공모연수4-2(이경희(폴리 우레탄폼)&문미자(파동))

김정식수석에 이어 이경희, 문미자 수석님의 발표가 이어졌다.

이경희 수석님은 폴리우레탄폼 만들기, 문미자 수석님은 눈으로 보는 파동장치 만들기 실험을 하였다.

 

< 폴리 우레탄폼 만들기>

                        이경희(대원중 수석)

 

 쿠션을 비롯한 건축 단열재, 뷰티 제품, 퍼즈매트 등에 다양하게 쓰이는 폴리 우레탄 폼에 대해 생각하는 시간을 가졌다.

일정 수준의 점도를 지닌 내용물과 이 내용물을 안정적으로 머금을 수 있는 재질의 스펀지 제작 등 기술적인 연구를 거듭했고, 이후 80만 개의 구멍이 있는 우레탄폼이 적합한 스펀지임을 알아냈고, 이를 다시 콤팩트 타입의 용기에 담아 제품으로 완성해 큰 인기를 끌고 있다.

  이렇게 폴리우레탄 폼은 충격을 흡수해 주고 소음을 막아주고, 내용물을 일정 수준으로 흡수할 수 있는 등 여러 가지 특성을 가지고 있다. 신기하게 부풀어 오르는 폴리우레탄 용액을 이용하여 여러 가지 소품을 만들어보고, 폴리우레탄의 특성과 우리 생활에서 어떻게 활용되는지 알아보았다.

 

실험에 사용되는 폴리우레탄은 열경화성플라스틱의 하나로, 일종의 고분자화합물이다.

고분자화합물은 분자량이 대략 1만 이상인 화합물을 말하며 고중합체(高重合體)라고도 한다. 고분자화합물은 우리 주변에서 흔히 접할 수 있다. 녹말, 섬유소, 단백질, 고무 등 천연으로 존재하는 이런 물질들도 일종의 고분자화합물이다.

이외에도 합성 고무, 나일론·테트론 등의 합성섬유, 베이클라이트·폴리염화비닐(PVC)·폴리에틸렌·스티로폼 등의 합성수지를 포함하는 인공물질도 대표적인 고분자화합물이다.

실험에서 폴리우레탄폼 P용액과 폴리우레탄폼 M용액을 섞고 잠시 기다리면 컵 속의 용액이 점점 부풀어 올라 컵 밖으로 넘치는 것을 볼 수 있다.

이는 두 용액이 섞이면서 이산화탄소가 발생하기 때문으로 거품과 함께 원래 부피의 20~100배까지 커진다.

용액이 컵 밖으로 넘쳐흐르지 않을까 걱정할 필요는 없다.

점성이 있는 용액은 흘러내리기 전에 굳기 시작해 반응이 끝난 뒤 단단해진다.

단단해지기 전에 장식물을 끼워야 하기 때문에 두 용액을 섞은 뒤 거품이 컵의 절반가량 부풀어 올랐을 때 빨대를 끼운다. 너무 늦게 끼울 경우 용액이 딱딱하게 굳어서 들어가지 않을 수 있으니 주의해야 한다. 색깔이 있는 모형을 만들고 싶다면 두 용액을 섞은 뒤 색소를 몇 방울 넣고 저어주면 된다.

반응이 일어나는 동안 컵 주변에 손을 가져가 보면(반응 중인 용액에는 절대 손을 대지 말 것!) 따뜻함을 느낄 수 있다. 이는 두 용액의 반응이 열을 발생하는 발열반응이기 때문이다.

반응식은 다음과 같다.

3) 우레탄폼이 쓰이는 다양한 예

반응이 완전히 끝난 뒤 표면을 살짝 만져보면 딱딱한 것을 알 수 있다. 이는 폴리우레탄폼 중에서도 단단하고 굳은 성질을 갖는 경질폴리우레탄폼으로 단열성, 경량성, 완충성이 뛰어나 단열재나 방음재로 사용된다.

경질 폴리우레탄폼은 열전도율이 매우 낮아 현재 단열재의 80% 이상을 차지하고 있는 재료다. 섭씨 150도의 고온영역에서부터 인공위성 발사로켓의 연료탱크(영하 230도)의 극저온 영역까지 광범위하게 쓰이는 유일한 단열재이기도 하다.

반면 폴리우레탄폼 중 말랑말랑한 성질을 가진 연질폴리우레탄폼은 쿠션성과 통기성이 뛰어나 운송, 가구 등의 포장재, 자동차 내부(쿠션, 바닥의 매트 등), 의류, 신발 등에 주로 사용된다.

폴리우레탄폼은 이런 특징 때문에 생활 속 다양한 분야에서 사용되고 있다. 액체 상태의 용액을 뿌리면 시간이 지나면서 부풀어 오르기 때문에 좁은 틈새를 채울 때 유용하게 사용된다. 또한 반응이 일어나면서 생성되는 거품(기포)은 열의 이동과 소음을 막고 충격 흡수에 효과적이어서 건축 재료로 많이 이용되고 있다.

                <눈으로 보는 파동>

                                       문미자(계남중)

 

파동은 많이 나오는 주제임에도 불구하고 학생들이 이해가 어려운 부분이다.

문미자 수석님은 항상 어려운 내용을 쉬운 실험을 통해 해볼 수 있는 시간을 마련하시는데 올해도 역시나 쉽고 재미있는 실험을 준비해주셨다.

오늘의 실험주제는 눈으로 보는 소리의 파동과 오리를 춤추게 하는 공진파동실험이다.

 

1. 눈으로 보는 소리의 파동

투명한 pet 컵을 사용하여 소리의 진동을 빛으로 알아보는 재미있는 실험이다.

2005년도에 많이 했던 실험인데 다시 보니 또 재미있다.

▶ 준비물 : 투명한 PET컵, 고무풍선, 거울종이, 각도조절기, 양면테이프, 케이블타이,

3구 레이저포인터, 삼각EVA, 나무스틱(대, 소)

 

2. 소리의 진동에 따라 공진하는 오리 만들기

공진의 원리를 설명하기 위해 모루를 이용하여 간단한 장치를 만들었다.

▶ 준비물 : 종이컵, 모루, 칼, 빨대

♤어떻게 할까요?

1) 컵 옆면에 칼로 ×자를 만들어 빨대를 끼운다.

2) 컵을 뒤집어 넣는다.

3) 컵 바닥면에 모루로 오리 모양을 만들어 올려놓는다.

4) 빨대에 입을 대고 도, 레, 미, 파, 솔, ~ 불면서 병아리가 움직이는 음이 무엇인지 알아낸다.

 

▶ 태풍에도 견딜 정도로 튼튼한 다리가 산들바람에 무너질 수 있을까?

1940년 11월7일 미국 워싱턴 주 타코마 해협(Tacoma Narrows)에 놓인 다리가 ‘어이없는’ 바람에 무너진 적이 있다.

아름다운 항구였던 타코마 항에, 당시만 해도 신공법이었던 현수교(Suspension Bridge)로 건설된 이 다리가 탄생했을 때 사람들은 세상에서 가장 아름다운 다리라고 격찬했었다.미국 현대 엔지니어링 기술의 자존심을 건 건축물이었던 만큼, 타코마교는 원래 시속 190km 속도의 초 강풍에도 견딜 수 있도록 설계되었다.

타코마교 붕괴에서는 공진의 원리가 적용됐던 것이다.

양쪽 교각에 연결한 케이블에 다리가 매달려 있는 현수교였던 이 다리는, 바람이 불 때마다 약간의 진동이 생겼는데, 이 진동이 다리 자체가 지니고 있는 고유한 진동과 일치해서 더욱 다리를 진동하게 만들었고 결국 파괴되어 무너져 내렸던 것이다. 즉 바람의 세기가 아니라 공명(공진)현상 때문에, 다리가 붕괴한 것이다.

   사실 이러한 공명의 원리는 우리 생활 깊숙한 곳으로 들어와 매우 유익하게 이용된다.

음식을 데우거나 요리하는데 필수품이 되어버린 전자 레인지도 공명 현상을 이용한 예이다. 전자 레인지는 파장이 약 1.2㎝인 마이크로파를 방출한다. 이 마이크로파에 의해 음식물 속의 물 분자가 공명 현상에 의해 맹렬히 진동하면서 열에너지를 만들어내, 음식물의 온도를 높이면서 데워지거나 조리가 되도록 하는 것이다. 수분이 부족한 음식은 전자레인지로 데우거나 조리할 수 없는 것은 공명시킬 물 분자가 적기 때문이다.

  좀 복잡하긴 하지만 병원에서 많이 쓰는 자기공명단층촬영 장치(MRI) 역시 이러한 공명현상을 활용한 것이다. X선을 사용하지 않으면서 인체의 단면을 선명하게 사진 찍는 MRI의 기본 원리는 인체의 대부분을 차지하고 있는 물(H2O)을 공명 시키는 것이다. 즉 신체 검사를 하고 있는 사람의 몸에 자기장을 걸어주면 몸 안에 있는 수소 원자는 공명 현상에 의해 외부의 전자기파로부터 특정 진동수의 에너지를 흡수한다. 흡수된 에너지가 다시 낮은 상태로 될 때까지의 시간은 질병을 가진 세포에 따라서 다른데, 이 차이를 측정해서 우리 몸 내부의 질병여부를 파악하고 있는 것이다.