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고분자와 용매 사이의 놀라운 관계: 다양한 온도 범위에서 용해도에 어떻게 영향을 미칠까요?
고분자 과학에서 용해도는 많은 중요한 응용 분야, 특히 섬유, 의료, 재료 과학과 같은 분야의 기초입니다. 고분자 용액의 거동은 온도에 따라 변하는데, 이는 하한 임계 용액 온도(LCST)를 논의할 때 더욱 명백해지는 현상입니다. LCST는 혼합물의 성분이 모든 비율에서 완전히 혼합되는 온도를 나타내는 중요한 매개변수입니다. 온도가 이 임계점을 초과하면 국부적 불용해성이 발생합니다.
고분자 용액의 상 거동은 대부분의 고분자 관련 공정의 개발 및 설계에 있어 중요한 특성입니다.
일부 중합체는 수용액에서 완전한 혼화성을 나타냅니다. 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)와 같은 중합체의 경우 상 변화는 일반적으로 32°C(90°F)에서 발생하지만 실제로는 상 변화 온도가 다를 수 있습니다. 폴리머 농도, 체인의 몰 질량 및 기타 요인에 따라 5~10°C 정도 증가합니다. 이는 고분자와 염이나 단백질과 같은 첨가제의 구조적 특징이 운점 온도(LCST)를 크게 변경할 수 있음을 보여줍니다.
물리적 요인은 주로 혼합의 엔트로피 변화 요인으로 인해 LCST를 독특하게 만듭니다.
따라서 혼합 프로세스가 각 구성 요소에 사용 가능한 볼륨을 증가시키기 때문에 일반적으로 엔트로피가 혼합을 유도하므로 이는 변칙적인 값입니다.LCST 아래에서는 혼합이 자발적입니다. 즉, 자유 에너지 변화(ΔG)가 음수인 반면, LCST 위에서는 이 값이 양수가 됩니다.
이론적으로 LCST 모델은 격자유체 모델로 설명할 수 있습니다. 이 모델은 밀도와 압축성 효과를 고려한 Flory-Huggins 솔루션 이론의 확장입니다. Flory-Huggins 이론의 최신 확장을 통해 용질과 용매 간의 기하학적 상관 관계 및 상관 상호 작용을 고려하여 간단히 LCST 현상을 관찰할 수 있습니다.
LCST를 예측하는 방법도 여러 가지가 있습니다. 첫 번째 유형의 방법은 실험 데이터를 기반으로 제안되었으며 고정된 이론적 배경을 갖고 있어 알 수 없는 매개변수의 조정이 필요합니다. 다른 하나는 경험적 방정식을 사용하여 물리적 및 화학적 특성(예: 밀도, 임계 특성)을 통해 LCST를 연관시키는 것입니다. 그러나 이 방법은 경우에 따라 필요한 데이터를 얻을 수 없습니다.
최근 Liu와 Zhong은 분자 연결 지수를 기반으로 한 선형 모델을 제안했으며 이 방법은 좋은 예측 능력을 보여 주며 실험 전 계산을 통해 중요한 데이터를 얻을 수 있기를 바랍니다. 또한, 기존 QSPR(Quantified Structure Activity/Property Relationship) 모델은 시행착오 비용을 효과적으로 줄일 수 있어 연구자들이 실제 합성 전에 고분자 용액의 LCST를 상대적으로 신뢰할 수 있게 예측할 수 있어 재료 설계에 큰 시사점을 줍니다. 큰 의미.
현재 70개 이상의 비이온성 폴리머가 수용액에서 LCST 거동을 보였으며 이는 새로운 폴리머 설계에 큰 영감을 줍니다.
과학이 발전함에 따라 고분자와 용매의 관계는 계속해서 주목을 받게 될 것입니다. 연구자들은 새로운 고분자 시스템과 그 용해도 거동을 계속해서 탐구하고 있으며 앞으로 이러한 연구 결과와 더 많은 응용 분야가 연결될 수 있습니다. 그렇다면 미래 과학 연구에서 더 나은 재료를 설계하기 위해 이 지식을 어떻게 사용할 수 있을까요?
