[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.
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.
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.
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.
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 |