1. 실험 날짜 및 제목 실험 날짜 : 2024.04.26. 실험 제목 : 분자량 측정 : 어는점 내림을 이용한 분자량 측정2. 실험 목적 용액의 총괄성 중 하나인 어는점 내림을 이용하여 물질의 분자량을 측정하는 방법에 대하여 알아보고, 총괄성에 대해서 이해하기 위해 이 실험을 진행한다.3. 원리1) 용액의 총괄성 (colligative properties) 용질이 포함된 용액은 총괄성이라는 특성을 지닌다. 총괄성은 용액의 물리적 특성(온도, 압력 등)이 용질 분자가 갖는 각 특성을 따르기보다는 단지 용질 분자의 수(number)에 의존하는 특성을 말한다. 다시 말해서 총괄성 특성을 지닌 용액의 온도, 압력 등은 용액에 포함된 용질 분자의 특성과는 무관하고 오히려 용질 분자의 개수에 의존한다는 것이다. 총괄성으로 변하는 물리적 성질로는 용액의 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압 변화가 있다. 어떤 용액 속에 들어있는 분자의 10%가 비휘발성 용질 분자이면 그 용액의 증기압은 순수한 용매의 증기압보다 10% 낮아진다. 그 용액의 표면이 비휘발성 분자 10%와 휘발성 용매 분자 90%로 되어있기 때문에 증기압이 낮아진다. 액체는 증기압과 대기의 압력이 같을 때 끓는다. 따라서 보다 낮은 증기압을 가지는 용액은 순수한 용매보다 더 높은 끓는점을 가진다. 낮아진 증기압을 가진 용액은 용매의 끓는점 이상으로 가열해야 끓는다.2) 어는점 내림 (freezing point depression) 순수한 용매(액체)의 온도를 어는점 아래로 낮추면, 액체-고체로의 상태변화를 시작하게 된다. 용매의 분자들이 결정격자로 뭉치면서 작은 결정을 생성하기 시작하는 이 상태변화는 온도가 어는점에서 유지될 때, 결정화 속도와 녹는 속도가 같아지는 동적평형 상태에 도달하게 된다.
1. 실험 날짜 및 제목 실험 날짜 : 2024.04.12. 실험 제목 : 분자량 측정 : 점도법을 이용한 고분자의 분자량 측정2. 실험 목적 고분자 용액의 점도와 분자량의 관계를 알아보고 점도에 미치는 영향을 알아보기 위해 이 실험을 진행한다.3. 원리1) 고분자 (polymer) 단량체 분자들의 화학반응을 통하여 규칙적인 반복단위를 가진 긴 사슬로 이루어진 분자이다. 분자량이 일정하지 않아 녹는점과 끓는점이 일정하지 않고, 액체 또는 고체로 존재한다. 반응을 잘 하지 않아 안정적이며, 크게 합성 고분자와 천연 고분자로 나눌 수 있다.2) 점도 (viscosity) 점성(viscosity)은 형태가 변화할 때 나타나는 유체의 저항 또는 서로 붙어있는 부분이 떨어지지 않으려는 성질을 말한다. 점성도는 분자 간 인력과 분자의 크기 및 모양에 관계가 있다. 분자 간의 인력이 클수록 분자가 크고, 불규칙할수록 액체의 점성도는 커진다. 반대로 분자 간의 인력이 작을수록 분자가 작고, 대칭적으로 생길수록 액체의 점성도는 작아진다. 점성을 엄밀히 측정하기는 상당히 어려운 일이지만, 굵기가 가는 관을 같은 양의 액체가 타고 내리는 시간을 비교하면 점성이 큰 액체 쪽이 시간이 더 오래 걸린다. 이 때, 한 쪽 액체를 표준으로 하여 시간을 재면 점성을 비교할 수 있다. 점도법은 실험장치가 간단하고 경제적이며 실험이 용이할뿐더러 모든 분자량 측정 중 가장 널리 쓰이고 있는 방법이다. 이러한 점도법은 분자량을 측정하기 위해 staudinger가 제안한 방법으로 고분자 용액의 점도는 낮은 농도에서도 순수용매의 점도에 비해 매우 높다는 점을 이용한다.3) 점도의 종류 (1) 상대점도 (relative viscosity) 용질의 점성에 대비한 용매의 점성이다.
6. 실제 실험방법1) 3구 플라스크에 마그네틱바를 넣고 환류냉각기, 온도계 및 적하깔때기를 설치한다.2) 플라스크에 PVA 0.64g을 증류수 120ml에 혼합한 용액을 가한다.3) BPO 0.2g을 MMA 20g에 혼합한 용액을 가한다.4) 질소기류를 통과시켜 반응기내의 공기를 모두 제거한다. => 실험실 여건 상 생략5) MMA가 액체 전체에 균일하게 분산되도록 300rpm으로 교반한다.6) 반응기를 물중탕에 담그고 가열한다.7) 물중탕의 온도를 90℃로 유지하고 3시간 동안 반응시키면 중합은 거의 완료된다.8) 반응이 진행되는 중에도 젤 상의 입자가 생성되는데 교반기로 계속하여 교반한다.9) 계속 교반하며 온도를 30℃까지 냉각 후 냉각수 300ml를 가해 희석시킨다.10) 교반을 중지하고 생성된 고분자 비드를 침강시키고 수용액 층을 제거한다.11) 세척과정을 수 회 반복해 고분자 입자의 표면에 부착되어 있는 안정제를 제거한다.12) 습기가 있는 비드를 얇게 편 다음 진공 하 실온에서 건조한다.7. 실험 결과1) 사용한 시약(1) PVA : 0.64g(2) 증류수 :120ml(3) BPO : 0.2g(4) MMA : 20g2) PMMA의 수득량(1) 이론적 무게MMA는 비축합 라디칼 중합이므로 중합 과정에서 작은 분자가 떨어져 나가지 않 는다. 따라서 이론적 수득량은 20g이다.(2) 실제 스타이렌 무게20.58g - 10.00g(페트리 접시 무게) - 0.48g(거름종이 무게) = 10.10g(3) PMMA 수득률(%)Yield(%) = (실제 수득량 / 이론적 수득량) * 100= (10.10g / 20.00g) * 100 = 50.5g7. 고찰이번 실험에서는 메틸메타크릴레이트(MMA)를 단량체로 사용하여 현탁중합(suspension polymerization)을 통해 PMMA를 합성하였다. 현탁중합은 물과 잘 섞이지 않는 MMA를 물속에서 미세한 액적(droplet)으로 분산시키고, 각 액적 내부에서 라디칼 중합이 진행되는 방식이다. 액적 내부는 벌크중합과 유사한 환경이지만, 전체 반응계는 물이 열 저장고 역할을 해주기 때문에 버크중합에서 흔히 나타나는 발열 누적과 자동가속화(Trommsdorff effect)를 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 용액중합과 달리 유기 용매를 다량 사용하지 않기 때문에 후처리 부담이 적고 환경적으로도 유리하다.MMA는 물과 상용성이 낮기 때문에 교반을 통해 물속에 작은 액적으로 분산되며, 이때 액적이 서로 합쳐지지 않도록 하기위해 PVA(polyvinyl alcohol)를 입장안정제로 사용하였다. PVA는 물에 잘 녹는 고분자로 MMA 액적의 표면을 둘러싸 액적이 서로 뭉치거나 병합되는 것을 막아주는 역할을 한다. 이에 따라 최종 생성물은 구형의 비드 형태로 얻어지게 된다. 이 실험에서도 PVA 수용액에 MMA-BPO 용액을 첨가한 후 약 300rpm으로 교반하며 90℃의 물중탕 조건에서 중합을 진행하였다. 반응 시간이 지남에 따라 MMA 액적이 점점 젤처럼 굳어지며 PMMA 비드가 생성되는 것을 육안으로 확인할 수 있었다.중합이 완료된 후에는 반응 혼합물을 냉각시키고 침강시킨 뒤 상등액을 제거하고, 반복적인 세척을 통해 표면에 남아있는 PVA와 다른 불순물들을 제거하였다. 이후 진공 하에서 건조하여 무게를 측정하였다. 실제 얻어진 PMMA의 수득량은 10.10g이었으며, 사용한 MMA 20g을 기준으로 계산한 PMMA의 수득률은 약 50.5%로 나타났다.이번 실험에서 수득률이 약 50.5%로 낮게 나타난 이유는 여러 가지 실험적 요인들이 복합적으로 작용한 결과로 볼 수 있다. 먼저, 여과 과정에서 PMMA 비드가 일부 손실된 점이 가장 큰 요인으로 보인다. 여과도중 비드가 가루처럼 부서져 작은 입자가 여과지를 막았고, 여과지를 여러 번 교체하고 기구를 조정하는 과정에서 시료가 흘러내리며 손실이 발생하였다. 또한 감압여과 시 비드가 여과망에 제대로 걸러지지 않고 일부가 용액과 함께 배출된 부분도 수득률 감소의 원인이 되었다.둘째, 온도 유지 문제도 수득률에 영향을 미쳤다. 현탁중합은 일정한 온도 유지가 중요한 중합이다. 그러나 실험실에서 사용한 물중탕 장치가 열을 안정하게 유지하지 못해 반응 속도가 균일하게 유지되지 못했을 가능성이 있다. 온도가 일정하지 않으면 단량체의 반응 속도가 감소하거나 중합의 균일성이 떨어지므로 최종 전환율이 낮아질 수 있다.셋째, 질소 치환 생략으로 인한 산소의 영향도 무시할 수 없다. 이론적으로 MMA-BPO 라디칼 중합에서는 산소가 라디칼을 소거하여 개시반응을 저해(ingibition)하는데, 이번 시험에서는 질소 기류를 충분히 공급하지 못해 초기 반응에서 산소가 개시 라디칼을 잡아먹어 반응 효율이 떨어졌을 가능성이 있다. 이로 인해 실제 중합 속도 및 전환율이 낮아졌을 것이다.넷째, 플라스크 내부의 잔여 불순물 역시 중합에 영향을 주었을 가능성이 있다. 플라스크 벽면에 남아있던 미량의 이전 실험 부산물이나 세척되지 않은 잔류물이 라디칼을 소거하거나 사슬 종결을 촉진함으로써 분자량을 낮추거나 중합도를 떨어뜨렸을 것으로 추정된다.다섯째, 실험 중 가장 큰 문제 중 하나는 중합 과정에서 겔화된 PMMA가 큰 덩어리 형태로 고체화되며 플라스크 안쪽에 붙어버린 점이다. 삼구플라스크의 입구가 좁아 중합체 덩어리를 온전히 꺼내기 어려웠고, 이 과정에서 시료 일부가 플라스크 내부에 남아 수득량이 실제보다 적게 측정되는 오차가 발생하였다. 이는 중합 도중 액적들이 과도하게 성장하여 덩어리 형태로 굳어진 결과이며, 교반속도, PVA 농도, 반응 시간이 복합적으로 작용했을 가능성이 높다.
1. 실험 날짜 및 제목 실험 날짜 : 2025.11.28. 실험 제목 : 유화중합에 의한 폴리스타이렌의 중합2. 실험 목적PS을 유화 중합 (emulsion polymerization)으로 중합해보고 메커니즘에 대해서 이해하기 위해 이 실험을 진행한다.3. 원리1) 유화중합 (emulsion polymerization)어떤 작은 입자 지름(약 1μm 이하)를 갖는 물질이 매체에 분산하고 있는 계를 유화(emulsion)이라고 한다. 유화중합은 부가중합에 의해 중합될 수 있는 고분자 생산에 사용되는 중합방법이다. 유화중합 반응계는 monomer와 분산매 및 계면활성제와 분산매에 용해되는 개시제로 이루어진다.유화중합은 분산매에 의하여 반응액의 유동성이 좋은 상태로 유지되므로 반응열의 제거가 용이하고 높은 분자량을 가지는 고분자를 중합속도가 높게 유지되는 상태에서 생산할 수 있다. Bulk 용액 및 현탁 중합의 경우 높은 분자량의 고분자를 생산하기 위해서는 시제의 농도 혹은 중합 온도를 낮추는 것이 필요하므로 생산량의 감소가 수반될 수밖에 없다. 고무로서의 탄성을 가지기 위해서는 분자간의 엉킴(entanglement)이 많은 높은 자량의 고분자가 필요하므로 대부분의 합성고무는 유화중합에 의하여 생산되고 있다. 화중합에 의하여 생산되는 중합체는 계면활성제와 같은 저분자량의 불순물을 함유하고 있으며, 이들을 분리하기가 어려우므로 중합체의 용도가 높은 순도를 요구하는 경우에는 유화중합방법을 사용하지 않는 것이 일반적이다. 유화중합은 현탁중합과 같이 분산매가 필요하기 때문에 실제 중합이 일어나는 반응기의 유효부피가 bulk 중합에 비하여 작다는 단점이 있다.
<중 략>6. 실험 결과1) 실험1에 사용한 시약(1) styrene : 50mL(2) NaOH 15g + 증류수 135mL => 10% NaOH 용액 만듦2) 실험2에 사용한 시약(1) AIBN : 1g(2) 톨루엔 : 50mL(3) 정제된 styrene : 10mL(4) 메탄올 : 500mL3) 점도 변화처음에는 점성이 없다가 반응 시작 후 점차 묽어져 40분 정도 지나 용액이 천천히 흐르는 정도로 변하였다.4) 침전 후 PS의 형태짧은 실처럼 가늘게 길게 이어져있는 형태를 보였다. 이로 인해 감압 여과를 진행할 때 작게 이어진 입자들 때문에 여과장치의 구멍이 막혀 감압 여과에서 액체가 제대로 여과되지 못했다. 5) PS의 수득량(1) 이론적 스타이렌 무게스타이렌의 밀도는 0.909g/mL, 사용한 스타이렌 부피는 10mL이므로 사용한 스타 이렌의 질량은 10mL * 0.909g/mL = 9.09g이다. 따라서 이론적 스타이렌 생성량은 9.09g이다.(2) 실제 스타이렌 무게9.28g - 7.02g(페트리 접시 무게) - 0.49*2g(거름종이 무게) = 1.28g(3) PS의 수득률(%)Yield(%) = (중합체 무게/스타이렌 이론적 최대 생성량) * 100= (1.28g/9.09g) * 100 = 약 14.08%