[고분자합성실험] 스티렌(Styrene)의 유화중합 실험 예비레포트

소개글

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목차

1. 실험 제목
2. 실험 목적
3. 실험 원리 및 이론
4. 참고문헌

본문내용

t = 0 (11)
ri = k'[R'][M] ∝ 2ki[I] (12)
(13)
= (14)
= (15)
= (16)
(17)
식 17의 의미: 라디칼 중합속도, rp 는 단량체 농도에 비례하고, 개시제 농도의 제곱근에 비례한다.
㉰ 반응속도론적 사슬 길이와 중합도
평균 반응속도론적 사슬 길이 (kinetic chain length): ν
= ν (18)
앞에서 이론적 중합속도식을 유도할 때, rp, ri 와 rt를 구해둔 것을 사용하면 다음과 같다. 식 17과 식 13을 사용하면 다음 식 19가 얻어진다.
(19)
반응속도론적 사슬 길이 : 단량체 농도에 비례하고 개시제 농도의 제곱근에 반비례한다.
식 17과 식 19의 비교:
(17)
= ν
(19)
식 17 : 중합 속도를 증가시키는 방법은 단량체 농도를 증가시키거나 개시제 농도를 증가시키면 된다.
식 19 : 개시제 농도를 늘이면 고분자 사슬의 길이가 짧아진다, 즉 고분자의 분자량이 작이지게 된다.
㉱ 정지반응의 종류와 고분자 분자량
◇ 고분자의 생성과 중합도
㉠ 결합반응으로 정지 반응이 일어난 경우의 중합도
결합반응에 의해 정지반응이 일어날 경우에는 사슬의 길이는 2ν 가 된다.
즉, 중합도 (degree of polymerization), Xn 은 식 20과 같이 된다.
Xn = 2ν (20)
㉡ 불균등반응으로 정지반응이 일어난 경우의 중합도
불균등반응에 의해 정지반응이 일어날 경우에는 사슬의 길이는 ν 가 된다.
즉, 중합도, Xn 은 식 21과 같이 된다.
Xn = ν (21)
㉢ 결합반응과 불균등반응이 같이 일어나는 경우의 중합도
결합반응과 불균등반응이 같이 일어나는 경우, 우선 단위시간 당 고분자의 생성 속도, d[P]/dt 는 다음과 같이 쓸 수 있다
= d[P]/dt (22)
이때 수평균 중합도, Xn 은 다음과 같이 쓸 수 있다.
Xn =
(23)
=
(24) = (25)
정지반응 당 생성되는 고분자의 평균수를 ξ(Xi)는 다음과 같이 정의할 수 있다.
= ξ
(26)
=
(27)
중합도에 대해서 식을 정리하면 식 28처럼 됩니다.
= Xn
(28)㉣ 고분자의 분자량
고분자의 분자량은 해당하는 경우의 중합도에 단량체의 분자량을 곱하면 얻을 수 있다.
유화 중합의 반응속도 및 분자량
① 유화 중합이 일어 나는 곳
마이셀 (micelle)의 평균수는 1017-1018 개/mL 이고 단량체 방울의 평균수는 1010-1011 개/mL 이므로 유화중합은 마이셀속에서 일어난다고 가정해도 된다. 단량체 방울의 지름: 보통 < 1 μm (10,000 A)
② 반응속도식의 유도
유화 중합 속도는 단량체 농도, [M]과 라디칼 중합이 일어나는 마이셀의 농도에 비례하는 식으로 표현할 수 있다. (식 29)
(29)
마이셀의 농도를 [N*], 마이셀 당 평균적으로 존재하는 라디칼의 수를 으로 표시하면 활성 마이셀의 농도는 식 30과 같이 됩니다. 그리고 은 보통 1/2인데, 이 값을 대입하면 식 31이 얻어집니다. (다르게 표현하면, 한 순간을 보면, 전체 마이셀의 반이 활동적입니다. 마이셀의 크기가 작아서 라디칼 두개가 만나면 즉시 정지반응이 일어납니다. 마이셀이 활동적인 시간은 새로운 라디칼이 마이셀 속으로 이동해오는 시간까지입니다. )
(30)
(31)
①
②
(마이셀에서의 라디칼의 반응과 소멸)
두개의 긴 라디칼 사슬이 정지반응을 하는 것이 아니라, 마이셀 속에서 성장하던 긴 라디칼 사슬이 마이셀에 새로 들어온 단량체 라디칼과 반응하여 정지반응이 일어나므로, 유화중합에서는 중합도는 반응속도론적 사슬 길이와 같게된다. 유화중합에서 중합 속도와 중합도는 모두 마이셀의 농도에 비례함을 알 수 있다. 개시제의 농도가 크면 유화중합에서도 일반적인 라디칼 중합에서와 마찬가지로 중합도가 감소함을 알 수 있다. 그러나, 일정한 개시반응 속도하에서 마이셀의 농도를 증가함으로써 중합 반응속도와 중합도를 동시에 증가할 수 있다는 것을 보여주는데, 이것이 유화중합이 일반적인 라디칼 중합과 크게 다른 점이다.
중합방법의 비교
방 법
장 점
단 점
벌크 중합
간단하고 순도가 높은 고분자를 얻을 수 있음
중합 반응열 조절이 어려움; 고점도
현탁 중합
반응열 분산이 쉽고 중합 용액의 점도가 높지 않음. 과립상 고분자가 형성되고, 용도에 따라서는 그 상태로도 사용 가능함
세척과 건조가 필요하고, 고분자의 응집 발생 가능하고, 첨가제에 의한 오염으로 순도가 낮아짐.
용액 중합
반응열 분산이 쉽고, 중합 용액의 점도가 낮음, 용액상태로 직접사용가능
용매의 값이 비싸고, 용매의 완전 제거가 어렵고, 용매와의 사슬이동반응 가능성이 있음
유화 중합
반응열 분산이 쉽고, 중합 용액의 점도가 낮음, 고분자량; 에멀젼 상태로 직접 사용가능; 점착성 고분자에 효과적
유화제 및 기타 첨가 성분 때문에 고분자의 순도가 낮아짐
스티렌 (styrene)
스티롤이라고도 하며, 또 벤젠의 수소 1개를 비닐기로 치환한 구조이므로 비닐벤젠이라고도 한다. 화학식 C6 H5 CH=CH2 . 인화성이 큰 무색 액체로, 분자량 104.15, 녹는점 －31℃,끓는점 145.8℃, 비중 0.907이다. 특이한 방향을 가지고 있다. 물에는 극히 소량밖에 녹지 않지만, 에탄올 에테르 벤젠 등 유기용매에는 임의의 비율로 섞인다. 원유에는 함유되어 있지 않으나, 석유 석탄의 열분해생성물 속에 소량 함유되어 있다. 공업적으로는 에틸벤젠을 수증기와 함께 아연이나 크롬 칼슘 마그네슘 등의 산화물촉매 위로 통과시켜 탈수소하여 만들거나, 에틸벤젠을 산화시켜 아세토페논으로 만들고 이것을 수소첨가 탈수를 거쳐 제조한다. 스티렌은 비닐기를 가지고 있기 때문에 열 과산화물 과성촉매 등에 의하여 쉽게 중합하여 고분자화합물이 된다. 폴리스티렌 스티렌부타디엔고무 폴리에스테르 수지 등의 제조원료로 사용되는 외에, 도료 건성유의 제조에도 사용된다.
4. 참고문헌
유기화학실험 (허태성 외저, 탐구당, 1988)
유기화학 (John McMurry저, 경석헌역, 자유아카데미, 1990)
http://dochoonho.sunchon.ac.kr
고분자화학, 안태완, 문운당, 2001

키워드

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