유리전이온도란

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▣ Business/☞ 플라스틱

2015. 10. 16.

유리전이온도(Glass Transition Temperature) : Tg

 

1.고분자화합물의 유리전이온도가 무엇인지요?
간단히 말하자면 고분자의 물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 시점을 말합니다.
일반적으로 저분자물질은 열을 가하면 고체상에서 액상으로 상변화를 하게 됩니다.

하지만 고분자의 경우 이러한 상변화를 거치기 전에 변화를 보이는 시점이 있는데 이곳이 유리전이 온도이지요.

딱딱한 고분자가 이 온도에서 부드러운 고무처럼 변하게 됩니다. 즉 고체에서 액상으로 변화를 하기전에 탄성을 가진 고무같은 변화를 겪게 됩니다. 이 변화를 가지는 시점의 온도를 유리전이온도라 부릅니다.

* 상변화(Phase Chanse , 相서로상변할변될화) : 열에 의해 물질이 고체나 액체, 기체로 변화하는 것.

 

2.유리전이온도는 왜 생기는지?

일반적으로 저분자 화합물은 결정을 가지면서 고체상을 형성을 하게되죠.

 =>결정:분자가 규칙적인 배열을 형성하며 쌓이는 것을 말함.

 하지만 고분자 화합물의 경우 결정성이 그리 좋지 못합니다. 이유는 고분자의 분자량이 매우 커서(물의 분자량이 18이면 고분자의 경우 보통 수만~수십만) 규칙적으로 배열을 한다는게 힘들죠. 즉 엉켜버리기 쉽습니다. 쉽게 설명하자면 분자량을 실의 길이로 생각을 해보세요. 분자량이 크다는건 실의 길이가 길다는 거죠. 즉 짧은 실보다 긴 실이 엉켜서 규칙적으로 나열하기 힘들잖아요. 
고분자에서 이처럼 결정을 형성하기 어려운 영역을 무정형(Amorphous)라고 부릅니다.고분자는 보통 이런 무정형과 결정형(Crystalline)이 혼재되어 있는 구조를 가지고 있고요.무정형은 유리를 생각하시면 될듯하네요. 
고분자 물질에 열을 가하면 우선 이 무정형 영역에서 변화를 보이게 됩니다. 분자들이 열에 의해 활성을 가지면서 점차 움직이기 시작하지요. 즉 물성의 변화가 나타납니다. 이 온도를 유리전이 온도라고 하지요. 아직 고분자는 녹는 시점이 아니고요. 단지 고무처럼 탄성을 가진 물질로 변하게 됩니다. 
결론적으로 유리전이 온도는 고분자의 거대 분자량에 의해 결정이 되지 않는 부분에 의해 생기게 되는 겁니다.

 

3.고분자재료와 유리전이온도의 관계는?

유리전이 온도는 고분자를 설명하는데 아주 중요한 성질입니다. 즉 고분자의 내열성을 말해주는거죠. 

유리전이 온도가 높다는 것은 잘 안 녹는다는 걸 의미하죠. 시판되는 플라스틱에서 사용가능 온도가 나타나는 경우 이 온도에 대략 20도정도 높은 온도가 유리전이온도 입니다. 그리고 보통 유리전이 온도에서 50도이상의 온도가 더 가해지면 흐를수 있는 유동성이 보이게 됩니다. 


4.유리전이온도에서 재료의 변화상태는?

유리전이온도 전의 물질은 딱딱한 유리상의 고체입니다. 하지만 유리전이 온도를 지나면서 탄성을 가진 고무처럼 변하게 되죠. 그후 계속 열을 가해주면 녹기 시작합니다.

 

5.유리전이온도는 어떻게 측정하는지?

유리전이 온도를 측정하는 방법으로는 열분석법이 있는데요. 말 그대로 열에 의해 여러 변화를 측정하여 분석하는 방법입니다. 
유리전이 온도를 측정할 수 있는 열분석법으론 대표적으로 DSC(Differential Scanning Calorymeter)와 DMA(Dynamic Mechancal Analyzer)가 있습니다. 주로 DSC가 이용이 되고 있습니다.

이것은 고분자 물질의 열팽창계수를 측정하여 그래프로 보여주게 되고요. 이때 일정하던 열량이 흡열쪽으로 경사를 지다 다시 일정하게 되는 시점이 나오는데 이것이 유리전이온도 입니다. 그후 결정온도(Tc)와 용융온도(Tm)가 나타나게 됩니다. 이 DSC는 이런한 전이온도뿐만 아니라 각 전이온도에서 필요한 열량까지 나타내주는 장치 입니다.

* 결정온도(Crystallization Temperature) : Tc

* 용융온도(Melting Temperature) : Tm