고분자공학실험 | 현탁 중합

TIP

 

 

1. Styrene과 Dibinylbenzene 을 중합하여 polystyrene 을 직접 합성할 수 있으며 중합반응중의 하나인 현탁 중합에 대해서 이해 할 수 있다.
2. 현탁중합에 있어서 생성되는 중합체의 크기나 모양에 영향인 교반 속도가 빨라질수록, 교반 시간이 길어질수록, 온도가 높아질 수록 현탁중합에서 생성물의 입자의 크기가 어떻게 변하는지를 이해하며 수득률을 구해본다.

 

 

 

고분자(高分子, macromolecule)는 분자량이 1만 이상인 큰 분자를 말한다. 100개 이상의 원자로 구성되어 있다. 대개 중합체이다. 물질의 성질로서는 첫 번째로 분자량이 일정하지 않아 녹는점과 끓는점이 일정하지 않고 ,두 번째로 액체 또는 고체로 존재한다. 세 번째로는 반응을 잘 하지 않아 안정적이다. 단량체는 고분자를 형성하는 '단위분자'이다.

 

 

중합

중합에 의하여 생성된 화합물을 중합체 또는 폴리머라고 한다. 물질의 분자를 A로 나타낼 때, nA → [A]_n으로 표시되는 반응이며 전형적인 예로는 아세트알데하이드의 3분자가 결합하여 파라알데하이드를 생성하는 반응이나 아세틸렌의 3분자에서 벤젠을 생성하는 반응 등을 들 수 있다. 염화비닐에서 폴리염화비닐, 에틸렌에서 폴리에틸렌, 아크릴로나이트릴에서 폴리아크릴로나이트릴 등을 생성하는 고분자량의 생성물을 만드는 중합도 알려져 있는데 이를 첨가중합 또는 고중합이라고 한다. 또 중합이라는 말은 넓게 고분자를 생성하는 반응이라는 뜻으로도 사용되는데, 이 경우에는 축합으로 분류되는 축합중합 등도 포함시킨다. 중합반응은 반응종류에 따라 여러 가지 형태로 나눠지는데 다음은 그 종류별 설명이다.

 

1. 벌크중합

중합계 내에 단량체만 존재하기 때문에 연쇄 이동의 확률이 다른 중합법에 비해 낮아 고분자량의 PVA를 쉽게 얻을 수 있다. 그러나 이 중합의 단점으로 VAc가 중합열이 다른 비닐계열의 단량체들에 비해 매우 높고, 이로 인해 반응 속도 상승이 일어나기 때문에 고분자량의 PVA를 효과적으로 얻어낼 수 없고 점성도 조절이 용이 하지 않아 높은 수준의 전환율을 얻기가 어렵다.

 

2. 용액중합

벌크 중합에 비해 상대적으로 높은 전환율을 얻을 수 있지만 고분자량 전구체를 얻어내는 경우 80% 이상 전환율을 얻기는 힘들다.

 

3. 유화중합

유화중합은 중합도와 중합속도를 동시에 상승시켜 줄 수 있는 중합반응계이다. 그러나 VAc가 다른 비닐계열 단량체에 비해 월등히 높은 성장 반응속도를 갖기 때문에 이 중합계에서는 높은 반응속도에 기인한 가지 생성반응 때문에 역시 고분자 PVA를 얻기가 힘들다.

 

4. 현탁중합

유화중합과 달리 단량체에 녹는 게시제와 현탁제를 이용함으로써 미세한 구형상의 중합체를 반응계로부터 쉽게 분리할 수 있고 매체의 존재에 의한 점도와 반응열의 조절이 용이하여 개개의 현탁 입자의 중합기구가 벌크의 경우와 같다. 이러한 점으로 고분자량의 PVA를 얻어내기 위한 선형성이 우수한 고분자량의 PVAc를 제조하는데 유리하다.

 

특히 VAc의 경우 현탁중합은 중합되어 바로 PVA로 비누화하는데 이용될 수도 있는 장점이 있다. 현탁중합에서 얻어지는 고분자의 분자량은 개시제의 농도 및 중합온도에 의해서 조절되며 교반속도가 클수록 입자의 모양이 균일해지고 분자량 및 전환율이 증가한다. 특히 현탁중합은 높은 전환율을 안정적으로 얻을 수 있는 중합법으로 알려져 있으며 폴리비닐계의 중합에 많이 이용된다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 증류수 450㎖와 PVA 750㎎를 측정해둔다.

2) 200㎖ 비커에 스티렌 100㎖, divinylbenzene 6㎖, AIBN 1g을 넣어 단량체 혼합액을 만든다.

3) 항온조와 연결된 500㎖ 4구 플라스크에 증류수 450㎖와 PVA 750㎎을 넣고 50℃에서 교반하여 완전 용해시킨다.

4) 2)의 단량체 용액도 핫플레이트를 위에서 마그네틱바를 넣고 용해 시킨 뒤 마그네틱 바를 제거한다.

5) 각 용액의 교반이 완료되면 PVA가 완전 용해된 플라스크를 일정하게 교반하면서 단량체 혼합액(4)에서 교반이 완료된 용액)을 부가한다.

6) 혼합액을 교반하면서 85℃로 가열한다.(반응이 진행되면 미세한 단위의 구슬들 생성) 교반은 3 시간 정도 진행하며 교반기가 움직여 사고가 나지 않도록 교반을 지켜본다.

7) 교반을 종료되면 혼합액을 따라내고 벽이나 교반기 날개에 붙은 입자들까지 긁어내 교반한 혼합액을 모은다.

8) 혼합액을 아스피레이터를 사용하여 여액을 분리시키고 여과하고 남은 중합체인 미세한 구슬을 메탄올로 3회 세척하면서 여과시킨다.

9) 메탄올도 여과가 다 되면 80℃ 진공 건조기에서 2일 동안 진공 건조한 후 여러 가지 크기의 체를 이용하여 크기별로 분류하고, 체눈 크기별 무게를 측정한다.

 

 

 

[고분자공학실험]현탁 중합 레포트