고분자의 구조적 모델 네 종류에서 선형 고분자는 분자들이 단순히 엉클어짐이나 약한 결합으로 연결된 상태입니다. 폴리에틸렌이나 나일론(nylon) 등을 일례로 들 수 있죠. 가지형 고분자는 곁가지들이 있는 분자들의 연결로, 충진 효율(packing efficiency), 밀도는 가지형 고분자에 비해 떨어집니다. 가교형 고분자는 분자 사슬들이 공유 결합을 통하여 옆 사슬들과 서로 연결되어 있습니다. 주고 고무 등에서 많이 발견이 되죠. 망상형 고분자의 경우, 분자와 분자를 공유 결합으로 연결하는 가교가 더 촘촘하게 3차원적으로 형상된 구조입니다.
선형 고분자 모델은 실과 같이 선으로만 이어져 있으며, 전자레인지의 용기, 카펫, 로프 등을 만들 수 있습니다. 고밀도 폴리에틸렌(High-Density PolyEthylene, HDPE) 등이 있죠.
가지형 고분자 모델은 선형 모델에 곁가지들을 붙이면 됩니다. 목욕 용품, 음식물 용기 등을 만들죠. 저밀도 폴리에틸렌(Low-Density PolyEthylene, LDPE) 등이 있습니다.
가교형 및 망상형 고분자 모델은 선형 고분자 모델들을 가교로 서로 연결해 주는 정도의 차이입니다. 자동차의 타이어, 볼링공 등이 이를 이용한 제품들이죠. 페놀 포름알데히드(Phenol Formaldehyde, PF) 등이 해당됩니다
분자들이 약한 결합으로만 연결되어있는 선형 및 가지형 고분자의 경우, 열가소성 플라스틱(thermoplastic, thermosoftening plastic)에 해당하며, 열을 가했을 때 녹고, 온도를 충분히 낮추면 고체 상태로 되돌아갑니다. 분자들 간에 공유 결합이 형성되는 가교형 고분자는, 탄성을 가지게 되며, 이를 탄성 고분자 혹은 탄성체(elestic polymer, elastomer), 고무(rubber)라고 합니다. 분자들 간의 공유 결합이 보다 치밀하게 빽빽이 이루어지는 망상형 고분자는 열경화성 플라스틱(thermosetting plastic, thermosetting polymer, thermoset)이 되며, 한 번 성형이 되면 열을 가해도 녹지 않고 변형할 수도 없게 됩니다.
선형 및 가지형 고분자에 해당하는 열가소성 플라스틱은 가열에 의해 형상이 바뀌고 다시 냉각으로 굳어지죠. 형상 변형이 가능하므로 응용 범위가 넓어 음식물 패키징, 전기적 절연물, 자동차의 범퍼, 신용 카드 등에 사용됩니다. 폴리에틸렌, 포리스티렌, 폴리카보네이트, 나일론, 아크릴 등이 이에 해당됩니다.
탄성 고분자의 경우, 분자들간에 공유 결합이 형성되어 있으나, 가교형 고분자로 결합의 밀도는 낮은 편입니다. 힘에 의한 변형 후 다시 원상 복귀되는 탄성을 가지죠. 자연산 고무의 경우 가황(加黃, vulcanization) 과정, 즉 황(sufur)이나 다른 첨가제를 넣어서 가교 결합을 형성하는 과정을 거쳐 탄성을 개선합니다. 상온에서는 대략 3MPa 정도의 탄성 계수를 갖죠.
분자 간 공유 결합의 수를 증가시키며 망상형 고분자에 이르게 하면 단단함(rigid)이 증가하고, 열에 잘 견디는 열경화성 플라스틱이 됩니다. 에폭시나 폴리에스테르 등이 이에 해당하죠. 열경화성 플라스틱은 한번 성형 후 가열을 하여도 녹거나 재 변형이 일어나지 않으며, 강하고 내구성이 있어서 자동차나 건설 등에서 구조체로도 사용됩니다.
열가소성 플라스틱은 연성(ductility), 열경화성 플라스틱은 취성(bribrittleness)을 가집니다. 성형을 할 경우, 열가소성 플라스틱은 열을 가하여 용융(융해, melting) 과정을 거친 후에 조형(molding)이 가능하며, 열경화성 플라스틱의 경우 수지에 경화제를 첨가해 경화가 일어나고 있는 과정 중에 형틀(mold)을 이용하여 형상을 갖도록 합니다. 이는 재활용 가능 여부와도 연관이 있죠.
# 참고로 하고 있는 여러 자료의 도움에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.
# 의견과 조언, 수정과 요청은 늘 환영합니다. 댓글이나 전자메일로~ bkju@korea.ac.kr
# 저작자, 본 사이트를 반드시 표시, 비영리적으로만 사용할 수 있고, 내용 변경은 금지합니다.
풀어보기
더! 공부하기
'공부와 생각들 > 전자재료 소자' 카테고리의 다른 글
| 1-27. 실리콘 반도체, 웨이퍼 (0) | 2020.01.07 |
|---|---|
| 1-26. 실리콘 반도체 (1) | 2020.01.07 |
| 1-24. 고분자 (0) | 2020.01.07 |
| 1-23. 세라믹, 전기적 특성 (1) | 2020.01.07 |
| 1-22. 세라믹, Oxide (0) | 2020.01.07 |