고분자를 생산하는 중합공정은 저분자 물질을 다루는 다른 화학공정과 마찬가지로 일반적인 화학공학의 원리를 응용하여 설계되어야 한다. 이에는 물론 독성, 가연성 등에 대한 고려도 포함되어야 하나, 고분자와 중합 반응을 다루는 중합공정의 설계에는 다음의 사항들이 특히 중시되어야 한다.
중합공정 설계시 주의할 점 세 가지
첫째로, 중합 반응에서 생성되는 열의 처리에 관한 문제이다. 1개의 이중결합이 단일 결합으로 바뀌는 과정은 보통 10~20Kcal/mol의 중합 열을 발생하며, 만일 이 반응이 단열 상태에서 일어난다면, 대략 200~400도의 온도 상승이 수반된다는 것이다. 이 열은 어떠한 방법으로든 제거되어야 하는데, 보통의 단량체와 고분자가 좋은 전도체가 아니므로, 반응열의 제거는 중합공정의 설계에서 최대의 문제점이 된다.
둘째로, 고분자의 생성에 따른 점도의 상승이다. 반응 중 점도의 상승은 단계 중합에서보다 연쇄 중합에서 더욱 심각한 문제로, 특히 자동 가속화 효과에 의해 급격한 점도 상승이 일어나 공정의 조절이 어렵게 될 수도 있다. 조절되지 않는 점도의 상승은 반응계 전체의 점도 자체로도 문제가 있으나, 위에서 말한 열의 제거를 더욱 곤란하게 한다는 점에서 더 큰 문제를 야기한다.
셋째로, 부피 변화의 문제를 들 수 있다. 일반적으로 고분자는 그 단량체에 비해 밀도가 높으므로 고분자가 됨에 따라 부피가 감소하며, 그 변화는 10~20퍼센트에 이르기도 한다. 중합공정의 설계, 특히 반응조의 설계에 이점이 고려되어야 한다.
이상의 중합 반응 특유의 문제점과 일반적인 화학공정 설계에서의 문제점들을 고려하여 여러 중합공정들이 개발되었다.
Bulk중합, 용액 중합, 현탁 중합, 그리고 유화 중합이 대표적인 네 가지 공정이다.
중합공정 대표적 3가지
Bulk중합은 단량체와 촉매 등 중합에 필요한 필수 성분만을 반응조에 투입하여 중합하는 방법이다. 이 중합은 발열량이 많고 중합에 따르는 점도의 증가가 현저하므로 벌크 중합을 하려면 이러한 문제점을 고려한 공정의 설계가 필요하다.
용액중합은 용매 또는 희석제에 반응물을 용해 또는 분산시켜 중합하는 방법으로 열 확산이 용이하고 반응물의 점도가 높지 않아 공정제어가 용이한 장점이 있다. 단량체는 대부분의 경우 용매 도는 희석제에 녹으나 중합 촉매나 생성 고분자는 용해되는 경우도 있고, 녹지 않고 분산되어 있는 경우도 있다. 용액 중합은 용매에 대한 사슬 이동 반응, 용매의 회수 및 정제공정 등 몇 가지 부수되는 문제점을 가지며, 주로 비닐 단량체의 이온 중합 또는 Ziegler-Natta 촉매를 이용한 중합공정에서 이용된다.
현탁 중합과 유화중합은 분산 매질에 단량체와 고분자를 분산시켜 중합하는 방법으로 분산 매질로는 물이 많이 이용된다. 이온 중합이나 Ziegler-Natta 촉매를 이용한 중합은 물이 반응에 참여하므로 곤란하여, 현탁 중합이나 유화 중합은 주로 비닐 단량체의 라디칼 중합에 이용된다. 열확산이 쉽고 중합이 끝난 후 얻어지는 구슬상 또는 유화된 상태의 중합물을 바로 상품화할 수 있는 장점이 있으나, 유화제 등의 분리가 힘들어 순수한 고분자를 얻기가 힘들다는 단점이 있다. 현탁중합과 유화중합은 물에 분산시켜 중합한다는 점은 동일하나 분산상의 크기나 반응 메커니즘 등에서 현저한 차이를 보인다.