고분자공학실험1(라만 분광법을 통한 그래핀의 광학 특성 평가)1. 서론1.1 그래핀이란그래핀(Graphene)이란 탄소원자가 벌집모양의 육각형의 결정을 가진 탄소의 2차원적인 동소체를 의미한다. 그래핀은 구조적으로 지난 20여 년간 많은 관심을 가져온 탄소나노구조체의 기본구조로, 층층 쌓기를 하면 3차원구조의 흑연이 되고, 원기둥모양으로 말면 1차원의 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube)가 되며 축구공 모양으로 말면 플러렌(Fullerene)이 된다.1.2 그래핀의 합성 방법2004년 영국 Geim과 Novoselov 연구진에 의해 접착 테이프를 이용한 흑연으로부터의 그래핀 박리기술이 소개되고 이러한 그래핀의 독특한 물성과 우수한 전기적, 물리적 특성이 소개되면서 그래핀에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그래핀을 제조하는 방법에는 흑연결정으로부터 그래핀 한 층을 분리하는 방법과 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매 층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 화학기상증착법 및 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소가 표면의 결을 따라 성장하는 에피성장법이 연구되고 있다.특히, 흑연을 산화시켜 용액 상에서 분리한 후 환원시키는 화학적 박리법은 대량생산의 가능성과 화학적 개질이 용이하여 다른 소재와의 하이브리드가 가능하다는 장점 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 흑연을 산화시키고 이온성 물질을 층간에 삽입시켜 층간거리를 넓혀 산화 흑연을 제조하는 기술은 이미 1974년부터 관심을 가져왔으며 이는 주로 이차전지나 슈퍼커패시터의 전극활물질로 연구가 진행되어 왔다. 2006년 Ruoff 그룹에서 산화흑연을 기본 재료로 그래핀을 대량 생산할 수 있다고 제안하면서, 폭발적인 연구가 진행되었으며 산화 흑연으로부터 분리된 낱장의 산화 그래핀에 대한 관심은 그래핀의 우수한 특성이 실험적으로 밝혀지면서 최근 몇 년 사이에 집중되어왔다.화학적 박리기술은 흑연의 효과적 산화에 의한 층간거리를 조절하고 그래핀 표면에 결함을 최소화하여 박리하고 이를 효과적으로 최대한 sp2 탄소구조로 회복시키는 기술이 필요하다. 아울러, 용액공정에 의해 기질에 도포하여 활용하기 위해서는 그래핀의 분산기술이 필수적이다. 현재, 상업적 응용 가능한 방법은 화학기상증착법과 화학적 박리법이며 이는 대량생산이 가능하기 때문이다.1.3 그래핀의 물리적 박리법테이프나 Shear stress 등을 가하여 물리적인 방법으로 그래핀을 박리하는 방법이다. 이 방법으로는 연구에 필요한 양질의 그래핀을 얻을 수 있으나, 대면적이나 대량생산은 어렵다. 하지만 용액내에서 회전력을 가하여 흑연으로부터 그래핀을 박리하는 공정은 아직 초기단계이나 어느 정도 대량생산의 가능성을 보여주고 있다.1.4 그래핀의 광학적 특성그래핀의 연구가 활성화된 가장 큰 계기 중 하나는 산화실리콘(SiO2) 박막으로 덮힌 실리콘 기판 위의 그래핀 시편을 광학현미경으로 관찰할 수 있다는 사실이다. 탄소원자 1개의 층으로 이루어진 그래핀을 일반적인 광학현미경으로 관찰할 수 있다는 것은 매우 놀라운 일인데, 이는 그래핀과 산화실리콘 막에서의 다중반사에 의한 빛의 간섭효과 때문이다.1.5 라만분광분석라만분광법이란 레이저광과 같은 단색광을 쬐었을 때 포논진동수만큼의 차이가 있는 산란광을 측정하여 해당물질의 광학적 특성 및 포논특성을 알아내는 방법을 말한다. 이러한 방법을 그래핀 또는 탄소나노튜브와 같은 그래핀 관련물질에 적용할 경우 당김, 도핑/결손 농도, 가장자리 모양, 층 수, 열전도도 등을 측정할 수 있다.1.6 그래핀의 라만분석그림 3은 그래핀에서 관찰되는 비탄성 산란된 빛의 강도(Intensity) 및 잃어버린 에너지 크기를 나타내고 있다. 1580cm-1 부근에 G라고 표기된 피크(peak)는 운동량이 0인 면내포논모드에 의해 생성되는데 흑연 관련물질들에서 공통적으로 나타나는 피크이기 때문에 흑연(Graphite)의 앞 글자인 G로 표기한다. D라고 표기된 1350cm-1 부근의 피크는 1350cm-1 에너지를 갖는 포논에 의한 비탄성 산란과 결손(Defect)/치환 지점 주변에서의 탄성산란이 순서에 상관없이 발생될 경우에 나타나며 결손/치환이 많이 된 구조물일수록 피크의 강도가 크게 나타난다. 2700cm-1 부근에 있는 2D로 표기된 피크는 1305cm-1 에너지를 갖는 포논에 의한 비탄성 산란이 2번 연이어서 발생될 경우 나타나기 때문에 해당 피크는 1350cm-1의 두 배인 2700cm-1 부근에서 나타난다.
고분자공학실험1(고무배합물의 제조)1. 서론가공하지 않은 고무 원료는 물리적으로 사용할 수 없다. 그러므로 가공되지 않은 원료에 모든 약품제를 가하여 내림가공 또는 카렌다공정, 압출공정, 봉인공정 등을 거쳐 가류관이나 프레스공정, 자동가류기 등에 열처리함으로써 고무제품으로 사용할 수 있다. 모든 고무제품은 황화에 의해서만이 물리적 제품으로 가능하다. 특히 고무제품은 발주에 근거한 기본적인 지식을 이용하여 황화제, 촉진제, 가공제, 유기산, 금속산화제, 노화방지제, 충진제 등으로 기초적 배합을 설정한 수 인장강도와 신장율, 경도, 반발탄성, 인열강도, 인장응력, 노화 후 물리적 현상 등을 고려하여 배합응용을 해야된다.고분자 재료의 가장 기본적인 기계적 특성을 알아내기 위해서는 재료에 응력을 가한 뒤, 이에 따른 변형률을 측정하여 응력-변형 곡선을 구하는 것이 가장 보편적인 방법이다. 재료에 가하는 응력의 유형에 따라 압축, 전단, 굽힘 등에 의한 응력-변형 곡선 들이 있으나, 본 실험에서는 인장력에 의한 응력-변형 곡선을 구하고, 이로부터 인장 강도, 파단 신장율, 인장 탄성율, 항복 강도 그리고 항복 신장율 등을 알아 볼 수 있다.본 실험의 목적은 고분자 재료를 연신(신장)하면서 응력과 변형율을 측정한 뒤, 인장 응력-변형 곡선을 작성하고, 이 곡선으로부터 고분자 재료의 여러 가지 기계적 성질들을 계산하여 다른 재료들과 비교하는 이용하고자 한다.한 가지 주의할 점은 고분자 물질의 기계적 성질들은 고유의 점탄성 때문에 변형의 속도라든지 주위 환경 등에 매우 민감하다는 사실이다. 따라서 이들 물성들은 여러 가지 고분자 재료들의 상대적 비교 또는 기본적인 선택의 척도로 이용하는 것이 적합하며, 이를 기초로 제품설계 등에 이용할 때에는 유의해야 한다.2. 실험(1) 시약SBR, Silica, Si-69, PEG, Zno, S/A, wax, 6PPD, CZ, DPG, Sulfur(2) 기구저울, banbury mixer, two-roll mill, press기(3) 실험① Banbury mixer에 SBR 100.39g을 넣고 1분 뒤에 Silica 50g, Si-69 3g 합한 것을 두 번에 나누어 넣어준다. 30초 뒤에 PEG 2g을 넣고 6분 뒤에 ZnO 3g, S/A 2g, wax 2g, 6PPD 2g을 넣고 믹스한다.② 믹스가 된 혼합물을 꺼내서 식힌 다음, two-roll mill에 넣어서 다시 한번 믹스와 함께 얇게 펴준다. 이 때 CZ 2g, DPZ 0.5g, Sulfur 1g을 넣고 mill에 돌려준다.③ 30회 이상 돌린 뒤에 4X4 (cm)의 크기로 4개를 잘라준다.④ 자른 4개를 겹쳐서 강한 압력과 높은 온도에서 얇게 펴준다.⑤ 완전히 펴진 시편을 완전히 식히고 인장강도를 측정해준다. 3. 계산 및 결과먼저 인장강도를 측정하기 전에 3개의 시편의 각각의 두께를 측정해 보았다.1번 시편의 경우 펴균 3.5의 두께를 보였고 2번 시편은 3.72, 3번은 3.42를 보였다.이 중 2번 째 시편의 결과 값을 구했다.시편이 끊어진 파단점에서의 하중은 99N 정도 였고, 응력은 8.88MPa로 측정 되었다. 신율은 1075%이다.4. 고찰2번 시편의 인장강도는 나쁘지 않은 수준이었다. 그 전에 실험 했던 1번 시편에 경우에는 시편이 끊어지지 않고 고정이 덜 되어서 중간에 빠져버렸다. 3번의 경우는 2번과 비슷하게 측정 되었지만, 고정을 한 부분이 약간 빠져 있는 모습을 볼 수 있어서 정확하지 않다 라고 판단 되어서 2번을 결과 값으로 하였다.
폴리비닐알코올(PVA)의 합성1. 서론폴리비닐알코올(PVA)은 섬유, 호제, 접착제 등으로 이용되는 중요한 고분자이다. 오늘날 PVA는 분자량과 가수분해도에 따라 다양한 종류로 시판되고 있다. PVA의 단량체인 비닐알코올은 불안정하여 존재하지 않기 때문에 PVA는 비닐알코올로부터는 제조할 수 없고 폴리비닐아세테이트(PVAc)로부터 고분자반응으로 제조한다.PVAc에서 PVA로 전환하는 반응 (1)은 일반적으로 가수분해라고 한다.PVAcPVA(1)그러나, 실제에 있어서 PVA는 PVAc를 메탄올용액 중에서 알카리 또는 산을 촉매로하여 에스테르교환반응으로 제조한다. 알카리촉매를 사용하는 경우에는 반응 (2)로 생성한 초산메틸이 반응 (3)으로 NaOH를 소비한다. 또 PVAc는 NaOH에 의해 직접 검화반응 (4)를 일으키기도 한다.물중에서 산촉매를 사용하는 경우, PVAc는 물과 반응하여 (5)와 같이 가수분해되고 PVA가 생성된다.메탄올 중에서 알카리촉매를 사용하여 PVA를 합성하는 경우는 (2), (3) 및 (4)의 각 반응이 일어나는 비율은 반응조건에 의존한다. 특히 물을 아주 적게 포함하는 조건에서는 반응 (2)가 주로 일어나고 반응 (3)과 (4)는 거의 일어나지 않는다. 따라서 NaOH의 양이 PVAc의 단량체 단위의 당량 이하에서는 반응 (2)가 잘 일어난다. 물을 많이 포함하게 되면 반응 (2), (3) 및 (4)가 함께 일어나 NaOH가 소비된다. 이 경우에 NaOH의 양이 당량이하에서는 탈아세틸화반응이 완전하게 진행되지는 않는다.앞에서 나온 검화반응의 정도인 검화도는 아래의 방식으로 구한다검화도= {n[V _{A} ]} over {n[V _{A} ] +n[V _{Ac} ] )} TIMES 100n[V _{A}] = {0.5g-n[V _{ Ac} ] TIMES86.09 }over {44.05g`*1L}n[V _{Ac}] = {(b-a)TIMESN _{HC`l}TIMESNaOH`의``역가} over {1000}본 실험의 목적은 고분자반응에 의해서 합성되는 전형적인 고분자의 예로서 PVA의 생성반응을 이해할 뿐만 아니라 그 합성법을 습득하도록 하는데 있다.2. 실험(1) 시약PVAc : 미반응 단량체가 거의 포함되지 않은 PVAc (만약 미반응 단량체가 포함되어 있으면 제조된 PVA가 착색된다. 미반응 단량체가 포함된 경우에는 PVAc의 메탄올용액을 4배의 석유 에테르 중에 떨어뜨려 PVAc를 침전시킨뒤 침전을 분리하고 건조하여 얻는다.)메탄올 : 증류한 메탄올NaOH : 순품을 증류수에 용해한 40% 수용액(2) 기구300ml 삼각 플라스크, 250ml 비커, Buchner 깔대기, 핫플레이트, 아스피레이터, 오븐, 저울, 유리피펫, 매스실린더(3) 실험① 300ml 삼각 플라스크에 PVAc 2.0g (1.9457g)을 넣고 100ml 메탄올을 넣은 후 파라필름으로 입구를 막은 상태에서 40℃, 300rpm으로 가열, 교반을 했다.② 1N NaOH 20ml를 넣고 10분간 방치한 뒤 흰색 침전물을 관찰할 수 있었다.③ 용액을 흡인여과기와 Buchner 깔대기를 통해 0.8721g의 침전물을 걸러 건조시켰다. 얻어진 PVAc를 이용해서 이론적 PVA중량과 실제 수율을 구했다.④ PVA 0.5g(0.4971g)에 100ml 증류수를 넣고 120℃ 가열한 뒤 15분 정도 식혔다.⑤ 25ml의 1N NaOH를 넣고 10분 동안 교반했다.⑥ 페놀프탈레인 2~3방울 넣고 HCl(24.10ml)로 적정했다.⑦ NaOH 25ml에 페놀프탈레인 용액 3방울을 넣은 뒤 HCl로 적정 해서 바탕 적정 값을 구했다.⑧ 이 후 결과 값을 이용해서 검화도를 계산했다.1. PVAc와 메탄올 가열교반 2. 백색 침전물3.여과를 통해 침전물 걸름 4. 여과 후 건조 시켜 얻은 PVA5. NaOH와 교반3. 계산 및 결과수율은 생성된 PVA/넣어준 PVAc 에 2를 곱해서 구한다. 여기서 2를 곱하는이유는 100% 순수 PVAc가 아닌 50% 시약을 사용했기 때문이다. 따라서0.8721/1.9457 X 2 = 0.8964389.643%의 수율을 구할 수 있다.n[V _{Ac}] = {(b-a)TIMESN _{HC`l}TIMESNaOH`의``역가} over {1000} 검화도 계산을 위해서는 먼저 위에 식을 구해야 한다. 여기서 b는 바탕 적정한 HCl의 양이고, a는 실험을 통해 적정해 얻은 HCl의 양이다. 1000으로 나누는 이유는 L와 ml를 맞추기 위함이다. 이 때 NaOH의 역가는 f=23.9/25=0.956 식으로 구할 수 있다.n[V _{Ac} ]= {(23.9-24.1) TIMES 1.0 TIMES 0.956} over {1000}=`-0.0001912구한 값들을 통해 -0.0001912라는 값을 얻을 수 있고 다시 이 값을 이용해서n[V _{A} ]= {0.5g-(-0.0001912) TIMES 86.09} over {44.05} =0.0117를 구할 수 있다. 따라서 검화도는검화도= {n[V _{A} ]} over {n[V _{A} ]+n[V _{Ac} ]} TIMES 100=` {0.0117} over {(0.0117+(-0.0001912))} TIMES 100=101.66로 계산할 수 있다.최종 결과는 89.643%의 수율과 101.66 검화도 값이다.4. 고찰결과 값 중n[V _{Ac} ]의 값에서 오차가 있었다. 음수 값인 -0.0001912의 값이 나왔다. 잘못 된 값에 의해서 검화도 값 자체에도 오차가 생겼다고 볼 수 있다. 이러한 결과가 나오게 된 이유는 적정 시 실수에 의한 오차라고 생각된다. 적정 과정에서 HCl을 넣을 때는 굉장히 적은 양을 천천히 넣으면서 해야 한다. 색이 변하는 순간이 순식간이고, 단 한 방울에 의해서 변화할 수 있기 때문에 조금씩 해야 하는데 아마도 이 부분에서 과한 양의 HCl이 빠른 속도로 첨가 되면서 이러한 값이 나오게 된 것 같다.검화도의 값은 101.66이었다. 꽤 많은 양이 측정 되었다고 볼 수 있다. 이 오차는 PVA를 NaOH에 넣고 교반할 때 다 녹지 않은 덩어리가 존재해서 오차가 생겼을 가능성이 있다. 이 녹지 않은 덩어리에 의해 적정에 필요한 HCl의 양에 영향을 줬고, 이로 인해 적정 값에서의 오차가 발생 했을 거라고 생각한다.수율이 100%가 아닌 이유는 정량했던 PVAc 모두가 반응에 참여하지 않았을 경우일 것이다. 정량한 이 후에 모든 PVAc를 메탄올과 섞었어야 하는데 이 과정에서 잃은 PVAc가 있을 가능성이 있다. 예를 들어 플라스크의 입구나 벽 부분에 묻어서 다 녹지 못한 PVAc나 여과할 때, 여과기와 Buchner 깔대기 사이에 조그만 틈을 통해서 빠져 나간 경우도 가능해 보인다. 또한, 가장 기본적인 무게 측정에서의 오류로 인해서 발생 했을 가능성도 있다. 실험에 사용한 저울이 정확하지 못했다. 하나의 측정값이 떠야 하는데 계속해서 감소한다던지, 아니면 증가 했다가 감소하는 등, 정확한 측정 값을 갖지 못했기 때문에 결과 값에서의 오차가 발생 했을 것이라고 본다.이 실험은 PVAc를 이용해서 PVA를 합성하는 것이고, 이 실험에서 가장 포인트가 되는 부분은 얼마나 수율을 100%에 가까이 하느냐 이기 때문에 실험 과정에서 매우 정밀한 측정과 PVAc를 잃지 않고 PVA를 합성하는 과정이 필요해 보인다.5. 연습문제1. 가수분해도와 PVA의 수율과의 관계를 토의하라.
