[고분자재료설계 레포트] PART 2 (고분자 고차구조를 설계, 고분자 블렌드의 벌크 상 거동, 나노 고차 구조 morphology 도출)

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[고분자재료설계 레포트] PART 2 (고분자 고차구조를 설계, 고분자 블렌드의 벌크 상 거동, 나노 고차 구조 morphology 도출)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 개요

2. 이론적 배경
2-1. 고차 구조와 블록공중합체
2-2. 자기조립 (self-assembly)
2-3. 고분자 블렌드
2-4. 블록공중합체의 상 분리 현상
2-5. 이중블록공중합체
2-6. 삼중블록공중합체

3. 고분자 블렌드의 벌크 상 거동 설계 조건

4. 블록공중합체계의 선정 및 고차구조의 설계 조건

5. 결과 및 논의
5-1. 분자 변수 및 제반 변수 (변인 통제)
5-2. 이중 블렌드의 벌크 상 도 및 상 거동 논의
5-3. 블록공중합체계의 나노 구조 도출 및 물성-구조 상관관계 논의
5-3-1. 블록공중합체계의 나노 구조 도출
5-3-2. 물성-구조 상관관계 논의

6. 결론

7. 참고문헌

본문내용

바로 [그림 17]의 8가지이다. 이처럼 같은 조성비와 설계 조건이 같으며 linear의 조건이여도 film과 melt에 대하여 각자의 특징적인 morphology가 있음을 알 수 있다. 또한, A/C 블록이 이루는 구불구불한 라멜라 구조에 2/3의 타원형 B 블록이 라멜라에 수직으로 연결되어 있는 구조인 kniiting pattern(kp) 구조와 구형의 구조가 실린더 주위에 붙어 있는 sphere-on-cylinder(soc)의 구조 등의 다양한 morphology를 확인할 수 있다.
[그림 18]은 ABC linear-3D-film에서 A의 조성비가 10일 때의 morphology이다. 이는 [그림 15]의 한 개의 조성을 0으로 두고, 2개의 조성만 바꾼 것과 비슷한 경향성을 보였다. [그림 15]에서는 Sphere의 형태로부터 Cylinder, Gyroid를 거쳐 lamella의 형태에 이르게 됨을 보였고, [그림 18]은 그 곳에 한 가지의 비율이 더 들어가는 morphology를 보였다. 그리고 이 또한 그 이상에 이르면 형태가 뒤바뀐 역구조의 형태로 변해 간다는 것을 볼 수 있었다. ABC linear-3D-film 외에도 ABC linear-3D-melt에서도 3가지 고분자를 조성했을 때 비슷한 경향성을 보였다.
[그림 19]는 ABC star-3D-melt에서 2개의 조성만 있을 때의 morphology이다. star 공중합체는 한 지점에서 고분자가 뻗어나가므로 규칙적이다. 위의 그림에서 볼 수 있듯이 이는 모두 혼합이 잘 된 모습을 볼 수 있다. 또한 [그래프 9]의 ABC star-3D-melt 전체모습에서 삼각형의 중심으로 갈수록 더욱 치밀한 형태로 거의 혼합이 된 상태가 되어가는 것을 볼 수 있다.
6. 결론
Task 1로서 고분자 블렌드의 상 분리 구름점(cloud point) 계산 코드를 이용하여 주어진 사슬 길이에 따라 고분자 블렌드의 상 도(phase diagram)를 설계하였다. 블록 공중합체의 상 구조는 블록의 부피 분율(), 전체의 중합도(N), 그리고 Flory-Huggins parameter()의 세 가지 변수에 영향을 받는다. 중합도는 100:100과 500:100으로 고정하였고 부피 분율과 Flory-Huggins parameter를 조정하며 값을 구하여 Binodal 그래프를 그렸고, Spinodal과 임계점은 방정식을 통해 구하여 그래프를 완성하였다. 두 그래프 모두 LCST가 나왔으며 이는 승온하면 , 가 되어 발열 과정으로 인해 용해 현상이 일어나서 섞이게 됨을 뜻한다. 즉, 용해가 일어나면 엔트로피가 증가하여 두 고분자의 blend는 상대적으로 낮은 온도에서 섞일 수 있음을 알 수 있다. 또한, Spinodal의 안쪽은 서로 고분자들이 너무나 싫어해서 섞이지 않고 상분리가 되며 바깥쪽은 상이 섞여있는 곳으로 안정한 영역이고, 두 그래프 사이는 준안정 상태임을 분석하였다. 그리고 100:100의 그래프는 좌우대칭인 반면 500:100은 그와 다르게 한 쪽으로 치우친 형태를 보였다. 이처럼 같은 크기의 와 일 경우에는 대칭인 그래프가 나오지만 크기를 달리 한다면 한 쪽으로 치우친 다른 형태의 그래프를 얻을 수 있었다. 또한, 본 설계를 통하여 고분자의 크기에 따라 임계점의 위치가 다르며, , , 값을 변화시키기 위해서는 미세한 차이를 주어야 한다는 것을 알게 되었다. 이를 통해 매우 미세한 상 분리가 가능하며 block copolymer의 혼화성을 이용하면, nm 단위에서 이를 발현시켜 두 고분자의 물성을 적절히 활용할 수 있다.
Task 2로서는 블록공중합체 고차구조 설계 코드를 이용하여 삼원블록공중합체 벌크, 박막 및 미셀의 나노구조를 단량체 간 비친화 에너지를 포함한 여러 분자변수 제어를 통하여 설계하고 이에 대하여 나노구조 시각화하였다. 이에 대한 설계를 통하여 삼원 블록공중합체의 다양한 morphology를 볼 수 있었다. ABC linear-3D-film과 ABC linear-3D-melt은 비슷한 경향의 morphology를 보이는 부분이 있었으며, 몇몇 부분은 조성비가 같더라도 film과 melt의 차이에 의하여 각각의 특징적인 morphology를 볼 수 있었다. 그리고 ABC star-3D-melt는 한 점으로부터 시작하는 블록공중합체여서 매우 규칙적으로 혼합이 되어 있는 morphology를 볼 수 있었고, phase diagram triangle의 중심으로 갈수록 더욱 치밀한 morphology가 나타났다.
결과적으로, 본 설계(Task 1과 2)를 통하여 블록공중합체의 블록 사이에서는 비친화에 인한 상 분리 현상에 대한 고분자계의 고차구조를 설계하였으며, 그에 대한 고분자 블렌드의 벌크 상 거동과 고분자 재료의 나노 고차 구조 morphology를 도출하였다.
7. 참고문헌
[1] CLEAN PNG, phase diagram triangle, https://www.cleanpng.com/
[2] 조준한, “고분자재료설계”, 단국대학교, (2020.09-2020.12).
[3] 윤창한, “고분자공학 2 : 고분자의 구조 및 특성”, 한경대학교, (2015).
[4] Hongbo Feng 외 4명, “Block Copolymers : Synthesis, Self assembly, and
Applications”, Polymers, 494, (2017. 09)
[5] Kim Hong Sung, “고분자 화학”, 부산대학교, (2015).
http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1107584
[6] 김진곤, “블록공중합체(BCP)의 원리 및 응용”, NEWS & INFORMATION
FOR CHEMICAL ENGINEERS, 28(6), 703, (2010).
[7] 포스텍 기초과학연구원 복잡계자기조립연구단, “자기조립의 한계에 도전,
세계적 연구센터로 도약”, 화학세계, 34, (2014. 05)
[8] 이준영과 장태현, “삼중블록 공중합체의 미세구조”,
Polymer Science and Technology, 23(5), 525, (2012)

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