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고분자 결정화의 비밀: 질서 있는 층 구조를 형성하는 방법은 무엇입니까?
고분자의 결정화 과정은 분자 사슬의 부분적 배열과 관련이 있습니다. 이러한 분자 사슬은 함께 접혀 라멜라라고 불리는 규칙적인 영역을 형성하며, 이는 구정이라고 불리는 더 큰 구형 구조로 더 조직화됩니다. 중합체의 결정화는 일반적으로 용융 상태로부터의 냉각, 기계적 연신 또는 용매 증발 중에 발생합니다. 이 과정은 폴리머의 광학적, 기계적, 열적, 화학적 특성에 영향을 미칩니다. 결정화도의 차이는 다양한 분석 방법을 통해 추정할 수 있으며 일반적으로 10%~80% 범위입니다. 결정성 폴리머는 종종 "반결정성" 폴리머라고 합니다.
결정화 메커니즘
용융상태에서의 응고
고분자는 용융 상태에서 불규칙한 엉킴을 형성하는 긴 분자 사슬로 구성됩니다. 일부 폴리머에서는 이 무질서한 구조가 냉각되면 그대로 남아 있어 빠르게 무정형 고체로 변형됩니다. 대조적으로, 다른 중합체는 냉각 시 분자 사슬을 재배열하여 크기가 1미크론 정도인 다양한 정도의 질서 영역을 형성합니다.
이러한 정렬된 영역은 반결정 구조로, 완전히 결정질도 아니고 완전히 비정질도 아닌 구조입니다.
핵형성
결정화의 첫 번째 단계는 특정 사슬이나 그 조각이 평행한 열 운동을 겪는 작은 나노 규모 영역의 형성과 관련된 과정인 핵 생성입니다. 이러한 핵 생성 지점은 특정 임계값에 도달한 후 사라지거나 계속 증가할 수 있습니다. 핵생성은 불순물, 염료, 가소제 및 기타 첨가제의 영향을 크게 받는데, 이를 이종 핵생성이라고 합니다.
용해로부터의 결정 성장
결정 성장은 접힌 폴리머 사슬 세그먼트를 추가하여 달성되며 융점 Tm 미만 및 유리 전이 온도 Tg 이상의 온도 범위에서만 발생합니다. 온도가 높을수록 분자 배열이 중단되고, 유리 전이 온도 이하에서는 분자 사슬 움직임이 동결됩니다.
결정화 스트레칭
용융 핵생성 과정 외에도 섬유 및 필름 생산에서는 또 다른 유형의 결정화가 발생하는데, 이는 일반적으로 폴리머가 분자를 부분적으로 배열하는 노즐을 통과할 때 폴리머가 받는 인장 응력으로 인해 발생합니다. 이러한 스트레칭은 섬유의 강도를 증가시킬 뿐만 아니라 광학 특성에 상당한 이방성을 생성합니다.
용액의 결정화
폴리머는 용액에서 결정화되거나 용매가 증발하는 동안 결정화될 수도 있습니다. 이 과정은 농도에 크게 의존합니다. 묽은 용액의 분자 사슬은 서로 연결될 수 없습니다. 농도가 증가할수록 분자 사슬 간의 상호 작용 가능성이 증가하여 결정화가 이루어집니다.
제한된 결정화
폴리머가 극도로 얇은 층이나 나노규모 공간 내에서 결정화되면 결정 핵형성과 성장이 크게 영향을 받을 수 있습니다. 이러한 제한된 환경은 종종 재료에 이방성 특성을 부여하는 독특한 층상 결정 배열을 초래합니다.
위상적 화학적 중합
위상적 화학적 중합을 통해 형성된 고분자는 일반적으로 결정성이며, 많은 경우 단량체가 고분자로 전환될 때 결정성이 보존됩니다. 이들 중합체의 결정 구조와 중합 메커니즘은 단결정 X선 회절에 의해 결정될 수 있으며, 반응은 용매나 시약 없이도 수행될 수 있습니다.
결정성 측정
고분자 내 정렬된 분자의 비율을 결정화도라고 하며 일반적으로 범위는 10%~80%입니다. 평가 과정에서는 밀도 측정, 시차 주사 열량계(DSC), X선 회절 및 핵자기 공명이 주요 방법입니다. 이러한 방법의 측정값은 데이터의 차이에 영향을 받습니다.
결정화도 측정은 폴리머의 내부 구조를 밝힐 뿐만 아니라 성능에 대한 중요한 지침이 됩니다.
반결정성 고분자의 특성
열적 및 기계적 특성
유리 전이 온도 이하에서는 비정질 고분자는 일반적으로 온도가 상승하고 분자 운동이 증가하여 탄성 특성을 생성하면서 단단하고 부서지기 쉽습니다. 반결정성 폴리머의 탄성 계수는 결정도가 증가함에 따라 변하며 매우 이방성입니다.
광학적 특성
결정질 중합체는 일반적으로 빛이 결정질 영역과 비정질 영역 사이의 경계면에서 산란되기 때문에 불투명합니다. 반면, 결정성이 낮거나 높은 폴리머는 투명성이 더 높으며 이는 염색 특성에도 영향을 미칩니다.
고분자 결정화 과정과 그 특성을 깊이 이해하면 미래 재료과학의 신비를 더 많이 밝혀낼 수 있을까요?
