당신은 주제를 찾고 있습니까 “유리 전이 온도 – 10강. 고분자 물리 / 고분자를 이해하기 위해서는 Tg를 이해 해야 합니다 / mophology(형태학)외 여러가지 / 성균관대학교 화학공학 고분자공학부 교수“? 다음 카테고리의 웹사이트 https://you.aodaithanhmai.com.vn 에서 귀하의 모든 질문에 답변해 드립니다: https://you.aodaithanhmai.com.vn/blog/. 바로 아래에서 답을 찾을 수 있습니다. 작성자 플라스틱 읽어주는 배진영 교수님 이(가) 작성한 기사에는 조회수 8,686회 및 좋아요 146개 개의 좋아요가 있습니다.
유리전이 온도는 고분자 물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 시점의 온도를 말합니다. 일반적으로 저분자 물질은 열을 가하면 고체상에서 액체상으로 상변화를 시작합니다.
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오늘은 고분자의 물리(적 성질)에 대해서 간단히 소개하겠습니다.
다른 재료는 가지지 못한 고분자의 특별한 성질들을 이해하기 위해서는
고분자의 물리적 성질들을 이해하는 것이 꼭 필요합니다.
특히나 Tg(glass transition temperature = 유리전이온도)를 제대로 이해하면 고분자의 무한한 매력에 빠져 헤어나올 수 없을 것입니다.
오늘은 고분자가 가지고 있는 물성에 대해서 간단히 소개 하겠습니다.
이 개념들은 고분자 화학에서 자세히 다루어지지는 않지만 고분자 물리책을 찾아보신다면 더욱 자세히 이해하실 수 있습니다.
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고분자의 유리전이온도
물질의 유리전이온도 (glass-transition temperature, Tg)는 유리전이가 일어나는 온도 범위를 나타냅니다. 유리전이 (glass transition)는 일반적 …
Source: www.materialssquare.com
Date Published: 2/8/2022
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유리전이온도 Tg (Glass Transition Temperature)와 녹는점 Tm …
유리전이온도란 고분자의 사슬의 Brownian motion이 이전에 비해 훨씬 활발해지는 온도를 뜻한다. 유리전이온도를 지나게 되면 딱딱했던 glass like 고분자가 말랑한 …
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Date Published: 8/27/2021
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유리전이온도 – 나무위키
고분자의 유리전이온도는 고분자의 구조와 그 조성에 큰 영향을 받게 된다. 고분자가 회전을 잘 하는 등의 움직임이 원활할수록, 고분자에 열을 …
Source: namu.wiki
Date Published: 2/4/2022
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유리 전이 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
유리 전이(琉璃轉移, glass transition)는 액체 따위를 냉각할 때, 그 물질 고유의 온도영역에서 고무 같은 상태로 빠르게 굳어버리는 현상이다. 유리 전이 온도 Tg는 …
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Date Published: 7/29/2022
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[수분] 유리전이온도 (Tg : glass transition temperature)
유리전이온도 (Tg : glass transition temperature) · 1. 정의 · : 물과 같은 액체를 냉각하면 비결정의 유리상태(고체지만 물 분자가 바뀐다.) · 2.
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 5/1/2022
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유리전이 측정 (Practice of Glass Transition) – (주)연진에스텍
온도 증가 시 분자 운동이 가능할 만큼 계의 열적 에너지 kT가 매우 커지며, 분자 운동이 회전(rotation)이나 고분자 쇄의 비틀림(torsion)을 수반한다. 이 때 발생한 전이 …
Source: www.yeonjin.com
Date Published: 1/2/2022
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고분자의 유리전이온도, 결정화온도, 용융온도 정의와 차이 Tg …
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Date Published: 5/7/2021
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고분자화학/ 제 4주/ 유리전이온도
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Date Published: 6/4/2021
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플라스틱은 항상 딱딱하기만 할까? – [생활 속 과학 이야기 2]
가장 단순한 형태의 고분자인 폴리에틸렌의 경우 유리전이온도가 -120℃ 인데, 폴리에틸렌에 곁가지 하나가 붙은 폴리프로필렌의 유리전이온도는 -10℃ 로 …
Source: www.chemi-in.com
Date Published: 4/16/2021
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주제에 대한 기사 평가 유리 전이 온도
- Author: 플라스틱 읽어주는 배진영 교수님
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- Date Published: 2020. 4. 5.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=O9yw32GZuX0
유리전이온도 (Tg)
1. 유리전이 온도(Tg)
유리전이 온도는 고분자 물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 시점의 온도를 말합니다. 일반적으로 저분자 물질은 열을 가하면 고체상에서 액체상으로 상변화를 시작합니다. 하지만 고분자의 경우에는 이런 상변화를 거치기 전에 또다른 변화를 보이는 시점이 있는데 이 시점의 온도가 바로 유리전이 온도인 것입니다. 위의 그래프에서 가로축에다가 빨간 동그라미를 친 그 온도인데 저 그래프의 기울기의 변곡점에 해당하는 온도라고 보시면 되겠습니다.
딱딱한 고분자는 대개 이 온도에서 부드러운 고무처럼 변하게 되는데 고체에서 액체로 변화하기 전에 탄성을 가진 고무같은 변화를 갖게 됩니다. 또 유리전이 온도는 주사슬 원자의 형태나 곁사슬기의 형태 및 곁사슬기의 공간 변형에 의해서도 달라지게 됩니다.
2. 유리전이 온도가 생기는 이유
저분자 화합물은 결정을 가지면거 고체상을 형성하게 되는데 결정이라는 것은 분자가 규칙적인 배열을 형성하며 쌓이는 것을 말합니다. 하지만 고분자 화합물의 경우에는 결정성이 그리 좋지 못한 편입니다. 왜냐하면 고분자는 분자량이 매우 커서 규칙적으로 배열된다기보다는 엉켜버리기 쉽기 때문입니다.
따라서 고분자는 이처럼 결정을 형성하기 어려운 무정형 영역을 많이 가지고 있습니다. 보통의 고분자는 결정영역과 무정형 영역을 혼재하여 가지고 있습니다.
고분자 물질에 열을 가하면 우선 이 무정형 영역부터 변화를 보이기 시작합니다. 곧 분자들이 열에 의해 활성을 가지면서 점차 움직이기 시작하는 것입니다. 결정성 고분자는 그 자체의 3차원적 규칙성에 의한 공간적 구속력 때문에 고분자공학에서 말하는 ‘마이크로 브라운 운동’이 일어나기 어렵습니다. 그러나 플라스틱이 점차적으로 열에너지를 받으면 분자간의 운동에너지가 증가하여 마이크로브라운 운동을 개시하게 되고 이때의 온도를 유리전이온도로 보게 됩니다. 이 온도에서 아탁틱 폴리프로필렌과 같은 무정형 고분자의 경우엔 유리상에서 고무상으로 급격한 상변화를 일으키기도 합니다.
이렇게 물성의 변화가 나타나는 시점이 유리전이 온도이기 때문에 고분자 물질의 특성을 설명하고 이해하기 위해서 유리전이 온도가 중요성을 갖게 됩니다. 아직 고분자는 녹는 것이 아니라 단지 고무처럼 탄성을 가지게 되는 물질로 변하기 시작합니다.
3. 유리전이 온도의 중요성
유리전이 온도가 높다는 것은 상대적으로 잘 녹지 않는 고분자라는 것을 말합니다. 플라스틱에서 사용가능 온도가 나타나는 경우 이 온도에 대략 20도 정도를 더하면 유리전이 온도가 된다고알려져 있습니다. 그리고 보통 유리전이 온도에서 50도 이상의 온도를 더 가하면 유동성을 보이기 시작합니다.
플라스틱(고분자)는 그 종류에 따라 고유의 Tg값을 갖으며 일반적으로 Tg이하에서의 플라스틱의 물성은 굳고 취약하여 깨지기 쉽고 신장율이 작은 반면, 이상에서는 경도는 약간 떨어지나 신장율은 약간 커지며 취약성이 없으므로 실용성이 커집니다. 이외에도 열팽창계수, 비열, 탄성율, 기체투과도 및 전기전항 등의 물성들이 유리전이온도를 기점으로 급격히 변화합니다. 따라서 어떤 모르는 고분자의 Tg를 측정하면 그 고분자가 무엇인지 알 수도 있고 알고 있는 고분자의 물성을 변화시키기 위하여 어떤 조작을 가할 때 Tg값을 바탕으로 원하는 성질을 가진 새로운 설계를 할 수가 있게 됩니다.
말하자면 고분자의 유리전이온도 값을 변화시키는 방법인 (1)경화도를 향상시킴(Tg상승), (2)가역제를 첨가함(Tg 감소), (3)코모노머를 사용하여 공중합시킴(저하가 목적) 등을 적절히 사용하여 우리의 실생활에 쓰이는 어떤 목적에 보다 적합하도록 고분자를 만들수 있는 기준으로 삼는다는 말입니다.
4. 측정법
이와 같은 유리전이온도의 측정을 위해서는 Differential Scanning Calorimetry (DSC), Diferrential thermal analysis (DTA), Mechanical Methods (비틀림 강도법), Volume Methods (팽창법), Dielectric Constant, 톱니법 등이 사용되는데 주로 열측정법(DSC)과 동적점탄성법(RMS)등을 사용합니다.
출처: 지시긴
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Enforced May 8, 2017
고분자(Polymer): 유리전이온도 Tg (Glass Transition Temperature)와 녹는점 Tm(Melting Temperature)
rosalyn
오늘의 과목: 고분자재료물성
유리전이온도 Tg (glass transition temperature)란?
일단은 유리전이온도를 정의하기에 앞서서 결정질 고분자(crystalline polymer)와 비정질 고분자(amorphous polymer)를 정의할 필요가 있다.
(결정질과 비정질의 정의는 고분자 뿐만 아니라 금속, 세라믹 등의 다른 물질에서도 사용가능한 정의이다.)
먼저 결정질이란 물질 내부에 일정한 구조, 즉 규칙적 배열이 넓은 범위에서 존재하는 상태이며
비정질이란 물질 내부에 규칙적인 구조가 존재하지 않거나 규칙적인 배열이 매우 일부구간 존재하는 상태를 말한다.
비정질 고분자는 불규칙한 배열로만 이루어져있고
결정질 고분자는 사실 준결정성 고분자로 칭하는것이 더 정확한데 이 이유는 모든 결정질 고분자는 필연적으로 비정질인 부분을 포함하기 때문이다. 100% 결정질 고분자는 존재할수 없다. 이유는 고분자 사슬이 길기 때문에 비정질인 구간이 반드시 생기게 되기 때문이다.
이제 결정질 고분자/비정질 고분자에 대해 알았으니 유리전이온도에 대해서 알아보도록 하자.
유리전이온도란 고분자의 사슬의 Brownian motion이 이전에 비해 훨씬 활발해지는 온도를 뜻한다. 유리전이온도를 지나게 되면 딱딱했던 glass like 고분자가 말랑한 rubber like 특징을 나타나게 된다. 유리전이온도는 비정질 고분자에서 나타나며 따라서 유리전이온도를 비정질 고분자의 전이온도라고 볼수 있다.
(여기서 Brownian motion은 열에 의해 모양과 위치가 무작위로 변하는 운동을 의미한다.)
반면 결정질 고분자의 경우에는 유리전이온도와 녹는점 둘다를 가지고 있다.
먼저, 위에서 결정질 고분자는 일부 비정질 고분자로 이루어져있다고 했다. 따라서 결정질 고분자에서 나타나는 유리전이온도는 결정질 고분자 중에서 비정질 부분이 전이하는 온도이다. 다음으로 유리전이온도보다 더 높은 온도에서 녹는점(Tm: Melting Temperature)가 나타나는데, 이 녹는점은 결정질 고분자중 비정질 부분을 제외한 결정질 부분이 녹는 온도이다. 고분자가 녹는다는것은 고분자 사슬들이 규칙적인 배열을 잃게 됨을 의미한다.
정리해보면 유리전이온도는 비정질의 전이온도이고 녹는점은 결정질이 녹는점이다.
따라서 비정질 고분자는 유리전이온도만을 갖고, 결정질 고분자는 유리전이온도와 녹는점을 갖게 된다.
유리전이온도가 녹는점보다 항상 낮은데, 그 이유는 바로 비정질의 분자간 결합력이 결정질의 분자간 결합력보다 약하기 때문이다. 결합력이 약하면 낮은 에너지를 가해줘도 쉽게 결합이 끊어진다.
유리전이온도를 2차 전이점(second-order transition), 녹는점을 1차 전이점(first-order transition)이라고 부르기도 한다. (넘버링은 온도가 높은 순서대로 1, 2, 3…의 순서로 한다.)
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유리 전이(琉璃轉移, glass transition)는 액체 따위를 냉각할 때, 그 물질 고유의 온도영역에서 고무 같은 상태로 빠르게 굳어버리는 현상이다. 유리 전이 온도 T g 는 언제나 현존하는 결정체 물질의 녹는점 T m 보다 낮다.
개요 [ 편집 ]
일반적으로 액체는 고체에 비해 더 무질서하기 때문에 더 높은 엔트로피를 갖는다. 그런데 액체가 과냉각되면 동일한 온도에 대해 액체상과 고체상의 두 상이 존재할 수 있게 되고, 이 두 상 사이의 엔트로피 차이는 온도가 낮아짐에 따라 점점 작아진다. 유리 전이 온도 이후 과냉각액체의 비열을 외삽하면 두 상의 엔트로피 차이를 얻을 수 있는데, 실제로 계산을 해보면 이 차이가 0이 되는 온도(카우즈먼 온도)가 존재하며 만약 액체가 카우즈먼 온도보다 낮은 온도까지 과냉각된다면 고체 결정보다 낮은 엔트로피를 가지게 되므로 역설이 발생한다.
카우즈먼의 역설 [ 편집 ]
카우즈먼의 역설(Kauzmann’s paradox)은 열역학에서 과냉각된 액체가 그에 대응되는 고체보다 낮은 엔트로피를 가질 수 있다는 역설이다. 이 역설은 1948년 화학자 월터 카우즈먼(Walter Kauzmann)에 의해 처음 발표[1]되었다.
한 가지 해결책은 온도가 카우즈먼 온도에 도달하기 전에 반드시 상전이가 일어난다고 가정하는 것이다.
각주 [ 편집 ]
↑ W. Kauzmann, The Nature of the Glassy State and the Behavior of Liquids at Low Temperatures; Chemical Reviews 43 (2), 1948.
[수분] 유리전이온도 (Tg : glass transition temperature)
유리전이온도 (Tg : glass transition temperature)
1. 정의
: Tg is the point at which a meterial alters state – going from a glass-like rigid solid to a more flexible, rubbery compound.
: 물과 같은 액체를 냉각하면 비결정의 유리상태(고체지만 물 분자가 바뀐다.)로 상전이가 일어나는 온도를 말한다.
2. Tg가 중요한 이유
: 미생물에 의해서 2가지의 화학반응이 일어날 수 있다. 첫째는 피해를 발생시키는 부패이다. 둘째는 이익을 가져다 주는 발효이다. 미생물의 성장을 어떻게 억제할 수 있을까? 일반적으로 -20℃ 이하면 화학반응이 거의 발생하지 않는다. 즉, Tg의 경우는 품질 변화를 억제시키면서 냉동식품의 장기 저장성을 높여주기 때문에 매우 중요하다. 또한 식품마다 Tg의 값이 모두 다르다. Tg를 결정하는 요소에는 수분이 큰 비중을 차지하는데, 식품의 수분함량과 녹이있는 물질이 모두 영향을 줄 수 있다.
= Glass 상태 : 무결정 상태로서 반응물이 높은 점도 때문에 비운동성의 분자상태가 된다. 그 결과 화학반응이 억제된다.
= Rubbery 상태 : 반응물이 활발히 움직일수 있어서 화학반응이 용이하다.
= Glass Phase 상태로 갈 수록 ‘반응성 감소, 저장성 증가’, Rubbery phase 상태로 갈 수록 ‘반응성 증가, 저장성 감소’의 특징을 나타냄.
유리와 같은 상태 또는 유리와 같은 상태의 영역을 가진 용액또는 현탁액의 온도를 서서히 올려주면, 화합물의 종류 외부의 여러조건들에 따라 어떤 특정된 온도에서 유리와 같은 딱딱한 상태는 유연하고 유동성을 가진 고무와 같은 상태로 변하게 되며, 이 점을 유리 전이점 (glass transition point), 이 때의 온도를 유리전이온도 (Glass transition temperature) 이상에서 유동성을 가진 고무와 같은 상태(a mobile rubbery state)를 거쳐야 젤라틴화 (gelatinization) 가 일어날 수 있다. 전분 입자들의 딱딱한 유리와 같이 굳어져 있는 무정형 역역들이 유리전이 온도 이상에서 더 유연하고 융통성있는 상태가 된다면, 점진적으로 상승하는 주변 온도에 따라, 물 분자들과의 상호작용이 급격히 활발해질 것은 두말할 것이 없다.
3. 고체상태에 점도 개념 도입
+ 화학반응의 억제.
화학 반응이 일어나려면 제일 먼저
A+B -> C+D 에서 A,B가 먼저 만나야한다. 따라서 화학반응을 억제하기 위해서는 A와 B를 못 만나게 하면 된다.
이 때, 물리학적으로 점도를 높여버리면 끈적거림때문에 잘 못만난다.
= Glass 상태 점도 > Rubbery 상태 점도
= Glass 상태 반응성 < Rubbery 상태 반응성 (액체 상태보다는 반응성 적다.) 따라서, Glass 상태일 때, 화학반응이 억제되고 장기저장이 가능하게 되었다. 실제로는 거의 모든 고분자 성분들이나 당류를 함유한 식품들, 특히 가공식품들은 유리와 같은 상태 (a rigid glassy state)와 고무와 같은 유연하고 제한된 유동성을 가진 상태 (a mobile rubbery state)로 존재할 수 있다. 4. 상태도 (State diagram) * graph 설명 = 설탕물 A가 0℃일 때, B에서 마난다. 이때 유리 전이온도는 C이다. 온도를 더 내리게 되면 빙점강화 때문에 B가 빨간줄을 타고 내려간다. 동시에 Tg는 농도가 증가해서 파란선을 타고 올라가게 된다. = (설탕 + 물) 인 용액을 얼리면 물만 얼기때문에 액체상태의 수분함량이 달라지면서 Tg도 달라진다. = 계속하다보면 어는점이 Tg랑 만나게 된다. 냉동하려는 상태에서는 Tg가 계속 왔다갔다 변한다. = Tg와 melting point 를 일찍 만나게 하고 싶으면 1) 설탕을 더 넣어주면 된다. 온도를 덜 낮춰줘도 되서 효율적이지만 맛이 달라진다는 단점이 있다. 2) 가소제를 넣어주면된다. 가소제를 넣으면 맛이 달라지지 않고 농도가 올라가니까 전체적으로 용질의 농도를 높이면 된다. 그럼 다른 지점에서부터 출바하게되고, 빨리만나게 된다. cf) 가소제로는 솔비톨, 덱스트린, 락토오즈 등이 있다. 이때 락토오즈는 많이 달지 않고, 연유의 경우는 락토오즈의 고농축 결과물로 볼 수 있다. +) 왜 이런 과정이 필요할까? 회사에서 유통기한중에 만드는 비용을 줄이기 위해서 혹은 마트에서 원래쓰던 냉동실에서 저장을 가능하게 하기 위해서.
유리전이 측정 (Practice of Glass Transition)
9.4 Glass transitions
Introduction
고체상태의 고분자는 결정성(crystalline state)과 유리 같은 비 결정성(glassy state) 두 가지 형태로 구분될 수 있다.
결정상에서 고분자 분자는 결정성 격자(crystal lattice)로 규칙적으로 배열되어 미소 분자와 비교된다.
비 결정상에서는 규칙적인 배열이 나타나지 않는다. 즉, 액체와 같이 그 구조가 완전이 불규칙적이다. 따라서 비 결정상은 분자 운동(molecular motions)이 관측되지 않거나 아주 제한된 분자 운동만이 가능한 언 액체처럼 보여 질 수 있다. 온도 증가 시 분자 운동이 가능할 만큼 계의 열적 에너지 kT가 매우 커지며, 분자 운동이 회전(rotation)이나 고분자 쇄의 비틀림(torsion)을 수반한다. 이 때 발생한 전이를 유리 전이(glass transition)라 한다. 포괄적인 관점에서 유리 전이는 고분자의 뚜렷한 변형을 의미하며 깨지기 쉬운 유리상(glass-like)에서 고무상(rubber-like)으로의 변화를 의미한다.
주로 Young’s modulus, 비열(량)과 같은 대부분 물질의 성질이 변한다. DSC가 물질의 변화를 분석하는데 현저하게 사용된 이후로 이 기술은 유리전이를 측정하는데 널리 사용되고 있다.
유리전이는 소위 second-order transition이라 한다. Second-order transition은 물질의 Cp값 중 한 step을 따라 DSC curve의 baseline에 변화를 준다. 반면, first-order transition은 전이 중 Cp값이 무한하다.
Fig. 9.4.1은 유리전이의 전형적인 DSC curve이다.
유리전이는 액체 질소에 고무호스를 넣은 종래의 실험으로 설명될 수 있다. 호스는 유리처럼 단단해져 망치로 쳤을 때 산산 조각이 난다. 고무의 유리전이 온도는 실온 이하에 있다. 일반적으로 이 온도는 대부분의 고분자에 대해 –100℃에서 200℃까지 다양하다. 어떤 형태의 고분자는 유리전이가 매우 특징적이어서 고분자 조건에 관한 많은 정보를 준다.
예를 들어, 단열재(insulation) 및 포장재(packaging), 건축재료 등 다양하게 응용되는 고분자는 polystyrene이다. 순수한 polystyrene의 유리전이는 대략 90℃에서 측정된다.
저렴하고 투명한 자(rulers)와 coffee spoon은 대부분 polystyrene으로 만든다. 이 중 한 조각을 떼어내 불꽃이나 헤어 드라이어 앞에 대면 부드러워 졌다가 이내 온도가 떨어지면 다시 단단해지는 것을 볼 수 있을 것이다.
Procedure 1 (sample No. 4 of the Tutorial Kit)
– Polystyrene 15 mg 정도를 50℃-150℃, 10℃/min로 DSC curve를 측정한다.
대부분, 유리전이는 Fig. 9.4.1(TA99 software, 이들 온도는 쉽게 결정된다)처럼 onset, endset, mid point의 세 개 온도로 결정된다.
– 유리전이 온도를 결정한다:
– 새로운 시료로 측정을 반복한다.
– 유리전이 이후 측정을 멈추고 10℃/min로 유리전이를 지나는 온도까지 시료를 냉각한다.
– 10℃/min로 다시 측정하여 curve를 얻는다.
1) 이들 curve에 어떤 차이가 있는가?
2) Polystyrene이 녹았는가? 이유는? 또한 그렇지 않으면 어떤가?
3) 유리전이를 지나 가열했을 때 물질의 비열이 증가하거나 감소했는가? 이유는?
4) DSC curve의 baseline에 shift가 있는가?
유리전이 범위를 지나도록 고분자를 냉각 시킬 때, glassy state의 에너지(enthalpy)는 적용된 냉각 속도에 따라 다르게 된다. 냉각 속도가 빠를수록 glassy state의 enthalpy는 더욱 많이 생성된다. 결과적으로 유리전이 온도는 또한 적용된 냉각 속도에 좌우된다. 더욱이 냉각 속도와 이후에 적용된 가열 속도가 동일하지 않으면, 흡열이나 발열효과가 유리전이 이전과 이후 직접 발생될 수도 있다. 종종 이러한 결과가 커서 유리전이 그 자체가 명확하지 않게 된다.
따라서 유리전이는 통상 두 번 측정되어, 2nd run의 값이 실제 측정치로 간주된다.
위에 언급된 흡열, 발열 효과는 Fig. 9.4.2.에서 볼 수 있다.
Curve 1 : High cooling rate and heating rate, 높은 온도에서 유리전이 발생, normal shape
Curve 2 : High cooling rate and low heating rate, 유리전이에 앞서 발열 효과 발생
Curve 3 : Low cooling rate and heating rate, 보다 낮은 온도에서 유리전이 발생, normal shape
Curve 4 : Low cooling rate and high heating rate, 유리전이에 흡열 효과 발생
Fig. 9.4.2 또한 고분자 물질의 소위 시효 경화(aging)나 가열 냉각(annealing)을 설명하고 있다. 어떤 유리의 enthalpy가 equilibrium value 이상에서 얻어질 때, 유리는 서서히 (저장 온도에 크게 좌우됨) 더욱 낮은 enthalpy 상태까지 가열 냉각된다. 동등한 enthalpy를 갖는 유리를 얻는데 필요한 cooling rate는 실제로 zero가 되며 차후 적용되는 heating rate는 더욱 높아 지게 된다. 측정된 DSC curve에서는 흡열 효과(curve 4)가 나타난다.
Source:
Mettler Toledo “The Practice of Thermal Analysis”
고분자의 유리전이온도, 결정화온도, 용융온도 정의와 차이 Tg, Tc, Tm 차이
학식과 구내식당 사이
이번엔 비교적 간단한 주제를 말하고자 한다. 이전에도 얘기한 바가 있지만, 좀 더 부가설명을 하고자 게시물을 작성하였다. 폴리머는 크게 2가지 재료로 나뉜다.
비정질(amorphous)과 반결정(semicrystalline)
Glass transition temperature, crystallization temperature, melting temperature definition and difference of polymer Tg, Tc, Tm difference
– 비정질은 분자 구조가 무질서한 것을 말한다. 구조가 흐물흐물하다.
– 반결정성 구조는 분자 구조가 질서 있게 배열된 것을 말한다.
– Amorphous means that the molecular structure is disordered. structure is flimsy.
– Semi-crystalline structure refers to an orderly arrangement of molecular structures.
폴리머에서 완벽한 100% 결정성 구조는 없다. 비정질 부분이 항상 존재하기 때문에 결정성보다 반결정성이 좀 더 정확한 표현이다.
여기서 Tg는 고분자의 segment가 고정되지 않고 움직이기 시작하는 온도이며, 비결정성 부분이 움직이는 온도이기도 하다. *segment(분절)는 특정수 이상의 분자를 이루고 있는 구조를 말하는데, 아래 사진을 참고하면 좋을 것 같다.
There is no 100% crystalline structure in a polymer. Since the amorphous part is always present, semi-crystalline rather than crystalline is a more accurate expression.
Here, Tg is the temperature at which the polymer segment starts to move without being fixed, and it is also the temperature at which the amorphous part moves. *Segment refers to a structure comprising more than a certain number of molecules. It would be good to refer to the picture below.
source : Shape-Memory Properties of Segmented Polymers Containing Aramid Hard Segments and Polycaprolactone Soft Segments
이를 ‘유리전이온도’라고 한다. 일반적인 PP의 경우 Tg는 -10도이다. 이후 결정성 부분이 녹기 시작하는 온도를 결정화 온도라고 한다. 이는 Tc라고 표기되며, 결정화 온도의 한계치를 용융 온도(Tm)라고 한다.
This is called the ‘glass transition temperature’. For normal PP, Tg is -10 degrees.
After that, the temperature at which the crystal part starts to melt is called the crystallization temperature. It is denoted by Tc and the limit of the crystallization temperature is called the melting temperature (Tm).
이처럼 반결정성 구조는 비정질과 결정성이 같이 있기 때문에 유리전이온도와 결정화 온도, 용융 온도가 존재한다.
또한, 유리전이온도를 넘으면 비정질 부분이 움직이고, 고분자의 세그먼트 모션이 시작되기 때문에 고체가 아닌 고무의 특성(점탄성)을 가지게 된다. 이후 결정화 온도와 용융 온도를 넘어가면 액상이 되며 상전이가 일어난다.
다만, 비정질 재료의 경우엔 결정성 구조가 없으므로, 유리전이온도만 존재하며, 이를 넘어가면 상이 바뀐다.
플라스틱은 항상 딱딱하기만 할까? – [생활 속 과학 이야기 2]
한화토탈에너지스
안녕하세요~ 지난번 물 이야기에 이어, 오늘도 생활 속에서 찾아볼 수 있는 과학 이야기를 해 보려고 합니다. 먼저 오늘의 주제를 소개하기 전 몇 가지 예시를 들어 드릴게요.
1. 껌을 씹으면 말랑말랑 해지는데, 도중에 차가운 음료를 마시면 딱딱해진다
2. 다림질로 옷의 주름을 펴준다
3. 생수병에 뜨거운 물을 넣으면 찌그러지면서 모양의 변형이 일어난다
이것들 간에 공통점을 찾으셨나요? 껌, 옷, 생수병.. 주변에서 너무나 쉽게 찾아볼 수 있는 것들이지요. 우리가 일상생활에서 사용하는 제품 중 상당수가 고분자 물질이라는 사실 알고 계신가요? 이제부터 고분자의 구조와 성질, 그 중에서도 온도와 관련된 특성에 대해 이야기 해 보려고 합니다.
01
고분자란?
먼저 고분자가 무엇인지부터 알아야겠죠? 고분자(高分子)란, 말 그대로 분자량이 큰 물질을 이야기 합니다. 분자량이라는 것은 쉽게 말해서 분자의 무게단위라고 생각하면 되는데요, 지난 시간에 다루었던 물의 경우 18 입니다. 고분자의 경우 대략 10,000 이상의 분자량이라고 정의하니, 엄청나게 분자량이 크다는 것을 알 수 있겠죠?
자연에 존재하는 대표적인 천연 고분자는 생체 내의 단백질, 탄수화물의 일종인 녹말과 셀룰로스, 그리고 천연고무 등이 있어요. 하지만 일반적으로 고분자라고 부를 때는 합성 고분자를 의미하는 경우가 많습니다. 그 중 가장 대표적인 것이 플라스틱이라고 불리는 합성 수지예요. 나무, 돌, 유리, 금속 등의 천연재료 대비 가벼운 무게, 저렴한 가격, 우수한 강도와 가공성 등의 장점이 있어 일상제품의 원료로 널리 쓰이고 있지요.
02
합성 고분자의 구조
합성 고분자는 대부분 단량체라고 부르는 일정한 단위가 반복되는 구조를 가지고 있어요. 반복되는 단량체가 적으면 수백에서부터 많으면 수천~수만개에 이르기 때문에 긴 사슬 형태를 가지게 되는데, 단량체의 구조나 사슬의 형태에 의해 나타나는 특성이 다르게 되지요. 가장 단순한 형태의 고분자는 에틸렌(ethylene) 단량체가 반복되는 구조의 폴리에틸렌(polyethylene)인데요, 폴리(poly-)는 수가 많다는 뜻의 접두사이기 때문에 이것이 단어의 앞에 붙어 있으면 고분자라고 생각하면 될 거예요.
이전 시간에 물은 간단한 구조식으로 H 2 O 라고 쓴다고 알려드렸었는데요, 고분자의 경우 다 나열할 수 없기 때문에, 반복되는 단량체의 구조를 써주고 반복된다는 뜻의 n 을 붙여줌으로써 나타낼 수 있답니다. 위 그림에 에틸렌과 폴리에틸렌의 분자 구조 예시가 있어요.
이렇게 길게 만들어진 사슬은 많은 경우 직선 형태로 존재하는 것이 아니라 일정한 규칙으로 배열하여 결정을 이루게 됩니다. 전체가 다 결정으로 존재하기는 매우 어렵기 때문에 일부분은 결정으로, 나머지 부분은 무질서한 상태로 존재해요. 이 결정/비결정 구조는 단량체의 종류에 의해서 크게 달라지고, 이런 것들이 고분자의 특성에 영향을 미치게 됩니다.
03
고분자의 열적 특성과 결정/비결정 구조
고분자의 구조에 대해 알아보았으니 이번에는 고분자의 열적 특성을 살펴볼까요? 일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체로 나뉜다는 것을 알고 계실 거예요. 고체는 분자들이 움직이지 못하는 채로 단단하게 갇혀 있는 상태, 액체는 어느 정도 자유로운 움직임을 보여 흐를 수 있는 상태, 기체는 분자 사이가 완전히 떨어진 상태 라고 생각할 수 있어요.
그런데 고분자는 워낙 분자량이 크다 보니 움직이는 것이 쉽지 않겠죠~! 거의 모든 고분자가 상온에서 고체 상태로 존재하고, 열을 가해서 액체상태 까지는 만들 수 있지만 기체상태로는 존재할 수가 없습니다. 주변의 플라스틱 물질들을 떠올려 보면 다 고체상태인 것을 쉽게 알 수 있을 거예요.
고분자의 녹는 점 이상으로 열을 가해주게 되면 고분자 사슬의 움직임이 커지게 되어 결정이 풀리게 되고 사슬 간 간격이 멀어지면서 원래의 정돈된 구조를 잃고 유동성(흐름)이 생기게 되는 것이지요. 고분자의 종류에 따라 녹는점은 다 다르게 나타납니다. 고분자를 원하는 모양으로 만들 때는 액체상태가 훨씬 다루기 쉽기 때문에 이렇게 열을 가해서 녹인 다음 성형을 하는 경우가 많아요.
그런데 아까 고분자는 결정과 비결정 부분으로 나뉜다고 이야기 했었죠? 녹는점은 결정 부분에 관련된 성질 이예요. 비결정 부분과 관련된 고분자의 독특한 성질이 있는데, 바로 유리전이온도 (glass transition temperature) 입니다. 유리전이온도 아래에서는 분자들이 조금도 움직이지 못하는 상태이지만, 유리전이온도 이상으로 올라가면 비결정 부분이 조금씩 움직일 수 있게 됩니다. 이것을 고무상태 (rubbery state) 라고 해요. 여기서 주의할 점은, 유리전이온도 이상에서의 움직임은 자유롭게 돌아다닌다는 의미가 아니라 작은 범위라는 점입니다. 상태의 변형을 가져오는 용융(녹는 것)과는 다른 개념이예요. 유리전이온도에서 더 온도가 올라가 녹는점을 지나면 비로소 결정들이 녹아 자유로운 움직임을 갖게 되지요.
04
고분자의 유리전이온도(glass transition temperature)
고분자 종류별로 유리전이온도가 높고 낮게 나타나는 것은 단량체의 구조로부터 발생하는 차이입니다. 단량체에 무거운 곁가지들이 붙어 있다면 움직이는데 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 유리전이온도가 높고, 비교적 움직임이 자유로운 형태의 단량체는 유리전이온도가 낮게 나타나지요. 가장 단순한 형태의 고분자인 폴리에틸렌의 경우 유리전이온도가 -120℃ 인데, 폴리에틸렌에 곁가지 하나가 붙은 폴리프로필렌의 유리전이온도는 -10℃ 로 크게 차이가 나는 것을 알 수 있습니다. 더 큰 구조의 가지가 붙어 있는 폴리스티렌의 경우 유리전이온도가 100℃ 까지 높아지게 되고요.
그렇다면 유리전이온도가 왜 중요할까요? 유리전이온도 이하에서는 고분자의 움직임이 완전히 봉쇄되어 마치 유리와 같은 상태가 됩니다. 아주 단단하기 때문에 충격을 받았을 때 잘 깨질 수 있다는 뜻이죠. 그렇기 때문에 고분자를 사용하는 용도와 더불어 환경이 어떤 조건이냐를 잘 따져 알맞은 고분자를 선택해 주어야 합니다. 아주 추운 곳에서 액체를 보관하려는 용도로 사용하는 용기에 유리전이온도가 높은 고분자를 사용한다면 쉽게 깨질 수 있으니까요.
이제 다시 처음으로 돌아가서 살펴본 예제들이 유리전이온도와 무슨 관계가 있는지 하나씩 살펴 볼게요. 껌도 고분자의 일종인데, 유리전이온도가 입안의 온도와 유사하여 입에 넣고 씹으면 말랑말랑 해지는 거예요. 차가운 물을 마시면 유리전이온도 아래로 내려가기 때문에 껌이 단단해지는 것이고요. 섬유도 고분자 물질인데, 다림질로 온도를 가해주면 고분자가 움직일 수 있게 됩니다. 이 때 다리미의 무게로 눌러주어 주름이 없어진 형태로 고정을 시켜주는 거죠. 마지막으로 생수병은 유리전이온도가 76℃ 정도인 PET 소재로 만들어지기 때문에 뜨거운 물을 붓게 되면 원래의 모양을 잃고 변형을 일으키게 되는 것이랍니다.
우리 생활에 늘 함께하는 고분자 이야기, 어떠셨나요? 다음에도 재밌는 주제로 찾아올게요~
(글: 한화토탈 한예은 과장)
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