폴리우레탄의 변신! 우레탄 셰이크 만들기

지구 상에 존재하는 물질은 주변 환경에 영향을 받고, 이를 통해 변화가 일어나기도 한다. 이러한 물질의 변화에는 물리적인 영향으로 인한 ‘물리적 변화’와 화학적인 영향으로 인한 ‘화학적 변화’가 있다.

물리적 변화는 물질이 원자나 분자 조성의 변화 없이 고유의 성질을 유지하면서 그 상태만 변화하는 현상을 말한다. 물체의 운동, 증발, 응고 현상 등이 있다. 반면 화학적 변화는 물질이 그 자신 또는 다른 물질과 상호작용을 일으켜 본래의 성질과는 전혀 다른 새로운 물질로 변하는 현상을 말한다. 산성 용액과 염기성 용액이 반응해 물과 염이라는 새로운 물질을 만들어내는 중화 반응이나 물질이 빛과 열을 내면서 타는 연소 등이 그 예이다.

물질의 화학적 변화를 이용하면 재미있는 모형을 만들 수 있다. 폴리우레탄 용액으로 셰이크 모형을 만들어 보자.

[교과과정]
초등 5-1 용해와 용액
중 1 물질의 세 가지 상태
중 2 우리 주위의 화합물

[학습주제]
물리 변화와 화학 변화의 차이 알기
분해와 화합 이해하기
고분자화합물 개념 알기

<실험 방법 및 원리>

<실험 주의 사항>
* 폴리우레탄 P용액과 M용액은 온라인 과학사에서 구입할 수 있습니다.
* 폴리우레탄 P용액과 M용액을 1:1 비율로 넣을 때 실험이 가장 잘 됩니다.
* 스포이트 사용 시 P용액과 M용액에 각각 다른 스포이트를 이용하세요.
* 두 용액이 반응하는 동안 컵을 들고 장난치지 마세요.
* 반응이 일어나면 표면이 완전히 굳을 때까지 만지지 마세요.
* 실험에 사용한 용액을 절대 마시거나 입에 대지 마세요.

■ 폴리우레탄이 부풀어 오르는 원리
실험에 사용된 폴리우레탄은 열경화성 플라스틱의 하나로, 일종의 고분자 화합물이다. 고분자 화합물은 분자량이 대략 1만 이상인 화합물을 말하며 고중합체(高重合體)라고도 한다. 고분자 화합물은 우리 주변에서 흔히 접할 수 있다. 녹말, 섬유소, 단백질, 고무 등 천연으로 존재하는 이런 물질들도 일종의 고분자 화합물이다. 이외에도 합성 고무, 나일론 · 테트론 등의 합성 섬유, 베이클라이트 · 폴리염화비닐(PVC) · 폴리에틸렌 · 스티로폼 등의 합성수지를 포함하는 인공물질도 대표적인 고분자 화합물이다.

실험에서 폴리우레탄폼 P용액과 폴리우레탄폼 M용액을 섞고 잠시 기다리면 컵 속의 용액이 점점 부풀어 올라 컵 밖으로 넘치는 것을 볼 수 있다. 이는 두 용액이 섞이면서 이산화탄소가 발생하기 때문으로 거품과 함께 원래 부피의 20~100배까지 커진다. 용액이 컵 밖으로 넘쳐흐르지 않을까 걱정할 필요는 없다. 점성이 있는 용액은 흘러내리기 전에 굳기 시작해 반응이 끝난 뒤 단단해진다.

단단해지기 전에 장식물을 끼워야 하기 때문에 두 용액을 섞은 뒤 거품이 컵의 절반가량 부풀어 올랐을 때 빨대를 끼운다. 너무 늦게 끼울 경우 용액이 딱딱하게 굳어서 들어가지 않을 수 있으니 주의해야 한다. 색깔이 있는 모형을 만들고 싶다면 두 용액을 섞은 뒤 색소를 몇 방울 넣고 저어주면 된다.

반응이 일어나는 동안 컵 주변에 손을 가져가 보면(반응 중인 용액에는 절대 손을 대지 말 것!) 따뜻함을 느낄 수 있다. 이는 두 용액의 반응이 열을 발생하는 발열 반응이기 때문이다.

■ 우레탄폼이 쓰이는 다양한 예
반응이 완전히 끝난 뒤 표면을 살짝 만져보면 딱딱한 것을 알 수 있다. 이는 폴리우레탄 폼 중에서도 단단하고 굳은 성질을 갖는 경질 폴리우레탄 폼으로 단열성, 경량성, 완충성이 뛰어나 단열재나 방음재로 사용된다.

경질 폴리우레탄 폼은 열전도율이 매우 낮아 현재 단열재의 80% 이상을 차지하고 있는 재료다. 섭씨 150도의 고온영역에서부터 인공위성 발사 로켓의 연료 탱크(섭씨 영하 230도)의 극저온 영역까지 광범위하게 쓰이는 유일한 단열재이기도 하다.

반면 폴리우레탄 폼 중 말랑말랑한 성질을 가진 연질 폴리우레탄 폼은 쿠션성과 통기성이 뛰어나 운송, 가구 등의 포장재, 자동차 내부(쿠션, 바닥의 매트 등), 의류, 신발 등에 주로 사용된다.

폴리우레탄 폼은 이런 특징 때문에 생활 속 다양한 분야에서 사용되고 있다. 액체 상태의 용액을 뿌리면 시간이 지나면서 부풀어 오르기 때문에 좁은 틈새를 채울 때 유용하게 사용된다. 또한 반응이 일어나면서 생성되는 거품(기포)은 열의 이동과 소음을 막고 충격 흡수에 효과적이어서 건축 재료로 많이 이용되고 있다.