고분자 소재에 대해 이야기할 때 "이 소재는 강성이 뛰어나다" 또는 "저 소재는 인성이 뛰어나다"와 같은 말을 자주 듣습니다. 강성이 높은 소재는 일반적으로 더 높은 경도와 압축 및 변형 저항성을 보입니다. 반면, 강성이 높은 소재는 유연한 리본과 유사하여 뛰어난 복원력으로 늘어나거나 구부러져도 견딜 수 있습니다.

하지만 궁금해해 본 적이 있나요? 어떤 성능 지표가 재료의 강성이나 유연성을 진정으로 정의할까요? 그리고 폴리머의 강성이나 연성을 결정하는 근본적인 요소는 무엇일까요? 이 글에서는 이러한 질문들을 살펴보고 폴리머 재료의 기계적 특성에 숨겨진 과학적 원리를 밝혀보겠습니다.

성과 지표를 통한 경직성과 유연성 이해

고분자 재료의 다양한 기계적 특성 중에서 강성이나 유연성을 반영하는 지표는 다양합니다.

경직성의 지표:
굽힘 탄성률 그리고 경도 강성을 나타내는 주요 지표로 여겨집니다. 굽힘 탄성률은 재료의 굽힘 변형 저항성을 측정합니다. 값이 높을수록 재료는 "단단"하여 굽힘에 덜 취약합니다. 반면, 경도는 재료가 국부적인 표면 압력에 저항하는 능력을 직접적으로 나타냅니다. 경도가 높은 재료는 형태를 더 잘 유지하고 외부 힘에 의한 압축 변형에 더 잘 견딥니다.

인장강도 그리고 압축 강도 재료의 강성을 어느 정도 나타내는 데에도 도움이 됩니다. 인장 강도는 재료가 인장력 하에서 파괴되기 전에 견딜 수 있는 최대 응력입니다. 인장 강도가 높다는 것은 재료가 파괴되지 않고 더 큰 인장력을 견딜 수 있음을 의미하며, 이는 강한 강성을 나타냅니다. 마찬가지로, 압축 강도는 재료가 압축에 저항하는 능력을 나타내며, 값이 높을수록 강성이 더 강함을 나타냅니다.

유연성 지표:
파단 시 신장 그리고 충격 강도 재료의 유연성을 평가하는 주요 지표입니다.

파단 신율은 재료가 인장력을 받아 파단될 때 원래 길이에 대한 늘어난 길이의 비율을 나타냅니다. 이 값이 높을수록 재료가 파단되기 전까지 더 많이 늘어날 수 있으며, 이는 연성과 유연성이 더 우수함을 나타냅니다.

충격 강도는 재료가 갑작스러운 충격 에너지를 흡수하는 능력을 측정합니다. 충격 강도가 높은 재료는 외부 힘에 노출되었을 때 파단될 가능성이 낮아, 뛰어난 인성과 유연성을 나타냅니다.

예: PP + 40% 긴 유리 섬유

강성과 유연성을 이해하다 내재적 요인

2. 국소 자유도
고분자 사슬을 따라 분포하는 국소 구조와 작용기 또한 재료의 강성과 유연성에 영향을 미칩니다. 곁가지의 크기, 극성, 그리고 양이 중요한 역할을 합니다. 측면 그룹이 클수록 폴리머 사슬의 움직임이 방해를 받아 유연성이 감소하고 강성이 증가합니다. 예를 들어, 긴 알킬 측쇄를 가진 바이오 기반 폴리머는 측쇄가 길어짐에 따라 강성이 증가합니다. 극성 측쇄는 강력한 분자간 상호작용을 생성하여 사슬 이동성을 더욱 제한하고 강성을 향상시킵니다. 하이드록실기나 카르복실기와 같은 극성기를 포함하는 바이오 기반 셀룰로스 유도체는 이러한 극성기의 수와 분포를 조절하여 강성과 유연성을 조절할 수 있습니다.

3. 분자간 힘
분자간 힘의 강도는 폴리머의 강성에 직접적인 영향을 미칩니다. 수소 결합이나 반데르발스 힘과 같은 강력한 상호 작용은 폴리머 사슬 사이의 결합을 증가시켜 사슬이 서로 상대적으로 미끄러지거나 움직이는 것을 어렵게 만들고, 결과적으로 재료의 강성을 높입니다. 예를 들어, 키토산은 분자 간에 풍부한 수소 결합을 나타내어 높은 강성과 강도를 가지므로 상처 드레싱과 같은 생체 의학 분야에 널리 사용됩니다. 반대로, 분자 간 힘이 약하면 사슬의 이동성이 향상되어 더욱 유연한 소재를 만들 수 있습니다.

4. 분자 사슬 길이
분자 사슬 길이는 강성과 유연성에 있어 양날의 검과 같습니다. 일반적으로, 사슬이 길어지면 분자 사이의 얽힘이 심해지고, 사슬의 움직임이 제한되며 강성이 증가합니다. 하지만, 더 긴 사슬은 또한 더 많은 형태적 자유도를 제공하여 유연성을 부여할 수 있는 추가적인 이동 모드를 제공합니다. 생물 기반 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)의 경우, 중합도(사슬 길이)를 높이면 다양한 응용 분야에 적합한 유연성을 유지하면서도 인장 강도와 경도가 향상됩니다.

5. 가교
가교란 고분자 사슬을 3차원 네트워크로 연결하는 화학 결합을 말합니다. 약가교된 재료의 경우, 사슬은 가교 지점 사이에서 어느 정도 이동성을 유지하여 유연성을 유지하면서도 네트워크 구조로 인해 강성과 강도를 증가시킵니다. 예를 들어, 약가교된 알긴산나트륨 하이드로젤은 피부와 잘 맞도록 우수한 유연성과 상처 치료에 충분한 강도를 제공합니다. 반면, 고도로 가교된 재료는 사슬의 움직임을 심각하게 제한하여 재료를 단단하고 부서지기 쉽게 만들고, 유연성은 크게 감소시키면서 훨씬 더 단단하게 만듭니다.

6. 외부 요인
온도는 고분자의 강성과 유연성에 상당한 영향을 미칩니다. 온도가 상승하면 분자의 열 운동이 증가하여 사슬의 이동성이 향상되어 유연성이 증가하고 강성은 감소합니다. 온도가 낮으면 반대의 효과가 나타납니다. 습도는 일부 친수성 바이오 기반 고분자에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 셀룰로스 기반 소재는 습도가 높은 환경에서 수분을 흡수하여 분자간 힘을 약화시키고 소재를 연화시키며 강성을 감소시킵니다.