합성고무

합성고무(synthetic rubber)는 인공 탄성체이다. 이는 석유 부산물에서 합성된 중합체이다. 미국에서는 연간 약 32백만 tonne (35백만 쇼트톤; 31백만 롱톤)의 고무가 생산되며, 그중 3분의 2가 합성고무이다. 합성고무는 천연고무와 마찬가지로 자동차 산업에서 타이어, 문 및 창문 프로파일, O링 및 개스킷과 같은 씰, 호스, 벨트, 매트, 바닥재 등에 다양하게 사용된다. 합성고무는 특정 제품이나 응용 분야의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 다양한 물리적 및 화학적 특성을 제공한다. 합성고무는 열 안정성, 오일 및 관련 화합물에 대한 저항성이라는 두 가지 주요 측면에서 천연고무보다 우수하다.^[1] 또한 타이어와 같은 제품의 수명을 단축시킬 수 있는 산소 및 오존과 같은 산화제에 더 강하다.

역사

존 보이드 던롭 ( 1915c.)

1890년대부터 자전거, 특히 공압 타이어의 사용이 확대되면서 고무에 대한 수요가 증가했다. 1909년 독일 엘버펠트의 바이엘 (기업) 연구소에서 근무하던 프리츠 호프만이 이끄는 팀이 아이소프렌을 중합하여 최초의 합성고무를 만드는 데 성공했다.^[2][3]

1930년 러시아의 세르게이 레베데프, 미국의 월리스 캐러더스, 독일의 헤르만 슈타우딩거가 각각 독립적으로 발표한 연구는 1931년 듀폰에서 엘머 카이저 볼턴의 지휘 아래 개발된 최초의 성공적인 합성고무 중 하나인 폴리클로로프렌으로 이어졌다. 폴리클로로프렌은 열과 기름, 휘발유와 같은 화학 물질에 대한 내성이 뛰어나 연료 호스와 기계의 절연 재료로 사용된다. 티오콜사는 1,2-다이클로로에테인을 기반으로 한 경쟁 고무 유형에 자사의 이름을 붙였다.^[4]

1935년, 독일 화학자들은 부나 고무로 알려진 일련의 합성고무 중 첫 번째를 합성했다. 이들은 공중합체였는데, 이는 중합체가 두 개의 단량체가 교대로 배열되어 구성된다는 의미이다. 다른 브랜드로는 왈도 세몬이 1935년에 개발한 코로실(Koroseal)과 소련 연구자들이 1940년에 개발한 소브프렌(Sovprene)이 있다.^[5]

제2차 세계 대전

BF굿리치 공장에서 압연기에서 나오는 합성고무 시트 (1941)

합성고무 타이어에 대한 제2차 세계 대전 포스터

제2차 세계 대전 중 미국의 합성고무 생산은 크게 확대되었다. 이는 일본이 동남아시아의 영국령 말라야 (현재 말레이시아)와 네덜란드령 동인도 (현재 인도네시아)와 같이 전 세계 천연고무 공급의 대부분을 차지하던 지역을 정복하면서 1942년 중반까지 추축국이 전 세계 천연고무의 제한된 공급량 거의 전부를 통제하게 되었기 때문이다.^[6]

포인트블랭크 작전의 나치 독일 폭격 목표에는 슈코파우 (연간 50,000톤) 공장과 레클링하우젠 근처의 휠스 합성고무 공장 (30,000톤, 17%),^[7] 그리고 라인강 동쪽 제방의 쾰른-도이츠에 위치한 쾰니셰 구미페덴 파브리크(Kölnische Gummifäden Fabrik) 타이어 및 튜브 공장이 포함되었다.^[8] 이탈리아 페라라의 합성고무 공장 (강 다리 근처)은 1944년 8월 23일에 폭격되었다.^[9] 다른 세 곳의 합성고무 시설은 루트비히스하펜/오파우 (15,000톤), 하노버/리머 (재활용, 20,000톤), 레버쿠젠 (5,000톤)에 있었다. 나치 점령하 폴란드 오시비엥침의 합성고무 공장은 1944년 3월 5일에 건설 중이었으며^[10] IG 파르벤이 운영했고, SS는 관련 수용소인 아우슈비츠 III (모노비츠)에서 노예 노동을 공급했다.^[11][12]

종류

가장 널리 사용되는 합성고무는 스타이렌과 1,3-뷰타다이엔의 공중합체로 만들어지는 스타이렌뷰타다이엔고무 (SBR)이다. 다른 합성고무는 다음과 같다:

• 폴리아이소프렌, 아이소프렌의 중합으로 제조
• 폴리클로로프렌, 2-클로로뷰타다이엔의 중합으로 제조
• 니트릴 고무, 시아노뷰타다이엔 또는 2-프로페나이트릴과 뷰타다이엔으로 제조

이들의 다양한 변형은 단량체 혼합물과 입체화학을 제어할 수 있는 다양한 촉매를 사용하여 제조할 수 있다.^[13]

폴리아이소뷰틸렌 또는 뷰틸고무는 공기 확산에 대한 저항성 때문에 타이어 튜브 또는 내부에 일반적으로 사용된다. 이는 에너지 손실과 열 축적을 최소화하기 위해 타이어 측벽에 자주 사용되는 시스-폴리뷰타다이엔보다 훨씬 덜 탄성이 있는 재료이다. 매우 탄성이 좋아서 슈퍼볼에 사용된다. 지붕 덮개와 같은 외부 시트에 널리 사용되는 탄성체는 하이팔론 또는 클로로설폰화된 폴리에틸렌이다. EPR과 같은 합성고무는 전기 절연에도 사용될 수 있다.

실리콘고무

 이 부분의 본문은 실리콘고무입니다.

실리콘고무는 실리콘 중합체로 구성된 합성 탄성체이기도 하다. 실리콘고무는 산업에서 널리 사용되며, 여러 가지 제형이 있다. 실리콘고무는 종종 1부 또는 2부 중합체이며, 특성을 개선하거나 비용을 줄이기 위해 충전제를 포함할 수 있다. 실리콘고무는 일반적으로 비반응성이고 안정적이며 극한 환경 및 온도에 강하다.

합성

합성고무는 석유 기반 단량체를 중합하여 생산된다. 이는 제조 공정에서 분자량과 합성고무 분자의 특성 (천연고무와 달리)을 제어할 수 있도록 보장한다. 합성은 주로 단계 성장 중합 및 사슬 성장 중합을 통해 이루어진다.^[14]

단계 성장 중합에서 단량체 또는 올리고머는 축합 (작은 부산물 방출) 또는 중부가 (부산물 없음)와 같은 반응을 통해 결합하여 중합체를 형성한다.

사슬 성장 중합에서 중합체 사슬은 라디칼, 이온 또는 배위 촉매에 의해 개시되어 반응성 부위에 단량체를 추가하여 성장한다. 이 방법에는 개시, 전파 및 종결 단계가 포함된다.

천연고무 대 합성고무

천연고무의 주성분인 시스-폴리아이소프렌의 화학 구조. 합성 시스-폴리아이소프렌과 천연 시스-폴리아이소프렌은 다른 전구체로부터 다른 화학적 경로를 통해 유도된다.

파라고무나무의 라텍스에서 나오는 천연고무는 주로 폴리시스-아이소프렌이다.

합성고무는 다른 대부분의 중합체와 마찬가지로 다양한 석유 기반 단량체로 만들어진다.

일부 합성고무는 천연고무보다 오존 균열에 덜 민감하다. 천연고무는 사슬 구조에 이중 결합이 있어 민감하지만, 일부 합성고무는 이러한 결합이 없어 오존 균열에 더 강하다. 예를 들어 바이톤 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 (EPDM), 뷰틸고무 등이 있다.

새로운 종류의 합성고무는 열가소성 탄성중합체인데, 이는 기존의 가황된 천연고무와 달리 쉽게 성형할 수 있다. 이들의 구조는 폴리우레탄의 경우 결정체에 의한 가교에 의해, SBS 블록 공중합체의 경우 비정질 영역에 의해 안정화된다.