고분자 망상 구조 형성 및 가교

가교는 고분자 사슬을 연속적인 망상 구조로 연결하여, 용해성 및 가융성 물질을 불용성 엘라스토머, 열경화성 수지 또는 겔로 변환시키며, 이들의 특성은 가교 밀도에 의해 결정됩니다.

Definition

가교는 분리된 고분자 사슬 사이에 공유 결합(또는 강한 물리적 결합)을 형성하는 것이며, 망상 구조 형성은 이러한 가교가 사슬을 단일 거대 분자로 연결하여 더 이상 용해되거나 녹지 않고 팽윤하며 탄성적으로 변형되는 과정입니다.

Scope

이 주제는 망상 구조 형성의 화학 및 통계학을 다룹니다: 다기능성 단량체를 이용한 단계 성장 중 가교, 사전 형성된 사슬의 가황 및 화학적 가교, 겔점 및 겔화 시 몰 질량의 발산, 졸 및 겔 분획 간의 구별, 가교된 망상 구조의 팽윤, 그리고 가교 밀도와 엘라스토머 및 열경화성 수지의 탄성률 간의 관계를 포함합니다.

Core questions

• 분지 시스템은 어느 정도의 반응 진행에서 겔점에 도달하는가?
• 가교 밀도는 탄성률, 팽윤 및 졸/겔 분할을 어떻게 결정하는가?
• 가황 및 열경화성 수지 경화는 중합 중 망상 구조 형성 과정과 어떻게 다른가?
• 가교된 망상 구조는 왜 팽윤되지만 용해되지 않는가?

Key theories

플로리-스톡마이어 겔화 이론

다기능성 단위체 간의 결합 형성에 대한 통계적 처리는 중량 평균 몰 질량이 발산하고 무한 망상 구조가 처음 나타나는 임계 전환점인 겔점을 예측하며, 이 지점을 넘어선 용해성 졸과 불용성 겔 간의 분포를 제공합니다.

고무 탄성 및 가교 밀도

가교된 망상 구조의 평형 탄성률은 단위 부피당 망상 구조 사슬 수에 비례하므로, 탄성률 또는 평형 팽윤 측정을 통해 가교 밀도와 가교점 사이의 평균 몰 질량을 알 수 있습니다.

Mechanisms

망상 구조는 중합 과정 중 기능성이 2보다 큰 단량체가 분지점을 생성하여 궁극적으로 무한 구조로 연결될 때 형성되거나, 중합 후 사전 형성된 사슬이 연결될 때 형성됩니다. 예를 들어, 가황 고무의 황 다리, 에폭시의 경화제, 또는 방사선에 의해 연결될 수 있습니다. 가교가 진행됨에 따라 몰 질량이 증가하고 분지가 증식하며, 겔점에 도달하면 단일 망상 구조가 시료 전체에 걸쳐 형성됩니다. 이 지점을 넘어서면 물질은 불용성 겔 분획과 함께 수축하는 용해성 졸 분획을 가지며, 망상 구조는 좋은 용매에서 가교 밀도에 의해 결정되는 정도로 팽윤됩니다.

Clinical relevance

가교는 현대 재료에 필수적인 엘라스토머, 열경화성 수지 및 겔을 생성합니다: 타이어 및 밀봉재용 가황 고무, 접착제 및 복합재용 에폭시 및 페놀 수지, 콘택트 렌즈, 초흡수성 물질 및 조직 지지체용 가교 하이드로겔 등이 있습니다. 열경화성 수지는 재용융될 수 없으므로, 망상 구조 형성은 재료가 용융에 의해 재활용 가능한지 여부도 결정합니다.

History

1839년 찰스 굿이어(Charles Goodyear)의 고무 가황 발견은 최초의 실용적인 가교 공정이었으며, 겔화의 통계 이론은 1941-1944년경 플로리(Flory)와 스톡마이어(Stockmayer)에 의해 독립적으로 개발되어 겔점을 예측하고 분자 분지화를 졸-겔 전이와 연결시켰습니다.

Key figures

• Paul Flory
• Walter Stockmayer
• Charles Goodyear

Seminal works

• flory1953
• odian2004

Frequently asked questions

겔점이란 무엇인가요?

겔점은 가교가 처음으로 전체 시료에 걸쳐 단일 망상 구조를 생성하는 임계 반응 진행 정도입니다. 이 지점에서 중량 평균 몰 질량이 발산하고 물질은 점성 액체에서 불용성, 탄성 겔로 변합니다.

가교된 고분자는 왜 팽윤되지만 용해되지 않나요?

공유 결합 망상 구조는 모든 사슬을 하나의 거대한 분자로 함께 묶어두므로, 용매가 망상 구조 안으로 들어가 팽창시킬 수는 있지만 개별 사슬을 분리할 수는 없습니다. 팽윤 정도는 가교 밀도가 증가함에 따라 감소합니다.