이소프렌고무(IR), 클로로프렌고무(CR), 상호교환탄성체, 가황공정

이소프렌고무

이소프렌 고무(IR, Isoprene Rubber; Polyisoprene, 합성천연고무)는 이소프렌을 중합하여 얻은 천연고무의 성분으로, 1,4-폴리이소프렌이라 불린다.

 

이는 입체규칙성 고무(Stereo Rubber)로서, 이소프렌 단량체 (Isoprene, 2-Methyl-1,3-Butadiene, CH2=C(CH3)-CH=CH2) 용액을 지글러 나타 촉매 (Ziegler Natta Catalyst)나 알킬리튬 (Alkyl Lithium) 촉매를 사용하여 중합시켜 얻는 것이다. 분자구조는 cis-1,4-폴리이소프렌(cis-1,4-Polyisoprene)으로 주성분의 90% 이상이 cis-1,4-구조로 이루어져 있다. 화학구조는 천연고무와 유사하지만, cis-1,4-함유량이 적고 3,4-결합이 더 보완되어 있다. 이로 인해 품질이 더 균일하며 먼지 등의 이물질이 적다.

 

이소프렌고무의 화학구조식은 이전에는 trans- 및 cis-의 1,2-, 3,4- 구조가 혼합된 고무만을 합성할 수 있었으나, 1954년 미국에서 개발된 지글러 나타 촉매 등을 사용하는 입체규칙성 고무 합성법을 통해 발전되었다. 이소프렌고무는 오존, 가솔린, 기름, 유기용매에 대한 저항성이 낮지만, 색상이 밝아 착색성이 우수하며 고무 특유의 냄새가 적고 내림작업이 쉬워 가공성이 좋다. 신장 및 균열 발생에 대한 저항성이 크며 내마멸성과 내노화성/흡수성 및 전기특성이 뛰어나다. 다만 탄성률은 다소 낮고 물에 젖으면 미끄러지기 쉬워 타이어용으로는 적합하지 않다. 그러나 침지 제품, 발포고무(Foam Rubber), 고무계 감압테이프 및 라미네이트 가공지 등의 접착제로 널리 사용된다.

클로로프렌고무

클로로프렌 고무(CR, Chloroprene Rubber, Polychloroprene, Neoprene)은 네오프렌(Neoprene)이나 CR로 불리기도 하는데, 아세틸렌 2분자를 중합하여 비닐아세틸렌을 생성한 후에 염산을 첨가하여 클로로프렌을 얻습니다. 이 클로로프렌은 5°C 또는 4°C에서 유화(에멀션화)하여 제조됩니다. 간단히 말해, 2-클로로-1,3-부타디엔 [Chloroprene, 2-Chloro-1,3-Butadiene, CH2=CCl-CH=CH2]의 자유 라디컬 유화 중합에 의해 생산됩니다.

 

이 분자의 구조는 주로 약 95%가 1,4-부가를 형성하며, 주로 trans- 구조로 이루어져 있습니다. 또한 몇 %의 1,2- 및 3,4-부가를 함유합니다. 중합이 쉽고, 중합 온도와 중합 조절제에 따라 다양한 종류의 제품이 생성됩니다. 녹는점은 약 80°C까지이며, 유리전이 온도는 약 -45°C입니다.

 

클로로프렌만의 중합체는 결정성이 강하므로 스티렌이나 아크릴로니트릴을 소량 중합하여 사용되기도 합니다. CR를 가공하기 위한 기본 혼합물은 CR 100, 노화방지제 2, 산화마그네슘 4, 산화아연 5로 구성되어 있습니다. 이 혼합물은 135°C에서 30분 동안 가열하여 가황을 진행합니다.

 

CR 제품은 다른 탄성체에 비해 산소, 오존, 기름, 가스 등에 강한 내성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 개스킷, 튜브, 오링(O-Ring), 밀봉(Seal)재, 가솔린 호스 등의 재료로 널리 사용되며, 강력한 접착성으로 인해 대량의 접착제로도 활용됩니다.

 

참고로, 클로로프렌 고무(CR)의 특성은 내약품성, 내유성, 내후성, 내열성, 내오존성, 내마모성이 뛰어나다. 이러한 우수한 특성으로 인해 다양한 용도에 사용됩니다. 주요 용도로는 전선의 피복, 호스, 패킹, 개스킷, 구두창 등이 포함되며, 이러한 제품들은 광범위한 산업 분야에서 활용되고 있습니다.

상호교환탄성체

상호 교환 탄성체에는 현재 두 가지 주요한 상업적 타입인 Polynorbornene과 Polyoctenamer가 있습니다. 이러한 탄성체들은 모두 개환 상호교환 중합에 의해 형성되었습니다. Polynorbornene은 높은 오일흡수성을 가지고 있고, Polyoctenamer는 고강도 물성을 나타냅니다. 최근에는 부타디엔뿐만 아니라 블록(Block) 및 그래프트(Graft) 공중합체를 포함한 다양한 탄성체를 상호 교환을 통해 제조하는 경향이 있습니다.

가황공정

가황(Vulcanization) 공정에서는 라텍스상으로 얻어지는 천연고무가 비가교 고무로서 끈적하고 점착성이 있는 특성을 가집니다. 그러나 이러한 고무 제품은 복원력과 고정형상(Permanent Set)을 나타내지 못합니다. 따라서 복원력을 갖기 위해서는 망상 구조가 필요합니다. 디엔 탄성체의 망상 구조 형성을 위해 과산화물, 이온화 조사(Ionizing Radiation), 황 등이 사용되어 가교됩니다. 가교된 탄성체의 망상 구조는 황 다리 (Sulfur Bridge)나 폴리설파이드 다리 (Polysulfide Bridge) 등으로 나타낼 수 있습니다.

 

전형적인 가황방법은 고무화합물과 황에 열을 가하는 것입니다. 황 다리는 이중결합에 부가되어 이온 메커니즘으로 이해됩니다. 일반적인 가황공정은 긴 황다리와 고리형 황구조가 형성되어 비효율적이고 반응 속도가 느린 경향이 있습니다. 따라서 촉진제(Thiuram Disulfide, Dithiocarbamate, Benzothiazole)를 첨가하여 반응 속도를 향상시키고, 산화아연(Zinc Oxide)과 스테아르산(Stearic Acid)은 활성제로서 역할합니다. 또한 산화방지제와 강화충진제도 일반적인 상업용 고무 배합에 함께 첨가됩니다.

 

촉진제는 단량체의 폴리설파이드를 형성합니다. 여기서 Ac기는 촉진제로부터 유도된 유기 라디컬 (예: Benzothiazolyl 기)입니다. 이 단량체(Ac)의 폴리설파이드는 탄성체 사슬 중의 불포화기와 반응하여 고무 폴리설파이드를 생성하고, 최종적으로 또 다른 사슬과 반응하여 폴리설파이드 다리를 형성합니다. 간략히 말하면 황 원소와 촉진제의 반응으로 형성된 단량체의 폴리설파이드가 고무 사슬과 반응하여 폴리설파이드 다리를 형성하고, 두 고무 사슬 간의 폴리설파이드 다리를 나타냅니다.

 

가교점 사이의 폴리설파이드 분자량은 대략 4,000~10,000 정도이며, 각각의 사슬 분자량은 약 100,000~500,000 단위입니다. 이렇게 형성된 폴리설파이드 다리는 고무 내에서 망상 구조를 형성하여 고무의 복원력과 고정형상을 향상시킵니다.