고분자란?

중합체(重合體, Polymer)는 단위체(Monomer)가 반복되어 연결된 고분자(Macromolecule)의 한 종류이다. 같은 뜻으로 사용되는 경우가 많은데, 이는 단위체(or 단량체)라는 저분자가 여러 개 중합되어 이루어졌다는 뜻으로서, 최근에는 고분자를 폴리머라고 부르는 것이 일반적으로 되어 있다.

일반적으로 실용화되고 있는 고분자는 분자량이 대개 5000-20000정도이며, 분자량이 큰 것으로는 1,000,000 또는 그 이상의 것도 실험실적으로 합성되는 경우가 있고, 또한 천연에서 산출되는 고분자는 수백만 내지 수천만이 되는 것도 알려져 잇다. 또 분자량이 수백 정도인 중합체일지라도 사용할 때의 최종 분자량이 커지거나 또는 용도가 플라스틱과 같은 목적으로 사용될 때는 편의상 고분자로 취급하는 경우도 있다.

 대개는 화학적 합성에 의한 고분자를 '중합체'라 칭한다. 한국 고분자학회 용어집에 따르면 Polymer는 고분자, 중합체, 폴리머로 옮기게 되어 있으나, Polymer와 Macromolecule은 서로 다른 의미를 가지므로 여기서 중합체가 가지는 의미는 영문의 Polymer, 그리고 고분자는 Macromolecule을 칭하는 것으로 하기로 한다. '중합체'(Polymer)라는 용어는 1833년에 바젤리우스(Jons Jacob Berzelius)에 의하여 처음 사용되었다. 본래는 'Macromolecule'(고분자, 독일어에서 기원함 'Makromolekül')이 1900년대 이전에 주로 쓰이던 용어였으나, 차후 주로 화학적 결합에 의하여 동일한 단위체가 계속 반복된 형태를 '중합체'(Polymer)로 칭하게 되었다.

'중합체'는 대개 어떠한 단위체를 사용하였는가에 따라 다른 성질을 갖는다. 아래의 그림은 음이온중합반응(Anionic Polymerization)을 예로 나타낸 것으로서 폴리스타이렌(Polystyrene)의 합성 기작이다.

 

 

이와 같이 단위체인 스타이렌(Styrene)이 반복하여 연결된 구조를 만듦으로서 중합체를 합성하게 된다. 산업적으로 가장 많이 합성되는 중합체는 폴리에틸렌(Polyethylene)이며, 역사적으로 가장 유명한 예는 합성고무인 폴리아이소프렌(Polyisoprene)이다. 폴리아이소프렌의 경우 분자 구조가 고무나무 수액에서 나오는 라텍스(latex)와 동일한 구조를 가지는 물질로서, 자연에서 얻어야만 했던 물질을 인간이 스스로 합성해낼 수 있었던 하나의 좋은 예이다.

중합체의 물리적 특성을 결정하는 가장 중요한 두 개의 물리적 변수는 유리전이온도 Tg(glass transition temperature)와 녹는점 Tm (melting temperature)이다. 이 두 개의 변수는 각 중합체의 사용 용도를 결정하게 된다. 유리전이온도는 중합체가 액체 상태에서 과냉각액체(super-cooled liquid)상태로 변하게 되는 온도를 말하는 것으로서, 중합체가 과냉각액체가 되기 시작하면 딱딱해며 더 이상 흐르지 않는다. 이것은 단지 중합체의 점도(Viscosity)가 매우 높아진 것으로서, 물질이 결정(Crystal)을 이루어 점도가 무한대로 커지는 것과는 다르다. 즉, 낮은 데보라수(Deborah number)에서는 흐르지 않지만, 높은 데보라수(Deborah number)에서는 흐르는 것을 관찰할 수 있다. 폴리스타이렌이 섭씨 100도 정도에서 유리전이를 일으키는데, 100도 이상에서는 액체이고 그 이하에서는 흐르지 않는다. 녹는점은 중합체 분자들끼리 결정(Crystal)을 만드는 온도이다. 그러나 이 결정구조는 중합체의 모든 부분으로 퍼져나가지 못하며 국지적으로 일어나게 된다. 즉, 녹는점은 유리전이 온도보다 낮으므로 과냉각된 액체상태의 중합체 내부에 작은 중합체의 분자 혹은 그 부분들로 이루어진 결정들이 생성되는 구조가 된다.

 

 

 

고분자(polymer)의 구조

1)선형고분자:

단량체들이 서로 선형으로 연결된 것

(예: polyethylene, polyester , nylon)

2)가지 고분자:

선형 고분자에 가지가 달린 것 (예: polyethylene =>교제 Figure2.6참조 )

가지의 수와 길이는 탄성률, creep, 충격강도 ,용융점도 등의 물리적 성질 및 가공성에 큰 영향을 미친다.

 

*선형 고분자 및 가지 고분자는 용매에 잘 녹으며, 열을 가하면 연화가 일어나거나 녹아서 액체상태가 되나 온도를 용융점이하로 낮추면 고체상태로 된다. 이와같이 열에 의한 변형이 용이하고 열을 제거하면 변형된 형태를 유지하는 수지를 열가소성 수지(thermoplastic resin)라 한다

3)가교 고분자

*분자사슬 사이의 화학결합에 의해 3차원적 구조를 지니며
phenol 수지 , epoxy 수지 및 가황고무 등이 대표적인 예이다.
(교재 Figure 2.8 참조)

*용매에 녹지 않고 팽윤(swelling)만 일어나며 팽윤되는 정도는 가교결   합의 정도에 따라 달라지게 된다.

가교화 되어 있는 경우는 온도가 높게 올라가더라도 유동성을 나타내지 않아 선형 고분자와는 달리 탄성을 나타낸다.

*가황고무의 경우 가교결합이 적으면 탄성체가 되나, 많은 가교결합을 지닐 경우 구조가 더욱 치밀해지며 아주 딱딱한 고체가 된다.

*가교결합이 일단 일어나면 열을 가해도 연화가 일어나지 않아 변형을 일으 킬수 없게 된다. 이와 같은 수지를 열경화성 수지(thermosetting resin)라 하며 열안정성 및 용매저항성이 요구되는 곳에 주로 사용한다.