고분자화학
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1. 개요
고분자 화학은 자연계에 존재하는 고분자 물질과 인공적으로 합성된 고분자 물질의 화학적 특성과 반응을 연구하는 학문이다. 인류는 고대부터 고분자를 활용해 왔으며, 19세기에는 나이트로셀룰로스, 폴리스타이렌 등이 개발되었고, 20세기 초에는 레이온이 발명되었으나, 고분자 화학은 헤르만 슈타우딩거의 연구를 통해 학문으로 자리 잡았다. 고분자는 생체고분자, 합성고분자, 무기고분자로 분류되며, 단량체의 중합으로 형성된다. 고분자의 특성은 중합도, 몰 질량 분포, 택티시티 등 다양한 요소에 의해 결정되며, 용액 내 특성, 열적 특성 등도 중요한 연구 대상이다. 고분자 연구는 고분자 구조론, 반응론, 그리고 새로운 고분자 개발 등 다양한 분야에서 이루어지고 있다.
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치글러-나타 촉매는 카를 치글러와 줄리오 나타가 발견한 촉매로, 올레핀 중합 반응을 촉진하여 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 다양한 폴리올레핀 생산에 사용되며, 특히 입체 규칙성 고분자 합성에 중요한 역할을 한다. - 고분자화학 - 유리 전이
유리 전이는 액체가 냉각 또는 압축될 때 고체와 유사해지는 현상으로, 점도 급증을 특징으로 하며 결정화와 달리 뚜렷한 구조 변화는 없고, 유리 전이 온도(Tg)는 유리 상태와 과냉각 액체 사이 전이가 일어나는 특정 온도를 의미하며, 재료의 열적, 역학적 특성에 영향을 미친다.
| 고분자화학 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 학문 분야 | 화학, 고분자 과학 |
| 하위 분야 | 고분자 합성, 고분자 반응, 고분자 물리화학, 고분자 재료 과학 |
| 설명 | |
| 정의 | 고분자의 합성, 화학적 성질, 물리적 성질을 연구하는 화학의 한 분야이다. |
| 관련 학문 | 화학, 물리학, 재료공학 |
| 주요 개념 | 중합 분자량 고분자 구조 고분자 용액 고분자 결정 점탄성 |
| 참고 문헌 | |
| 웹사이트 | 고분자 마크로갤러리 |
| 도서 | George G. Odian, Principles of Polymerization (ISBN 9780471478751) |
| 기타 | |
2. 역사
19세기에 나이트로셀룰로스나 폴리스타이렌이, 20세기 초에는 레이온이 발명 및 발견되었으나, 고분자화학이 학문으로 확립된 것은 비교적 최근의 일이다. 앙리 브라코노의 1777년 연구와 크리스티안 쇤바인의 1846년 연구는 나이트로셀룰로스 발견으로 이어졌으며, 이는 장뇌로 처리하면 셀룰로이드가 되었다. 에테르 또는 아세톤에 용해되면 콜로디온이 되는데, 이는 미국 남북 전쟁 이후부터 상처 치료제로 사용되었다. 셀룰로오스 아세테이트는 1865년에 처음 제조되었다. 1834년부터 1844년까지 고무(폴리이소프렌)의 성질이 황으로 가열하면 크게 개선된다는 사실이 발견되어 가황 공정이 확립되었다.
1884년 힐레르 드 샤르도네는 재생 셀룰로오스 또는 비스코스 레이온을 기반으로 한 최초의 인조 섬유 공장을 설립하여 비단의 대체재로 사용했지만, 매우 인화성이 높았다.[5] 1907년 레오 베이클랜드는 생물체의 산물과 무관하게 최초로 만들어진 고분자인 베이클라이트라는 열경화성 페놀-포름알데히드 수지를 발명했다. 같은 시기에 헤르만 로이히스는 아미노산 N-카르복시무수물과 친핵체와의 반응 시 고분자량 생성물을 합성했다고 보고했지만, 직속 상사였던 헤르만 에밀 피셔가 6,000 달톤을 초과하는 공유 결합 분자의 가능성을 부정했기 때문에 이들을 고분자라고 언급하지 않았다.[6] 셀로판은 1908년 자크 브란덴버거가 비스코스 레이온 시트를 산으로 처리하여 발명했다.[7]
2. 1. 전사
자연계에 존재하는 고분자 화합물은 주로 당쇄, 단백질, 핵산 등 유기 고분자 생체 물질로 다양하게 발견된다. 따라서 연구 대상인 고분자 자체는 유사 이전부터 인류의 생활 속에 존재해 왔다. 인류는 기원전 3000년 고대 인도 문명의 유적에서 발견된 면포나 신석기 시대 중국에서 시작된 견직물 등 천연 고분자를 오래전부터 이용해 왔다. 하지만 면이나 비단이 셀룰로스나 피브로인과 같은 고분자라는 사실은 알려져 있지 않았다.[12] 19세기에는 나이트로셀룰로스와 폴리스타이렌이, 20세기 초에는 레이온이 발명 또는 발견되었지만, 고분자 화학이 학문 분야로 확립된 것은 비교적 최근의 일이다.2. 2. 고분자 화학의 확립
1926년 헤르만 슈타우딩거는 셀룰로오스와 단백질 같은 물질이 비슷한 성질을 가진 단량체가 다수 결합된 사슬 모양의 거대분자이며, 이것이 고분자의 성질을 결정한다고 주장했다. 처음에는 무시당했지만, 이 견해는 곧 널리 인정받게 되었다.[12][13]슈타우딩거는 1917년 스위스 화학공업협회 강연에서 「고분자설」을 처음 언급했고, 1920년 독일화학회지에 발표했다. 그는 천연고무 등의 물질이 일반적인 유기화합물(저분자화합물)처럼 공유결합으로 구성되어 매우 길게 연결되어 있다고 주장했다. 하지만 당시에는 확고한 실험적 증거가 없었고, 많은 화학자들이 회합체설을 지지하며 슈타우딩거의 주장에 맹렬히 반대했다.[13] 1926년 9월 23일, 뒤셀도르프 심포지엄에서 토론이 이루어졌지만, 5명의 발표자 중 슈타우딩거만이 고분자설을 지지했다.[13]
전분을 이용한 등중합도 반응은 공유결합설을 뒷받침하는 결정적인 실험적 증거를 제공했다. 전분을 삼초산전분으로 만든 후, 다시 전분이나 메틸전분으로 유도하고, 여러 용매를 사용하여 용액 삼투압을 측정했다. 그 결과, 화학적 변형에 의해 중합도가 거의 변하지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 이는 회합체설에서 예상하는 회합 상태 변화와 상반되는 결과였다. 슈타우딩거는 셀룰로오스나 폴리아세트산비닐 등에서도 유사한 실험을 통해 공유결합설을 증명했다.[14] 1935년까지 이어진 논쟁은 1936년 슈타우딩거가 자신의 연구 성과를 총괄한 논문을 발표하면서 종결된 것으로 독일화학회지 편집부가 판단했다.[13]
2. 3. 발전
1926년 헤르만 슈타우딩거는 셀룰로스와 단백질 같은 물질이 비슷한 성질을 가진 단량체가 다수 결합된 사슬 모양의 거대분자이며, 이것이 고분자의 성질을 결정한다고 주장했다. 처음에는 무시당했지만, 이 견해는 곧 널리 인정받게 되었다.[5]1940년대 이후 석유화학공업의 발전과 함께 고분자화학은 급속도로 발전했다. 초기에는 월리스 캐러더스의 나일론 6,6 (1930년) 등의 합성 섬유에 응용되어, 오늘날에는 의류에서 어망까지 천연 섬유 대신 쓰일 정도로 많이 이용되게 되었다. 또한 폴리프로필렌 등으로 대표되는 합성 수지 (플라스틱)는 건축 자재 및 기계 부품에서 일용품의 소재로서 폭넓게 이용되고 있다.
화학자 헤르만 슈타우딩거는 고분자가 공유 결합으로 연결된 긴 원자 사슬로 구성되어 있으며, 이를 거대분자라고 불렀다. 그의 연구는 고분자에 대한 화학적 이해를 확장했고, 네오프렌, 나일론, 폴리에스터와 같은 고분자 재료가 발명되는 고분자 화학 분야의 확장으로 이어졌다. 월리스 캐러더스는 1931년 네오프렌이라는 최초의 합성 고무, 최초의 폴리에스터를 발명했고, 1935년에는 실크를 완벽히 대체할 나일론을 발명했다. 폴 플로리는 1950년대 용액에서 고분자 무작위 코일 배열에 대한 연구로 1974년 노벨 화학상을 수상했다. 스테파니 크워렉은 1966년에 특허를 받은 케블라라는 아라미드 또는 방향족 나일론을 개발했다. 카를 치글러와 줄리오 나타는 알켄의 중합을 위한 치글러-나타 촉매를 발견한 공로로 노벨상을 수상했다. 앨런 히거, 앨런 맥다이어미드, 히데키 시라카와는 폴리아세틸렌 및 관련 전도성 고분자 개발에 대한 공로로 2000년 노벨 화학상을 수상했다.[8]
1940년 헤르만 슈타우딩거의 지휘 아래 독일 프라이부르크에 거대분자 화학 연구소가 설립되었다. 미국에서는 1941년 허먼 마크에 의해 브루클린 폴리테크닉 연구소(현 뉴욕대학교 폴리테크닉 연구소)에 고분자 연구소가 설립되었다.
| 과학자 | 주요 업적 |
|---|---|
| 헤르만 슈타우딩거 | 고분자 개념 제시, 거대분자 개념 확립 (1953년 노벨 화학상) |
| 월리스 캐러더스 | 네오프렌(최초의 합성 고무), 폴리에스터, 나일론 발명 |
| 폴 플로리 | 용액 내 고분자 무작위 코일 배열 연구 (1974년 노벨 화학상) |
| 스테파니 크워렉 | 케블라(아라미드 섬유) 개발 |
| 카를 치글러, 줄리오 나타 | 치글러-나타 촉매 개발 (노벨상) |
| 앨런 히거, 앨런 맥다이어미드, 히데키 시라카와 | 전도성 고분자 개발 (2000년 노벨 화학상) |
고분자는 그 기원에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
현재는 종래보다 고강도, 고수율 또는 특수한 기능을 가진 고분자를 만드는 등의 연구가 진행되고 있다. 또한, 나노기술 분야로서 생체고분자 및 초분자의 성질을 규명하는 연구도 활발하다.
3. 분류
생체고분자는 생물체의 유기물 대부분을 구성하는 구조적 및 기능적 물질이다. 아미노산으로부터 유래된 단백질, 당으로부터 유래된 셀룰로오스, 키틴, 녹말과 같은 다당류, 유전 정보를 전달하는 뉴클레오타이드가 있는 인산화된 당으로부터 유래하는 DNA와 RNA 등이 생체고분자에 해당한다.[10]
합성고분자는 플라스틱, 합성섬유, 페인트, 건축자재, 가구, 기계 부품 및 접착제에 사용되는 구조 재료이다. 합성고분자는 열가소성 고분자와 열경화성 플라스틱으로 나눌 수 있다. 폴리에틸렌, 테플론, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리염화비닐, 나일론, 레이온은 열가소성 고분자에 속하며, 가황된 고무, 베이클라이트, 케블라, 폴리에폭시는 열경화성 플라스틱에 포함된다. 거의 모든 합성고분자는 석유화학제품으로부터 만들어진다.[10]
4. 고분자의 특성
고분자는 단량체의 중합에 의해 형성된 높은 분자량 화합물이다. 고분자의 형성과 특성은 스케이첸스-플리어 이론, 플로리-휴긴스 용액 이론, 코시-알만 메커니즘, 고분자 장 이론, 호프만 핵 생성 이론, 플로리-스톡마이어 이론 등 많은 이론에 의해 설명되어 왔다.
고분자는 물리적, 화학적 특성을 가진다. 물리적 특성에는 중합도, 몰 질량 분포, 택티시티, 공중합체 분포, 가지화 정도, 말단기, 가교 결합, 결정성 등이 있으며, 화학적 특성에는 용해도, 점도, 겔화 등이 있다.
4. 1. 구조적 특성
고분자는 단량체의 중합으로 만들어지는 분자량이 큰 화합물이다. 중합 과정으로 합성되며, 단량체를 더하여 특성을 바꿀 수 있다. 단량체를 추가하면 고분자의 기계적 성질, 가공성, 내구성이 변한다. 고분자에서 반복되는 구조 단위는 단량체로부터 유도된다. 고분자는 중합도, 몰 질량 분포, 택티시티, 공중합체 분포, 가지화 정도, 말단기, 가교 결합, 결정성, 유리 전이 온도, 녹는점 등 다양한 방법으로 설명할 수 있다. 용액 속의 고분자는 용해도, 점도, 겔화 등 특별한 성질을 가진다.[10] 고분자 화학의 정량적 측면에서는 수평균 분자량 ''M''n과 중량 평균 분자량 ''M''w를 사용한다.:''M''n = Σ ''M''i ''N''i / Σ ''N''i, ''M''w = Σ ''M''i2 ''N''i / Σ ''M''i ''N''i
4. 2. 용액 내 특성
고분자는 용액 속에서 용해도, 점도, 겔화와 관련하여 특별한 특성을 지닌다.[10] 고분자 사슬이 길어지고 분자량이 증가함에 따라 점도 또한 증가하는 경향이 있다. 따라서 고분자의 점도 측정은 고분자의 평균 사슬 길이, 반응 진행 정도, 그리고 고분자의 가지 형태 등에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있다.[11]4. 3. 열적 특성
고분자는 유리 전이 온도와 녹는점과 같은 열적 특성으로 설명할 수 있다.[10] 고분자 열역학 연구는 폴리스티렌(스티로폼) 및 폴리카보네이트와 같은 다양한 고분자 기반 재료의 물질적 특성을 개선하는 데 도움이 된다. 일반적인 개선 사항에는 강인화, 충격 저항 개선, 생분해성 개선 및 재료의 용해도 변경이 포함된다.[10]5. 고분자 연구 분야
고분자 화학은 다음과 같은 여러 연구 분야를 포함한다.
- '''고분자 합성''': 중합 방법을 이용하여 새로운 고분자를 합성하는 방법을 연구한다.
- '''고분자 구조론''': X선 회절 등의 방법을 이용하여 고분자의 구조를 연구한다. 저분자량 물질 연구 방법과 유사한 방법을 사용한다.
- '''고분자 반응론''': 새로운 중합 반응을 위한 촉매 연구를 포함한다.
- '''고분자 물성''': 고분자의 물리적, 화학적 성질을 연구한다.
- '''고분자 가공''': 고분자를 원하는 형태로 가공하는 방법을 연구한다.
- '''고분자 응용''': 고분자의 새로운 응용 분야를 개발한다.
5. 1. 고분자 구조론
저분자량 물질의 경우와 마찬가지로, X선 회절, 전자선 회절, 중성자선 회절, 적외선 분광법, 라만 산란, 핵자기 공명(NMR) 등의 방법을 이용하여 고분자 구조를 연구하고 있다.5. 2. 고분자 반응론
새로운 중합 반응을 위한 촉매 연구도 포함된다.참조
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웹사이트
The Macrogalleria: A Cyberwonderland of Polymer Fun
http://www.pslc.ws/m[...]
2018-08-01
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The Plastics Historical Society
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Polypeptides and 100 Years of Chemistry of α-Amino Acid N-Carboxyanhydrides
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Electroluminescence in conjugated polymers
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문서
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