는 대부분이 trans-1,4- 구조를 나타냅니다. 중합 온도가 증가할수록 cis-1,4- 구조의 양은 증가하는 한편 1,2- 구조의 비는 거의 동일합니다. 다음은 디엔 단량체의 중합으로 1,2-, cis-1,4-, trans-1,4- 구조를 보여주며, 치환기(R)에 따라 다른 탄성체가 생성됩니다.

 

디엔을 펜탄(CH12)이나 헥산(CH4)과 같은 비극성 용매에서 리튬이나 "-부틸 리튬과 같은 유기 리튬을 사용하여 음이온 중합을 하면 높은 함량의 cis-1,4- 구조의 고분자를 얻을 수 있습니다. 극성이 강한 용매나 강한 알칼리 금속(Alkali Metal) 개시제를 사용하는 경우 cis-1,4- 구조의 비율이 감소합니다.

 

입체규칙성은 지글러-나타 촉매(Ziegler-Natta Catalyst)와 같은 선택적 배위 촉매(Selective Coordination Catalyst)나 알케닐나트륨(Alkenyl Sodium) 화합물, 할로겐화 알칼리 금속, 알콕사이드(Alkoxide)의 결합으로 이루어진 비균일계 알핀(Heterogeneous Alfin) 촉매를 사용하여 조절할 수 있습니다. 후자의 시스템을 사용하는 경우 고분자의 trans-1,4- 함유 비율을 늘릴 수 있습니다.

부타디엔 기본 탄성체

부타디엔 공중합체와 폴리부타디엔(BR)은 모든 합성고무 중에서 가장 큰 판매량을 기록하고 있습니다. 특히, 스티렌 부타디엔 공중합체(SBR, Styrene Butadiene Rubber)는 현재 미국의 합성탄성체 시장에서 주요한 지위를 차지하고 있습니다. BR과 SBR은 주로 타이어 제품 생산에 사용되며, 이는 일반적으로 천연고무와 합성 고무의 블렌드로 이루어져 있습니다. 폴리부타디엔은 타이어 재료의 중요한 특성인 우수한 복원력, 내마모성, 낮은 열축적을 보여줍니다.

부타디엔고무 (BR, Butadiene Rubber, Polybutadiene)

BR은 내마모성, 반발탄성, 내화성이 뛰어나지만 가공성과 인장강도 등에서 문제가 있어 천연고무(NR, Natural Rubber), 스티렌 부타디엔 고무(SBR, Styrene Butadiene Rubber) 등과 혼합하여 사용됩니다. 주로 자동차 타이어용으로 사용되며, 수요는 자동차 산업의 경기에 영향을 받습니다.

 

일반적으로 부타디엔을 지글러-나타 촉매(Ziegler-Natta Catalyst) 또는 유기금속 화합물을 촉매로 사용하여 용액중합하여 얻어집니다. 즉, 1,3-부타디엔을 중합하여 cis-1,4-구조를 가지는 중합체로 제조됩니다. 이 중합법은 1956년부터 미국과 이탈리아에서 발명되었으며, 입체규칙성을 지닌 분자 구조로 인해 입체규칙성 고무 또는 입체규칙성 (Stereo Rubber)로 불립니다.

 

SBR보다 기계적으로 우수하며 특히 반발탄성, 내한성, 내마모성이 뛰어나며, 발열성이 낮아 타이어 제조에 적합합니다. 미래에는 천연고무의 대체품으로 더 많이 사용될 것으로 전망되며, 최근에는 trans-1,4-구조의 BR이 경질제품으로 활용되며, cis-/trans-/vinyl 구조가 혼합된 고무는 치핑(Chipping) 현상을 억제하는 타이어 재료로 제조됩니다.

스티렌부타디엔 고무 (SBR, Styrene Butadiene Rubber)

부나에스(Buna-S) 또는 지아르에스(GR-S)로도 알려진 SBR은 매우 불규칙한 공중합체로, 부타디엔에 10~25%의 스티렌을 중합한 것입니다.

 

중합 온도, 유화제(에멀션화제), 중합정지제, 노화방지제, 응고제, 결합 스티렌의 양, 그리고 무니점도(Moony Viscosity) 등에 따라 여러 종류의 SBR이 존재합니다. 스티렌의 첨가는 SBR의 내마모성과 결합 특성을 향상시키면서 가격을 낮추는 역할을 합니다. 또한, BR을 단독으로 사용할 때보다 강도, 내마모성, 블렌드의 상용성을 향상시킵니다. 전형적인 SBR의 조성은 약 70%의 trans-1,4-폴리부타디엔, 15~20%의 cis-1,4-폴리부타디엔, 그리고 15~20%의 1,2-폴리부타디엔으로 이루어져 있습니다. 용액중합에 의해 생성된 SBR 생성물은 Stereo SBR로 불리며, 이는 유화중합으로 합성된 SBR보다 높은 분자량, 좁은 분자량 분포, 그리고 높은 함량의 cis-1,4-구조를 갖추고 있습니다.

 

BR과 마찬가지로, SBR은 유화 상태에서 자유 라디컬 반응에 의해 30~60°C에서 고온고무 (Hot Rubber) 방식과 0°C 부근에서의 저온고무 (Cold Rubber) 방식이 있습니다. 주로 저온고무 방식이 많이 사용되며, 이는 물을 분산제로 사용하고 비누를 이용하여 스티렌과 부타디엔을 유화시킨 후 공중합하는 유화중합을 의미합니다. 부타디엔, 스티렌, 용수계면활성제, 중합조절제 등의 원료를 자동 유량조절 밸브에서 일정한 비율과 속도로 섞은 후 냉각하고, 과산화물을 첨가한 뒤, 저온에서 중합합니다. 그 다음 내림작업과 가황공정을 거쳐 고무제품을 생산합니다.

 

SBR은 천연고무에 비해 가격이 저렴하고, 품질이 균일하며, 일정한 가황속도를 갖는 특성을 가지고 있습니다. 또한 열에 강하고 쉽게 마모되지 않으며, 변질이 적습니다. 주로 경량 타이어와 벨트, 호스, 고무판, 구두창 등의 제조에 사용됩니다.

 

고 스티렌 부타디엔고무 (High Styrene Butadiene Rubber)는 스티렌 함량이 50% 이상인 스티렌부타디엔 혼성 중합체를 지칭합니다. 이는 주로 황중합법으로 합성되며, 스티렌 함량이 증가함에 따라 단단해지고 유리전이 온도가 상승하는 특성을 가지고 있습니다. 일반적으로 SBR과 폴리스티렌의 중간 성질을 갖고 있으며, 스티렌 함량이 높아질수록 인장강도와 비누화 온도가 증가하고, 부타디엔 함량이 증가하면 내충격성이 향상됩니다.

 

고 스티렌 부타디엔고무를 천연고무나 다른 합성고무와 블렌드하면 가공성, 내마모성, 내굴곡성, 내균열성, 전기특성 등 여러 성질이 개선됩니다. 특히 인장 강도 및 경도를 높이므로 보강성과 경화성 유기배합 재료로 활용되며, 구두창, 마루타일, 볼 커버, 착색 경질고무 등 다양한 용도로 폭넓게 사용됩니다. 때로는 내충격성 폴리스티렌으로 사용되는 경우에도 부타디엔 함량이 특히 적은 중합체가 활용될 수 있습니다.

니트릴부타디엔 고무 (NBR, Nitrile Butadiene Rubber; Nitrile Rubber)

NBR은 아크릴로니트릴부타디엔고무 또는 니트릴고무로도 불리며, Buna-N으로도 알려져 있습니다.

부타디엔에 15~40%의 아크릴로니트릴을 포함하여 고 온 또는 저온 자유라디컬 유화중합을 통해 공중합됩니다. 다시 말해, NBR은 아크릴로니트릴 (CH2=CHCN)과 1,3-부타디엔 (CH2=CH-CH=CH2)로 형성된 합성고무 공중합체입니다. 이 고무는 내유성과 내방향족 용매성이 우수하며, 이러한 특성으로 인해 개스킷(Gasket), 튜브, 오링(O-Ring), 가솔린 호스 등의 재료로 사용됩니다. 또한, 타이어 제조 시 블렌드 성분으로도 활용 가능합니다.

 

NBR은 부타디엔과 아크릴로니트릴의 몰비가 2:1 또는 3:1인 공중합에 의해 생산되며 일반적으로 황 처리됩니다. 가황된 고무는 인장 강도와 탄성이 뛰어나며, 내유성과 내마모성이 우수합니다. 니트릴 함유량이 높을수록 내유성이 더 커지는 특징이 있습니다. 이러한 특성으로 NBR은 주로 내유성 호스, 진공용 패킹, 진동방지 고무, 인쇄 롤, 벨트 등 다양한 용도에 사용되며, SBR에 이어 널리 사용되고 있습니다. 이는 고체와 라텍스상(Latex Phase)으로 시판되고 있습니다.