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고분자물질
고분자물질(高分子物質, Polymeric Materials)은 수백에서 수십만 개의 작은 분자들이 결합하여 형성된 고분자로 이루어진 물질을 의미한다. 고분자란 "매우 큰 분자"라는 뜻을 가지며, 탄소, 수소, 산소, 질소, 염소 등의 원자가 주로 구성 요소로 사용된다. 고분자물질은 다양한 특성과 물리적 성질을 가지고 있어 플라스틱, 고무, 섬유, 접착제, 생체 재료, 전자재료 등 여러 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.
목차
정의와 개념
고분자는 일반적으로 반복되는 구조 단위인 단위체(monomer)가 화학적 결합을 통해 결합된 거대 분자(macro-molecule)를 의미한다. 이러한 구조는 분자의 길이와 구성에 따라 물질의 특성을 결정하며, 특히 고분자의 구성과 배열에 따라 유연성, 강도, 내열성, 전기 전도성 등의 다양한 물리적 특성이 나타난다.
고분자의 역사
고분자 연구는 20세기에 들어 본격적으로 시작되었다. 독일의 화학자 헤르만 슈타우딩거(Hermann Staudinger)는 1920년대에 처음으로 고분자가 작은 분자들이 결합하여 형성된 거대 분자라는 이론을 제안하였다. 이후 1953년 노벨 화학상을 수상하며 고분자 화학의 기초를 세운 공로를 인정받았다. 그 후, 플라스틱과 합성 고무, 합성 섬유와 같은 다양한 고분자 소재가 개발되면서 산업과 생활에서 중요한 역할을 하게 되었다.
고분자물질의 특징
- 녹는점과 끓는점이 일정하지 않다.
- 고체나 액체로만 존재하며, 결정으로 존재하기 어렵다.
- 특정 용매에만 녹는다.
- 반응성이 작아 화학 약품에 쓰이며, 열과 전기에도 안정하다.
고분자 물질의 합성
1. 첨자 중합 반응 : 두 개의 단위체가 결합할 때 기존 결합이 변경되어 서로 결합하는 중합이다.
- - 중합체 -폴리에틸렌(PE) , 폴리염화비닐(PVC), 폴리스타이렌(PS)등
2. 축합 중합 반응: 두 갱의 단위체가 결합할 때 작은 분자가 빠져나가면서 결합하는 중합이다.
- -중합체 : 나일론 , 폴리에스터, 페놀 수지 등
3. 공중합 (Copolymerization): 두 종류 이상의 단위체를 사용하여 고분자를 합성하는 방식으로, 서로 다른 특성을 조합하여 새로운 물질을 만들 수 있다.
고분자 물질의 종류
고분자는 그 구조와 성질에 따라 크게 다음과 같은 종류로 분류할 수 있다.
- 천연 고분자 물질(Natural Polymers): 자연에서 얻을 수 있는 고분자로, 대표적인 예로는 셀룰로오스, 단백질, DNA, 고무 등이 있다. 이러한 천연 고분자는 주로 생체 내에서 중요한 기능을 하며, 환경 친화적인 소재로 주목받고 있다.
- 합성 고분자 물질(Synthetic Polymers): 인위적으로 합성하여 제조된 고분자로, 플라스틱(PE, PP, PVC 등), 나일론, 폴리에스터, 폴리우레탄 등이 있다. 합성 고분자는 높은 내구성과 다양한 성질을 가지며, 다양한 산업 분야에서 사용된다.
- 생분해성 고분자 물질 (Biodegradable Polymers): 환경 문제를 해결하기 위해 개발된 고분자로, 자연에서 분해되는 특성을 가진다. 폴리락트산(PLA)과 같은 생분해성 고분자는 플라스틱 쓰레기 문제의 해결책으로 각광받고 있다.
- 고기능성 고분자 물질: 기존 고분자 물질의 장점은 살리고 단점은 보완한 고분자 물질이다.
- 생체적합성 고분자 물질: 인체에 나쁜 영향이 없는 고분자 물질로 : 인공 장기, 인공 관절, 인공 치아, 일회용 플라스틱 주사기 등에 이용된다.
- 전도성 고분자 물질 : 전기가 흐르지 않는 고분자 물질을 보완하여 전기가 흐르게 만든 고분자 물질이다. 휘는 태양 전지, 발광 다이오드 등에 이용된다.
- 섬유 강화 고분자 물질 : 나일론에 케블라, 탄소 섬유 등을 합성하여 내열성과 강도를 높인 물질이다. 헬멧, 포트의 선체 등에 ㅇ용된다.
고분자의 구조와 분자량
고분자의 구조는 그 물리적 특성에 큰 영향을 미친다.
- 선형 구조 (Linear Polymers): 일렬로 연결된 사슬 모양의 구조를 가지며, 열가소성 플라스틱에서 흔히 나타난다.
- 가지 구조 (Branched Polymers): 주 사슬에 가지가 뻗어 있는 구조로, 밀도가 낮고 가벼우며 충격 저항성이 뛰어나다.
- 망상 구조 (Cross-linked Polymers): 고분자 사슬이 그물 모양으로 결합된 구조로, 높은 강도와 내열성을 가지며 고무와 같은 물질에 주로 사용된다.
또한, 고분자는 다른 물질에 비해 매우 큰 분자량을 가지며, 분자량 분포도 고분자의 특성에 영향을 준다. 평균 분자량이 클수록 고분자의 강도가 높아지고, 내열성, 내화학성이 향상된다.
고분자의 물리적 특성
고분자물질은 그 성질에 따라 고체, 액체, 유리상(glassy), 고무상(rubbery) 등의 상태를 가진다. 주요 물리적 특성으로는 다음이 있다.
- 유리 전이 온도 (Tg): 고분자가 유리상에서 고무상으로 전환되는 온도를 의미하며, 유연성 및 강도와 관련이 있다.
- 결정화도 (Crystallinity): 고분자가 어느 정도 결정 구조를 이루는지를 나타내며, 결정화도가 높을수록 강도와 내구성이 높아진다.
- 점탄성 (Viscoelasticity): 고분자가 외부 힘에 대해 점성과 탄성을 동시에 가지는 특성으로, 외부 응력에 대한 반응이 시간에 따라 다르게 나타난다.
고분자의 화학적 특성
고분자는 다양한 화학적 성질을 가지며, 외부 화학물질에 대한 저항성, 용해도, 산화 안정성 등에서 다른 물질과 차별화된다. 예를 들어, 고분자의 친수성 또는 소수성에 따라 물에 대한 용해도가 달라지며, 이를 이용해 특정 용매에 용해되거나 불용성으로 남는 특성을 조절할 수 있다.
나노 물질
- 나노물질 : 구성 입자가 1~100mm 인 물질
- 나노 복합 재료 : 고분자 물질에 나노 입자를 첨가하여 기능을 강화시킨 분자이다. 투명하지 않던 물질이 투명하게 변한다든지, 전기 전도율이 크게 변하는 등 고분자 물질 나도 물질을 소량만 첨가해도 우수한 성질을 나타낸다
- 표면적이 넓은 나노 입자는 적은 양의 첨자로도 우수한 성질을 얻을 수 있다
- 나도 기술을 적용한 첨단소재
- 탄소 나노 튜브. 6개의 탄소가 육각형 모양으로 결합하여 원통모양을 이루고 있다. 강도와 열전도율과 전기 전도율이 높아 반도체 및 전기 초강력 섬유 등에 이용되고 있다
- 풀러렌 : 60개의 탄소 원자가 그물 모양으로 결합하여 공 모양을 이루고 있다. 강도가 높고 초전도성이 있어 마이크로 로봇이나 초전도체 개발에 이용되고 있다
고분자물질의 산업적 응용
고분자물질은 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용되고 있다.
- 플라스틱: 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC) 등은 포장재, 가전제품, 자동차 부품 등 다양한 제품에 사용된다.
- 섬유: 합성 섬유는 의류, 산업용 소재로 널리 사용되며, 대표적으로 나일론, 폴리에스터가 있다.
- 생체 재료: 고분자는 인공 장기, 조직 공학, 약물 전달 시스템에 사용되는 생체 적합 소재로 활용된다.
- 전자재료: 고분자는 반도체, 디스플레이, 배터리 등의 전자재료로도 사용되며, 유기 전자 소자의 핵심 소재이다.
- 환경친화적 재료: 생분해성 고분자는 환경 오염을 줄이기 위해 플라스틱 대체 소재로 각광받고 있으며, 바이오 기반 플라스틱이 이에 해당된다.
참고자료
- 〈고분자 물질 종류와 특성〉, 《네이버 블로그》
같이 보기
