합성 중합체

1. 중합체의 분류 및 합성 방법

1.1 중합체의 정의와 유형

합성 중합체는 합성 방법에 따라 크게 두 가지 주요 유형으로 분류된다.

• 사슬 성장 중합체 (Chain-Growth Polymer):

  • 원리: 바이닐 단위체의 탄소-탄소 이중 결합에 개시제 (라디칼, 양이온, 음이온)가 첨가되는 연쇄 중합 반응으로 제조된다.

  • 특징:반응이 개시 → 전파 → 종결 의 세 단계를 거친다.

• 단계 성장 중합체 (Step-Growth Polymer):

  • 원리: 두 개의 이작용기성 분자 (예: 다이카복실산과 다이올) 간의 축합 반응에 의해 독립적인 결합들이 단계적으로 생성된다. (예: Nylon, Polyester 등)

1.2 Ziegler-Natta 촉매의 역할

• 촉매: 알킬알루미늄 과 타이타늄 화합물로 만든 유기 금속성 착물이다.

• 기능: 중합체에 곁사슬 형성을 최소화하여 선형 구조를 유도하며, 결정화도를 높이고 입체적으로 규칙적인 사슬 배열을 제어하는 데 사용된다.

1.3 공중합체 (Copolymer)

두 개 이상의 서로 다른 단위체를 중합하여 제조하며, 각 단위체의 동종중합체와는 다른 성질을 나타낸다.

• 유형: 무질서한 공중합체, 교대 공중합체, 블록 공중합체 (Block Copolymer) 및 접목 공중합체 (Graft Copolymer) 등이 있다.

2. 중합반응의 입체화학적 배열

치환된 바이닐 단위체의 중합반응은 사슬 내에 수많은 카이랄성 중심을 가진 중합체를 생성하며, 이러한 치환기들의 공간 배열은 중합체의 물리적 성질에 결정적인 영향을 준다.

• 동일배열 (Isotactic): 모든 치환기가 중합체 주 사슬의 같은 쪽에 배열된다. (높은 결정성)

• 교대배열 (Syndiotactic): 치환기가 주 사슬의 같은 쪽과 반대 쪽에 교대로 배열된다. (높은 결정성)

• 혼성배열 (Atactic): 치환기들이 무질서하게 배열된다. (비결정성, 유연함)

3. 올레핀 상호교환 중합반응

올레핀 상호교환 중합반응 (Olefin Metathesis Polymerization)은 이중 결합이 끊어지고 다시 형성되는 과정을 통해 중합체가 생성되는 매우 효율적인 합성법이다.

• 고리 열림 상호교환 중합반응 (ROMP): 고리형 알켄의 중합 시 고리가 열리면서 사슬 이중 결합을 가진 중합체를 생성한다.

• 비고리형 다이엔 상호교환 (ADMET): 열린 사슬 다이엔의 이중 결합이 반응하여 중합체를 생성하며, 이때 가스 형태의 에틸렌 이 부생성물로 제거되므로 평형이 중합체 쪽으로 유리하다.

4. 중합체의 구조와 물리적 성질

4.1 결정성과 전이 온도

중합체 사슬의 길이가 매우 길기 때문에 작은 분자와 달리 단일한 녹는점이나 끓는점을 갖지 않으며, 결정성 영역과 비결정성 영역이 혼재한다.

• 미소결정 (Crystallites): 중합체 사슬들이 반 데르 발스 힘에 의해 단단히 배열된 결정성 영역을 말한다. 결정화도가 높을수록 중합체는 단단하고 내구성이 강하다.

• 녹음 전이 온도 (T_m): 결정성 영역이 녹는 온도이다.

• 유리 전이 온도 (T_g): 비결정성 중합체가 단단한 유리 상태에서 유연한 고무 상태로 변하는 온도이다.

• 가소제 (Plasticizer): 중합체 사슬 사이에서 윤활제 역할을 하여 중합체의 유리 전이 온도 (T_g)를 낮추고 더 유연하게 만드는 작은 분자이다.

4.2 물리적 거동에 따른 분류