플라스틱 유리전이온도, 녹는점과 고분자의 분자량 관계

유리전이온도(Tg)와 녹는점(Tm)은 고분자의 분자량과 밀접한 관계가 있습니다. 고분자의 분자량은 분자 사슬의 길이를 결정하며, 이는 고분자의 열적 특성과 상전이 온도에 영향을 줍니다. 아래에서 이 관계를 상세히 설명하겠습니다.

1. 유리전이온도(Tg)와 분자량의 관계

가. 유리전이온도란?

• 유리전이온도(Tg)는 고분자가 유리상태(딱딱하고 비정질)에서 고무상태(유연하고 탄성)로 전이되는 온도입니다.
• 주로 비정질 고분자(또는 결정질 고분자의 비정질 부분)에서 나타납니다.

나. 분자량의 영향

• 저분자량 고분자의 경우, 분자 사슬의 끝단(말단 효과)이 더 큰 영향을 미칩니다. 말단은 유리전이 온도에 기여하지 않으므로, 저분자량일수록 Tg가 낮아집니다.
• 분자량이 증가하면 말단의 영향이 점점 작아지며, Tg는 일정 값에 수렴합니다.

다. Tg와 분자량의 상관식

Tg와 분자량(Mn) 간의 관계는 Fox-Flory 방정식으로 설명됩니다

 

• Tg,∞​: 매우 큰 분자량에서의 유리전이온도 (이론적 한계값).
• K: 물질 특유의 상수.
• Mn​: 수 평균 분자량.

라. 특징

• 저분자량 고분자: 분자량이 작아질수록 Mn​이 작아지므로 Tg가 급격히 낮아짐.
• 고분자량 고분자: 분자량이 어느 정도 이상이 되면 Tg,∞​에 가까워지며, 분자량 증가가 Tg에 거의 영향을 미치지 않음.

2. 녹는점(Tm)과 분자량의 관계

가. 녹는점이란?

• 녹는점(Tm)은 결정질 고분자에서 고체 결정이 용융하여 액체 상태로 전이되는 온도입니다.
• 고분자에서 녹는점은 완전한 결정 영역(결정화도)에 크게 좌우됩니다.

나. 분자량의 영향

• 분자량이 작을수록 분자 사슬의 길이가 짧아지며, 결정구조를 형성하는 데 제한이 생깁니다.
• 이로 인해, 저분자량 고분자는 용융 시 더 적은 에너지가 필요하므로 녹는점이 낮아집니다.
• 분자량이 증가하면 Tm은 일정 값에 가까워지며, 상한선을 가지게 됩니다.

다. Tm와 분자량의 상관식

Tm과 분자량의 관계는 Gibbs-Thomson 방정식으로 설명됩니다

• Tm,∞​: 무한히 큰 분자량에서의 녹는점.
• K: 물질 특유의 상수.
• Mn​: 수 평균 분자량.

라. 특징

• 저분자량 고분자: 분자량이 작을수록 Tm이 크게 낮아짐.
• 고분자량 고분자: 분자량이 증가하면 Tm,∞​에 수렴하며, 분자량 증가가 Tm에 미치는 영향이 감소.

3. 실험적으로 분석

• Tg 측정: DSC (Differential Scanning Calorimetry) 또는 DMA (Dynamic Mechanical Analysis) 사용.
• Tm 측정: DSC로 결정질 고분자의 용융 곡선을 분석.