고분자가 작동하는 방식 이해: 고분자의 유리 전이 온도에 대한 간단한 살펴보기

유리 전이 온도(Tg)는 어렵게 들릴 수 있지만, 딱딱하고 부서지기 쉬운 플라스틱이 액체로 변하지 않는 이유와 고무 밴드가 실온에서 잘 늘어나는 이유를 아는 비결입니다. 이 글은 딱딱한 유리부터 부드러운 휴대폰 케이스까지, 기본적인 재료가 어떻게 그렇게 다양한 용도로 사용될 수 있는지 궁금했던 분들을 위한 것입니다. 저는 어려운 용어 없이 과학에 대해 이야기하면서 쉬운 단어를 사용하여 유리 전이의 개념을 설명하겠습니다. 우리는 고분자의 유리 전이 온도가 무엇인지, 무엇이 그것을 변화시키는지, 그리고 그것이 우리가 매일 사용하는 제품에 왜 중요한지에 대해 살펴볼 것입니다. 이 글을 다 읽으면 고분자 과학의 핵심 부분에 대한 좋은 이해와 우리가 사용하는 재료를 만드는 데 들어가는 스마트한 작업에 대한 새로운 존경심을 갖게 될 것입니다.

폴리머의 유리 전이 온도란 정확히 무엇입니까?

일반적인 고분자 블록에 대해 생각해 보세요. 매우 추울 때는 유리처럼 딱딱하고 부서지기 쉽습니다. 만약 당신이 그것을 친다면, 그것은 조각으로 부서질 수 있습니다. 우리는 이것을 유리 상태라고 부릅니다. 이제 이 고분자를 가열하기 시작하면 멋진 일이 일어납니다. 그것은 한 번에 액체로 녹지 않습니다. 대신, 그것은 느린 변화를 겪습니다. 그것은 더 부드럽고, 더 유연하고, 고무처럼 됩니다. 이 변화는 특정 온도 범위에서 일어납니다. 이 범위의 중간을 우리는 유리 전이 온도, 즉 Tg라고 부릅니다.

이것은 얼음이 물이 되는 것과 같은 실제 용융과는 다르다는 것을 알아야 합니다. 고분자는 작은 부분의 길고 섞인 사슬로 만들어집니다. 유리 상태에서 이러한 고분자 사슬은 기본적으로 갇혀 있습니다. 그들은 약간 흔들릴 수 있지만, 돌아다닐 에너지가 충분하지 않습니다. 고분자를 가열하여 Tg에 도달하면 사슬은 서로 미끄러져 지나갈 수 있을 만큼 충분한 열 에너지를 얻습니다. 이 새로운 이동 능력이 고분자를 고무처럼 느끼게 만듭니다. 따라서 유리 전이는 고분자 사슬이 움직일 수 있는 방식의 변화이지, 고체에서 액체로의 변화가 아닙니다.

요리된 스파게티 한 접시를 생각해 보세요. 차가울 때는 조각들이 서로 붙어 있어서 많이 움직이지 않습니다. 만약 당신이 그것을 데우면, 조각들은 서로 더 쉽게 움직일 수 있습니다. 이것은 유리 전이 동안 고분자 사슬에 일어나는 일에 대한 간단한 그림입니다. 유리 전이 온도는 무질서하고 섞인 분자 구조를 가진 비정질 고분자의 기본적인 특징입니다. 깔끔한(결정질) 영역과 지저분한(비정질) 영역을 모두 가진 반결정질 고분자의 경우, 유리 전이는 지저분한 부분에서만 발생합니다.

왜 우리는 고분자의 유리 전이에 관심을 가져야 할까요?

고분자의 유리 전이 온도에 대해 배우는 것은 단순히 학교 공부를 위한 것이 아니라 실제 생활에서 매우 유용합니다. 고분자의 Tg는 특정 온도에서 어떻게 작용할지, 그리고 그 때문에 무엇에 사용될 수 있는지를 결정합니다. 예를 들어, 자동차 타이어를 만드는 데 사용되는 고분자는 다양한 온도에서 유연하고 잘 늘어나야 합니다. 이것은 그것의 Tg가 도로에서 있을 온도보다 훨씬 낮아야 한다는 것을 의미합니다. 폴리이소프렌과 같은 잘 늘어나는 재료는 Tg 이상에서 사용되는데, 이것이 그들이 부드럽고 유연한 이유입니다.

반면에, 컴퓨터 케이스나 물병처럼 모양을 내는 데 사용되는 딱딱한 부분에 사용되는 고분자는 실온에서 뻣뻣하고 강해야 합니다. 이러한 용도에는 실온보다 훨씬 높은 높은 Tg를 가진 고분자가 필요합니다. 폴리스티렌(PS) 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)와 같은 단단한 플라스틱은 유리 전이 온도 이하의 유리 상태에서 사용됩니다.

유리 전이 온도는 고분자가 제품으로 만들어지는 방식에도 매우 중요합니다. 고분자에 모양을 내기 위해서는 금형처럼 Tg 이상으로 가열하여 부드러워지고 흐를 수 있는 지점까지 가야 합니다. Tg를 알면 물건을 만드는 사람들이 그것을 만드는 데 적합한 온도를 알아낼 수 있습니다. 이것은 당신이 만드는 것이 당신이 원하는 품질을 갖도록 하는 데 도움이 됩니다. 요컨대, 유리 전이 온도는 전문가가 특정 작업에 적합한 고분자를 선택하고 올바른 방법으로 만드는 데 도움이 되는 핵심 정보입니다.

고분자의 화학 구조는 어떻게 유리 전이 온도(Tg)에 영향을 미치는가?

고분자의 화학 구조는 유리 전이 온도를 결정하는 주요 요소입니다. 고분자 사슬을 긴 밧줄로 상상해 보세요. 이 밧줄이 서로 움직이고 미끄러지기 쉬울수록 Tg는 낮아집니다. 반면에, 밧줄이 뻣뻣하고 방해가 되는 것들이 있다면 Tg는 더 높아질 것입니다. 고분자 사슬의 이러한 "뻣뻣함"은 종종 사슬 유연성이라고 불립니다.

화학 구조의 몇 가지 부분이 사슬 유연성을 변화시킵니다.

• 주쇄 유연성: 주 고분자 사슬, 즉 주쇄를 구성하는 원자는 매우 중요합니다. 폴리에틸렌과 같이 매우 유연한 주쇄를 가진 고분자는 유리 전이 온도가 매우 낮습니다. 폴리에틸렌 주쇄의 결합은 쉽게 회전할 수 있습니다. 대조적으로, 폴리스티렌의 고리처럼 주쇄에 뻣뻣한 그룹이 있는 고분자는 이러한 고리가 사슬 회전을 방해하기 때문에 유리 전이 온도가 훨씬 높습니다.
• 곁사슬: 고분자 주쇄(곁사슬)에 있는 원자 또는 원자 그룹의 크기와 유형도 매우 중요합니다. 큰 곁사슬은 방해가 되어 고분자 사슬이 움직이기 어렵게 만듭니다. 이것은 Tg를 더 높게 만듭니다. 예를 들어, 폴리프로필렌은 주쇄에 작은 메틸 그룹이 있기 때문에 폴리에틸렌보다 Tg가 더 높습니다. 폴리스티렌은 곁사슬로 크고 부피가 큰 고리를 가지고 있는데, 이것은 약 100°C의 높은 Tg를 제공하는 데 도움이 됩니다.
• 사슬 간의 힘: 고분자 사슬 간의 당기는 힘도 Tg를 변화시킵니다. 화학 구조의 극성 그룹에서 나오는 힘과 같이 더 강한 힘은 사슬을 더 가깝게 유지합니다. 이것은 그들이 움직이기 어렵게 만들고 더 높은 Tg로 이어집니다. 예를 들어, 폴리염화비닐(PVC)의 극성 염소 원자는 폴리에틸렌보다 Tg를 더 높게 만듭니다.

유리 전이에서 자유 부피의 역할은 무엇입니까?

유리 전이를 이해하기 위한 또 다른 핵심 아이디어는 자유 부피입니다. 구슬로 가득 찬 항아리를 상상해 보세요. 구슬은 고분자 사슬과 같습니다. 구슬 사이의 빈 공간은 자유 부피입니다. 이 자유 부피는 고분자 사슬이 움직이고 서로 미끄러져 지나가는 데 필요한 공간을 제공합니다. 고분자가 더 많은 자유 부피를 가질수록 사슬이 더 쉽게 움직일 수 있으므로 유리 전이 온도가 낮아집니다.

고분자를 고무 상태에서 냉각시키면 사슬은 덜 움직이고 더 가깝게 포장됩니다. 이것은 자유 부피를 더 작게 만듭니다. 유리 전이 온도에서 자유 부피는 사슬의 큰 부분이 움직일 공간이 충분하지 않은 매우 낮은 지점에 도달합니다. 고분자 사슬은 한 곳에 "갇히게" 되고 재료는 단단한 비정질 고체로 변합니다. 이것이 유리 상태의 전부입니다.

많은 것들이 고분자의 자유 부피의 양을 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 길고 곧은 사슬을 가진 고분자는 종종 더 많은 사슬 끝을 가지고 있습니다. 이러한 사슬 끝은 더 많은 자유 부피를 만듭니다. 고분자의 분자량이 증가함에 따라 사슬 끝의 수는 줄어듭니다. 이것은 자유 부피가 적고 Tg가 더 높다는 것을 의미합니다. 자유 부피의 아이디어는 고분자의 작은 구조가 더 큰 품질, 특히 유리 전이를 어떻게 변화시키는지에 대해 생각하는 쉽지만 좋은 방법을 제공합니다.

고분자의 유리 전이 온도에 영향을 미치는 다른 요인은 무엇입니까?

기본적인 화학 구조와 자유 부피 외에도 몇 가지 다른 것들이 고분자의 유리 전이 온도를 변화시킬 수 있습니다. 이러한 것들은 종종 특정 용도에 맞게 고분자의 품질을 변화시키는 데 사용됩니다.

다음은 이러한 주요 사항 중 일부를 보여주는 표입니다.

유리 전이 온도에 영향을 미치는 이러한 요인에 대해 알면 과학자들은 부드럽고 잘 늘어나는 것부터 단단하고 질긴 것까지 다양한 용도의 요구 사항에 맞게 고분자의 특성을 변경할 수 있습니다.

폴리머의 유리 전이 온도를 어떻게 측정합니까?

유리 전이는 용융과 같은 명확하고 갑작스러운 사건이 아니라 온도 범위에 걸친 느린 변화이기 때문에 이를 측정하는 특별한 방법이 필요합니다. 몇 가지 테스트 방법을 사용하여 고분자의 Tg를 찾을 수 있습니다. 각 방법은 재료가 유리 전이를 거치면서 재료의 품질 변화를 찾습니다.

가장 일반적인 방법은 다음과 같습니다.

• 시차 주사 열량 측정법(DSC): 이것은 가장 일반적인 방법 중 하나입니다. DSC는 다른 재료와 비교하여 고분자 샘플을 더 뜨겁게 만드는 데 필요한 열의 양을 측정합니다. 고분자가 유리 전이를 거치면서 열을 유지하는 방식에 변화가 있습니다. 이것은 DSC 그래프에서 계단 모양처럼 보입니다. Tg는 일반적으로 이 변화의 중간으로 간주됩니다.
• 동적 기계 분석(DMA): 이 방법은 고분자의 기계적 특성 변화를 보는 데 매우 좋습니다. DMA 테스트에서 고분자의 작은 조각을 앞뒤로 힘으로 밀고 당깁니다. 온도가 변함에 따라 얼마나 뻣뻣한지, 얼마나 많은 에너지를 잃는지 측정합니다. 고분자가 Tg를 거치면서 얼마나 뻣뻣한지(탄성률)가 크게 떨어지고 에너지를 잃는 높은 지점이 있습니다. DMA는 특히 일부 종류의 고분자의 경우 DSC보다 유리 전이를 찾는 더 나은 방법이 될 수 있습니다.
• 열기계 분석(TMA): 이 방법은 온도가 변함에 따라 고분자의 크기 변화를 측정합니다. 고분자가 유리 전이를 통해 가열되면 열과 함께 성장하는 속도가 변합니다. 이 변화는 TMA로 볼 수 있으며 Tg를 찾는 데 사용됩니다.

사용할 방법은 테스트할 고분자와 알아야 할 사항에 따라 다릅니다. 또한 측정된 Tg 값은 사용된 방법과 가열 속도와 같은 테스트 설정 방법에 따라 약간 다를 수 있다는 것을 아는 것이 좋습니다.

유리 전이 온도(Tg)와 용융 온도(Tm)의 차이점은 무엇입니까?

이것은 사람들이 종종 혼동하는 것이지만 유리 전이 온도(Tg)와 용융 온도(Tm)는 매우 다른 것입니다. 주요 차이점은 고분자의 종류와 변화가 일어나는 방식에 있습니다.

• 유리 전이(Tg): 이것은 고분자의 비정질 또는 비결정질 부분의 품질입니다. 이것은 재료가 단단한 유리 상태에서 부드러운 고무 상태로 변하는 변화입니다. 재료는 여전히 고체입니다. 상태는 변하지 않습니다. 변화는 모두 고분자 사슬의 큰 움직임의 시작에 관한 것입니다. 폴리스티렌(PS) 및 PMMA와 같은 비정질 고분자는 Tg만 가지고 있습니다.
• 용융(Tm): 이것은 고분자의 결정질 부분의 품질입니다. 이것은 깔끔하고 정돈된 결정 모양이 무너지고 고분자가 고체에서 두꺼운 액체로 변하는 실제 상태 변화입니다. 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 반결정질 고분자는 Tg(지저분한 부분)와 Tm(깔끔한 부분)를 모두 가지고 있습니다. 용융 온도는 항상 유리 전이 온도보다 뜨겁습니다.

간단히 말해서, Tg에서 지저분한 고분자 사슬은 흔들리고 움직이기 시작합니다. Tm에서 깔끔한 결정 모양은 완전히 무너지고 녹습니다. 이 차이를 아는 것은 고분자가 일반적으로 어떻게 작용하는지 이해하는 데 매우 중요합니다.

어떤 고분자가 높은 유리 전이 온도를 가질까요?

높은 유리 전이 온도를 가진 고분자는 뻣뻣하고 강하며 열을 처리할 수 있어야 하는 용도에 필요합니다. 이러한 재료는 실온에서 유리 상태로 사용되는데, 이는 Tg가 25°C(77°F)보다 훨씬 높다는 것을 의미합니다. 높은 Tg는 고분자 사슬의 움직임을 막는 뻣뻣한 화학 구조로 인해 발생합니다.

다음은 높은 Tg를 가진 일부 고분자입니다.

이러한 강력한 고분자는 우주 여행, 자동차, 전자 제품 및 의학과 같은 분야에서 매우 중요한데, 재료는 종종 고온과 많은 물리적 힘을 처리해야 합니다. 훨씬 더 높은 유리 전이 온도를 가진 새로운 고분자를 만드는 것은 과학자들이 열심히 노력하고 있는 것입니다.

유리 전이의 동역학은 어떻게 작동합니까?

유리 전이는 열과 에너지가 어떻게 작용하는지에 관한 것뿐만 아니라, 사물이 얼마나 빨리 일어나는지에 대한 연구인 운동에너지에 의해서도 매우 큰 영향을 받습니다. 유리 상태의 형성은 시간에 따라 달라지는 것입니다. 고분자가 액체에서 냉각될 때 유리 또는 결정질 고체가 되는지 여부는 냉각되는 속도에 따라 달라집니다.

고분자 액체가 매우 천천히 냉각되면 고분자 사슬은 깔끔한 결정 모양으로 정렬할 시간이 있습니다. 결정을 만드는 이 과정에는 작은 결정을 시작하고 더 크게 만드는 두 단계가 있습니다. 그러나 액체가 매우 빠르게 냉각되면(이를 급냉이라고 함) 사슬은 결정으로 정렬할 시간이 없습니다. 그들의 움직임은 점점 느려져서 기본적으로 지저분한 비정질 고체 상태(유리)에 "갇히게" 됩니다.

유리 전이의 운동에너지는 또한 측정된 Tg가 가열 속도에 따라 변할 수 있는 이유를 보여줍니다. 더 빠른 가열 속도로 고분자 사슬은 더 뜨거운 온도에 반응할 시간이 적기 때문에 변화는 약간 더 높은 온도에서 일어나는 것처럼 보입니다. 이 시간 기반 품질은 유리 전이의 핵심 부분이며 용융과 같은 실제 열 기반 변화와 다르게 만듭니다. 열 에너지와 속도가 함께 작용하는 방식은 유리 전이를 매우 흥미롭고 단순하지 않게 만드는 것입니다.

폴리머의 유리 전이 온도에 대한 주요 내용은 무엇입니까?

고분자의 유리 전이 온도에 대한 자세한 내용을 마치기 위해 염두에 두어야 할 가장 중요한 아이디어는 다음과 같습니다.

• 유리 전이 온도(Tg)는 비정질 고분자가 단단한 유리 상태에서 부드러운 고무 상태로 변하는 온도입니다.
• 이 변화는 용융이 아닙니다. 이것은 긴 고분자 사슬이 움직일 수 있는 능력의 변화입니다.
• Tg는 고분자의 실제 사용을 결정하는 매우 중요한 품질입니다.
• 주쇄 유연성 및 곁사슬과 같은 고분자의 화학 구조는 Tg를 제어하는 주요 요소입니다.
• 고분자 사슬 사이의 열린 공간인 자유 부피는 매우 중요합니다. 더 많은 자유 부피는 더 낮은 Tg를 의미합니다.
• 분자량, 가교 및 가소제 첨가와 같은 다른 것들도 Tg를 크게 변경할 수 있습니다.
• Tg는 일반적으로 DSC, DMA 또는 TMA와 같은 도구로 측정됩니다.
• 유리 전이(Tg)는 지저분한 부분의 품질인 반면, 용융점(Tm)은 깔끔한 부분의 품질입니다.
• 높은 Tg를 가진 고분자는 실온에서 뻣뻣하고 강하며 오래 지속되는 제품에 사용됩니다.
• 유리의 형성은 냉각 속도에 따라 달라지는 운동에너지 기반의 과정입니다.