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1. 폴리머 블렌드
1.1. 폴리머 블렌드의 정의와 특성
폴리머 블렌드는 서로 다른 종류의 모노머를 조합하여 만드는 코폴리머와 중합 후 기계적으로 혼합하여 만드는 방법이다. 코폴리머는 성질이 다른 두 종류 이상의 모노머를 결합시켜 만든 것으로, ABS 수지가 대표적인 예이다. 블렌드는 중합 후 만들어진 폴리머를 기계적으로 혼합하여 만드는 방법으로, 플라스틱의 다양한 성질 중 장점만을 나타내게 하기 위한 것이다. 이 방법은 플라스틱 가공업자도 할 수 있다는 점에서 장점을 가진다.
다상계 고분자는 이성분 이상의 고분자들로 구성된 시스템으로, 고분자와 고분자가 용액상 또는 용융상에서 섞일 때 불균일상을 나타내는 시스템을 말한다. 불균일상을 나타내는 고분자에는 부분 결정성을 가진 단일 고분자, 공중합체, 열가소성 고무로 알려진 분절 탄성체, 그리고 대부분의 고분자 블렌드가 포함된다. 대부분의 고분자 블렌드는 미시적인 상분리 거동을 보이며, 이러한 블렌드의 형태학적 구조는 각 성분의 조성에 의해 결정된다.
고분자 블렌드는 현재 고분자 산업계에서 대단히 중요한 위치를 차지하고 있다. 블렌드를 통해 순수한 단일 고분자는 여러 용도의 범위에서 유용하게 쓰일 수 있는 물성으로 바뀔 수 있으며, 원하는 물성은 새로운 고분자의 합성보다 적절한 고분자 시스템을 이룰 수 있는 재료의 선택에 의해 쉽게 도달될 수 있기 때문이다. 예를 들어, PPO와 폴리스티렌의 블렌드는 용융 흐름성 향상을 위해 사용되며, PVC와 ABS의 블렌드는 주형 수축을 감소시키고 강인성을 증가시킨다.
1.2. 폴리머 블렌드의 상용성 판단
1.2.1. 유리 전이 온도 측정
고분자 블렌드의 상용성을 측정하는 데 있어 가장 일반적으로 사용되는 방법은 블렌드의 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)를 분석하는 것이다.
상용성이 있는 고분자 블렌드의 경우, 각 성분의 Tg 사이에 하나의 Tg가 나타나게 된다. 이는 서로 다른 고분자 간 혼합이 이루어졌음을 의미한다. 반면, 상용성이 없는 고분자 블렌드에서는 각 성분 고분자 고유의 Tg가 그대로 관찰된다.
부분적으로 상용성을 나타내는 블렌드의 경우, 두 성분의 Tg 사이에서 중간에 위치한 두 개의 Tg가 관찰된다. 이 때 Tg의 위치는 각 성분의 상대적 비율에 따라 변화한다. 때에 따라서는 상용성이 없는 경우라도 하나의 Tg가 나타나는 경우도 있다.
따라서 블렌드의 Tg 분석은 고분자 간 상용성을 판단할 수 있는 가장 기본적이고 유용한 방법이라 할 수 있다.
1.2.2. 용융점 강하 측정
고분자-고분자 블렌드에서 한 가지 성분이 결정성이면 용융점 강하를 관찰할 수 있다. 예를 들어 poly(ε-caprolactone)-poly(vinyl chloride), isotactic polystyrene-PPO, 그리고 poly(vinylidene fluoride)-poly(methyl methacrylate) 등과 같은 고분자 블렌드에서 용융점 강하가 나타난다. 이는 두 고분자 간의 상호작용으로 인해 한 고분자의 결정성이 변화하기 때문이다. 결정성 고분자의 용융점은 순수한 상태에 비해 블렌드 상태에서 낮아지게 된다. 따라서 용융점 강하를 관찰함으로써 고분자 블렌드의 상용성을 판단할 수 있다. 이러한 용융점 강하는 부분적으로 상용성을 나타내는 블렌드에서도 관찰될 수 있으며, 상용성이 없는 경우에도 각 성분의 용융점 사이에 중간 수준의 용융점이 나타날 수 있다. 따라서 용융점 강하 분석을 통해 고분자 블렌드의 상용성 정도를 확인할 수 있다.
1.2.3. 전자 현미경을 이용한 상용성 분석
전자 현미경을 이용한 상용성 분석은 두 상의 존재 여부를 직접적으로 관찰할 수 있는 중요한 방법이다. 현미경은 두 상의 존재는 물론 고분자 블렌드 시스템에서 상호간의 상용성을 실제로 확인할 수 있는 방법으로, 상간의 관련성(phase connectivity)까지 결정할 수 있는 장점을 가지고 있다.
주사 전자 현미경(SEM)은 전자총, 전자렌즈, 검출기 등으로 구성되어 있으며, 전자총에서 발사된 전자가 검출기에 도달할 때까지 정확히 광학 축을 따라 진행하도록 하여 수차와 화상 왜곡을 최소화한다. SEM을 이용해 고분자의 다중상을 관찰하기 위해서는 두 상간의 명암차이로 인한 식별이 필요한데, 이를 위해서는 최소한의 굴절율 차이를 보여야 한다. 예를 들어 액정고분자 Vectra와 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 블렌드의 단면을 SEM으로 관찰하면 액정고분자가 분산상, PPS가 연속상을 나타내는 뚜렷한 상분리 현상을 확인할 수 있다. 이처럼 SEM은 고분자 블렌드의 상 존재와 상용성 확인뿐만 아니라 섬유 또는 직물 표면 분석, 고분자 소재의 파괴 거동 등에도 이용될 수 있다.
투과 전자 현미경(TEM)은 화상과 전자선 회절로 관찰할 수 있으며, 명시야 상 또는 암시야 상으로 구분된다. TEM 시료는 벌크 시료를 절편하거나 유연(cast)하여 얇은 필름 형태로 제조하는데, 두 고분자가 섞여 있는 경우 전자선에 대한 흡수율이 비슷하여 미세구조를 쉽게 구별하기 어렵다. 따라서 중금속을 이용하여 한 고분자를 선택적으로 염색(staining)하는 기술을 이용한다. OsO4 염색법은 주로 이중...
