고분자합성

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고분자합성에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서 론 1
1.1. 고분자 및 중합의 분류 1
1.2. 고분자 화학의 배경 1

2. 합성이론 3
2.1. 고분자의 개념 3
2.2. 고분자의 생성반응 3
2.2.1. 축합중합 4
2.2.2. 부가중합 4
2.2.3. 개환중합 4
2.3. 고분자 물질의 분류 4
2.3.1. 분자의 형성에 의한 분류 4
2.3.2. 산출상태에 의한 분류 5
2.3.3. 열적 성질에 의한 분류 5
2.3.4. 기계적 성질에 의한 분류 5
2.4. 자유 라디칼 중합 5
2.5. 라디칼 사슬 중합 반응의 속도 6
2.5.1. 반응이 일어나는 순서 (메커니즘) 6
2.5.1.1. Initiation 6
2.5.1.2. Propagation 7
2.5.1.3. Termination 8
2.5.1.4. 메커니즘 9
2.5.2. 속도 방정식 10
2.5.3. 개시(Initiation) 11
2.5.3.1. 개시제의 종류 11
2.5.3.2. 개시 및 중합의 반응속도론 12
2.5.4. 분자량 14
2.5.4.1. 동역학적 사슬 길이 14
2.5.4.2. 정지 반응의 형태에 의한 평균 중합도와 평균 분자량 14
2.5.5. 연쇄이동(사슬전달, chain transform) 14
2.5.6. 평균 중합도에 미치는 온도와 연쇄이동제의 영향 17
2.5.7. 억제와 지연 18
2.6. 분자량 분포 18
2.6.1. 낮은 전이 중합반응 18
2.6.2. 높은 전이 중합 반응 19
2.7. 기타 반응에 영향을 주는 요인 19
2.7.1. 교반으로 인한 분산계에서의 방울의 안정성에 관한 메커니즘 19
2.7.2. 교반의 효과의 분석 21
2.7.3. 입자의 평균 크기와 교반속도 및 PVA양의 상관관계 24
2.7.4. 단량체의 농도에 따른 입자크기 25
2.8. 중합방법 25
2.8.1. 괴상중합 25
2.8.2. 용액중합 26
2.8.3. 현탁중합 26
2.8.4. 유화중합 27
2.9. 실제 Polystyrene의 제조공정 27

본문내용

만들어 안정제가 보호해 줄 수 없다. 만약
bar epsilon`
이
{bar epsilon}_max`
보다 작으면 모든 방울들은 그들이 안정한 크기를 갖기 전까지 합병을 할 것이다.
{bar epsilon}_max`
보다 큰 에너지에서는 방울들이 합병할 것이다 그러나, 안정적인 평형이 다시 이루어지기 전에 그들은 반드시 한 번 더 붕괴하여야만 한다.
식(2-43)과 (2-44)를 연립하여 풀면 다음의 결과를 얻을 수 있다.
d_min = K_1 A(h) over sigma`
(식2-47)
이에 상응하는 최대의 가능한 에너지는
{bar epsilon}_max = {K_2 sigma} over{ A(h) ^{5 over 2} rho^{3 over 2 }}
(식2-48)
K_1 , ~K_2`
는 교반계의 디자인에 관련된 상수이고,
A(h)`
는 protective colloid의 영향을 받는다. 만약 두 방울이 들러붙으면 2개의 방어막이 먼저 합쳐지고 이를 떨어지게 하기 위해서는 에너지가 필요하다. 그러므로 어떠한 크기의 안정한 방울에도 적절한 안정제가 선택되어야만 한다. 다시 말해 어떤 크기에 적당한 안정제가 다른 크기에는 적당하지 않다는 이야기다.
입자의 평균 크기와 교반속도 및 PVA양의 상관관계
Wax를 이용하여 PVA의 양과 교반속도를 바꾸어가며 한 실험을 얻을 수 있었다. Wax나 styrene이나 거의 비슷한 효과를 가진다고 생각한다.(물에 대한 불용해성에서)
[그림 2.12] PVA 농도변화와 교반속도 변화에 따른 평균 입자경의 변화
이를 보면 교반 속도가 떨어질수록, PVA의 농도가 낮아질수록 평균입자경이 커 지는 것을 알 수 있다. 그러나 위에서 본 바와 같이 교반속도가 어느 이하이거나 PVA의 농도가 어느 이하면 입자가 생기지 않는다.
단량체의 농도에 따른 입자크기
위와 마찬가지로 Wax의 경우를 가지고 대신 설명해보기로 하자.
[그림 2.13] 단량체 농도에 따른 입자크기 변화
위의 결과로 볼 때 단량체의 농도는 입자의 크기에 그다지 큰 영향을 미치지 않는 것 같다.
중합방법
라디칼중합에서 단량체를 중합시키는 방법은 다음의 4가지로 분류할 수 있다.
괴상중합
괴상중합은 단량체 단독으로 중합시키므로 중합체는 덩어리로 얻어진다. 이 반응은 온화하게 발열적으로 일어나고, 대부분이 반응혼합물의 점도가 충분히 낮아서 혼합과 열전달이 용이할 때 일어난다. 극히 발열적이고, 보통 열 분해된 개시제에 의해 일어나지만 중합 반응속도는 온도에 크게 의존하기 때문에 비닐단량체의 괴사중합은 비교적 어렵다.
이 방법으로는 반응온도 조절이 곤란하여 국부적 가열로 인하여 중합체의 분자량 분포의 폭과 분자량 조절이 곤란하다. 그러나 용제를 사용하지 않기 때문에 반응 후 용제를 제거하는 작업이 필요 없다. 그리고 덩어리 모양의 중합체가 생성되므로 후처리의 곤란성이 따르게 되고, 그렇기 때문에 공업적으로는 그렇게 많이 이용되지는 않는다.
용액중합
용액중합은 용액 중에서 단량체를 중합시키는 방법으로서 이때 사용하는 용매는 단량체와 중합체를 모두 용해하는 것과 단량체만을 용해시키는 두 가지 경우가 있다. 전자의 경우를 균일계 용액중합이라 하고, 후자의 경우를 불균일계 용액중합이라 한다. 용액중합에서는 반응온도의 조절이 용이하고, 균일하게 반응을 진행시킬 수가 있으나 고중합도의 중합체를 얻기가 힘들고 반응속도가 느린 것이 보통이다. 용제를 적당히 선택하면 중합도를 조절할 수가 있다. 용매의 분리는 매우 어렵기 때문에 공업용 도료, 접착제 등의 경우와 같이 처음부터 용해 상태로 얻는 경우에는 대단히 편리하다.
현탁중합
현탁중합은 단량체를 물과 같은 비용매중에 기름 상으로 현탁 시켜 입상의 중합체를 얻는 방법으로 단량체는 물에 대한 용해도가 작고, 비점이 높아야 하고, 분산매는 중합체에 대하여 불활성이 있어야 한다.
개시제로는 단량체에 가용성인 과산화 벤조 오일 또는 수용성인 과산염을 사용한다. 현탁중합에서는 괴상중합과 마찬가지로 중합속도가 빠르고, 또 입상 단량체에서 일어나지만 수용액 속에서 일어나기도 한다. 보통 발열반응이나 분산매가 존재하여 반응온도 조절이 가능하다. 중합도의 순도가 높은 중합체를 얻을 수 있고, 분리조작 방법이 편하기 때문에 공업적으로 이용하기 좋다.
현탁중합에서 단량체는 보통 직결 0.01 ∼ 0.5cm의 방울로 분산시켜 교반하고 수용성 현탁 안정제를 첨가하여 안정한 분산계를 유지한다. 안정제에는 기계적으로 덩어리가 응결되는 것을 방지하는 불용성의 유기 및 무기질 또는 상 사이의 계면장력을 증가시키기 위한 전해질과 수용액상의 점도를 증가시키기 위한 수용성 고분자 등이 있다.
유화중합
유화중합은 단량체를 분산매에 유화 분산시켜 중합시키는 방법으로 분산매로는 물을 가장 많이 사용한다. 이 중합은 다른 중합방법과 비교하여 중합이 일어나는 장소가 차이가 있어 입자 내부에서의 중합, 입자 표면에서의 중합, 분산매에서 용해한 단량체의 분산매상에서의 중합 3가지의 중합기구로 요약할 수 있다.
유화중합은 개시제가 수용액상에 존재하고, 생성된 중합체의 입자의 직경이 현탁중합의 10배 이상 작다. 물 속에 소량의 비누를 섞으면 물에 녹지 않는 유기용매라도 물에 대한 용해도가 급격히 증가한다. 이때 비누분자는 미셀을 형성하는데 이 미셀에서 중합체가 생산된다.
실제 Polystyrene의 제조공정
회분반응기로 교반기와 함께 jacketed reactor가 사용된다. 대부분의 경우 물을 사용하며 그에 따라 기름에 잘 녹는 개시제가 사용된다. Protective colloid나 suspension agent가 중합반응동안 입자가 소멸하지 않도록 첨가된다. 안정제는 일반적으로 (1) PVA나 methylcellulose, pectin등의 수용성의 유기 고분자와 (2)계면활성제로 주로 사용되는 zinc oxide, magnecium silicate, 물에 녹지 않는 유기화학물의 두 가지로 구분된다. [그림 2.9]은 일반적인 suspension polystyrene 합성 공정을 보여준다.
[그림 2.9] 일반적인 suspension polystyrene 합성 공정

키워드

고분자,   합성,   중합,   반응,   제조공정,   중합반응