개념 한 쪽
고분자 중합은 용매 사용 여부와 분산 매체에 따라 용액중합, 벌크중합, 현탁중합, 유화중합 등으로 구분된다. 각 방법은 열제어, 반응 혼합물의 점도, 분자량 특성 등에서 서로 다른 장단점을 보이므로 용도에 맞게 선택해야 한다.
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출제기준 단원 「고분자 중합」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 용액중합의 성질 판별 | 1 | 용매 사용에 따른 열제거·분자량 특성 구분 |
| 중합 방법 특징 연결 | 1 | 열제거·점도·분자량 관계로 중합법 식별 |
| 열적 성질과 구조 구분 | 1 | 열가소성·열경화성의 구조적 차이 판정 |
용액중합은 단량체를 용매에 녹여 진행하는 중합 방법으로, 용매가 반응열을 흡수하므로 온도 조절이 용이하고 반응 혼합물의 점도가 낮아 교반이 쉬운 장점을 가진다. 그러나 용매 존재로 인해 사슬 전이 또는 사슬 이동이 일어날 수 있어 일반적으로 분자량이 낮아지고 반응속도가 벌크중합에 비해 느려지는 경향이 있다. 사용한 용매는 회수 및 제거 공정이 필요하다는 점도 고려해야 한다.
유화중합은 단량체를 물속에 분산시켜 계면활성제와 수용성 개시제를 사용해 중합을 진행하는 방법이며, 반응열이 물에 의해 흡수되어 온도 조절이 용이하다. 유화중합은 사슬 이동이 적어 높은 분자량의 고분자를 얻기 유리하며, 분산상태에서 고분자가 합성되므로 제품 분리 형상이 유리한 경우가 많다.
현탁중합은 단량체를 물 같은 불용매에 액적 형태로 분산시켜 연속 교반 상태로 중합하는 방식으로, 고순도의 폴리머를 직접 입상으로 얻을 수 있고 중합열의 제어가 용이하다. 괴상중합은 단량체가 용매 없이 덩어리 상태로 중합되므로 점도가 증가하고 열제거가 어렵다는 점이 있으며, 각 방법의 특성을 중합 공정 설계에 반영해야 한다.
중합 반응에서 분자량을 다루는 기본식도 중요하다. 축합중합의 경우 카로더스 식 Xn = 1/(1 - p)를 사용해 전환율 p와 수평균 중합도 Xn의 관계를 구할 수 있다. 수평균 분자량(Mn)은 혼합물 전체 질량을 전체 몰수로 나눈 값으로 계산하며, 개별 성분의 질량과 분자량을 이용해 몰수를 먼저 구한 뒤 전체 질량을 전체 몰수로 나누어 구한다.
예 1 — 카로더스 식 적용: 같은 몰수의 단량체가 축합중합에서 전환율이 99%일 때 수평균 중합도 Xn을 구하면 Xn = 1/(1 - 0.99) = 100이 된다. 따라서 전환율 99%는 평균적으로 100개의 단량체가 연결된 고분자를 얻는 것을 의미한다고 판단한다.
예 2 — 수평균 분자량 계산: 세 성분이 혼합된 시료에서 각각의 질량과 분자량이 주어지면 먼저 각 성분의 몰수를 구한다(몰수 = 질량 ÷ 분자량). 예로 1.0×10^4 g/mol인 고분자 100g은 0.01 mol, 2.5×10^4 g/mol인 고분자 50g은 0.002 mol, 1.0×10^5 g/mol인 고분자 50g은 0.0005 mol이 된다. 전체 몰수는 0.0125 mol이고 전체 질량은 200g이므로 수평균 분자량 Mn = 200 ÷ 0.0125 = 16,000 g/mol이 된다.
고분자의 사슬성장 중합은 벌크중합, 용액중합 등에 의해 이루어지는데, 이 중 용액중합에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?
정답 ① · 문항은 용액중합의 특성 중 어울리지 않는 것을 묻고 있다. 용액중합은 용매가 존재하여 반응열 제거가 쉬워 온도 제어가 용이하고 용매 회수가 필요하며 이온중합에도 적용 가능하다.
용액중합은 용매가 열을 흡수하므로 반응속도가 느리고 분자량이 낮아지는 경향이 있다.
열제거가 용이하고 반응 혼합물의 점도를 줄일 수 있으나 저분자량의 고분자가 얻어지는 단점이 있는 중합방법은?
정답 ② · 문항은 열제거가 용이하고 점도 저감의 장점이 있으나 저분자량 고분자가 얻어지는 중합방법을 묻고 있다. 용액 중합은 용매가 열을 흡수하고 반응 혼합물의 점도를 낮추어 열제거가 쉬운 대신 용매로 인한 사슬전이 때문에 평균 분자량이 낮아지는 단점이 있다.
용액 중합은 용매가 열전달과 점도 조절을 도와 열제거가 용이하나 고분자 사슬 전이가 일어나 분자량이 낮아진다.
열가소성(thermoplastic) 고분자에 대한 설명으로 틀린것은?
정답 ① · 문제는 열가소성 고분자의 특징 중 틀린 것을 고르라고 묻고 있다. 열가소성 수지는 일반적으로 가열하면 연화하여 성형이 가능한 선형 또는 가지형 구조를 가지며 망상구조는 열경화성 수지의 특징이므로 '망상구조의 특징'이라는 보기는 틀리다.
열가소성 수지는 가열 시 연화되어 성형 가능한 선형 또는 가지형 구조를 가지며, 열경화성 수지가 망상구조를 가진다.
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