축차중합 (Step-Growth Polymerization)
쉽게 풀면
축차중합은 여러 사람이 짝을 지어 손을 잡고, 그 짝들이 다시 다른 짝과 연결되는 과정을 반복하는 모습과 비슷합니다. 처음에는 짧은 이합체, 삼합체들이 여기저기서 생기다가 반응이 진행될수록 이들이 서로 이어져 점점 긴 사슬이 됩니다. 그래서 반응 초기에는 분자량이 낮은 상태가 오래 지속되고, 반응이 거의 끝나갈 무렵에야 분자량이 급격히 커지는 특징이 있습니다.
왜 중요한가
폴리에스터, 폴리아마이드(나일론), 폴리우레탄 등 산업적으로 중요한 축합형 고분자 대부분이 축차중합으로 만들어지기 때문에 고분자 합성 공정 설계에서 기본이 되는 개념입니다. 축차중합에서 얻는 폴리에스터·폴리아마이드는 대부분 결정성 열가소성 수지로 널리 쓰이며, 다관능 단량체를 활용하면 열경화성 네트워크 구조도 같은 원리로 설계할 수 있어 응용 범위가 매우 넓습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
다이올과 다이산 단량체 사이의 축차중합을 통해 폴리에스터를 제조했다는 뜻입니다.
전환율이 높아진 후에야 고분자량에 도달했다는 것으로, 축차중합 특유의 반응 속도론을 확인한 문장입니다.
조금 더 깊게 보면
축차중합의 분자량은 카로더스 식(Carothers equation)으로 대략적으로 설명되며, 반응이 완전히 진행되어 전환율이 매우 높아져야만 실용적인 수준의 분자량에 도달합니다. 단량체의 작용기 비율이 정확히 맞지 않으면 최종 분자량이 크게 제한될 수 있습니다. 카로더스 식에 따르면 수평균 중합도는 1/(1-p) (p는 전환율)로 근사되며, 예를 들어 전환율이 99%에 이르러야 수평균 중합도가 100 정도에 도달할 정도로 반응이 거의 끝나야만 실용적인 분자량을 얻습니다. 단량체가 세 개 이상의 작용기를 가지면 선형 사슬 대신 가지친 구조나 젤화(gelation)가 일어나 분자량이 갑자기 무한대로 발산하는 젤화점이 나타날 수 있습니다.
주의할 점
축차중합은 연쇄중합에 비해 고분자량에 도달하기까지 전환율이 매우 높아야 하므로, 부반응이나 작용기 불균형에 민감하다는 점에 유의해야 합니다. 축차중합은 부반응이나 이관능성 단량체의 순도 저하, 부생성물(물 등) 제거 불완전에 매우 민감하므로, 연쇄중합과 달리 미세한 작용기 불균형만으로도 최종 분자량이 크게 제한될 수 있습니다.