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[A+] 중합공학실험2 Synthesis of PVA 합성 실험 결과레포트

1) 실험 목적PVA의 생성 반응을 이해할 뿐만 아니라 그 합성법을 습득한다가수분해 반응에 대해 이해한다2) 실험 원리열가소성 고분자(Thermoplastic polymer)열을 가해주면 다시 용융 상태로 돌아가는 열가소성 고분자는 사출이나 압출과 같은 공정을 통해 형태를 재변형 할 수 있다. 대부분의 열가소성 고분자는 반결정 혹은 비결정질 상태에 머물러 annealing 처리를 해도 결정화를 거치지 않는다. 다시 말해 Solid phase까지 냉각을 시키더라도 완벽하게 결정화를 거치지 못하고 최대 반결정성 상태로만 머물 수 있다는 것이다. 이러한 고분자의 phase는 용융 온도인 Tm 에 의해 결정된다.PVAcPVAc는 무정질의 열가소성 고분자이며 자외선과 산화 반응에 저항성이 좋다는 특징을 지닌다. 라디칼 중합과 유화중합으로 합성되며 전자의 경우에는 AIBN과 톨루엔을 활용한 열 개시 라디칼 중합을 주로 활용한다. 에멀젼 중합계 PVAc는 도료 분야에 중요하게 사용되고 있다.PVAPVAc와 마찬가지로 열가소성 고분자에 해당하며 PVA는 합성 고분자 중에서 매우 독특한 특성을 가지고 있다. 분자 변수의 조절에 의해서 내환경성과 이분해성, 그리고 친수성과 친유성 등의 상반된 특성을 발현하는 것이 가능하다. PVA는 해당하는 단량체의 직접적인 중합으로는 형성할 수 없다. 고로 PVAc로부터 알칼리 촉매 반응(비누화)을 통하여 제조해야만 한다. 이에 대한 자세한 이유는 고찰에 기재하였다.가수분해 반응가수분해 반응은 물과의 반응을 통해 기존 반응물의 결합이 무너지고 새롭게 카복실산 구조를 갖는 생성물을 합성해낸다. 물과의 반응 민감도가 높으면 높을수록 반응 속도가 빠르다는 특징을 갖는다. PVAc는 Vinyl acetate를 단량체로 한 고분자이고 ester그룹을 갖는다. 에스터 그룹은 물에 매우 민감한 무수물 다음으로 가수분해 반응 속도가 빠르며 산성 및 알칼리 조건에서 이러한 반응을 거친다.3) 실험 방법PVA 수지의 합성(1) 125 m 3구 플라스크에 PVAc 1g을 메탄올 50 ml에 녹인다.(2) 40 ℃로 가열한 후, 40 % NaOH 4g으로 만든 NaOH수용액 1 ml를 첨가한다.(3) 30분간 방치하여 침전된 고분자를 필터링한다.(4) 수득한 PVA를 메탄올로 수 회 세척한다.(5) 충분히 건조한 후 평량한다. ->PVA 2.027g 수득4) 실험 결과1. TGA graph[Fig 1. TGA graph of PVA] [Fig 2. TGA graph of PVA, reference]TGA의 그래프 x축은 온도, y축은 무게를 나타낸다. 그래프에서 중량이 하락하는 지점이 나타나는데 이 지점의 온도를 분해 온도 (Td, decomposition temperature)라고 지칭한다. 이러한 분해 온도는 실험 조건에 의해 오차가 생길 수 있으나 일반적으로는 weight percentage가 95% 가 되는 점으로 정의한다. 이전 레포트까지 총 질량(g)의 5%가 떨어진 지점으로 Td를 짚거나 육안을 통한 굴곡으로 정의를 내려 정밀성이 떨어진다는 점을 고려하여 이를 정정하였다. TGA 결과 PVAc의 분해온도는 150도에서 측정되었다.그러나 오른쪽 fig2를 보면 PVA의 Td는 대략 350도에서 나타난다. 이러한 차이가 나는 이유는, 정밀하게 합성이 되지 못하는 실험 상황이 주된 이유일 것이다. 그만큼 실험으로 합성한 PVA는 기존에 합성되는 물질이 아닌 불순물이 가득한 수지일 것이고 그로 인해 이러한 차이가 나타난 것이라고 판단하였다.2. DSC graphDSC는 샘플 시료에 열을 가해주는 과정을 통해 reference와 비교하여 샘플 시료의 열흐름 변화를 알 수 있다. DSC 그래프의 x축은 온도, y축은 열의 흐름을 나타내며 반응의 발열 과정과 흡열 과정의 여부를 파악할 수 있다.다음 장의 Fig3은 2 번의 Heat cycle을 거친 PVA를 분석한 그래프이다. 그래프에 나타나는 peak는 Tg에 해당하고 약 175°C에 해당하는 것을 알 수 있다.실험에서 합성한 PVA는 이론적 값인 Tg=85°C 보다 2배 가량 높은 온도에서 유리 전이 상태를 나타낸다. 이는 실험에서 합성한 PVA가 reference PVA보다 주사슬이 rigid하거나 부속 물질로 인해 사슬의 밀도가 높아져 자유부피가 낮아졌을 가능성이 존재한다.[Fig 3. DSC graph of PVA]3. FT-IR graphIR의 그래프의x축은 파수, y축은 흡수의 정도를 나타낸다. IR 분석은 주로 물질의 구조 중에서도 functional groups을 집중적으로 분석하는 용도로 사용이 된다. 여기서 투과율인 y축의 값이 감소한다는 것은 작용기가 적외선을 더욱 흡수한다는 것을 의미한다. 이 점을 고려하여 경화 전과 경화 후의 주요 peak들을 분석해보자.[Fig 4. FT-IR graph of PVA]결합파수()진동 형태-O-H (Alcohol)2700~3000신축(stretch)-O-H (Alcohol)1330~1420굽힘(bend)-C-O(secondary alcohol)1087~1124신축(stretch)C—H3000~3100신축(stretch)C—H2850~3000신축(stretch)[Table 1. Vibration patterns and Frequency of PVA]C=O(Conjugated ketone)1660~1685신축(stretch)C=C905~915굽힘(bend)[Table 2. Vibration patterns and Frequency of PVAc]실험 결과 알코올의 하이드록시기에 해당하는 peak가 제대로 뜬 것을 확인할 수 있었다. 다시 말해 PVAc로부터 PVA를 치환해내는 반응이 잘 이루어진 것을 확인했다. 하지만, PVAc의 구조를 표방하는 900대와 1600대 근처에서 뜬 peak의 존재를 통해 PVAc가 완전히 PVA로 전환되지 않았다는 사실 또한 고려했다.5) 고찰[1] PVAc가 산 또는 알칼리 촉매에 의해 PVA로 합성되는 메커니즘PVA는 PVAc의 비누화 시험 중에 최초로 발견되었는데 PVAc의 고분자를 비누화시켜 합성된다. 비누화 반응은 hydroxide를 지닌 염기와 반응물을 비누화하여 염과 알코올을 만들어낸다. 아래의 그림은 PVAc로부터의 PVA를 합성하는 방법인데, 이 반응 또한 비누화 반응에 속한다[fig 5. synthesis of PVA]비누화 반응으로 생성된 메틸 아세테이트는 또 다시 가수분해를 통해 메탄올과 아세트산으로 분해될 수 있다. 염기 촉매에 의해 진행되는 반응인 만큼, pH가 더 염기성을 띨수록 반응 속도가 빠르다. 정확한 메커니즘은 아래의 그림과 같다.[fig 6. Synthetic mechanism of PVA][2] PVA의 직접 중합 가능성결론부터 말하자면, 단량체의 직접 중합으로 인해 PVA를 합성하는 것은 불가능하다. 이에 대한 근거로 유기화합물의 호변 이성질 현상(tautomerism)을 들 수 있다. Tautomer의 keto 구조는 enol 구조보다 매우 안정한 상태라 -다이카보닐 화합물과 같은 예외적인 경우를 제외하고 자연계에서 물질은 대부분 keto 구조를 형성한다.PVA는 구조상 에놀 구조를 형성하고 있는데 이는 이전 PVAc의 구조 중 actate 구조가 alcohol로 치환이 되었기 때문에 구조를 유지하고 있는 것이다. 직접적인 중합을 통해 PVA를 형성하는 과정 중 이러한 enol 구조는 keto화 될 가능성이 매우 높다. 따라서 PVA의 합성은 미리 vinyl acetate를 중합하여 PVAc의 치환기를 변경해주는 과정으로 이루어지는 것이 마땅하다.[3] PVAc 와 PVA의 용도원리 설명에도 기재했듯이 PVAc는 자외선과 산화 반응에 강력하여 우드 글루와 같이 목공용으로 쓰이는 수분 함유 접착제에 잘 사용된다. pvac는 여느 고분자 소재들과 같이 여러 방면에서 쓰이고 있다. 특히 합성 쪽에서 많이 연관되어 있기도 하고 접착성이 우수하고 친유성과 친수성과 같은 물성을 조절하기 용이한 PVA와 접목 시켜 연구 등이 이루어지고 있는 편이다. 그 예시로 계면에 전기적 및 정전기적 특성을 부여한 PVA의 입자와 내충격성 완화를 위한 PVAc의 입자의 접합 연구 등이 존재한다.6) 참고 문헌Introduction to Polymers/Third Edition, Robert J. Young, Young J. Young, Peter A. Lovell, CRC Press [2010.03.31]"The use of fractionated Kraft lignin to improve the mechanical and biological properties of PVA-based scaffolds", Petra Rejmontova, Adriana Kovalcik, Petr Humpolicek, Zdenka Capakov Erik Wrzecionko, petr saha, RCS Advances, pp 12347-12353, 2019. 9.Maria Soledad Peresin, “Novel Lignocellulosic Composites”, North Carolina State University, p 17, 2011, 09.PVA 입자의 계면 전기적 성질에 관한 연구, 이하나•이재웅•김상수, 한국섬유공학회 학술발표회 논문집, 제40권 제 2호, pp 181~182, 2003.

공학/기술| 2022.12.23| 5페이지| 1,500원| 조회(182)

pva, pva합성, 중합공학실험, 중공실, 중공실2, 중합공학실험2, 중공실 PV..

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고분자재료설계 part 2 report

개요고분자 블렌드는 섞이지 않고 상분리를 하는 immisible한 copolymer와 서로 섞여 Heterogeneous한 copolymer로 구분 지을 수 있다. 그러나 대부분의 고분자는 자연 상태 그 자체에서는 섞이지 않고 분리하는 거동을 보인다. 이러한 상분리 고분자는 서로 다른 상을 지니고 또 단일 상에 존재할 때는 섞이는 거동을 보인다.우리는 이 설계를 통해 블렌드 고분자의 상분리 거동을 파악하고 블록공중합체의 나노구조를 파악하는 것이 목적이다. 이를 위해 우리는 binodal과 spinodal 곡선을 사용할 것이다. 블렌드 고분자의 thermodynamic model을 보건대, 상분리가 나타난 상태에서 온도와 조성을 고려한 binodal과 spinodal 곡선은 상의 안정도를 파악하는 데에 있어서 매우 유용하다. binodal 곡선은 온도와 열적으로 상분리를 선호하는 구조로 정의가 된다. spinodal 곡선은 바이노달 곡선과 critical point 한 점(열적으로 안정한 상태에 속하는 임계값)에서 plot 된다.이론적 배경고분자 블렌드고분자의 혼합은 다음과 같은 열역학 관계식을 따른다.여기서 이 음수값을 가져야만 고분자간의 mixing이 잘 이루어진다. 고분자 블렌드의 열역학적 거동 모형을 만들기 위해 고분자- 용매 혼합물을 고려한 flory-huggins 이론을 적용해보자. 이 경우 두 고분자 사슬은 하나의 일정한 cell의 격자에 분절로 이루어져 배치된다. 이 두 고분자의 부피 분율은 다음과 같이 주어진다.N1, N2 는 각각 분자의 수를 의미한다. 블렌드에서 고분자는 분절 간의 상호작용을 고려해주어야 한다. 포괄적으로 사용되는 열역학 식인 를 고분자-고분자 블렌드 혼합물에 적용하기 위해 식을 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.BCP co polymer블록 공중합체 (BCP)는 화학적으로 다른 반복 단위의 일련 배열로 구성되어 있다. 이러한 BCP는 상분리 과정을 통해 나노미터 크기의 구조로 self assembly, 자가조립화 과정을 나타나게 된다.고분자 블렌드의 벌크 상 거동 설계 조건고분자 블렌드의 상 거동을 파악하기 위해 Flory-Huggins 이론을 기반으로 하여 task 1을 수행했다. 고분자 블렌드는 다음과 같은 열역학 관계식을 따른다.그리고 A polymer와 B polymer의 상분리 거동을 위해 이론 4)에 기재한 식을 다시 기재하면다음 식에서 n1과 n2는 각각의 고분자 몰수를 의미하고 x1, x2는 고분자의 분절수를 의미한다. 이때 는 단량체 간의 비친화적인 에너지를 표현하는 parameter이며 식으로 표현하면 아래와 같다.다음 식에서 는 polymer 1(A)의 단량체와 polymer 2(B) 사이의 친화도를 의미한다. 비극성 고분자 블렌드일 경우 이 값은 그 고분자의 용해도 상수 차이에 직결된다. 이 용해도 차이가 증가할수록 그 고분자끼리의 혼합성은 감소한다.를 에 대입하여 값을 정리한 뒤 고분자의 chemical potential을 구하면 아래와 같은 식을 도출할 수 있다.Polymer A’s chemical potential:Polymer B’s chemical potential:고분자 블렌드의 상은 혼합물의 조성과 온도의 함수이다. 이 변수에 따라서 상이 분리되거나 단일상을 유지하게 된다. 따라서 상 거동을 파악하기 위해서는 온도가 일정하다는 하에 값에 따른 spinodal 곡선과 binodal 곡선을 plot 하여야만 한다.임계점: or , 임계점은 스피노달 곡선과 바이노달 곡선이 접하는 지점이다. 임계점의 값은 다음과 같다.binodal curve:Spinodal curve:결과 및 논의 - TASK 1분자 변수 및 제반 변수task 1 과정에서는 이 chi 값을 조정해줌으로써 phase separation을 파악하였다. A, B polymer의 비율이 각각 100:100과 100:500일 때의 상황을 가정한 뒤 그 조건의 상분리 거동을 파악하기 위해 스피노달 및 바이노달 그래프를 그렸다.!rA:!rB=100:100fa 1fa 2chifa 1fa 2spi670.6313350.02148209Table 1. (!rA:!rB=100:100) 상평형도 그래프 데이터 값Fig 4. (!rA:!rB=100:100) 상평형도 (x축 부피분율, y축 chi 값)임계점에서의 0.2를 기준점으로 값을 국소적으로 증가시켰다. 임계점은 각각의 부피분율이 0.5인 지점에 point 되었다. 이 chi 값에 정의되는 바이노달 곡선(파란 곡선)을 나타내었으며 그 후 식을 통해 스피노달 곡선을 나타내었다. 블렌드 고분자 크기 비율이 100:100으로 동일하기 때문에 대칭이 되는 상평형도가 나타났으며 LCST 형태를 띠는 것을 알 수 있다. UCST는 열역학적으로 엔탈피 값에 유도된 상 분리 상태로 인 경우에 해당한다. 즉, 온도가 증가하며 고분자들이 혼합되고 최대값의 임계 온도를 갖게 된다.LCST은 고분자와 용매 간 수소결합에 의한 interaction 등이 존재할 때 나타나고 혼합 후에 부피 감소를 유발한다. 또한 LCST는 열역학적으로 엔트로피에 유도된 상분리인 경우에 해당한다. 다시 말해 온도가 감소하며 고분자가 혼합되고 최소값의 임계온도를 갖게 된다.!rA:!rB=500:100chif1f2phase1phase2spibodalf1f20.0104720.3021960.3048620.350.650.0104740.0104730.0104730.3022180.3177790.340.660.0104740.0104760.0104740.3009830.3228960.330.670.0104750.0104810.0104750.2987680.3256630.320.680.0104770.0104850.0104760.2948770.3262510.310.690.0104820.0104860.0104780.2892260.32620.30.70.0104920.0104860.0104790.2887080.3297420.290.710.0104930.0104920.0104860.280380.3385710.270.730.0105150.0105130.0105010.2679890..7302520.10.930.0327490.0199050.01370.0328680.7407670.10.930.0355940.0206380.01390.0298020.7506790.10.930.0387080.0213870.0140.0283870.7554250.10.930.0403740.0217670.01410.0270440.7600410.10.930.0421160.0221530.014150.0263980.7623010.10.930.0430170.0223470.01420.0257690.764530.10.930.0439380.0225420.01450.0223150.7772910.10.930.0499260.0237370.0150.0176030.7964660.10.930.0618990.0258210.01520.0160210.803490.10.930.06750.0266890.01550.0139190.8134120.10.930.0769140.0280260.01570.0126780.8196480.10.930.0839410.0289440.01590.011550.8256040.020.930.0916360.0298820.01610.0105250.8312980.020.930.1000660.0308410.016150.0102830.8326820.020.930.1022960.0310840.01630.0095920.8367450.020.930.1093010.0318220.01650.0087430.841960.020.930.1194170.0328250.0170.0069390.8540690.10.950.1491570.0354340.01750.0055080.8649940.10.950.186570.038191Table 2. (!rA:!rB=500:100) 상평형도 그래프 데이터 값Fig 5. (!rA:!rB=500:100) 상평형도 (x축 부피분율, y축 chi 값)임계점에서의 0.010472를 기준으로 값을 증가시키며 마찬가지로 바이노달 곡선(파란 곡선)을 나타내었다. 임계점에서 두 고분자의 리를 통해 형성된 구조가 서로 다른 모습을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 위의 표를 보면 주로 한 도메인에 실린더 혹은 구형과 같은 구조로 남은 고분자가 구조를 형성하는 것을 알 수 있다.ABC 선형 film (35 35 35) / A: red, B: green, C: blueFig 8. ABC 선형 film (35 35 35)특정 고분자 분율이 10인 경우A:B:C:=80 10 10A:B:C=10 80 10A:B:C= 10 10 80마찬가지로 특정 고분자의 비율이 낮고, chi 값도 35%로 동일하기 때문에 부피 분율의 변동에 따라 상의 역전이 나타나는 것을 알 수 있었다.세 고분자의 분율이 비슷한 경우A:B:C:=30 30 40A:B:C=30 40 30A:B:C= 40 30 30세 고분자 부피 분율이 비슷한 경우,. 30 30 40 조건과 40 30 30 조건은 거의 비슷한 구조를 보이나 30 40 30 조건을 보았을 때 마찬가지로 상 분리 거동으로 인한 구조가 달리 형성된 것을 파악할 수 있었다.ABC 선형 melt (35 35 35) / A: red, B: green, C: blueFig 9. ABC 선형 melt (35 35 35)특정 고분자 분율이 10인 경우A:B:C:=80 10 10A:B:C=10 80 10A:B:C= 10 10 80상의 역전이 나타나는 것을 파악할 수 있고, 80:10:10 비율은 A domain에 남은 고분자가 실린더 형태의 구조를 형성하고 있는 것을 알 수 있다.세 고분자의 분율이 비슷한 경우A:B:C:=30 30 40 (Lamelle)A:B:C=30 40 30A:B:C= 40 30 30마찬가지로 세 고분자의 분율이 비슷한 경우를 같은 조건으로 정리해보았다. 그러나, melt 고분자는 film 고분자와는 다르게 B(green) domain에 구형과 같이 남은 고분자가 구조를 나타내고 이어져 라멜라 구조를 형성하는 것을 알 수 있다.Linear 3D film (30 30 50, 35 35 35), Linear 3D melt .

공학/기술| 2022.12.23| 18페이지| 3,000원| 조회(201)

고분자재료, 고분자설계, 고분자재료설계

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고분자재료설계 Part 1 report

개요화학적인 결합을 통해 monomer가 중합되어 고분자를 합성한다. 이러한 고분자는 1차구조, 2차구조, 3차구조, 4차구조 그리고 고차원구조로 이루어져 있다.그 중 1차구조는 분자의 constitution, configuration에 직접적인 영향을 받고 2차 구조는 conformation을 통해 공간 배치를 결정한다. 그 후 결정성과 비결정성을 확정짓는 분자의 3차원적인 구조를 형성하고 (tertiary structure) 고분자의 고차구조는 분자 집합체의 응집 구조라고 볼 수 있다. 고분자의 고차 구조의 구성에 따라 높은 elastic condition을 부여할 수 있다.이 설계 task 에서는 고분자의 거동을 Material studio 프로그램을 통해 파악한 뒤 분자 구조 설계 시에 물질의 조건에 따른 혼화성 사슬의 형태를 알아내는 것이 목적이다.part 1의 task 1에서는 그 중에서도 고분자의 1차 구조를 설계하여 그 후 1차구조와 2차구조의 반복되는 분자들의 단위(constitution)를 각각 다른 factor로 설정하고 온도와 고분자의 농도를 달리하여 사슬의 C값의 변화를 측정할 것이다.그 후 두 번째 task로 PP와 PS, PVAC, PVC의 물성 (밀도, 용해도 상수, 기계적 성질 등)을 파악하여 문헌과 직접 비교해 볼 것이다.이론적 배경The Freely Jointed ChainThe Freely Jointed Chain model은 특정 공간에 있는 고분자 사슬을 간단히 파악한 모델이라고 볼 수 있다. 이 모델에서 고분자는 모두 일정한 결합 길이를 갖기 때문에 결합각에 대한 방향과 상관관계가 존재하지 않고 따라서 torsion 또한 고려하지 않는다.Freely Jointed Chain 모델의 equivalent freely jointed chain에서 도출한 C를 통하여 이상적인 고분자 사슬의 크기를 파악할 수 있다. 이 equivalent chain은 실제 사슬이 팽창한 length인 Rmax와 같은 값을 가지며 이 Rmax는 리 벡터의 방향성 차이로 값이 0으로 수렴할 수 있기 때문이다. 이 경우, 우리가 원활하게 고분자 크기를 측정할 수 없기 때문에 제곱 처리를 해주어야만 한다.Rg, Radius of gyrationFig 2. radius of gyrationRg는 고분자 사슬의 무게 중심을 고려하여 사슬의 회전 반경의 평균값으로 고분자의 크기를 파악한다. 사슬의 말단 간 거리와의 값은 이론 1)에서도 기재하였듯이 다음과 같은 관계를 갖는다.고분자 입체 배열 구조고분자의 결합각과 torsion의 변화는 그 고분자에 속한 분자들에게 영향을 받는다. 고분자의 1차 구조를 다루기 위해서는 그 분자의 미세 구조를 파악해야 한다. 1차 구조에 해당하는 입체 배열 구조는 Constitution, Configuration이 존재하고 사슬의 분자들이 형성한 단일 결합이 회전하여 나타나는 입체 배열 구조인 conformation은 고분자의 2차 구조 형성에 영향을 준다. 이 설계 과정에서는 결합각과 회전으로 인한 각인 torsion을 파악하기 위해 주로 고분자의 configuration과 conformation에 관해 이야기 할 것이다.Configuration고분자의 Configuration은 특정 분자의 치환기(substituents)의 공간 배열을 다룬다. 동일한 치환기를 같는 분자는 정사면체 구조를 갖고, 다른 치환기를 갖는 단분자 하나는 사면제 구조를 가질 것이다.Tacticity고분자 구조 중 특성 측쇄가 같은 방향으로 일정하게 배열된 구조를 isotactic이라 칭하고 번갈아서 측쇄기가 교체 배열되는 구조를 syndiotactic이라고 칭한다. 불규칙한 배열의 측쇄기는 atactic 구조를 취한다고 말한다. 마지막 atactic한 configuration은 결정 구조를 조성할 수 없는 특징을 갖는다.Fig 3. PS's tacticityIsomerism치환기와 같은 측쇄가 서로 같은 방향에, 다시 말해 isotactic 방향으로 배치된 구조를 cis 구조, 서로 다른 방향에 배치된 되는 거동을 보인다. 생활 용품이나 하우징 분야에 주로 잘 사용되고 절연 부품이나 필름 소재로도 많이 사용되고 있다.PVAcPVAc는 무정질의 열가소성 고분자이며 자외선과 산화 반응에 저항성이 좋다는 특징을 지닌다. 라디칼 중합과 유화중합으로 합성되며 전자의 경우에는 AIBN과 톨루엔을 활용한 열 개시 라디칼 중합을 주로 활용한다. 에멀젼 중합계 PVAc는 도료 분야에 중요하게 사용되고 있다.PVAc는 이 자체가 수지로 사용되기보다 측쇄를 –OH로 치환한 PVA를 합성하는 데에 주로 사용이 되고 있다. PVA는 단량체로 직접 중합이 불가능하기 때문이다. 그래도 접착제와 종이 가공 및 도료 분야에 유용하게 사용되고 있다. 그 중에서도 도료 분야에 중요하게 사용되고 있는데 에멀젼계의 PVAc 도료는 접착성과 내광성 및 내마모성이 매우 우수하고 가성비가 좋기 때문이다.1차 구조 및 설계 조건변수 조건우리 조는 PVC 에 대한 조건별 C값 도출 및 비교 task와 고분자 벌크 물성 예측 및 분석 task를 거쳤다. 먼저 전자의 경우, 온도를 298K, 398 K, 498 K, 598 K로 변수로 조정하고 length를 10, 20, 30, 40, loading을 5, 10, 15, 20으로 각각 조정을 해주었다.온도를 변수로 할 때는 length와 loading을 고정하고 length를 변수로 할 때 temperature와 loading을 고정하였으며 loading을 변수로 지정할 때 length와 temperature를 고정하였다.task2는 고분자 PS, PVC, PVAc를 298K, length: 10, loading: 5로 고정하여 각 고분자의 밀도와 용해도 상수, young's modulus를 비교하였다.[1] 프로그램 왼쪽 상단의 영문으로 입력된 MS 아이콘 클릭, Build – Build polymer로 고분자 사슬을 생성한다. (Homopolymer 설정) 그 후 원하는 repeat monomer unit을 설정하고 사슬의 length와 n(Numberxed: Temperature=298K, loading=5)그래프를 보면 알 수 있듯 이론값 및 예상했던 봐와 동일하게 사슬의 길이가 증가함에 따라 C값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.2) 온도 변화에 따른 C값 비교 (fixed: length=10, loading=5)temperaturedistancecos(theta)cos(pi)C(R,l)(pi, Theta)298K31.480162.395866-0.35125-0.386897.883624.711584398K31.738032.397135-0.34084-0.392697.9439914.664769498K30.479622.398556-0.34416-0.397647.6244924.755457598K33.320382.407298-0.35054-0.398978.3048414.840244온도가 증가하면 더 자유롭게 운동할 수 있는 고분자의 사슬의 유연성이 높아진다. 이는 고분자의 entanglement 감소를 유발하고 따라서 C값이 감소하는 경향을 보일 것이라 예측했다.Fig 9 온도 변화에 따른 C값 비교(이론값)Fig 10 온도 변화에 따른 C값 비교 (fixed: Length=10, loading=5)실제로 나온 값을 보면 498K 에서는 C값이 잠시 감소하였다가 다시 598K를 향해 증가하는 양상을 보인다. 500K 이상인 지점에서 C값이 증가하는 이유로 일시적인 사슬간 entanglement가 증가나 혹은 사슬끼리의 interation이 증가와 같은 요인을 들 수 있다.3) loading 변화에 따른 C값 비교 (fixed: temperature=298K, length=10)loadingdistancecos(theta)cos(pi)C(R,l)(pi, Theta)531.480162.395866-0.35125-0.386897.883624.7115841030.703862.394823-0.36177-0.174017.6925583.0326591530.165082.396509-0.36691-0.234097.5522553 후자의 경우는 torsion과 결합각을 고려한 조건이므로 이러한 값의 차이를 나타낸다.그리고 task 1에서 온도와 사슬의 길이에 변화에 따른 C값의 거동은 이론적인 경우와 비슷하게 나타났지만 (온도는 500K 이상에서 미흡하게 오류가 나타나긴 하였다.) loading의 경우에는 예상한 바와 다르게 나타났다. 설계 내용에도 기재하였듯이 이러한 이유는 사슬이 가만히 rigid하게 구조를 유지하지 않고 열역학적으로 불안정한 energy를 최소화 할 수 있도록 유동적으로 구조를 취하기 때문에 오히려 C값이 낮아진다고 고려하였다.Task 2 과정 또한 밀도와 같은 값이 실제와 비슷하게 나타나고 구조를 파악하였을 때 올바른 값을 갖는 Young’s modulus를 파악할 수 있었으며 용해도 파라미터 값이 차이까지 알 수 있었다.결과적으로 보았을 때, 몇몇의 데이터는 예측한 거동과 맞는 양상을 보였으나 loading과 같은 경우는 아예 예상과 다른 거동을 보였다. 첫번째 원인으로는 설계 과정의 미흡도를 들 수 있겠다. 가장 처음으로 시작한 설계인 만큼, 과정 속에서 미세한 실수가 존재하였다면 프로그래밍 상에서 보이는 정밀성에 결함으로 작용하였을 것이다.그 다음으로는 설계 조건을 dilute한 고분자 용액으로 가정하였기 때문에 실제 거동과는 다른 모습을 나타냈다는 점, 그리고 시뮬레이션 자체로 실제 모든 고분자 사슬의 거동을 100% 파악할 수는 없을 거라는 점을 짚을 수 있겠다.하지만 프로그램을 통해 어떠한 고분자의 특정 실험 조건에서의 거동을 파악할 수 있었으며 이어 고분자의 1, 2차 구조가 사슬의 회전을 어떻게 유발하는지 그리고 그 유발을 통해 Characteristic ratio을 파악하여 고분자 사슬의 유연성 정도를 파악할 수 있었다. 또한 각각의 고분자를 설계하여 기계적인 물성과 용해도 상수 및 Young’s modulus 와 같은 벌크 물성을 예측할 수 있었다.참고문헌Introduction to physical polymer science, Sperling.

공학/기술| 2022.12.23| 18페이지| 3,000원| 조회(270)

고분자재료, 고분자설계, 고분자재료설계

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[A+] 중합공학실험2 Synthesis of Urea resin 우레아 수지 합성 실험 결과레포트

1)실험 목적1.Urea-formaldehyde 수지의 합성에 대해 이해한 뒤 합성법을 습득한다.2.부가축합 반응에 대해 이해한다.2)실험 원리1.열경화성 고분자 (thermoset)열경화성 고분자는 monomer 끼리 가교되어 그물 구조를 형성하고 사슬 움직임에 제한을 받는다. 열을 가하면 다시 가공할 수 있을 정도로 액체가 되어 녹는 열가소성 고분자(thermoplastic)와는 달리 열경화성 고분자는 열이 가해지면 아예 경화가 되어 분해(decomposition)가 된다.2.부가축합 반응부가 반응(첨가 반응)과 축합 반응을 번갈아 가며 최종적으로는 3 차원 분자 구조를 형성하는 중합 반응이다. 모노머 구조에서 특정 분자가 벗어나 떨어진다는 점에 있어서 부가 반응과 축합 반응을 탈리중합으로 한 데 묶어서 칭하기도 한다. 페놀과 Urea 수지, 멜라민 수지와 같은 열경화성 수지가 이러한 중합 반응을 거친다.3.Urea-formaldehyde resin, UF resin (요소 수지)질소를 과량으로 지니며 페놀과 달리 반응물의 작용성이 f=4 에 해당하는 Urea 와 폼알데하이드가 부가 반응을 거쳐 생성된 예비 중합체(prepolymer)이다. 이러한 prepolymer 는 약알칼리 조건에서 중합 반응을 유지하다가 경화제와 혼합되어 가교 구조를 형성한다.주로 합판 용도의 접착제나 성형품을 위한 재료로 사용이 되며 넓게는 건축 분야의 지질강화제 및 비료 등으로도 쓰인다.3)실험 방법1.Urea-formaldehyde 수지의 합성 방법(1)35% Formaldehyde 0.024 mol 을 둥근 플라스크에 투입하고 aqueous ammonia를 이용하여 반응기의 pH 가 7.5 ~ 8.5 가 되도록 조절한다.1: 0.815 = 0.35: xx = 0.28525x: 35% 폼알데하이드의 1mL 당 g

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[A+] 중합공학실험2 Synthesis of polyamide 합성 실험 결과레포트

1) 실험 목적Polyamide 수지의 합성에 대해 이해하고 및 합성법을 습득한다중축합 반응과 계면중합 반응에 대해 이해한다.2) 실험 원리열가소성 고분자(Thermoplastic polymer)열을 가해주면 다시 용융 상태로 돌아가는 열가소성 고분자는 사출이나 압출과 같은 공정을 통해 형태를 재변형 할 수 있다. 대부분의 열가소성 고분자는 반결정 혹은 비결정질 상태에 머물러 annealing 처리를 해도 결정화를 거치지 않는다. 다시 말해 Solid phase까지 냉각을 시키더라도 완벽하게 결정화를 거치지 못하고 최대 반결정성 상태로만 머물 수 있다는 것이다. 이러한 고분자의 phase는 용융 온도인 Tm 에 의해 결정된다.PolyamidePolyamide 아마이드기(-NH-C=O-)를 갖는 고분자 화합물을 의미하며 지방족과 지방족 고리 Polyamide 그리고 방향족 Polyamide가 존재한다. 하이드록실기와 같은 이탈기(Leaving group)을 갖는 물질을 아민기로 대체하여 중축합을 하는 방식으로 Polyamide를 합성할 수 있다. 실험에서 합성한 Nylon 6,10은 지방족 폴리아마이드로 R1A2+R2B2 중합으로 만들어진다. (A: —NH, B: —C=O) 여기서 A와 B는 서로 반응이 가능한 작용기에 해당한다.Nylon 6,10 (R1: (CH2)8), R2: (CH2)6)Polyamide에 속하는 Nylon 6,10은 중축합으로 합성되는 열가소성 고분자(thermoplastic polymer)이다. 나일론 6, 나일론 6,6보다 흡수율이 낮은 편에 속하여 swelling도 심하지 않은 장점을 지닌다. 또한 반응 과정에 있어서 발열 반응 시에 용매가 열을 흡수하기 때문에 저온에서도 교반 및 비교반 중합반응을 통해 고분자를 합성할 수 있다는 장점 또한 존재한다.[Fig 1. Synthesis of Nylon 6,10]계면 중축합계면 중축합(Interfacial polycondensation)은 섞이지 않는 두 상에서 활성된 계면으로부터 중축합을 진행하는 반응이다. 계면중축합으로 합성된 고분자는 기존의 중축합으로 합성된 고분자보다 더 높은 반응성을 보인다. polyamides, polyesters, polyethers, polyurethanes 등이 계면 중축합으로 합성이 된다.Polyamide의 계면중축합은 Shotten-Baumann 반응을 통해 아마이드 결합을 형성하며 반응에서 유기 용매에 용해시킨 Acid chloride와 아민(1, 2차)과 용융을 통해 계면에서 중합 과정이 일어난다. (용융중축합)Shotten-Baumann reactionShotten-Baumann reaction은 acyl halide(R—C=O—X)를 1차 혹은 2차 amine과 NaOH 촉매 하에 아마이드 결합을 형성하는 반응이다. 이 반응에서 acyl halide의 이탈기(—X) 는 amine으로 대체되어 최종적으로 아마이드 결합을 합성한다. 본 Nylon 6,10은 합성에서 diamine과 acid chloride (acyl chloride)이 Shotten-Baumann reaction 메커니즘을 통해 합성되었다.[Fig 2. Shotten-Baumann reaction]3) 실험 방법비교반 계면중축합을 통한 Nylon6,10 합성(1) 0.75ml (0.84g)의 sebacoyl chloride를 25ml의 xylene이 들어있는 비이커에 넣어 녹인다.(2) 1.1g의 hexamethylene diamine과 0.3g의 NaOH를 12.5ml의 증류수에 녹인다.(3) (1)의 용액을 (2)의 용액에 층이 섞이지 않도록 천천히 붓는다.(4) 핀셋을 이용하여 고분자 막을 서서히 꺼내어 유리막대로 감는다. 이때 감기를 중단하면 중합반응이 정지되고, 다시 감기를 진행하면 중합이 다시 진행되는 것을 확인할 수 있다.(5) 제조된 수지를 물:메탄올 = 1:1의 비율인 용액 100ml에 수세를 실시하고, 같은 방법으로 물:acetone = 1:1의 비율의 용액에서 수세를 실시한다.(6) 80 °C에서 감압건조를 실시한다.4) 실험 결과1. TGA graph[Fig 3. TGA graph of Nylon 6,10]TGA의 그래프 x축은 온도, y축은 무게를 나타낸다. 그래프에서 중량이 하락하는 지점이 나타나는데 이 지점의 온도를 분해 온도 (Td, decomposition temperature)라고 지칭한다.그래프를 보았을 때100°C 부근에서 기울기가 급격히 떨어지는 것으로 보아 nylon 6,10이 함유하고 있던 물이 빠진 것을 알 수 있다. 그 후 약 430°C 후에 nylon6,10이 분해되는 것을 알 수 있으며 500°C 가량에서는 탄화된 물질이 유지되는 것을 알 수 있다.2. DSC graphDSC는 샘플 시료에 열을 가해주는 과정을 통해 reference와 비교하여 샘플 시료의 열흐름 변화를 알 수 있다. DSC 그래프의 x축은 온도, y축은 열의 흐름을 나타내며 반응의 발열 과정과 흡열 과정의 여부를 파악할 수 있다.[Fig 4. DSC graph of Nylon 6,10]Fig4는 2 번의 Heat cycle을 거친 Nylon 6,10을 분석한 그래프이다. 그래프에 나타나는 peak는 Tm에 해당하고 약 211°C에 해당하는 것을 알 수 있다. 이론적으로 215°C인 Nylon 6,10의 Tm 값과 매우 유사한 것을 보아 실험이 잘 진행된 것을 알 수 있다.3. FT-IR graphIR의 그래프의x축은 파수, y축은 흡수의 정도를 나타낸다. IR 분석은 주로 물질의 구조 중에서도 functional groups을 집중적으로 분석하는 용도로 사용이 된다. 여기서 투과율인 y축의 값이 감소한다는 것은 작용기가 적외선을 더욱 흡수한다는 것을 의미한다. 이 점을 고려하여 경화 전과 경화 후의 주요 peak들을 분석해보자.[Fig 5. FT-IR graph of Nylon 6,10]결합파수()진동 형태N-H (secondary Amine)3300~3500신축(stretch)N-H (secondary Amine)1580~1650굽힘(bend)C=O(secondary amide)1680신축(stretch)C—H3000~3100신축(stretch)C—H2850~3000신축(stretch)[Table 1. Vibration patterns and Frequency of Nylon 6,10]1차 아민은 2개의 IR peak를 갖고 2차 아민은 1개의 IR 피크를 가지며 3차 아민은 IR 피크를 갖지 않는다. 나일론6,10은 2차 아민과 카보닐 그룹, 그리고 아마이드 결합(secondary amide)을 갖는다는 것을 알 수 있다. 실제로 그래프에서 Nylon6,10의 IR peak가 찍힌 것으로 보아 나일론 6,10이 성공적으로 합성된 것을 예측할 수 있다.5) 고찰[1] 공업적으로 사용되는 용융중축합법용융중축합은 용융 상태의 고분자를 괴상중합을 단계별로 진행하는 반응으로, 두 단량체가 직접 반응에 관여하여 간단하다는 특징을 갖지만 반응을 마친 뒤 부가염과 같은 물질을 제거해주는 등의 후처리 반응이 요구되는 경우가 많다. 이러한 용융중축합법은 공업적으로 다양하게 쓰이고 있는데 특히 polycarbonate 합성 제조에 많이 쓰이고 있다.[2] 계면 중합 방법에서 사용되는 유기용매의 종류에 따른 중합도 차이와 제조되는 수지의 형태에 대하여 알아본다.계면 중합은 서로 반응성이 좋은 두 단량체를 활용하므로 상온에서도 충분히 중합이 가능하다. 고분자에 따라 유기용매를 달리하면 각각의 다른 용해도 파라미터로 인해 고분자 사슬의 점도를 조절할 수 있게 된다. 이는 이어져 제조되는 수지의 중합도에 영향을 미쳐 분자량을 조절할 수 있고 각자 다양한 형태의 수지를 수득할 수 있게 된다.[3] NaOH 와 Xylene의 용도Xylene은 나일론 6,10 중축합 반응을 위해 사용해야 할 반응물인 Sebacoyl chloride를 용해시키는 유기용매로 사용되었으며 NaOH 는 나일론 6,10 합성 시 중축합 반응으로 인해 생기는 HCl을 제거해주는 용도로 쓰였다.[4] 실험 과정 (3)에서 (1)의 용액을 (2)의 용액에 층이 섞이지 않도록 천천히 붓는 이유용액을 너무 빠른 속도로 부을 시 나일론6,10이 합성되기 이전에 계면 속에서 실처럼 나타나는 나일론6,10이 풀어져 버리므로 나일론의 합성을 방해하지 않도록 해야 한다.[5] 나일론 6,10 합성 메커니즘Nylon 6,10 합성의 메커니즘은 아래의 그림과 같다.[Fig 6. Synthesis of Nylon 6,10]6) 참고 문헌Introduction to Polymers/Third Edition, Robert J. Young, Young J. Young, Peter A. Lovell, CRC Press [2010.03.31]Study on the Activity of Ag/Nylon 6, 10 Nanocomposite Against Escherichia coli, Rebaz Omar, A. K. Smai•Karzan A. Omar, International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, Materials Science, 2016, 04, 16.

공학/기술| 2022.12.23| 5페이지| 1,500원| 조회(271)

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