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재료공학/고분자

고분자(Polymer): 유리전이온도 Tg (Glass Transition Temperature)와 녹는점 Tm(Melting Temperature)

오늘의 과목: 고분자재료물성

 

유리전이온도 Tg (glass transition temperature)란?

 

일단은 유리전이온도를 정의하기에 앞서서 결정질 고분자(crystalline polymer)비정질 고분자(amorphous polymer)를 정의할 필요가 있다. 

 

(결정질과 비정질의 정의는 고분자 뿐만 아니라 금속, 세라믹 등의 다른 물질에서도 사용가능한 정의이다.)

 

먼저 결정질이란 물질 내부에 일정한 구조, 즉 규칙적 배열이 넓은 범위에서 존재하는 상태이며

 

비정질이란 물질 내부에 규칙적인 구조가 존재하지 않거나 규칙적인 배열이 매우 일부구간 존재하는 상태를 말한다. 

 

비정질 고분자는 불규칙한 배열로만 이루어져있고

 

결정질 고분자는 사실 준결정성 고분자로 칭하는것이 더 정확한데 이 이유는 모든 결정질 고분자는 필연적으로 비정질인 부분을 포함하기 때문이다. 100% 결정질 고분자는 존재할수 없다. 이유는 고분자 사슬이 길기 때문에 비정질인 구간이 반드시 생기게 되기 때문이다. 

 

이제 결정질 고분자/비정질 고분자에 대해 알았으니 유리전이온도에 대해서 알아보도록 하자. 

 


유리전이온도란 고분자의 사슬의 Brownian motion이 이전에 비해 훨씬 활발해지는 온도를 뜻한다. 유리전이온도를 지나게 되면 딱딱했던 glass like 고분자가 말랑한 rubber like 특징을 나타나게 된다. 유리전이온도는 비정질 고분자에서 나타나며 따라서 유리전이온도를 비정질 고분자의 전이온도라고 볼수 있다. 

 

(여기서 Brownian motion은 열에 의해 모양과 위치가 무작위로 변하는 운동을 의미한다.)

 

 

반면 결정질 고분자의 경우에는 유리전이온도와 녹는점 둘다를 가지고 있다.

 

먼저, 위에서 결정질 고분자는 일부 비정질 고분자로 이루어져있다고 했다. 따라서 결정질 고분자에서 나타나는 유리전이온도는 결정질 고분자 중에서 비정질 부분이 전이하는 온도이다. 다음으로 유리전이온도보다 더 높은 온도에서 녹는점(Tm: Melting Temperature)가 나타나는데, 이 녹는점은 결정질 고분자중 비정질 부분을 제외한 결정질 부분이 녹는 온도이다. 고분자가 녹는다는것은 고분자 사슬들이 규칙적인 배열을 잃게 됨을 의미한다. 

 

정리해보면 유리전이온도는 비정질의 전이온도이고 녹는점은 결정질이 녹는점이다. 

 

따라서 비정질 고분자는 유리전이온도만을 갖고, 결정질 고분자는 유리전이온도와 녹는점을 갖게 된다. 

 

유리전이온도가 녹는점보다 항상 낮은데, 그 이유는 바로 비정질의 분자간 결합력이 결정질의 분자간 결합력보다 약하기 때문이다. 결합력이 약하면 낮은 에너지를 가해줘도 쉽게 결합이 끊어진다. 

 

유리전이온도를 2차 전이점(second-order transition), 녹는점을 1차 전이점(first-order transition)이라고 부르기도 한다. (넘버링은 온도가 높은 순서대로 1, 2, 3...의 순서로 한다.)