Physical Nature of Polymerization Systems

높은 분자량의 고분자를 얻는 것은 중합 반응에 가장 고려해야할 사항이다. 물론 Step 중합에서도 마찬가지이다. Step 중합에서 높은 molecular weight 고분자를 얻는 방법은 무엇이 있을까? 우선 가장 먼저 side reaction(부반응)를 최소화하고 가능하다면 side reaction이 일어나지 않게끔 하는 것이다. side reaction이 존재하면 yield(수율)이 낮아지기 때문이다. 이를 위해 동일한 양 혹은 동일한 양과 최대한 가까운 상태에서 높은 순도의 반응물(reactant)을 사용해야 한다. 또한 molecular weight는 monofunctional reagents 또는 bifunctional reagent 중 하나가 과량으로 존재함으로 조절할 수 있게 된다. 대부분의 step 중합은 평형 반응(equilibrium reaction)이므로 물이나 염산과 같은 small molecule의 제거를 통해 고분자 생성물이 형성되는 방향으로 평형 방향을 조절할 수 있다.

Process Conditions

대부분의 step 중합 반응들은 상온에서 상대적으로 느린 속도로 진행된다. 높은 온도에서 진행하지 않는 이유로는 우선 온도를 낮출 수록 더 reaction rate를 더 많이 조절할 수 있게 되고 이는 중합 반응의 제어가 용이하게 해준다. 즉, 원하는(예상 가능한) 분자량의 고분자를 얻을 수 있게 되는 것이다. 또한 온도를 높일 수록 side reaction이 일어날 확률이 올라가기 때문에 원치 않는 branching이나 crosslinking이 일어날 수 있다. 이는 원하는 고분자의 물성에 부정적인 영향을 끼치게 될 수 있다. 그리고 Thermal stability의 이유도 있다. 많은 monomer와 성장 중인 polymer chain들은 열에 민감하기 때문에 온도를 높일 수록 thermal degradation(열 분해)를 유발할 수 있다. 이는 결과적으로 고분자의 molecular weight를 낮추게 된다. 4번째로 volatilization(휘발)의 이유이다. 이는 monomer나 solvent들은 높은 온도에서 휘발될 수 있고 최종적으로 공정 통제를 복잡하게 만들고 inhomogeneous product(불균일 생성물)가 생성되게 한다. 5번째로 중합을 통해 고분자를 생성하는 반응기의 크기가 매우 크기에 온도를 높여 이를 일정하게 유지하는데 비용이 많이 든다. 마지막으로 온도를 낮춤으로 최종 고분자의 질(quality)를 보장하게 한다. 낮은 온도에서 discoloration(변색)이나 기계적 물성의 변화와 같은 issue를 방지해주기 때문이다.

그렇다고 무조건 낮은 온도에서 step 중합을 이용한 공정을 사용하는 것은 아니다. 특정 고분자의 물성을 얻기 위해 혹은 경졔적으로 수용가능한 반응이 되는 경우, 높은 반응 속도를 요구하게 되므로 온도를 높이게 된다. 섭씨 150도에서 200도 사이의 높은 온도 혹은 그 이상의 온도에서 꽤나 빠른 중합 속도를 얻을 수 있다. 중합 속도가 빠르다는 것은 좋지만 단점으로 고분자의 oxdative degradation(산화)가 일어날 수 있다는 점이 문제가 된다. 이 경우에는 질소 기체나 이산화탄소 기체와 같은 불활성 기체(inert atmosphere)를 사용하여 oxidative degradation을 최대한 방지해준다.