고흡수성 수지의 구조(2013, 고3, 7월AB)

(이미지 출처: 심프팀 [SIMP TEAM] 유튜브)

일반적으로 물질이 물을 흡수하는 원리는 모세관 현상과 연관이 있다. 이는 물이, 가는 관을 따라 올라오는 현상으로 작은 구멍들이 많으면 많을수록 물을 잘 흡수할 수 있다. 펄프나 면은 작은 구멍이 많은 섬유질로 되어 있어 흡수력이 뛰어나지만 일정량 이상이 되면 물을 더 이상 흡수할 수도 없고 외부의 압력에 의해 물이 새기도 한다. 평소에 물을 바닥에 ⓐ엎지르면 화장지로 닦아 내지만 닦아야 할 물의 양이 많아지면 화장지로도 부족한 것은 이것 때문이다. 이러한 점을 개선하기 위해 만들어진 것이 ‘고흡수성(高吸水性) 수지’이다.

㉠고흡수성 수지는 3차원 망상 구조, 즉 그물과 같은 물리적 형태를 갖추고 있다. 그물에 의해 형성된 구멍의 크기를 천연 펄프보다는 미세하게 만들 수 있어 자기 무게보다 수십 배의 양을 저장하는 천연 펄프나 천과는 달리 수천 배의 물을 저장할 수 있는 것이다. 또한 구멍의 크기도 조절할 수 있기 때문에 최적의 흡수 속도와 흡수력을 얻을 수 있는 것이다.

[고흡수성 수지의 구조]

위 그림과 같은 망상 구조는 고분자 중합*이라는 화학반응을 이용해 만든다. 먼저 분자들을 연결하여 긴 분자사슬을 만들고, 이 분자사슬의 중간 중간에 다리 역할을 하는 분자사슬을 연결해 주면 그물 모양의 구조가 형성되는 것이다. 그물을 단단하게 설계한다면 어느 정도 압력이 있어도 물을 보유할 수 있다. 그런데 ㉡망상 구조만으로는 고흡수성 수지의 조건을 모두 만족시킬 수 없다. 물질은 크게 물과 친한 성질인 친수성과 물을 멀리하는 성질인 소수성으로 나눌 수 있는데, 망상 구조를 만드는 데 사용되는 분자들은 친수성 작용기를 가진 것들을 사용해야 한다. 주로 히드록시기(-OH)나 카르복시기 (-COOH)와 같이 이온화가 쉽거나 물과의 수소결합이 가능한 작용기를 갖춘 분자들을 중합하는 방법으로 망상 구조를 만든다. 그리고 친수성인 작용기들은 그물 결합 내에서 서로 전기적 반발력이 있는데, 이로 인해 결합 내의 공간이 확대되어 많은 양의 물을 흡수하게 된다. 이런 과정으로 고흡수성 수지는 자기 무게의 1,000배 이상을 흡수한다. 여기에 이온화 경향이 더 높은 작용기를 사용할 경우 물뿐만 아니라 염도가 있는 액 체에도 우수한 흡수력을 나타내게 된다.

* 중합: 단위체가 두 개 이상 결합하여 큰 분자량의 화합물로 되는 일. ≒ 중합 반응.