고분자 화학 7,8,9장

(1)

고분자 화학

(2)

열가소성과 열경화성

-_{열가소성 : 열을 가했을 때 고분자가 흐를 수 있는 성질을 가질 수 있는 성질} -_{열경화성 : 열을 가해도 흐름성을 갖지 못하고 고분자 자체의 결합이 끊어지며 , 분해가 일어나는 성질} -_{열가소성 : 열을 가했을 때 고분자가 흐를 수 있는 성질을 가질 수 있는 성질} -_{열경화성 : 열을 가해도 흐름성을 갖지 못하고 고분자 자체의 결합이 끊어지며 , 분해가 일어나는 성질}

특 징

열가소성 - _{고분자 사슬의 유동성은 2}_{차 결합에 의해 결정} - 단 , _{용융상태가 되어 흐름성이 좋아지면 , 2}_{차 결합의} 결합력이 무시 열경화성 - _{고분자의 가교는 고분자 사이의 결합에 의해 고분자가} 연결되어 그물 모양의 구조를 갖는 것을 말함 . - 이 때의 결합은 1 차 결합과 버금가는 결합력으로 인해 유동성을 부여하기 위해 열을 가할 경우 1 차 결합도 동일

(3)

열가소성과 열경화성

강력한 2 차결합으로 인한 경화성 부여

- Polyacrylonitrile 분자 상호간에는 약한 dipole-dipole interaction 이 존재

- dipole-dipole interaction 의 결합 에너지는 1 차 결합 에너지보다 작지만 분자 내에 무수히 많은 결합 이 존재하기 때문에 그 많은 2 차 결합을 분해하기 전에 Polyacrylonitrile 분자의 1 차 결합이 먼저 분해되 는 degradation 이 발생 - Cellulose 역시 가교되어 있지 않은 고분자지만 반복 단위에는 3 개의 수소 결합이 가능한 – OH group 이 있기 때문에 2 차 결합의 수가 매우 많아 온도를 올리면 용융되기 전에 1 차 결합이 분해

- 단 , Cellulose 의 OH 기를 에스테르화 반응을 거쳐 Cellulose acetate 로 만들면 cellulose 의 수소결 합이

소멸되므로 열가소성을 부여할 수 있음 .

강력한 2 차결합으로 인한 경화성 부여

- Polyacrylonitrile 분자 상호간에는 약한 dipole-dipole interaction 이 존재

- dipole-dipole interaction 의 결합 에너지는 1 차 결합 에너지보다 작지만 분자 내에 무수히 많은 결합 이 존재하기 때문에 그 많은 2 차 결합을 분해하기 전에 Polyacrylonitrile 분자의 1 차 결합이 먼저 분해되 는 degradation 이 발생 - Cellulose 역시 가교되어 있지 않은 고분자지만 반복 단위에는 3 개의 수소 결합이 가능한 – OH group 이 있기 때문에 2 차 결합의 수가 매우 많아 온도를 올리면 용융되기 전에 1 차 결합이 분해

- 단 , Cellulose 의 OH 기를 에스테르화 반응을 거쳐 Cellulose acetate 로 만들면 cellulose 의 수소결 합이 소멸되므로 열가소성을 부여할 수 있음 .

OH + HOCCH

₃

O

esterification

O C

O

CH

₃

+ H

₂

O

(4)

고분자 구조의 규칙성

분자의 입체규칙성은 고분자 물성에 큰 영향을 미침 . 즉 , 고분자가 공간을 채울 때 규칙성의 유무 , 규칙성의 종류 등에 따라 밀도 , 용융온도 등이 달라지게 되 어 결과적으로 기계적 성질을 비롯한 물성에 영향을 주게 됨 .

예를 들어 polyethylene 은 – CH2-(methyl) 기가 반복되어 매우 단순한 평면 zigzag 의 행태로 존재

그러나 side group 이 존재하는 경우 side group 으로 인해 구조가 달라지게 되며 , PP(polypropylene) 의

경우 side group 인 methyl 기에 의해 한 평명에 있지 못하고 약간씩 회전하는 나선형태를 이룸

또한 앞에 말한바와 같이 methyl 기의 방향에 따라 isotactic, syndiotactic, atatic 으로 구분하여 존재

입체규칙성과는 달리 중합에 의한 head to head, head to tail 형태의 중합이 이뤄질 수 있음 .

분자의 입체규칙성은 고분자 물성에 큰 영향을 미침 .

즉 , 고분자가 공간을 채울 때 규칙성의 유무 , 규칙성의 종류 등에 따라 밀도 , 용융온도 등이 달라지게 되 어

결과적으로 기계적 성질을 비롯한 물성에 영향을 주게 됨 .

예를 들어 polyethylene 은 – CH2-(methyl) 기가 반복되어 매우 단순한 평면 zigzag 의 행태로 존재

그러나 side group 이 존재하는 경우 side group 으로 인해 구조가 달라지게 되며 , PP(polypropylene) 의

경우 side group 인 methyl 기에 의해 한 평명에 있지 못하고 약간씩 회전하는 나선형태를 이룸

또한 앞에 말한바와 같이 methyl 기의 방향에 따라 isotactic, syndiotactic, atatic 으로 구분하여 존재 입체규칙성과는 달리 중합에 의한 head to head, head to tail

형태의 중합이 이뤄질 수 있음 . C C C C CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC C C C C CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC

(5)

결정성 고분자

-_{온도가 충분히 높아 고분자가 용융되어 있을 떄 고분자 사슬들은 뭉쳐져 있는 지렁이들처럼 움직이며 ,} 응고 온도 이하에서 고분자는 열역학적으로 편안한 형태를 취하려고 함 . -_{자유스러운 형태 , 즉 random coil 상태에서 그림과 같이 가지런히 정돈되는 과정을 결정화라고 함 .} -_{가지런하게 정돈된 부분은 결정을 이루고 나머지 부분은 비결정 영역이 됨 .} -_{고분자가 결정화되는 과정은 무질서도가 줄어드는 과정이므로 발열 과정이며 , 이 때의 열을 결정화열} 이라고 함 . - 또한 분자구조가 규칙적일수록 결정화는 더 쉽게 일어나며 결과적으로 결정화도가 더 높음 . -_{온도가 충분히 높아 고분자가 용융되어 있을 떄 고분자 사슬들은 뭉쳐져 있는 지렁이들처럼 움직이며 ,} 응고 온도 이하에서 고분자는 열역학적으로 편안한 형태를 취하려고 함 . -_{자유스러운 형태 , 즉 random coil 상태에서 그림과 같이 가지런히 정돈되는 과정을 결정화라고 함 .} -_{가지런하게 정돈된 부분은 결정을 이루고 나머지 부분은 비결정 영역이 됨 .} -_{고분자가 결정화되는 과정은 무질서도가 줄어드는 과정이므로 발열 과정이며 , 이 때의 열을 결정화열} 이라고 함 . - 또한 분자구조가 규칙적일수록 결정화는 더 쉽게 일어나며 결과적으로 결정화도가 더 높음 .

(6)

결정성 고분자

-_{Isotacticity 혹은 syndiotacticity 가 높은 고분자 , 즉 ,} 입체규칙성이 높은 고분자는 결정화를 더 쉽게 할 수 있으며 , atactic 고분자는 결정화할 수 없기 때문에 비결정성 고분자로 존재

-_{HDPE 의 경우 선형으로 folded chain 구조를 쉽게 취할} 수 있어 결정화가 쉬우며 , 이로 인해 밀도가 높아져 고밀도 PE 가 됨 . -_{Isotacticity 혹은 syndiotacticity 가 높은 고분자 , 즉 ,} 입체규칙성이 높은 고분자는 결정화를 더 쉽게 할 수 있으며 , atactic 고분자는 결정화할 수 없기 때문에 비결정성 고분자로 존재

-_{HDPE 의 경우 선형으로 folded chain 구조를 쉽게 취할}

수 있어 결정화가 쉬우며 , 이로 인해 밀도가 높아져 고밀도 PE 가 됨 . 특성 LDPE HDPE 밀도 (g/ ㎤ ) 인장강도 (kgf/㎠ ) 연화온도 (℃) 용융점 (℃) 0.92 114 90 110 투명 0.96 217 120 130 반투명