중합
Polymerization| 고분자과학 |
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중합(Polymerization, American English) 또는 중합(Polymerization, British English)은 고분자 사슬 또는 3차원 네트워크를 형성하기 위해 화학 반응에서 단량체 분자를 함께 반응시키는 과정입니다.[1][2][3] 중합에는[4] 여러 가지 형태가 있으며 이를 분류하기 위해 다양한 시스템이 존재합니다.
화학 화합물에서 중합은 반응물에[3] 존재하는 작용기와 그 고유의 입체 효과로 인해 복잡성이 달라지는 다양한 반응 메커니즘을 통해 발생할 수 있습니다. 더 간단한 중합에서 알켄은 비교적 단순한 라디칼 반응을 통해 폴리머를 형성합니다; 반면, 카보닐기에서의 치환을 수반하는 반응은 반응물이 중합하는 방식 때문에 더 복잡한 합성을 필요로 합니다.[3]
알켄은 다소 단순한 라디칼 반응에서 중합할 수 있기 때문에 폴리에틸렌과 폴리염화비닐(PVC)과 같은 유용한 화합물을 형성하는데,[3] 이는 배관, 단열재 및 포장과 같은 상업용 제품의 제조 공정에서 유용하기 때문에 매년[3] 높은 톤수로 생산됩니다. 일반적으로 PVC와 같은 폴리머는 동일한 단량체 단위의 반복된 긴 사슬 또는 구조로 구성되어 있으므로 "호모폴리머"(homopolymer)로 지칭되는 반면, 하나 이상의 단량체 단위로 구성된 폴리머는 공중합체(또는 공중합체)로 지칭됩니다.[5]
| 호모폴리머
공중합체 |
포름알데히드 수화물 또는 단순 알데히드와 같은 다른 단량체 단위는 상당히 낮은 온도에서 중합할 수 있습니다(ca). -80 °C)에 의해 삼량체를 형성하는 분자;[3] 고리형 구조를 형성하기 위해 고리형 구조를 형성하거나 추가 반응을 거쳐 사량체 [3]또는 4개의 단량체 단위 화합물을 형성할 수 있는 3개의 단량체 단위로 구성된 분자. 이러한 작은 폴리머를 올리고머라고 합니다.[3] 일반적으로 포름알데히드는 예외적으로 반응성이 있는 친전구체이기 때문에 반아세탈 중간체의 친핵성 첨가를 허용하며, 이는 일반적으로 수명이 짧고 상대적으로 불안정한 "중간 단계" 화합물로 존재하는 다른 비극성 분자와 반응하여 보다 안정적인 고분자 화합물을 형성합니다.
충분히 조절되지 않고 빠른 속도로 진행되는 중합은 매우 위험할 수 있습니다. 이 현상은 자동 가속으로 알려져 있으며 화재와 폭발을 일으킬 수 있습니다.
단계 성장 대 사슬 성장 중합
단계 성장과 사슬 성장은 중합 반응 메커니즘의 주요 클래스입니다. 전자는 종종 구현하기가 더 쉽지만 화학량론의 정확한 제어가 필요합니다. 후자는 고분자량 폴리머를 더 안정적으로 제공하지만 특정 단량체에만 적용됩니다.
단계적 성장
단계 성장(또는 단계) 중합에서, 임의의 길이의 반응물 쌍은 각 단계에서 결합하여 더 긴 중합체 분자를 형성합니다. 평균 어금니 질량은 천천히 증가합니다. 긴 사슬은 반응 후반에만 형성됩니다.[6][7]
단계 성장 폴리머는 보통 질소 또는 산소와 같은 헤테로 원자를 포함하는 단량체 단위의 작용기 사이의 독립적인 반응 단계에 의해 형성됩니다. 대부분의 단계 성장 고분자는 고분자 사슬이 길어지면 물과 같은 작은 분자가 손실되기 때문에 축합 고분자로 분류되기도 합니다. 예를 들어, 폴리에스테르 사슬은 알코올과 카르복실산 그룹의 반응에 의해 성장하여 물의 손실과 함께 에스테르 연결을 형성합니다. 그러나, 예외가 있으며, 예를 들어 폴리우레아는 물 또는 다른 휘발성 분자의 손실 없이 이소시아네이트 및 알코올 2관능 단량체로부터 형성된 단계 성장 중합체이며, 축합 중합체가 아닌 부가 중합체로 분류됩니다.
단계 성장 폴리머는 낮은 전환율에서 매우 느린 속도로 분자량이 증가하고 매우 높은 전환율에서만 적당히 높은 분자량에 도달합니다(즉, >95%). 폴리아미드(예를 들어, 나일론)를 공급하기 위한 고체 중합은 단계 성장 중합의 예입니다.[8]
연쇄성장
사슬-성장(또는 사슬) 중합에서, 유일한 사슬-확장 반응 단계는 자유 라디칼, 양이온 또는 음이온과 같은 활성 중심을 갖는 성장 사슬에 모노머를 첨가하는 것입니다. 활성 중심의 형성에 의해 사슬의 성장이 시작되면 일반적으로 일련의 단량체를 추가함으로써 사슬 전파가 빠릅니다. 반응 초기부터 긴 사슬이 형성됩니다.[6][7]
사슬 성장 중합(또는 부가 중합)은 불포화 단량체, 특히 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 결합을 함께 연결하는 것을 포함합니다. 파이 결합은 새로운 시그마 결합이 형성되어 손실됩니다. 연쇄 성장 중합은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐(PVC), 아크릴레이트와 같은 폴리머의 제조에 관여합니다. 이러한 경우 알켄 RCH=CH는 고분자량 알칸(-RCH-)(R = H, CH, Cl, COC)으로 전환됩니다.
사슬 성장 중합의 다른 형태로는 양이온 부가 중합과 음이온 부가 중합이 있습니다. 사슬 성장 중합의 특별한 경우는 살아있는 중합으로 이어집니다. 지글러-나타 중합을 통해 폴리머 분기를 상당히 제어할 수 있습니다.
사슬 중합 중에 개시, 전파 및 종결 속도를 조작하기 위해 다양한 방법이 사용됩니다. 이와 관련된 문제는 열 관리라고도 불리는 이러한 반응 동안의 온도 제어이며, 이는 종종 고도의 발열성을 갖습니다. 예를 들어 에틸렌의 중합의 경우 단량체 1몰당 93.6kJ의 에너지가 방출됩니다.[8]
중합이 진행되는 방식은 고도로 진화된 기술입니다. 방법은 유화중합, 용액중합, 현탁중합, 침전중합 등이 있습니다. 폴리머 분산성과 분자량이 향상될 수 있지만, 이러한 방법은 용매로부터 생성물을 분리하기 위한 추가적인 처리 요구 사항을 도입할 수 있습니다.
광중합
대부분의 광중합 반응은 가시광선[9] 또는 자외선의 흡수에 의해 시작되는 사슬 성장 중합입니다. 광중합은 단계적으로 성장하는 중합일 수도 있습니다.[10] 광은 반응물 단량체에 의해 직접 흡수되거나(직접 광중합), 또는 광을 흡수한 다음 단량체에 에너지를 전달하는 광감작제에 의해 흡수될 수 있습니다. 일반적으로 개시 단계만 동일한 단량체의 일반적인 열중합 단계와 다르며, 이후의 전파, 종결 및 사슬 전달 단계는 변경되지 않습니다.[6] 단계 성장 광중합에서 빛의 흡수는 빛 없이 반응하지 않는 두 공단량체 사이의 부가(또는 축합) 반응을 유발합니다. 각 성장 단계는 빛의 도움을 필요로 하기 때문에 전파 주기가 시작되지 않습니다.[11]
광중합은 빛에 노출된 영역에서만 중합이 일어나기 때문에 사진이나 인쇄 과정으로 사용할 수 있습니다. 미반응 모노머는 노출되지 않은 영역에서 제거되어 릴리프 폴리머 이미지를 남길 수 있습니다.[6] 층별 스테레오리소그래피 및 2광자 흡수 3D 광중합을 포함한 여러 형태의 3D 프린팅은 광중합을 사용합니다.[12]
디지털 마이크로미러 장치를 사용하여 복잡한 구조를 제작하는 데 있어서도 단일 펄스를 사용한 다중 광자 중합이 입증되었습니다.[13]
참고 항목
참고문헌
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