[고분자재료설계 레포트] PART 1 (Polystyrene를 설계 후 C의 값 도출 및 분석)

소개글

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목차

1. 개요

2. 이론적 배경
2-1. 고분자의 구조
2-2. 사슬의 크기 척도
2-3. 고분자 사슬의 규모
2-4. (Flory‘s Characteristic ratio)

3. 설계 조건 및 방법
3-1. 1차 구조 및 설계 조건
3-2. 설계 방법

4. 결과 및 논의
4-1. C의 값 도출 및 분석
4-1-1. 길이 변화
4-1-2. 로딩 변화
4-1-3. 온도 변화
4-2. 고분자 벌크 물성 예측 및 분석

5. 결론

6. 참고문헌

본문내용

멀어지게 되어 사슬의 회전 반경이 커지게 된다.
이를 토대로 우리의 설계에서 나온 그래프를 분석하여보겠다. 위의 설명에 따르면 길이가 길어질수록 Torsion은 줄어들고, 와 C는 커져야 한다. [그래프 2]는 길이에 따른 이고, [그래프 4]는 Radius of Gyration으로서의 접근에 대한 C의 값이다. [그래프 4]의 10은 약간의 오차가 있었지만 나머지는 커지는 경향을 띠는 것을 보아 측정이 잘 되었다고 할 수 있다. 하지만, 길이에 따른 Torsion distribution을 나타낸 [그래프 1]과 Conformation (형태)로서의 접근에 의한 C의 값을 그린 [그래프 3]은 이론적으로 예상한 경향성과는 다르게 나온 것을 확인할 수 있다. 이는 설계 시에 설정한 게 많아서 생긴 오차라 할 수 있다. 추가적으로 Angle과 Length distribution은 모두 비슷하게 나온 것을 보아 측정이 잘 되었다 할 수 있다.
4-1-2. 로딩의 변화
로딩이 커진다는 것은 chain length가 10인 고분자(REF)의 set가 증가하는 것을 뜻한다. 고분자의 로딩이 증가하면 System box(Periodic box) 내에 들어가는 고분자가 많아져서 뒤틀림 각에 제한이 생겨 Rigid해지고, Torsion의 값이 작아진다. 즉, 고분자가 bulky해져서 분자량이 커지며 chain flexibility가 떨어지게 되어 C의 값이 커진다. 하지만 위의 그래프에서 알 수 있듯이 이론에 의한 결과와는 다른 경향성을 나타내었다. 이 역시 설계 시에 설정한 게 많아서 생긴 오차라 할 수 있다. 추가적으로 Angle distribution, Length distribution, Radius of Gyration은 비슷하게 나온 것을 보아 측정이 잘 되었다 할 수 있다.
4-1-3. 온도의 변화
온도가 증가하면 고분자의 에너지는 높아져서 Flexible하게 된다. 4-1-2에서 설명했듯이 Flexible하게 되면 C의 값이 작아지고, Rigid하면 C의 값은 커진다. 하지만 위의 그래프([그래프8, 9])를 보면 알 수 있듯이 본 설계에서는 C의 값이 감소하는 경향을 보이지 않았다. 이는 우리가 고분자(PS)를 chain length를 10으로, loading을 5로 설계하였기 때문이다. 설계된 고분자는 고분자라기보다는 분자량이 매우 작은 Oligomer로 보는 게 맞다. 또한, Torsion distribution에서 오차가 크게 있어서이기도 하다. 이론값에서는 결합이 회전하지 않는다고 가정을 하지만 실제 사슬에서는 회전을 한다. 즉, 온도가 높아질수록 Flexible하게 되어 회전 제약이 줄어들어서 회전 가능한 범위가 증가한다. 그래서 Torsion distribution이 증가하는 경향을 보여야 하지만 [그래프 10]에서 보듯이 예상과는 다른 경향성을 보여서 오차가 생겼다고 할 수 있다. 추가적으로 Angle distribution, Length distribution, Radius of Gyration은 비슷하게 나온 것을 보아 측정이 잘 되었다 할 수 있다.
4-2. 고분자 벌크 물성 예측 및 분석
Part 1의 두 번째 task로서, 우리가 직접 설계한 고분자 중 세 개를 선택한 뒤 Forcite Plus 패키지를 이용하여 문헌에 나오는 실험 데이터와 비교하고, 벌크 물성(제반 집합체) 3가지(density, soluability parameter, young modulus)를 분석한다. 하지만, 이에 대한 설계는 하지 않았으므로 생략을 하도록 하겠다.
5. 결론
본 PART 1 설계에서는 Biovia의 Materials Studio(MS)를 이용하여 직접 Polystyrene를 설계하였다. 고분자의 길이, 온도, 로딩을 변화하여 설계를 한 뒤 미시적인 값(Angle distribution, Length distribution, Torsion distribution, Radius of gyration)을 측정하였으며, 이를 Conformation로서의 접근과 Radius of Gyration로서의 접근으로 C(Flory’s Characteristic ratio)의 값을 도출하여 설계 조건에 따른 physical property, flexibility와 경향성을 분석하였다.
위의 설계의 결과에 대하여 분석을 한 결과, 5가지를 알 수 있었다. 첫 번째, 고분자의 길이가 증가하면 분자량이 커지며 회전 시에 영향을 끼치기 때문에 회전 제약이 커져서 Torsion의 값이 작아지고, Rigid(not flexible)해지고 C의 값이 커진다. 두 번째, 고분자 사슬이 길어지면 단량체들이 사슬의 무게중심으로부터 멀어지게 되어 Radius gyration (사슬의 회전 반경)이 커지게 되어 C의 값이 커진다. 세 번째, 고분자가 bulky해지면 분자량이 커지며 chain flexibility가 떨어지게 되어 C의 값이 커진다. 네 번째, 온도가 높아지면 고분자의 에너지는 높아져서 Flexible하게 되어 C의 값은 작아진다. 마지막으로, Angle distribution과 Length distribution은 큰 변화가 없다. 이를 간단하게 아래에 표현하여 보았다.
길이, 분자량, 부피 , , Flexible, 온도, C,
하지만 설계에서 나온 값의 대부분이 이론에 의한 결과와 다르게 나타내었다. 이는 설계 시에 많은 부분을 고정시켜서 몇 개의 값만 바꾸도록 조건을 단순화하여서이고, 실제 사슬의 거동은 이론과는 다르게 요인에 대하여 직접적인 영향을 받기 때문에 오차가 생기는 것이라 할 수 있다.
6. 참고문헌
[1] 조준한, “고분자재료설계”, 단국대학교, (2020.09-2020.12).
[2] 김용규, “고분자재료설계 MS”, 단국대학교, (2020.09).
[3] 윤창한, “고분자공학 2 : 고분자의 구조 및 특성”, 한경대학교, (2015).
[4] 서울대학교 오픈 코스웨어, “Ⅲ. Assembled Nanostructure of Polymers -
Chapter 5. The Amorphous State”, http://ocw.snu.ac.kr/

키워드

고분자의 구조,   사슬의 척도,   고분자 사슬의 규모,   MS,   flory,   PS,   Flory‘s Characteristic ratio