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우리 생활 속 고분자 화합물

우리는 플라스틱 용기에 반찬을 담고, 페트병에 들어 있는 음료수를 마시며, 사무실에서는 플라스틱으로 둘러싸인 책상, 컴퓨터, 의자를 이용한다. 또 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 섬유가 포함된 옷을 입고, 탄수화물, 단백질, 지방을 먹어 에너지를 얻는다. 놀랍게도 이들은 모두 고분자 화합물이다. ‘플라스틱’이라 부르는 폴리에틸렌(PET), 폴리프로필렌(PP)과 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 등은 인공적으로 만들어낸 합성 고분자 화합물이고, 탄수화물, 단백질, 지방은 천연 고분자 화합물이다.

고분자 화합물은 분자량이 1만 이상인 화합물을 말한다. 그러므로 보통 100개 이상의 원자로 구성돼 있으며, 일반적으로는 중합체다. 중합이란 단위체가 화학반응을 통해 2개 이상 결합해 분자량이 큰 화합물을 생성하는 반응으로, 첨가 중합과 축합 중합 두 가지로 분류된다.

첨가 중합은 단위체의 이중 결합이 끊어지면서 첨가 반응이 계속 일어나 중합체가 만들어지는 반응이다. 흔히 알고 있는 PET, PP, 폴리염화비닐(PVC), 테프론 등이 첨가 중합에 의해 만들어진 화합물이다. 음식이 눌러 붙지 않는 특수 코팅 프라이팬의 코팅제가 바로 테프론이다<;그림 1>;. 테프론은 강산, 강염기, 유기 용제에 잘 견딜 뿐 아니라 고온에서도 안정하다. 현재 프라이팬과 기타 조리기구의 코팅, 인공턱과 코뼈, 기계 부품 등에 광범위하게 이용되고 있다.

축합 중합은 두 단위체에서 물과 같은 간단한 분자가 빠지면서 중합체가 만들어지는 반응이다. 나일론, 폴리에스테르, 페놀수지 등이 축합 중합에 의해 만들어진 화합물이다. 특히 나일론의 발명은 20세기 섬유 혁명을 이끌었다고도 할 수 있다 <;그림 2>;. 나일론이 발명되기 전 15세기 말 중국 황실에서부터 사용된 것으로 알려진 돼지털은 나일론의 발명과 함께 작별을 고하게 됐다.

고분자 화합물은 단위체의 중합에 의해 만들어지므로 그 종류가 매우 다양하나, 일반적인 성질은 세 가지로 요약될 수 있다. 첫째 분자량이 일정하지 않다. 여러 개의 단위체가 중합되므로 정교하게 만들어진다 하더라도 사슬의 길이는 다를 수밖에 없다. 분자량이 일정하지 않기 때문에 녹는점과 끓는점이 일정하지 않다. 둘째 액체 또는 고체로 존재한다. 셋째 열이나 전기 전도성이 없으며 화학적으로 안정하다.

그런데 최근 들어 일반적인 성질을 뛰어넘는 고분자 화합물이 개발되고 있다. 그 예로는 전도성 고분자, 압전성 고분자, 이온 교환 고분자, 고흡수성 고분자가 있다. 일반적인 고분자 화합물은 전기가 통하지 않는다. 그러나 전도성 고분자는 고분자의 본래 특성인 가볍고 가공이 쉬운 장점을 유지하면서도 전기가 통하는 고분자 화합물이다. 금속을 대체할 수 있는 고분자 화합물로서 휘어지고 가벼운 특성 때문에 화학이나 물리학 분야 뿐 아니라 산업적으로 광범위하게 응용되고 있다. 사진 필름에 쓰이는 정전기 방지 물질, 컴퓨터 스크린 보호기, 해가 비치면 어두워지는 스마트 창문 등에 응용되고 있다.

압전성 고분자는 압력이나 온도 변화에 의해 전기를 발생시키는 고분자다. 이온 교환 고분자는 이온 교환을 할 수 있는 이온을 지니고 있으며 물에는 녹지 않아 물의 정제, 사진 폐액으로부터의 은 회수 등에 이용되고 있다. 고흡수성 고분자는 물을 잘 흡수하는 고분자이다. 이중 주변에서 손쉽게 구할 수 있는 고흡수성 고분자에 대해 더 살펴보도록 하겠다.

기저귀는 어떻게 물을 흡수할까?

요즘 아기들이 사용하는 일회용 기저귀는 아기들이 소변을 본 뒤에도 보송보송한 상태로 유지된다. 이런 일회용 기저귀는 아기들의 피부가 짓무르지 않게 하고, 편리하기 때문에 천 기저귀보다 많이 사용되고 있다. 과연 일회용 기저귀가 이렇게 항상 보송보송할 수 있는 이유는 무엇일까?

비밀은 기저귀 속에 들어 있는 고흡수성 고분자(SAP: Super Absorbent Polymer)에 있다. 고흡수성 고분자는 자기 무게보다 수십에서 수백 배까지 물을 흡수하고, 재료 자체가 물을 흡수하는 것이기 때문에 탈지면이나 무명천 보다 흡수량이 많다. 초기에는 폴리에틸렌 산화물(PEO: Poly Ethylene Oxide)이나 폴리비닐 알콜(PVA: Poly Vinyl Alcohol)로 만들었으나 현재는 폴리아크릴 산(PAA : Poly Acrylic Acid)이 주로 쓰이고 있다.

<;그림 3>;의 분자 구조를 보면 고분자 사슬이 연결돼 망상 구조를 이루는데, 망상 구조 사이 사이에는 많은 공간이 있어 여기에 물이 흡수된다. 최근에는 흡수성을 높이기 위해 분자 안에 물과 친한 카르복시기(-COOH)를 포함하도록 만든 것이 더 각광받고 있다. 웬만한 압력에서는 흡수한 물을 방출하지 않기 때문에 일회용 기저귀에 많이 이용되고 있으며 이 외에도, 생리대, 방향제, 찜질용 팩에 이용되고 있다. 또한 예전에는 자연 분해되지 않고, 소각시 유독가스가 나올 수 있다는 단점이 있었으나 최근에는 이러한 점이 개선됐다. 전분과 아크릴로니트릴을 결합한 고흡수성 고분자는 천연재료와 합성재료를 혼합한 형태로서 자연 분해가 빠르므로 친환경적이다.

그렇다면 고흡수성 고분자는 왜 물을 흡수할까? 그 이유는 세 가지로 정리할 수 있다. 첫째 분자 내부에 물과 친한 카르복시기를 갖고 있기 때문이다. 카르복시기는 물과 수소 결합을 할 수 있기 때문에 물과 강한 친화력을 갖고 있어 고흡수성 고분자 내부로 물 분자를 끌어들일 수 있다. 둘째 고흡수성 고분자는 내부의 물질들 때문에 삼투압이 높다. 그래서 삼투압이 낮은 곳에서 삼투압이 높은 곳으로 물이 이동하는 삼투현상으로 인해 고흡수성 고분자 내로 물이 들어오게 된다. 셋째 고흡수성 고분자의 구조는 망상 구조이기 때문이다. 망상 구조와 물과의 부착력에 의한 모세관 현상에 의해 물을 흡수할 수 있다.

고흡수성 고분자의 마술

고흡수성 고분자의 물 흡수 원리를 이용하면 흡수된 물을 다시 빠져나오게 할 수도 있다. 물을 흡수한 고흡수성 고분자에 염화나트륨(NaCl)을 한 스푼 넣고 저어주면, 흡수한 물을 다시 방출하게 된다. 이는 염화나트륨에 의해 고분자 외부의 삼투압이 내부의 삼투압보다 커져 삼투압이 큰 쪽으로 물이 이동하기 때문에 나타나는 신기한 현상이다.





또한 고흡수성 고분자의 물의 흡수는 pH의 영향을 받는다. 산성, 중성, 염기성 조건에서 물의 흡수를 비교해 보면, 염기성에서 가장 잘 흡수하는 것을 알 수 있다. 이는 고흡수성 고분자 내부에 포함된 카르복시기 때문으로 여겨진다.최근에 고흡수성 고분자가 주목받고 있는 분야는 농업 및 원예 분야다. 물이 귀한 사막에 고흡수성 고분자를 첨가해 놓으면 물의 증발을 막을 수 있다는 것이다.

그래서 중동 국가에서는 이 분야에 연구개발비를 많이 투입해 ‘사막의 녹지화’ 계획을 추진하고 있다. 그러나 아직은 고흡수성 고분자의 값이 너무 비싸고 토양의 종류와 기후에 따라 흡수효과가 많이 달라진다는 문제점이 있다. <;그림 4>;는 문구점에서 ‘개구리 알’이라는 이름으로 판매되고 있는 장난감이다. 이 장난감에 물을 부어두고, 하루 정도 있으면 구슬만한 크기로 부풀어 있는 것을 관찰할 수 있다<;그림 5>;. 이 장난감 역시 고흡수성 고분자 물질이다. 기저귀의 고흡수성 고분자는 가루 형태였지만, 이 장난감은 구슬 형태다.

구슬형 고흡수성 고분자는 물을 잘 흡수하기 때문에 방향제에 많이 이용된다. 구슬형 고흡수성 고분자에 적당한 물과 아로마 오일을 흡수시키면 우리도 쉽게 방향제를 만들 수 있다. 또한 구슬형 고흡수성 고분자를 물에 넣어 부풀게 하면, 물에 의해 원래 크기보다 훨씬 더 커지기 때문에 물이 분자 내부의 대부분을 차지하게 된다. 그래서 <;그림 6>;과 같은 재미있는 현상이 나타난다. 물을 흡수한 고흡수성 고분자는 대부분이 물로 이뤄져 있기 때문에 굴절률이 물과 거의 동일해 눈에 보이지 않는 것이다. 고흡수성 고분자의 굴절률이 물과 거의 동일하다는 점을 이용하면 다음과 같이 재미있는 ‘구슬이 사라지는 캡슐’ 장난감도 만들 수 있다.

<;실험 따라하기 - 구슬이 사라지는 캡슐>;


<;준비물>; 구슬형 고흡수성 고분자 (개구리알), 투명캡슐, 파라필름(없을 경우 스카치테이프), 키친타올, 펀치, 코팅용지

① 코팅용지에 투명캡슐을 올려놓고 모양을 그린다.
② 그려놓은 모양대로 잘라낸 후, 펀치로 2~3개의 구멍을 뚫는다.
③ 캡슐이 닫히는 부분에 파라필름을 늘여 감아준다.
④ 투명캡슐에 불려놓은 구슬형 고흡수성 고분자를 넣고, 물을 붓는다
(이때 물은 구슬의 색과 같은 색의 물을 붓는다).
⑤ 캡슐에 2번 과정에서 준비한 코팅용지를 끼운다.
⑥ 뚜껑을 덮은 후, 키친타올로 닦아준다.
⑦ 물이 새지 않도록 파라필름과 테이프로 한번 더 마감한다.
⑧ 완성된 색색의 투명캡슐을 위 아래로 움직여보며 구슬이 어떻게 변화하는지 관찰한다.