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폴리우레탄이란?

폴리우레탄은 주 사슬이 우레탄결합을 반복적으로 갖는 고분자를 통칭하는 것으로
폴리에스테르 또는 폴리아미드와 같은 방법을 명됨을 알 수 있다.

이와 같이 관능기 베이스로 명명되는 경우에는 폴리에틸렌이나 폴리스타렌처럼 소스(source) 베이스로 명명되는 경우에 비해 훨씬 다양한 구조의 고분자가 얻어진다. 특히, 폴리우레탄은 기존의 어떠한 고분자보다도 원료 구성이 다양하고 용이하므로 엘라스토머에서 엔지니어링 플라스틱에 이르는 폭넓은 분자설계가 가능하다. (그림1)

(그림1)

폴리우레탄 물성의 한 쪽 극단은 분자량이 크고 무정형이며 분지가 없는 폴리올과 디이소시아네이트의 반응으로 얻어지는 엘라스노머이다. 이런 조성의 폴리우레탄은 100% 연질세그먼트에 준하고 우레탄 결합의 함량이 4~7% 정도에 불과하므로 분자간 인력도 거의 반 데르 발스력 수준이다.

연신 후의 복원은 단지 사슬의 꼬임(entanglement)에 의해서만 일어난다. 꼬임을 사슬이 유연할수록 쉽게 일어나며 폴리에틸렌의 경우에는 주 사슬 탄소원자 100개 정도에서 일어난다. PEG나 PTMG는 에테르 결합의 유연성으로 폴리에틸렌보다 작은 분자량에서 꼬임이 일어난다.

폴리우레탄 물성의 다른 쪽 극단은 이를테면 1,6-HDI와 1,4-BG의 반응에서 얻어지는 100% 경질세크먼트의 고결정성 폴리우레탄에서 찾아볼 수 있다. 이 구조의 폴리우레탄은 –NH-와 –CO-기 간의 수소결합 밀도가 높아 고강도, 고경도, 저용해도의 열가소성 수지가 된다.

이와 같이 두 극단의 이성분계 폴리우레탄은 단일상이 된다. 그러나 폴리올, 디이소시아네이트 및 쇄연장제로부터 합성되는 폴리우레탄은 세그먼트형 블록공중합체가 되며 이들의 고차구조는 구성 요소의 화학적 조성 및 세그먼트의 길이 등에 의존한다. 아울러 폴리우레탄의 다양하고 독특한 물성은 바로 이 고차구조에서 비롯된다.

연질세그먼트는 폴라올이 주성분이며 경질세그먼트는 디이소시아네이트와 쇄연장제의 반응으로 생성되는 우레탄 결합(또는 우레아 결합)과 이들 성분의 미반응 부분으로 이루어져 있다. 경질세그먼트는 극성이 강한 우레탄결합(또는 우레아 결합)의 밀도가 높아 인접 사슬 간에 강한 수소결합과 쌍극자-쌍극자 작용으로 응집구조를 형성하고 있다. 따라서 소수성의 연질세그먼트와는 상분디된 구조를 형성하며 경질상은 도메인을, 연질상은 매트릭스가 된다.

연질상은 유리전이온도(Tg)가 낮아 실온에서 고무상으로 존재하며, 분자량이 수백에서 수천에 이르므로 사슬이 마구잡이로 엉켜있어(coiled) 높은 연신을 가능케 한다. 한편, 경질상은 실온에서 딱딱한 유리상으로 연질상을 보강하며 도메인 하나하나가 다 관능성 가교체로 작용하며 강도, 경도 및 고온 물성을 좌우하지만 저온 물성에는 거의 영향을 미치지 못한다.

이와 같이 폴리우레탄은 연질상과 경질상의 종류, 함량, 불록 길이, 상분리 정도와 경질상의 고차 구조에 따라 다양한 물성을 갖는 소재로의 분자설계가 가능하다. 여기에 폭넓은 원료구성이 결부되어 폴리우레탄은 연간 소모량이 1000만 톤에 이르는 중요한 공업재료로 성장하였으며, 기능성, 특이성 고분자로서의 응용도 활발하게 전개되고 있다.