폴리머 실험 방법 알아보기 | 슬라임 나일론 합성

폴리머(고분자)는 단위체(모노머)가 반복적으로 결합해 만들어진 큰 분자 구조로, 우리가 일상에서 사용하는 플라스틱, 고무, 섬유 등이 모두 이에 해당합니다. 폴리머의 특성과 형성 과정을 직접 관찰하기 위해 슬라임과 나일론 합성 실험을 통해 다양한 종류의 폴리머를 직접 만들고, 그 구조와 성질을 비교해보는 활동을 소개합니다.

폴리머란 무엇인가?

폴리머는 다음과 같은 구조를 가집니다:

$$\text{Monomer} - \text{Monomer} - \text{Monomer} - \cdots \rightarrow \text{Polymer}$$

슬라임은 가교 결합된 폴리비닐알코올(PVA) 고분자이고, 나일론은 축합중합 반응을 통해 만들어진 선형 고분자입니다. 두 실험을 통해 물리적 특성이 전혀 다른 두 종류의 폴리머를 직접 비교할 수 있습니다.

실험 1: 슬라임 만들기 (물리적 가교 폴리머)

실험 목표

PVA 용액과 붕사(Borax)를 이용하여 슬라임을 합성하고, 가교 결합이 이루어지는 과정을 관찰한다.

준비물

• 폴리비닐알코올(PVA) 용액 또는 목공풀 (약 50mL)
• 붕사(Borax) 수용액 (4g/100mL 농도)
• 물, 식용 색소, 종이컵, 스푼, 장갑

실험 방법

1. 종이컵에 PVA 용액 50mL를 넣습니다.
2. 원하는 색의 색소를 2~3방울 떨어뜨려 섞습니다.
3. 붕사 수용액을 소량(10~15mL)씩 넣으며 천천히 섞습니다.
4. 점점 걸쭉해지며 젤 상태의 슬라임이 만들어집니다.

반응 원리

PVA는 직선형 고분자이며, 붕사 용액의 붕산 이온이 PVA 사슬 간을 가교 결합시켜 겔 형태의 슬라임이 생성됩니다.

$$\text{PVA (OH 그룹)} + \text{B(OH)}_4^- \rightarrow \text{물리적 겔}$$

관찰 포인트

• 슬라임의 점성, 탄성, 물리적 특성
• 붕사 첨가량에 따른 경도 및 질감 변화

실험 2: 나일론 합성 실험 (화학적 축합중합)

실험 목표

축합중합 반응을 통해 실제 나일론(polymide 6,10)을 합성하고, 화학적 폴리머 형성의 원리를 이해한다.

준비물

• 헥사메틸렌디아민 수용액 (5% 농도, 염기성)
• 데칸디오일 클로라이드(디카복실산 염화물, 유기용매에 용해)
• 사이클로헥세인 또는 헥산 (유기 용매)
• 핀셋, 비커 2개, 유리막대, 장갑, 보호안경

실험 방법

1. 비커 A에 헥사메틸렌디아민 수용액(5% w/v)을 20mL 넣습니다.
2. 비커 B에 데칸디오일 클로라이드(0.2M)를 헥산에 녹여 20mL 준비합니다.
3. 디아민 수용액 위에 조심스럽게 유기층(디카복실산 염화물 용액)을 부어 층을 나누어줍니다.
4. 두 층의 경계면에서 나일론 섬유가 생성되기 시작합니다.
5. 핀셋으로 끄집어내면서 연속적으로 나일론 실을 뽑아냅니다.

반응 원리

양쪽 말단에 아민기와 산 클로라이드기를 가진 두 단량체가 축합반응을 통해 나일론 고분자를 형성하고, 이때 염산(HCl)이 부산물로 생성됩니다.

$$\text{H}_2\text{N}-(CH_2)_6\text{-NH}_2 + \text{ClOC}-(CH_2)_8\text{-COCl} \rightarrow \text{Nylon} + \text{HCl}$$

관찰 포인트

• 물-유기층 경계면에서 실처럼 뽑혀 나오는 나일론
• 합성된 고분자의 연속성 및 질감
• 반응이 화학적이라는 점 (비가역적)

비교 분석

특성	슬라임	나일론
결합 방식	물리적 가교 결합	화학적 축합 중합
반응성	되돌릴 수 있음	비가역 반응
형태	젤 탄성 물질	선형 고분자 실
응용 예시	완구, 실험용 폴리머	섬유, 의류, 산업용 재료

주의사항

• 나일론 실험에 사용되는 유기 용매는 휘발성이 있으므로 환기가 잘 되는 곳에서 실험합니다.
• 헥사메틸렌디아민은 염기성이므로 피부에 닿지 않도록 주의합니다.
• 슬라임 실험 후 손을 깨끗이 씻고, 붕사는 과량 흡입 시 유해할 수 있으므로 사용량을 제한합니다.

결론

슬라임과 나일론 합성 실험을 통해 폴리머의 구조와 생성 방식이 물리적/화학적으로 다르다는 것을 확인할 수 있습니다. 슬라임은 가교 결합에 의해 점성과 탄성을 가지는 반면, 나일론은 축합중합에 의해 강하고 유연한 섬유 구조를 형성합니다.

이 두 실험은 단순한 재미를 넘어서 고분자 화학, 분자 결합, 반응 메커니즘 등을 학습할 수 있는 좋은 실험 예시이며, 중등~고등 수준의 학생들이 화학 개념을 직접 눈으로 보고 손으로 만져보며 익힐 수 있는 교육적 효과가 매우 높습니다.