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고분자

Polymer
액체 매체 아래 표면에 원자력 현미경을 사용하여 기록된 실제 선형 고분자 사슬의 출현. 폴리머의 체인 등고선 길이는 ~204 nm, 두께는 ~0.4 [1]nm입니다.
IUPAC 정의

폴리머는 [2]고분자로 이루어진 물질이다.고분자는 상대적인 분자량이 높은 분자이며, 그 구조는 본질적으로 상대적인 분자량이 [3]낮은 분자량에서 실제로 또는 개념적으로 파생된 단위들의 다중 반복을 포함한다.

폴리머(/ˈpllmmrr/;[4][5] 그리스어 poly-, "many" + -mer, "part")는 고분자라고 불리는 매우 큰 분자로 구성된 물질 또는 물질로, 많은 반복적인 소단위들[6]구성되어 있다.광범위한 [7]특성으로 인해 합성 폴리머와 천연 폴리머는 일상 [8]생활에서 필수적이고 유비쿼터스한 역할을 합니다.폴리머는 폴리스티렌과 같은 친숙한 합성 플라스틱에서 DNA와 같은 천연 생체 고분자 및 생물학적 구조와 기능에 필수적인 단백질까지 다양합니다.천연과 합성 모두, 폴리머는 모노머로 알려진 많은 작은 분자의 중합에 의해 만들어집니다.결과적으로 작은 분자 화합물에 비해분자 질량은 인성, 높은 탄성, 점탄성, 결정보다는 비정질반결정 구조를 형성하는 경향을 포함한 독특한 물리적 특성을 생성합니다.

"폴리머"라는 용어는 그리스어 λλύpol ("많이, 많이"를 뜻하는 폴루스)와 μέςςςς ("부분"을 뜻하는 메로스)에서 유래했다.이 용어는 1833년 Jöns Jacob Berzelius에 의해 만들어졌지만 오늘날IUPAC 정의와는 [9][10]다른 정의를 가지고 있다.공유 결합 고분자 구조로서의 현대적 중합체 개념은 1920년에 헤르만 [11]슈타우딩거에 의해 제안되었고, 그는 이 [12]가설에 대한 실험적인 증거를 찾는데 다음 10년을 보냈다.

폴리머는 폴리머 과학(폴리머 화학 및 폴리머 물리 포함), 생물 물리학 및 재료 과학공학 분야에서 연구됩니다.역사적으로, 공유 화학 결합에 의한 반복 단위의 연결에서 발생하는 산물은 폴리머 과학의 주요 초점이었다.새로운 중요한 영역은 이제 비공유 고리에 의해 형성된 초분자 고분자에 초점을 맞추고 있다.천연 고분자로는 라텍스 고무의 폴리이소프렌, 합성 고분자의 예로는 스티로폼폴리스티렌이 있다.생물학적 맥락에서, 기본적으로 모든 생물학적 고분자(즉, 단백질(폴리아미드), 핵산(폴리뉴클레오티드), 다당류)는 순수하게 중합체이거나 고분자 구성요소의 많은 부분에서 구성되어 있다.

고분자 분자의 도식

일반적인 예

분자 시뮬레이션에서 얻은 스티렌-부타디엔 사슬의 구조.

폴리머는 두 가지 종류가 있다: 자연발생과 합성 또는 인공이다.

자연의

삼베, 셸락, 호박, , 실크, 천연 고무같은 천연 고분자 재료는 수 세기 동안 사용되어 왔다.나무와 종이의 주성분인 셀룰로오스와 같은 다양한 천연 고분자가 존재합니다.

합성

합성 고분자 목록은 대략 전 세계 수요순으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 폴리염화비닐, 합성고무, 페놀포름알데히드수지(또는 베이클라이트), 네오프렌, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, PVB, 실리콘 등이 있습니다.매년 (2015년)[13] 3억 3천만 톤 이상의 폴리머가 생산됩니다.

가장 일반적으로 플라스틱 제조에 사용되는 폴리머의 연속 연결 골격은 주로 탄소 원자로 구성됩니다.간단한 예로는 폴리에틸렌(영어로 폴리에틸렌)을 들 수 있습니다. 폴리에틸렌의 반복 단위나 단량체는 에틸렌입니다.실리콘과 같은 친숙한 재료는 실리콘으로 구성되며, 예를 들어 Silly Putty와 방수 배관 실란트가 있습니다.산소는 또한 폴리에틸렌 글리콜, 다당류(글리코시드 결합), 그리고 DNA(포스포디에스터 결합)와 같은 고분자 등뼈에 일반적으로 존재한다.

역사

폴리머는 인류 초기부터 상품의 필수적인 구성요소였다.의류에는 (케라틴), 의류에는 면과 린넨 섬유(셀룰로오스), 종이에는 종이 갈대(셀룰로오스)를 사용하는 것은 우리 조상들이 어떻게 고분자가 함유된 원료를 이용하여 공예품을 얻었는지 보여주는 몇 가지 예에 불과하다.카우추크 나무(천연고무) 라텍스 수액은 올멕, 마야, 아즈텍이 공, 방수 섬유,[14] 용기를 만드는 재료로 사용하기 시작한 지 한참 지난 16세기에 남미에서 유럽으로 들어왔다.

폴리머의 화학적 조작은 19세기로 거슬러 올라가지만, 그 당시에는 이러한 종의 성질이 이해되지 않았다.고분자의 거동은 처음에 토마스 그레이엄이 제안한 이론에 따라 합리화되었는데, 이는 고분자가 알려지지 않은 힘에 의해 결합되는 작은 분자의 콜로이드 집합체로 간주되었다.

이론적인 지식의 부족에도 불구하고, 혁신적이고 접근하기 쉽고 저렴한 재료를 제공할 수 있는 폴리머의 잠재력은 즉시 파악되었다.브라코노트, 파크스, 루더스도르프, 하야드 등 천연 고분자의 개조에 관한 많은 연구가 이 [15]분야에서 많은 중요한 진보를 결정지었다.이들의 공헌으로 셀룰로이드, 갈랄리스, 파케신, 레이온, 가황고무, 그리고 나중에 베이클라이트와 같은 소재가 발견되었습니다. 모든 소재는 산업 제조 공정에 빠르게 진입하여 의류 부품으로 가정에 공급되었습니다(예: 직물, 단추, 도자기 및 장식품).

1920년 헤르만 슈타우딩거는 고분자가 사실상 공유 결합에 의해 연결된 원자의 긴 사슬이라고 제안한 그의 주요 저서 "위버 중합"[16]을 발표했다.그의 연구는 오랫동안 논의되었지만, 결국 과학계에서 받아들여졌다.이 업적으로 인해,[17] Staudinger는 1953년에 노벨상을 받았다.

1930년대 이후 새로운 유형의 폴리머가 발견되고 즉시 상업적인 응용이 주어지는 황금기에 접어들어 천연 소스의 재료를 대체했습니다.이러한 개발은 강력한 경제적 추진력을 가진 산업 부문에 의해 가속화되었고, 보다 저렴한 원료, 보다 효율적인 중합 프로세스, 폴리머 특성화를 위한 개선된 기술 및 진보된 이론적 이해로부터 모노머의 혁신적인 합성에 기여한 광범위한 학계에 의해 지원되었습니다.폴리머[15]

1953년 이후, 생물학적 고분자 연구를 제외한 6개의 노벨상이 폴리머 과학 분야에서 수여되었다.이것은 그것이 현대 과학기술에 미치는 영향을 더욱 증명한다.1980년에 토드 경이 요약했듯이, "저는 중합이 화학이 일상에 가장 큰 영향을 미친 가장 큰 일이라고 생각하는 경향이 있습니다."[19]

합성

중합 반응의 분류

중합은 단량체로 알려진 많은 작은 분자를 공유 결합 사슬이나 네트워크에 결합하는 과정이다.중합 과정 중에 각 단량체로부터 일부 화학기가 손실될 수 있다.는 PET 폴리에스테르 중합에서 발생합니다.단량체는 테레프탈산(HOOC-CH-COOH64)과 에틸렌 글리콜(HO-CH-CH-OH22)이지만, 반복 단위는 -OC-CH-COO-CH-CH-CH-O_로6422, 두 단량체의 결합에 해당하며, 이는 두 분자의 손실량에 해당합니다.폴리머에 통합된 각 단량체의 개별 조각을 반복 단위 또는 단량체 잔기라고 합니다.

합성 방법은 일반적으로 단계적 성장 중합과 연쇄 [20]중합이라는 두 가지 범주로 나뉩니다.둘 사이의 본질적인 차이점은 사슬 중합에서 단량체는 폴리스티렌과 같이 한 번에 하나씩 사슬에만 [21]첨가되는 반면, 단량체의 단계적 성장 중합 사슬은 폴리에스테르와 같이 서로 직접 [22]결합할 수 있다는 것이다.단계적 성장 중합은 반응 단계별로 저분자질량 부산물이 생성되는 중축합다첨가로 나눌 수 있다.

체인 중합 예: 스티렌의 래디칼 중합, R.은 래디칼을 개시하고, P.는 래디칼 재조합에 의해 형성된 체인을 종단하는 또 다른 폴리머 체인 래디칼입니다.

플라즈마 중합과 같은 새로운 방법은 어느 범주에도 깔끔하게 들어맞지 않습니다.합성중합반응은 촉매 유무에 관계없이 할 수 있다.생체 고분자, 특히 단백질의 실험실 합성은 집중적인 연구 분야이다.

생물학적 합성

DNA 이중나선 생체고분자 일부 미세구조

생체 고분자에는 크게 다당류, 폴리펩타이드, 폴리뉴클레오티드의 세 종류가 있습니다.살아있는 세포에서는 DNA 중합효소에 의해 촉매되는 DNA의 형성과 같은 효소 매개 과정에 의해 합성될 수 있다.단백질의 합성은 유전자 정보를 DNA에서 RNA전사하고 그 정보아미노산으로부터 특정 단백질을 합성하기 위해 변환하는 여러 효소 매개 과정을 포함한다.단백질은 적절한 구조와 기능을 제공하기 위해 번역 후 추가로 수정될 수 있다.고무, 수베린, 멜라닌, 리그닌같은 다른 생체 고분자들이 있다.

천연 고분자의 개질

면, 녹말, 고무와 같은 자연적으로 발생하는 고분자는 폴리에테인페르펙스와 같은 합성 고분자가 시장에 등장하기 전까지 몇 년 동안 친숙한 재료였다.상업적으로 중요한 많은 폴리머는 자연적으로 발생하는 폴리머의 화학적 변형을 통해 합성된다.대표적인 예로는 질산과 셀룰로오스의 반응으로 니트로셀룰로오스를 형성하고, 천연고무를 유황 존재 하에서 가열하여 가황고무를 형성한다.폴리머가 변형될 수 있는 방법에는 산화, 가교엔드 캡이 포함됩니다.


구조.

고분자 재료의 구조는 서브 nm 길이 척도에서 거시적 척도에 이르기까지 다양한 길이 척도로 설명할 수 있다.실제로 각 단계가 다음 [23]단계를 위한 기반을 제공하는 구조의 계층이 있습니다.폴리머 구조를 설명하는 시작점은 폴리머 구성 단량체의 동일성이다.다음으로 미세구조는 기본적으로 이들 단량체의 폴리머 내 배열을 단일 사슬의 축척으로 기술한다.미세 구조는 결정화, 유리 전이 또는 미세상 분리[24]통해 폴리머가 서로 다른 배열로 상을 형성할 가능성을 결정합니다.이러한 특성은 폴리머의 물리적 및 화학적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

단량체 및 반복 단위

폴리머를 구성하는 반복 단위(단량체 잔류물, "머"라고도 함)의 동일성은 폴리머의 첫 번째이자 가장 중요한 속성이다.폴리머 명명법은 일반적으로 폴리머를 구성하는 단량체 잔류물의 유형에 기초한다.1종류의 반복단위만을 포함하는 폴리머를 호모폴리머라고 하며, 2종류의 반복단위를 포함하는 폴리머를 [25]공중합체라고 한다.터폴리머는 세 가지 유형의 반복 [26]단위를 포함하는 공중합체입니다.

폴리스티렌스티렌계 반복단위로만 구성되며 호모폴리머로 분류된다.폴리에틸렌 테레프탈레이트는 두 개의 다른 모노머(에틸렌 글리콜테레프탈산)로부터 생성되지만, 하나의 반복 단위만 형성되기 때문에 보통 호모폴리머로 간주됩니다.에틸렌-비닐 아세테이트는 여러 종류의 반복 단위를 포함하고 있으며 공중합체이다.일부 생물학적 고분자는 다양하지만 구조적으로 관련된 단량체 잔기로 구성되어 있다. 예를 들어, DNA와 같은 폴리뉴클레오티드는 네 가지 유형의 뉴클레오티드 서브유닛으로 구성되어 있다.

호모폴리머 및 공중합체(예)
Polystyrene skeletal.svg
Poly(dimethylsiloxan).svg
PET.svg
Styrol-Butadien-Kautschuk.svg
호모폴리머 폴리스틸렌 호모폴리머 폴리디메틸실록산, 실리콘.주 사슬은 실리콘과 산소 원자로 구성되어 있다. 호모폴리머 폴리에틸렌 테레프탈레이트반복단위가 1개뿐입니다. 공중합체 스티렌 부타디엔 고무:스티렌과 1,3-부타디엔에 기초한 반복 단위는 두 개의 반복 단위를 형성하며, 고분자 내 임의의 순서로 교대로 중합체를 만들 수 있습니다.

이온화 소단위(예를 들어 펜던트 카르본기)를 포함한 폴리머는 이온화 단위가 각각 크거나 작을 때 폴리 전해질 또는 아이오노머로 알려져 있다.

미세 구조

고분자의 미세 구조(배치라고도 함)는 [27]사슬의 골격을 따라 단량체 잔류물의 물리적 배치와 관련이 있습니다.이것들은 변화하기 위해 공유 결합을 파괴해야 하는 폴리머 구조의 요소들이다.단량체 및 반응 조건에 따라 다양한 폴리머 구조를 생성할 수 있습니다.폴리머는 각각 하나의 분기되지 않은 사슬을 포함하는 선형 고분자로 구성될 수 있다.미분기 폴리에틸렌의 경우, 이 사슬은 긴 사슬의 n-알칸이다.또한 주쇄와 측쇄를 가진 분지 고분자도 있는데, 폴리에틸렌의 경우 측쇄는 알킬기일 것입니다.특히 분지가 없는 고분자는 아래 그림에서 빨간색으로 강조 표시된 고체 상태의 반결정 결정성 사슬 단면일 수 있습니다.

분지 및 비분지 폴리머는 일반적으로 열가소성 플라스틱이지만, 많은 엘라스토머는 "주쇄" 사이에 넓은 망상의 가교 관계를 가지고 있습니다.반면, 촘촘한 그물 모양의 가교로 인해 보온성이 높아집니다.그림에서 교차 링크와 분기는 빨간색 점으로 표시됩니다.고도로 분지된 고분자는 비정질이며 고체의 분자는 무작위로 상호작용한다.

Polymerstruktur-linear.svg
선형의 분기 없는 고분자
Polymerstruktur-verzweigt.svg
분기 고분자
Polymerstruktur-teilkristallin.svg
분지되지 않은 폴리머의 반분사 구조
Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt.svg
약간 가교된 폴리머(탄성체)
Polymerstruktur-engmaschig vernetzt.svg
고도로 가교된 폴리머(트리코세트)

폴리머 아키텍처

폴리머의 분기점

폴리머의 중요한 미세 구조 특징은 그 구조와 형태이며, 이는 분기점이 단순한 선형 [28]사슬에서 이탈하는 방식과 관련이 있습니다.분기 폴리머 분자는 1개 이상의 치환기 측쇄 또는 가지를 가진 주쇄로 구성된다.분기 폴리머의 종류는 스타 폴리머, 폴리머, 폴리머 브러시, 덴드론화 폴리머, 사다리 폴리머 및 덴드리머[28]포함한다.위상적으로 평탄한 반복 단위로 구성된 2차원 고분자(2DP)도 존재한다.폴리머의 아키텍처는 용액 점도, 용융 점도, 다양한 용제의 용해성, 유리 전이 온도 및 용액 내 개별 폴리머 코일의 크기 등 많은 물리적 특성에 영향을 미칩니다.다양한 구조를 가진 고분자 재료의 합성을 위해 예를 들어 살아있는 중합체를 위해 다양한 기술을 사용할 수 있다.

체인 길이

사슬의 길이를 표현하는 일반적인 수단은 [29][30]사슬에 포함된 단량체의 수를 정량화하는 중합도이다.다른 분자와 마찬가지로 폴리머의 크기도 분자량으로 표시할 수 있다.합성 중합 기술은 일반적으로 사슬 길이의 통계적 분포를 산출하기 때문에 분자량은 가중 평균으로 표현된다.수치 평균 분자량(Mn)과 중량 평균 분자량(Mw)이 가장 일반적으로 [31][32]보고된다.이 두 값(Mw/Mn)의 비율이 분산도(D)이며, 일반적으로 분자량 [33]분포의 폭을 나타낼 때 사용된다.

폴리머의 물리적 특성은[34] 폴리머 [35]사슬의 길이(또는 동등한 분자량)에 따라 크게 좌우됩니다.분자량의 물리적 결과에 대한 한 가지 중요한 예는 [36]용융물의 점도(흐름에 대한 저항)의 스케일링입니다.중량 평균 분자량(w \ 이 용융점도 \ \eta)에 미치는 영향은 폴리머가 얽힘의 시작점보다 높은지 또는 낮은지에 따라 달라집니다.그 개입 분자 weight[해명 필요한]이 개입 분자량 반면에 위 η번 국도 Mw1{\displaystyle\eta \sim{M_{w}}^{1}},, η번 국도 Mw3.4{\displaystyle\eta \sim{M_{w}}^{3.4}}. 후자의 경우 고분자 사슬 길이가 증가함 10-fold 10에 대한 점성을 높일 수 있다.00번.[37][페이지 필요한]체인 길이가 늘어나면 체인 이동성이 저하되고 강도 및 인성이 증가하며 유리 전이 온도(Tg)[38]가 높아집니다.는 체인 [39][40]길이가 증가하면 발생하는 반데르발스 유인력얽힘같은 체인 상호작용의 증가에 따른 결과입니다.이러한 상호작용은 개별 체인을 보다 강하게 제 위치에 고정시키는 경향이 있으며, 더 높은 응력과 더 높은 온도에서 변형과 매트릭스 분리에 저항합니다.

공중합체에서의 단량체 배열

공중합체는 통계공중합체, 교대공중합체, 블록공중합체, 그라프트공중합체 또는 경사공중합체로 분류된다.아래 도식 그림에서 δ와 δ는 두 개의 반복 단위를 상징합니다.

Statistisches Copolymer
랜덤 공중합체
Gradientcopolymer
경사 공중합체
Pfropfcopolymer
그라프트 공중합체
Alternierendes Copolymer
교대 공중합체
Blockcopolymer
블록 공중합체
  • 교대공중합체에는 2개의 규칙적으로 교대하는 단량체 [41]잔류물이 있습니다. {{not a typoor]AB]}}.n 예를 들어 스티렌말레인산 무수물의 등극성 공중합체가 유리방사성 연쇄성장 [42]중합에 의해 형성된다.또한 나일론66과 같은 단계성장공중합체는 디아민과 디아산잔기의 엄밀한 교호공중합체로 간주할 수 있지만, 종종 1개의 아민과 1개의 산의 이합체잔기를 반복단위로 [43]하는 호모폴리머로 기술된다.
  • 주기적 공중합체는 규칙적인 [44]배열에 2종 이상의 단량체를 가지고 있다.
  • 통계공중합체는 통계규칙에 따라 배열된 단량체 잔기를 가진다.사슬의 특정 지점에서 특정 유형의 모노머 잔기를 찾을 확률이 주변 모노머 잔기의 유형과 무관한 통계적 공중합체를 진정한 랜덤 공중합체라고 [45][46]해도 좋다.예를 들어 염화비닐과 아세트산비닐의 연쇄성장공중합체는 [42]랜덤이다.
  • 블록공중합체는 서로 다른 단량체 단위의 [42][43]긴 배열을 가지고 있다.두 개의 서로 다른 화학 종(예: A와 B)의 두 개 또는 세 개의 블록을 가진 중합체를 각각 디블락 공중합체 및 트리블락 공중합체라고 합니다.각각 다른 화학종(예: A, B 및 C)을 가진 3개의 블록을 가진 중합체를 트리블럭 터폴리머라고 합니다.
  • 그라프트 또는 그라프트된 공중합체는 반복단위가 [43]주쇄와 다른 구성 또는 구성을 가진 측쇄 또는 가지를 포함한다.가지는 미리 형성된 주쇄 고분자에 [42]추가됩니다.

공중합체 내의 모노머는 골격을 따라 다양한 방법으로 구성될 수 있다.단량체의 제어된 배치를 포함하는 공중합체를 배열 제어 폴리머라고 [47]합니다.교류, 주기 및 블록 공중합체는 배열 제어 폴리머의 단순한 예입니다.

촉각성

촉각성은 고분자 내 인접한 구조 단위에서 키랄 중심부의 상대적 입체 화학을 설명한다.촉각성에는 가지 유형이 있습니다: 등방성(모든 치환기가 같은 쪽에 있음), 아탁성(치환기의 랜덤 배치), 신디오택틱(치환기의 교대로 배치됨).

Isotactic-A-2D-skeletal.png
등방성의
Syndiotactic-2D-skeletal.png
신디오택틱
Atactic-2D-skeletal.png
무정전(즉, 랜덤)

형태학

고분자 형태학은 일반적으로 공간에서의 고분자 사슬의 배열과 미세 스케일 순서를 설명합니다.고분자의 거시적인 물리적 특성은 고분자 사슬 간의 상호작용과 관련이 있습니다.

Statistischer Kneul.svg
랜덤 배향 폴리머
Verhakungen.svg
여러 폴리머의 연동
  • 무질서한 폴리머:고체상태에서 아탁틱 폴리머, 분기도가 높은 폴리머 및 랜덤 공중합체를 가진 폴리머는 비정질(즉 유리구조)[48]을 형성한다.용해 및 용액에서 폴리머는 지속적으로 변화하는 "통계적 클러스터"를 형성하는 경향이 있습니다. 자유 접합 사슬 모델을 참조하십시오.고체상태에서는 분자의 각 배치가 동결된다.체인 분자의 후크와 얽힘은 체인 사이의 "기계적 결합"으로 이어집니다.분자간 및 분자내 흡인력은 분자 세그먼트가 서로 충분히 가까운 부위에서만 발생합니다.분자의 불규칙한 구조가 좁은 배치를 방해한다.
Polyethylene-xtal-view-down-axis-3D-balls-perspective.png
폴리에틸렌: 밀착된 사슬에서 분자의 지그재그 형태
Lamellen.svg
결합 분자가 있는 라멜라
Spherulite2de.svg
스페룰라이트
Helix-Polypropylen.svg
폴리프로필렌 나선형
P-Aramid H-Brücken.svg
p-아라미드, 빨간색 점: 수소 결합
  • 주기적인 구조, 낮은 분기성 및 입체 규칙성을 가진 선형 고분자는 고체 상태에서 반결정 구조를 가진다.[48]단순 고분자(폴리에틸렌 등)에서 사슬은 결정 중에 지그재그 형태로 존재한다.여러 가지 지그재그 형태가 결정체 또는 층상이라고 불리는 밀집된 사슬 팩을 형성합니다.라멜라는 폴리머가 긴 것보다 훨씬 얇다(종종 약 10 nm).[49]그것들은 하나 이상의 분자 사슬의 다소 규칙적인 접힘에 의해 형성된다.층간에는 비정질 구조가 존재한다.개별 분자는 얇은 층 사이의 얽힘을 초래할 수 있고 또한 두 개 이상의 얇은 층의 형성에도 관여할 수 있습니다.여러 개의 층이 상부 구조인 구상암을 형성하며, 직경이 0.05에서 1mm [49]사이인 경우가 많습니다.
반복 단위의 (기능적) 잔류물의 유형과 배열은 2차 원자가 결합의 결정성과 강도를 영향을 미치거나 결정한다.동위원소 폴리프로필렌은 분자가 나선을 형성한다.지그재그 형태와 마찬가지로, 이러한 나선형은 고밀도 체인 패킹을 가능하게 합니다.특히 강한 분자간 상호작용은 p-아라미드의 경우와 같이 반복 단위의 잔류물이 수소 결합의 형성을 가능하게 할 때 발생한다.강력한 분자 내 연관성의 형성은 별개의 회로 토폴로지를 가진 단일 선형 사슬의 다양한 접힌 상태를 생성할 수 있습니다.결정성과 상부 구조는 항상 그 형성 조건에 의존합니다. 고분자의 결정화도 참조하십시오.비정질 구조에 비해 반결정 구조는 고분자의 강성, 밀도, 용융 온도 및 저항이 높습니다.
  • 가교 폴리머:광망 가교 고분자는 엘라스토머이며 (열가소성 플라스틱과 달리) 녹일 수 없습니다. 가교 고분자를 가열하면 분해만 발생합니다.반면 열가소성 엘라스토머는 가역적으로 "물리적으로 가교"되어 용해될 수 있습니다.고분자의 단단한 세그먼트가 결정화되는 경향이 있고 부드러운 세그먼트가 비정질 구조를 가진 블록 공중합체는 열가소성 엘라스토머의 한 유형으로, 단단한 세그먼트는 넓은 메시의 물리적 가교성을 보장합니다.
Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt.svg
광망 가교 폴리머(탄성체)
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인장 응력을 받는 광망 가교 폴리머(엘라스토머)
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'가교부위'로서의 결정체: 열가소성 엘라스토머의 한 종류
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인장 응력을 받는 반고정 열가소성 엘라스토머

결정성

폴리머에 적용할 때 결정체라는 용어는 다소 애매한 용법을 가지고 있다.경우에 따라 결정체라는 용어는 기존 결정학에서 사용되는 것과 동일한 용도를 찾을 수 있다.예를 들어 X선 결정학용으로 조제된 시료 등의 결정성 단백질 또는 폴리뉴클레오티드의 구조는 세포 치수가 수백 앵스트롬 이상인 1개 이상의 폴리머 분자로 이루어진 종래의 단위 세포로 정의해도 좋다.합성 폴리머는 (대분자가 아닌) 원자 길이 척도에 3차원 순서가 있는 영역을 포함하는 경우, 일반적으로 분자 내 접힘 또는 인접한 사슬의 적층으로부터 발생하는 경우, 대략적으로 결정성이라고 설명할 수 있다.합성 폴리머는 결정성 영역과 비정질 영역 모두로 구성될 수 있다. 결정성의 정도는 결정성 물질의 중량 비율 또는 부피 비율로 표현될 수 있다.완전히 [50]결정성이 있는 합성 고분자는 거의 없다.폴리머의 결정성은 결정성의 정도에 따라 특징지어지며, 완전한 비결정성 폴리머의 경우 0부터 이론적으로 완전한 결정성 폴리머의 경우 1까지 다양합니다.미세결정 영역을 가진 고분자는 일반적으로 완전히 비정질 [51]고분자보다 더 단단하고(파괴되지 않고 더 많이 구부릴 수 있음) 충격에 더 강합니다.결정도가 0에 가깝거나 1에 가까운 폴리머는 투명해지는 경향이 있으며 중간 정도의 결정도를 가진 폴리머는 결정성 또는 유리성 영역에 의한 빛의 산란으로 불투명해지는 경향이 있다.많은 폴리머의 경우, 결정성은 또한 투명성의 감소와 관련이 있을 수 있다.

체인 컨피규레이션

고분자 분자가 차지하는 공간은 일반적으로 체인의 질량 중심에서 체인 자체까지의 평균 거리인 회전 반지름으로 표현됩니다.또는 고분자 사슬에 걸친 부피로서 [52]회전반경의 세제곱에 따라 스케일링되는 퍼베이드 부피로 표시할 수 있다.용해된 비정질 상태의 폴리머에 대한 가장 간단한 이론 모델은 이상적인 사슬입니다.

특성.

고분자 성질은 구조에 따라 다르며 물리적 기초에 따라 세분화된다.많은 물리적 및 화학적 특성은 폴리머가 연속적인 거시적 물질로서 어떻게 작용하는지를 나타냅니다.열역학에 따라 벌크 특성 또는 강도 특성으로 분류됩니다.

기계적 특성

장력에 의해 목덜미가 잡힌 폴리에틸렌 샘플.

폴리머의 부피 특성은 최종 사용 시 가장 많은 관심을 끄는 특성입니다.이것들은 폴리머가 거시적인 규모로 실제로 어떻게 행동하는지 결정하는 특성입니다.

인장 강도

재료의 인장 강도는 재료[53][54]고장 전에 얼마나 연장되는 응력을 견딜 수 있는지를 수량화합니다.이는 고분자의 물리적 강도 또는 내구성에 의존하는 애플리케이션에서 매우 중요합니다.예를 들어, 인장 강도가 높은 고무 밴드는 스냅하기 전에 더 큰 무게를 유지합니다.일반적으로 인장강도는 폴리머 체인 길이와 폴리머 체인 가교와 함께 증가한다.

영 탄성 계수

영률은 폴리머탄성을 정량화합니다.작은 균주의 경우 응력 변화율과 변형률의 비율로 정의됩니다.이는 인장강도와 마찬가지로 고무줄과 같은 고분자의 물리적 특성을 포함하는 고분자 응용에 매우 관련이 있습니다.계수는 온도에 크게 좌우됩니다.점탄성(점탄성)은 부하가 제거될 때 응력-변형 곡선에 이력(hysteresis)을 보이는 복잡한 시간 의존적 탄성 응답을 나타냅니다.동적 기계적 분석 또는 DMA는 부하를 진동시키고 결과적으로 발생하는 변형률을 시간의 함수로 측정하여 이 복잡한 계수를 측정합니다.

전송 속성

확산성과 같은 수송 특성은 분자가 고분자 매트릭스를 통해 얼마나 빨리 움직이는지를 나타냅니다.이것들은 필름과 막을 위한 폴리머의 많은 적용에서 매우 중요하다.

개별 고분자의 이동은 각각의 사슬 분자가 가상 튜브 안에서 움직이기 위해 인접한 사슬과 얽힘에 의해 구속되는 파편이라고 불리는 과정에 의해 일어납니다.파편이론은 고분자 분자역학 및 점탄성[55]설명할 수 있다.

위상 동작

결정화 및 용해

(A) 비정질 및 (B) 세미크리스탈린 폴리머의 열전이는 차동 주사 열량 측정의 미량으로 나타난다.온도가 상승함에 따라 비정질 중합체 및 반결정성 중합체 모두 유리 전이(Tg)를 거친다.반결정성 고분자(B)는 결정화 및 용융(각각cm 온도 T, T)을 거치지만 비정질 고분자(A)는 다른 상전이를 보이지 않는다.

화학 구조에 따라 폴리머는 반결정 또는 비정질일 수 있습니다.반결정성 고분자는 결정화 용융 전환을 겪을 수 있는 반면 비정질 고분자는 그렇지 않습니다.폴리머에서 결정화와 용융은 물이나 다른 분자 유체의 경우처럼 고액상 전이를 암시하지 않는다.대신 결정화와 용융은 두 가지 고체 상태(즉, 반결정과 비정질) 사이의 상 전이를 말합니다.결정화는 유리 전이 온도(Tg) 이상에서 용융 온도(Tm) 미만이다.

유리 전이

모든 폴리머(아모르퍼스 또는 반결정)는 유리 전환을 거칩니다.유리 전이 온도(Tg)는 폴리머 제조, 가공 및 사용에 있어 중요한 물리적 파라미터입니다.T이하에서는g 분자운동이 동결되고 폴리머는 부서지기 쉽고 유리하다.Tg 넘으면 분자운동이 활성화되고 고분자는 고무질이고 점성이 있다.유리 전이 온도는 폴리머의 분기 또는 가교 정도를 변경하거나 가소제[56]첨가하여 설계할 수 있습니다.

결정화와 용융은 1차 상전이지만 유리 전이는 그렇지 않습니다.[57]유리 전이는 2차 위상 전이의 특징을 공유하지만(그림과 같이 열 용량의 불연속성 등), 일반적으로 평형 상태 간의 열역학 전이로 간주되지 않는다.

혼합 동작

스피노달 곡선과 바이노달 공존 곡선을 보여주는 약하게 상호작용하는 폴리머 용액의 전형적인 혼합 거동에 대한 위상도.

일반적으로, 고분자 혼합물은 작은 분자 물질의 혼합물보다 훨씬 덜 섞인다.이러한 효과는 혼합의 원동력이 상호작용 에너지가 아닌 엔트로피라는 사실에서 비롯됩니다.즉, 혼합성 재료는 보통 서로 간의 상호작용이 자기 상호작용보다 유리하기 때문이 아니라 엔트로피의 증가 및 각 구성요소에 이용 가능한 부피의 증가와 관련된 자유 에너지의 증가 때문이다.엔트로피의 증가는 혼합되는 입자(또는 몰)의 수에 따라 확대됩니다.고분자 분자는 훨씬 더 크고, 따라서 일반적으로 작은 분자보다 훨씬 높은 특정 부피를 가지고 있기 때문에, 고분자 혼합물에 포함된 분자의 수는 같은 부피의 작은 분자 혼합물의 수보다 훨씬 적다.반면 혼합의 에너지학은 고분자 및 소분자 혼합물의 경우 부피당 비교가 가능하다.이는 고분자 용액에 대한 혼합의 자유 에너지를 증가시켜 용매화를 덜 유리하게 만드는 경향이 있으며, 따라서 고분자의 농축된 용액을 소분자보다 훨씬 더 드물게 사용할 수 있게 만든다.

또한 폴리머 용액 및 혼합물의 위상 거동은 소분자 혼합물의 위상 거동에 비해 복잡하다.대부분의 소분자 용액이 냉각 시 상분리가 발생하는 UCST(임계용액 온도 전이)만 보이는 반면, 고분자 혼합물은 일반적으로 가열 시 상분리가 발생하는 LCST(임계용액 온도 전이)를 낮춥니다.

희석액에서 폴리머의 특성은 용매와 폴리머의 상호작용에 의해 특징지어진다.좋은 용매에서는 폴리머가 부풀어 올라 다량을 차지한다.이 시나리오에서는 용제와 단량체 서브유닛 사이의 분자간 힘이 분자내 상호작용을 지배한다.나쁜 용매나 나쁜 용매에서는 분자 내 힘이 지배하고 사슬이 수축합니다.세타용매, 즉 제2바이럴계수의 값이 0이 된 폴리머 용액 상태에서 분자간 폴리머-용제 반발은 분자내 단량체-단량체 흡인력의 정확한 균형을 이룬다.세타 조건(플로리 조건이라고도 함)에서 폴리머는 이상적인 랜덤 코일처럼 작동합니다.상태 간의 전이를 코일-글로불 전이라고 합니다.

가소제 포함

가소제를 함유하면 T가 낮아지고g 폴리머의 유연성이 높아지는 경향이 있습니다.가소제를 추가하면 냉각 속도에 대한g 유리 전이 온도 [58]T의 의존성도 변경됩니다.가소제 분자가 수소 결합 형성을 일으키면 사슬의 이동성은 더욱 변할 수 있습니다.가소제는 일반적으로 고분자와 화학적으로 유사하며 더 큰 이동성과 더 적은 사슬 간 상호작용을 위해 고분자 사슬 사이에 간격을 만드는 작은 분자입니다.가소제의 작용의 좋은 예는 폴리염화비닐 또는 PVC와 관련이 있습니다.파이프 등에는 uPVC, 즉 미가소화 폴리염화비닐이 사용된다.파이프에는 가소제가 들어 있지 않습니다. 왜냐하면 파이프에는 견고하고 내열성이 필요하기 때문입니다.가소성 PVC는 유연한 품질을 위해 의류에 사용됩니다.가소제는 또한 폴리머를 더 유연하게 만들기 위해 몇몇 종류의 접착 필름에 넣어진다.

화학적 성질

폴리머 체인 사이의 인력은 폴리머의 특성을 결정하는 데 큰 역할을 합니다.고분자 사슬은 매우 길기 때문에, 그들은 분자당 그러한 많은 사슬 간 상호작용을 가지고 있으며, 이러한 상호작용이 기존의 분자 사이의 흡인력에 비해 고분자 특성에 미치는 영향을 증폭시킨다.폴리머의 다른 측면 그룹은 폴리머를 이온 결합 또는 자체 사슬 사이의 수소 결합에 빌려줄 수 있습니다.이러한 강한 힘은 일반적으로 더 높은 인장 강도와 더 높은 결정 융점을 초래합니다.

폴리머의 분자간 힘은 단량체 단위의 쌍극자에 의해 영향을 받을 수 있다.아미드 또는 카르보닐기를 포함하는 중합체는 인접한 사슬 사이에 수소 결합을 형성할 수 있다. 한 사슬의 N-H 그룹에서 부분적으로 양으로 대전된 수소 원자는 다른 사슬에서 C=O 그룹의 부분적으로 음으로 대전된 산소 원자에 강하게 끌린다.예를 들어, 이러한 강한 수소 결합은 우레탄 또는 요소 결합을 포함하는 고분자의 높은 인장 강도 및 녹는점을 초래합니다.폴리에스테르는 C=O기의 산소 원자와 H-C기의 수소 원자 사이에 다이폴-디폴 결합을 가진다.다이폴 결합은 수소 결합만큼 강하지 않기 때문에 폴리에스테르 용융점과 강도는 케블라(Twaron)보다 낮지만 폴리에스테르 용융도는 더 높습니다.폴리에틸렌과 같은 비극성 단위와 중합체는 약한 반데르발스 힘을 통해서만 상호작용합니다.그 결과, 일반적으로 다른 폴리머보다 낮은 용해 온도를 가집니다.

폴리머가 페인트나 접착제와 같은 상업용 제품에 분산되거나 액체에 용해될 때, 화학적 특성과 분자 상호작용은 용액이 흐르는 방식에 영향을 미치고 심지어 폴리머가 복잡한 구조로 자가 조립될 수도 있습니다.폴리머를 코팅으로 도포할 경우, 화학적 특성은 코팅의 접착력과 초소수성 폴리머 코팅과 같은 외부 물질과의 상호작용에 영향을 미쳐 내수성을 유발합니다.전반적으로 폴리머의 화학적 특성은 새로운 고분자 재료 제품을 설계하는 데 중요한 요소입니다.

광학적 특성

PMMA 및 HEMA:MMA와 같은 고분자는 고체 염료 도프 폴리머 레이저라고도 하는 고체 염료 레이저의 이득 매질에서 매트릭스로 사용됩니다.이러한 고분자는 표면 품질이 높고 투명도가 높아 레이저 특성이 폴리머 매트릭스를 도핑하는 데 사용되는 레이저 염료에 의해 좌우됩니다.유기레이저 등급에 속하는 이러한 유형의 레이저는 스펙트럼 분석 및 분석 [59]응용에 유용한 매우 좁은 선폭을 산출하는 것으로 알려져 있습니다.레이저 응용에 사용되는 고분자의 중요한 광학 파라미터는 dn/dT라고도 알려진 온도에 따른 굴절률의 변화입니다.여기서 말하는 폴리머는 (dn/dT)~-1.4×10으로−4 K단위는−1 297 t T [60]33 337 K이다.

전기적 특성

폴리에틸렌과 같은 기존의 고분자는 대부분 전기 절연체이지만, γ-공역 결합을 포함하는 고분자의 발달로 폴리티오펜과 같은 고분자 기반 반도체가 풍부해졌다.이 때문에, 유기 전자 분야에 많은 응용이 행해지고 있습니다.

적용들

오늘날, 합성 고분자는 거의 모든 분야에서 사용되고 있다.그들이 없다면 현대 사회는 매우 달라 보일 것이다.고분자 사용의 확산은 저밀도, 저비용, 양호한 보온/전기 단열 특성, 높은 내식성, 저에너지 고분자 제조 및 완제품으로의 가공과 같은 고유한 특성과 관련이 있습니다.특정 용도에서는 복합재료와 같이 다른 재료와의 조합에 의해 폴리머의 특성을 조정하거나 강화할 수 있다.이러한 응용 프로그램을 통해 에너지 절약(경량 자동차 및 비행기, 단열 건물), 식품 및 식수 보호(포장), 토지 절약 및 비료 사용 감소(합성 섬유), 기타 재료 보존(코팅), 생명 보호 및 저장(위생, 의료 응용)이 가능하다.다음은 대표적인 응용 프로그램 목록입니다.

표준화된 명명법

폴리머 물질에 이름을 붙이는 데는 여러 가지 규칙이 있습니다.소비자 제품에서 발견되는 것과 같이 일반적으로 사용되는 많은 폴리머는 일반적이거나 사소한 이름으로 언급된다.일반 이름은 표준화된 명명 규칙이 아니라 과거의 전례 또는 일반적인 용법에 따라 할당됩니다.미국화학회(ACS)[61][62] IUPAC 모두 표준화된 명명 규칙을 제안했습니다. ACS와 IUPAC 규칙은 유사하지만 [63]동일하지는 않습니다.다양한 명명 규칙 간의 차이 예를 다음 표에 나타냅니다.

통칭 ACS명 IUPAC 이름
폴리(에틸렌옥사이드) 또는 PEO 폴리(옥시에틸렌) 폴리(옥시에틸렌)
폴리(에틸렌 테레프탈레이트) 또는 PET 폴리(옥시-1, 2-에탄디옥시카르보닐-1, 4-페닐렌에카보닐) 폴리(옥시에틸렌옥시테레프탈로일)
나일론 6 또는 폴리아미드 6 폴리[이미노(1-옥소-1,6-헥산디아일)] 폴리[아자네디일(1-옥소헥산-1,6-다이일)]

양쪽 표준화된 규칙에서 폴리머의 이름은 반복적인 서브유닛의 정확한 성질이 아니라 폴리머가 합성되는 단량체(source based nomencelature)를 반영하기 위한 것이다.예를 들어 단순 알켄 에텐에서 합성된 중합체를 폴리에테네라고 하며, 중합 과정에서 이중 결합이 제거되더라도 -ene 접미사를 유지합니다.

Ethene polymerization.pngPolyethylene-repeat-2D-flat.png
그러나 IUPAC 구조 기반 명명법은 선호하는 헌법 반복 단위의 [64]명칭에 기초한다.

특성화

고분자 특성은 화학 성분, 분자량 분포 및 물리적 특성을 결정하기 위한 많은 기술에 걸쳐 있습니다.일반적인 방법에는 다음이 포함됩니다.

  • 크기 제외 크로마토그래피(겔 투과 크로마토그래피라고도 함)는 때때로 정적산란과 결합되어 수치 평균 분자량, 무게 평균 분자량 및 분산성을 결정하는 데 사용될 수 있습니다.
  • 정적산란소각 중성자 산란과 같은 산란 기술은 용액 또는 용융 중 고분자의 치수(회전의 반지름)를 결정하기 위해 사용된다.이러한 기술은 또한 미세상 분리 블록 폴리머, 고분자 미셀 및 기타 물질의 3차원 구조를 특징짓기 위해 사용된다.
  • 광각 X선 산란(광각 X선 회절이라고도 함)은 폴리머의 결정 구조(또는 그 결여)를 결정하기 위해 사용됩니다.
  • 푸리에 변환 적외선 분광법, 라만 분광법, 핵자기공명 분광법 등의 분광기법을 이용해 화학조성을 결정할 수 있다.
  • 차동 주사 열량 측정은 유리 전이 온도, 결정화 온도 및 용해 온도와 같은 폴리머의 열 특성을 특징짓기 위해 사용됩니다.유리 전이 온도는 동적 기계적 분석을 통해 확인할 수도 있습니다.
  • 열중량계는 폴리머의 열 안정성을 평가하는 데 유용한 기술입니다.
  • 유동학은 흐름과 변형 거동을 특징짓기 위해 사용된다.점도, 계수 및 기타 레올로지 특성을 결정하는 데 사용할 수 있습니다.또한 레올로지(Rheology)는 분자 구조(분자량, 분자량 분포, 분기)를 결정하고 폴리머가 어떻게 처리될 수 있는지를 이해하기 위해 자주 사용됩니다.

열화

열과 추위, 브레이크 오일, 햇빛에 30년간 노출된 플라스틱 제품.소재의 변색, 붓기, 접힘에 주의해 주십시오.

폴리머 열화란 열, , 특정 화학물질, 산소 및 효소의 존재 하나 이상의 환경요인의 영향을 받는 폴리머 또는 폴리머 기반 제품의 특성(텐텐셜 강도, 색상, 모양 또는 분자량)의 변화입니다.이러한 특성 변화는 종종 사슬 끝 또는 사슬의 임의 위치에서 발생할 수 있는 고분자 골격(사슬 스크리션)의 결합 파괴의 결과입니다.

이러한 변경은 바람직하지 않은 경우가 많지만, 생분해재활용과 같은 경우에 환경오염을 방지하기 위한 것일 수 있습니다.분해는 생물의학 환경에서도 유용할 수 있습니다.예를 들어 폴리유산폴리글리콜산의 공중합체를 상처에 도포한 후 서서히 분해되는 가수분해성 스티치에 이용한다.

폴리머의 분해 민감성은 폴리머의 구조에 따라 달라집니다.방향족 기능을 포함하는 에폭시 및 체인은 특히 UV 분해에 취약하며 폴리에스테르는 가수 분해에 의해 분해되기 쉽다.불포화 골격을 포함한 고분자는 오존 균열을 통해 분해된다.탄소 기반 고분자는 폴리디메틸실록산과 같은 무기 고분자보다 열분해되기 쉬우므로 대부분의 고온 용도에 적합하지 않습니다.

폴리에틸렌의 분해는 고분자 원자를 서로 고정시키는 결합의 무작위 파괴인 무작위 분해를 통해 발생합니다.450°C 이상으로 가열되면 폴리에틸렌이 분해되어 탄화수소가 혼합됩니다.체인 엔드 스크리션의 경우 모노머가 방출되며, 이 과정을 언지핑 또는 탈중합이라고 한다.어떤 메커니즘이 지배적인지는 폴리머의 종류와 온도에 따라 달라집니다.일반적으로 반복 단위에 작은 치환기가 없거나 하나의 작은 치환기를 가진 폴리머는 랜덤 체인 스크리션을 통해 분해됩니다.

재활용을 위한 고분자 폐기물의 분류는 플라스틱 산업 협회개발한 수지 식별 코드를 사용하여 플라스틱의 종류를 식별함으로써 촉진될 수 있습니다.

제품 장애

아세탈수지 배관 이음매의 염소 공격

안전에 중요한 고분자 구성 요소의 고장으로 인해 고분자 연료 라인에 금이 가거나 성능이 저하된 경우 화재가 발생하는 등 심각한 사고가 발생할 수 있습니다.아세탈수지 배관 이음매와 폴리부틸렌 파이프의 염소유발 균열은 특히 1990년대 미국에서 많은 국내 부동산에 심각한 홍수를 일으켰다.급수의 염소 흔적이 배관 내 고분자를 공격하여 문제가 발생하였습니다. 이 문제는 부품의 압출불량하거나 사출 성형된 경우 더 빨리 발생합니다.성형 불량으로 인해 아세탈 조인트 공격이 발생하여 응력이 집중된 피팅 나사산을 따라 균열이 발생하였습니다.

천연고무관 오존유발 균열

고분자 산화는 의료 기기와 관련된 사고를 일으켰다.가장 오래된 고장 모드 중 하나는 오존 가스가 천연 고무나 니트릴 고무와 같은 민감엘라스토머를 공격할 때 체인 스크리션에 의해 발생하는 오존 균열입니다.오존 분해 중에 분해되는 반복 단위에는 이중 결합이 있습니다.연료 라인의 균열이 튜브의 보어를 관통하여 연료 누출을 일으킬 수 있습니다.엔진실에 균열이 발생하면 전기 스파크로 인해 휘발유가 점화되어 심각한 화재가 발생할 수 있습니다.의료 사용 시 폴리머의 열화는 이식형 [65]장치의 물리적 및 화학적 특성을 변화시킬 수 있습니다.

나일론 66은 산 가수분해되기 쉽고, 한 번의 사고로 연료 배관이 파열되어 디젤이 도로로 유출되었다.경유 연료가 도로로 새어나오면 검은 얼음과 같은 퇴적물의 미끄러운 성질 때문에 뒤따르던 차량에 사고가 발생할 수 있다.또한 복합재료의 아스팔텐을 디젤연료가 녹여 아스팔트 콘크리트 노면이 손상되어 아스팔트 표면의 열화와 도로의 구조 건전성이 저하됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

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참고 문헌

외부 링크