인류 최초의 완전 합성 섬유인 나일론은 거미줄보다 가늘고 강철보다 질깁니다. 나이론의 합성 원리와 특징에 대해 설명해 주세요..

Question

이충흔 · Accepted Answer

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.나일론은 천연 원료를 일절 쓰지 않고 석유 화학 물질로부터 합성해 낸 인류 최초의 완전 합성 섬유입니다. 나일론이 어떻게 합성되는지 그 화학적 원리와 물질적 특징을 설명해 드릴게요.대표적인 나일론인 나일론 6,6은 헥사메틸렌다이아민과 아디프산의 작은 분자가 번갈아 결합하면서 물 분자가 빠져나가는 축합 중합 반응으로 합성됩니다. 반응 메카니즘을 보면, 한 분자의 아미노기와 다른 분자의 카르복실기가 만나 반응하고 이 과정에서 물 분자 한 개가 떨어져 나가면서 두 분자가 강력하게 연결되는 아미드 결합을 형성합니다. 이 반응이 양끝에서 무수히 반복되면서 길다란 고분자 사슬이 완성되며 아미드 결합이 계속 반복되므로 나일론은 화학적으로 폴리아미드 계열에 속합니다.나이론의 특징은 나선형으로 배열된 나일론 고분자 사슬들이 나란히 놓일 때, 사슬과 사슬 사이에 촘촘하고 강력한 수소 결합이 형성됩니다. 특히 방사 과정에서 섬유를 길게 늘려 주면 사슬들이 한 방향으로 정렬되면서 엄청난 인장 강도와 질긴 탄성을 갖게 됩니다. 또한, 면이나 모 같은 천연 섬유에 비해 마찰에 견디는 힘이 10배 이상 뛰어나 질기면서도 밀도가 낮아 매우 가볍습니다. 물 분자와 잘 결합하지 않아 수분 흡수율이 매우 낮습니다. 이 덕분에 물에 젖어도 형체가 변하지 않고 빠르게 마르는 장점이 있지만, 건조한 환경에서는 정전기가 잘 발생하는 원인이 됩니다.

김지호 · Answer

안녕하세요. 나일론은 1935년 미국 듀폰의 화학자 월리스 캐러더스 연구팀이 개발한 인류 최초의 완전 합성 섬유인데요, 이전까지 사용되던 면, 양모, 비단과 같은 섬유는 모두 식물이나 동물에서 얻은 천연 섬유였지만, 나일론은 석유를 원료로 하여 화학 반응만으로 만들어진 최초의 합성 고분자 섬유라는 점에서 의미가 있습니다. 나일론은 고분자 중합 반응을 통해 만들어지는데요, 대표적인 나일론인 나일론-6,6은 헥사메틸렌디아민과 아디프산이라는 두 종류의 작은 분자가 서로 반복적으로 결합하면서 매우 긴 사슬 모양의 고분자를 형성합니다. 이 과정에서 물 분자가 함께 생성되기 때문에 축합중합이라고 부릅니다. 이렇게 만들어진 긴 고분자 사슬은 녹인 뒤 아주 작은 구멍을 가진 방사구를 통과시켜 가느다란 실 형태로 뽑아내며, 이후 섬유를 잡아당겨 늘리는 과정을 거치면 분자들이 일정한 방향으로 정렬됩니다. 이러한 분자 정렬은 분자 사이의 인력을 더욱 강하게 만들어 나일론의 높은 강도와 내구성을 만들어 냅니다.

나일론이 매우 질기고 튼튼한 이유는 긴 고분자 사슬들이 서로 촘촘하게 얽혀 있고, 사슬 사이에는 수소결합이 형성되어 분자들을 단단히 붙잡아 주기 때문입니다. 따라서 가늘게 만들어도 쉽게 끊어지지 않으며, 큰 힘으로 잡아당겨도 잘 견디고 원래 형태로 회복하는 탄성도 뛰어나며, 또한 마찰과 마모에 강하고, 무게는 가벼우면서도 내구성이 우수하여 다양한 산업 분야에서 활용됩니다. 감사합니다.