본문내용
1. 서론
1.1. 경북대 기계재료의 이해
경북대학교 기계재료 프로젝트의 일환으로 지우개에 대해 조사하였다. 일반적인 지우개에는 천연고무와 합성고무가 주요 구성 재료이며, 이들은 폴리이소프렌으로 이루어져 있다. 또한 지우개에는 색상을 위해 각종 염료가 첨가되며, 내구성 향상을 위해 황이나 다른 첨가제들이 포함된다. 지우개는 주로 연필, 잉크, 타자기 등 다양한 용도로 사용되며, 그에 따라 성질이 다양하게 나타난다. 이러한 지우개의 역사와 구성, 고무의 특성 등을 파악하여 기계재료에 대한 이해도를 높이고자 하였다. 고무는 자연고무와 합성고무로 구분되는데, 자연고무는 고무나무에서 생산되는 라텍스로부터 얻을 수 있고, 합성고무는 석유화학 제품인 스티렌과 부타디엔으로부터 제조된다. 고무지우개의 구성 재료인 황은 고무에 가황 과정을 거쳐 내구성과 내열성을 향상시키는 역할을 한다. 이외에도 다양한 첨가제들이 색상, 부드러움, 연마성 등 지우개의 특성을 결정하는 데 사용된다. 따라서 지우개의 재료 구성과 제조 과정, 고무의 구조와 성질 등을 이해하는 것은 경북대 기계재료 프로젝트에서 매우 중요한 부분이라고 할 수 있다.
1.2. 고무지우개의 역사와 구성
고무(rubber)는 1772년 영국의 화학자 J. 프리스틀리에 의해 연필 소자성(消字性)이 뛰어나다는 것이 발견되었고, 이후 영국과 프랑스에서 사용되기 시작하였다. 고무지우개에는 생고무를 주원료로 하여 만드는 고무지우개와 식물유와 염화황을 주원료로 하여 만드는 유성(油性)고무지우개 두 종류가 있다. 고무지우개는 연필용, 잉크용, 타이프라이터용, 잉크·연필용 양성고무로 나누어지며, 특히 유성 고무지우개는 이 밖에 클리너용 등의 특수용도로도 사용된다. 지우개에 있어 가장 중요한 원재료는 고무로, 자연고무와 천연고무로 이루어져 있다. 자연고무는 고무나무에서 생산되는 라텍스로부터 얻을 수 있고, 합성고무의 경우 스티렌과 부타디엔으로부터 얻을 수 있다. 지우개의 색을 내기 위해 다양한 자연 염색제가 사용되며, 흰색의 경우 징크 옥사이드와 티타늄 옥사이드를 이용한다. 또한 고무에 첨가되는 가장 중요한 재료는 황으로, 이를 통해 고무의 내구성과 내열성을 높인다. 이 밖에도 다양한 재료들이 고무지우개 제조에 사용되는데, 고무를 더 부드럽게 하거나 좋은 모양을 위해 식물성 기름을 추가하기도 하며, 연마제 역할을 하는 부석(pumice)도 포함된다. 천연고무 지우개의 경우 주요 구성 요소는 고무, factis(고무 혼합물 연화제), 황, 석영 분말, 충전제 등이다. 합성고무 지우개의 경우 연질의 비닐 소재로 이루어져 있으며, 부드러움과 흡착성을 제공하는 연화제가 함께 사용된다. 이와 같이 고무지우개는 천연 및 합성 고무, 각종 첨가제와 충전재 등이 복합적으로 결합되어 제조되고 있다.
1.3. 고무의 다양한 용도와 특성
고무는 오래전부터 인류에게 다양한 방식으로 이용되어 왔다. 고무의 대표적인 용도로는 타이어, 신발, 장갑, 골프공, 세척용품 등이 있으며, 고무의 특성을 활용하여 제품의 기능을 향상시키고 있다. 고무는 화학적 안정성이 높아 내화학성이 뛰어나다. 또한 탄성이 좋아 충격을 흡수하는 특성이 있으며, 내마모성과 내열성이 우수하다. 이러한 고무의 특성은 고무제품의 내구성과 안전성을 높이는데 활용된다. 특히 고무의 탄성은 타이어와 신발 등의 제품에서 중요한 역할을 하며, 고무의 내열성은 전선 및 배관 시설 등에 활용된다. 고무는 다양한 제품에 널리 사용되고 있으며, 고무의 우수한 특성들이 제품의 성능을 향상시키는데 기여하고 있다.
2. 고무와 고무지우개
2.1. 폴리이소프렌의 구조와 중합
폴리이소프렌은 이소프렌의 중합체이다. 이소프렌은 화학식 CH2=C(CH3)CH=CH2를 가지며, 중합 시 다양한 결합 구조를 형성할 수 있다. 천연에는 고무 탄화수소 및 구타가 이에 해당하는데, 전자는 전 시스-1, 4-첨가 구조를, 후자는 전 트랜스-1, 4-첨가 구조를 가진다. 합성 이소프렌은 이와 더불어 1, 2-첨가 및 3, 4-첨가 구조의 4종류의 형태를 가질 수 있다. 이소프렌의 중합 반응은 과산화물, 프리델-크래프츠형 화합물, 알칼리 금속, 알핀 등의 촉매를 이용하여 이루어지며, 최근에는 리튬 또는 치글러 촉매를 이용하여 천연 고무와 거의 같은 구조를 갖는 전 cis-및 전-trans-1, 4-첨가형의 폴리이소프렌이 합성되고 있다. 합성 폴리이소프렌은 일반적으로 천연 고무에 비해 성질이 떨어지지만, 최근 합성된 천연 고무와 매우 유사한 구조를 가진 제품들이 코랄 고무와 아메리폴 SN 등의 상품명으로 시판되어 다양한 고무 제품으로 활용되고 있다.
2.2. 천연고무와 합성고무의 차이
천연고무와 합성고무의 차이이다. 천연고무는 고무나무에서 채취한 라텍스를 가공하여 만든 것이다. 라텍스에는 폴리이소프렌이라는 고무성분이 포함되어 있다. 반면 합성고무는 석유화학제품을 원료로 하여 화학적으로 합성된 고분자 물질이다. 스타이렌-부타디엔 고무(SBR)와 클로로프렌 고무(CR) 등이 대표적인 합성고무 종류이다. 천연고무와 합성고무는 화학구조, 제조방법, 물성 등에서 차이가 있다. 천연고무는 무작위 중합체인 반면 합성고무는 규칙적인 중합체 형태를 갖는다. 천연고무는 공기 중 산화에 취약하지만 합성고무는 내산화성이 우수하다. 또한 천연고무는 가황 과정에서 황과 결합하여 높은 강도와 내열성을 갖게 되는 반면, 합성고무는 상대적으로 가황공정이 단순하다. 천연고무는 생산량이 제한적이지만 합성고무는 대량생산이 가능하다는 점에서 차이가 있다. 이처럼 천연고무와 합성고무는 원료, 구조, 물성, 생산방식 등에서 다양한 차이를 보인다.
2.3. 고무지우개의 재료 및 제조 과정
고무지우개는 대부분 폴리이소프렌으로 구성되어 있다. 폴리이소프렌은 이소프렌의 중합체로, 천연에는 고무 탄화수소 및 구타가 이에 해당한다. 천연고무는 전 시스-1, 4-첨가 구조를, 구타는 전 트랜스-1, 4-첨가 구조를 가진다. 합성 폴리이소프렌은 이러한 구조 외에도 1, 2-첨가 및 3, 4-첨가 구조의 4종류를 가질 수 있다. 합성 폴리이소프렌은 이소프렌에 과산화물, 프리델-크래프츠형 화합물, 알칼리 금속, 알핀 등을 촉매로 하여 합성된다.
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