중합 반응(첨가 및 축합 중합)편집자 확인

단량체는 중합 반응을 통해 고분자를 형성하는 기본 구성 단위이다. 단량체는 일반적으로 반응성 있는 작용기를 두 개 이상 가지고 있는 저분자 화합물이다. 대표적인 단량체로는 에틸렌, 프로필렌, 스티렌과 같은 불포화 탄화수소, 그리고 테레프탈산과 에틸렌 글리콜 또는 헥사메틸렌디아민과 아디프산과 같이 서로 다른 두 개의 작용기(예: 카르복실기와 히드록실기, 또는 카르복실기와 아민기)를 가진 화합물들이 있다.

이러한 단량체들이 화학 결합으로 반복적으로 연결되어 생성된 거대 분자를 고분자 또는 중합체라고 한다. 고분자는 수백에서 수만 개의 단량체 단위로 구성되어 있으며, 이로 인해 단량체와는 전혀 다른 물리적, 화학적 성질을 나타낸다. 예를 들어, 기체 상태의 에틸렌 단량체는 중합 반응을 거쳐 고체 상태의 폴리에틸렌이라는 플라스틱이 된다.

단량체와 고분자의 관계는 다음과 같은 표로 요약할 수 있다.

단량체의 종류와 그 결합 방식은 최종 고분자의 구조와 성질을 결정하는 가장 중요한 요소이다. 따라서 특정한 물성을 가진 고분자를 설계하고 합성하기 위해서는 적절한 단량체의 선택이 필수적이다.

중합도는 하나의 고분자 사슬을 구성하는 단량체 단위의 평균 개수를 의미한다. 이 값은 고분자의 분자량을 결정하는 핵심 요소이다. 중합도가 높을수록 고분자 사슬의 길이가 길어지고, 이에 따라 분자량도 증가한다. 분자량은 단량체의 분자량에 중합도를 곱한 값으로 간단히 계산할 수 있다[1].

고분자의 물리적 성질은 중합도와 분자량에 크게 의존한다. 일반적으로 중합도가 낮은 저분자량 고분자는 점성이 낮고 부서지기 쉬운 경향이 있다. 반면, 중합도가 높은 고분자는 강도, 인성, 내열성 등의 기계적 성질이 우수해진다. 예를 들어, 폴리에틸렌은 중합도에 따라 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분되며, 그 성질과 용도가 달라진다.

단, 중합 반응 과정에서 모든 사슬이 동일한 길이로 자라지는 않는다. 따라서 하나의 고분자 샘플 내에는 다양한 길이의 사슬이 혼재하게 되며, 이로 인해 중합도와 분자량은 평균값으로 표현된다. 가장 흔히 사용되는 평균 분자량은 수평균 분자량(Mn)과 중량평균 분자량(Mw)이다. 중량평균 분자량은 큰 분자들의 영향을 더 많이 받으며, 이 두 값의 비(Mw/Mn)는 분자량 분포의 폭을 나타내는 지표가 된다.

첨가 중합의 반응 메커니즘은 활성 종의 성격에 따라 크게 라디칼 중합, 양이온 중합, 음이온 중합으로 구분된다. 이들은 모두 사슬 중합의 특성을 가지며, 반응은 개시, 성장, 정지의 세 단계로 진행된다. 각 메커니즘은 서로 다른 활성 중심을 사용하여 단량체가 고분자 사슬에 연속적으로 첨가되는 과정을 통해 진행된다.

라디칼 중합은 가장 널리 사용되는 메커니즘이다. 열이나 빛에 의해 분해되는 개시제가 라디칼을 생성하면, 이 라디칼이 단량체의 이중 결합에 공격하여 새로운 라디칼 중심을 만드는 방식으로 개시된다. 이후 사슬 성장 단계에서 이 활성 중심에 단량체가 빠르게 연속 첨가된다. 정지 단계는 두 개의 성장 중인 라디칼 사슬이 결합하거나 수소 원자를 이동시켜 비활성화되는 방식으로 일어난다.

이온 중합은 라디칼 중합보다 조건이 까다롭지만, 더 정교한 고분자 구조를 합성할 수 있다는 장점이 있다. 양이온 중합은 루이스 산과 물과 같은 개시제 조합으로 생성된 양성자(H⁺)가 단량체를 공격하여 개시된다. 음이온 중합은 강한 염기성 촉매가 단량체에서 양성자를 빼앗거나 단량체에 직접 첨가함으로써 개시된다. 이온 중합은 특히 정지 반응이 자발적으로 일어나지 않는 경우가 있어, 살아있는 중합의 특성을 보이며 분자량을 매우 정밀하게 제어할 수 있다.

폴리에틸렌(PE)은 가장 단순하고 널리 사용되는 첨가 중합 고분자이다. 에틸렌 단량체가 중합되어 만들어지며, 합성 방법과 조건에 따라 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다. LDPE는 고압법으로 제조되어 분지 구조가 많아 투명하고 유연한 성질을 가진다. 주로 필름, 봉지, 코팅제로 사용된다. HDPE는 저압법으로 제조되어 선형 구조가 주를 이루어 강도가 높고 내화학성이 우수하다. 주로 병, 통, 파이프, 장난감의 재료로 쓰인다.

폴리프로필렌(PP)은 프로필렌 단량체의 중합으로 생성된다. 지글러-나타 촉매와 같은 배위 중합 촉매를 사용하여 제조되는 경우가 많다. 폴리에틸렌에 비해 더 높은 용융점과 우수한 내피로성, 높은 강도를 가지며, 가벼운 것이 특징이다. 자동차 부품, 가전제품 하우징, 섬유, 식품 포장 용기, 의료용 주사기 등 다양한 분야에 적용된다. 구조에 따라 등장, 간장, 불규칙 배치의 세 가지 입체 규칙성을 가질 수 있으며, 등장 폴리프로필렌이 가장 높은 결정성을 보여 기계적 성질이 우수하다.

이 외에도 중요한 첨가 중합 고분자로는 폴리염화 비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등이 있다. PVC는 염화 비닐의 중합체로, 가소제 첨가량에 따라 경질 또는 연질 제품을 만들어 파이프, 창호, 바닥재, 전선 피복, 가방 등에 사용된다. PS는 스티렌의 중합체로, 투명하고 가공이 쉬우며 값이 싸지만 취성이 있다. 발포시켜 단열재나 완충 포장재로도 널리 쓰인다. PTFE는 테플론으로 잘 알려져 있으며, 탁월한 내화학성과 낮은 마찰 계수, 우수한 내열성을 가져서 부식성 환경의 라이닝, 밀봉재, 코팅 프라이팬 등에 사용된다.

축합 중합의 반응 메커니즘은 일반적으로 단계 중합으로 설명된다. 이는 반응성 관능기를 가진 단량체들이 서로 반응하여 작은 분자(주로 물, 암모니아, 알코올 등)를 부산물로 제거하면서 고분자 사슬을 단계적으로 성장시키는 과정이다. 반응 초기에는 주로 단량체들 간의 반응이 일어나 이합체나 삼합체가 형성되고, 시간이 지남에 따라 이러한 저분자량 올리고머들이 서로 반응하여 점차 분자량이 증가한다.

단계 중합의 주요 특징은 반응이 진행되는 동안에도 여전히 반응성 관능기를 가진 중간체들(올리고머 또는 중합체)이 서로 반응할 수 있다는 점이다. 이로 인해 고분자의 분자량은 반응 초기에는 서서히 증가하다가, 반응이 어느 정도 진행된 후, 즉 반응률이 높아지면 급격히 증가하는 양상을 보인다. 이는 카르스톨 플로리가 제안한 개념으로, 높은 분자량의 고분자를 얻기 위해서는 매우 높은 반응률(보통 99% 이상)이 필요하다.

단계 중합의 대표적인 예로는 디올과 디카르복실산이 에스터화 반응을 통해 물을 제거하며 폴리에스터를 형성하는 반응, 또는 디아민과 디카르복실산이 아마이드 결합을 형성하며 물을 제거하여 폴리아미드를 만드는 반응이 있다. 이러한 반응은 각 단계가 비교적 느리게 진행되며, 생성된 부산물을 효율적으로 제거하지 않으면 가역 반응에 의해 중합이 저해될 수 있다.

이러한 메커니즘은 첨가 중합과 구분되는데, 첨가 중합이 활성 중심(라디칼 또는 이온)에 단량체가 연속적으로 첨가되는 사슬 중합인 반면, 축합 중합은 반응성 관능기를 가진 분자들이 서로 결합하는 단계적 과정이다.

축합 중합을 통해 생성되는 대표적인 고분자로는 폴리에스터와 폴리아미드가 있다. 이들은 모두 반응 과정에서 물과 같은 작은 분자가 제거되며 고분자 사슬이 형성되는 특징을 가진다.

폴리에스터는 카르복실산과 알코올의 축합 반응으로 생성되며, 가장 잘 알려진 예는 테레프탈산과 에틸렌 글리콜이 반응하여 만들어진 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)이다. PET는 음료수 병, 의류용 섬유(폴리에스터 섬유), 필름 등에 널리 사용된다. 다른 폴리에스터로는 불포화 폴리에스터가 있으며, 이는 글리콜과 불포화 디카르복실산의 축합으로 만들어져 강화 플라스틱의 기재로 쓰인다.

폴리아미드는 아민과 카르복실산의 축합 반응, 또는 아미노산의 자체 축합을 통해 생성된다. 대표적인 예로는 헥사메틸렌디아민과 아디프산이 반응하여 합성되는 나일론 66이 있다. 또 다른 중요한 폴리아미드인 나일론 6은 카프로락탐의 개환 중합으로 만들어진다. 이들 나일론은 높은 강도와 내마모성을 지녀 합성 섬유, 엔지니어링 플라스틱, 기어 등의 부품으로 활용된다.

이 외에도 중요한 축합 중합 고분자로는 폴리카보네이트(PC)와 폴리우레탄(PU)이 있다. 폴리카보네이트는 비스페놀 A와 포스겐의 축합으로 만들어져 투명성과 충격 강도가 뛰어나 안경 렌즈, 방탄 유리 대체재로 사용된다. 폴리우레탄은 이소시아네이트와 폴리올의 축합 반응으로 생성되며, 그 경도와 탄성의 범위가 매우 넓아 발포체(스펀지), 접착제, 코팅제, 탄성 섬유(스판덱스) 등 다양한 형태로 응용된다.

벌크 중합은 단량체를 다른 용매 없이 그 자체로 중합시키는 방법이다. 이 방법은 반응계가 단량체와 개시제 또는 촉매, 그리고 필요한 경우 소량의 첨가제로만 구성된다는 점이 가장 큰 특징이다. 반응 과정에서 별도의 매체가 존재하지 않기 때문에 생성된 고분자의 순도가 높고, 후처리 공정이 비교적 간단하다는 장점을 가진다.

반응은 일반적으로 개시제를 단량체에 용해시킨 후 가열하거나 광조사 등을 통해 개시한다. 반응이 진행됨에 따라 점도가 급격히 증가하며, 이로 인한 열 제거 문제가 주요한 과제로 나타난다. 중합 반응은 대부분 발열 반응인데, 점도가 높아지면 반응열을 효율적으로 외부로 방출하기 어려워 국부적인 과열이 발생할 수 있다. 이는 고분자의 분자량 분포를 넓히거나, 불균일한 구조를 형성하는 원인이 되기도 한다.

이러한 특성으로 인해 벌크 중합은 주로 반응열이 크지 않거나, 투명성이 요구되는 제품, 또는 용매 사용이 바람직하지 않은 경우에 사용된다. 대표적인 예로 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, 아크릴 수지)나 폴리스티렌의 일부 제조 공정에서 이 방법이 적용된다. 반응을 효율적으로 제어하기 위해 반응기를 단계적으로 설계하거나 점도를 낮추기 위해 반응 후기에 단량체를 첨가하는 방식 등이 사용되기도 한다.

용액 중합은 단량체와 개시제 또는 촉매를 적절한 용매에 용해시켜 중합을 진행하는 방법이다. 반응계 전체가 균일한 용액 상태를 유지하는 것이 특징이다. 이 방법은 반응열의 제거가 비교적 용이하고, 점도 증가에 의한 문제가 적으며, 생성된 고분자 용액을 그대로 코팅제나 접착제로 사용할 수 있는 장점이 있다.

반면, 용매를 회수하고 재순환해야 하는 공정이 필요하며, 용매로 인한 공정 비용과 안전성 문제가 발생할 수 있다. 또한 용매에 따라 고분자의 분자량 분포나 구조에 영향을 미칠 수 있다. 용매의 선택은 단량체와 생성될 고분자의 용해도, 반응 메커니즘, 그리고 최종 용도에 따라 결정된다.

주로 첨가 중합과 축합 중합 모두에 적용되며, 폴리비닐아세테이트(PVAc)나 일부 합성 고무의 제조에 널리 사용된다. 다음은 주요 용액 중합의 유형과 특징을 비교한 표이다.

현탁 중합은 중합 반응을 수행하는 주요 방법 중 하나로, 단량체가 중합 매체인 물에 불용성인 경우에 적합한 기법이다. 이 방법에서는 단량체가 개시제와 함께 물 속에 작은 액적 형태로 분산되어 중합이 진행된다. 각 액적은 하나의 작은 벌크 중합 반응기 역할을 하여 고분자 입자를 형성한다.

반응 과정에서 교반과 함께 안정제가 사용되어 단량체 액적들이 서로 합쳐지는 것을 방지한다. 일반적으로 사용되는 안정제로는 폴리비닐 알코올, 젤라틴, 카르복시메틸셀룰로오스와 같은 수용성 고분자나 트리칼슘 포스페이트, 벤토나이트와 같은 무기 분말 등이 있다. 이 안정제들은 단량체 액적 표면에 보호막을 형성하거나 입자 사이의 물리적 장벽 역할을 하여 안정적인 분산 상태를 유지시킨다.

현탁 중합의 주요 특징은 다음과 같다.

이 방법은 주로 비닐 단량체의 중합에 사용되며, 대표적인 예로 스티렌으로부터 폴리스티렌 비드를 생산하거나, 메틸 메타크릴레이트로부터 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 제조하는 데 적용된다. 또한, 중합도와 입자 크기를 일정하게 제어할 수 있어 산업적으로 널리 사용되는 중합 방법이다.

유화 중합은 중합 반응을 물을 연속상으로 하고, 단량체를 계면활성제를 사용하여 안정화된 미세한 입자 상태로 분산시킨 유화액에서 진행시키는 방법이다. 이 방법은 반응열의 제거가 용이하고, 생성된 고분자가 고체 입자 형태로 쉽게 회수되며, 높은 분자량의 고분자를 얻을 수 있다는 장점을 가진다.

반응은 일반적으로 수용성 개시제를 사용하여 시작된다. 계면활성제는 단량체를 미셀 형태로 포집하여 안정화시키며, 중합 반응은 이러한 미셀 내부에서 주로 일어난다. 반응이 진행됨에 따라 고분자 입자가 성장하고, 최종적으로는 직경 0.05~1 마이크로미터 크기의 라텍스를 형성한다. 이 라텍스는 그대로 도료나 접착제로 사용되거나, 응고시켜 고분자 수지를 회수한다.

유화 중합은 스티렌-부타디엔 고무, 폴리비닐아세테이트, 폼을 만드는 데 사용되는 폴리우레탄 라텍스, 그리고 다양한 아크릴 수지를 생산하는 데 널리 사용된다. 특히 대규모 생산에 적합하며, 생성된 라텍스는 수성 페인트나 접착제와 같이 물을 매체로 하는 제품에 직접 활용될 수 있다는 실용적인 이점을 가진다.

첨가 중합과 축합 중합은 반응의 기본적인 특성에서 뚜렷한 차이를 보인다. 가장 핵심적인 차이는 반응 중에 단량체가 고분자 사슬에 결합하는 방식이다. 첨가 중합은 불포화 결합(예: C=C)을 가진 단량체가 라디칼 중합이나 이온 중합 메커니즘을 통해 활성 중심에 연속적으로 더해지는 사슬 반응이다. 반면, 축합 중합은 일반적으로 두 개 이상의 관능기를 가진 단량체가 반응하여 작은 분자(주로 물)를 부산물로 제거하면서 결합하는 단계 중합 과정이다.

반응 속도와 분자량 증가 패턴도 상이하다. 첨가 중합에서는 활성 중심이 생성된 후 매우 빠르게 고분자 사슬이 성장하며, 비교적 짧은 시간 내에 높은 분자량의 고분자가 얻어진다. 축합 중합에서는 반응 초기에는 주로 저분자량의 올리고머가 형성되고, 반응이 진전됨에 따라 서서히 분자량이 증가하는 특징을 보인다. 따라서 목표하는 분자량에 도달하기까지 일반적으로 더 긴 반응 시간이 필요하다.

이러한 반응 특성의 차이는 최종 고분자의 구조와 합성 공정 설계에 직접적인 영향을 미친다. 첨가 중합은 주로 탄화수소 기반의 단량체로부터 열가소성 수지를 제조하는 데 널리 사용되는 반면, 축합 중합은 폴리에스터나 나일론과 같은 합성 섬유 및 엔지니어링 플라스틱의 합성에 필수적이다.

축합 중합은 반응 과정에서 물, 암모니아, 염화수소 등의 작은 분자 부산물이 필연적으로 발생한다. 예를 들어, 디카르복실산과 디올이 반응하여 폴리에스터를 형성할 때는 물 분자가, 디아민과 디카르복실산이 반응하여 폴리아미드를 만들 때는 물 분자가 각각 부산물로 생성된다[7]. 이는 축합 중합이 관능기 간의 결합 형성과 함께 작은 분자의 제거(축합)를 동반하는 단계 중합 반응이기 때문이다.

반면, 첨가 중합은 부산물을 생성하지 않는다. 에틸렌이나 프로필렌과 같은 불포화 단량체가 라디칼 중합이나 이온 중합 메커니즘을 통해 고분자 사슬에 연속적으로 첨가되는 과정에서, 단량체 분자 전체가 그대로 중합체 사슬의 일부가 된다. 따라서 반응 중에 작은 분자가 떨어져 나오지 않으며, 원자 경제성이 100%에 가깝다.

이 차이는 최종 고분자 제품의 순도와 중합 공정 설계에 직접적인 영향을 미친다. 축합 중합에서는 생성된 부산물을 지속적으로 제거하여 반응 평형을 생성물 쪽으로 이동시켜야 높은 중합도를 얻을 수 있다. 이는 별도의 정제 공정이 필요할 수 있음을 의미한다. 첨가 중합에서는 이러한 부산물 제거 과정이 필요 없어 공정이 비교적 단순한 경우가 많다.

첨가 중합과 축합 중합은 고분자의 분자량이 증가하는 패턴에 있어서 뚜렷한 차이를 보인다. 이 차이는 각 중합 반응의 기본적인 메커니즘에서 비롯된다.

첨가 중합에서는 단량체 분자가 활성 중심에 순차적으로 더해지면서 사슬이 성장한다. 이 과정에서 중합 초기부터 비교적 높은 분자량을 가진 고분자 사슬이 빠르게 생성된다. 반응이 진행됨에 따라 단량체의 농도는 지속적으로 감소하지만, 이미 생성된 고분자 사슬의 분자량은 크게 변하지 않는다. 따라서 첨가 중합에서는 반응 초기에 고분자 사슬이 형성된 후, 주로 단량체가 기존 사슬에 붙어가는 방식으로 반응이 완결된다.

반면, 축합 중합(또는 단계 중합)에서는 분자량 증가 패턴이 완전히 다르다. 이 반응은 저분자량의 반응물들이 서로 반응하여 점차적으로 분자량을 늘려가는 과정이다. 초기에는 주로 이합체나 삼합체와 같은 저분자량의 올리고머가 다수 생성된다. 반응이 진행될수록 이러한 올리고머들끼리 서로 반응하여 점차 분자량이 큰 고분자를 형성한다. 따라서 축합 중합에서는 반응의 후반부에 가서야 비로소 높은 분자량의 고분자가 얻어진다.

이러한 차이는 각 중합법으로 제조된 고분자의 분자량 분포에도 영향을 미친다. 일반적으로 첨가 중합으로 얻은 고분자는 비교적 넓은 분자량 분포를 보이는 반면, 축합 중합으로 얻은 고분자는 상대적으로 좁은 분자량 분포를 갖는 경향이 있다.

고분자의 물리적 및 화학적 성질은 단량체의 종류뿐만 아니라 고분자 사슬의 구조에 크게 의존한다. 주요 구조 형태로는 선형 고분자, 분지형 고분자, 가교 고분자가 있으며, 이들의 구조적 차이는 용해도, 용융 점도, 강도, 열적 성질 등에 결정적인 영향을 미친다.

가장 기본적인 형태인 선형 구조는 단량체들이 일렬로 길게 연결되어 있으며, 사슬 사이의 분자간 힘인 반데르발스 힘이나 수소 결합으로만 결합되어 있다. 대표적인 예로 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 나일론이 있다. 이들은 일반적으로 열에 녹고 특정 용매에 용해되는 열가소성 수지의 특성을 보이며, 가공이 비교적 용이하다.

분지형 구조는 주 사슬에서 측사슬이 뻗어나온 형태이다. 측사슬의 길이와 빈도에 따라 물성이 달라지는데, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 대표적이다. 분지 구조는 사슬들이 빽빽하게 배열되는 것을 방해하여 결정화도를 낮추고, 일반적으로 선형 구조에 비해 밀도, 강도, 융점이 낮아지는 경향이 있다.

가교 구조는 서로 다른 고분자 사슬 사이에 공유 결합이 형성되어 3차원적인 망상 구조를 이루는 것이다. 가교 결합은 화학 반응이나 가교제를 통해 이루어진다. 초기에는 열가소성 수지처럼 성형이 가능하지만, 가교 반응이 완료되면 열과 용매에 녹지 않는 열경화성 수지가 된다. 황화 고무(가황 고무)나 에폭시 수지, 페놀 수지(베이클라이트)가 이에 해당하며, 내열성과 강도, 형상 안정성이 우수하다.

열가소성 수지는 가열하면 연화되어 가소성을 얻고, 냉각하면 다시 경화하는 성질을 가진 고분자 물질이다. 이 과정은 물리적 변화이며, 가역적으로 반복될 수 있다. 이러한 특성은 주로 선형이나 분지형 구조를 가진 고분자에서 나타난다. 대표적인 예로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리염화 비닐(PVC) 등이 있으며, 주로 첨가 중합으로 제조된다. 열가소성 수지는 주로 사출 성형, 압출 성형과 같은 방법으로 재가공이 가능하여 재활용에 유리하다.

반면, 열경화성 수지는 처음 가열하면 연화되어 성형이 가능하지만, 가열이나 촉매 작용을 통해 가교 결합이 일어나면 3차원의 그물망 구조를 형성하여 다시 가열해도 녹거나 연화되지 않는 불가역적인 성질을 가진다. 이 과정을 경화라고 한다. 대표적인 예로 페놀 수지(베이클라이트), 멜라민 수지, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지 등이 있으며, 주로 축합 중합 반응을 통해 제조된다. 경화 후에는 내열성과 내용제성이 우수하지만, 재가공이나 재활용이 어렵다.

두 수지의 특성 차이는 다음과 같이 요약할 수 있다.

이러한 구조적 차이로 인해 열가소성 수지는 일상용품, 포장재, 섬유 등에 널리 사용되는 반면, 열경화성 수지는 전기 부품, 접착제, 조리기구 손잡이 등 고온과 내구성이 요구되는 분야에 주로 활용된다.

플라스틱은 중합 반응을 통해 생산되는 가장 대표적인 고분자 재료이다. 일상생활에서부터 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되며, 그 종류와 특성은 사용된 단량체와 중합 방법, 구조에 따라 크게 달라진다.

주요 플라스틱은 첨가 중합과 축합 중합으로 구분하여 생산된다. 첨가 중합으로 만들어진 대표적인 열가소성 수지에는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리염화 비닐(PVC) 등이 있다. 이들은 가열 시 녹아 성형이 가능하고 냉각 시 고체가 되는 특성을 지녀, 필름, 용기, 파이프, 생활용품 등 다양한 분야에 활용된다. 한편, 축합 중합으로 제조되는 플라스틱에는 폴리에스터(PET), 폌리카보네이트(PC), 폴리아미드(나일론) 등이 포함된다. PET는 음료수 병과 섬유로, PC는 투명하고 강한 특성 덕분에 렌즈와 전자제품 하우징으로, 나일론은 기계 부품과 섬유로 널리 쓰인다.

플라스틱의 물성은 그 화학 구조에 직접적인 영향을 받는다. 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 선형 구조로 강도가 높아 항목이나 배관에 사용되는 반면, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 분지형 구조로 유연성이 뛰어나 봉지나 필름 제작에 적합하다. 또한, 에폭시 수지나 페놀 수지와 같은 열경화성 수지는 가교 결합된 3차원 구조를 형성하여, 일단 경화되면 다시 가열해도 녹지 않고 열과 화학물질에 강한 내성을 보인다. 이들은 전자 기기 기판, 접착제, 단열재 등 고성능이 요구되는 분야에 적용된다.

플라스틱은 가볍고 내구성이 있으며 가공이 쉽고 대량 생산이 가능하다는 장점으로 인해 현대 사회에서 없어서는 안 될 재료가 되었다. 그러나 동시에 사용 후 폐기물 관리와 환경 지속 가능성에 대한 중요한 과제를 제시하기도 한다[8].

합성 섬유는 천연 섬유를 대체하거나 그 성능을 뛰어넘기 위해 인공적으로 중합 반응을 통해 제조된 고분자 물질을 가공하여 만든 섬유이다. 주로 축합 중합 반응으로 생성되는 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리아크릴로니트릴 등이 원료로 사용된다. 이들은 높은 강도, 내마모성, 쉬운 관리 및 다양한 기능성 부여가 가능하다는 장점을 지녀 현대 생활에서 필수적인 소재가 되었다.

대표적인 합성 섬유와 그 원료 고분자는 다음과 같다.

합성 섬유의 제조 과정은 일반적으로 중합으로 고분자를 생성하는 단계와, 이를 용융 또는 용액 상태로 방사하여 섬유로 만드는 방사 단계로 나뉜다. 예를 들어, 폴리에스터와 나일론은 용융 방사법으로, 아크릴 섬유는 용액 방사법으로 제조된다. 이후 이 섬유들은 신장, 가열 처리 등의 후가공을 거쳐 최종적인 강도와 감촉을 갖추게 된다.

이러한 섬유들은 의류, 침구, 카펫, 산업용 재료 등 광범위한 분야에 활용된다. 최근에는 미세 플라스틱 배출 문제와 환경 지속가능성에 대한 우려가 높아지면서, 생분해성 소재 개발 또는 재생 폴리에스터와 같은 친환경 합성 섬유의 연구가 활발히 진행되고 있다.

고무는 탄성, 내마모성, 방수성 등의 특성을 지닌 고분자 재료이다. 천연 고무와 합성 고무로 크게 구분되며, 각각은 서로 다른 중합 반응 과정을 통해 얻어진다.

천연 고무는 헤베아 나무의 수액인 라텍스에서 추출된 폴리이소프렌이 주성분이다. 이는 이소프렌 단량체가 첨가 중합을 통해 형성된 선형 고분자이다. 천연 고무는 우수한 탄성을 지녔으나, 온도 변화에 따른 물성 변화가 크고 내유성, 내노화성이 약한 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 가황 공정이 필수적으로, 황을 첨가하여 가교 결합을 형성시켜 내열성과 강도를 향상시킨다.

합성 고무는 석유 화학 원료를 기반으로 다양한 목적에 맞게 설계되어 생산된다. 주요 종류와 그 특징은 다음과 같다.

합성 고무는 특정 용도에 최적화된 성능을 구현할 수 있어, 자동차 산업(타이어, 부품), 전자제품, 건축 자재, 의료 기기, 신발, 접착제 등 현대 산업 전반에 걸쳐 필수적인 소재로 활용된다.