폴리머-열경화성/열가소성/탄성중합체 +공업용세라믹과 유리, 서멧

폴리머는 재료로써 가장 중요한 특징은 가격이 저렴하고 경량 재료라는 것입니다. 밀도가 무려 알루미늄의 절반에 해당되므로 매우 가볍습니다.

폴리머는 탄소-탄소 결합에 의해 형성된 사슬분자로 구성되게 됩니다.

사슬분자의 결합구조가 폴리머의 특성을 결정하게 됩니다.

폴리머의 예시로는 플라스틱, 섬유, 고무, 나무의 셀룰로즈 등이 해당되게 되는데,

공업 재료로 사용하기 위해 인위적으로 개량된 폴리머는 열가소성 플라스틱, 열경화성 플라스틱, 탄성 중합체가 있습니다.

또한 폴리머를 이해하기전 알아둬야 할 개념이 있는데, 바로 유리천이온도입니다.

일정온도 (유리천이온도)이상이 되면 강성과 강도가 감소하는 것인데, 녹아서 흐물흐물해지는 느낌으로 이해하면 됩니다.

 

폴리머의 경우 결합이 사슬분자 구조로 있으므로, 결합이 적은 경우 유리천이온도효과가 크게 나타납니다.

 

열가소성 플라스틱은 열을 가하게 되면 녹고, 주로 고강도가 요구되는 공업적 용도에 사용되게 됩니다.

결정질 폴리머의 경우에는 취성이 덜하며 유리천이온도 이상에서도 강성과 강도가 급격히 감소하지 않습니다.

그 이유는 결정질의 경우 결합이 어느정도는 강하게 링크되어있기 때문입니다.

비정질의 경우 유리천이온도 이상에서 탄성계수가 급감하게 됩니다. 따라서 유리천이온도 부근 혹은 그 이하에서 사용하게 되지요.

유리천이온도 이하에서는 유리처럼 거동하고 취성이 강합니다. 

결정질의 경우에는 비정질 보다는 취성이 덜합니다. (Tg이하에서)

구조는 하이드로 카본 가스 에틸렌 (\(C_2H_4\))와 관련된 분자 구조를 가집니다.

그림으로 보도록 하겠습니다. 

위와 같은 구조로 좌우로 주우욱 이어져서 사슬구조를 이루는 것입니다. H자리에 Cl이 들어가면 폴리비닐클로라이드, CH3가 들어가면 폴리프로필렌등으로 불리게 됩니다.

결정질과 비정질에서 사슬구조가 선형,branched,크로스링크된 구조에서 유리천이온도에서의 탄성계수의 모습을 보도록 하겠습니다.

위와 같이 온도가 증가함에 따라 탄성계수가 감소하는데, 결정질의 경우 탄성계수가 어느정도는 유지됩니다. a의 경우 선형으로, 가장크게 급격히 감소, b는 branched, c는 cross-linked로 복잡하게 연결되 있을수록 유지되는 정도가 높아집니다.

 

열경화성 플라스틱은 열을 가하면 타서 분해가 되며 크로스 링크 구조를 가지고 있습니다. 즉 강한 공유결합을 이루고 있으므로 고체가 열을 가해도 연화되지 않고 타버립니다.

즉, 유리천이온도 효과가 나타나지 않습니다. 강하고 내열성이 강한 공유결합으로 분자들 간의 미끄러짐이 힘들기 때문입니다. 

결합이 강하고 견고하지만 취성을 띄고 있습니다.

 

탄성중합체는 자연 고무 및 다양한 합성 폴리머가 있는데, 단순히 일반적인 고무를 생각하면 될 것 같습니다.

크로스링크가 매우 드물게 형성되었는데,  크로스링크와 주 사슬 자체가 신축적입니다. 따라서 하중을 제거하면

대부분의 변형이 회복되게 됩니다. 이때, 응력-변형률 선도를 보면 변형이 될때와 돌아올때가 변형이 다른 경로를 보이게 됩니다.

가황을 할 경우 탄성이 더 높아지는데, 

그 모습은 다음과 같습니다. 가황을 했을 경우 탄성이 더 높아지고, 돌아올때 더 비슷한 경로로 돌아오게 됩니다.

 

비결정질 폴리머의 브렌칭이 많을수록, 결정도가 클수록 또 크로스링크가 많을수록 강도가 증가합니다.

 

세라믹과 유리는 금속도, 유기재료도 아닌 고체로 진흙 자기나 도자기 벽돌 등 흙제품을 포함하는데,

진흙은 얇은 판 형상의 결정구조를 갖는 다양한 규산염 광물로 이루어 집니다. 

별다른 공정없이 절단을 통해 사용할 수 있습니다. 

콘크리트의 경우 분쇄된 돌과 모래를 시멘트 풀에 혼합하여 사용하는 것입니다. 이러한 진흙제품은 낮은 인장강도와 취성을 보이지만, 압축강도가 양호해 철근등과 함께 거대 구조물에 사용됩니다.

 

공업용 세라믹은 금속이나 반금속 실리콘 또는 보론이 산소,탄소,질소 등의 비금속과 반응하여 만든 상대적으로 단순한 화합물입니다.

세라믹은 공유결합과 이온결합이 모두 보이는데 따라서 공업용 세라믹은 부식 및 마모 저항이 우수하고 용융온도가 높습니다.

이러한 공업용 세라믹을 얻는 방법은 가열 등을 통해 화합물을 얻고, 이를 미세한 분말로 만든 다음, 분말을 이용해 원하는 형상을 만들어 압축하여 압착 시킨후 열처리 해줍니다. 이들은 가볍고 강성이 높으며 높은 압축강도를 가지지만 취성을 띕니다.

 

서멧은 이름에서 알수 있듯, cer(세라믹)met(금속)의 금속이 세라믹 입자를 둘러싸 결합한 일종의 복합소재입니다. 

금속과 세라믹의 장점을 모두 취한 것인데, 세라믹이 높은 경도와 내마모성을 제공합니다.

초경합금은 가장 중요한 서멧으로, 텅스텐의 단단한 경도와 코발트 금속의 인성을 혼합합니다.

 

유리는 순수한 실리카에 \(Na_2O , K_2O , CaO\)등을 첨가하여 만드는데, 그 이유는 이런 것들을 첨가하여 용융점을 낮추는 것입니다. 첨가된 양이온들이 결합을 끊게 됩니다.