중합

단량체는 반응성 작용기나 반응 가능한 결합을 통해 다른 분자와 결합한다. 여러 단량체가 화학 결합으로 이어지면 큰 분자량의 사슬이 형성되므로 중합은 단순한 혼합이나 응집과 구별되는 화학 반응이다. 단량체의 구조와 기능기, 반응 경로에 따라 반복 단위와 사슬 구조가 달라진다.^[1]

고분자 시료에는 사슬 길이가 서로 다른 분자들이 함께 있는 경우가 많아 분자량을 분포로 나타낸다. 수평균 분자량과 중량평균 분자량은 표본 분자에 부여하는 가중 방식이 달라 서로 다른 값을 갖는다. 분자량을 비교할 때는 어느 평균을 사용했는지와 분포 폭을 함께 살펴야 한다.^[2]

사슬 성장 중합에서는 활성 중심을 가진 성장 사슬에 단량체가 차례로 첨가된다. 개시·성장·종결 과정과 활성 중심의 종류가 반응을 설명하는 주요 기준이며, 라디칼이나 이온을 이용하는 방식 등이 있다. 핵심은 성장 중인 사슬의 반응점에 새 단량체가 결합한다는 것이다.^[1]

단계 성장 중합에서는 단량체뿐 아니라 이량체나 더 긴 올리고머처럼 크기가 다른 분자들도 서로 반응할 수 있다. 결합 가능한 분자들이 단계적으로 커지며 사슬을 이룬다. 두 종류의 다관능 단량체가 반응해 폴리에스터를 형성하는 것이 한 예다. 특정 반응에서 물이나 염화수소가 부산물로 나올 수 있지만, 이는 반응의 화학에 달려 있다.^[1]

첨가 중합과 축합 중합은 단량체가 고분자에 편입될 때 원자 대부분이 생성물에 남는지, 작은 분자가 부산물로 빠져나오는지를 구분한다. 사슬 성장과 단계 성장은 어떤 크기의 분자들이 서로 결합해 사슬을 키우는지를 구분한다. 서로 다른 기준이므로 단계 성장이라고 해서 반드시 축합 중합인 것은 아니며, 두 분류는 일대일로 대응하지 않는다.^[1]

예를 들어 폴리에틸렌을 만드는 에틸렌의 중합은 단량체가 성장 사슬에 차례로 더해지는 사슬 성장의 사례다. 단계 성장에서는 단량체와 올리고머 사이의 반응도 사슬 성장에 기여할 수 있다. 반응을 분류할 때 생성물 이름만으로 추정하지 말고 실제 반응 경로와 부산물 발생 여부를 각각 확인해야 한다.^[1]

중합 경로와 조건은 사슬 길이와 분자량 분포에 영향을 준다. 그러나 평균 분자량이 커질수록 모든 고분자의 강도나 내구성이 일률적으로 증가한다고 단정할 수는 없다. 고분자재료의 물성은 분자량 외에도 사슬 구조, 분자 간 상호작용, 결정성, 온도와 측정 조건에 좌우되므로 재료와 조건을 밝혀 설명해야 한다.^[2]

분자량은 수평균, 중량평균, 점도평균 등 서로 다른 방식으로 산출될 수 있다. 각 값은 분포의 다른 측면을 요약하므로 평균 하나만으로 시료 전체를 설명하기 어렵다. 분석 결과에는 측정법과 평균의 종류를 함께 적어야 고분자 시료를 타당하게 비교할 수 있다.^[2]

중합은 천연 고분자인 셀룰로스와 산업용 합성 고분자를 이해하는 데 두루 쓰이는 개념이다. 플라스틱이나 섬유와 같은 재료를 설계할 때에는 용도에 맞춰 단량체 조성, 사슬 구조, 분자량 분포와 가공 조건을 고려한다. 같은 평균 분자량을 보이는 시료도 분포와 구조가 다르면 가공성과 거동이 달라질 수 있다.^[1][2]

따라서 중합 연구는 반응을 수행하는 일과 생성물의 구조·분포를 분석하는 일을 함께 포함한다. 목표한 재료를 얻었는지 판단하려면 평균값뿐 아니라 시료의 조성, 분포, 측정 조건을 확인해야 한다. 이 정보가 있어야 중합 조건과 최종 재료의 특성 사이 관계를 올바르게 해석할 수 있다.^[2]

• 단량체
• 고분자
• 사슬 성장 중합
• 단계 성장 중합
• 분자량
• 합성 고분자

^[1] Putting Them Together, Polymer Science Learning Center, University of Southern Mississippi, Ppslc.ws(새 탭에서 열림)

^[2] Molecular Weight, Polymer Science Learning Center, University of Southern Mississippi, Ppslc.ws(새 탭에서 열림)