액체괴물의 원리와 성분

액체괴물의 원리와 성분

액체괴물의 원리와 성분

 

요즘 아이들에게 인기가 있는 장난감 중 하나인 액괴는 액체괴물의 줄임말로, 마치 슬라임과 같이 흐름성이 있지만 어느정도 형상을 유지할 수 있는 특성을 보이는 점성 물질입니다. 이번 포스팅에서는 액괴, 즉 액체괴물이 어떠한 성분으로 구성되어 있고 어떤 원리로 만들어지는지 알아보겠습니다.

 

액체괴물(액괴)이란?

 

액괴는 마치 액체처럼 흐를 수 있지만 일상에서 볼 수 있는 물 또는 기름과 같은 흐름성이 없고 점도가 일정하지 않습니다. 액체와 같은 흐름성이 있기에 액체괴물이라 불리지만 일반적인 액체와는 다른 특성을 가지고 있습니다. 액체괴물을 좀 더 전문용어로 표현한다면 점도를 비뉴턴유체(non-newtonian fluid)로 바꾸는 물질이라 할 수 있습니다. 즉, 액체괴물은 전단력, 또는 인장응력에 따라 변형에 저항하는 능력이 변화되는 유체라는 뜻입니다.

 

전단속도에 따른 응력과 이에 따른 유체의 종류

 

만약 액체괴물을 다른 용기에 붓거나 손가락으로 천천히 누르면 액괴는 마치 점성이 높아 뻑뻑한 액체처럼 흐릅니다. 하지만 액체괴물을 짜거나 주먹으로 두드리면 마치 물기가 있는 고체처럼 단단한 특성을 보입니다. 강한 응력이나 전단력을 빠르게 가하면 액체괴물의 입자들이 서로 압착되어 미끄러지기 어려워지고 이로 인해 단단한 특성을 보여줍니다.

 

액체괴물의 원리

 

시중에는 여러가지 종류의 다양한 액체괴물 장난감이 판매되고 있으며 그에 따른 화학적 구성 성분이 조금씩 다릅니다. 다만 기본적으로 액체괴물 장난감은 폴리머(중합체)로 이루어져 분자들이 마치 그물과 같은 구조를 가져 서로 미끄러질 수 있습니다.

 

아래는 가장 고전적인 방법인 접착제와 붕사를 이용해 액체괴물을 만드는 과정과 액체괴물을 만들 때 일어나는 화학반응에 대한 설명입니다.

 

재료

 

액체괴물을 만들기 위해서는 두 가지 재료가 필요합니다. 하나는 PVA(또는 PVAc)이며 나머지 하나는 가교제인 붕사(Borax)입니다. PVA와 PVAc는 각각 폴리비닐알콜 및 폴리비닐아세테이트라는 물질로, 접착제에 포함되어 있는 경우가 많습니다. 이 때문에 PVA나 PVAc를 직접 이용하기보다는 PVA 또는 PVAc가 포함되어 있는 풀이나 접착제를 활용하는 경우가 많습니다.

 

 PVAc와 PVA의 화학구조

 

붕사는 화학식 Na₂B₄O₇·10H₂O의 물질로 인터넷을 통해 쉽게 구입할 수 있습니다. 만약 붕사를 직접 구하기 힘들면 붕산 또는 붕산 나트륨이 포함된 쉐이빙 크림, 식염수 용액, 콘택트 렌즈 용액, 세탁 세제 등을 이용할 수 있고 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 포함된 베이킹 소다를 이용할 수도 있습니다.

 

액체괴물의 제작 원리

 

붕사는 물에 녹이게 되면 나트륨 이온(Na⁺) 및 테트라 보레이트 이온(B₄H₄O₉^-2) 이온으로 해리됩니다.

 

해리된 테트라 보레이트 이온은 물과 반응하여 수산화 이온(OH^-) 및 붕산(H₃BO₃)을 생성합니다.

 

B₄O₇^2- (aq) + 7H₂O → 4H₃BO₃ (aq) + 2OH^- (aq)

 

붕산은 물과 반응하여 붕산염 이온을 형성합니다.

 

 H₃BO₃ (aq) + 2H₂O → B(OH)₄^- (aq) + H₃O⁺ (aq)

 

접착제 또는 풀에 존재하는 PVA 사슬의 OH기와 붕산염 시온의 OH기는 수소결합을 형성하며 가교된 중합체가 만들어 집니다. 이를 액체괴물이라 부릅니다.

 

PVA와 붕산염의 가교반응

 

가교된 PVA의 경우 많은 물을 함유하고 있기 때문에 액체괴물은 마치 액체처럼 젖어 있습니다. PVA가 포함된 접착제와 가교제인 붕사의 비율, 그리고 희석재인 물의 양을 조절하면 액체괴물의 특성을 바꿀 수 있습니다. 만약 가교제인 붕사 대비 접착제의 양이 과다하다면 가교 결합의 수가 적어 점성이 약하며 물을 많이 함유하기 어려울 것입니다. 만약 물을 넣지 않고 접착제와 붕사만을 이용해 혼합하여 액체괴물을 만들면 점성이 지나치게 높거나 심지어 딱딱한 액체괴물이 만들어 질 수도 있습니다.

참고

 

(1) J. Chem. Educ. 1986, 63, 1, 57 (doi.org/10.1021/ed063p57)