9 고분자

Natural Polymer
동물
거미줄
덕다운 (Duck down)
상아
식물
녹말 ? starch (polymer of ?-glucose)
나무 ? cellulose (polymer of ?-glucose)
DNA, RNA, polypeptide, Proteins
인간은 자연 고분자를 흉내내려 한다
Glucose
Two Form of Glucose
?-glucose for cellulose
a-glucose for starch
Amylose
a 1,4 glycosidic bond
natural organic polymer
amylopectin
mostly amylose
a 1,6 glycosidic bond
분말형태
Same glucose monomers?
옥수수를 읽으면서 신문을 먹는다

Amylase
enzyme for starch into glucose

cellulase
enzyme for cellulose into glucose
Fullerene and Nanotube
Buckminster Fuller (1895-1983)
Buckminster Fuller Dome
Expo 1967 Montreal
1967 US Pavilion
Korea Pavilion 1967
History of Polymers
1830년 Charles Goodyear 가 천연고무(latex)에 황을 가하여 타이어용의 고무 대량생산
Latex (Rubber Tree)
isoprene
History of Polymers
1870년 John Hyatt 셀루로이드 개발
상아 대체
당구공 제조회사의 만 달러 공모
1907년 Baekeland가 Bakelite(페놀-포름알데히드수지)개발, 대량 생산
중합체가 강한 화학결합으로 연결된 매우 큰 분자라는 고분자 가설을 당시 화학자들은 대부분 믿지 않았다.
1938년 Dow사는 폴리스티렌 대량생산
1939년 듀퐁사는 나일론(nylon-6,6)을 대량생산하여 스타킹 판매 시작. 고분자 화학 발달에 계기

Amino Acid
Definition
an organic compound containing
an amino group (-NH2)
and a carboxyl group (-COOH)
Naturally Occuring Amino Acids

Classification of amino acids
Acidic
have side chains that contain a carboxyl group.
At cellular pH the carboxyl group is dissociated so that the R group has a negative charge.
Basic
are positively charged as a result of the dissociation of the amino group in their side chains.
Hydrophobic
Amino acids with nonpolar R groups(also known as side chains)
whereas, those with polar side chains are classified as hydrophilic.
Acidic and basic chains are ionic and therefore hydrophilic
Protein is a polymer of amino acids
Amino acid → polypeptide → protein
Amino acids are linked together by peptide bonds to form one or more subunits called polypeptides.
Long chains of polypeptides result in the formation of proteins.
Peptide bonding
Wallace Carothers(1896 - 1937)
1940’s Nylon
Nylon stocking
Nylon was invented in 1938 by DuPont researcher Wallace Carothers.
When the first nylon stockings were offered in New York City on May 15, 1940, millions of pairs were sold within the first few hours
X200 SEM/EDX
Dee Breger ,Mgr. SEM/EDX Facility, Lamont-Doherty Earth Observatory

Polymerization Methods
Radical Polymerization, 첨가 반응
Step-wise addition of monomers
Monomers have double bonds (불포화)
Polymers have carbon chain backbone
Condensation Polymerization, 축합반응
Generate a small molecule (탈수)
Polymer can grow from both ends
Polymers have oxygen or nitrogen in backbone
Condensation Polymers

Kevlar- Strong Fiber
방탄조끼의 원료
윈드서핑 돛

http://www.lbl.gov/ MicroWorlds/Kevlar/ index.html
Comparision of fibers
Tennis Kevlar string
Simulated Kevlar structure
Plastic Economy
Polymers around us

Engineering Plastics
끓는 물에도 견디는 플라스틱
필름, 접착제,성형품,섬유,
항공 우주, 전기전자,자동차
자동차 금속재료 대체
생활용품
고분자 복합재료

Conducting polymer
전기를 통하는 플라스틱
부도체에서 도체까지 원하는 대로
생분해성 고분자 캡슐
Biodegradable polymer
인공장기를 키우는 틀로 활용
생 분해성 고분자를 이용해 귀의 형태를 만들고, 귓바퀴가 없는 사람의 귀 세포를 떼어내 배양액에서 키우면, 시간이 지나 틀을 유지하던 생 분해성 고분자는 분해되고 그곳에 귀의 형태를 가진 세포들이 자란다. 이렇게 만들어진 귀를 실험용 누드마우스나 사람에게 이식할 수 있다.
From monomers to polymer

Polymer Big Six
빅 6
미국에서 연간 2600만톤 이상 생산
모두 석유를 원료로 사용

Polyethylene (LDPE, HDPE)
Polypropylene (PP)
Polystyrene (PS)
Polyvinyl chloride (PVC)
Polyethyle terephthalate (PETE)

thermoplatic
결정성과 비결정성 영역
결정성 영역 ? 기계적 강도, 불투명
유연성
LDPE, HDPE, PP
비결정성
Cross-linking
단단하고 늘이기가 어렵다
투명
PETE, PS, PVC

Classification of PE
Polyethylenes are classified according to their density,
density depends on the extent and type of branching present in the polymer
HDPE (high density PE)
MDPE (medium density PE)
LDPE (low density PE)
LLDPE (linear low density PE)
a substantially linear polymer, with significant numbers of short branches, commonly made by copolymerization of ethylene with longer-chain olefins.

LDPE vs. HDPE - branching
Uses of LDPE
Properties of LDPE
has many more branches than HDPE,
which means that the chains do not "fit well" together.
less strong intermolecular forces
as the instantaneous-dipole induced-dipole attraction is less.
This results in a lower density and tensile strength,
increased malleability and faster biodegradation
created by free radical polymerization
FT-IR of LDPE

HDPE
HDPE has virtually no branching
stronger intermolecular forces and tensile strength.
The lack of branching
is ensured by an appropriate choice of
catalyst (e.g. Ziegler catalysts)
reaction conditions.

Properties of HDPE
전기적 성질
HDPE는 전형적인 극성 고분자로서 전기장(electric field)속에서 이온 분극이나 쌍극자 분극이 없고 전자분극이나 원자분극만 존재한다.
뛰어난 절연성 때문에 HDPE는 전선(wire) & 케이블(cable)용 절연 소재로 널리 사용되고 있다.
광학적 성질
HDPE의 광학적 성질은 불투명도(haze), 광택성(gloss), 투명도(transparency) 등으로 특성화되며 이러한 성질들은 내부결정상태, 가공조건 등에 의해 좌우된다.
HDPE 필름의 표면이 평활하지 못하면 불투명도(haze)가 증가하고, 내부에 공간(void)이 많거나 결정도가 크면 결정들(spherulites) 사이 경계면에서의 빛의 분산, 굴절로 인해 투명성이 저하되는데, 이는 일반적으로 HDPE가 LDPE보다 불투명한 이유이다.
내약품성
HDPE는 구조적으로 결정도가 높고 3차 수소(tertiary H)의 수가 매우 적기 때문에 다른 polyolefin에 비해 산화에 대한 안정성이 뛰어나다.
또한 응력이 가해지지 않은 상태에서 60℃까지는 보통의 유기용제나 산, 알칼리 등에 대하여 극히 안정하므로 각종 화학약품의 용기로 사용될 수 있다.
Xylene 용액 속에서는 온도가 상승하면 팽윤(swelling)을 일으키며, CS2를 포함하고 있는 용액에 대해서는 취약하여 40℃이상에서 분해된다.
FT-IR of HDPE

Uses of PE
The most common household use of LDPE is in plastic bags; the most common household use of HDPE is in containers for milk, liquid laundry detergent, etc.
Significant uses of MDPE include plumbing fittings and enclosures for inexpensive consumer devices.
LLDPE is used primarily in flexible tubing.
Recently, much research activity has focused on Long Chain Branched polyethylene. This is essentially HDPE, but has a small amount (perhaps 1 in 100 or 1000 branches per backbone carbon) of very long branches. These materials combine the strength of HDPE with the processability of LDPE.
Polyethylene IR Sample Cards with Two Sample Substrates
Plastic vs. Paper

Dealing with Plastics
소각
생분해
재사용
재활용
자원 절감

Dealing with Plastics
소각: 플라스틱의 처분의 좋은 방법
<독일의 한 연구>:
1.소각이 환경에 가장 적은 영향 (C, H)
2.연소 시 생성물
온실기체 CO₂H2O, 에너지
3. 석탄보다 높은 에너지 함유

재활용(Recycling)
에너지를 필요
새로 생산하는 것보다 더 많은 에너지 필요
품질은 저하
소각(incineration)시 장점과 단점
Biodegradation
Biodegradation(생 분해)정의:
미생물이 토양이나 지하수에서 존재하는 유기오염물질을 분해하는 과정
Bacteria, fungi:
플라스틱을 분해하는 효소가 없음
천연고분자 분해효소는 있음
주요에너지원: cellulose by 식물
protein by 동·식물

At DuPont, Biomax
생 분해 polymer
PET와 화학적으로 가까운 성질
PET 에 다른 monomer이용
⇒ 물에 의해 쉽게 분해되는 site를 형성
Polymer → smaller chain (가수분해) → 물 + 이산화탄소 ( by microorganism )
이용: Lawn bags, bottles, liners of disposable diapers, disposable eating utensils, cup
Reuse and Alternatives
개인 및 기업이 할 수 있는 일
분리수거를 생활화 한다.
불필요한 일회용사용을 줄인다.
재활용기술의 경제적 기술적인 면 향상
국가가 할 수 있는 일
재활용을 권장하는 법률재정.
환경친화적 플라스틱 생산업체의 재정적 지원
재활용기술의 개발을 지원

Consider this: plastic cars
Plastic and Aluminum recycling
Landfill Liners
Landfill Liners란?
매립지의 오염위험으로부터 주변환경을 보호하는 부가적인 시설이다.
오염원으로부터 주변환경을 효과적으로 보호할 수 있어야 함.
오염원 보호와 함께 생태계와의 친화성 고려

References
http://naid.sppsr.ucla.edu/expo67/map-docs/unitedstates.htm
1967 expo 미국관의 버키민스터 돔
http://www.realstockings.com/Index.html
스타킹 관련자료
Reference
자원 리싸이클링의 실제
한국자원리싸이클링학회 편 저( 동화기술)
리싸이클링백서(문화사)
환경화학
과학동아 2001년 08월
http://www.biomax.co.kr/english/aboutus_ceo.html
http://dir.yahoo.com/Science/Chemistry/Polymers/Conductive_Polymers/

Consider This : Polypropylene