합성고무합성고무(탄성체)는 기계적 특성과 마찬가지로 특수한 화학적,물리적 특성을 가지는 신 사슬의 고분자이다. 이들 물질은 화학적 안정성,높은 내마모성,강도,좋은 치수 안정성을 가진다. 가교결합체와 첨가제를 통하여 원래의 고분자에 많은 특성을 가져다 준다. 약간의 탄성체의 특성이 아래의 표에 나타나 있다. 탄성체 물질의 중요한 특성은 적어도 원래 길이의 길이로 되돌아올 수 있는 능력이다.천연고무는 이소프렌 단위로 이루어진 탄성체이다. 이들 단위는 시스-1,4-배열로 연결되어 있으며 이 배열은 천연고무에 대하여 높은 탄성과 강도의 뛰어난 특성을 부여한다. 천연고무는 라텍스(latex)로 발견되며 말레시아,인도네시아,브라질에서 자라는 고무 나무 Hevea brasiliensis로부터 얻어진다. Charles Goodyear는 라텍스에 황 또는 기타 화합물을 첨가하여 열을 가하면 라텍스가 가황되는 것을 발견하였다. 고무의 가황은 탄성체사슬이 서로 가교결합되는 화학반응이다. 긴 사슬분자는 탄성을 주며 가교결합은 하중을 지탱하는 힘을 준다. 고무의 가황은 Hertz.Jr에 의해 연구되었다. 합성고무는 s-polybutadiene,polyisoprene,ethylene-propylene-dieneterpolymer와 같은 가교결합될 수 있는 탄성체를 포함한다. 합성고무에는 가교결합되지 않은 열가소성탄성체도 포함되며 이것은 자동차 범퍼와 전선과 케이블 코팅과 같은 특수한 용도에 적용된다. 고무의 주요 용도는 타이어 제조이다. 기타 용도는 호스,신발,성형품과 압출물 ,가소제이다.1991년 합성고무의 생산량은 약 925만톤이며 연간 성장률 1.5%로 1996년에는 1,000만톤에 이른다.부타디엔 고분자와 공중합체부타디엔은 자유라디칼 개시제, 이온촉매 또는 배위촉매를 사용하여 중합한다. 부타디엔은 히드로과산화큐멘과 같은 라디칼 개시제를 사용하는 유화상태에서 중합되며, 생성된 고분자는 1,4-부가배열이 많이 포함된 세 가지 이성질체 배열을 가지는 불규칙 고분자이다. 비극성 용매에서 음이온 개시제(alkyllithium)를 사용하는 부타디엔의 중합은 높은 시스 배열을 가지는 고분자를 생성한다. 높은 시스-폴리부타디엔은 배위촉매가 사용될 경우에도 얻어진다.폴리부타디엔의 특성과 용도시스-1,4-폴리부타디엔은 높은 탄성, 좋은 저온성질, 높은 내마모성, 항산화성이 있다. 그러나 폴리부타디엔은 상당히 낮은 기계적 강도를 가진다. 이것은 폴리부타디엔 매트릭스에 시스, 트란스 블록공중합체 또는 시스-1,2-공중합체를 혼합하여 향상시킬 수 있다. 트란스-1,4-폴리부타디엔은 시스형태보다 더 높은 유리전이온도를 나타낸다. 이 고분자는 천연고무의 강인성,탄성, 내마모성을 가진다.스티렌-부타디엔고무(Styrene-butadiene rubber,SBR)스티렌-부타디엔고무는 가장 널리 사용되는 합성고무이다. 스티렌-부타디엔고무는 자요라디칼 개시제를 사용하여 부타디엔(75%)과 스티렌(25%)의 공중합에 의해 제조된다. 불규칙 공중합체가 얻어진다. 이 고분자의 미세구조는 트란스가 60-68%, 시스가 14-19% , 1, 2가 17-21%이다. 폴리부타디엔 고분자와 공중합체는 보통 습식법에 의해 특성을 조사한다. 이 고분자의 미세구조의 결정에 고체상태 NMR을 사용하면 더 편리하다.현재 음이온촉매 또는 배위촉매를 사용하여 두 개의 단위체를 공중합시킴으로써 더 많은 SBR이 제조된다. 형성된 공중합체는 기계적 특성이 더 좋으며 더 좁은 분자량 분포를 가진다. 일정한 배열을 가지는 불규칙 공중합체는 butyllithium을 사용하는 용액에서 제조되며, butyllithium 은 두 개의 단위체가 천천히 전하를 띠도록 한다 . 부타디엔과 스티렌의 블록공중합체는 배위촉매 또는 음이온촉매를 사용하는 용매에서 제조된다. 부타디엔은 먼저 그것이 다소모될 때까지 중합되며, 다음에 스티렌이 중합되기 시작한다. 배위촉매에 의해 제조된 SBR은 자유라디칼 개시제에 의해 제조된 것보다 더 좋은 장력을 가진다. SBR의 주요 용도는 타이어 제조이다. 기타 용도로 신발, 코팅, 양탄자 뒷받침, 접착제가 포함된다. 1991년 미국의 SBR 생산량은 약 84만톤이며 1981년 보다 약 20% 더 감소되었다.니트릴고무(Nitrile rubber , NBR)니트릴고무는 부타디엔과 아크로니트릴의 공중합체이다. 그것은 탄화수소액체에 내성을 가지는 특성이 있다. 공중합은 물의 유화상태에서 일어난다. 자유라디칼이 사용될 때, 불규칙 공중합체가 얻어진다. Ziegler-Natta 촉매가 사용되면 교대공중합체가 생성된다. 분자량은 변형제와 억제제에 의해 조절될 수 있다. 중합이 약 65%에 이르면 단위체를 회수하기 위해 수증기 존재에서 반응혼합물이 감압증류된다.아크릴로니트릴/부타디엔의 비는 특수한 성질을 가지는 고분자를 얻기 위해 조절될 수 있다. 아크릴로니트릴의 비를 증가시키면 고무의 내유성이 증가하지만 그의 가소제 상용성은 감소한다. NBR은 고분자의 최종용도에 따라 여러 가지 급으로 제조된다. 낮은 아크릴로니트릴고무는 저온에서 유연하며 개스킷, O-링,접착제에 일반적으로 사용된다. 중간 타입은 주방매트와 구두밑창과 같은 덜 유연한 제품에 사용된다. 높은 아크릴로니트릴 고분자는 더 단단하며 탄화수소와 오일에 내성이 크며 연료탱크와 호스, 유압장치와 개스킷에 사용된다.폴리이소프렌(Polyisoprene)천연고무는 시스배열로 붙어있는 이소프렌 단위로 구성된 입체규칙성 고분자이다. 이 배열은 고무에 높은 탄성과 강도를 부여한다. 이소프렌은 자유라디칼 개시제를 사용하여 중합될 수 있지만 불규칙 고분자가 얻어진다. 부타디엔과 마찬가지로, 이소프렌의 중합은 이성질체의 혼합물을 생성한다. 그러나 이소프렌분자가 비대칭이므로 부가반응은 1,2-,1,4-그리고 3,4-위치에서일어날 수 있다. 1,2-와 3,4-부가반응으로부터 6개의 배열형태가 가능하고 1,4-부가반응으로부터 2개의 기하학적 이성질체가 가능하다.폴리이소프렌의 특성과 용도폴리이소프렌은 황을 첨가하면 가황될 수 있는 합성고무 열가소성수지이다. 시스-폴리이소프렌은 천연고무와 유사한 특성을 가진다. 그것은 높은 장력과 온도변화에 대한 무감각한 성질을 가지지만 내마모성이 낮다. 그것은 산소와 탄화수소에 의해 공격을 받는다.트란스-폴리이소프렌으 사포딜라 나무의 잎과 껍질로부터 제조되는 구타페르카와 유사하다. 시스-폴리이소프렌의 중요한 용도는 타이어, 특수기계 제품, 컨베이어 벨트 , 신발, 절연이다.폴리클로로프렌(Polychloroprene, Neoprene rubber)폴리클로로프렌은 가장 오래된 합성고무이다. 그것은 촉매로 황산칼륨을 사용하고 물 유화 상태에서 2-chloro-1,3-butadiene의 중합에 의해 제조된다.타이어 튜브의 원재료오늘날 타이어의 원재료는 고무와 비드와이어와 일부의 코드를 제외하면 남는 것은 거의 전부 유제품으로 되어있다. 또한 타이어등 고무제품은 최종적으로 가류라는 고무분자간의 화학을 거쳐 비로소 제품화가 된다. 이와 같은 거승로 타이어는 기계로서 동차화는 본질적으로 다르며, 화학 영역에 있는 제품이라고 말할 수 있고 더욱이 자동차의 부품으로서 중요한 물리적 기능을 맡고 있는 화학제품이라고 말할 수 있다.원료고무1,천연고무고무는 고무나무에서 채액된 라텍스에서 수분을 분리해서 얻은 천연고무와 인공적으로 합성해서 만들어진 고무의 2가지로 나뉜다.(1),연고무의 제조법천연고무의 원산지는 아마존 유역이며 1876년 영국인이 그 종자를 갖고 돌아와 이식하였고, 그 결과 현재와 같이 말레이시아 반도 , 실론, 인도네시아 등 동남아시아에 널리 분포 재배되게 되었다. 고무나무는 헤비아 브라질리 엔지스나무로 이는 반낙엽고목이며, 이 나무의 진피에 비스듬히 상처를 내어 고무액을 채취한다.고무나무에서 채취한 고무액은 라텍스라 불리우며 30-40%의 고무분을 함유하고 있고, 천연고무는 이 라텍스에 개미산을 가해수분을 건조시킨 것이다.(2),천연고무의 종류스모크드 쉬트(Smoked sheet)--천연고무 생산량의 약 80%를 차지하며, 부패를 방지하기 위해 연기로그을려 건조시켜 만든다.페일 크레이프--중아류산 소다에 의해 표백 및 부패방지처리를 한 고급고무로 백테 , 흰 글씨용백 고무로 사용된다.브라운 크레이프--일반적으로 부서러기 고무가 주체이고 생산량도 적다.2, 합성고무
{열 전 도 도1. 목 적일상에서 일어나고 있는 열의 이동 현상 중 모든 물질에서 일어나는 전도에 대해 알아보고 열 전도에 대한 퓨리에의 법칙에 대해 알아본다. 열 전달의 원리를 이해하고, 실험을 통해 고체의 열전도도를 구하여 열전도계수(K)값을 산출하고 경향을 분석한다.2. 이 론1) 열의 이동1화학공정에서는 가열, 냉각, 증발, 증류, 건조, 응축 등 열이 자발적으로 고온쪽에서 저온쪽으로 이동하는 현상이 많이 이용된다. 이러한 현상을 열전달(열이동, 전열), 이를 위한 장치를 전열장치라고 한다.정상상태 : 열의 축적이 없이 그 열전달 속도가 일정하게 유지되는 흐름비정상상태 : 열의 축적이 있어서 열전달 속도가 시간에 따라 변하는 상태열전달 과정에서 열수지식 :열유입 속도 + 열생성 속도 = 열배출 속도 + 열축적 속도-만약 에너지의 생성이 없는 정상상태의 system 이면열유입 속도 = 열배출 속도2열전달의 기본 메커니즘 : 열전달은 전도, 대류 및 복사의 어느 하나 또는 이들의 복합에 의하여 이루어진다. 300℃ 이하에서는 주로 전도와 대류에 의해 이동이 이루어진다. 화학공정에서는 주로 고체 벽을 통한 2종류의 유체간의 열 이동임.·전도(conduction)란 같은 물체 중에서나 또는 접촉하고 있는 다른 물체 사이에 온도차가 있으면 정지하고 있는 유체의 경우에는 분자의 운동, 또는 직접 고온부에서 저온부로 열전달이 일어나는 현상으로, 분자 자신은 진동만 하고 이동은 하지 않는다. 고체를 통하여 일어나는 순수한 열전도식은 Fourier에 의하여 제출되었는데 이 법칙에 의하면 한 방향으로의 전도에 의한 열전달속도는 열흐름에 수직한 면적과 그 방향의 온도구배의 곱에 비례한다는 법칙이다.·대류(convection)에 의한 열전달은 벌크(bulk) 수송에 의한 열전달이며 이것은 기체나 액체의 따뜻한 부분과 차가운 부분의 사이의 거시적 요소혼합에 의한 전달 방식이다. 이것은 또한 고체 표면과 액체 사이의 에너지 교환도 포함한다. 대류에는 강제대류와 자연대류로 구별되 온도구배이다. (1)식에서 -부호를 사용한 것은 주어진 방향으로 열의 흐름이 +이면 온도는 이 방향에서 낮아지기 때문이다.(1)은 일정한 단면적 A를 가진 평평한 벽을 통한 정상상태의 열전달의 경우에 대하여 적분할수 있다. 여기서 내부온도, 즉 점1의 온도를 T1, 점 2의 온도를 T2라 하고 벽의 두께를 x2 - x1 m라 하여 식을 다시 정리하면{{qx} over {A} INT _{ x1}^{ x2} dx = -k INT _{ T1}^{ T2}dT편의상 qx의 하첨자 x를 생략하고 k는 일정하여 온도에 따라 변하지 않는다고 가정하여 적분하면{{q}over{A} = {k}over{x2-x1}(T1-T2)열전도도에 대한 정의식은 주어졌으며 이 식에 따라 서로 다른 물질의 열전도도를 실험에 의해 측정하면 된다.전도에 의한 열전달은 기체, 액체, 고체 내에서 일어날 수 있고, 열전도도는 고체, 액체, 기체 순으로 높다.기체 분자들은 연속적이고 불규칙한 운동을 하며 서로 충돌하면서 에너지와 운동량을 교환한다. 만일 어떤 분자가 고온영역에서 저온 영역으로 움직인다면 그 분자는 저온영역에 운동에너지를 전달한 것이며 이것은 더 낮은 에너지를 가진 분자들과 충돌함으로써 에너지를 잃는다. 수소와 같은 기체는 분자가 다른 기체에 비해 작아서 빨리 움직이므로 열전도도가 높다.기체의 열전도도를 예측하는 이론은 매우 정확하며 대략 절대 온도의 제곱근에 비례하여 증가하나 대기압까지의 압력에는 거의 무관하다. 그러나 매우 낮은 압력하(진공)에서 열전도도는 0에 가깝다.액체에서 에너지 전도의 물리적 메카니즘은 기체의 메카니즘과 다소 비슷하며 높은 에너지의 분자와 낮은 에너지의 분자가 충돌한다. 그러나 그 분자들은 매우 밀집되어 있기 때문에 분자력 장이 에너지 교환에 큰 영향을 미친다. 액체에 대한 적절한 분자이론이 이용되지 않기 때문에 액체의 열전도도를 예측하는 데는 대부분 실험에 의해 결정되고 있다.균일한 고체의 열전도도는 범위가 매우 넓다. 특히 구리와 알루미늄과 같은 금속체는 열체 열흐름량에 중요한 몫을 차지하게 된다. 이와 반대로 k는 온도의 함수이나 강함수는 아니다. 좁은 범위의 온도에서 k는 일정하다고 생각할 수 있다. 큰 온도구간에서 k는 다음 형태의 식에 의해 추정할 수 있다.k = a + bT여기서, a와 b는 실험상수이다. 열전도도는 고체, 액체, 기체의 순으로 적어진다. 금속은 좋은 전도체 이어서 열전도도는 100W/m·K 이상이고, 일반적인 고체는 1∼10W/m·K 정도이다. 액체로는 물이 특히 커서 0.6∼0.7, 그 외에는 0.2W/m·K이하이다. 기체의 열전도도는 더욱 적어서 0.01∼0.05W/m·K, 그 때문에 단열재는 열전도도가 적은 고체재료에 많은 공극을 갖도록 하여 거기에 기체를 포함시킨 것이 많다. 예를 들면 우레탄폼은 0.0260∼0.036, 유리솜은 0.05W/m·K정도이다. 기체의 열전도도값은 압력에 거의 무관하나 온도증가에 따라 증가하는데, 이는 분자속도가 증가하기 때문이다. 낮은 k값을 갖는 고체들은 단열재로 사용하여 열흐름 속도를 감소시킨다.순수한 금속은 대체로 50 kcal/m hr ℃ 이상의 값을 가지며 구리나 은 등은 300 ㎉/m hr ℃ 이상의 열전도도를 가진다. 그러나 합금의 열전도도는 매우 작으며 플라스틱의 경우는 0.1-0.3 정도이다. 대체로 고체의 경우 0.1-4 ㎉/m hr ℃ 정도의 열전도도를 가지나 물질의 구조와 방향에 따라 달라진다.액체 중에서는 용융염 50 ㎉/m hr ℃, 수은 7-8 ㎉/m hr ℃, 물 0.5-0.6 ㎉/m hr ℃로 열전도도가 높은 편이나 나머지는 대부분 0.2 ㎉/m hr ℃ 이하의 열전도도를 가진다.기체 중에서는 수소가 0.1-0.2 ㎉/m hr ℃ 로 가장 높은 열전도도를 가지며 분자량이 증가할수록 열전도도가 낮아진다. 공기는 0.02-0.03 ㎉/m hr ℃ 정도이다.단열재는 고체재료에 많은 공극(pore)를 갖게 하며 그 속에 기체를 포함시킨 것이 많이 사용된다. 우레탄폼, 유리솜 등.3.실험 장치·열전도도 측정기·각각의 두께가 다른{dt } over {dx }right ) }_{ {x}_{2} }= const.만약 열전도도가 일정한 만큼 거리가 충분히 짧다면{{left ( {dt} over {dx}) right}_{(x)_(2)}{{left ( {dt} over {dx}) right}_{(x)_(2)}{{ LEFT ( {dt } over {dx } RIGHT ) }_{ {x}_{1} }={{ LEFT ( {dt}over {dx} RIGHT ) }_{ {x}_{2} }= const.즉, 온도 구배는 거리만의 함수로서 온도분포곡선은 직선이 된다.-어떤 온도 범위의 평균 열전도도를 {{k}_{av}라 하고 퓨리에의 식을 적분하면{Q INT _{0}^{l} {dx}over {A}= {k}_{av} ( {t}_{1}- {t}_{2})={k}_{av} TRIANGLE t즉 {Q={k}_{av}A { TRIANGLE t} over {l}이 식은 {Q={ TRIANGLE t} over {l/kA}={ TRIANGLE t}over{R}로 쓸 수 있어서 전기회로에서의 Ohm 의 법칙 {i={V}over{R}과 유사하다. 즉, Ohm 의 법칙은 저항계에 전위차를 걸어주면 전위차에 비례하여 전류가 흐른다는 것을 의미하고 이 때 전류가 흐르게 하는 추진력은 전위차이며 R은 비례상수로서 그 물체의 전기 흐름에 대한 저항을 의미한다. 마찬가지로 열이동에서도 추진력은 온도차에 해당하며 전기저항 R 에 해당하는 것이 l/kA 이다. 또한 전기회로에서 주어진 전위차에서는 저항 R 이 증가할수록 전류는 적게 흐르듯이, 열이동에서도 주어진 온도차 {TRIANGLE t에서는 저항({l/kA)이 증가하면 전열속도가 감소한다.-열전도도 k 는 온도에 따라 달라지는 값으로 좁은 온도범위에서는 일정하다고 할 수 있으나 온도범위가 크면 k=a+bt 와 같이 표시할 수 있다. (여기서 a 및 b는 실험적으로 구한 상수) 이 식을 퓨리에의 법칙에 적용하여 적분하면{Q INT _{0 }^{l }dx =-A INT _{ {t }_{1 } {k}_{av}{A}_{lm}{ TRIANGLE t}over{X}여기서X={{r}_{2}-{r}_{1} ,{A}_{lm}은 대수평면적{{A}_{lm}={2piL({r}_{2}-{r}_{1})}over{ln{2piL{r}_{2}}over{2piL{r}_{1}}}={{A}_{2}-{A}_{1}}over{ln{{A}_{2}over{A}_{1}}}대수평면적을 사용하면 평판의 경우와 같은 식을 원통벽에도 적용할 수 있다.표면적비{{A}_{2}/{A}_{1}가 2이하이면 산술평균{{A}_{lm}=({A}_{1}+{A}_{2})/2을 대신 사용해도 수 %이내의 오차. ( 대수평균반지름 {{r}_{lm}={{r}_{2}-{r}_{1}}over{ln{{r}_{2}}over{{r}_{1}}}과 대수평면적간의 관계) ({{A}_{lm}=2piL{r}_{lm})※다층원통-A,B,C 세 층으로 이루어진 원통관의 경우 정상상태의 열전달에 해당하므로 내부에서 외부로 전달되는 열 Q 는 {{Q}_{1}={Q}_{2}={Q}_{3}=즉 {Q={{k}_{A}{A}_{Alm}({t}_{1}-{t}_{2})}over{({r}_{2}-{r}_{1})}={{k}_{B}{A}_{Blm}({t}_{2}-{t}_{3})}over{({r}_{3}-{r}_{2})}=여기서 {{A}_{Alm}={{A}_{2}-{A}_{1}}over{ln{{A}_{2}over{A}_{1}}}, {{A}_{Blm}={{A}_{3}-{A}_{2}}over{ln{{A}_{3}over{A}_{2}}},한편{TRIANGLE t=({t}_{1}-{t}_{2})+({t}_{2}-{t}_{3})+({t}_{3}-{t}_{4})+ = TRIANGLE {t}_{1}+ TRIANGLE {t}_{2}+ TRIANGLE {t}_{3}+{{TRIANGLE t= TRIANGLE {t}_{1}+ TRIANGLE {t}_{2}+ TRIANGLE {t}_{3}+ =Q{{x}_{1}}over{{k}_{1}{A}_{Alm}}+Q{{x}_{2}}over{{k}_{였다.
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