[화학공학실험]축합 중합 - 폴리에스테르 제조 2부

실험 방법

1. 실험 요약

1) 반응물 Phthalic anhydride과 1,4-Butanediol를 각각 0.9㏖로 134.65g과 82.34g과 촉매로 쓰이는 p-Toluene sulfonic acid monohydrate를 0.5wt%로 0.96g을 4구 반응기에 넣고 섞었다.

2) 반응기의 무게와 비커의 무게를 각각 쟀다.

3) 잘 섞인 4구 반응기를 교반 장치에 넣고 설치하였다. 4구 반응기의 중압입구에는 교반기가 들어가게 설치하고 한쪽은 질소가 들어가게 하고 다른 한쪽은 온도 센서가 들어가도록 설치하였다.

4) 마지막 한 곳은 H관과 비슷한 응축관을 연결 하였다. 응축관 아래에 비커를 놓았다. 모두 연결 후에 각각의 연결부에 진공 그리스를 발라 산소와 수분의 유입이 되지 않도록 칠하여 연결하였다.

5) 설치 후 4구 반응기 주변을 보온하여 4구 플라스크와 외부와의 온도차가 발생하지 않도록 붕대를 사용하여 감쌌다.

6) 모두 연결하고 가열 장치를 이용하여 천천히 130℃ 까지 가열하여 20℃씩 나누어 올렸다.

7) 온도가 130℃ 에 도달하게 된 후부터 4시간동안 교반하여 반응시켰다.

8) 4시간 후에 온도 센서의 온도를 내리면서 상온으로 온도가 냉각된 생성된 물의 양을 측정하였다.

9) 갈색의 측정된 고점도 물질을 따라 내어 상온에 건조시켰다. 무게를 측정하였다.

 

2. 실험 과정

1) 실험에 들어가기 앞서 일단 이번 실험에서 사용해야할 시료들과 반응기구들을 점검하고 준비하는 작업을 했다.

2) 반응물로는 phthalic anhydride와 1,4-Butanediol를 각각 0.9㏖씩 사용하였고, 순도와 분자량으로써 이 반응물들의 중량을 계산하였다.

3) 촉매로는 P-toluene sulfonic acid를 0.5wt% 사용하였고 이 또한 먼저 넣어야할 양을 계산해 내어 준비했다.

4) 실험에서 가장 공을 들였던 부분은 반응 기구를 설치하는 작업이었다. 설치하기에 앞서 이것들을 어떤 순서대로 어떻게 설치하여야하고 이때 중요하게 고려해야할 사항이 무엇인지 체크해보았다.

5) 4구 반응기에 반응물들과 촉매를 첨가하고 반응기의 중앙 입구로 교반기를 설치하였다. 반응이 일어나는 동안 계속 교반을 시켜야 하기 때문에 교반기와의 설치가 가장 중요한데, 반응기 입구와 교반기의 축이 수직적으로 일치시키는 작업이 가장 힘이 들었다.

6) 교반기를 어느 정도 입구에 맞춘후 온도센서를 연결하고 가열장치를 설치해주었다.

7) 반응 시간 동안에 반응물들이 산화되는 것을 방지하기위해서 질소 공급 장치를 달아주었고, 이 과정에서 질소의 유입로에 건조제를 설치 해주어야하지만 질소유입에서 발생하는 수분이 그다지 크지 않고 반응 안에서 원래 수분이 발생하는 것이므로 이 부분은 크게 고려하지 않아도 되다고 생각되어 생략해주었다.

8) 부가물로서 생성된 H2O의 양을 측정하기위해 응축기를 연결해주었고, 모든 연결부위에 진공 그리스를 발라서 산소와 수분의 유입을 막아주었다.

9) 장비의 설치가 완료되었을 때 반응기 내부의 온도센서를 다시 한번 확인하고 가열장치를 20℃씩 나누어 올려주었다. 이는 갑자기 높은 온도로 가열하게 되면 반응기가 폭파할 수도 있는 위험이 있기 때문이었다.

10) 가열을 하면서는 반응기를 보온해주기 위해서 압박붕대를 이용하여 감싸주어 최대한 열손실을 막아주었다. 그리고 차차 올라간 온도가 반응물들이 반응할 수 있는 충분한 온도인 125℃까지 올려주었고, 130℃정도에 다다랐을 때 서서히 H2O 물방울들이 육안으로 식별될 정도로 냉각관에 맺히기 시작하였다.

11) 반응이 이루어지는 동안 교반기와 반응기가 잘 맞지 않는 듯이 미동을 보이고 뚜껑이 열리려해서 연결부위를 조금 느슨하게 풀어주며 실험하였다.

12) 물방울이 보이기 시작한 후로 약 한시간정도가 지났을 때 더 이상 물방울이 떨어지지 않는 듯이 보였다.

13) 그 후로 두, 세 시간 동안 더 반응을 지켜보았고, 이것을 상온후드에서 완전 건조시켜 투명한 젤리형태의 고분자와 물을 얻어내었다.

14) 반응이 끝난 후의 반응기의 무게를 재었고, 깨끗한 원래 반응기의 무게를 측정하여 반응기 안의 반응물, 생성물의 중량을 구하였다.

 

주의 사항

1. 반응 전 후 반응기의 무게를 재야한다.

2. 반응기 보온과 packing의 주의해야 한다.

3. H관, 냉각관의 주의 (외부와의 온도차가 발생하지 않게 냉각관까지 붕대로 감쌌다.)

 

실험 결과

1. 물리상수

	B.P(℃)	M.P(℃)	분자량(g/㏖)	무게(g)	순도
C6H4(CO)2O	285	131	148,12	134.65	99%
CH2(OH)CH2CH2CH2OH	235	20.1	90,12	82.34	98.5%
CH3C6H4SO2H‧H2O	140	106	190,22	0.96	99%

 

2. 실험에 필요한 시료의 양

반응물 : Phthalic anhydride[C6H4(CO)2O, Fw 148.12, 99%] 0.9㏖

0.9㏖×(148.12g/1㏖)×(100/99) = 134.65g

 

반응물 : 1,4-Butanediol[CH2(OH)CH2CH2CH2OH, Fw 90.12, 98.5%] 0.9㏖

0.9㏖×(90.12g/1㏖)×(100/98.5) = 82.34g

 

촉매 : P-Toluene sulfonic acid[CH3C6H4SO2H‧H2O, Fw 190.22g/㏖, 99%]

0.005×(100/99)×190.22 = 0.96g

이론적으로 생성되는 물의 양

1:1반응이므로 물 0.9㏖ 이 생성될 것이므로 물의 Fw= 18g/㏖ × 0.9 = 16.2g

 

3. Raw data

	무게(g)		무게(g)
반응기	335.09	비커	80.152
반응기 + 반응물	494.89	물 + 비커	99.492
반응물	159.8	생성된 물의 양	19.34
	이론적으로 생성되는 물의 양		16.2

4. 계산 과정

실제 수득량 = 나중 반응기 무게 - 처음 반응기 무게 = 494.89g – 335.09g = 159.8g

 

물의 수득률 y = 측정된물의양 / 이론적 물의 양 × 100 = 19.34.8g / 16.2g × 100 = 119.4%

토의 사항

1. 실험 고찰

반응물 Phthalic anhydride[C6H4(CO)2O]와 1,4-Butanediol[CH2(OH)CH2CH2CH2OH]를 같은 몰 수 반응시켜 축합중합에 의해 폴리에스테르를 제조하고 그 메커니즘을 이해는 것 이었다.

이론적으로 생성되는 물의 양은 16.2g으로 Phthalic anhydride과 1,4-Butanediol이 1:1로 반응하여 부가물로 물이 빠져나와야 한다. 그러나 실험을 한 결과 물의 양은 19.34g으로 이론값보다 3.14g 많이 나왔다. 이 결과로는 반응하여 물이 나오지만 물 이외의 다른 물질이 섞여 있는 혼합물임을 알 수 있다.

반응기 설치 시 질소의 유입로에 반응시간 동안에 반응물들이 산화되는 것을 방지하기 위하여 질소를 반응기 내에 주입시켰다. 또 한 각 기구에 연결부를 진공 그리스를 발라 산소와 수분의 유입이 되지 않도록 하였다. 유입을 막는 것은 축합중합에 영향을 줄 수 있기 때문이다.

모두 연결하고 가열장치를 이용하여 천천히 130℃씩 가열하였다. 온도를 20℃씩 나누어 올렸다. 서서히 가열하여 부산물의 증발을 막고 반응물의 승화온도를 넘지 않게 하기위해 130℃를 유지하였다. 또한 4구 플라스크와 외부와 온도차가 발생하지 않게 하기위해서 압박붕대를 이용하여 H관까지 감쌌다. H관까지 감싸야 증기가 차가운 냉각수와 만나 액체로 되어 흘러 내려오기 때문이다. 

이렇게 4시간동안 교반하여 반응시킨 축합중합은 갈색의 고점도 물질로 얻어졌다. 고점도의 물질의 무게+반응기를 재어보니 494.89g이 나왔다. 반응기의 무게는 335.09g이므로 고점도의 무게는 159.8g이다. 오랫 동안 반응시간을 줘야 분자량이 큰 고분자를 얻을 수 있다. 이렇게 생성된 고분자는 말단기 분석법 중에 산가를 측정하여 반응종결을 결정한다. 수 평균 분자량을 구할 수 있고, 고분자임을 확인 할 수 있다.

 

2. 결론

반응물 Phthalic anhydride[C6H4(CO)2O]와 1,4-Butanediol[CH₂(OH)CH2CH2CH2OH]를 같은 몰 수 반응시켜 축합중합에 의해 폴리에스테르를 제조하고 그 메커니즘을 이해는 것 이었다.

이론적으로 생성되는 물의 양은 16.2g으로 Phthalic anhydride과 1,4-Butanediol이 1:1로 반응하여 부가물로 물이 빠져나와야 한다. 그러나 실험을 한 결과 물의 양은 19.34g으로 이론값보다 3.14g 많이 나왔다. 이 결과로는 반응하여 물이 나오지만 물 이외의 다른 물질이 섞여 있는 혼합물임을 알 수 있다.

각 기구에 연결부를 진공 그리스를 발라 산소와 수분의 유입이 되지 않도록 하였다. 유입을 막는 것은 축합중합에 영향을 줄 수 있기 때문이다.

서서히 가열하여 부산물의 증발을 막고 반응물의 승화온도를 넘지 않게 하기위해 130℃를 유지하였다. 또한 4구 플라스크와 외부와 온도차가 발생하지 않게 하기위해서 압박붕대를 이용하여 H관까지 감쌌다. H관까지 감싸야 증기가 차가운 냉각수와 만나 액체로 되어 흘러 내려오기 때문이다. 이렇게 4시간동안 교반하여 반응시킨 축합중합은 충분한 반응시간을 주어야 분자량이 큰 분자량이 만들어 진다.

고점도의 물질의 무게+반응기를 재어보니 494.89g이 나왔다. 반응기의 무게는 335.09g이므로 고점도의 무게는 159.8g이다. 오랫동안 반응시간을 줘야 분자량이 큰 고분자를 얻을 수 있다. 시각적으로 갈색으로 변하여 반응 완결을 알 수 있었다. 이렇게 생성된 고분자는 말단기 분석법 중에 산가를 측정하여 반응종결을 결정한다. 분자량이 큰 고분자가 만들어졌는지 아닌지는 다음에 행할 실험 인 말단기 분석법중에 산도 측정을 통하여 알 수 있을 것이다.

 

참고 문헌

1. 고분자화학입문, 박문수, 김봉식, 이대수, 이진국 3판

[Engineering/공학실험] - [화학공학실험]축합 중합 - 폴리에스테르 제조 1부