7. 고분자

고분자는 열가소성(Thermoplastics) 혹은 열경화성(Thermoset)으로 나뉜다.
열가소성은 고온에서 잘 휘어져 모양을 바꿀 수 있지만,
열경화성은 고온에서 가교를 형성하여 더 단단해진다.
그러므로 열가소성은 재활용 가능하다.

고분자는 기본적으로 탄화수소를 바탕으로 한다.
이러한 탄화수소 유기 화합물이 길게 연결된 것을 고분자라 부른다.
따라서 반복단위의 단량체로 명명한다.

폴리머	반복 단위	폴리머	반복 단위
폴리에틸렌(PE)	-CH2-CH2-	폴리(염화비닐)(PVC)	-CH2-CHCl-
(PTFE)	-CF2-CF2-	폴리프로필렌(PP)	-CH2-CHCH3-
폴리스티렌(PS)	-CH-CH(벤젠)-	아크(PMMA)	-CH2-C(CH3)(COOCH3)-
페놀-포름알데히드 (베이크라이트)	생략 (단계성장중합)	나일론 6, 6	-NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO-
폴리에스터(PET)	-CO-(벤젠)-CO-O-CH2-CH2-O-	폴리카보네이트(PC)	생략

PTFE는 소수성이 강해 고어텍스, 프라이펜 코팅에 이용된다.
PP는 가볍고 물에 잘 젖지 않아 가방에 주로 이용된다.
PS는 스티로폼으로 사용된다.
PC는 투명하고 단단하여 방탄유리, 렌즈, CD 등에 이용된다.


고분자는 길어질수록(분자량이 클수록) 인장 강도(Tensile Strength)가 늘어나는 경향이 있다.
고분자의 분자량은 개수-평균 분자량 혹은 무게-평균 분자량으로 구한다.
$\bar{M_{n}} = \sum x_{i}M_{i}$, $\bar{M_{w}} = \sum w_{i}M_{i}$

여기서 w는 가중치이며 $w_{i} = \frac{N_{i}W_{i}}{\sum N_{i}W_{i}}$로 구한다.
W는 구간의 대표값(평균)이다.

중합도(DP)는 사슬 내 반복 단위의 평균 개수를 나타낸다.
$DP = \frac{\bar{M_{n}}}{\bar{m}}$


탄화수소의 경우 다양한 이성질체를 가진다.
입체 규칙성(Tacticity)에 대해서,
모든  R군이 사슬에서 같은 쪽에 위치한다면 Isotactic,
위아래 규칙적으로 위치한다면 Syndiotactic 배열이라 한다.
무작위의 경우 Atactic이라 한다.

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고분자는 한가지 단량체로만 이루어지지 않는다.
따라서 균일 폴리머(homopolymer)보다 공중합체(copolymer)가 더욱 일반적이다.
하나하나 교대로 중합하기도,
블록 단위로 중합하기도,
한가지 균일 폴리머에 가지로 붙을 수도 있으며(접지 공중합체)
아예 랜덤하게 중합할 수도 있다.

폴리머의 배열은 일직선이 아니다.
따라서 만약 균일하게 층을 이루는 Chain folded structure의 경우 결정성을 띤다.
보통은 꼬불꼬불하게 비결정성이다.

이러한 결정화도는 다음과 같이 계산할 수 있다.
$\% crystallinity = \frac{M_{crystalline}}{M_{total}}×100\% = \frac{\rho_{c}V_{c}}{\rho_{s}V_{s}}×100\% = \frac{\rho_{c}}{\rho_{s}}f_{c}×100\%$
여기서 $f_{C} = \frac{\rho_{s}-\rho_{a}}{\rho_{s}-\rho_{a}}$이다.
$\rho_{s}$는 결정성도를 정해야 하는 재료의 밀도이다.


폴리머 내의 확산 특성은 투과성 계수($P_{M}$)로 나타낸다.
$J = -P_{M}\frac{\Delta P}{\Delta x}$