고분자 블렌드 (polymer blend) 1부: blend에 대한 간단한 소개

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오랜만에 다시 학구적인 열정으로 포스팅 시작!

 

고분자를 어찌됐던 개발하고 만들게된 계기는 더 좋은 품질의 무언가를 만들기 위해서이다.

 

개발 방향은 수많은 방식과 방법으로 다양하고, 몇개로 정의될 수 없지만 굳이 두가지 정도로 크게 분류해서 볼 수 있다.

 

'화학적인 방법과 물리적인 방법'

 

화학적인 방법은 간단하게 단량체 구조부터 개발 방향을 잡는 방법으로 물성이 좋을만한 구조를 디자인하고, 이를 중합하여 만드는 방법이다. 또는, 서로 다른 물성이 좋다고 알려진 물질 두 가지 이상을 공중합하여 물성의 장점을 이끌어내려고 할 수 있다.

 

화학적인 방법보다 직관적이며 좀 더 쉽게 접근할 수 있는 방법이 물리적인 방법이라고 생각한다. 물리/구조적인 관점에서는 고분자의 분자량이나 사슬의 갯수 등의 관점에서 벌어지는 변화를 조절하여 물성을 조절하거나 서로 다른 물성이 좋은 물질을 섞거나 하는 것이다.

 

이번 포스팅에서는 물리적인 방법 중 대표적인 고분자 블렌드에 대해 설명하려고 한다.

 

선정 이유는..

 

1. 이전 포스팅된 DSC로 재미있는 현상을 보고 해석할만한 주제이며

 

2. 중합 기법보다 쉽게 접근 가능하기 때문에 적용된 실 제품이 매우 많으며

 

3. 따로 정리해서 포스팅할 만큼 간단해보이지만 전혀 간단하지 않은 매우 복잡한 학문이기 때문이다.

 

BLEND

 

여기서는 고분자를 섞는 것을 의미한다. 예를 들자면 이런것이다.

 

"뭔가 단단하면서도 충격에 잘 깨지지 않는 플라스틱을 만들고 싶다."

 

단단함 = Glassy 

충격에 잘 견딤 = Elastic (고무같은..)

 

화학적인 방법으로는 뭔가 분자를 새롭게 디자인해서 단단하면서도 충격보강 특성이 있게 만들어 보려고 하겠지..

물론

 

1. 디자인이 절대 쉽지 않고

 

2. 합성과 중합이 만만치 않으며

 

3. 원하는 특성이 안나올 수  있으며

 

4. 만든게 가공이 가능하다는 보장이 없다. 

 

그냥 말하면, 만들면 대박이지만 못만들어낼 확률이 훨~~~씬 높다.

 

그래서 생각한 것들이... "단단한거랑 고무같은거랑 섞자"

 

일단 시도가기가 매우 쉽다.

 

1. 단단한 것, 물렁한 것 종류도 많고

 

2. 누가 적당히 특성이 나오게끔 optimization도 다 해놨으며

 

3. 가공 조건도 다 알려져있다.

 

그래서 쉬울까? 안타깝게도 놉.. 다만 접근은 굉장히 유리하고 동일시간내 시도해보기 좋다.

 

쉽게 말해서 기업입장에서 "저런거 올해안에 개발해놔라" 보단 

 

잔뜩 던져주고 한 10명 붙여주고서 "이거 다 조합별로 섞어서 되는거 찾아봐"가 훨씬 쉽고 빠르게 찾을 확률이 높다.

 

잡설이 길었는데..

 

이래서 blend가 유용하고 많이 쓰이는 것으로 생각된다.

 

대략적으로 몇개만 그림을 가져왔지만, 플라스틱 왠만한데는 다 들어가고 심지어 신발 밑창도 공중합체와 일반 고분자를 섞는 등 매우 다양하게 쓰인다. 

 

그럼 blend를 볼 때 가장 먼저 생각해야할 것은 뭘까?

 

Miscibility - 얼마나 잘섞이는가 이다.

 

잘 섞인다고 좋은것도 아니고, 잘 안섞인다고 안좋은것도 아니다. 특성에 맞는 blend형태를 찾는 것이 중요!

 

위의 예를 든 플라스틱을 한번 생각해 볼까?

 

먼저, 단단함과 물렁함을 구현하기 위해 두 가지 물질을 섞었는데 두개가 섞인다면?

 

단단하지도 물렁하지도 않는 물질이 될 확률이 높겠다.

 

안섞이는걸 마이크로 단위로 휘저어 blending한다면?

 

일정부분 단단하면서 충격을 흡수하는 능력도 발휘될 확률이 생긴다.

비율에 따라서 달라지겠지만, 현재 구현된 이러한 물질을 기준을 보면 전체적인 단단한 물질에 고무 입자형태로 고르게 박혀있는 모양이 되겠다. 즉, 비율적으로 단단한것이 말랑한것보다 많아서 matrix가 되는 형태이다.

--> 안섞이는 것이 유리한 경우

 

다른 예시로, 타이어에 사용하는 고무가 있다.

 

고무의 Tg는 타이어 물성에 중요한 인자로 작용하는데, 이를 조절하는 방법 중 하나로 Tg가 다른 고무를 섞어서 사용하는 방식이 존재한다. 이 경우에는 두개의 다른 Tg를 가진 고분자를 비율별로 섞어서 원하는 Tg를 만들때 사용한다.

--> 섞는 것이 물성 타겟에 유리한 경우

 

그럼 다양하게 활용할 때는 본인들이 개발하고자 하는 물질의 특성에 맞추어 고민을 해봐야 된다. 물론, 물리적으로 이러한 물성을 구현하려면 어느것이 유리한지 공부를 해야한다.

 

간단하게 위의 예로 말하자면,

단단하면서 충격에 강한 물질을 만들기 위해 충격에 따른 제품 망가짐을 막기 위한 방법을 연구하였는데, 그 결과 잘 깨지는 이유는 충격에 따라 crack이 발생하고, 이 crack을 타고 손쉽게 깨져나가는 방식이었다. 그래서 중간 중간에 crack이 도달했을때 이 충격을 흡수해주는 입자가 있으면 좋겠다는 발상으로 고무입자를 matrix에 잘 분산시키려고 노력을하고, 이 입자가 열에도 형태를 유지하게끔 가교를 하는 등의 조치를 취하게 된다.

(가교나 표면에너지 조절이나 가공 등의 내용도 많지만 일반적인 내용만 쓰기 위해 생략하였음)

 

역시나.. 글이 길어져서 다음 포스팅에는 다양한 blend를 구분하는 방법에 대해 논해보려고 한다.