재료란 무엇인가?

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수연 야
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1 비결정질재료 Noncrystalline, amorphous 재료 공간상에규칙적인배열을가지지못하는구조 열가소성플라스틱, 투명고분자, 고무, 산화물유리, 유리질금속등 특징 결정립계가없어결함이없으므로내부식성과기계적성질향상 빛의투과성 1

2 유리천이온도 유리와고무 유리는실험이가능한시간범위내에서분자의재배열이일어날수있는온도보다낮은온도에놓여져있는재료 고무는분자의재배열이실험적으로가능한시간범위내에서일어날수있는재료 유리와고무상태를구분하는임계온도가유리천이온도 (glass transition temperature) 모든비정질재료의특징 2

3 Specific volume Specific volume 부피팽창계수의변화 V 1 V dv dt liquid rubber V crystal glass T m 용융온도 결정질재료 temperature T g 유리천이온도 비정질재료 temperature 3

4 결정형성과시간 결정은가장낮은에너지상태로서안정적인상태 결정와비결정상태사이의큰에너지차이 : 잠열 (Latent Heat) 결정형성과해체되는온도 : 용해온도 (Melting Point) 결정을형성하려면충분한시간이필요함 분자나원자의공간이동에필요한시간 과냉액체 (supercooled liquid) 시간이모자라분자나원자가충분히이동하지못해결정을형성하지못하고액체와같은수축율가지는고체로존재함 금속의열처리에이용 냉각속도조절에따른결정구조의변화로기계적성질변화 4

5 유리천이온도에서의분자운동 유리천이온도이하에서는재료가얼어있는상태로서대규모의분자운동이불가능 유리 (Glass): 비정질재료가유리천이온도이하의온도에있는상태 냉동스파게티와같은상태를상상할수있음 하중이가해지는속도에따라분자운동이결정됨 서서히가해지는하중에서는대규모분자운동이가능 빠르게가해지는하중에서는대규모분자운동이불가능하여취성이나타남 반대로분자운동을일으키는하중의속도에따라측정되는유리천이온도가달라질수있음 5

6 점성변형 전단변형 고체의전단변형은탄성변형이며시간과무관 F dy A dx 액체의전단변형은시간에의존하며변위속도는전단하중에비례 G 점도 (viscosity): 전단응력을전단율로나눈값 F d( dy / dt) d ( dy / dt) d( dy / dx) dx dt d dt 6

7 점도 전단변형속도와전단응력의관계를나타내는상수 유체의흐름에대한재료저항 유변학 (rheology) 단위 물체의변형을다루는분야 ( 주로고무상태 ) poise, P = g/(cm-sec) 물은 1 cp(centipoise) 당밀은약 50P ( 상온 ) Pa s = kg/(m-sec) 1 Pa s = 10 poise 7

8 점도, poise 아레니우스식에의해결정 점도의온도의존성 exp Q RT 온도 8

9 고분자의구조 고분자재료는단량체가반복적으로연결되어구성 에틸렌단량체 : -[-CH 2 -CH 2 -] n - n = 중합도 (degree of polymerization) 단순에틸렌분자 : n = 1 파라핀왁스 : n = 20 ~ 100 폴리에틸렌 : n = 약 5만 ~ 50만정도 단량체나결합구조에따라이름이정해짐 예 ) 폴리비닐클로라이드, 폴리부타디엔, PET 등 9

10 - = = 주요고분자구조 vinyl -[-CH 2 -CH-] n - R Side group ester -O-C- O Polyethylene Terephthalate PET -[-CH 2 -CH-] n - Cl PVC -[-CH 2 -CH-] n - CH 3 PP amid -N-C- H O Polyamide PA (Nylon) Poly Vinyl Chloride Poly Propylene 10

11 결합형태에따른분류 열경화성고분자 단량체사이에교차결합이발생하여그물망구조를이룸 재가열에의해재성형이불가능 열가소성고분자 포화에스테르 교차결합이없어재가열에의해재성형이가능 교차결합에스테르 불포화에스테르 이중결합 11

12 열경화성페놀수지 페놀포름알데하이드일차결합가능위치 (3 군데 ) 교차결합페놀포름알데하이드 ( 열경화성페놀수지, 베이클라이트 ) 기본구조 12

13 천연고분자 단백질 amid 기 폴리아미드 래디칼에따라근육, 머리카락, 비단, 양털차이 식물성고분자 셀룰로즈 리그닌 ( 목질소 ) 면, 식물성섬유등의기본구조 셀룰로즈를붙여주는풀과같은역할 13

14 합성수지의분류계통 플라스틱수지 열가소성수지 열경화성수지 반결정성수지 비결정성수지 고무 폴리에틸렌 (PE) 폴리프로필렌 (PP) 나일론 (PA) 아세탈 (POM) 폴리스티렌 (PS) 폴리카보네이트 (PC) 아크릴 (PMMA) ABS 에폭시폴리에스테르베이클라이트폴리우레탄 천연고무스티렌고무 (SBR) 니트릴고무 (NBR) 실리콘고무 (SR) 14

15 합성고분자의종류 15

16 사용용도에따른분류 가격 + 성능 PI PEK 고성능수지 ( 도 ) 엔지니어링수지 (~140 도 ) PES PAR PC MPPE PEI PSU LCP PPS PET PBT POM FP PA1 PA4,6 PA 160 SMA ABS PMMA PP-V PP UHMWPE 90 범용수지 (~90 도 ) PS PVC SAN LDPE HDPE 비결정성 반결정성 16

17 분자량 열경화성수지 중합도개념을적용할수없음 그물망구조 고분자자체의무게와동일한하나의거대한분자 열가소성수지 단량체의분자량에중합도를곱하여산출 서로다른분자량을가지는분자들의분포를가짐 분자량의평균값을이용하여표시 17

18 18 평균분자량 개수 - 평균분자량 전체무게를분자의개수로나눈값 일반적인평균개념 무게 - 평균분자량 분자량이큰분자의기여도가크게나타남 i i i i i n N N M M ) ( ) ( i i i i i i i i w M N w w w M M ) ( ) (

19 분자량분포 비슷한평균분자량 Low Density Polyethylene 분자량이높은분자가많음 기계적성질이상대적으로높음 Measured by Gel Permeation Chromatography 19

20 무게 - 평균분자량의의미 분자량이고분자의성질에영향을가장크게주는요소 분자량이작은분자보다큰분자가전체고분자의성질을좌우하게됨 무게 - 평균분자량 분자량분포중영향력이큰무거운분자가어느정도분포하는가를판단할수있음 다분산도 (polydispersity, PD) PD=1 모든분자가동일한무게 PD M M w n 20

21 고분자의형상과배열 단량체가배열된모습에따라성질이달라진다. 결합각 결합각에따라형태가제한됨 지그재그형태 무작위형태 21

22 배열 (Confirmation) 동일배열 (isotatic) 규칙배열 (syndiotatic) 혼성배열 (atatic) 22

23 고분자의결정형성 열가소성고분자가결정을형성 결정을형성하는데영향을주는인자 측면그룹의크기 : 큰측면그룹은결정성을방해 사슬가지치기의정도 : 가지가적을수록결정형성용이 입체규칙성 : 규칙적인구조가결정형성유리 반복단위의복잡성 : 반복단위가복잡할수록결정화속도가늦음 평행한사슬부위사이의이차결합정도 : 극성을가지는작은측면그룹은강한결정형성 23

24 반결정질고분자 고분자는완전한결정을형성하지못함 반결정질고분자로부름 고분자의결정은구정 (spherulite) 방사성의대칭을가지는결정 구정반경방향에수직으로고분자결정이형성 라멜라 (lamella): 결정단위로서판상으로성장 spherulite Crystalline lamella 24

25 Spherulite 결정판사이에비결정질재료가혼재된상태 결정성장핵 25

26 Lamellar 구조 Crystalline 결정을형성 긴사슬이꺾이면서겹쳐져있는상태로결정형성 100 angstrom Chain Folding Amorphous 결정을형성하지못하는분자 1 angstrom = 10-8 centimeter = meter 26

27 유리의구조 비결정질구조 단범위규칙은존재 장범위규칙이존재하지않음 어떤재료라도유리형성이가능함 결정이형성되지못하도록빠른냉각속도가기본조건 재료구조에따라결정화속도가달라지고냉각속도가결정화속도보다빠르면유리형성 용융상태의점도가높으면유리형성에도움 27

28 유리질과결정질의차이 (SiO 4 ) 4- Tetrahedron SiO 2 Si 4+ O 2-3 차원규칙성을가지기어려운구조 실리카유리 실리카결정 28

29 이온결합유리 주로산화물유리로서일반적으로알려진유리가이에속함 소다 - 석회 - 규산염유리 실리카 (SiO 2 ) 는결정화속도가늦으므로쉽게유리를형성 용융상태에서높은점도로인하여원자의재배열이느리게진행됨 할로겐화합물 (halide) 유리, 수은화합물 (calcogenide) 유리 29

30 공유결합유리 고분자유리 반결정질고분자 : 결정성장을억제하도록구조변화 비정질고분자 비정질반도체 비정질실리콘 : 결정립계가없기때문에여러가지장점을지님 30

31 고분자의용해온도와유리천이온도 비결정질고분자 ( 고분자유리 ) 결정이없으므로결정이형성 / 해체되는용해온도가없음 PE PVC PP PS PAN PTFE PCTFE PMMA 결정질고분자이지만비결정상태로존재 ( 고분자유리로사용 ) PC PET 31

32 유리질금속 유리질금속형성을위한냉각속도 : 10 8 K/s 냉각된기판상에증착 얇은리본형태로급냉 결정화속도가낮은다성분계합금 예 ) 80%Au-20%Si, 78%Fe-9%Si-13%B 순금속은높은결정화속도로인하여급냉법으로는제조가불가능 최근, 매우용이하게유리질금속을제조하는기술이개발되었음 Liquidmetal 32

33 유리질금속의특징 열에불안정하다. 원자가이동가능한온도가되면결정화한다. 낮은온도에서만사용가능 특이한자기적성질을가지고있음 자기기록소자헤드, 도서관도난방지용스트립등에응용 비교적전위가없어고강도를가진다. 냉각에따른부피의수축이매우작다. 결정입계가없어내부식성이우수함 33

34 열경화성탄성중합체 교차결합을만들어분자의상대적인미끄러짐을방지함 고무 : 대표적인열경화성탄성중합체 실리콘고무 : 매우우수한재료 이중결합이깨지면서황과교차결합 Wikipedia 발췌 34

35 실리콘고무 탄소대신규소를사용한고무로서높은온도에서안정적으로사용가능한특징 방수창틀, 욕조, 문의틈새를메우는데사용 고온의자동차엔진에사용하는전기절연피복 Wikipedia 발췌 35

36 열가소성탄성중합체 블록혼성중합체 (block copolymer) 단단한부위와부드러운부위의혼합 분자가서로미끄러지는것을방지하면서부드러운부분이연신됨 열을가해몇번이고재성형이가능한장점 단단한부위 부드러운부위 Wikipedia 발췌 36

37 고무의결정화 무질서하게꼬여있는분자가외부의힘에의해배열을이루게되면결정형성을방해하는장벽이낮아지며결정을쉽게이룰수있는상태가된다. 천연고무를사용하는고무밴드는연신하면결정화되면서열이난다. 결정화가진행되면서잠열이방출되는효과 ( 열을가하면다시회복됨 ) 결정화효과를응용한제품 : 탄성섬유 ( 스판덱스 ) 37

38 탄성계수 탄성계수 탄성계수의온도의존성 반결정성고분자 열경화성고분자 결정화도증가 교차결합증가 온도 온도 T g T m T g 38

39 고무탄성 대부분재료의탄성은원자결합의신축에의해발생하므로크지못함 고무의탄성은매우크다 고무는원래길이의약 10 배정도의탄성을보임 고무탄성은꼬인분자사슬이풀리는현상에의해발생 용이한회전 39

40 다음내용 미세조직 상평형과상태도 상변태의속도와미세조직 40

신나는_과학놀이원고[이기주].hwp

신나는_과학놀이원고[이기주].hwp 1. 탄생 별자리 엑세서리 선일초등학교 교사 이기주 폴리스티렌(PS)용기를 재활용하여 예쁜 나만의 휴대폰 액세서리를 만들어 보면서 열 가소성 수지의 성질을 알아본다. 투명 플라스틱 용기(폴리스티렌:PS), 휴대폰 줄, 칼라 네임펜, 칼라 매직, 가위, 오븐 토스터, 알루미늄 호일, 펀치, 밑그림용 캐릭터 인쇄물, 면장갑, 평평한 판이나 책등 1. 투명 플라스틱