[화공생물공학단위조작실험1] 아크릴 유화중합

문서 내 토픽

1. 중합

중합이란 중합체의 원료 물질인 단위체나 모노머(monomer)가 화학반응으로 큰 분자량의 화합물을 생성하는 반응이다. 중합의 한 종류인 유화중합은 단량체를 비누액 중에 유화 분산시켜 중합한다.
2. 유화중합

유화중합은 물 안에서 유화제를 사용해 단량체를 군집으로 하여 분산시키고, 중합시킨다. 중합 개시제는 수용성을 사용하며, 유화중합은 중합속도와 중합도가 높다.
3. 유화계 구성 성분

유화계의 주 구성원은 단량체, 분산매질(dispersing medium), 유화제(emulsifier)와 수용성 개시제이다. 분산매질은 다른 구성원들이 유화제에 의해 분산되어 있는 액체로서 주로 물이 사용된다. 친수성 부분과 소수성 부분을 모두 가지는 유화제 분자는 단량체를 분산시킨다.
4. 개시제

개시제는 과산화수소-제1철(Fe2+)의 산화환원계이고, 과당(fructose)은 개시반응에서 생성된 제2철(Fe3+)을 제1철로 환원시킨다. 이 밖에도 강알칼리성 반응매질 내에서 철 이온을 용매화시키기 위해 첨가되는 피로인산나트륨(Sodium pyrophosphate)이나, 분자량 조절을 위해 사슬 전달제로 첨가되는 머캅탄(mercaptan) 등이 유화계에 존재한다.
5. 임계마이셀농도(CMC)

유화제로 사용되는 계면활성제의 농도가 임계마이셀농도(Critical micelle concentration, CMC)보다 높을 때, 초과된 계면활성제 분자들이 마이셀이라고 하는 콜로이드 상의 덩어리를 만든다. 이처럼 계면활성제가 콜로이드 상으로 변환하는 것은, 용액의 자유에너지를 극소화하기 위함으로 용액의 표면장력이 급격히 감소한다.

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1. 중합

중합은 단량체 분자들이 화학적 반응을 통해 결합하여 고분자 화합물을 형성하는 과정입니다. 이 과정에서 단량체 분자들은 서로 연결되어 더 큰 분자 구조를 만들게 됩니다. 중합 반응은 다양한 산업 분야에서 널리 활용되며, 플라스틱, 섬유, 고무, 페인트 등 많은 제품의 제조에 사용됩니다. 중합 반응의 종류와 메커니즘, 그리고 중합체의 특성에 대한 이해는 새로운 고분자 재료 개발에 매우 중요합니다.
2. 유화중합

유화중합은 물과 기름이 섞이지 않는 특성을 이용하여 수용성 단량체와 유기용매 단량체를 함께 중합하는 방법입니다. 유화제를 사용하여 단량체를 작은 입자 형태로 분산시키고, 개시제를 통해 중합 반응을 시작합니다. 이 방법은 균일한 입자 크기와 분자량 분포를 가진 고분자 입자를 얻을 수 있어 페인트, 접착제, 코팅제 등의 제조에 널리 사용됩니다. 또한 수용성 단량체를 사용할 수 있어 환경친화적이며, 반응 속도가 빠르고 수율이 높다는 장점이 있습니다.
3. 유화계 구성 성분

유화계는 유화중합에 사용되는 주요 구성 성분으로, 물, 유기용매 단량체, 유화제, 개시제 등으로 이루어져 있습니다. 각 성분의 역할과 특성이 중합 반응에 중요한 영향을 미칩니다. 물은 연속상을 형성하고, 유기용매 단량체는 분산상을 이룹니다. 유화제는 단량체 입자를 안정화시키고, 개시제는 중합 반응을 개시합니다. 이러한 구성 성분들의 종류와 비율을 적절히 조절하여 원하는 특성의 고분자 입자를 얻을 수 있습니다.
4. 개시제

개시제는 중합 반응을 시작하는 데 필수적인 화합물입니다. 개시제는 열, 빛, 화학물질 등의 외부 자극에 의해 활성화되어 단량체 분자들의 결합을 유도합니다. 라디칼 개시제, 이온 개시제, 광개시제 등 다양한 종류의 개시제가 사용되며, 각각의 특성에 따라 적절한 개시제를 선택하여 중합 반응을 진행합니다. 개시제의 농도, 반응 온도, 반응 시간 등의 조건을 최적화하여 원하는 분자량과 특성을 가진 고분자를 합성할 수 있습니다.
5. 임계마이셀농도(CMC)

임계마이셀농도(CMC)는 유화제가 수용액에서 마이셀을 형성하기 시작하는 최소 농도를 의미합니다. 이 농도 이상에서는 유화제 분자들이 자발적으로 마이셀을 형성하게 됩니다. CMC는 유화제의 종류와 농도, 온도, pH 등 다양한 요인에 따라 달라지며, 유화중합 과정에서 중요한 역할을 합니다. CMC 이상의 농도에서 유화제는 단량체 입자를 안정화시키고, 중합 반응을 촉진하는 등 유화중합 메커니즘에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 CMC 값을 정확히 파악하는 것은 유화중합 공정 최적화에 필수적입니다.

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