각종 고분자 내용 정리

1. 고분자의 용도 (각종용기, 포장제, PC, 첨단전자정보기기, 자동차, 항공기, 선박, 의료용품등)

•플라스틱 기술

플라스틱은 만들기 쉽고 가벼우며, 값이 저렴하고 장기간 썩지 않는 특성을 지닌다. 또한 고 부가가치의 재료로도 활용되고 있으며, 환경보호를 위해 자연에서 분해 되는 플라스틱이 개발되었다.

 

2. 고분자의 분류 (여러가지 관점에서 분류)

‣산출상태

•천연고분자

-무기계 : 운모, 석묵, 다이아몬드

-유기계 : 셀루로즈, 전분, 천연고무, 단백질

-생체계 : 효소, 핵산

•개질 천연고분자

-무기계 : 유리

-유기계 : 초산셀루로즈, 질산셀루로즈

•합성고분자

-무기계 : 유리, 세라믹, 합성그라파이트, 폴리실록산, 폴리포스파젠

-유기계 : 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, PVC, 폴리부타디엔

‣구조형태 ‣합성법

•선형, 쇄상 •단계중합 -중축합 : 폴리아미드

•분지 -중부가 : 폴리우레탄

•가교, 망상 •연쇄중합 -부가중합 : PVC

•모노머조성 -개환중합 : 옥사이드

 

3. 고분자의 일반적 성질

‣기계적 성질

•저분자 : 강도가 거의 없지만 저온에서 결합성이 단단한 고체이다

•고분자 폭넓은 성질을 나타내며 비중은 작지만 금속에 필적하는 강도, 탄성, 경도, 강인함, 반발력등을 나타낸다

‣열적 성질

•저분자 : 명확한 비점과 융점을 경계로 고상, 액상, 기상으로 상변화한다

•고분자 : 가열하면 어느 온도 범위에서 연화 융해 하며 더욱 가열하면 기화전 분해된다

 

4. 고분자의 용해성

•물질의 용해성은 용질과 용매의 화학구조 및 분자간력에 의해 결정된다

•친수성기인 수산기, 카르복실기, 아미노기, 술폰기 등을 갖는 화합물은 극성 용매에 녹는다

•소수성기인 알킬기와 페닐기 등으로 된 화합물은 비극성 용매에 녹는다

•저분자는 빨리 용해되지만 고분자는 일단 팽윤된 후 녹는다. 고분자의 융해성은 화학구조, 분자량, 결정성, 분자구조등에 따라 영행을 받는다.

 

극성 고분자와 비극성 고분자

•고분자를 구성하는 원자사이에 전기음성도의 차이가 있으면 그 분자는 극성을 띈다

•고분자 사슬은 대부분 공유결합이다

•공유결합에 참여하는 원자쌍의 전기음성도가 서로 다른 경우 극성 분자가 된다

•전기음성도는 P>O>N>Cl 순으로 감소한다

•휘발성을 가지는 용액의 극성 정도는 용매의 용해도 인자와 강한 상관관계를 나타낸다

•극성이 큰 용매 일수록 용해도 인자값이 크다

 

5. 고분자의 결합

•고분자의 결합은 고분자의 골격을 이루는 1차결합과 고분자 사이의 인력에 해당하는 2차 결합으로 구분된다

•2차 결합에는 이온결합, 수소결합, 쌍극자-쌍극자 힘, 반데르왈스 힘 등이 있다.

 

6. 이온결합

•전자를 내주고 양이온이 되기 쉬운 원소와 전자를 얻어 음이온이 되기 쉬운 원소가 접근

•전자를 주고 받아 양이온과 음이온이 생성

•두 양이온과 음이온 사이에 정전기적 인력 작용으로 결합 형성

•양이온과 음이온의 화학식 : 양이온의 전하 X 양이온의 수 + 음이온의 전하 X 음이온의 수 = 0

‣이온결정

•이온 결합 물질은 높은 온도에서 분자로 존재, 보통 온도에서는 더 낮은 에너지 상태로 안정한 결정성의 고체로 존재

•이온 결정 물질의 녹는점이 높은 이유는 이온 사이의 거리가 짧을 수 록 결합력이 증가해서 녹는점과 끓는점이 증가함

•이온의 전하량이 커도 결합력이 증가해서 녹는점과 끓는점이 증가

 

7. 쌍극자-쌍극자 힘

•극성분자들 사이에 작용하는 힘

•힘의 원인 : 정전기적 인력, 극성 분자들의 양전하의 중심과 음전하의 중심이 가까워지는 배열로 생기는 정전기적 인력

 

8. 수소결합 (극성을 띈 수소 화합물에서의 쌍극자-쌍극자 사이의 인력) •강한 쌍극자-쌍극자 간섭의 한 형태

•전기음성도 차이에 의한 인력

•수소 결합은 분산력보다 커서 녹는점, 끓는점이 분자량에 상관없이 매우 높다

 

9. 범용고분자 (범용 고분자는 다양한 용도로 대량 사용되는 고분자로 HDPE, LDPE, PVC, PP, PS)

•범용 고분자는 값이 싸고 가공성이 우수하며, 가볍고 보편적인 용도에 알맞은 물성을 가지고 있어, 다양한 용도로 대량 사용된다.

‣Polyethylene (PE)

•LDPE는 250℃-2500atm의 고온 고압 조건 하에서 라디칼 중합으로 합성하는 ethylene의 homopolymer이다

•HDPE와 LDPE는 배위중합 총매에 의하여 합성

•LDPE는 전선의 피복에 많이 사용

•유연한 용기와 포장필름으로도 사용되며, 종이컵 내부에도 코팅

•투명도가 높아 비닐하우스에 많이 사용.

‣Polypropylene (PP)

•PP는 isotactic PP, syndiotactic PP 및 atactic PP 가 있다

•Naphtha를 분해하면 ethylene 뿐만 아니라 propylene도 다량 생산된다

•isotactic PP의 출현은 공업적가치가 매우 크다

•isotactic PP는 가볍고 인장강도가 우수하기 때문에 실험복, 작업복, 벨트, 이불솜, 담배의 포장지 등으로 사용

‣Polystyrene (PS)

•PS는 styrene을 중합하여 합성한다

•PS는 투명하고 유리전이온도가 100℃로 높기 때문에 많은 용도로 응용할 수 있지만, 충격에 매우약한 결점을 가지고 있다.

•스틸렌계 고분자로는 일반용 PS, 내충격성 PS, ABS, SAN이 있다.

•제품의 값을 GPPS<HIPS<SAN<ABS 순으로 증가

‣Poly(Vinyl chloride) (PVC)

•PVC도 염소가 (-Cl)의 비대칭 때문에 isotactic, syndiotactic, atactic의 구조를 가질 수 있다.

•ethylene에 염소를 부가하여 ethylene chloride (EDC)를 만든 후 이것을 원료로 하여 Vinyl chloride가 만들어진다.

•현재 사용되고 있는 PVC는 Vinyl chloride를 라디칼 중합한 atactic PVC다

‣Polyurethane

•Hydroxy기 (-OH)와 isocyanate기 (-NCO) 사이의 반응으로 urethane 결합이 생성되는데, 이와 같이 urethane 결합으로 이루어진 고분자를 Polyurethane 이라고 한다

•Polyurethane계 합성고무는 기계적인 강도가 천연고무의 1.5~2배이며, 이중결합을 가지고 있지 않으므로 내구성이 좋다

•Polyurethane은 합성 섬유로 이용되면 탄성이 좋으므로 Spendex섬유를 만들기도 한다

•접착제나 페인트에도 사용되고 있으며, 단열제, 방음제 등으로 사용하고 있다

‣Epoxy 수지

•Epoxy수지는 고리열림 중합반응의 생성물질로 그 분자 내에 2개 이상의 epoxy를 가지고 있는 화합물이다

•Epoxy기는 amino기 또는 hydroxyrl와 반응하여 중합되며, epoxy 수지 자체 내에 있는 hydroxy기와 반응하여 가교될 수 있다

•Epoxy수지 경화물은 강도가 높고, 치수 안전성이 양호하여 흡수율이 비교적 낮다

 

10. 엔지니어링 플라스틱

•엔지니어링 플라스틱은 범용 엔지니어링 플라스틱과 특수 엔지니어링 플라스틱으로 분류된다

•엔지니어링 플라스틱은 기계적 성질이나 내열성 등이 우수하여 전기, 토목, 건축 및 기타 산업에서 구조 재료나 공업 부품으로 사용된다

•특수 엔지니어링 플라스틱은 내열온도가 아주 높거나 기계적인 강도가 매우 우수한 플라스틱으로 가격이 비싸기 때문에 특수한 용도에만 사용된다

•엔지니어링 플라스틱의 내열온도와 가격의 관계에서 내열온도가 높은 플라스틱일 수 록 가격이 증가함

•엔지니어링 플라스틱이 사용되는 분야 : 자동차용>전기전자용>기타산업용

 

11. 엔지니어링 플라스틱의 분류

‣엔지니어링 플라스틱적 범용 플라스틱

•페놀수지(PE) : 열경화성 수지

•불포화 폴리에스테르(UP) : 열경화성 수지

•경질염화 비닐 수지(H-PVC)

•ABS 수지

•에폭시수지(EP) : 열경화성 수지

‣범용 엔지니어링 플라스틱

•폴리아미드(PA)

•폴리아세틸(POM)

•폴리카보네이드(PC)

•폴리페닐렌옥사이드(PPO)

•폴리부틸테레프팔레이트(BPT)

‣특수 엔지니어링 플라스틱

•폴리아미드(PI) : 열경화성 수지

•폴리아미드아미드(PAI)

•폴리술폰(PSF)

•폴리페닐렌술피드(PPS)

•폴리에테르술폰(PES)

•폴리에테르에테르케톤(PEEK)

•실리콘수지(SI) : 열경화성 수지

 

12. Polyamide (PA)

•나일론 6과 나일론 66을 각각 PA-6, PA-66으로 명명

•유리섬유로 복합 재료화 하였을 때 인장강도, 굴곡탄성률, 충격강도가 크게 증가하며, 열변형 온도도 크게 향상

•PA-6 의 용도 : 자동차(59%), 전기전자(15%), 기타(26%)

•PA-66 의 용도 : 자동차(61%), 전기전자(13%), 기타(26%)

13. Polyacetal (POM)

•Polyacetal은 일반식이 -(CH₂O)n-과 같은 구조를 가지고 있는 Poly(oxymethylene) (POM) 단일 중합체와 여기에 -CH₂CH₂O- 단위체가 공중합 되어 있는 공중합체 이다

•Polyacetal 수지의 물성

구분	공중합체	단일중합체
결정화도	65~75%	75~85%
제조법	양이온중합	음이온중합
열안전성	우수	분해용이
섬유강화플라스틱	강화용이	강화곤란

•Polyacetal 수지의 용도 : 자동차(32%), 전기전자(28%), 기타(40%)

 

14. Polyimide (PI)

•PI는 내열성 및 난연성이 가장 우수한 엔지니어링 플라스틱으로 열가소성 수지와 열경화성 수지가 있다

•PI의 연속 사용 온도는 250℃로, 내열성 엔지니어링 플라스틱 중 가장 높으며, 단시간 동안에 270℃~500℃정도까지 견딜 수 있다

•PAI는 연소시 연기가 거의 발생하지 않으며 내 방사성이 아주 우수하다

 

15. 불소계 고분자

•불소 플라스틱은 매우 우수한 화학적 특성과 열적성질을 가지고 있다

•PTFE는 Teflon 이라는 상품명으로 개발되었으며 내열성 뿐만 아니라 다른 물질과의 비접착성을 가지고 있기 때문에 주방가구의 coating 용으로 많이 사용된다

•PTFE는 모든 산과 알칼리 및 용매에 잘 견디는 우수한 특성을 가지고 있다

 

16. 무기계 고분자

•고분자를 고온에서 2000℃ 이상의 온도에서도 내열성이 유지되며 강도 및 탄성률이 우수한 무기 고분자를 만들 수 있다

•이들 무기 고분자 섬유는 다른 고분자와의 복합 재료로 이용 되어 우주왕복선, 항공기 재료 등으로 사용

•대표적인 무기 고분자인 규소 수지는 3차원 네트워크 구조를 가지게 할 수 있다

 

17. 고분자 블렌드

•고분자 블렌드는 서로 다른 고분자를 물리적으로 혼합하여 다양한 물성을 나타내도록 한 것이다

•고분자의 물성을 개질하는 방법으로 공중합 대신, 서로 다른 고분자를 물리적으로 혼합하는 고분자 Blend 방법이 훨씬 다양한 물성을 구현할 수 있고, 비용도 적게 드는 경우가 많다

•고분자를 Blending 하는 방법으로는 용매에 각 고분자를 영해하여 섞은 후 용매를 증발 시키는 방법이 있지만, 공업적으로는 두 고분자를 용융상태에서 혼합하는 방법을 주로 이용한다

 

18. 생분해성 고분자

•생분해성 고분자란 곰팡이, 박테리아 등과 같은 미생물에 의해 물과 이산화탄소, 메탄 등으로 완전히 분해되는 고분자를 말한다

•그 중에서 전분과 같은 생분해성 물질에 분해 되지 않은 범용 고분자를 첨가한, 부분분해성 물질을 생붕괴성 고분자라 하며, 빛에 의해 산화되거나 케톤 광분해 등으로 분해되는 고분자 들을 광분해성 고분자라 한다

•사용 후 퍠가 하였을 때 토양중의 미생물들에 의해 분해될 수 있는 환경친화적인 고분자의 연구 개발이 진행되고 있으며 이미 산업화 된 고분자들도 많다

•생분해성 고분자는 천연 고분자, 합성 고분자, 미생물 생산 고분자, 천연 고분자와 합성 고분자의 블렌드 등으로 구분할 수 있다

 

19. 천연고분자

•곡물에서 추출되는 전분, 게나 새우의 껍질에서 얻을 수 있는 키틴, 셀룰로오스 등의 상분해 되는 천연 고분자

20. 고분자 고체 구조 (고분자의 성질은 하나의 고분자 사슬 및 그들의 집합체가 관여하여 결정된다)

•단분자 사슬에 관여하는 인자 : 기본 구성단위의 화학구조, 분자량과 그의 분포, 입체적 구조 등

•분자 사슬의 집합체에 관여하는 인자 : 결정구조, 결정의 크기, 결정 중의 분자 사슬의 형태 등

‣고분자의 주된 분석 방법과 그 대상

•적외선 분광법(핵자기 공명) : 화학구조 (기본구조, 관능기), 입체구조 등

•X선 회절 : 결정구조, 결정화도 등

•열분석 : 유리전이온도, 융점, 융해열, 열안전성 등

•전자 현미경 : 표면상태와 미세 구조 등

•그 외 자외-가시분광 분석, 밀도 측정, 화학적 방법 등 목적에 따라 각종 분석 기법이 사용되고 있다