결정화 온도(Crystallisation temperature)란 무엇인가?

 

1. 결정화온도(Crystallisation temperature)의 정의

 

고체에서 액체로의 물리적 상태로 물리적 변화를 용융(Melting)이라고 한다.

 

결정성 고분자가 용융상태가 되면 무질서한 비결정(Non Crystalline) 형태를 띈다.

 

반대로 용융점(Melting temp.) 이상 고온에서 저온으로 냉각될 때, 

용융물이 비결정(Non Crystalline) 형태에서 결정(Crystalline) 형태로 전이되는데 이를 결정화 온도(Tc)라고 한다.

 

이는 일반적으로 정의되는 결정화 온도이며, 용융냉각결정화온도(Tcc, Thermal Cooling crystallization Temperature)라고 한다.

 

참고로 온도 증가(가열)에 의해 생성되는 결정은 승온결정화온도(Thc, Thermal heating crystallization Temperature)라고 한다.

 

또한 고분자가 결정화되면 열을 발산하기에, 결정화를 발열 전이(exothermic transition)라고 부른다.

용융냉각결정화(Tcc) & 승온결정화(Thc)

 

 

결정성 고분자의 고체상(Phase)에 관해서는 아래의 자료를 참조하자

 

고체상의 종류 (비결정, 결정, 반결정)

 

추가적으로 결정성 고분자가 용융되어 비결정성으로 변하게 되면, 고분자의 밀도가 줄어들게 된다.

 

그 이유는 분자 간 힘이 강하게 작용하는 규칙적인 사슬에서 비규칙적인 엉킨 형태로 변화하여 잡아당기는 힘이 줄어듬에 따라, 부피가 팽창하여 밀도가 증가하게 되는 것이다.

 

밀도(p) = 질량(m) / 부피(V) 

 

밀도에 대한 상세내용은 아래 링크를 참조하자.

 

밀도(Density)과 비중(Specific Gravity)의 차이

 

 

 

2. 결정화 형성에 영향을 미치는 요인은?

 

먼저, *결정구조(Crystal structure)와 *결정화도(Crystallinity)는 제품의 물성에 큰 영향을 미친다.

 

다양한 요인에 의해서 결정구조나 결정화도가 달라질 수 있으며, 이로 인해 제품의 기계적 물성도 변화할 수 있다.

 

* 결정구조(Crystal structure)

- 결정구조란 결정 안에 있는 원자들 간의 독특한 배열이다.

- 결정은 작은 단위의 격자구조(Unit cell)이 반복되며, 격자구조에 따라 그 물성의 특성을 알 수 있다.

 

* 결정화도(Crystallinity)

- 결정화도란 고체에서 구조적 질서의 정도(결정화 정도)를 나타내는 비율이다.

- 결정화도가 높다면 고분자의 밀도도 높아진다.

- 따라서, 결정화도가 높을수록 강도(Strenth)는 상승하며, 신율(elongation)과 충격강도(impact strenth)는 감소한다. 

 

 

① 폴리머의 구조

 

폴리머는 불규칙적으로 양쪽 방향으로 결합되어 있는 어택틱(atactic) 구조보다,

한쪽 방향으로만 결합되어 있는 아이소택틱(isotactic) 형태가 결정화 형성에 더욱 유리하다.

 

google image

 

 

② 온도의 영향성

 

천천히 냉각할수록 용해된 고분자가 결정화 열을 충분히 방출하며 결정화도가 커진다.

 

그로 인해 비용적이 감소하며 수축이 커진다.

 

반대로 냉각속도를 빠르게 급랭(Quenching)할 경우 결정화도가 저하하며 비결정성 부분이 많아진다.

 

즉, 결정화 형성에 충분한 시간을 부여하거나 온도를 높여 냉각할 경우 천천히 식기 때문에 결정화가 진전되어 밀도가 크고, 강성이 높은 제품 확보할 수 있다.

 

과냉각이 클수록 생성되는 핵의 수가 많아지며 작고 불완전한 핵이 만들어지는 반면에,

과냉각이 작을수록 생성된 핵의 수가 작고 결정성장이 우세하여 더 완전한 형태의 결정이 만들어진다.

 

즉, 결정화 시간이 길어짐에 따라 불완전한 결정이 보다 완전한 결정으로 전환되기 때문이다.