= 목차 =1. 서 론 ……………………………………………………… 22. 실 험 …………………………………………………… 103. 참고문헌 …………………………………………………… 121. 서 론1. 1 계면중합(1)계면중합은 2염기 산염화물과 디아민의 단량체가 두 종류의 난용성 용매의 액체계면에서 반응이 일어나서 중합체를생성하는 중합방법으로서 낮은 온도에서도 쉽게 일어난다. 계면축합중합에서 얻어지는 중합체의 분자량은 용융중합으로 얻어지는 중합체의 경우보다 일반적으로 크다. 계면축합반응에서는 중합체층을 통하여 단량체가 빠른 속도로 확산되기 때문에 다른 단량체분자보다 생장된 중합체분자와 더 쉽게 반응이 일어난다.그림 1. 축합중합체의 반복단위와 명명그림 2. 계면중합이 방법은 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리술폰아미드 및 폴리페닐에스테르의 합성에도 응용되고 단계적 중합에 있어서 보통 고온에서 불안정한 중합체를 만들 때 이방법이 유용하다.가열중축합에 비해 간단한 장치를 사용하여 실온에서 행할 수 있으며 또 엄밀하게 두 단량체의 몰수를 똑같게 유지할 필요가 없으며 반응이 가역적이 아니므로 반응이 완결되는 점이 특징이다.★ ps. 가열 축중합중축합에 의해 고분자량의 중합체를 얻기 위해서는 고순도의 원료화합물을 엄밀하게 같은 몰수를 사용할 필요가 있는데 공업적으로는 이의 조절이 곤란하므로 보통 양자의 1:1 반응물을 합성하고 이를 출발물질로 하여 중합체를 합성한다. 공업적으로 중요한 중합 예를 나일론 66과 폴리에틸렌테레프탈레이트에 국한하여 설명한다. 나일론 66의 경우에는 헥사메틸렌디아민과 아디프산으로부터 나일론염을 합성하고 이를 중합의 원료로 사용한다. 중합은 감압하에서 200℃ 이상으로 가열하면서 행한다.1. 2 축합중합(1)에스테르화나 아미드화 반응은 유기화학에서 널리 알려진 축합반응들로서 작용기간의 반응에 의해서 물이 탈리된다.이와같이 두 개의 작용기를 가진 모노머가 반응하여 작은 물질이 탈리되는 반응을 축합중합이라고 한다. 작용기에 따라서는 알코올, 산, 암모니아 등이 탈 특히 고리화반응은 고리의 장력이 적은 5,6,7원 고리가 되는 경우 잘 일어난다.이러한 경우에는 적당한 촉매를 사용하여 고리를 열고 선형의 고분자를 만들어야 한다.1. 3 사슬성장과 단계성장 중합의 비교(2)불포화 단량체들의 사슬성장 중합은 최소 두 개의 작용기들을 포함한 단량체들의 단계성장 중합 메커니즘과는 명백하게 다른 메커니즘으로 진행된다. 첫째로 불포화 단량체들이 고분자 사슬로 성장되기 위해서는 이들이 활성화 혹은 개시 되어야 하는 바면 단계성장 단량체들은 서로 간의 반응이 시작되어 작용기들이 만나는 순간 결합을 형성한다. 더 중요한 차이점은 사슬성장과 단계성장 중합에 의한 고분자 생성 반응의 시간의존성이다. 일단 반응 중심이 개시제에 의해 만들어지면 수많은 단량체들이 고 분자량의 고분자를 생성하기 위해 사슬 반응에 빠르게 부가된다. 더 많은 사슬들이 개시됨에 따라 단량체는 계속적으로 소비되며 고 분자량 고분자로 빠르게 성장한다. 단량체가 고분자로 전환되는 전반적인 전환율이 반응시간이 경과함에 따라 증가할지라도 생성된 고분자의 분자량은 반응과정 동안 비교적 일정하게 유지된다. 사슬성장 중합 전과정 동안 반응 혼합물에는 단량체, 고 분자량 고분자, 성장하는 사슬들 및 일부 남아 있는 개시제 등이 혼재해 있다.크기에 상관없이 어떠한 종류의 분자들도 두 개가 서로 만나면 단계성장 중합을 통해 반응할 수 있기 때문에 이미 아는 바와 같이 반응시간에 따른 고분자 생성은 사슬성장 중합에서 관찰된 시간 의존성과는 꽤 다르다. 이량체, 삼량체, 사량체 등이 계속적으로 생성됨에 따라 단량체는 단계성장 중합에서 훨씬 더 일찍 사라진다. 단계성장 중합에서는 분자량이 중합과정 동안 서서히 증가하며 반응의 종결 시점에서 고 분자량의 고분자를 얻는다. 따라서 고 분자량의 고분자를 얻기 위해서는 높은 단량체 전환율과 더불어 상대적으로 긴 반응시간이 요구된다. 이와는 대조적으로 사슬성장 중합에서는 고 분자량의 고분자가 중합반응 과정에서 생성되며 단량체의 높은 전환율을 얻기 위해서중합반응 동안 고 분자량의 고분자를 얻을 수 있는 사슬성장 중합의 경우 전환율은 고분자 분자량에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 단계성장 중합과 사슬성장 중합의 차이점은 이들 단량체들의 고유 반응성에서의 차이보다는 고 분자량의 고분자를 합성하기 위한 시간 의존성의 차이가 더욱 뚜렷한 차이점이라고 할 수 있다.연쇄중합단계중합생장은 연쇄체 전체와 모노머의 반응으로 일어나며, 연쇄체 전체와 쉽게 반응하는 물질을 소량 첨가하면 반응은 완전히 정지한다.모노머, 또는 폴리머 중의 기능끼리의 반응으로 일어나고 기능성 화합물을 첨가하면 분자량이 저하한다.모노머 농도는 반응을 통해 순차적으로 감소하며 반응 도중에는 모노머와 폴리머의 혼합물이다.모노머의 농도가 급격히 감소하여 중합도가 100이 되면, 모노머의 농도는 1%이하가 된다.고분자량의 폴리머가 생성하여 반응의 진행과 더불어 원친적으로 진화하지 않는다.분자량은 반응의 진행과 더불어 서서히 증대하며, 고분자량의 폴리머를 얻으려면 장시간을 요한다.표 1. 연쇄중합과 단계중합 특징의 비교(3)1. 4 큰 분자량의 고분자를 생성하는 조건(4)(a) 반응도를 높이는 방법반응도를 증가하면 생성되는 고분자의 분자량이 증가한다. 다중축합은 평형 반응이기 때문에 반응도를 높이기 위해서는 반응으로 분리된 물 등을 밖으로 제거하고 평형을 고분자 쪽으로 이동하는 것이 필요하다.(b) 반응계의 순도를 높이는 방법다중축합이 진행되는 계에 일기능성의 화합물이 고분자의 말단과 반응하면 고분자의 말단은 그 이상의 반응이 불가능하다. 따라서 큰 분자량의 고분자를 얻으려면 이러한 불순물의 혼입을 막음과 함께 부반응으로 기능기가 활성을 잃지 않도록 주의를 하지 않으면 안된다. 다른 면에서 고분자의 중합도가 너무 커지지 않도록 일기능성 화합물을 반응계에 가할 수도 있다.(c) 단량체의 혼합비를 정확히 같은 몰로 유지하는 방법디아민과 이염기산처럼 2종의 단량체 A와 B로부터 고분자를 합성하는 경우 한쪽 방향의 단량체 A가 과잉으로 존재하면 반응의 후기하는 것이 큰 분자량의 고분자 합성에 필요하다.(d) 고리화 반응을 막는 방법이기능성 단량체의 다중축합에서 분자 간 반응을 통하여 고분자의 분자량이 증가하지만 분자내 반응에서 고리화되면 고분자를 생성하지 않는다. 고리생성의 비율은 주로 단량체의 기능기 간의 길이로 결정한다. 고리화반응에 의해 다섯 원자 고리와 여섯 원자 고리를 생성하는 단량체는 다중축합보다 고리화반응이 우세하므로 고분자를 생성하지 않는다.1. 5 폴리아미드 (나일론)(5)표 3. 각 나일론의 성질(6)일반적으로 폴리아미드는 나일론 수지라고도 하며, 그 구조단위 중에 아미드 결합을 가지고 있는 합성 선형고분자의 총칭으로 미국의 Du pont 사가 1933년에 공기와 물과 석탄으로부터 만들어지는 새로운 합성섬유인 나일론을 생산· 판매를 개시한 것이 최초이며, 이것이 현재에도 대표적인 폴리아미드다. 폴리아미드는 나일론 6, 66, 11, 12, 610 및 방향족 나일론 등이 있으며, 충전제등을 통해 개질시킬 수 있다. 유리섬유 강화를 통해 고강성, 고강도등의 물리적 특성을 향상시키며, 탄성체등을 통한 내충격성 향상이 가능하다.표 4. 나일론의 종류① 나일론 661933년에 미국의 Du pont 사가 공기와 물과 석탄에서 합성한 최초의 나일론은 nylon 66으로서, H. W. Carthers에 의해 합성되었다. 나일론 66의 제조는 헥사메틸렌디아민과 아디프산을 반응시키면 단계반응에 의하여 1:1로 결합한 중축합체인 나일론염이 생성된다. 이 염을 0.1~1몰%의 아세트산 수용액에 녹인 다음, 오토클레이브에서 17atm, 270~280℃로 가열 용융시켜 수분을 제거하고 질소 분위기중에서 압출하면 나일론 66이 생성된다. 이때 아세트산은 점도안정제로 사용된 것이다.그림 3. 나일론 66의 제조과정이 중합체를 용융상태에서 리본 모양으로 압출하고 절단한 것을 나일론 칩이라고 하여, 이것을 성형제폼 또는 섬유제조에 사용하는 것이다.나일론 가운데 고성능을 요구하는 분야에 적용률이 가장 높은편으로 융점이 높고, 6Nylon 6은 고리열림중합반응으로 합성된다.나일론 6의 제조는 카프로락탐을 80℃ 정도로 가열하여 5~10%의 아세트산 등의 안정제를 조금 포함한 물에 용융시키면 고리열림 중합반응을 한다. 이때 물을 제가하고 가열하면 선모양 중합체가 생성되며, 생성물은 10%정도의 단위체와 평형을 이루므로 반응하지 않는 단위체는 제거회수하여야한다.그림 4. 나일론 6의 제조과정나일론 가운데 범용으로 사용되며 외국의 경우 나일론 6이 전체 나일론 생산량의 60%를 점하고 있는데, 나일론 66에 비해 융점이 낮고, 성형가공이 용이하여 열적 안정성과 내충격이 강한 특징을 갖고 있다. 공업용 재료로서의 용도가 60% 정도이며, 이외에 필름, 단섬유 등의 용도가 있다. 특히, 최근 사출성형에 있어서 어렵고 복잡한 형상의 제품을 얻는데 활용되고 있으며, 자동차 분야의 취입성형의 용도가 확대되고 있다.③ 나일론 6,10헥사메틸렌디아민과 세바스산의 중축합반응으로 제조되는 것이 나일론 610이다.전선피복용 등에 주로 사용된다.1. 6 페놀프탈레인(6)그림 5. 페놀프탈레인의 구조· C20H14O4 = 3181981년 A.v Bayer가 만든 지시약이다.· 제법프탈산 무수물과 페놀을 가열 반응시킨다.· 성질무취의 백색 혹은 미황백색의 결정성 분말로 공기 중에서 안정하다. 에탄올에 녹는다. 에테르에 잘 안 녹으며 물에도 거의 안 녹는다. pH 8.3~10에서 무색~적색으로 변한다.· 용도1) 분석시약I) 산염기 지시약 : 변색역은 pH 8.0~9.8. 산성색은 무색. 염기성색은 적색. 가장 넓게 사용되고 있는 지시약의 하나이다.ii) 카드뮴의 검출 : 수산화 카드뮴의 침전에 흡착되어서 심홍색을 나타낸다.iii) 금의 검출 : 35~40℃에서 금과 반응하여 보라색을 나타낸다.2) 의약으로서 완화제로 이용된다.2. 실 험2. 1 사용 시약화학식분자량끓는점(℃)녹는점(℃)Sebacoyl chlorideClCO(CH2)8COCl239.14220-5특 성1. 자극성 냄새가 나는 옅은 황색의 액체로,
= 목차 =1. 서 론 ……………………………………………………… 22. 실 험 ……………………………………………………… 83. 참고문헌 ………………………………………………………111. 서 론1. 1 현탁중합용액중합에서 용매를 사용하여 Bulk 중합의 단점을 보완했으나 용매의 값이 비싸고 특히 인화성이 있어 많은 주의를 요한다. 따라서 용매 대신 비활성의 매질을 사용하여 중합하는 방법을 현탁중합이라 한다. 대표적인 중합 성분은 다음과 같다.(1)? 단량체 ( 비수용성 )개시제 ( 단량체에 녹은 것 ) ⇒ 단량체 상사슬이동제 ( 단량체에 녹은것 ) ?물 ⇒ 비활성 매질공업적 규모의 벌크중합과 관계되는 열전달의 문제점을 해결하는 데는 현탁중합이 더 좋은 방법이다. 이것은 불활성의 매질 속에 방울방울로 반응혼합물을 현탁시키는 것으로 본질적으로는 하나의 벌크중합이라 할 수 있다. 개시제, 단량체, 그리고 중합체가 물과 같은 현탁매질에 용해되지 않아야만 한다. 단량체와 그 속에 녹는 개시제를 함께 준비하여 예열된 수용성 현탁매질에 가한다. 유기물질 상태의 방울이 형성되는데 이것은 반응 진행 과정 중에 계속해서 활발히 교반하고, 수용액상에 분산안정제(ex 계면활성제와 함께 또는 단독으로 폴리비닐알콜이나 히드록시메틸셀룰로오즈와 같은 저중합체)를 용해시켜 현탁을 유지시킨다. 수용성 연속상의 낮은 점도와 분산된 방울들의 넓은 표면적 등이 열전달을 좋게 한다. 각각의 방울들은 작은 벌크중합으로 볼 수 있고 벌크중합의 일반적인 동력학이 적용된다. 생성된 고분자는 구슬(전형적으로 0.1~2mm의 직경)의 모양을 이루고 있어서 여러 과에 의한 정제 과정에서 딱딱하고 끈끈하지 않아 회수가 용이하다. 따라서 반응은 완전한 전환이 되게 하는 것이 중요하가 보통 낮은 유리 전이온도의 고분자 합성은 적합지 않다. 열의 확산이 크게 개선되어 벌크중합에서 보다는 공정이 잘 조절될 수 있으나 높은 전환에서 자체촉진은 일어날 수 있다.스티렌, 메틸아크릴레이트와 염화비늘 등의 공업적 규모에 많이 이용되지만 반면에 단점으로는 매질 중에서 중합하기 때문에 반응조 단위 부피당의 중합효율이 떨어진다는 것이다. 그리고 분산조절제등이 고분자 표면에 흡착되어 있기 때문에 bulk 중합보다는 고분자의 순도가 떨어지며 연속식 공정의 적용이 어렵다는 점을 들 수 있다.(1)1. 2 현탁중합과 용액중합, 유화중합의 비교① 용액중합모노머를 그의 폴리머의 용매에 용해시켜 괴상중합과 마찬가지로 행하는 방법이다. 중합이 완료된 폴리머 용액을 그대로 도료나 접착제로 사용하는 경우나, 이온중합 이외에는 공업적으로 그다지 행해지지 않는다.용액중합의 장점으로는 중합열의 축적을 피할 수 있으며, 생성폴리머의 취출 등도 용이하다.단점으로는 중합속도 및 생성폴리머의 평균분자량은 괴상중합에 비하여 작아지며, 고체폴리머를 얻기 위해서 용매를 제거하기도 하고, 회수해야 하는 등 매우 귀찮은 점이 있다.(3)② 유화중합비누와 같은 유화제를 물에 용해시키고, 여기에 물에 불용 또는 난용성의 모노머를 가하여 교반하면서 수용성의 개시제를 사용하여 중합시키는 방법이다. 이 방법은, 이온중합이나 광중합에는 응용할 수 없다.(3)현탁중합과 다른 점은 반응물에서 개시제가 단량체에 녹지 않고 수용성 분산매에만 녹아야 한다는 것이다. 이것은 중합의 동력학과 반응기구에 큰 차이점을 가져오게 되고 라텍스라고 알려진 물속에 특정 고분자의 콜로이드형 분산 고분자가 형성된다. 현탁중합으로 생성된 것보다 훨씬 그 크기가 작다.그림 1. 유화중합유화중합의 장점으로는 다른 중합공정에 비해 제반 중합공정의 제어가 용이하다는 점이다. 즉 동일농도의 용액에 비해 점도가 훨씬 낮고, 물이 반응열을 흡수할 수 있으며, 환류에 의해 반응열을 발산시킬 수 있다. 또 유화제의 사용량을 늘이고 개시제의 사용량을 줄여 중합속도와 중합도를 동시에 증가시킬 수 있다. 이 외에도 회분식 중합공정을 이용하여 균일한 혼합물을 얻을 수 있으며 latex의 분산입자가 작기 때문에 잔류 단량체의 양을 최소화 할 수 있다.(2)단점으로는 순수한 고분자를 얻기 힘들다는 회수하는 공정이 까다롭고, 매질 속에서 중합하기 때문에 반응조 단위 부피당 중합효율이 작다는 것도 단점으로 지적된다.(1)벌크중합용액중합유화중합현탁중합모노머제한없음용매에 가용한 모노머모노머 및 그 폴리머가 모두 물에 불용모노머 및 폴리머가 모두 불에 불용개시제모노머에 가용모노머 및 용매에 가용모노머에 불용이고, 물에 가용모노머에 가용이고, 물에 불용이외의 첨가물없 음모노머 및 그의 폴리머를 녹이는 용매대량의 물과 유화제대량의 물과 분산제중합계의 교반교반하지 않아도 가능교반하지 않아도 가능필 요필 요중합온도의 조절곤 란가 능용 이용 이중합속도크 다작 다매우 크다크 다생성폴리머의 분자량크 다적 다매우 크다매우 크다중합종료시의 폴리머의 형상괴 상고점도 용액라텍스상진주상 또는 미소립자상으로 분산폴리머의 단리그대로 분쇄, 또는 침전제를 첨가하여 침전시켜서 여과용매의 유거, 또는 침전제를 첨가하여 침전시켜서 여과염석 또는 동결가압 또는 감압여과광중합 및 이온중합 적용가 능가 능불 가불 가표 1. 벌크, 용액, 유화 및 현탁중합의 비교(3)1. 3 현탁중합 안정제보호 콜로이드안정제 ⇒녹지않는 분말상의 무기염안정제에는 두 가지 형태가 있는데 보호콜로이드에 속하는 것은 젤라틴, 녹말, CMC등과 같은 천연 고분자나 그 유도체, 폴리비닐알코올, 부분 비누화된 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산염과 같은 수용성의 합성 고분자화합물들이고, 미분말상 무기염은 BaSO4등의 불용성 무기염류, 규산, 규조토, 벤조나이트, 탈크와 같은 무기고분자 화합물로서 이들은 물과 분산된 단량체상의 계면에 위치하면서 계면장력을 낮추어 단량체상이 응집되지 않도록 한다. 이와 같은 현탁안정제는 고분자 생성입자의 크기나 형태뿐만 아니라 투명성, 필름형성등에도 영향을 미치며 수용액상에서 단량체의 용해도도 증가시키는 역할을 한다.(4)1. 4 PolyStyrene스티렌은 미국에서는 벤젠과 에틸렌을 Friedel-Craft 반응시킨 뒤 알루미나를 이용하여 600℃에서 탈수소화 반응시켜 생산한다. 폴리스티렌은 1839년자유라디칼, 양이온, 음이온, 그리고 배위 기구 등의 다양한 반응기구를 통해 중합될 수 있는 단량체 중의 하나이다. 여기에는 여러 가지 이유가 있는데 그 중 하나는 전이 상태에서의 반응성 폴리스티릴 종이 공명안정화되어 성장반응의 활성화 에너지가 낮아지는 특징에서 비롯된다. 이 점은 자유라디칼, 서로 다르게 하전된 이온, 또는 금속 착물에 의한 공격을 쉽게 한다. 더욱이 반응성기를 가진 단량체의 이온중합에서 흔히 일어나는 부반응도 일어나지 않는다. 자유라디칼 기구에 의한 스티렌 중합에 있어 어두운 상태에서는 빛이 조사되는 경우에 비해 상대적으로 느리게 중합이 진행된다. 단 어두운 상태에서 생성된 폴리스티렌은 더 많은 양의 신디오탁틱 구조를 가진다고 보고되어 있다. 자유라디칼 기구에 의하여 생성된 중합체에서 가지의 수는 온도에 따라 증가하며 사용된 개시제의 특성에 의해 좌우된다.스티렌의 자유라디칼 중합에 대해 다음의 사실들이 알려져 있다.㉠ 스티렌은 열에 의해 중합된다.㉡ 산소는 스티렌의 중합을 저해한다. 그러나 고온에서는 과산화물의 생성으로 인해 반응 속도를 증가시킨다.㉢ 벌크상에서 스티렌의 중합 속도는 초기의 낮은 전환율에서 단량체 농도에 대해 일차반응이다. 그러나 용액 상에서는 단량체 농도에 대한 이차반응이다.(5)Polystyrene을 생성하기 위한 현탁중합기술은 1940년대에 Koppers Chemical Company에 의해서 첫선을 보였다. 그리고 그것은 1950년대에 급격한 발전을 이루게 된다. 현탁중합공정은 아직도 폴리스티렌 생성에 사용되고 있다. 그러나 이것은 더 경제적인 지속적인 mass 공정 기술로 대체되고 있다.현탁중합 기술 공정은 다른 기술 공정과 비교하여 많은 장점을 가지고 있다.ProcessAdvantagesDisadvantagesBulk높은 물질 순도반응열의 효율적인 사용낮은 원료 소비낮은 에너지 소비공정의 단순성낮은 열 관리낮은 폴리머화 비율남은 단량체의 제거매우 높은 점성의 폴리머넓은 고분자 질량 분포Emulsion좋은 열 관리빠거낮은 폴리머화 비율충격에 매우 민감낮은 에너지 소비Suspension좋은 열 관리폴리머 열의 제거반응 중간체의 낮은 점도높은 폴리머화 비율좁은 고분자 질량 분포공정의 단순성낮은 물질 순도에너지 소비표 2. 중합 방법에 따른 장점과 단점그림 2. 현탁중합의 공정도현탁중합에 의한 폴리스티렌 생산에서는 스티렌, 개시제, 연쇄이동제, 다른 첨가물은 모두 그것들이 있는 용매에 흩어진다. 현탁중합의 일반적인 유화제로 사용되는 물은 매우 낮은 용해성을 가지고 있다. 그러나 오직 0.062%의 스티렌만 물에서 녹을 뿐이다. 일반적인 현탁중합의 공정기술은 위의 그림과 같이 이루어진다.(6)그림 3. 사슬분자의 병진운동(7)1. 5 점도법고분자의 희박용액의 점도는 점도계를 사용하여 측정한다. 점도계의 모세관중을 고분자의 희박용액 및 순 용매가 낙하하는 시간을 t 및 t0, 각각의 밀도를 d 및 d0라고 하면, 상대점도(ηrel)는 다음 식으로 주어짐, 순 용매와 희박용액에서 밀도의 변화를 무시하면 간단히 다음과 같이 된다.여기서, 고분자가 용해하는 것에 의하여 용액의 점도가 상대적으로 얼마만큼 변화했는지 비점도(ηsp)에 의하여 구해진다.nsp =nrel - 1이와 같은 비점도는, 고분자의 농도가 증대하면 함께 커지며, 다음과 같은 관계로서 표시된다.여기서, A는 상수이고, [n]는 극한점도라고 말하며, nsp/c의 c를 0으로 외삽시킨 값이다. 따라서 Staudinger에 의하여 경험적으로 다음과 같은 식이 제출되었다.그러나, 그 후 Houwink, Mark 등에 의하여 각각 독립적으로 다음과 같은 식이 제출되었다.단, α는 고분자사슬의 굴절성에 따라서 결정되는 상수이며, 1.0~0.5의 값이다.α가 1부근의 고분자는 강직 고분자 또는 반~비굴곡성고분자, 0.5 부근의 고분자는 굴곡성고분자라고 말한다. 전자의 전형적인 예로서는 방향족 폴리아미드나 방향족 폴리에스테르가 있다.표 2. 점도의 종류( 점도간의 관계 )2. 실 험화학식분자량끓는점(℃)녹는점(℃)Styrene(8)C.
생분해성 고분자 : 콜라겐 케이싱송창호 ? 성인혁 ? 김 솔 ? 민청민 ? 최윤희 ? 허규성충남대학교 고분자공학과Biodegradable Polymer : A Collagen CasingChang-ho Song, In-hyouk Sung, Sol Kim,Cheong-min Min, Yoon-hee Choi, Kyu-sung HeoDepartment of Polymer Science and Engineering, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea초록 : 최근 사회적으로 식품의 안전성이 문제시 되고 있어 사람들의 식품 안전 불감증이 고조됨에 따라, 우리가 평소 먹는 소시지 중에서 소시지 충진을 위해 사용되는 가식성 케이싱의 안전성에 대하여 알아보고, 돼지 창자와 랩과 비교하여 그 실용성에 대한 실험을 진행하였다. pH에 따른 재료의 변화는 관찰할 수 없었지만 소화제를 사용한 위에서 소화정도를 가늠해 보는 실험에선 케이싱이 모두 분해되는 것을 볼 수 있었다. 또 재료별로 기름중탕을 하여 온도가 높아짐에 따라 각 재료별로 다른 변화가 일어나는 것을 관찰 할 수 있었다. 이밖에도 인장력 실험을 통해 어느 정도 충진이 가능한지도 고려해보았다.Keywords : collagen, casing, Linear Low Density Poly Ethylene, chitterlings, bio - degradable polymer목차Ⅰ. 서론1. 케이싱이란2. 케이싱의 종류2-1. Natural 케이싱2-2. Artificial 케이싱3. Collagen 케이싱3-1. 콜라겐이란4. 대조군4-1. Wrap5. 케이싱의 선정 동기Ⅱ. 실험pH 실험소화제 실험중탕 실험케이싱의 인장력 측정 실험Ⅲ. 요약감사의 글Ⅵ. 참고문헌Ⅰ. 서론1. 케이싱이란?소시지는 고대로부터 천연장인 돼지의 소화장기 즉, 위나 소장, 대장과 방광 그리고 소의 소장과 맹장, 직장 등에 충진 하여 사용되어 왔다.(1) 그러나 제품의 대량생산 기술의 발달로이나 장기를 지탱하게 하고 체표를 둘러싸 체형을 유지시키는 역할을 하는 물질로 체내단백질 총 중량의 30%를 차지하는 물질이다.(11-12) 일반적인 콜라겐의 펩타이드는 구조는 Gly - Pro - X, Gly - Hyp - X 로 존재(13-14)한다 (X는 임의의 아미노산). (15)fig 1. 아미노산fig 2. Glycinefig 4. 4-hydroxyprorlinefig 3. Prolinefig 5. X - Hyp - Glyfig 6. X - Pro - Gly이러한 생체조직 전반에 걸쳐 분포되어 있는 구조 단백질인 콜라겐은 프롤린이 풍부하기 때문에, 보다 일반적인 α-나선이나 β-시트로 접힐 수가 없다.(16) 따라서 콜라겐의 독특한 3차원적인 구조는 초나선 이라고도 불리는 규칙적인 삼중나선구조(17-20)를 이룬다. 분자 쇄들 사이에 분자간의 가교를 형성하기 때문에 강도가 강하며, 분자구조 특성상 수분에 대한 성질이 우수하여(21) 자체적으로 20% 정도 수화가 가능하다.(22) 시간의 흐름에 따라 팽윤(swelling)정도가 달라지는 콜라겐은(23) 수화현상을 통하여 그 구조의 특성과 물성연구에 중요한 자료로 이용되기도 한다.(22) 이러한 물성연구 결과 콜라겐은 생분해성, 생체적합성, 환경친화성이 뛰어나다는 것이 밝혀져 의료용 소재뿐만 아니라 생명공학 소재로서도 이용하는 등 고분자 재료로 각광받고 있다.(10) 뿐만 아니라 콜라겐은 독특한 구조적 특성 때문에 다양한 식품산업에 다양한 용도로 이용되고 있는데, 최근 면역, 항균, 항혈전, 항산화, 항고혈압 효과와 같은 기능적 특성이 콜라겐 유래 올리고펩타이드에 기인한다는 사실이 밝혀지면서 이들의 활용범위가 넓어질 것으로 예상되고 있다.(24)4. 대조군4-1. WrapWrap의 원료인 Linear Low Density Poly Ethylene (이하 LLDPE)은 폴리에틸렌 중 가장 최근에 개발되어 우수한 물성을 인정받고 있다.(25) 밀도는 저밀도 범위에 속하나 분자구조는 고밀도 폴리에틸렌과 유사이다.(32) 따라서 우리는 소시지를 싸는 케이싱의 안전성과 그 실용성을 알아보기 위하여 이 실험을 실행하기로 하였다.Ⅱ. 실험pH 실험1. 실험목적콜라겐 케이싱이 아미노산으로 이루어져 있으므로 우리 몸의 소화기관인 위와 장의 비슷한 pH 인 pH 4, 7, 9.2의 buffer solution을 이용하여 어느 pH에서 잘 녹는지를 관찰함으로써 이를 바탕으로 우리 몸의 어느 소화기관에서 분해되는지 알아보고자 실험하게 되었다.2. 실험기구buffer solution pH 4, pH, 7, pH 9.2, 케이싱, 창자, 랩, 5mL 마이크로 피펫, 항온조, 코니칼 튜브3. 실험 시 주의사항- 신체와 유사한 조건을 만들어 주기 위해 항온조의 온도를 36.5℃로 유지해준다.- 마이크로 피펫 사용법을 사전에 숙지하고 피펫 끝까지 용액이 들어가지 않도록 한다.4. 실험방법1) 케이싱, 창자, 랩을 3cm×3cm의 크기로 자른다.2) 각각의 buffer solution을 마이크로 피펫을 이용하여 10mL씩 코니칼 튜브에 넣는다.3) 자른 케이싱, 창자, 랩을 코니칼 튜브에 넣고 밀봉하여 36.5℃의 항온조에 넣는다.4) 24시간 후에 각 코니칼 튜브의 케이싱, 창자, 랩의 변화를 관찰한다.5. 예상결과pH 4에 넣은 케이싱은 분해가 되어 크기가 줄어들거나 흐물흐물 해 질것이다. 반면에 pH 7과 9.2에 넣었던 케이싱은 별다른 변화 없이 모양과 상태가 유지될 것이다.창자는 케이싱과 같은 단백질 성분이기 때문에 케이싱과 비슷한 결과가 예상된다. pH 4에서는 분해되어 크기가 줄어들 것이고, pH 7과 9.2에서는 별다른 변화가 없을 것이다.랩은 LLDPE로 구성되어있어 pH 4, 7, 9.2에서 변화가 없을 것이다.fig 8. 9 samples in the thermostat6. 실험결과코니칼 튜브를 항온조에 넣고 24시간 동안 방치한 뒤 꺼내어 육안과 현미경으로 관찰한 결과 케이싱, wrap, 창자 모두가 어떠한 pH에서도 변화를 보이지 않은 것으로 보인다.fig 9. Cigestant6시간 후변화 없음변화 없음변화 없음24시간 후모두 분해변화 없음모두 분해table . casings changed by pH solutionsFig 17. decomposed casing( pH2 + digestant, water + digestant )Fig 18. conical tube( pH2 + digestant, pH 2, water + digestant )7. 결론 및 고찰이번 실험에서 우리가 알 수 있었던 것은 인체에서의 분해 여부성이다. 처음 6시간 경과 후에는 중성물 + 소화제 용액과 pH 2 + 소화제 용액에 또 pH 2에 들어있던 케이싱은 변화가 없었다. 항온조의 온도를 유지시켜주지 않아 변화가 없었던 것으로 예상된다. 하지만 항온조의 온도를 인체와 비슷한 36.5℃를 유지시키고 24시간 경과 후 pH2 + 소화제용액과 중성물 + 소화제용액에 들어있는 케이싱은 분해되었고 pH 2에 들어있던 케이싱은 분해되지 않았다. 처음에 조사했던바와 같이 우리가 사용했던 케이싱은 콜라겐으로 구성되어 있던 것이었으므로 각종 소화효소(판크레아틴, 우담즙엑스, 헤미셀룰라제)를 포함한 소화제에 의해 분해된 것을 볼 수 있다.산성 환경만으로는 분해되지 않고 소화제가 포함되어있는 용액에서 분해된 것으로 보아 몸 안에서 소화효소들로 인해 소화될 것으로 예상된다.중탕 실험1. 실험목적소시지가 만들어지는 과정에서 한번 익혀져 나오기도 하고 실제 식탁에 오르기까지 삶음, 볶음 등 열에 의해 조리하는 과정을 거친다. 이를 바탕으로 케이싱이 온도에 어느 정도까지 견딜 수 있는지 (속의 내용물이 나오지 않아야 하므로), 온도에 따라 어떻게 변화하게 되는지 알아보기 위해 기름중탕으로 실험을 진행하였다.2. 실험기구케이싱, 랩, 창자, 100mL 비커 3개, oil bath, hot plate, 스탠드 3개, 온도계, 정밀 전자저울3. 실험 시 주의사항- 급격한 온도변화가 일어나지 않도록 hot plate의 온도조절에 유의한다.- hot plate 사용 시 데이지 인장력을 측정하여 각각의 인장력을 비교하고 실생활에서 케이싱이 얼마나 효과적으로 사용될 수 있는지 알아본다.2. 실험기구현악기 헤드머신(줄감개), 못, 집게, 망치, 실, 케이싱, 창자, 랩3. 실험 시 주의사항- 망치질을 할 때 손을 다치지 않도록 주의한다.- 케이싱을 고정 할 때 중간에 빠지지 않도록 확실하게 고정시킨다.- 헤드머신을 감을 때 손잡이를 27바퀴를 돌려야 기계가 한 번 회전 할 정도로 민감하므로 많은 횟수의 회전이 있어야 케이싱에 변화가 일어날 것으로 예상된다. 따라서 중간에 각각의 회전수를 잊지 않도록 한다.4. 실험방법1) 헤드머신을 평평한 판자에 움직이지 않도록 못으로 잘 고정시키고, 실을 연결한다.2) 헤드머신을 고정시킨 맞은편 판자에 못을 박는다.3) 케이싱, 창자, 랩을 15cm 크기로 자른 뒤 판자에 박은 못에 집게를 걸어 케이싱, 창자, 랩의 한 끝을 연결하고, 다른 한 끝은 헤드머신에 연결한 실로 집게를 묶어 집게와 연결시킨다.4) 헤드머신에 연결시킨 실과 양쪽 집게에 연결시킨 케이싱, 창자, 랩이 팽팽히 당겨지도록 실을 감는다.5) 헤드머신을 반 바퀴씩 감아가며 케이싱, 창자, 랩이 끊어지는 순간의 바퀴수를 기록 한다.5. 예상결과육안으로 관찰되는 두께로 보아 창자가 가장 강한 인장강도를 보일 것으로 예상된다. 케이싱과 비닐랩은 두께가 비슷해서 어느 것이 더 강한 인장력을 보일지 예상하기 힘들었다. 그래도 케이싱이 식재료로 사용되는 것으로 보아 열과 압력에도 더 강할 것으로 예상되므로 물리적 성질 역시 조금이나마 더 강하게 나타날 것이라고 예상된다.6. 실험결과상태실험군처음 찢어지기 시작완전히 찢어짐랩64154케이싱?125창자107219table 6. intensityfig 23. pull the wrapfig 24. pull the chitterlingsfig 25. pull the casing7. 결론 및 고찰케이싱, 창자, 랩의 인장력 실험결과 창자가 219회로 가장 큰 인장력의 세기를 보였고, 다음으로 랩, 케이싱의
REPPMMA의 벌크중합ORT과 목:고분자설계담 당 교 수:허강무 교수님조 교:박일규 조교님학 과:고분자공학과학 번:200703001이 름:허규성 ( 3조 )제 출 일 자:2009. 3. 9 (월)= 목차 =1. 서 론 ……………………………………………………… 22. 실 험 ……………………………………………………… 83. 참고문헌 ………………………………………………………121. 서 론1. 1 벌크중합모노모만을 그대로, 혹은 소량의 증감제와 함께 가열하든지, 빛 혹은 방사선을 조사하면서 중합시키는 방법이다. 이 방법으로는 비교적 순수한 고분자량의 폴리머가 얻어지지만, 중합 중에 발생하는 중합열을 제거하는 것이 곤란하기 때문에, 국부가열로 보이는 결점이 있다. 또는, 생성폴리머가 중합용기에 부착하는 경우도 있기 때문에 후처리가 곤란하다. 그러나 메타크릴산메틸로부터 유기글라스를 합성하는 경우 등에 이용되는데, 실험을 간편하게 행할 수 있고, 부반응이 일어나기 어렵기 때문에, 실험실에서는 종종 채용되고 있는 중합방법이다.(1)활성화 에너지는 단량체에는 녹는 고분자의 중합과 비슷하고 개시속도는 개시제농도의 제곱근에 비례한다. 또한, 중합생성물의 분자량은 중합온도와 개시제의 농도에 반비례한다. 더욱이 생성된 고분자의 분자량은 용해하는 고분자의 분자량의 한계를 훨씬 초과한다.벌크중합용액중합유화중합현탁중합모노머제한없음용매에 가용한 모노머모노머 및 그 폴리머가 모두 물에 불용모노머 및 폴리머가 모두 불에 불용개시제모노머에 가용모노머 및 용매에 가용모노머에 불용이고, 물에 가용모노머에 가용이고, 물에 불용이외의 첨가물없 음모노머 및 그의 폴리머를 녹이는 용매대량의 물과 유화제대량의 물과 분산제중합계의 교반교반하지 않아도 가능교반하지 않아도 가능필 요필 요중합온도의 조절곤 란가 능용 이용 이중합속도크 다작 다매우 크다크 다생성폴리머의 분자량크 다적 다매우 크다매우 크다중합종료시의 폴리머의 형상괴 상고점도 용액라텍스상진주상 또는 미소립자상으로 분산폴리머의 단리그대로 분쇄, 또는 침전제를 첨가하여 침전시켜서 여과용매의 유거, 또는 침전제를 첨가하여 침전시켜서 여과염석 또는 동결가압 또는 감압여과광중합 및 이온중합 적용가 능가 능불 가불 가표 1. 벌크, 용액, 유화 및 현탁중합의 비교(1)전환율이 낮은 상태에서의 벌크중합은 자유라디칼 중합의 속도식에 가장 잘 따른다. 그러나, 중합의 전환율을 높게 되면 반응은 중합체의 사슬이동과 겔 효과에 의해 복잡하게 된다. 물론, 사슬이동이 일어나는 정도는 중합체 라디칼의 반응성에 따라 달라진다.(2)1. 2 라디칼 중합(3)라디칼이란 불쌍전자를 1개 이상 갖는 원자 혹은 분자를 말한다. 라디칼 중합은 연쇄반응으로 일어나며, 그의 소반응은 다음과 같이 개시, 성장, 정지, 연쇄이동의 네 종류가 있다. 단, 모노머를 M, 개시제를 I, 연쇄이동제를 A로 나타낸다.① 개시반응 :I ― kd → 2R·R· + M ― ki → M·② 성장반응M· + M ― kp → M·③ 정지반응2M· ― ktc → P④ 연쇄이동반응M· + A ― ktr → P + A·여기서 k는 속도상수를 나타내며, 첨자는 각각의 소반응의 영어의 머리글자로부터 취해서 나타내고 있다.자유라디칼 중합반응은 공업적으로 매우 중요하다. 반응에 쓰이는 단량체들은 석유 화학산업으로부터 대량생산이 가능하고, 이들로부터 얻어지는 고분자들이 고분자산업의 주류를 이루고 있다. 저밀도 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리아클릴로니트릴, 폴리비닐클로리드 등 많은 공업적으로 중요한 고분자들이 자유라디칼 공정으로 제조되고 있다.(3)열중합광중합방사선중합중합가능한 모노머특별한 이유가 없는 한 중합 가능빛에 불안정한 모노머에서는 불가방사선에 불안정한 모노머에서는 불가중합속도의 조절중합온도 조절광량 조절선량 조절장치 및 조작비교적 간단특수광원장치 필요조작 복잡특수선원 등의 장치 필요, 조작 복잡고상중합곤 란가 능용 이괴상 및 용액중합넓은 온도범위에서 가능실온부근 및 그 이하의 온도장치에 의하여제한된 온도유화 및 현탁중합가 능불 가가 능대량 모노머의 중합가 능장치적으로 곤란장치적으로 곤란표 2. 열, 빛 및 방사선 라디칼중합의 특징의 비교(1)1. 3 자유라디칼 개시제(1)열중합의 개시제를 대별하면 단독으로 사용되는 것과 2성분 이상의 물질을 혼합하여 사용하는 것이 있다. 전자를 일원개시제라고 하며, 후자를 이원개시제(레독스개시제)라고 한다.① 개시제비교적 열에 약한 결합을 갖는 물질은 가열하면 분해하여 라디칼을 생성한다. 열에 의한 결합의 라디칼분해의 난이는 결합해리에너지의 크기로부터 추정할 수 있다.개시제의 분류분해의활성화에너지(kcal mol-1)적정사용 온도범위(℃)개시제의 종류고온 개시제33~40>100쿠멘히드로퍼옥사이드, 디쿠밀퍼옥사이드 등(중온)개시제26~3340~100과산화벤조일, 과산화아세틸 등저온 개시제(레독스 개시제)15~26-10~40과산화벤조일-디메틸아닐린 등극저온 개시제
화학실험이 있었던 2008년 5월 27일 우리는 한국화학연구원(KRICT)을 오라는 말을 듣고 그 곳으로 가게 되었다. 대전에 대덕연구단지가 있다는 것은 알고 있었지만 직접 가보긴 처음이었고 또, 어디선가 한번쯤은 들어봤던 것 같은 한국화학연구원을 간다는 것에 조심스럽게 설레게 되었다.대전에서 함께 공기를 마시고 있다는 사실에도 그 곳은 어디 있는지 알 수 없어서 인터넷을 검색하게 되었다. 일단 인터넷으로 처음 방문하게 되었는데, 1997년 설립되어 아직까지 꾸준하게 연구해오고 있었고 또, 우리가 쓰고 있는 ‘옥시크린’ 같은 유용한 화학제품들이 그곳에서 많이 탄생되었다는 것을 알게 되었다. 올해로 32년째를 맞이하고 있는 화학연구원은 비전을 ‘그린사회를 구현하는 화학전문 선진연구기관’을 비전으로 두고 목표로는 KRICT 316으로 매출 3조원 이상 Big Pharma 육성, 첨단화학소재 세계적 원천기술 3건 확보, 지속성장 화학기술 3건 개발을 목표로 두고 있으며 이 같은 목표를 충족시키기 위해서 국제환경 변화에 대응하고 화학기술신수요를 인지하고 과학기술정책을 따르고 있었다. 이 같은 사전지식을 얻게 된 나는 얼른 출발하게 되었다.처음 택시를 타고 그곳에 도착했을 때에는 특별하게 달라 보이는 건물이나 특징 등은 없었다. 돔모양으로 된 건물이 있을 것 같다는 상상을 하였기 때문이었다. 그렇게 실망하고 있을 때쯤에 연못에서 홍보 관이 있던 건물으로 이동하게 되었다.홍보건물에서는 홍보실장과 교수님이 기다리고 계셨다. 간단히 인사를 한 후 홍보실장님의 얘기를 들을 수 있었다. 홍보실장님은 이곳을 어떻게 오게 되었는지 와 이곳에 대한 배경지식들을 가르쳐 주셨는데 그때 내가 미리 익혔던 ‘옥시크린’ 얘기를 들을 수 있었다. 옥시크린은 1982년에 만들어졌음에도 불구하고 그 물질을 따라잡을만한 물질이 나오지 않아 아직도 쓰이고 있으며 최고라고 칭해지고 있다고 한다. 이 얘기를 들으면서 나도 훌륭한 연구원이 되어서 누구도 따라잡을 수 없는 설사 따라잡히더라도 위대한 인물로 남을 수 있는 물질을 만들어 내야겠다고 생각했다. 홍보실장님의 얘기를 접한 이후에 영상을 보게 되었다. 영상물에서는 홍보실장님이 얘기해주신 한국화학연구소에 대한 얘기들이 실려 있었다. 그 홍보 영상을 보고 난 후에 우리는 홍보 관으로 향하게 되었다.처음 홍보관으로 들어섰을 때에 그림 자료들과 많은 화학약품들 그리고 ‘옥시크린’등이 있었다. 그림 자료를 하나하나 설명해 주셨는데 사람의 평균수명이 늘어나 지금은 평균 80세까지 살수 있다는 것이었다. 원시시대에는 평균20~30대밖에 살지 못했던 것을 감안하면 엄청나게 오래 살수 있다는 뜻이었다. 실로 놀라운 의약품의 발전이었다. 그리고 한 가지 더 말씀해 주셨는데 배우자 선택을 잘하여야 된다고 하셨다. 배우자와 20~30대에 결혼하게 되는데 50년을 같이 살아야 된다고 하셨으므로 정말 잘 선택해야겠다고 말씀하셨고 나도 그렇게 생각하였다. 그리고 다른 자료들을 둘러보았다. ‘글리벡’이라는 백혈병 치료제와 같은 물질들도 있었고 항생제 ‘이미페넴’등이 있었다. 이렇게 여러 물질들을 둘러 본 후에 우리는 연구소시설을 견학하게 되었다.
스티렌(styrene)의 현탁중합
