Yongsik Lee 2004 Dec

1. POLYMER Yongsik Lee 2004 Dec

2. 고분자 ( Polymer ) • polymer = poly(많은)+meros (부분) • 동일한 구조( monomer )의 수많은 반복단위로 된 화합물 • 중합체, 거대분자, 초분자 라고도 불린다. • 특징 • 저렴한 가격 • 뛰어난 물성

3. Natural Polymer • 동물 • 거미줄 • 덕다운 (Duck down) • 상아 • 식물 • 녹말 – starch (polymer of -glucose) • 나무 – cellulose (polymer of -glucose) • DNA, RNA, polypeptide, Proteins • 인간은 자연 고분자를 흉내내려 한다

4. Glucose

5. Two Form of Glucose

6. -glucose for cellulose

7. a-glucose for starch • Amylose • a 1,4 glycosidic bond • natural organic polymer • amylopectin • mostly amylose • a 1,6 glycosidic bond • 분말형태

8. Same glucose monomers? • 옥수수를 읽으면서 신문을 먹는다 • Amylase • enzyme for starch into glucose • cellulase • enzyme for cellulose into glucose

9. Fullerene and Nanotube

10. Buckminster Fuller (1895-1983)

11. Buckminster Fuller Dome

12. Expo 1967 Montreal

13. 1967 US Pavilion

14. Korea Pavilion 1967

15. History of Polymers • 1830년 Charles Goodyear 가 천연고무(latex)에 황을 가하여 타이어용의 고무 대량생산 • Latex (Rubber Tree) • isoprene

16. History of Polymers • 1870년 John Hyatt 셀루로이드 개발 • 상아 대체 • 당구공 제조회사의 만 달러 공모 • 1907년 Baekeland가 Bakelite(페놀-포름알데히드수지)개발, 대량 생산 • 중합체가 강한 화학결합으로 연결된 매우 큰 분자라는 고분자 가설을 당시 화학자들은 대부분 믿지 않았다. • 1938년 Dow사는 폴리스티렌 대량생산 • 1939년 듀퐁사는 나일론(nylon-6,6)을 대량생산하여 스타킹 판매 시작. 고분자 화학 발달에 계기

17. Amino Acid • Definition • an organic compound containing • an amino group (-NH2) • and a carboxyl group (-COOH)

18. Naturally Occuring Amino Acids

19. Classification of amino acids • Acidic • have side chains that contain a carboxyl group. • At cellular pH the carboxyl group is dissociated so that the R group has a negative charge. • Basic • are positively charged as a result of the dissociation of the amino group in their side chains. • Hydrophobic • Amino acids with nonpolar R groups(also known as side chains) • whereas, those with polar side chains are classified as hydrophilic. • Acidic and basic chains are ionic and therefore hydrophilic

20. Protein is a polymer of amino acids • Amino acid → polypeptide → protein • Amino acids are linked together by peptide bonds to form one or more subunits called polypeptides. • Long chains of polypeptides result in the formation of proteins.

21. Peptide bond Peptide bonding

22. Wallace Carothers(1896 - 1937) 나일론 개발은 장난에서 시작됐다. 윌리스 캐로더스가 잠시 실험실을 비운 사이 연구원들은 그동안 합성섬유를 개발하기 위해 만들어놓은 재료들을 가지고 누가 길게 실을 뽑는 장난을 했다. 이 때 연구원인 줄리언 힐이 병 속에 들어있는 폴리에스테르를 유리막대로 찍어 허공으로 휘젖자 마치 거미줄같은 실들이 길게 늘어뜨려졌다. 뒤늦게 이 사실을 안 캐로더스는 녹는점이 낮아 섬유를 만들 수 없는 폴리에스테르에 이런 성질이 있다면, 녹는점이 매우 높은 폴리아미드에도 같은 성질이 있을 것이라는 생각을 하게 됐다. 거듭된 연구 끝에 마침내 1938년 9월 듀퐁사가 전대미문의 섬유인 나일론을 개발했다고 발표했다.

23. 1940’s Nylon

24. Nylon stocking • Nylon was invented in 1938 by DuPont researcher Wallace Carothers. • When the first nylon stockings were offered in New York City on May 15, 1940, millions of pairs were sold within the first few hours • X200 SEM/EDX • Dee Breger ,Mgr. SEM/EDX Facility, Lamont-Doherty Earth Observatory

25. H2O H2O Condensation Polymerization

26. Polymerization Methods • Radical Polymerization, 첨가 반응 • Step-wise addition of monomers • Monomers have double bonds (불포화) • Polymers have carbon chain backbone • Condensation Polymerization, 축합반응 • Generate a small molecule (탈수) • Polymer can grow from both ends • Polymers have oxygen or nitrogen in backbone

27. Condensation Polymers Monomers Polymers adipic acid & hexyldiamine Nylon-66 terephthalic acid & phenylenediamine Kevlar terephthalic acid & ethylene glycol Dacron

28. Kevlar- Strong Fiber • 방탄조끼의 원료 • 윈드서핑 돛 • http://www.lbl.gov/MicroWorlds/Kevlar/index.html

29. Comparision of fibers

30. Tennis Kevlar string

31. Simulated Kevlar structure

32. Plastic Economy 일회용 라이터, 쇼핑백, 음료수 용기, 컴퓨터, 텔레비전, 그리고 자동차. 이들의 공통점은 무엇일까? 바로 ‘플라스틱’이 사용된다는 점이다. 최근 자동차, 항공기, 우주왕복선에 금속재료 대신 고성능 폴리머를 사용한다.

33. Polymers around us * orlon : 일광에 대한 저항성이 강한 것이 특징이며, 그 점에서 나일론의 결점을 보충하여 천막 ·커튼 ·햇빛가리개 ·돛 ·외출복, 우주복등에 사용 * lycra : 섬유의 비중이 작고 인장강도 ·굴곡성 ·내마모성 ·내열성이 우수하다. 외과 의료용 편성물, 탄성밴드, 수영복, 산업용 ·군용으로 많이 사용

34. *ABS : 스티렌·아크릴로니트릴·부타디엔의 세 성분으로 이루어진 스티렌수지. 일반적으로 가공하기 쉽고 내충격성이 크고 내열성도 좋다. 내열성 93°, 내충격성 4.5이다. 내충격성 4.5라는 것은 쇠망치로 때려도 깨지지 않을 정도의 강도이므로 자동차부품·헬멧·전기기기 부품·방적기계 부품 등 공업용품에 금속 대용으로 사용 *Neoprene : 클로로프렌고무 또는 이것에 소량의 다른 단위체를 중합시킨 합성고무의 상품명. 나일론의 발명자인 H.W.캐러더스에 의해 합성되어, 내약품성·내유성·내후성·내열성·내오존성·내마모성이 뛰어나다. 용도는 전선의 피복·호스·패킹·개스킷·구두창, 잠수복등 광범위하다.

35. Personal polymer * 의료용 고분자: 생체 분해성 고분자는 단순 가수분해 또는 효소의 작용으로 분해소멸되는 고분자이다. 대부분의 합성고분자는 분해되지 않지만, 일부 지방족 폴리에스터 혹은 폴리카보네이트들은 가수분해에 의해 천천히 분해된다. 치과용 고분자로는 구강내 특수한 상황으로 요구특성이 매우 까다로와, PMMA와 bis-GMA계 복합재가 주종을 이룬다. 혈액투석기, 혈장분리기, 인공심폐기등에 쓰이는 분리막 소재로는 PMMA, PP, PAN, polysulfone, cellulose, PVA, PE, poly(ethylene-co-vinylacetate)등이 사용된다. 인공피부 인공 뼈 인공혈관 * 콘택트 렌즈: 초기에 개봘된 PMMA는 투명하고 기계적 강도는 우수하나 착용감이 나쁘고 산소투과성이 거의 없으므로 시장에서 쇠퇴하고, 최근에 많이 쓰이는 경질 콘택트 렌즈에 재료로서 PHEMA(poly hydroxyethylmethacrylate)계 친수성 하이드로젤을 사용한다. PMMA에 비하여 기계적 강도는 떨어지지만, 친수성이며 산소투과성이 높아 널리 사용된다.

36. Engineering Plastics • 끓는 물에도 견디는 플라스틱 • 필름, 접착제,성형품,섬유, • 항공 우주, 전기전자,자동차 • 자동차 금속재료 대체 • 생활용품 • 고분자 복합재료

37. Conducting polymer • 전기를 통하는 플라스틱 • 부도체에서 도체까지 원하는 대로

38. 생분해성 고분자 캡슐 유산균 장까지 살아가는 비결

39. Biodegradable polymer • 인공장기를 키우는 틀로 활용 • 생 분해성 고분자를 이용해 귀의 형태를 만들고, 귓바퀴가 없는 사람의 귀 세포를 떼어내 배양액에서 키우면, 시간이 지나 틀을 유지하던 생 분해성 고분자는 분해되고 그곳에 귀의 형태를 가진 세포들이 자란다. 이렇게 만들어진 귀를 실험용 누드마우스나 사람에게 이식할 수 있다.

40. From monomers to polymer

41. Polymer Big Six • 빅 6 • 미국에서 연간 2600만톤 이상 생산 • 모두 석유를 원료로 사용 • Polyethylene (LDPE, HDPE) • Polypropylene (PP) • Polystyrene (PS) • Polyvinyl chloride (PVC) • Polyethyle terephthalate (PETE)

43. Polymers and Their Uses Monomer Polymer Applications Polyethylene Plastic bags, bottles, toys Polypropylene Carpeting, bottles Poly(vinyl chloride) Vinyl siding, indoor plumbing

44. Polymers and Their Uses Monomer Polymer Applications Polystyrene (PS) Insulation, outdoor furniture Polyacrylonitrile Yarns, fabrics, wigs

45. thermoplatic • 결정성과 비결정성 영역 • 결정성 영역 –기계적 강도, 불투명 • 유연성 • LDPE, HDPE, PP • 비결정성 • Cross-linking • 단단하고 늘이기가 어렵다 • 투명 • PETE, PS, PVC

47. Polyethylene Radical polymerization of ethylene

48. Classification of PE • Polyethylenes are classified according to their density, • density depends on the extent and type of branching present in the polymer • HDPE (high density PE) • MDPE (medium density PE) • LDPE (low density PE) • LLDPE (linear low density PE) • a substantially linear polymer, with significant numbers of short branches, commonly made by copolymerization of ethylene with longer-chain olefins.

49. LDPE vs. HDPE - branching

50. Uses of LDPE • 유연성 • 마요네즈나 케찹 용기 등의 플라스틱 squeeze bottle • 강도와 내화학성이 우수 • 약품, 음료, 화장품 용기에도 많이 사용된다 • 발포제품 • 기포를 함유하고 있으므로 완충포장재, 고층건물의 지붕바닥재 및 소음 방지재, 스포츠레저용품 • 우수한 전기절연성, 유연성 • 옥내 외 각종 전선의 절연체, 피복