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1. 서론
1.1. PMMA(Poly methyl methacrylate) 개요
PMMA(Poly methyl methacrylate)는 보통 '아크릴 수지'라고 부르며, 1930년대에 연구 개발되어 공업화가 시작되었다. 처음 acrylic acid는 1843년에 만들어졌고, MMA는 1865년에 처음으로 만들어졌다. 1877년도에는 독일 화학자 Wilhelm Rudolph Fittig 과 Paul이 PMMA로 중합하는 방법을 찾아냈다. 그 이후 1936년도에 처음으로 acrylic safety glass를 만들어서 상업적으로 발전하기 시작했다.
PMMA는 현존하는 수지 중 가장 오래된 역사를 가진 수지의 일종으로 가장 투명하고 내후성이 좋다. 무색으로서 가시광선의 전파 장을 흡수하지 않고 자외선도 270nm까지 투과한다. 또한 착색성이 매우 좋아서, 흐린 색으로부터 짙은 색까지 광범위한 색조를 얻을 수 있다. 열 또는 일광에서도 변색 또는 퇴색되지 않는 특성이 있으며, 표면 광택성이 있고 강인하며 가벼운 것이 특징이다. 내약품성이 좋아서 무기강산, 강알칼리 및 그 염류에 침식되지 않으며 유기사의 염류, 유지, 지방족 탄화수소에도 강하다. 내후성은 플라스틱 중에서 가장 좋다. 성형성 및 가공성이 좋아서 연화점인 80~90℃로 가온해서 구부리면 가공이 용이하며, 기계적 가공이나 수가공에 의해 모형류를 만들거나 조각할 수 있다.
1.2. PMMA의 역사와 특징
폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)는 보통 '아크릴수지'라고 부르며, 1930년대에 연구 개발되어 공업화가 시작되었다. 처음 acrylic acid는 1843년에 만들어졌고, MMA는 1865년에 처음으로 만들어졌다. 1877년도에는 독일 화학자 Wilhelm Rudolph Fittig과 Paul이 PMMA로 중합하는 방법을 찾아냈다. 그 이후 1936년도에 처음으로 acrylic safety glass를 만들어서 상업적으로 발전하기 시작했다. PMMA는 현존하는 수지 중 가장 오래된 역사를 가진 수지의 일종으로 가장 투명하고 내후성이 좋다. 무색으로서 가시광선의 전파 장을 흡수하지 않고 자외선도 270nm까지 투과하며, 착색성이 매우 좋아서 흐린 색으로부터 짙은 색까지 광범위한 색조를 얻을 수 있다. 열 또는 일광에서도 변색 또는 퇴색되지 않는 특성이 있으며, 표면 광택성이 있고 강인하며 가벼운 것이 특징이다. 또한 내약품성이 좋아서 무기강산, 강알칼리 및 그 염류에 침식되지 않으며 유기사의 염류, 유지, 지방족 탄화수소에도 강하다. 내후성은 플리스틱 중에서 가장 좋다. 성형성 및 가공성이 좋아서 연화점인 80~90℃로 가온해서 구부리면 가공이 용이하며, 기계적 가공이나 수가공에 의해 모형류를 만들거나 조각할 수 있다.
1.3. PMMA의 제법
PMMA(Poly methyl methacrylate)는 MMA(메틸메타크릴레이트)의 중합을 통해 만들 수 있다. 벌크중합, 현탁중합, 용액중합, 유화중합 등의 다양한 방법으로 PMMA를 제조할 수 있다. 이번 실험에서는 벌크중합을 통해 PMMA를 제조하였다. 벌크중합에서는 라디칼 중합이 일어난다.
라디칼 중합 메커니즘은 개시반응, 전파반응, 정지반응의 단계로 진행된다. 개시반응에서는 개시제가 분해되어 라디칼을 형성하고, 이 라디칼이 첫 번째 단량체와 반응한다. 전파반응에서는 단량체가 계속해서 결합하여 고분자 사슬이 성장한다. 정지반응에서는 두 라디칼이 반응하여 라디칼이 소멸되는 과정이 일어난다.
이러한 라디칼 중합 메커니즘을 바탕으로 PMMA 제조를 위해 다음과 같은 과정을 거친다. 먼저 MMA 모노머를 정제하여 순도를 높이고, AIBN 개시제 역시 정제한다. 그 후 정제된 MMA와 AIBN을 반응기에 투입하고 약 50-60°C에서 충분한 시간 동안 교반하여 중합반응을 진행한다. 중합이 완료되면 점성이 높은 반응물을 메탄올에 부어 PMMA를 침전시키고, 여과 및 건조 과정을 거쳐 최종적으로 PMMA 고분자를 얻을 수 있다.
이와 같은 방법으로 PMMA의 제조가 이루어지며, 중합 과정에서 발생할 수 있는 오차와 문제를 최소화하기 위해 각 단계에서 세심한 주의가 요구된다. 특히 온도 조절, 시간 관리, 순도 확보 등에 유의해야 하며, 반응 과정에서의 자동 가속화 현상과 같은 부작용을 방지하기 위한 적절한 대응이 필요하다. 이를 통해 균일하고 우수한 특성의 PMMA를 얻을 수 있다.
1.4. 라디칼 중합 메커니즘
라디칼 중합 메커니즘은 개시반응, 전파반응, 정지반응, 사슬이동반응 등 4단계로 나뉜다.
개시반응에서는 개시제가 라디칼을 형성하고 이 라디칼이 첫 단량체와 반응하여 라디칼-단량체 라디칼을 만든다. 이렇게 생성된 라디칼-단량체 라디칼은 다음 단계인 전파반응에 참여하게 된다.
전파반응에서는 라디칼-단량체 라디칼이 계속해서 단량체와 ...
