생고무에 유황을 섞어 가열하면 사계절 내내 엄청난 탄성과 강도가 증가하는 이유는?

Question

천연고무로 만든 생고무는 여름에는 끈적끈적하게 녹고 겨울에는 굳어서 뚝뚝 끊어져 타이어로 쓸 수 없지만, 여기에 유황을 섞어 가열하면 사계절 내내 엄청난 탄성과 강도를 유지합니다. 왜 그런지 이유가 궁금합니다.

Answer 1

천연고무는 이소프렌이라는 긴 고분자 사슬들이 단순히 엉켜있는 상태로 분자 간의 약한 끌어당기는 힘으로만 유지되기 때문 결합이 약해 여름에는 열에 의해 사슬이 쉽게 미끄러져 끈적하게 녹고, 겨울에는 사슬의 움직임이 굳어 뚝뚝 끊어집니다.

여기에 유황을 섞어 가열하는 가황 공정을 거치면 고무 사슬 내부의 이중 결합이 끊어지며 반응성이 높은 상태가 되고, 이때 첨가된 유황 원자들이 끊어진 탄소 원자들 사이를 파고들어, 유황은 독립적이던 서로 다른 고분자 사슬들을 강력한 공유 결합으로 연결하는 가교 결합을 형성합니다.

결과적으로 고무는 3차원 그물망 구조로 변합니다. 유황 다리가 사슬을 단단히 붙잡아 여름철 고열에도 녹아내리지 않고, 겨울철에도 사슬 간 간격을 유지해 굳지 않습니다. 또한, 잡아당겼다 놓아도 유황 결합이 원래 형태를 기억해 본래 구조로 복원시키는 강력한 탄성을 갖게 됩니다.