고분자 과학 (Polymer Science)

Dept. of Biomaterial Science NRLS, Pusan National Univ .

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Kim, Hong Sung Ph.D. Prof.

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목차

1. 개요 File: APS01 1.1 분자 (Molecules)

1.1.1 원자(Atoms)와 전자(Electrons)

1.1.2 이온(Ions)과 라디칼(Radicals)

1.1.3 분자의 표기(Molecular notation)

1.1.4 유기분자(Organic molecules)

1.2 분자결합 (Molecular Bonds) File: APS02 1.2.1 결합특성

1.2.2 분자결합의 종류

1.2.3 화학반응

1.2.4 물분자

1.3 고분자의 개념 File: APS03 1.3.1 고분자(Polymer)란

1.3.2 단량체(Monomer)와 중합(Polymerization)

1.3.3 고분자의 형태

1.3.4 고분자의 명명법과 대표적 고분자

1.4 고분자의 역사와 용도

1.4.1 역사

1.4.2 용도

2. 고분자의 분류와 특성 2.1 분류

2.1.1 산출에 따른 분류

2.1.2 형상에 따른 분류

2.1.3 열성에 따른 분류

2.1.4 단일중합체와 공중합체

2.2 합성 고분자 File: APS04 2.2.1 올레핀계 고분자

2.2.2 비닐계 고분자

2.2.3 아마이드계 고분자

2.2.4 에스터계 고분자

2.2.5 우레탄, 우레아계 고분자 File: APS05 2.2.6 엘라스토머

2.2.7 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics)

2.2.8 무기계 고분자

2.2.9 공중합체

2.3. 천연 고분자 File: APS06 2.3.1 지방

2.3.2 탄수화물

2.3.3 단백질

2.4 특성 File: APS07 2.4.1 고분자의 관능기

2.4.2 이온성 고분자

2.4.3 가교 고분자

2.4.4 가소제

2.4.5 분자량

2.4.6 상 과 전이

2.4.7 결정과 비결정

3. 고분자의 중합 File: APS08 3.1 중합법 분류

3.1.1 축합중합

3.1.2 개환중합

3.1.3 부가중합

3.1.4 라디칼중합 File: APS09 3.1.5 이온중합

3.1.6 용액중합

3.1.7 유화중합

3.1.8 그외 중합

3.2 중합 동력학

4. 분석 File: APS10 4.1 전자기파 분석

4.1.1 가시광선 (Visible lights)

4.1.2 적외선 (Infrared rays)

4.1.3 자외선 (Ultraviolet rays) File: APS11 4.1.4 핵자기공명 (Nuclear Magnetic Resonance)

4.2 전자현미경 분석

4.3 X-선 회절 분석

4.4 열 분석 File: APS12 4.5 기타 분석

5. 구조 및 용액 물성 File: APS13 5.1 고분자의 구조

5.1.1 입체배열구조

5.1.2 Tacticity control

5.1.3 고분자사슬의 길이

5.1.4 Polymer blend

5.2 고분자의 용액 물성 File: APS14 5.2.1 용액 열역학

5.2.2 용해도 상수

5.2.3 상분리

5.2.4 고분자 점도

5.2.5 분자량 측정법

1.1 분자 (Molecules)

1.1.1 원자와 전자

분자는 원자라고 하는 기본 단위로 구성되어 있으며, 이 원자의 특성에 따라 분자의 물리적 화학적

특성이 발현된다. 고분자 역시 거대분자로서 그 자체을 구성하고 있는 기본 단위인 원자의 특성에 영향

을 받는다. 따라서 고분자에 대하여 배우기 전에 고분자의 구조와 물성에 기초적 바탕이 되는 원자와

전자에 대하여 먼저 살펴보자. 원자에 대한 기초적 구조와 특성이 분자의 형성과 특성에 미치는 관계를

이해함으로써 고분자에 대한 보다 깊은 이해와 응용을 성취할 수 있을 것이다.

원원자자의의 구구조조

원자는 핵(nucleus)과 전자(electron)로 구성되어 있고, 핵은 다시

양자(proton)와 중성자(neutron)로 이루어진다.

핵핵((nnuucclleeuuss)) :: 직직경경 1100--1133 ccmm 양양자자((pprroottoonn)),, 중중성성자자((nneeuuttrroonn)):: 각각 11..6677 xx 1100--2244 gg

전전자자((eelleeccttrroonn)) :: 99..1111 xx 1100--2288 gg

원원자자 직직경경 ((1100--88 ccmm)) // 핵핵 직직경경 ((1100--1133 ccmm)) == 110055

1. 개 요

이는 직직경경 11 ccmm 핵핵에에 대대하하여여 전전자자궤궤도도는는 직직경경 11 kkmm 에에 걸걸쳐쳐 있있는는 것것에 해당된다.

또한 원자의 무게비를 살펴보면,

양양자자 중중량량 ((11..6677 xx 1100--2244 gg)) // 전전자자 중중량량 ((99..1111 xx 1100--2288 gg)) == 11..88 xx 110033

따라서 원자의 무게는 대부분 핵(양자 또는 중성자)에 의존하며, 이는 핵의 크기를 성냥갑 정도로 봤

을 때 그 무게가 약 10억톤이상이나 된다. 반면에 원자의 거의 모든 부피를 차지하고 있는 것은 전자이

다.

전자는 수많은 미세입자(Avogadro수: 6.02252 x 1023)의 형태로 원자의 전 부피를 덮고 있어 전자구

름으로 표현하기도 한다. 이들 전자의 특성이 바로 원자간의 결합 특성을 좌우하고, 따라서 분자를 형성

하게 하는 특성과 고분자의 물성을 결정하는 기초가 된다.

그럼에도 불구하고 원자는 그 중량을 기준으로 양자수로 표기하며, 이를 원자수라 한다. 일반적으로

중성인 원자는 양자수와 전자수가 같기 때문에 원자수가 클수록 전자수도 크고, 원자의 부피도 크진다.

부피가 큰 원자의 외각 전자는 중심 핵에 있는 양자와의 거리가 멀어 상호 작용력이 약하므로 비교적

자유롭게 이동될 수 있다. 이에 비하여 부피가 적은 낮은 원자수의 전자는 양자에 강하게 통제되어 있

어 그 위치와 운동이 자유롭지 못하다.

원원자자수수 :: 양양자자수수로로 결결정정,, 양양자자수수 == 전전자자수수;; 원원자자번번호호((aattoommiicc nnuummbbeerr))

원원자자량량 :: 양양자자수수과과 중중성성자자수수를를 합합친친 수수량량;; 질질량량수수((mmaassss nnuummbbeerr))

원자의 무게는 양자수와 중성자수를 합친 수량으로 표기한다. 예로 수소(H)는 양성자 하나로 1 이며,

산소(O)는 양성자 8 에 중성자 8 이므로 16 이다.

Avogadro 수와 같은 수의 입자량을 MMoollee 이라는 단위로 나타낸다. 이는 원자량(또는 분자량)에 해당하는 g수이다. 즉, 어떤 원자(분자) 1 몰(mol; mole)의 g수(Avogadro수 만큼의 입자량에 해당하는

무게)는 그 원자(분자)의 원자(분자)량과 같다. 예로 산소(O2) 1 mol은 그 분자량이 16이므로 16g이고,

물(H2O) 1 mol은 물의 분자량이 18이므로 18g이다. 즉 산소 16g과 물 18g에는 각각의 분자가 모두

Avogadro수 만큼 들어 있다는 것이다.

동동위위원원소소 ((iissoottrrooppeess))

같은 원자수에 중성자수가 다른 원소를 같은 핵종(nuclide)으로 동위원소라 한다. 예로 탄소(C)는

양성자수 6 에 중성자수가 6 인 것이 99%이상이지만, 중성자수가 5, 7, 8 인 동위원소들도 있다.

또 구리(Cu)는 양성자수 29 에 중성자수가

34 와 36인 동위원소가 있으며, 이들은 지

구상에 각각 69 : 31 로 분포되어 있다.

따라서 구리의 원자량은 두 동위원소의

비에 따라 (29+34)x0.69+(29+36)x0.31=

63.54 이다. 한편 수소(H)의 동위원소는

중성자가 한개 있는 중수소(Deuterium)과

두개 있는 삼중수소(Tritium)가 있다.

직직진진성성

전전자자의의 특특성성

전자는 음전하를 띤 일정 질량을

가지며, 직진하는 운동성이 있다.

질질량량 직직진진성성,, 질질량량,, 음음전전하하

또한 전자의 운동성은 질량을

가지는 입자성과 더불어 파동성이

라는 특성이 있어, 전자복사선이라

부르기도 한다. 운동속도는 항상

22..99997766 xx 11001100 ccmm//sseecc (광속: cc) 으로 일정하여 파장(λλ)과 진동수(νν) 는 서로 반비례한다.

cc == λλ νν 음음전전하하그리고 그 에너지(EE)는 진동수(νν)에 비례 한다.

EE == hh νν

hh:: ppllaanncckk 상상수수 66..66225566xx1100--2277eerrgg..sseecc

전전자자궤궤도도 ((EElleeccttrroonn OOrrbbiittaallss))

핵를 둘러싸고 있는 전자는 그 에너지 준위에 따라서 일정한 위치(궤도)를 차지하는 전자밀도분포

(electron density distribution)를 가지고 있다. 아래 그림은 전자수가 증가함에 따라 핵에 가장 가까운

궤도로부터 형성되는 전자밀도분포의 형태를 나타낸 모식도이다. 안쪽으로부터 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d,,,

의 순으로 궤도가 형성된다.

여기서 1, 2, 3은 주양자수(principal

quantum number)로 구형껍질

(sphere shell)의 전자분포를 나타

내며, 바깥껍질일수록 큰 에너지를

가진다.

각 주양자수 껍질내에 s, p, d는

방위양자수(azimuthal quantum

number)로 방향성을 지닌 전자

분포궤도(부껍질)이다.

제일 안쪽 껍질(1)은 공간상

하나의 궤도(s)만 가지며, 다음은

s 와 p 궤도를 지닌다.

p 궤도는 3차원 공간에서의

방향성을 가지는 x, y, z 각각의

궤도로 구성되어 있다.

이 모든 각 궤도에는 각각 2 개의 전자가 속해 있으며, 이 두 전자는 서로 반대 스핀을 가진다.

유기 고분자의 골격을 구성하는 원자들은 대부분 원자수가 10이하이므로 주로 2p궤도함수까지에 전

자가 배치된다.

원자는 전자궤도가 완전히 다 들어차 있을 때가 가장 안정하다. 따라서 찬 궤도가 되기 위하여 전자

가 하나 부족하거나 하나 남을 경우 가장 반응성이 크다. 앞의 전자배치도에 있어서 네온(Ne)은 전 궤

도가 모두 차여져 있으므로 가장 안정되며 불활성이다.

이에 비하여 불소(F)는 L궤도에 8개의 전자(octette)가 다 차기 위해서는 하나의 전자가 부족하기 때

문에 전자를 유인하려는 힘이 가장 크게 되어 반응성이 크고, 붕소(B)는 하나의 전자만 최외각 궤도에

있으므로 이 전자가 이탈하기 쉬워져서 또한 반응성이 크다. 이들은 하나의 전자만 주거나 받아 안정화

되기 때문에 한 원자와 결합할 수 있다.

산소(O)는 두개의 전자가 부족한 상황으로 불소 다음으로 반응성이 크고, 둘 이하의 원소와 결합할

수 있다.

두개의 전자를 2p궤도에 가진

탄소(C)는 2p궤도의 비어있는 방위

궤도의 영향으로 상위 2s궤도와의

에너지준위 차가 해소됨으로써 s와

p궤도의 구분이 없어져 혼합되어

2s궤도의 1 전자가 2p의 비어있는

방위궤도로 여기된다.

이를 sp3혼성궤도(Hybrid orbitals)

라 하며, 이로 인하여 탄소는 4개

이하의 원소와 결합이 가능하게 된다.

CC :: 11ss2222ss2222pp22 ((sspp33))

1.1.2 이온(Ions)과 라디칼(Radicals)

중성인 원자는 차여진 전자궤도를 이루어 안정화되기 위하여 쉽게 전자를 잃거나 얻을 수 있다. 이

렇게 원자나 원자단이 음전하를 가진 전자를 잃거나 얻어 전기적 부하를 띤 원소를 이온(ion)이라 한다.

전자를 잃어버리고 양전하(+)를 띤 이온을 양이온(cation)이라 하고, 전자를 얻어 음전하(-)를 띤 이

온을 음이온(anion)이라 한다.

CCaattiioonn ((++)),, AAnniioonn ((--))

한편, 전자를 잃거나 얻지않고 불안전한 상태로 최외각 궤도에 한 쌍으로 차여지지 않은(비공유) 단

독전자를 갖는 원자나 원자단을 라디칼(Radical)이라 한다.

RR••

라디칼은 불안정하여 화학반응을 일어켜, 다른 분자로 전이되는 중간체로 반응개시제와 촉매로 이용

되며 유독성 물질이다.

핵중에 있는 양자나 중성자의 이동은 핵반응으로 대단히 어렵지만, 전자의 이동은 대체로 쉽게 일어

나고, 모든 화학반응은 이러한 전자이동에 기인한다.

1.1.3 분자의 표기 (Molecular notation)

분자는 다음 몇가지 방법으로 표기한다. 먼저 전자 점 표기(Lewis notation)로 최외각 전자를 점으로

나타내어 공유전자쌍을 두점으로 원소간 결합을 표기하는 방법이다.

CC :: HH

다음은 두점을 선으로

연결하여 나타내는 방법

이며,

CC -- HH

다음은 입체표기를 위하

여 점선과 굵은 선을 사

용하여 지면 앞뒤로 이어

짐을 나타낸다.

모형을 이용한 방법으로

원소간 간격을 중시한

Ball and stick model과

원소가 미치는 경계를 나

타낸 Space filling model

이 있다.

1.1.4 유기분자 (Organic molecules)

유기분자(Organic molecule)란 관능기(Function group)을 가지는 분자로

그 특성은 비교적 낮은 용융(액화)온도와 끓는(기화)온도를 가지며, 따라서

고체상태뿐 아니라 기체와 액체상태로도 존재할 수 있으며, 경우에 따라서는

난연성을 보일 수도 있으며, 대체로 수용해성이 낮고, 골격구조는 주로 탄소에

의해 이루어진다.

탄탄소소에에 의의한한 골골격격 구구조조

–– 44가가((sspp33 혼혼성성))의의 공공유유 결결합합으으로로 구구성성

CC--HH 사사이이의의 거거리리:: 11..0099ÅÅ,, HH--HH 사사이이의의 거거리리:: 11..7788ÅÅ HH--CC--HH 사사이이의의 각각:: 110099°°2288’’

–– 탄탄소소만만으으로로 된된 물물질질:: DDiiaammoonndd,, 흑흑연연,, CC6600

•• 유유기기화화합합물물의의 분분류류

지지방방족족 ((AAlliipphhaattiicc)) : 분자사슬의 끝이 서로 떨어져 있는 열린 사슬형 분자 방방향향족족 ((AArroommaattiicc)) : 방향환(phenylene)계 유도체를 포함하는 고리형 분자

탄탄화화수수소소 ((HHyyddrrooccaarrbboonnss)) : 탄소와 수소만으로 구성된 분자

AAllkkaanneess : 탄소 단일결합으로된 지방족 유기분자

–– methane(CH4), ethane(C2H6), propane(C3H8), butane(C4H10), pentane(C5H12), hexane,

heptane, octane, , , , –– 천천연연가가스스 : 1 ~ 4개의 탄소로 연결된 Alkanes –– 가가솔솔린린 : 5 ~ 10개의 탄소로 연결된 Alkanes

•• 이이성성체체 ((iissoommeerrss))

구성하고 있는 화학성분과 그 수는 같지만, 연결된 구조가 다른 분자로

탄소수가 증가할수록 이성체의 수는 증가된다.

– propane 까지는 없고, butane 은 1 개(iso-butane), octane 은 18 개

– normal(n)-butane: CH3-CH2-CH2-CH3

– iso(i)-butane:

•• 치치환환체체 ((ssuubbssttiittuutteerr))

한 원소가 다른 원소로 치환된 분자

Methane (CH4) 에서

- 수소 1 원자를 염소(chlorine: Cl)으로 치환: ( Cl-CH3) methyl chloride, monochloromethane

- 수소 2 원자를 Cl로 치환: ( Cl2-CH2) methylene chloride, dichloromethane

- 수소 3 원자를 Cl로 치환: ( Cl3-CH) trichloromethane, chloroform

- 수소 4 원자 모두를 치환: ( CCl4 ) tetrachloromethane, carbon tetrachloride

•• 불불포포화화 탄탄화화수수소소

분자사슬 중에 2중 결합 또는 3중 결합을 갖는 탄화수소

AAllkkeenneess : 2 중 결합을 갖는 탄화수소로 π 전자로 인하여 반응성이 크다. ethylene (CH2=CH2), propylene (C3H6), butylene (C4H8) AAllkkyynneess : 3중 결합을 갖는 탄화수소로 π 전자로 인하여 반응성이 더욱 크다.

Acetylene ( H-C ≡ C-H )

•• AAllccoohhoollss

분자내 Hydroxyl group( -OH )을 가진 분자를 분류명으로 알코올류(alcohols)라 하며, 촉감이 미끄

럽고 휘발성이 있으며, 용해되면 비점이 저하되며, 극성용제로 물과 친화력이 크다.

– methyl alcohol; methanol CH3OH (毒)

– ethyl alcohol; ethanol C2H5OH (酒)

– ethylene glycol HOC2H4OH (부동액)

– glycerol; glycerin HOH2CCH(OH)CH2OH

•• BBeennzzeennee ((CC66HH66))

6 각형의 환(ring)형태의 탄소배열을 하고 있으며, 환 연결구조내에

sspp22 oorrbbiittaall 에 의하여 단일결합과 이중결합을 교호로 가짐으로써 π 전자 가 상상호호공공명명 ((φφ))을 이루는 판상의 구조를 하고 있다. 이러한 구조에 있어서 π 전자는 이웃하는 탄소사이에 공명으로 6 개의 탄소를 모두 아우르는 분자궤도를 이루게 되며, 전자의 유동이 큰 특성을 가지게 된다.

6개의 탄소중에 2 곳에서 수소와 다른 원소(X)가 치환되는 치환체 (C6H4X2 )는

3 개의 이성체(isomers)를 만들며, 이들을 각각 trans-, ortho-, meta- 라는 접두어를 붙여 표기한다.

이러한 벤젠환을 가지는 관능기를 phenylene group 이라

부르며, 방향성, 발색성, 그리고 자외선대 진동등의 특성을 보인다.

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