고분자 물성의 종류와 물성 측정 장비의 종류

안녕하세요. 세상 모든 꿀팁, 세모꿀입니다. 그 동안 고분자중합실험이라는 카테고리를 신설한 이후로 실험 레포트에 관한 포스팅들을 위주로 작성했었습니다. 오늘은 조금 특별한 이야기를 해볼까 합니다. 바로 고분자의 독특한 물성과 이 물성을 측정할 수 있는 장비들에 대한 포스팅입니다.

 

고분자란 분자량이 매우 큰 분자를 뜻합니다. 통상 분자량이 50,000~100,000g/mol 이상인 분자를 고분자라고 지칭합니다. 고분자는 자신이 가지는 큰 분자량 때문에 다른 저분자나 단분자와는 달리 독특하고 특이한 물성들을 많이 갖게 됩니다. 또한 이러한 물성들을 측정할 수 있는 장비들 역시 많이 존재합니다. 그 동안 고분자의 물성을 측정할 수 있는 장비로 GPC, FT-IR 등을 앞선 포스팅에서 소개해 드렸으므로 오늘은 열분석 장비에 대한 소개를 해드리겠습니다.

 

 

■ 고분자 물성의 종류

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우선 고분자의 물성은 매우 다양하다. 우리의 주변은 모두 소재로 구성되어 있다. 금속, 세라믹, 고분자 그리고 천연 소재 등으로 소재를 분류 가능하다. 각각의 소재를 목적에 맞게 사용하기 위해서는 특정한 형태로 제조하는 공정이 필요하다. 또한 그렇기 때문에 물성을 아는 것은 더욱이 중요하다.

 

고분자의 물성으로는 용융지수(Melt Index), 밀도(Density), 용융점(Tm), 성형 수축율(Mold Shrinkage), 분자량(Molecular Weight), 분자량 분포(Molecular Weight Distribution), 아이소탁티시티(Isotacticity), 흡수율(Abosrptio Ratio) 등이 있다. 이 중 중요한 4가지 물성 정도만 분석해 보겠다.

 

1) 용융 지수

용융지수에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 분자량과 분자량분포이다. 이 평균분자량의 정밀측정 방법은 GPC(Gel Permeation Chromatograghy)가 사용되지만 측정이 번거로우므로 이를 대신하여 용융지수로 평균분자량을 비교한다. 일반적으로 분자량과 용융지수와의 관계는 반비례한다.

 

일반적으로 높은 분자량 값을 갖는 분자는 저 용융지수 값을 갖고 반대로 낮은 분자량 갖는 분자는 고 용융지수 값을 갖는다. 용융지수가 물성에 미치는 영향을 고찰해 보면 고분자량의 분자인 경우 강성, 내응력 균일성, 내약품성 및 신율 등의 물성은 개선되지만 점도가 저하되므로 가공성이 나빠지게 되며 저분자량을 갖는 분자의 경우 반대의 현상이 나타난다.

 

2) 밀도

밀도란 단위체적당 수지의 중량을 의미하며 용융지수와 함께 가장 기본이 되는 물성으로써 가공제품의 물성과 가공조건에 지대한 영향을 미친다. 밀도에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 고분자의 결정화도와 가지수이다. 고분자의 구조는 금속과 달리 완전한 결정을 이루기가 어렵고 서로 꼬여있거나 뭉쳐져 있는 무정형 부분(Amorphous)과 일정한 방향으로 배향되어 있는 결정형 부분(Crystal)으로 이루어져있다.

 

3) 분자량 분포

일반적으로 고분자는 평균 분자량을 중심으로 한 크고 작은 분자량의 혼합물들로 이루어진 하나의 분포를 이루고 있다. 비록 용융지수나 밀도가 동일한 고분자 일지라도 분자량 분포가 다르면 가공성이나 물성에 현저한 차이가 발생한다.

평균분자량의 중류에는 수평균분자량(Mn), 중량평균분자량(Mw), 점도평균분자량(Mv), Z평균분자량(Mz)등이 있으며 분자량 분포도에서 이들의 관계는

 

수평균분자량(Mn) < 점도평균분자량(Mv) <중량평균분자량(Mw) < Z평균분자량(Mz)의 관계가 성립한다.

 

4) 용융점

용융점은 고분자가 고체 상태에서 액체 상태로 변하는 온도에 대한 정보를 제공하는데 용융점은 그 수지가 가지는 가공 가능 온도와 내열성, 상온에서의 물성 등을 예측할 수 있는 척도이며, 일반적으로 용융점이 높은 수지는 강도가 우수하고, 용융점이 존재하지 않는 무정형 고분자의 경우 유연성이나 투명성이 우수하다는 등의 예측을 가능하게 해준다.

 

 

■ 고분자 물성의 종류

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고분자 물성 측정 장비들

열분석 장비의 원리는 다음과 같다. 열적 변화에 의해 무게변화가 동반된다면 대상 시료의 분해 곡선에 따른 열안정성, 휘발특성, 흡착특성 등을 파악할 수 있다. 또한 열량 변화가 동반한다면 용융 온도(Tm), 결정화 온도(Tc), 유리전이 온도(Tg), 반응 온도, 분해 온도, 엔탈피(열량) 등을 정량적으로 측정할 수 있다.

 

만약 열적 변화에 따라 시료의 변형이 발생한다면 팽창 또는 수축되는 양을 정량화하여 열팽창계수를 측정할 수도 있다. 또한 외부의 변화에 대한, 여기서는 열적 변화에 대한 대상 시료의 응답성을 측정한다면 고분자 소재의 점탄성, 탄성률 등에 관한 정보 또한 얻을 수 있다.

 

1) 열시차 분석(DSC/DTA)

화학소재 열분석의 대표적인 장비인 열시차 분석기는 실험자료를 얻는 속도가 빠르고 재현성이 있어 많이 사용되고 있다. 또한 시료의 사용량이 mg 단위로서 매우 미량이고, 한 번의 실험으로 여러 온도에서의 변화에 대한 정보를 얻을 수 있다. 여기에서 얻은 결과는 재료의 근본적인 성질을 나타내는 것으로 연구뿐만 아니라 다른 방법으로 얻은 결과의 비교 대상이 될 수 있다는 장점이 있다.

 

2) 열기계적 특성 분석(TMA)

최근 고분자 소재의 신뢰성 확보가 매우 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 자동차 및 전기전자산업에서 고분자 부품이 장기간 고온에서 노출되었을 때 용적의 변화는 제품의 품질에 직접적인 영향을 끼친다. 일반적으로 열변화(승온, 강온 및 등온)에 따른 dimension 변화에 주목하는 장비로서는 TMA가 널리 이용되고 있다. TMA 장비를 활용하면 주어진 소재의 연화점 또는 Tg, 녹는점, CTE(coefficient of thermal expansion), 발포점(onset of foaming), 열경화성 수지의 경화도 등을 측정할 수 있다.

 

3) 열중량 분석(TGA)

열시차 분석 장비 외에 가장 널리 사용되는 장비는 열중량 분석기이다. TGA는 온도 변화에 따른 시료의 무게 변화를 측정하여 분석하는 방법으로서 온도-무게 변화량의 곡선으로부터 시료의 열변화 상태를 알고 정성 및 정량 분석을 가능하게 한다. 온도-무게 변화량의 곡선은 사용한 시료의 열안정성(thermal stability) 및 물질의 구성비 등을 나타내고, 가열

중에 생긴 중간체의 열적 성질도 나타내주며 가열 종료시 남은 잔류체(residue)의 무게비도 알 수 있게 한다.