고분자 공중합체 (copolymers) 소개: 설명 및 장단점

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이번엔 공중합체에 대해서 간단히 설명해보려고 한다.

 

  현재 실생활에 사용하는 플라스틱은 절대 단순하게 구성된 것이 단 한가지도 없다. 지금은 그 기술이 고이고 고여서.. 분자레벨로 내려가서 관찰하게 되면, 감탄이 나올 정도로 복잡하게 계획되어있다. 

심지어.. 싸구려 플라스틱 조차도 말이다. 

 

  충분한 설명은 아니었지만.. 블렌드에 대해 조금 소개하였으니 화학적으로 이용하는 공중합체에 대해 설명해보려고 한다.

 

공중합체 (copolymers)

공중+합체가 아니고.. 공+중합체, 영어로는 co- + polymers가 되겠다.

 

 

  2 종 이상의 단량체(monomer)를 한 중합체안에 화학적으로 같이 연결해 놓는다고 보면 되겠다. 블렌드관련 포스팅에서 왜 자꾸 섞는가에 대한 답변으로 "좋은 특성을 한 재료에 더 많이 구현시키기 위해서" 라고 했는데, 이 녀석도 비슷하다. 결국은 더 좋은 고분자를 만들기 위함이다.

 

어떻게 만드는가?

  매우매우 다양한 방법이 있지만, 이 모든 방법들을 관통하는 딱 하나의 큰 줄기는 '중합 반응을 하는것'이다. 단량체 A와 B를 이용해서 AB copolymers를 여러 형태로, 여러 방법으로 만들 수 있는데, 어찌 되었던 A와 B component는 최소 한번은 반응에 같이 참여해야 한다.

 

이유는 매우 간단하다. A와 B를 chemical bonding으로 연결해서 만들기 때문이다.

 

장점? (일반적인?)

  기본 목적이 비슷하기 때문에 보통 polymer blend와 비교해서 많이 말하는데,

 

1. 서로 싫어하는 녀석도 분자레벨로 섞어서 물성 조절이 가능하다.

 

 부연 설명을 하자면, blend에서 가장 먼저보는게 miscibility이고 이에 따라 물성 구현이 달라지는데, 이건 miscilibity를 무시하고 만들어낼 수 있다. 물론 blend는 싫어하는 components의 상분리를 이용한 효과적인 물성을 구현하는 방법도 있지만 보통은 기술적 노력이 많이 든다. 공중합체(copolymers)는 중합만 할 수 있다면 싫어하는 components를 분자레벨로 섞어서 평균 물성을 구현하는데 유리하다.

 

2. 가공 프로세스가 단순해진다.

 

  가공할때, 안그래도 첨가제, 필러 등을 잔뜩 섞어서 균일 물성 제어가 어려운데 고분자 레진까지 여러개 넣으면 정말 조건 잡기 힘들다. 공중합체(copolymers)를 쓰면 고분자 레진 갯수는 줄어드니 조건 설정하는데 노력이 덜 들 수 있다. 물론 예외 케이스는 항상 존재한다.

 

3. 새로운 물성 구현 (기능기 구현)

 

  Blend에서는 A, B의 특성을 이용하여 잘 버무린 것으로 결국엔 A, B의 각각이 가진 장점을 구현할 수는 있지만, 뛰어넘는 것은 어렵다. 반면, 공중합체(copolymers)는 때에 따라 homopolymer를 뛰어넘는 특성을 구현해낼 수 있다. 또는 새로운 특성을 추가 도입할 수 있다.

 

  고분자에 금속 접착성을 늘려주는 기능성기를 도입한다거나, 고분자 사슬에 rigid unit을 일부 도입하여 강직성을 올린다거나 block copoylmer 형태로 제조해서 양친성 특성을 구현한다거나.. 정말 수도없이 응용이 가능하다.

 

4. 새로운 물성 구현 2 (다양한 분자 구조 디자인)

 

 한 가지 물질로도 다양한 분자 구조 디자인을 하면 특성이 다양하게 나오는데 두가지 이상 물질을 섞어서 만든다? 더 많은 물성, 특성 구현이 가능하다.

  Polyethylene (PE)만 해도 side chain의 길이 조절, 빈도 조절만으로 elastic특성을 가지는 POE부터 LDPE, LLDPE, HDPE까지 매우 다양하게 만들 수 있고, 다양한 물성 구현이 가능하다. 다 같은 PE라도 병뚜껑에 들어가는 PE와 커피스틱 내부에 있는 PE, 기저귀에 쓰이는 PE, 필름에 쓰이는 PE, 전선내부에 쓰이는 PE의 분자 세부구조는 전부 다르다.

 

단점? (일반적인?)

 

1. 중합 난이도가 높을 수 있다.

 

  - 일단 단량체의 중합방법이 맞아야 하고,

   

     라디칼 중합이냐 vs 축합 중합

     고온,고압 조건 vs 저온 조건

     Processing 용매 사용 가능 여부

     촉매 반응성 여부 (음이온 중합, ATRP, RAFT 등등)

      

  - 서로 chemical bonding할만큼 반응성이 있어야 하고,

 

  - 중합 시 단량체끼리 서로 중합 반응을 방해하지 않아야 한다.

 

  위의 조건을 벗어나게 되면 중합 난이도가 수직상승하게 된다... 단량체 디자인이 복잡해지거나, 중합 기술이 복잡해지거나, 촉매를 새로 개발해야 되거나.. 등등

  그리고 이 모든 행동에는 인력, 시간, 돈이 들고 만든 물질의 가격이 상승하게 된다. (시장입장에서 매우 불리)

 

2. 새로운 물성 구현 가능? --> 예측 못할 물성이 수도없이 튀어나옴

 

  A에 친수성을 향상 시키기 위해 hydrogen bonding이 가능한 B를 일부 도입했다고 하자. 비율에 따라서는 hydrogen bonding에 의한 뭉침현상에 의한 원치않은 상분리, 친수성기에 의한 오염 및 순도 저하, A의 기본 물성의 약화, 고분자의 급격한 점도 상승 등 예상못한 다양한 일이 일어난다. 심지어는 넣는 비율에 따라 달라질 정도..

보통은 다양하게 만들고, 그 중 소수만이 살아남아서 사용가능 여부를 점치게 된다.