고분자실험: 폴리스티렌 합성 및 열적 특성 분석

본 내용은 " [신소재공학실험] 고분자실험_Final Report " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.02.05

문서 내 토픽

• 1. 폴리스티렌(PS) 합성

  폴리스티렌은 원자 이동 라디칼 중합(ATRP)을 통해 합성된다. 1-브로모에틸벤젠이 개시제로 작용하여 촉매 CuBr과 PMDETA 리간드와 반응한다. 개시, 전파, 종결의 세 단계를 거쳐 진행되며, 각 사슬마다 종결 지점이 달라 분자량 분포가 나타난다. 라디칼 중합 과정에서 벤질 에틸 라디칼이 생성되어 스티렌 단량체와 반응하고, 연쇄 반응을 통해 폴리스티렌 사슬이 형성된다.

• 2. 폴리스티렌의 응용 및 특성

  폴리스티렌은 경질, 투명성, 우수한 성형성과 절연성을 가져 일회용 식기, 건축 단열재, 가전제품 외함, 과학 의료용기 등 광범위하게 사용된다. 화학 저항성이 크고 유리 전이 온도가 낮아 원하는 형태로 성형이 용이하다. 스티로폼은 액체 누수와 열 손실을 방지하여 식품 포장과 단열재로 사용된다. 취성이 있어 부타디엔 고무와 혼합하여 SBR, HIPS 등으로 활용되며, 생체 재료로서 인공 관절과 치주 재생용으로도 응용 가능하다.

• 3. 점도와 분자량의 관계

  폴리스티렌은 무극성 분자로 반데르발스 인력이 작용하며, 분자량이 클수록 점도가 증가한다. 사슬이 길어지면 얽힘(entanglement)이 발생할 가능성이 높아진다. Mark-Houwink-Sakurada 방정식을 통해 고유 점도와 분자량의 정량적 관계를 나타낼 수 있다. 동적 점도, 용매 점도, 중합체 용액의 농도를 이용하여 고유 점도를 계산할 수 있으며, 이를 통해 분자량을 결정할 수 있다.

• 4. 시차 주사 열량계(DSC) 분석

  DSC는 열유속 방식으로 시료와 기준물의 온도 차이를 이용하여 열량을 측정한다. 유리 전이 온도, 결정화 온도, 용융 온도를 피크로 나타낸다. 흡열 반응은 곡선이 아래로, 발열 반응은 위로 향한다. 폴리스티렌의 경우 약 110℃에서 유리 전이 온도, 163.94℃에서 결정화 온도가 나타난다. 분자량이 증가할수록 DSC 곡선이 아래로 내려가고 유리 전이 온도가 증가한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 폴리스티렌(PS) 합성

  폴리스티렌 합성은 스티렌 단량체의 라디칼 중합을 통해 이루어지는 중요한 고분자 공정입니다. 벌크 중합, 용액 중합, 유화 중합 등 다양한 방법이 있으며, 각 방법은 고유한 장단점을 가집니다. 특히 라디칼 중합의 제어성을 향상시키기 위해 원자 이동 라디칼 중합(ATRP)이나 가역적 첨가-단편화 연쇄 이동(RAFT) 같은 제어 중합 기술이 개발되었습니다. 이러한 기술들은 분자량 분포를 좁히고 구조를 정밀하게 제어할 수 있어 고성능 폴리스티렌 개발에 크게 기여하고 있습니다.

• 2. 폴리스티렌의 응용 및 특성

  폴리스티렌은 우수한 광학적 투명성, 낮은 밀도, 우수한 가공성으로 인해 광범위한 산업에서 활용됩니다. 포장재, 일회용 식기, 건설 단열재, 전자제품 케이싱 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 특히 발포 폴리스티렌(EPS)은 뛰어난 단열성과 충격 흡수 특성으로 건설 및 포장 산업에서 필수 재료입니다. 다만 환경 문제로 인해 생분해성 대체재 개발과 재활용 기술 개선이 중요한 과제로 대두되고 있습니다.

• 3. 점도와 분자량의 관계

  점도와 분자량의 관계는 고분자 물리화학에서 핵심적인 개념입니다. Mark-Houwink 방정식으로 표현되는 이 관계식은 용액 점도 측정을 통해 분자량을 추정할 수 있게 해줍니다. 분자량이 증가할수록 점도는 지수적으로 증가하며, 이는 고분자 사슬의 길이와 유연성에 따른 유체역학적 부피 증가 때문입니다. 이 관계식은 고분자 합성 후 품질 관리와 특성 평가에 매우 유용하며, 분자량 분포 정보도 제공합니다.

• 4. 시차 주사 열량계(DSC) 분석

  시차 주사 열량계(DSC)는 고분자의 열적 특성을 분석하는 가장 중요한 분석 기법 중 하나입니다. 유리 전이 온도(Tg), 결정화 온도(Tc), 융점(Tm) 등 중요한 열적 전이점을 정확하게 측정할 수 있습니다. 폴리스티렌의 경우 약 100°C의 유리 전이 온도를 가지며, DSC 분석을 통해 열 안정성과 결정화 거동을 평가할 수 있습니다. 또한 가열/냉각 속도 조절로 고분자의 동역학적 특성도 연구할 수 있어 재료 개발과 품질 관리에 필수적인 도구입니다.