Poly(lactic)acid/Thermoplastic poly(ester)urethane/ CaCO₃복합체의 열적, 기계적, 유변학적 특성

Abstract

생분해성 고분자인 poly(lactic acid) (PLA)와 thermoplastic poly(ester urethane) elastomer (TPU)의 블렌드를 TPU함량을 5~30wt%로 변화시키면서 internal mixer를 이용해서 용융혼합하여 제조하였다. 이들 블렌드의 동적기계적 물성, 미세 모폴로지, 인장물성, 충격강도, 열적특성 및 유변학적 특성을 조사하였다. DMA를 이용한 동적기계적 물성 분석 결과 블렌드의 조성에 따라 PLA와 TPU의 유리전이온도가 각각 변화됨을 관찰하였으며, 이로부터 PLA와 TPU가 부분적 혼화성이 있음을 알 수 있었다. SEM 촬영에 의한 모폴로지 관찰로부터 PLA matrix에 TPU가 구형의 분산상을 이루는 것을 확인할 수 있었다. TPU의 함량이 증가함에 따라 인장강도와 Young`s modulus가 감소하며 파단신율과 충격강도가 향상되었으며, 이로부터 TPU 첨가로 인하여 PLA의 유연성과 내충격성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. Rheometrics mechanical spectrometer(RMS)를 이용하여 측정한 용융상태의 유변학적 특성을 살펴본 결과, TPU가 첨가됨에 따라 탄성과 용융점도가 증가되며, shear thinning 효과가 증가되는 것을 알 수 있었다. 또한, PLA/TPU 블렌드의 강성을 증가시킬 목적으로 PLA/TPU(80/20)블렌드에 2가지 종류의 CaCO₃(표면처리 되지 않은 CaCO₃와 stearic acid로 표면처리 된 CaCO₃)를 각각 1, 3, 5phr첨가한 복합체를 제조하였다. 이때 복합체는 CaCO₃를 TPU와 먼저 혼합한 후 PLA와 혼합하는 방법(2-step mixing)과 일시에 모두 혼합하는 방법(1-step mixing)을 각각 이용하여 제조하였다. CaCO₃의 첨가에 따라 PLA/TPU 블렌드의 동적점탄성과 열적특성은 큰 변화를 보이지 않았으나 인장강도와 Young`s modulus가 증가하였고 파단신율은 감소하였다. 한편, 충격강도는 stearic acid로 표면처리 된 CaCO₃를 1phr 첨가하고, 2-step mixing으로 제조한 복합체가 가장 큰 값을 나타내었다. SEM에 의한 모폴로지 관찰결과, steaic acid로 표면 처리된 CaCO₃가 표면처리 되지 않은 CaCO₃보다 더 균일하게 분산된 것을 알 수 있었다. 이러한 혼합순서에 따른 충격강도의 변화는 분산된 CaCO₃ 나노입자와 고무입자간에 가해진 응력을 완화시킬 수 있는 영역이 중첩됨으로써 나타나는 현상이라고 생각되었다.; Biodegradable polymer blends of poly(lactic acid) (PLA) and thermoplastic poly(ester urethane) elastomer (TPU) were prepared by a melt mixing in an internal mixer. Phase morphology, mechanical, thermal and rheological properties of the blends were investigated by means of SEM, tensile test, DSC, DMTA, Izod impact test and small amplitude oscillatory shear rheometry. From dynamic mechanical analysis, the PLA/TPU blend was found by to be a partially miscible system with shifted glass transition temperatures. SEM observation indicates that the TPU disperses uniformly in PLA matrix with a domain size of sub-micrometer scale. The addition of TPU elastomer accelerated the cold crystallization rate of the PLA. And, with an increase in TPU content, the blend shows a decreased tensile strength and modulus with improved elongation at break and Izod impact strength, indicating an effective toughening effect of the TPU for the PLA. Melt rheological analysis of the PLA/TPU blends revealed that with an increase in TPU content, the melt elasticity and melt viscosity of the blends increased with higher shear thinning effect. Addition of CaCO₃ nanoparticle into the PLA/TPU blends caused a increase in Young`s modulus which is accompanied with decreased in the elongation-at-break. But, Izod impact strength further increased in the presence of the small amount (1 phr) of CaCO₃ nanoparticles especially when the nanoparitcles are mixied with the elastomer followed by the mixing it with PLA. This could be understood as a consequence of the overlap of the stress volume between the rubber particles and CaCO₃ nanoparticles.