우레탄

우레탄(Urethane)은 카밤산에스터와 카밤산에틸의 총칭이다. 폴리우레탄(polyurethane)이라고 하기도 한다. 열경화성 수지는 아니나 유사한 3차원 구조를 가진 플라스틱이다. 질기고 화학약품에 잘 견디는 특성을 가지고 있다. 전기절연체, 구조재, 기포단열재, 기포쿠션, 탄성섬유 등에 사용되며, 신축성이 좋아서 고무의 대체물질로도 사용된다.

개요

우레탄은 신축성이 좋은 합성섬유로 수분과 산염기에 강하고 방수성이 뛰어나다. 고무보다 내구성이 좋고 잘 늘어나면서도 가벼운 소재로, 의류나 양말, 플라스틱 바퀴, 손잡이 등 여러 분야에서 사용된다. 우레탄은 발포 폴리우레탄과 무발포 폴리우레탄이 있다. 전자는 우레탄폼이라고도 하며 초연질(超軟質)·연질·반경질(半硬質)·경질 등의 여러 가지 굳기를 가진다. 자동차 내장재에서 침구 매트리스에 이르기까지 다양한 용도로 쓰인다. 무발포 우레탄은 스판덱스, 합성피혁에서 코팅 및 실란트, 몰드 성형용으로 사용된다. 우레탄은 간호학에서도 사용된다. 간호학에서 우레탄은 카르바민산 H2NCOOH의 에스테르(H2NCOOR)이다. R가 C2H5인 경우 카르바밀산 에틸에스테르라 하고 이것이 대표적인 우레탄이므로 이것을 단순히 우레탄이라고도 한다. 무색의 결정, 감미로운 향기, 물, 알코올에 잘 녹는다. 최면약으로서 사용된 적도 있었는데 현재는 동물 실험의 마취에 사용된다. 식물 성장을 억제하는 것보다 동물의 항암 물질로 백혈구치료약으로서 이용되는 수도 있다.

역사

독일 레버쿠젠에 있는 IG 파르벤(IG Farben)의 오토 베이어(Otto Bayer)와 그의 동료들은 1937년에 처음으로 우레탄을 만들었다. 새로운 중합체는 올레핀을 중합하거나 다응축에 의해 만들어진 기존 플라스틱에 비해 몇 가지 장점이 있었고, 월리스 캐러스(Wallace Carothers)가 폴리에스터에 대해 얻은 특허로는 커버되지 않았다. 섬유와 유연한 발포 고무와 우레탄의 생산에 초점을 맞춘 초기 작업은 제2차 세계 대전 동안 항공기 코팅으로 제한된 규모로 적용되었다. 폴리이소시아네이트는 1952년 상용화되었고, 1954년 톨루엔 다이이소시아네이트(TDI)와 폴리에스테르 폴리에솔을 결합하여 플렉시블 폴리우레탄 폼을 생산하기 시작했다. 이 재료들은 견고한 발포 고무, 고무 고무, 엘라스토머를 생산하는데도 사용되었다. 선형 섬유는 헥사메틸렌 다이소시아네이트(HDI)와 1,4-부탄디올(BDO)로부터 생성되었다. 1956년 듀폰(DuPont)은 폴리에테르 폴리에탄올, 특히 폴리(테트라메틸렌에테르) 글리콜을 선보였고, 바스프(BASF)와 다우케미칼(Dow Chemical)은 1957년부터 폴리에틸렌글리콜을 판매하기 시작했다. 폴리에테르 폴리올은 폴리에스테르 폴리올에 비해 가격이 저렴하고 취급하기 쉬우며 내수에 강하여 더욱 인기를 끌었다. 미국의 몬산토/베이어(Monsanto/Bayer) 합작회사인 유니온 카바이드(Union Carbide)와 모베이(Mobay)도 폴리우레탄 화학제품을 만들기 시작했다. 1960년에 45,000 미터톤 이상의 유연한 폴리우레탄 발포 고무가 생산되었다. 클로로플루오로알케인 분무제, 저렴한 폴리에테르 폴리에톨, 메틸렌디페닐다이소시아네이트(MDI) 등이 사용 가능해 폴리우레탄 견고한 발포포를 고성능 단열재로 사용할 수 있었다. 1967년 우레탄으로 변형된 폴리이소시아노르산 견고한 발포 고무가 도입되어 내열성과 내화성을 더욱 향상시켰다. 1960년대 동안 계기판과 도어 패널과 같은 자동차 내부 안전 부품은 반강성 폼으로 열가소성 수지를 백필링하여 생산되었다.

1969년 베이어는 독일 뒤셀도르프에서 올 플라스틱 자동차를 선보였다. 페시아와 차체 패널과 같은 이 자동차의 부품들은 반응물을 혼합한 다음 금형에 주입하는 RIM(Reaction Injection Molding)이라는 새로운 공정을 사용하여 제조되었다. 밀링 글라스, 마이크로, 가공 광물 섬유 등의 필러가 추가되면서 RIM(강화 RIM)이 강화되어 휨 계수(강성)가 개선되고 열팽창 계수가 감소하며 열 안정성이 향상되었다. 이 기술은 1983년 미국 최초의 플라스틱 차체 자동차 폰티악 피에로(Pontiac Fiero)를 만드는 데 사용되었다. 강성은 사전 배치된 유리 매트를 RIM 몰드 캐비티에 통합함으로써 얻어졌으며, 이는 레진 사출 성형 또는 구조적 RIM이라고도 널리 알려져 있다. 1980년대 초부터, PVC 폴리머를 대체하여 자동차 패널과 공기 필터 씰을 위한 개스킷을 성형하는 데 수증식 미세 셀 플렉시블 폼이 사용되었다. 폴리우레탄 폼은 자동차 분야에서 인기를 얻었으며, 현재는 고온 오일 필터 분야에 사용되고 있다. 폴리우레탄 폼(폼 고무 포함)은 때때로 적은 양의 송풍제를 사용하여 보다 낮은 밀도의 폼, 더 나은 쿠션/에너지 흡수 또는 단열 효과를 제공한다. 1990년대 초, 오존 파괴에 미치는 영향 때문에 몬트리올 의정서는 트리클로로플루오로메탄(CFC-11)과 같은 많은 염소 함유 송풍제의 사용을 제한했다. 1990년대 후반까지 이산화탄소, 펜탄, 1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a), 1,1,3,3-펜타플루오로프로판(HFC-245fa)과 같은 송풍제가 북미와 유럽 여러 개발도상국에서 널리 사용되었다. 이후 HFC-134a도 오존파괴지수(ODP)와 지구온난화지수(GWP) 수치가 높아 사용이 금지되었고, 개발도상국에서는 HFC - 141B가 대체 송풍제로 2000년대 초에 도입되었다. 1,1-디클로로-1-플루오로에탄(HCFC-141b)은 2000년대 초 개발도상국에서 대체 송풍제로 도입되었다.

화학적 특성

에폭시, 폴리에스터, 페놀 등은 폴리우레탄이라 불리는 화합물들이다. 폴리우레탄은 폴리올과 이소사인염 결합체들(R−(N=C=O)n ≥ 2)간의 반응으로 수산화기 촉매(R '- (OH) N≥2)나 자외선 활성화에 의한 조건 하에서 생성된다. 폴리우레탄은 반응물인 이소사인염과 폴리올의 종류에 따라 특성이 좌우되는데, 폴리올에 함유된 긴 결합들은 부드러운 탄성 중합체가 될 수 있게 도와주고, 엄청난 양의 결합은 경질 중합체가 될 수 있게 도와준다. 두 결합의 중간정도 길이를 유지하게 되면 매우 신축성 있으면서도 적당한 단단함을 유지할 수 있다. 폴리우레탄의 3차원 결합은 이 중합체의 분자량이 엄청나다는 것을 의미하는데. 어떤 점에서 폴리우레탄 단위체는 하나의 거대한 분자로 간주될 수도 있다. 예를 들어, 폴리우레탄이 연소될 때 이 단위체들은 용융되지 않고 경화되어 성질이 바뀐다. 이것은 다른 첨가제를 단위체에 반응시켰을 때 새로운 성질의 중합체를 만들 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 폴리우레탄의 구성물질인 이소사인화염은 매우 반응성이 좋은 재료이다. 이것은 중합체의 제조에 있어서 좀더 가용성 있는 재료가 되기도 하지만 보관 및 사용에 주의해야한다. 방향족 이소사인화염과 MDI, TDI와 같이 정확히 두 이소사인화염을 갖는 경우 관능성이 HDI와 IPDI와 같은 지방족 이소사인화염보다 더 반응성이 뛰어나다. 예외적으로 고분자 다이페닐메탄다이이소사인화염과 같이 여러개의 이소사인화기를 갖는 중합체들이다. 이 분자들은 2.7 이상의 관능성을 지니고 있다. 폴리올은 그 자체적으로 중합체이며, 분자 당 평균 2개 이상의 수산화기를 가지고 있다. 폴리에테르폴리올은 주로 폴리올 전구체와 에틸렌옥사이드. 프로필렌 옥사이드와의 중합을 통해 제작된다. 폴리에스테르폴리올은 폴리에스테르 중합체와 마찬가지로 생성된다. 이 중합체들은 관능성이 뛰어나기 때문에 종종 이용된다. 수산화기를 포함한 분자들의 혼합물이기 때문에. 폴리우레탄을 제조하는 폴리올은 순수한 화합물이라고 볼 수 없다. 폴리올은 유연한 폴리우레탄을 제조하는 데에는 1만 이상의 분자량을 지닌 것을 사용하지만, 경질 우레탄을 제조하는데에는 수백의 분자량으로 제조해야 한다.

참고자료

• 〈Polyurethane〉, 《Wikipedia》
• 〈폴리우레탄〉, 《위키백과》
• 〈우레탄〉, 《네이버 지식백과》
• 〈우레탄〉, 《네이버 지식백과》
• 〈우레탄〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 플라스틱
• 고무

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