제 6 회화학탐구프런티어페스티벌제안서 팀명 : original ( 김태인, 송학현 ) 탐구주제 : 날도래에서나오는점액물질을이용한수중에서사용가능한친환경접착제만들기 1. 탐구동기 -영화를보던중주인공이튜브에구멍이나접착제로붙여사용했지만물속에들어가니접착이제대로되지않아물에빠지는위험한상황이벌어졌다. 그때물속에서사용할수있는접착제가있다면어떻게될지생각해봤다. 고민하던중어렸을때수서곤충탐사라는환경교육에참여하여수서곤충을채집해보고어떻게생겼는지, 어디서사는지등을알아보았던것이생각났다. 그때날도래라는 2급수이상의깨끗한물에서사는수서곤충이있었는데, 자신의입에서섬유질인점성물질을만들어물속에서모래와나뭇잎으로집을만드는곤충이었다. 여기서아이디어를얻었다. 날도래의점성물질을이용해물에서풀림현상이없어용해되지않는접착제를만들어보자는생각을했다. 또한시중에흔히볼수있는접착제를보면모두해골모양의위험표시가되어있다. 이해골모양이의미하는것은 인체에해롭다 라는뜻이다. 이뿐만아니라시중에서볼수있는접착제에는강도를높이기위해여러가지의화학적처리가되었다. 이것은환경에도피해를입히는원인이된다. 하지만날도래의점성물질은자연에서나오는것이므로인체에아무런피해를주지않을뿐만아니라환경에도피해를주지않을것으로예상된다. 다시말해서날도래의점성물질을이용한접착제는인체에해로운유해물질이첨가되어있지않아친환경접착제가될수있다고생각한다. 1 2 3 ( 이미지출처 :http://cafe.naver.com/ecoedu8/85 http://cafe.naver.com/dia114/155) 위의그림모두는날도래의집이다. 그림1은나뭇잎을이용한집이고그림2는모래와나뭇가지를이용한것이며그림3은여러보석을이용한날도래의집이다. 모두날도래의점성물질을이용한것이다. 이는날도래의점성물질은왠만한물질들을모두붙일수있다는것을의미한다. 이렇기때문에충분히가능성이있다고판단되어탐구제안서를써본다. 2. 탐구목적 1날도래에서나오는점성물질의화학적성분에대해탐구한다. 2날도래에서나오는점성물질을접착제로활용할수있는지탐구한다. 3날도래에서나오는점성성분이물에서도용해되지않는이유를탐구한다. - 1 -
4날도래에서나오는점성성분이친환경적인물질인지탐구한다. 5날도래에서나오는점성성분을인공적으로만들수있는지탐구한다. 3. 탐구내용및방법 Ⅰ) 이론적배경 접착제의정의 ⑴ 용어적정의 : 두물체를붙이는데쓰이는물질 ⑵ 과학적정의 : 어떤물체를개입시켜두고체사이를결합하는현상이다. 아무리표면이매끄러운물체라도현미경으로들여다보면그표면은매우울퉁불퉁하다. 접착제는이틈사이로스며들어가굳어서로를붙게만드는것이다.( 참고자료 : 네이버백과사전 ) 접착제의종류시중에서판매되고있는접착제는크게는화학구조와성능면에의해두가지로분류되며자세히분류해보면화학구조는천연물계, 합성고분자계으로성는면은비구조용, 구조용, 변화구조용으로나뉜다. [ 화학구조에의한분류 ] ⑴ 천연물계접착제녹말풀, 혈단백질 핏가루 [ 血粉 ] 및소 돼지의혈청을포르말린 ( 뛰어난살균력으로인해실내소독용과생물표본의보존용등에사용된다 ) 처리한것, 우유 콩의단백질, 아교, 소 돼지등의가죽 뼈의수용물 ( 水溶物 ), 해초로부터추출한알긴산나트륨, 석유로부터제조되는아스팔트, 송진 아라비아고무 옻등의천연수지등이있다. ⑵ 합성접착제 ( 합성고분자계 ) 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지 ( 멜라민과폼알데하이드를반응시켜만드는열경화성수지로서열 산 용제에대하여강하고, 전기적성질도뛰어나다.), 크실렌수지, 에폭시수지 ( 강력한접착강도를나타낸다 ), 이소시아네이트계, 아세트산비닐계 ( 만능접착제 ), 폴리에스테르계, 폴리비닐알코올계, 아크릴레이트계, 시아노아크릴레이트계, 합성고무계등이있다 [ 성능면에의한분류 ] ⑴ 비구조용 ( 非構造用 ) 접착제 : 합판을만드는데요소수지계만을접착제로사용하면내수성이작기때문에옥외에서는내구성이없다. 또한아세트산비닐계인경우는약 40 에서연화하여접착성을잃는다. 그러나사용이편리하며, 접착제중에서는그와같은성질이필요할때도있다. 다만보통구조물에적합하지않은접착제이다. ⑵ 구조용접착제 : 경화한후불용성이고내열성이좋은것으로, 차량용 건축용 기계용등이있다. 특히내열성이있는것중에는장시간이아니면 800 에서견디는것도있으며, 반대로 -150 에서도부스러지지않는접착강도를가지는것도있다. ⑶ 변화구조용접착제 : 비구조용과구조용의장점만을살리기위하여, 비구조용의고무계와구조용의페놀수지계를혼용시킨경우의접착제를말한다 ( 참고문헌 : 동아백과사전 ) 접착제의반응 접착에는크게 3 가지반응이있다. - 2 -
녹말풀등과같이고분자를용액으로사용하는것 시아노아크릴레이트, 비스아크릴레이트등과같이처음에는저분자의액상이던것이붙은다음중합반응으로고분자가되는것 에틸렌비닐아세테이트나폴리아미드와같이고분자의고체를가열해용융시켜붙이는것이다여기서 에해당되는순간접착제 ( 시아노아크릴레이트함유 ) 로예를들어보자. 시중에판매되는순간접착제에는공통적으로시아노아크릴레이트 (Cyanoacrylate) 가첨가되어있는데바로이시아노아크릴레이트가수증기와만나일어나는중합반응이접착의원인이며이를우리는 경화작용 ( 이 ) 라고한다. ( 시아노아크릴레이트의분자모형이다.) ( 이미지출처 :http://commons.wikimedia.org) 시아노아크릴레이트의중합반응은물분자의친핵성기 (-OH) 부분의촉매작용에의해개시되고그이후에는물이제공되지않아도연속적으로반응한다. 시아노아크릴레이트의중합반응은다음과같이진행된다. n(r-ooc-c(ch2)-cn) + (OH-)[H2O의 OH ] {-(R-OOC)C(CN)CH2-}n OH- 가 =CH2 부분의탄소를공격하여알파위치의탄소에카보늄이온이생기고이부분 이이중결합의전자들을끌어당겨가중합이된다. 이런현상이반복되면서연속적인중 합이일어난다. 합성접착제의유해성중독현상 : 합성접착제의유해성하면바로중독현상을예로들수있다. 중독현상중가장인정되고있는것이도파민가설이다. 도파민은인간의두뇌바로앞쪽의뇌교부위의신경세포에서분비되는신경전달물질의하나로사람의감정중에행복감과만족감등쾌감의전달을담당한다. 합성접착제를비롯한술, 담배, 초콜릿등이우리를기분좋게해주는이유는이들이신경세포의도파민분비를촉진시켜주기때문이다. 하지만만약인간이도파민이과다하게분비되면인체는그상태를정상상태로인식하여도파민이떨어지면불안해하고도파민을만들어줄물질을요구하게된다. 이것이바로중독현상이다.( 참고자료 : 네이버백과사전 ) -합성접착제의중독현상으로인한증상의예시력저하, 두통, 환각증상, 상처가잘아물지않음, 눈동자가초점없이멍함, 얼굴빛이누렇게변하고피부에윤기가없어짐, 언어나사고기능저하 Ⅱ) 가설설정 - 3 -
가설1) 날도래가집을지을때나오는물질에는점성이있을것이다. 가설2) 자연으로부터얻는것이므로날도래를이용한접착제는인체에유해하지않는친환경적인물질일것이다. 가설3) 날도래의점성물질을이용한접착제는수중에서활용가능할것이다. Ⅲ) 실험과정가설1) 날도래가집을지을때나오는물질에는점성이있으며물에용해되지않을것이다. 실험1) 날도래가집을지을때나오는물질의성분을조사한다. 날도래를채취한다. 날도래의집의일부분을조심스럽게부순다.( 주의너무많은양을부수지않는다.) 날도래가집을보수하기위해쓰는점성물질을채취한다. 채취한점성물질을대학연구소에성분조사를의뢰한다. 채취한물질의성분중에서점성을가진성분을이용해천연접착제를제조한다. 가설2) 자연으로부터얻는것이므로날도래를이용한접착제는인체에유해하지않는친환경적인물질일것이다. 실험2) 날도래를이용하여만든접착제와합성접착제의유해물질함유정도를알아본다. 동일한상자에같은양의날도래의점성을이용하여만든천연접착제 ( 실험군 1) 와시중에서판매되는합성접착제 ( 실험군 2) 를벽에바른다. 신체조건이동일한쥐 3마리를준비하여폐기능검사, 혈액검사를실시한다. 천연접착제를바른상자 ( 실험군1) 와합성접착제를바른상자 ( 실험군2), 아무것도처리하지않은상자 ( 대조군 ) 에각각신체조건이동일한실험용쥐를넣은다음동일한환경을제공하며쥐의움직임의변화에대해서관찰한다. 5일후 3마리의쥐의폐의상태변화, 혈액상태, 5일동안의움직임변화를관찰하고비교한다. 가설3) 날도래의점성물질을이용한접착제는수중에서활용가능할것이다. 실험3) 날도래의점성물질을이용해만든접착제를수중에서사용가능한지알아본다. 두개의수조에물을 3분의 2정도받는다. 나뭇가지, 고무, 유리, 아크릴, 철을 4조각씩준비하다. 나뭇가지를 2조각씩물속에넣은후에한쪽에는직접만든접착제 ( 실험군 ), 다른한쪽에는시중에서흔히구할수있는합섭접착제 ( 대조군 ) 으로 2개의나뭇가지를물속에서붙여본다. 고무, 유리, 아크릴, 철을돌아가면서 의실험을반복한다. 5분후에나뭇가지, 고무, 아크릴, 철, 유리를꺼내서접착상태를확인한다. 4. 예상되는결과 ⅰ 날도래가집을지을때나오는물질에는점성이포함되어있을것이다. - 4 -
ⅱ날도래의점성물질로천연접착제로활용될수있을것이다. ⅲ날도래를이용하여만든접착제를바른상자속쥐는일반합성접착제를바른상자속쥐보다폐의상태, 움직임등이좋을것이다. ⅳ날도래의점성물질로만든천연접착제는물속에서풀어지는현상없이용해되지않고잘붙을것이다. ⅴ날도래의점성물질은인공적으로조합이가능할것이다. 평가기준 독창성 기존지식의통합이나재구성이아니라새롭고흔히볼수없는내용인가? 과학적가치 제안된과제는과학적가치가있는가? 과학적근거 제안된과제는실현가능성이있는가? 유의사항 1. 제안서내용은 A4 용지 4 매이내로작성. 2. 2~3 개월이내에완료할수있는탐구과제를제안. 3. 탐구과제의제안은 5 월 29 일 ( 금요일 ) 까지홈페이지에업로드. - 5 -