본문내용
1. 고분자 밀도 측정
1.1. 실험 목적
아르키메데스의 원리를 이해하고 이를 이용하여 미지 시료의(고분자 물질) 밀도를 예측하고, 미지 시료에 해당하는 범용성 고분자에 대해서 예측하는 것이 이 실험의 목적이다.
1.2. 실험 원리
1.2.1. 아르키메데스 원리 (부력의 원리)
어떤 물체를 물과 같은 유체에 넣었을 때 물체가 받는 부력의 크기는 물체가 유체에 잠긴 부피만큼의 유체에 작용하는 중력의 크기와 같다는 원리이다. 이는 불균일한 물체의 부피를 측정할 수 있게 하며, 물질의 밀도에 따라 비중이 다르다는 특징을 갖는다. 즉, 물체가 유체에 잠긴 부피만큼의 유체의 중력이 물체를 밀어 올리는 힘인 부력으로 작용하게 된다는 것이다. 이를 아르키메데스의 원리 또는 부력의 원리라고 한다.
1.2.2. 밀도
밀도는 단위 부피당 질량으로 세기 변수로서 물질의 특성을 나타내는 양이다.""밀도는 질량을 부피로 나눈 값으로 물질마다 고유한 값을 지닌다.""단위는 g/ml, g/cm^3 등을 주로 사용한다.""분자간의 사이의 거리에 의하여 밀도는 고체 > 액체 >> 기체 순이다.""기체는 온도와 압력이 변하면 분자의 운동이 활발해져 부피가 변하게 되어 밀도도 변하게 된다.""그러나 고체나 액체의 밀도는 온도나 압력이 변해도 기체에 비해 거의 변화하지 않는다.""
1.3. 실험 기구 및 시약
10ml 메스실린더, 미지의 고분자 시료 3가지, 에탄올, 스포이드이다.
1.4. 실험 과정
고분자 시료의 무게를 잰 후 10ml 메스실린더에 에탄올 5ml를 넣고 무게를 잰다. 그 후 고분자 시료를 넣고 늘어난 부피를 측정한다. 밀도 = 질량/부피 공식을 이용하여 밀도를 계산한다. 이 과정을 3가지 고분자 시료로 각각 3회씩 반복한다.
1.5. 실험 결과
고분자 1, 고분자 2, 고분자 3의 실험 결과는 다음과 같다"
고분자 1의 경우, 1차 실험에서 무게 0.21g, 부피 변화 0.2ml로 밀도가 1.05g/ml로 측정되었다. 2차 실험에서는 무게 0.22g, 부피 변화 0.2ml로 1.1g/ml, 3차 실험에서는 무게 0.21g, 부피 변화 0.2ml로 1.05g/ml가 측정되었다. 4번째 실험에서는 무게 0.54g, 부피 변화 0.5ml로 밀도가 1.08g/ml로 나왔다. 따라서 고분자 1의 평균 밀도는 1.07g/ml로 예측할 수 있다".
고분자 2의 경우, 1차 실험에서 무게 0.225g, 부피 변화 0.2ml로 1.125g/ml, 2차 실험에서는 무게 0.227g, 부피 변화 0.2ml로 1.135g/ml, 3차 실험에서는 무게 0.52g, 부피 변화 0.6ml로 0.867g/mol, 4차 실험에서는 무게 0.5g, 부피 변화 0.6ml로 0.833g/ml가 측정되었다. 따라서 고분자 2의 평균 밀도는 0.99g/mol로 예측할 수 있다".
고분자 3의 경우, 1차 실험에서 무게 0.21g, 부피 변화 0.2ml로 1.05g/ml, 2차 실험에서는 무게 0.51g, 부피 변화 0.4ml로 1.275g/ml, 3차 실험에서는 무게 0.87g, 부피 변화 0.7ml로 1.243g/ml가 측정되었다. 따라서 고분자 3의 평균 밀도는 1.19g/mol로 예측할 수 있다".
이를 토대로 고분자 1은 HDPE, 고분자 2는 PP, 고분자 3은 PVA로 예측하였다.
1.6. 고찰
1.6.1. 같은 고분자 재료의 밀도가 틀린 경우가 많은 이유
같은 고분자 재료의 밀도가 틀린 경우가 많은 이유는 다음과 같다.
첫째, 대부분의 고분자 물질은 다양한 크기를 지닌 분자들의 혼합으로 구성되어 있으며, 생성된 분자량이 매우 크기 때문이다. 일반적으로 고분자 화합물의 분자량은 균일하지 않아 평균값으로 계산하고 다분산성(Mw/Mn)을 사용하여 표현한다. 즉, 분자량이 일정하지 않기 때문에 같은 고분자 물질이라도 밀도가 다르게 나타날 수 있다.
둘째, 고분자의 밀도에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 결정화도와 가지(Branch) 수이다. 고분자는 긴 분자사슬로 이루어져 있는데, 이들은 용융체 내에서 불규칙적이고 엉킨 코일 형태를 갖는다. 일부 고분자는 냉각 과정에서 사슬들이 재배열되어 일정한 방향으로 배향되는 결정형을 형성하지만, 다른 고분자는 무정형 상태를 유지한다. 또한 결정형도 아니고 무정형도 아닌 반결정성 영역이 존재할 수 있다. 전체 고분자 내에서 결정화 부분이 차지하는 비율을 결정화도라 하며, 결정형 부분의 밀도가 무정형 부분보다 크기 때문에 결정화도가 클수록 고밀도 값을 갖게 된다. 더불어 밀도는 가지 수와 그 크기에 따라서도 변하므로, 같은 고분자 재료라도 이러한 특성 차이로 인해 밀도가 달라질 수 있다.
셋째, 고분자 물질 내부에 의도적 또는 비의도적으로 첨가된 불순물(filler, plasticizer 등)에 의해서도 밀도 차이가 발생할 수 있다. 예를 들어, 좀 더 딱딱한 PVC에 필러가 첨가된 경우 연질 PVC와 다른 밀도 값을 가질 것이다.
즉, 고분자는 균일한 분자량을 지니기 어려울 뿐만 아니라 결정화도, 가지 수, 불순물 함량 등 다양한 요인에 의해 미세한 차이가 발생할 수 있기 때문에 같은 고분자 재료라도 밀도가 틀린 경우가 많다고 할 수 있다.
1.6.2. 고분자 밀도에 따른 고분자 물성 예측
고분자 밀도에 따른 고분자 물성 예측""
고분자의 밀도는 고분자 물성에 큰 영향을 미친다. 밀도가 클수록 연화점, 경도, 강성 및 인장 강도 등은 향상되지만, 충격 강도와 ESCR(내환경 응력 균열성) 등은 저하된다. 이는 밀도가 클수록 고분자 분자 사슬들 간의 결합력이 증가하여 기계적 물성이 향상되지만, 충격 흡수 능력이 감소하기 때문이다.
구체적으로, 밀도가 높은 고분자는 연화점이 높아 높은 온도에서도 안정적인 물성을 유지할 수 있다. 또한 경도가 높아 내마모성이 우수하며, 강성과 인장 강도도 증가한다. 이는 밀도가 높은 고분자는 주쇄와 주쇄 사이의 결합력이 강하기 때문이다. 반면에 충격 강도와 ESCR 성능은 저하되는데, 이는 고분자 사슬의 유동성이 감소하여 충격 에너지 흡수 능력이 감소하기 때문이다.
반대로 밀도가 낮은 고분자는 충격 강도와 ESCR 성능이 우수하지만, 연화점, 경도, 강성, 인장 강도 등의 기계적 물성은 상대적으로 낮다. 이는 밀도가 낮은 고분자는 주쇄 간 결합력이 약하여 유동성이 크기 때문이다.
따라서 고분자 제품의 용도에 따라 요구되는 물성을 고려하여 적합한 밀도의 고분자를 선택해야 한다. 예를 들어 내충격성이 중요한 제품에는 상대적으로 낮은 밀도의 고분자를, 내마모성이 중요한 제품에는 높은 밀도의 고분...
