고분자 물질의 합성 실험_플러버

 📚 일반화학
한때 유행했던 액체 괴물, 슬라임으로 알려진 플러버를 합성해보자.

 

  플러버(flubber)는 하늘을 나는(fly) 고무(rubber)라는 뜻을 가진 합성어로, 처음 이름이 지어진 때는 월트 디즈니사의 영화 The Absent-Minded Professor(1961) '일명 건망증 선생님' 에서였고,  우리나라에는 로빈 윌리암스 주연의 영화 Flubber(1997) '일명 플러버'에 등장하는 젤리 같은 물질 이름으로 더 많이 알려졌다.

뭐든지 가능한 만능물질이였다.

  영화 속에서 플러버는 하늘을 날 수 있고, 음악에 따라 춤을 추기도 한다. 주머니에 넣으면 플러버를 가진 사람도 하늘을 날 수 있는 신기한 물질이다.

  하지만, 실제로 실험에서 만드는 플러버는 모양만 비슷할 뿐 하늘을 날거나 음악에 따라 춤을 추지는 못한다. 하지만 작고 둥글게 뭉치면 탱탱볼처럼 잘 튕기기도 하고, 열을 가하면 쉽게 늘어나기도 해 어린이들에게 슬라임(액체 괴물)으로 많은 인기를 받았다.

한때 엄청난 인기를 끌었던 액체 괴물

  이 고분자 물질은폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)이 붕소에 의해 가교 결합(cross-linking)한 물질로써 고분자 사이에 붕산과 물의 혼합 양에 따라 온도에 따라 그 물성이 다양해지는 매우 재미있는 물질이다.

폴리비닐알코올(PVA) 구조식

보통 고분자는 긴 사슬구조일 때, 열에 의해 꼬임이 쉽게 풀어지고, 모양이 변하는 열가소성 수지 형태이다. 그러나 가교 결합을 하게 되면 고분자 사슬이 풀어지지 않고, 모양이 일정하게 유지되어 열에 의한 변형이 없는 열경화성 수지가 된다.

열가소성 수지와 열경화성 수지의 구조

  그림을 보면 열가소성 수지는 탄소 사슬이 서로 엉키어 있는 것 같지만, 가닥가닥 따로따로 놓여 있음을 볼 수 있다. 반면에 열경화성 수지는 탄소 사슬 사이에 새로운 결합이 길게 혹은 짧게 형성되어 탄소 사슬들이 서로 풀어지지 않고 엉키어 있는 구조를 유지하게 된다. 이처럼 탄소 사슬 구조들을 서로 열결 시키는 결합을 가교 결합(cross-linking)이라 부르고 열가소성 수지는 선형구조, 열경화성 수지는 네트워크 구조라고 부른다.

  폴리비닐 알코올(PVA)는 비닐기(-CH₂CHOH-)가 무수히 많이 연결된 사슬 구조의 고분자이다. PVA는 하이드록시기(-OH)를 가지고 있어 물과 잘 섞이고, 물에 잘녹는다. 이를 물에 녹여 팔고 있는 것이 문구점에서 흔히 보는 물풀(PVA풀)이다.

PVA와 붕산이온은 수소결합에 의해 가교결합을 한다.

물풀에 붕산(Boric acid, H₃BO₃)이나 붕사(Borax, Na₂B₄O₇·10H₂O)를 넣으면 물에 녹아 붕산 이온을 이루고, 이들 붕소 원자에 결합한 수산기가 폴리비닐 알코올의 수산기(-OH)와 강한 수소 결합을 이룬다. 이 수소 결합은 PVA와 물분자 사이의 수소결합보다 강하게 PVA를 엮어주는 가교결합을 한다.

물속에 자유롭게 풀어져 있던 PVA 사슬은 붕산으로 인해 서로 뭉치고, 마치 열경화성 수지와 비슷한 네트워크 구조를 이루면서 말랑말랑한 고무와 같은 물질이 된다.

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🧪 실험 준비물

 

종이컵, 약수저, PVA(또는 PVA풀), 붕사(또는 붕산), 식용 색소

 

🧪 실험 방법

 

1. 물 100 mL 에 붕사(또는 붕산)를 두세 스푼 정도 넣어 잘 녹인다.

2. PVA풀 약 40 g을 종이컵에 담는다.(PVA풀 이어야 한다.)

   - 만약 고체 PVA라면 적당량 물에 녹여 풀과 같은 상태로 만든다. 거품이 일지 않도록 주의한다.

     (따뜻한 물이면 더 빨리 녹는다.)

3. 풀을 젓가락으로 저으면서 만들어 놓은 붕사(또는 붕산) 용액을 조금씩 섞는다.

   - 붕사(또는 붕산)를 많이 넣으면 탱탱볼처럼 잘 튄다. 적게 넣으면 액체 괴물처럼 흐물거린다.

4. 젤리처럼 굳어지면 꺼내어 동그랗게 빚는다.

    - 플러버를 공처럼 만들 때 반죽을 오랫동안 주물러야 한다. 그래야 붕산 이온이 PVA 사슬 사이로 고르게 퍼져 결합을 이루기 때문에 부서지지 않고 잘 튄다.

5. 처음에는 물컹해 손에 엉겨 붙지만 계속 빚으면 동글동글하고, 말랑한 아주 좋은 느낌을 가질 수 있다.

6. 공 모양의 플러버를 바닥에 던져본다.

7. 뜨거운 물에 담그면 더 말랑해진다.

8. 붕사(또는 붕산)을 녹인 물에 식용 색소를 넣으면 예쁜 색상의 플러버를 만들 수 있다.

말랑말랑