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폴리우레탄 소재는 고온에 대한 내성이 있습니까? 일반적으로 폴리우레탄은 고온에 대한 내성이 약하며, 일반적인 PPDI 시스템을 사용하더라도 최대 내열 온도는 약 150°C 정도에 불과합니다. 일반 폴리에스터나 폴리에테르 계열 소재도 120°C 이상의 온도를 견디지 ​​못할 수 있습니다. 그러나 폴리우레탄은 극성이 매우 높은 고분자이며, 일반 플라스틱에 비해 내열성이 뛰어납니다. 따라서 고온 내성 범위를 명확히 정의하거나 용도에 따라 적합한 소재를 구분하는 것이 매우 중요합니다.
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그렇다면 폴리우레탄 소재의 열 안정성을 어떻게 향상시킬 수 있을까요? 기본적인 해답은 앞서 언급한 고규칙성 PPDI 이소시아네이트처럼 소재의 결정성을 높이는 것입니다. 폴리머의 결정성을 높이면 왜 열 안정성이 향상될까요? 그 이유는 누구나 알고 있듯이 구조가 물성을 결정하기 때문입니다. 오늘은 분자 구조의 규칙성 향상이 열 안정성 향상으로 이어지는 이유를 설명하고자 합니다. 기본적인 개념은 깁스 자유 에너지 공식, 즉 △G=H-ST에서 찾을 수 있습니다. 이 공식에서 좌변 G는 자유 에너지를 나타내고, 우변의 H는 엔탈피, S는 엔트로피, T는 온도를 나타냅니다.
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깁스 자유 에너지(ΔG)는 열역학에서 에너지 개념으로, 그 크기는 종종 상대적인 값, 즉 시작 값과 끝 값의 차이로 나타나기 때문에 절대값을 직접 얻거나 나타낼 수 없어 앞에 △ 기호를 사용합니다. △G가 감소하는 것, 즉 음수인 것은 화학 반응이 자발적으로 일어날 수 있거나 특정 예상 반응이 일어나는 데 유리하다는 것을 의미합니다. 이는 열역학에서 반응의 존재 여부 또는 가역성을 판단하는 데에도 사용될 수 있습니다. 감소 정도 또는 속도는 반응 자체의 반응 속도론으로 이해할 수 있습니다. H는 기본적으로 엔탈피이며, 분자의 내부 에너지로 대략적으로 이해할 수 있습니다. 한자의 표면적인 의미에서 불은

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S는 시스템의 엔트로피를 나타내며, 이는 일반적으로 알려져 있고 그 의미도 매우 명확합니다. 엔트로피는 온도 T와 관련이 있거나 온도 T로 표현되며, 기본적으로 미시적인 작은 시스템의 무질서 또는 자유도를 나타냅니다. 이쯤에서 눈썰미 좋은 분이라면 오늘 우리가 논의할 열 저항과 관련된 온도 T가 드디어 등장했음을 알아차리셨을 겁니다. 엔트로피 개념에 대해 간단히 설명드리겠습니다. 엔트로피는 결정성의 반대 개념으로 쉽게 이해할 수 있습니다. 엔트로피 값이 높을수록 분자 구조는 더욱 무질서하고 혼란스럽습니다. 분자 구조의 규칙성이 높을수록 분자의 결정성은 더욱 좋아집니다. 이제 폴리우레탄 고무 롤에서 작은 정사각형을 잘라내어 이 작은 정사각형을 하나의 완전한 시스템으로 간주해 보겠습니다. 정사각형이 100개의 폴리우레탄 분자로 이루어져 있다고 가정하면(실제로는 N개의 분자가 있음), 질량과 부피가 기본적으로 변하지 않으므로 △G를 매우 작은 값 또는 0에 무한히 가까운 값으로 근사할 수 있습니다. 그러면 깁스 자유 에너지 공식은 ST=H로 변환될 수 있으며, 여기서 T는 온도, S는 엔트로피입니다. 즉, 폴리우레탄으로 이루어진 작은 정사각형의 열 저항은 엔탈피 H에 비례하고 엔트로피 S에 반비례합니다. 물론 이것은 근사적인 방법이며, 비교를 통해 얻은 △ 값을 앞에 추가하는 것이 가장 좋습니다.
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결정성 향상이 엔트로피 값을 감소시킬 뿐만 아니라 엔탈피 값을 증가시킨다는 것은 쉽게 알 수 있습니다. 즉, 분자 수를 증가시키면서 분모(T = H/S)를 줄이는 것인데, 이는 온도 T가 증가할수록 더욱 분명해지며, T가 유리 전이 온도이든 융점이든 관계없이 가장 효과적이고 일반적인 방법 중 하나입니다. 여기서 중요한 점은 단량체 분자 구조의 규칙성과 결정성, 그리고 응집 후 고분자 응고체의 전체적인 규칙성과 결정성이 기본적으로 선형적이라는 것입니다. 즉, 이 둘은 대략적으로 동일하거나 선형적으로 이해될 수 있습니다. 엔탈피 H는 주로 분자의 내부 에너지에 의해 결정되며, 분자의 내부 에너지는 서로 다른 분자 구조와 분자 위치 에너지의 결과입니다. 분자 위치 에너지는 화학적 퍼텐셜이며, 분자 구조가 규칙적이고 질서정연할수록 분자 위치 에너지가 높아져 물이 얼음으로 응축되는 것과 같은 결정화 현상이 더 쉽게 발생합니다. 게다가, 우리는 100개의 폴리우레탄 분자를 가정했는데, 이 100개 분자 사이의 상호작용력 또한 이 작은 롤러의 열 저항에 영향을 미칠 것입니다. 예를 들어 물리적 수소 결합은 화학 결합만큼 강하지는 않지만, 그 수가 많기 때문에 상대적으로 많은 분자 간 수소 결합은 무질서도를 줄이거나 각 폴리우레탄 분자의 운동 범위를 제한하는 효과가 있어 열 저항을 향상시키는 데 도움이 됩니다.