[축합중합]폴리에스테르의 특징과 PET의 반응

 

 

1. 폴리에스테르(polyester)

 

 

1) 특징
- 분자의 구조에 (-R-COO-R-)에스테르 결합을 반복단위로 갖고있는 고분자가 폴리에스테르 입니다
- 폴리에스테르는 다가산(diacid)와 다가 알코올(diol)이 반응하여 생성되는 폴리머입니다.

 

 

 

2) 폴리에스테르 반응 예시 - PET(polyethylene terephtahlate)

a. 모노머
-가장 대표적인 폴리에스터의 예시로 PET(polyethylene terephthalte)가 있습니다.

-모노머는 에틸렌 글리콜과 테레프탈산이 사용됩니다.

 

 

PET 중합에 사용되는 모노머

 

 

b. 반응 Scheme

(A) Terephthalic acid는 Acid 촉매 존재하에서 carbon cation을 형성합니다. Diol에 있는 Oxyzen원자로 부터 nucliophilic addition 반응을 하게 됩니다. 

(B) Diol이 부가된 후 diol에 있는 H원자가 tautomer 를 형성합니다. 

(C) Terephthalic acid의 Carbon에서 전자이동이 일어나 H2O의 제거가 일어납니다. 동시에 Oxyzen에서 전자이동이 일어나 C=O 이중결합을 형성합니다.

(D) Terephthalic aicd의 Hydrogen 원자에서 전자이동이 일어나며 ester 결합을 형성합니다.  

(E) Terephthalic acid와 ethylene glycol에 대한 반응이 완료되었으며, 반응이 계속진행되며 사슬이 성장하게 됩니다. 

 

 

 

PET의 축합중합 메커니즘

 

 

c. 반응조건

- 온도 : 190~250℃

- 촉매 : Acid or Tin 계열 촉매

- 반응기 세팅 : 생성된 물을 제거할 수 있는 콘덴서가 필요함

 ※반응 생성물인 물을 제거해줘야 정반응이 우세

 

 

 

3) 분자량 조절
-폴리에스테르는 분자량에 따라서 구현되는 물성이 다릅니다. 적절한 분자량은 5,000~20,000정도이기 때문에 분자량을 조절할 수 있는 기술이 중요합니다.

 

a. monomer molar ratio에 따른 분자량 조절
- 동일한 반응 전환율에서, 고분자의 분자량은 초기 투입되는 모노머의 몰 비율에 영향을 받습니다. 

 

Case 1) acid : diol = 1:1 (molar ratio)
-반응물이 1:1로 존재하기 때문에 성장하는 사슬은 양 말단에 서로다른 작용기를 가지고 있습니다.
-분자량은 반응 시간에 따라서 계속 증가하게 됩니다.

 

 

 

동일 몰비 반응 시 PET구조

 

 

Case 2) acid : diol = 1:2 (molar ratio)
-하나의 반응물이 과량으로 존재하는 경우, 사슬은 말단이 동일한 작용기로 끝나는 확률이 높아집니다.
-또한 과량의 모노머가 "미반응"되어 잔류하게 됩니다. 

-반응이 진행될 수록 고분자 말단 사슬에 똑같은 작용기만 남게되어 사슬 성장에 한계가 생깁니다. 

 

과량 몰비 반응 시 PET 구조

 

 

 

b. 반응 몰비율에 따른 분자량 예시

-아래표는 Acid와 diol의 몰비율에 대한 분자량 예시 입니다. 정확한 데이터는 아니지만, 동일 전환율 기준으로 비교하면 실험적으로 이 정도의 경향을 가집니다. 

 

 

 

Acid / diol ratio(%)	100%	80%	67%	57%	50%
Mw(approx.)	10,000	7,000	6,000	5,000	4,000