우레탄고무, 폴리우레탄 총정리. 우레탄이란?

우레탄고무(Urethane Rubber, Polyurethane)

폴리우레탄은 높은 강도, 가스, 오일 및 방향족 탄화수소에 대한 우수한 저항성, 탁월한 내마모성, 산소와 오존에 대한 뛰어난 저항성을 보이지만 세균에 취약합니다. 주로 구두 밑창, 고형 타이어, 그리고 임펠러 등에 사용됩니다. 일반적으로 폴리우레탄은 (a) 디이소시아네이트 (Diisocyanate)와 디하이드록시(디올) 화합물의 단계 성장 중합으로 합성하거나 (b) 비스클로로포메이트(Bischloroformate)와 디아민의 반응으로 합성됩니다.

 

여기서 디올(Diol)은 폴리에스터나 폴리에테르의 글리콜을 사용하며, 폴리에스터글리콜은 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 등의 글리콜을 아디프산 등과 반응시켜 제조되며, 폴리에테르글리콜은 폴리옥시에틸렌, 폴리옥시프로필렌, 폴리옥시테트라하이드로푸란 등의 글리콜이 사용됩니다. 디이소시아네이트 (Diisocyanate)는 주로 톨루엔디이소시아네이트나 4,4-디페닐메틸렌디이소시아네이트 등이 사용됩니다.

 

작용기가 2개 이상인 이소시아네이트 또는 하이드록시 화합물을 활용하여 가지 또는 가교점을 형성할 수 있습니다. 고분자 주사슬에 카바메이트기(Carbamate Group)의 존재는 모든 폴리우레탄의 특징입니다. 반응물의 R, R'의 화학적 조성에 따라 폴리우레탄의 사슬은 에스터, 에테르, 아미드(우레아)기를 함유할 수 있습니다. 폴리우레탄 탄성체는 유연한 분절(Soft Segment)과 단단한 분절(Hard Segment)이 교차하며 이루어지는 (AB) 블록공중합체의 형태로 얻어집니다.

 

일반적으로 폴리우레탄 탄성체는 말단에 이소시아네이트가 존재하는 예비중합체(Prepolymer)를 만들기 위해 방향족 디이소시아네이트(MDI, TDI 등)와 말단에 하이드록시기가 존재하는 폴리에스터(폴리에테르)를 반응시켜 합성됩니다. 주로 사용되는 예로, 폴리에테르는 폴리프로필렌글리콜이고 폴리에스터는 폴리디에틸렌글리콜 아디페이트(Polydiethyleneglycol Adipate)로 각각의 화학 구조식은 다음과 같습니다.

 

폴리에스터계 폴리우레탄은 폴리에테르계보다 비용이 저렴하며, 산화 안정성과 고온열 안정성이 우수하지만 수분 안정성과 낮은 온도에서의 유연성은 낮습니다. 예비중합체(Prepolymer)는 사슬 연장제로 작용하는 디아민(예, 에틸렌디아민)과 반응하여 우레아 결합(Urea Linkage)을 통해 고분자 유량의 탄성체를 형성할 수 있습니다.

 

공중합체의 유연한 블록은 폴리에스터/폴리에테르 분절로 형성되어 탄성체의 대다수를 이루며, 이러한 블록은 유리전이온도(Tg)가 일반 사용 온도(T' use)보다 낮은 무정형 연속상을 형성합니다. 우레탄 결합 사이의 분자 간 수소결합은 단단한 블록의 영역 화합을 생성하며, 이 영역은 탄성체가 인장되었을 때 회복력을 제공하는 물리적 고착점 또는 가교점의 역할을 합니다. 폴리우레탄 탄성체를 인장시키면 유연한 영역은 장력이 제거될 때까지 신장하고 결정화가 진행됩니다.

 

폴리우레탄 탄성체는 염색이 용이하며 높은 강도, 우수한 내화학성, 내마모성, 내흠집성(Abrasion/Mar Resistance), 그리고 탄성회복력을 가지고 있습니다. 또한, 산소와 탄화수소 등의 공격에는 안정적이지만, 특정 용매 및 강산에는 취약할 수 있습니다. 여성용 속옷, 수술용 호스, 그리고 수영복 제조 등 다양한 용도로 사용됩니다.

폴리우레탄 총정리

폴리우레탄은 우레탄 탄성체로도 불리며, 우레탄결합, 에스터결합, 에테르결합을 가지는 망상구조의 고분자 물질입니다. 폴리에스터나 폴리에테르의 글리콜과 디이소시아네이트를 반응시켜 제조됩니다. 여기서 폴리에스터글리콜은 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 등의 글리콜을 아디프산 등과 반응시켜 제조(분자량 1,000~2,000)되며, 폴리에테르글리콜은 폴리옥시에틸렌, 폴리옥시프로필렌, 폴리옥시테트라하이드로푸란 등의 글리콜이 사용됩니다. 디이소시아네이트는 톨루엔디이소시아네이트, 4,4-디페닐메틸렌디이소시아네이트 등이 사용됩니다. 다시 말해, 양끝에 하이드록시기를 갖는 폴리에스터 또는 폴리에테르를 출발원료로 사용합니다. 전자는 아디프산 등의 2염기산과 에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜과의 반응에 의해 얻어지며, 후자는 산화에틸렌, 산화프로필렌에서 각각 얻어집니다.

 

다음으로 폴리에스터 또는 폴리에테르와 이소시아네이트 (예를 들어, 톨루엔디이소시아네이트 또는 4,4-디페닐메틸렌디이소시아네이트)를 반응시키면 양끝에 이소시아네이트기 또는 하이드록시기를 갖는 예비중합체(Prepolymer)가 합성됩니다. 이것을 형틀에 넣으면서 이소시아네이트기가 과잉일 때는 글리콜, 디아민을, 하이드록시기가 과잉일 때는 디이소시아네이트, 산화물, 황 등을 가교제로서 가하면 망상구조가 형성되어 합성고무 제품이 생산됩니다.

 

성형은 일반적으로 가압, 가열 하에서 이루어지며 이중결합을 함유하지 않으므로 내후성, 내산화성이 우수하고, 우레탄 결합이 있어서 기계적 강도, 내마모성, 내충격성 등에서 뛰어납니다. 주로 타이어의 표면, 소형의 공업용 바퀴, 구두의 밑창 등의 제조에 널리 사용됩니다.