고분자 과학 - PDF Free Download

목차 1. 개요 File: APS01 1.1 분자 (Molecules) 1.1.1 원자 (Atoms) 와전자 (Electrons) 1.1.2 이온 (Ions) 과라디칼 (Radicals) 1.1.3 분자의표기 (Molecular notation) 1.1.4 유기분자 (Organic molecules) 1.2 분자결합 (Molecular Bonds) File: APS02 1.2.1 결합특성 1.2.2 분자결합의종류 1.2.3 화학반응 1.2.4 물분자 1.3 고분자의개념 File: APS03 1.3.1 고분자 (Polymer) 란 1.3.2 단량체 (Monomer) 와중합 (Polymerization) 1.3.3 고분자의형태 1.3.4 고분자의명명법과대표적고분자

1.4 고분자의역사와용도 1.4.1 역사 1.4.2 용도 2. 고분자의분류와특성 2.1 분류 2.1.1 산출에따른분류 2.1.2 형상에따른분류 2.1.3 열성에따른분류 2.1.4 단일중합체와공중합체 2.2 합성고분자 File: APS04 2.2.1 올레핀계고분자 2.2.2 비닐계고분자 2.2.3 아마이드계고분자 2.2.4 에스터계고분자 2.2.5 우레탄, 우레아계고분자 File: APS05 2.2.6 엘라스토머 2.2.7 엔지니어링플라스틱 (Engineering Plastics) 2.2.8 무기계고분자 2.2.9 공중합체 2.3. 천연고분자 File: APS06 2.3.1 지방 2.3.2 탄수화물 2.3.3 단백질

2.4 특성 File: APS07 2.4.1 고분자의관능기 2.4.2 이온성고분자 2.4.3 가교고분자 2.4.4 가소제 2.4.5 분자량 2.4.6 상과전이 2.4.7 결정과비결정 3. 고분자의중합 File: APS08 3.1 중합법분류 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 그외중합 3.2 중합동력학

4. 분석 File: APS10 4.1 전자기파분석 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 전자현미경분석 4.3 X- 선회절분석 4.4 열분석 File: APS12 4.5 기타분석 5. 구조및용액물성 File: APS13 5.1 고분자의구조 5.1.1 입체배열구조 5.1.2 Tacticity control 5.1.3 고분자사슬의길이 5.1.4 Polymer blend 5.2 고분자의용액물성 File: APS14 5.2.1 용액열역학 5.2.2 용해도상수 5.2.3 상분리 5.2.4 고분자점도 5.2.5 분자량측정법

1. 개요 1.1 분자 (Molecules) 1.1.1 원자와전자 분자는원자라고하는기본단위로구성되어있으며, 이원자의특성에따라분자의물리적화학적특성이발현된다. 고분자역시거대분자로서그자체을구성하고있는기본단위인원자의특성에영향을받는다. 따라서고분자에대하여배우기전에고분자의구조와물성에기초적바탕이되는원자와전자에대하여먼저살펴보자. 원자에대한기초적구조와특성이분자의형성과특성에미치는관계를이해함으로써고분자에대한보다깊은이해와응용을성취할수있을것이다. 원자의구조 원자는핵 (nucleus) 과전자 (electron) 로구성되어있고, 핵은다시양자 (proton) 와중성자 (neutron) 로이루어진다. 핵 (nucleus) : 직경 10-13 cm 양자 (proton), 중성자 (neutron): 각 1.67 x 10-24 g 전자 (electron) : 9.11 x 10-28 g 원자직경 (10-8 cm) / 핵직경 (10-13 cm) = 10 5

이는직경 1 cm 핵에대하여전자궤도는직경 1 km 에걸쳐있는것에해당된다. 또한원자의무게비를살펴보면, 양자중량 (1.67 x 10-24 g) / 전자중량 (9.11 x 10-28 g) = 1.8 x 10 3 따라서원자의무게는대부분핵 ( 양자또는중성자 ) 에의존하며, 이는핵의크기를성냥갑정도로봤을때그무게가약 10 억톤이상이나된다. 반면에원자의거의모든부피를차지하고있는것은전자이다. 전자는수많은미세입자 (Avogadro 수 : 6.02252 x 10 23 ) 의형태로원자의전부피를덮고있어전자구름으로표현하기도한다. 이들전자의특성이바로원자간의결합특성을좌우하고, 따라서분자를형성하게하는특성과고분자의물성을결정하는기초가된다. 그럼에도불구하고원자는그중량을기준으로양자수로표기하며, 이를원자수라한다. 일반적으로중성인원자는양자수와전자수가같기때문에원자수가클수록전자수도크고, 원자의부피도크진다. 부피가큰원자의외각전자는중심핵에있는양자와의거리가멀어상호작용력이약하므로비교적자유롭게이동될수있다. 이에비하여부피가적은낮은원자수의전자는양자에강하게통제되어있어그위치와운동이자유롭지못하다. 원자수 : 양자수로결정, 양자수 = 전자수 ; 원자번호 (atomic number) 원자량 : 양자수과중성자수를합친수량 ; 질량수 (mass number)

원자의무게는양자수와중성자수를합친수량으로표기한다. 예로수소 (H) 는양성자하나로 1 이며, 산소 (O) 는양성자 8 에중성자 8 이므로 16 이다. Avogadro 수와같은수의입자량을 Mole 이라는단위로나타낸다. 이는원자량 ( 또는분자량 ) 에해당하는 g 수이다. 즉, 어떤원자 ( 분자 ) 1 몰 (mol; mole) 의 g 수 (Avogadro 수만큼의입자량에해당하는무게 ) 는그원자 ( 분자 ) 의원자 ( 분자 ) 량과같다. 예로산소 (O 2 ) 1 mol 은그분자량이 16 이므로 16g 이고, 물 (H 2 O) 1 mol 은물의분자량이 18 이므로 18g 이다. 즉산소 16g 과물 18g 에는각각의분자가모두 Avogadro 수만큼들어있다는것이다. 동위원소 (isotropes) 같은원자수에중성자수가다른원소를같은핵종 (nuclide) 으로동위원소라한다. 예로탄소 (C) 는양성자수 6 에중성자수가 6 인것이 99% 이상이지만, 중성자수가 5, 7, 8 인동위원소들도있다. 또구리 (Cu) 는양성자수 29 에중성자수가 34 와 36 인동위원소가있으며, 이들은지구상에각각 69 : 31 로분포되어있다. 따라서구리의원자량은두동위원소의비에따라 (29+34)x0.69+(29+36)x0.31= 63.54 이다. 한편수소 (H) 의동위원소는중성자가한개있는중수소 (Deuterium) 과두개있는삼중수소 (Tritium) 가있다.

직진성 전자의특성 전자는음전하를띤일정질량을가지며, 직진하는운동성이있다. 직진성, 질량, 음전하 또한전자의운동성은질량을가지는입자성과더불어파동성이라는특성이있어, 전자복사선이라부르기도한다. 운동속도는항상 2.9976 x 10 10 cm/sec ( 광속 : c) 으로일정하여파장 (λ) 과진동수 (ν) 는서로반비례한다. c = λ ν 그리고그에너지 (E) 는진동수 (ν) 에비례한다. E = h ν 음전하 질량 h: planck 상수 6.6256x10-27 erg.sec

전자궤도 (Electron Orbitals) 핵를둘러싸고있는전자는그에너지준위에따라서일정한위치 ( 궤도 ) 를차지하는전자밀도분포 (electron density distribution) 를가지고있다. 아래그림은전자수가증가함에따라핵에가장가까운궤도로부터형성되는전자밀도분포의형태를나타낸모식도이다. 안쪽으로부터 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d,,, 의순으로궤도가형성된다. 여기서 1, 2, 3 은주양자수 (principal quantum number) 로구형껍질 (sphere shell) 의전자분포를나타내며, 바깥껍질일수록큰에너지를가진다. 각주양자수껍질내에 s, p, d 는방위양자수 (azimuthal quantum number) 로방향성을지닌전자분포궤도 ( 부껍질 ) 이다. 제일안쪽껍질 (1) 은공간상하나의궤도 (s) 만가지며, 다음은 s 와 p 궤도를지닌다. p 궤도는 3 차원공간에서의방향성을가지는 x, y, z 각각의궤도로구성되어있다.

이모든각궤도에는각각 2 개의전자가속해있으며, 이두전자는서로반대스핀을가진다. 유기고분자의골격을구성하는원자들은대부분원자수가 10 이하이므로주로 2p 궤도함수까지에전자가배치된다.

원자는전자궤도가완전히다들어차있을때가가장안정하다. 따라서찬궤도가되기위하여전자가하나부족하거나하나남을경우가장반응성이크다. 앞의전자배치도에있어서네온 (Ne) 은전궤도가모두차여져있으므로가장안정되며불활성이다. 이에비하여불소 (F) 는 L 궤도에 8 개의전자 (octette) 가다차기위해서는하나의전자가부족하기때문에전자를유인하려는힘이가장크게되어반응성이크고, 붕소 (B) 는하나의전자만최외각궤도에있으므로이전자가이탈하기쉬워져서또한반응성이크다. 이들은하나의전자만주거나받아안정화되기때문에한원자와결합할수있다. 산소 (O) 는두개의전자가부족한상황으로불소다음으로반응성이크고, 둘이하의원소와결합할수있다. 두개의전자를 2p 궤도에가진탄소 (C) 는 2p 궤도의비어있는방위궤도의영향으로상위 2s 궤도와의에너지준위차가해소됨으로써 s 와 p 궤도의구분이없어져혼합되어 2s 궤도의 1 전자가 2p 의비어있는방위궤도로여기된다. 이를 sp3 혼성궤도 (Hybrid orbitals) 라하며, 이로인하여탄소는 4 개이하의원소와결합이가능하게된다. C : 1s 2 2s 2 2p 2 (sp 3 )

1.1.2 이온 (Ions) 과라디칼 (Radicals) 중성인원자는차여진전자궤도를이루어안정화되기위하여쉽게전자를잃거나얻을수있다. 이렇게원자나원자단이음전하를가진전자를잃거나얻어전기적부하를띤원소를이온 (ion) 이라한다. 전자를잃어버리고양전하 (+) 를띤이온을양이온 (cation) 이라하고, 전자를얻어음전하 (-) 를띤이온을음이온 (anion) 이라한다. Cation (+), Anion (-) 한편, 전자를잃거나얻지않고불안전한상태로최외각궤도에한쌍으로차여지지않은 ( 비공유 ) 단독전자를갖는원자나원자단을라디칼 (Radical) 이라한다. R 라디칼은불안정하여화학반응을일어켜, 다른분자로전이되는중간체로반응개시제와촉매로이용되며유독성물질이다. 핵중에있는양자나중성자의이동은핵반응으로대단히어렵지만, 전자의이동은대체로쉽게일어나고, 모든화학반응은이러한전자이동에기인한다.

1.1.3 분자의표기 (Molecular notation) 분자는다음몇가지방법으로표기한다. 먼저전자점표기 (Lewis notation) 로최외각전자를점으로나타내어공유전자쌍을두점으로원소간결합을표기하는방법이다. C : H 다음은두점을선으로연결하여나타내는방법이며, C - H 다음은입체표기를위하여점선과굵은선을사용하여지면앞뒤로이어짐을나타낸다. 모형을이용한방법으로원소간간격을중시한 Ball and stick model 과원소가미치는경계를나타낸 Space filling model 이있다.

1.1.4 유기분자 (Organic molecules) 유기분자 (Organic molecule) 란관능기 (Function group) 을가지는분자로그특성은비교적낮은용융 ( 액화 ) 온도와끓는 ( 기화 ) 온도를가지며, 따라서고체상태뿐아니라기체와액체상태로도존재할수있으며, 경우에따라서는난연성을보일수도있으며, 대체로수용해성이낮고, 골격구조는주로탄소에의해이루어진다. 탄소에의한골격구조 4 가 (sp3 혼성 ) 의공유결합으로구성 C-H 사이의거리 : 1.09A, H-H 사이의거리 : 1.78A H-C-H 사이의각 : 109 28 탄소만으로된물질 : Diamond, 흑연, C60

유기화합물의분류 지방족 (Aliphatic) : 분자사슬의끝이서로떨어져있는열린사슬형분자 방향족 (Aromatic) : 방향환 (phenylene) 계유도체를포함하는고리형분자 탄화수소 (Hydrocarbons) : 탄소와수소만으로구성된분자 Alkanes : 탄소단일결합으로된지방족유기분자 methane(ch 4 ), ethane(c 2 H 6 ), propane(c 3 H 8 ), butane(c 4 H 10 ), pentane(c 5 H 12 ), hexane, heptane, octane,,,, 천연가스 : 1 ~ 4 개의탄소로연결된 Alkanes 가솔린 : 5 ~ 10 개의탄소로연결된 Alkanes

이성체 (isomers) 구성하고있는화학성분과그수는같지만, 연결된구조가다른분자로탄소수가증가할수록이성체의수는증가된다. propane 까지는없고, butane 은 1 개 (iso-butane), octane 은 18 개 normal(n)-butane: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 iso(i)-butane: 치환체 (substituter) 한원소가다른원소로치환된분자 Methane (CH 4 ) 에서 - 수소 1 원자를염소 (chlorine: Cl) 으로치환 : ( Cl-CH 3 ) methyl chloride, monochloromethane - 수소 2 원자를 Cl로치환 : ( Cl 2 -CH 2 ) methylene chloride, dichloromethane - 수소 3 원자를 Cl로치환 : ( Cl 3 -CH) trichloromethane, chloroform - 수소 4 원자모두를치환 : ( CCl 4 ) tetrachloromethane, carbon tetrachloride

불포화탄화수소 분자사슬중에 2 중결합또는 3 중결합을갖는탄화수소 Alkenes : 2 중결합을갖는탄화수소로 π 전자로인하여반응성이크다. ethylene (CH2=CH2), propylene (C3H6), butylene (C4H8) Alkynes : 3 중결합을갖는탄화수소로 π 전자로인하여반응성이더욱크다. Acetylene ( H-C C-H ) Alcohols 분자내 Hydroxyl group( -OH ) 을가진분자를분류명으로알코올류 (alcohols) 라하며, 촉감이미끄럽고휘발성이있으며, 용해되면비점이저하되며, 극성용제로물과친화력이크다. methyl alcohol; methanol CH 3 OH ( 毒 ) ethyl alcohol; ethanol C 2 H 5 OH ( 酒 ) ethylene glycol HOC 2 H 4 OH ( 부동액 ) glycerol; glycerin HOH 2 CCH(OH)CH 2 OH

Benzene (C 6 H 6 ) 6 각형의환 (ring) 형태의탄소배열을하고있으며, 환연결구조내에 sp 2 orbital 에의하여단일결합과이중결합을교호로가짐으로써 π 전자 가상호공명 (φ) 을이루는판상의구조를하고있다. 이러한구조에있어서 π 전자는이웃하는탄소사이에공명으로 6 개의탄소를모두아우르는분자궤도를이루게되며, 전자의유동이큰특성을가지게된다. 6 개의탄소중에 2 곳에서수소와다른원소 (X) 가치환되는치환체 (C 6 H 4 X 2 ) 는 3 개의이성체 (isomers) 를만들며, 이들을각각 trans-, ortho-, meta- 라는접두어를붙여표기한다. 이러한벤젠환을가지는관능기를 phenylene group 이라부르며, 방향성, 발색성, 그리고자외선대진동등의특성을보인다.