고분자 결정화의 이해로부터 PLA Poly Lactic Acid의 물성 이해하기

 

PLA(Poly Lactic Acid) 출처: https://www.alpapowder.com/ko/117058/

서론

 

고분자 재료는 무정형 영역과 결정 영역으로 구성되어 있으며, 이 두 영역의 상대적인 비율과 구조가 고분자의 물성에 큰 영향을 미칩니다. 특히 결정 영역의 존재는 고분자의 강도, 강성, 열적 안정성 등 다양한 물성에 중요한 역할을 합니다.

일반적으로 결정 영역이 많을수록 고분자의 기계적 물성, 내열성, 화학 저항성 등이 향상되는 반면, 무정형 영역이 많을수록 유연성과 충격 강도 등이 증가합니다. 이는 결정 영역에서의 규칙적인 사슬 배열과 강한 사슬 간 결합력, 그리고 무정형 영역에서의 상대적으로 자유로운 사슬 움직임 때문입니다.

따라서 고분자 물성 설계의 핵심은 결정 영역과 무정형 영역의 균형을 적절히 조절하는 것입니다. 용도에 따라 요구되는 물성 특성이 다르므로, 이에 맞는 최적의 결정 영역과 무정형 영역 비율을 찾아내는 것이 중요합니다.

이러한 고분자 결정화 구조와 물성의 관계는 다양한 고분자 재료에서 관찰되지만, 특정 고분자 재료의 경우 독특한 분자 구조로 인해 결정화 거동이 달라질 수 있습니다. 대표적인 예로 폴리乳酸(PLA)을 들 수 있습니다.

PLA는 선형 폴리에스테르 고분자로, 분자 사슬 내 존재하는 에스테르 결합으로 인해 사슬의 유연성이 낮습니다. 이로 인해 PLA의 결정화가 어려워져 결정화도와 결정 크기가 작습니다. 결과적으로 PLA의 기계적 물성, 열적 안정성 등이 저하되는 문제가 발생합니다.

이러한 PLA의 물성 저하 문제를 해결하기 위해서는 다양한 접근 방식이 필요합니다. 공중합, 블렌딩, 첨가제 도입 등을 통해 PLA 사슬의 유연성을 높여 결정화도와 결정 크기를 향상시킬 수 있습니다. 또한 가교 도입이나 충전제 첨가 등으로 무정형 영역의 물성을 개선할 수 있습니다.

이와 같은 다양한 방법들을 통해 PLA의 전반적인 물성 향상을 도모할 수 있으며, 이는 PLA의 활용 범위를 확대하는 데 기여할 것으로 기대됩니다. 고분자 재료의 결정화 구조와 물성 간 상관관계에 대한 이해는 다양한 고분자 재료의 최적화된 설계와 개발에 필수적인 지식이라고 할 수 있습니다.

 

고분자 결정화 구조와 물성

 

고분자는 무정형 영역과 결정 영역으로 구성되어 있습니다.

결정 영역의 존재는 고분자의 강도, 강성, 열적 안정성 등 물성에 큰 영향을 미칩니다.

결정 영역이 많을수록 고분자의 기계적 물성, 내열성, 화학 저항성 등이 향상됩니다.

반면 무정형 영역이 많을수록 유연성, 충격 강도 등이 증가합니다.

 

결정 영역이 많을수록 기계적 물성, 내열성, 화학 저항성이 증가하는 이유

 

결정 영역에서는 고분자 사슬이 규칙적으로 배열되어 있어 사슬 간 결합력이 강해집니다. 이로 인해 인장 강도, 탄성률 등의 기계적 물성이 향상됩니다.

또한 결정 영역은 열적 안정성이 높아 내열성이 증가합니다.

결정 영역은 밀집된 구조로 인해 화학적 침투가 어려워 화학 저항성이 높아집니다.

 

무정형 영역이 많을수록 유연성과 충격 강도가 증가하는 이유

 

무정형 영역에서는 고분자 사슬이 무질서하게 배열되어 있습니다.

이로 인해 사슬 간 결합력이 약해져 사슬 간 상대적 움직임이 자유로워집니다.

이러한 유연성으로 인해 충격을 흡수할 수 있는 능력이 향상되어 충격 강도가 증가합니다.

또한 무정형 영역의 사슬 간 상대적 움직임이 자유로워 소성 변형이 용이해져 유연성이 향상됩니다.

 

결정 영역과 무정형 영역의 균형

 

고분자 물성은 결정 영역과 무정형 영역의 균형에 따라 달라집니다. 결정 영역이 많으면 강도, 강성, 내열성이 높아지지만 취성이 증가합니다. 무정형 영역이 많으면 유연성과 충격 강도가 증가하지만 강도와 내열성이 낮아집니다. 따라서 용도에 따라 최적의 결정 영역과 무정형 영역의 비율을 조절해야 합니다.

 

요약하면, 결정 영역에서는 사슬 간 결합력이 강해져 기계적 물성과 내열성이 향상되고, 무정형 영역에서는 사슬 간 상대적 움직임이 자유로워져 유연성과 충격 강도가 증가합니다. 이러한 균형을 조절하는 것이 고분자 물성 설계의 핵심입니다.

 

PLA의 분자 구조와 결정화

PLA는 선형 폴리에스테르 고분자로, 분자 사슬 중에 에스테르 결합이 존재합니다.
이 에스테르 결합으로 인해 PLA 분자 사슬의 유연성이 낮아 결정화가 어렵습니다.
PLA의 결정화도가 낮고 결정 크기가 작아 기계적 물성, 열적 안정성 등이 떨어집니다.

 

에스테르 결합이 분자 사슬의 유연성이 낮은 이유

 

에스테르 결합은 산소 원자와 두 개의 탄소 원자로 이루어진 극성 결합입니다. 이러한 에스테르 결합은 고분자 사슬의 유연성을 저하시키는 요인으로 작용합니다.

일반적으로 고분자 사슬의 유연성은 사슬 간 회전이 자유로울수록 높아집니다. 하지만 에스테르 결합은 사슬 간 회전을 제한하는 강직한 구조를 가지고 있습니다. 이로 인해 PLA 분자 사슬의 유연성이 낮아지게 됩니다.

 

사슬의 유연성이 낮아지면 결정화가 어려운 이유

사슬의 유연성이 낮아지면 고분자 사슬 간 규칙적인 배열이 어려워집니다. 이는 결정화 과정에서 문제가 되는데, 규칙적인 사슬 배열이 이루어져야 결정 핵이 생성되고 성장할 수 있기 때문입니다.

따라서 PLA의 에스테르 결합으로 인한 사슬 유연성 저하는 결정화를 어렵게 만들어, PLA의 결정화도를 낮추고 결정 크기를 작게 만드는 요인으로 작용합니다. 이로 인해 PLA의 기계적 물성과 열적 안정성이 감소하게 됩니다.

요약하면, PLA의 에스테르 결합은 고분자 사슬의 유연성을 낮추어 결정화를 어렵게 만들며, 이는 PLA의 물성 저하로 이어지는 것입니다.

 

PLA의 물성

낮은 결정화도로 인해 강도, 강성, 내열성 등의 물성이 저하됩니다.
무정형 영역이 많아 유리전이온도 부근에서 급격한 물성 저하가 발생합니다.
에스테르 결합의 가수분해로 인한 분자량 감소로 취성이 증가합니다.
낮은 내화학성으로 인한 화학적 열화로 물성이 저하됩니다.

 

낮은 결정화도로 인한 물성 저하되는 이유

결정화도는 고분자 사슬의 규칙적인 배열 정도를 나타내는 척도입니다.
결정화도가 낮으면 규칙적인 결정 구조가 적어 강도, 강성, 내열성 등의 물성이 저하됩니다.

무정형 영역이 많은 것으로 인한 물성 저하되는 이유

PLA는 결정화도가 낮아 무정형 영역이 많습니다.
무정형 영역은 분자 사슬이 불규칙적으로 배열되어 있어 분자간 상호작용이 약합니다.
유리전이온도 부근에서 이 무정형 영역의 분자 사슬이 유동성을 가지게 되어 급격한 물성 저하가 발생합니다.

 

PLA의 물성 향상 방안

 

공중합, 블렌딩, 첨가제 도입을 통한 결정화도 및 결정 크기 향상

공중합: PLA의 단량체 구조를 변화시켜 사슬의 유연성을 높일 수 있습니다. 이를 통해 고분자 사슬의 규칙적인 배열이 용이해져 결정화도와 결정 크기가 증가합니다.
블렌딩: 다른 고분자와의 블렌딩을 통해 PLA 사슬의 유연성을 높일 수 있습니다. 이는 결정화를 촉진하여 결정화도와 결정 크기를 향상시킵니다.
첨가제 도입: 핵제, 핵화제 등의 첨가제를 도입하면 결정 핵생성을 촉진하여 결정화도와 결정 크기를 증가시킬 수 있습니다.

가교, 충전제 도입을 통한 무정형 영역 물성 개선

가교: 고분자 사슬 간 가교 결합을 도입하면 무정형 영역의 분자 사슬 유동성을 억제할 수 있습니다. 이를 통해 유리전이온도 부근에서의 급격한 물성 저하를 방지할 수 있습니다.
충전제 도입: 무기 충전제를 도입하면 무정형 영역의 강성과 내열성을 향상시킬 수 있습니다. 충전제와 고분자 사슬 간 상호작용으로 인해 무정형 영역의 물성이 개선됩니다.

이와 같은 방법들은 PLA의 결정화도와 결정 크기를 높이고, 무정형 영역의 물성을 개선함으로써 PLA의 전반적인 물성 향상을 가능하게 합니다. 이를 통해 PLA의 강도, 강성, 내열성 등의 기계적 물성과 화학적 내구성을 향상시킬 수 있습니다.

 

결론

 

고분자 재료의 결정 영역과 무정형 영역의 상대적인 비율 및 구조는 다양한 물성 특성을 결정합니다. 결정 영역이 많을수록 기계적 물성, 내열성, 화학 저항성이 향상되지만 취성이 증가하며, 무정형 영역이 많을수록 유연성과 충격 강도가 증가합니다.

이는 결정 영역에서 규칙적으로 배열된 고분자 사슬로 인해 단단하고 강한 물성이 발현되지만 취성이 증가하는 반면, 무정형 영역에서는 불규칙적으로 배열된 고분자 사슬로 인해 유연성과 충격 흡수 능력이 향상되기 때문입니다.

대부분의 고분자 재료에서 이러한 결정화 구조와 물성의 관계가 관찰되지만, 특정 고분자의 경우 분자 구조적 특성으로 인해 독특한 결정화 거동을 보일 수 있습니다. 대표적인 예가 폴리 락틱산(PLA)으로, PLA의 에스테르 결합으로 인한 사슬 유연성 저하로 인해 결정화가 어려워져 물성이 저하됩니다.

PLA의 물성 향상을 위해서는 공중합, 블렌딩, 첨가제 도입 등을 통해 결정화도와 결정 크기를 높이고, 가교 도입이나 충전제 첨가 등으로 무정형 영역의 물성을 개선하는 접근이 필요합니다. 이를 통해 PLA의 기계적 물성, 열적 안정성, 화학적 내구성 등을 향상시킬 수 있습니다.

고분자 결정화 구조와 물성의 상관관계에 대한 이해는 다양한 고분자 재료의 최적화된 설계와 개발에 필수적인 지식입니다. 이러한 기초 지식을 바탕으로 새로운 고분자 소재의 개발과 기존 소재의 물성 향상을 위한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것입니다. 특히, 고분자 재료의 결정화 거동과 물성 간의 상관관계를 심도 있게 이해하고, 이를 응용하여 다양한 고분자 소재의 성능을 향상시키는 것이 중요할 것으로 보입니다.