폴리프로필렌과 폴리에스터 공중합체 블렌드의 상용화에 관한 연구

Abstract

새로운 구조를 갖는 고분자의 합성은 시간과 비용 면에서 상당한 투자를 필요로 하기 때문에, 고분자 블렌드는 이미 존재하는 고분자를 선택할 수 있는 효율적인 전략으로 많이 연구되어왔다. 그러나 대부분의 고분자는 혼화성이 없어 계면이 안정화되지 않아 이것이 최종 물성에 큰 결함으로 이어진다는 단점이 있다. 따라서 서로 다른 고분자 사이의 계면 안정화 및 혼화성의 향상에 관한 연구가 대부분이었다. 지난 10년 동안 상용화의 개념은 블락 공중합체 (Block copolymer) 또는 반응성 고분자 (reactive polymer)를 이용한 계면 혼화성의 증가에만 국한되지 않고 고체 입자 (solid particle) 를 사용하여 그 범위를 넓혀왔다.

피커링 에멀젼 (Pickering Emulsion) 은 오일이 물에 분산되어 있거나 물이 오일에 분산되어 있는 유제 시스템 (Emulsion system) 에 고체 입자를 첨가하였을 때, 고체 입자가 두 액체의 계면에 선택적으로 흡착하여 전체 계 (system) 의 안정화를 도모하고, 분산된 상을 더 고르게 분산되도록 하는 것이다. 1900 년대 초에 발견 된 이 현상은 과거에는 현상학적인 연구로만 존재하였지만, 최근 고분자 블렌드 및 복합소재 (Composite) 분야로의 적용으로 이어지고 있다.

블락 공중합체 또는 반응성 고분자를 사용하는 이전의 전략은 혼화성의 증대에 매우 효과적이다. 그러나 이 전략은 두 고분자와의 화학적 상호 작용에 기인한 전략이므로 첨가되는 화합물이 블렌드에 사용하는 두 고분자에 맞게 적절한 화학 구조를 가져야 한다는 점에서 다양성의 부족이라는 단점이 있다. 이 방법과는 달리, 나노 크기의 고체 입자를 사용하는 전략은 계면에 존재하는 경우에는 물리적 장벽 (Physical barrier) 역할을 하여 고분자의 응집을 막는다. 계면이 아닌 한 고분자 내부에 존재하는 경우에도 가공 과정에서 고분자의 점도를 높여 응집이 저하되는 효과가 있다. 즉, 피커링 에멀젼을 기반으로 한 고분자 블렌드의 상용화 효과는 화학적인 상호작용이 아닌 물리적인 응집력 방해로 인한 것이며 이는 기존 전략의 다양성 부족이라는 단점을 극복할 수 있다. 또한 새로운 고분자 블렌드를 제조할 때 상용화제에 대한 추가적인 투자 없이 소량의 나노 입자를 사용할 수 있다는 점에서 고분자 블렌드의 상용화에 대한 영리한 방법을 제공한다.

이 분야에 대한 지난 10년간의 연구는 고체 입자가 열역학적으로 어디에 위치하는 지를 계산하고 이것이 실제 실험과 일치하는 지 여부에 초점을 두어 진행되어왔다. 입자의 위치를 예측하기 위해 각 성분의 표면 장력 (Surface Tension) 을 측정하여 열역학적 평형 상태의 예측하는 것이 다양하게 시도되었다. 고체 입자의 위치는 가공 단계에서 결정 되는데, 고체 입자의 열역학적 평형 상태의 위치를 결정하는 브라운 운동 (Brownian motion) 은 점성에 반비례하는 경향이 있다. 따라서, 공정 단계에서의 고분자 블렌드 계가 매우 높은 점도를 갖고, 가공 시간이 매우 짧기 때문에 열역학적 계산 만으로 고체 입자의 위치를 예측하는 것은 한계가 있다. 다시 말해, 고분자 블렌드에서는 열역학적인 영향뿐만 아니라 가공 순서와 같은 동역학적인 영향력 (Kinetic Effect) 이 더 크게 작용할 수 있다.

이전의 상용화 전략을 사용하는 대신 고체 입자를 도입하는 이점을 극대화하기 위해서는 열역학적 계산을 이용한 적절한 고체 입자를 알아내거나 입자의 표면을 개질 하는 것 보다, 고분자 블렌드의 가공 조건을 변형시켜 상용화 효과를 극대화 하는 것이 더 바람직하다. 그러나 가공 조건에 따른 고분자 블렌드에 관한 연구는 거의 진행되지 않아왔다. 따라서 본 연구에서는 표면 특성이 다른 실리카 나노 입자와, 서로 다른 혼합 과정 (Mixing Procedures) 를 이용하여 피커링 에멀젼을 기반으로 한 고분자 블렌드의 상용화에 관한 열역학적인 영향뿐만 아니라 동역학적 효과에 대해 논하였으며 최종 물질의 열적 및 기계적 특성에 대해서 탐구하였다. 또한 본 연구로, 공정 과정의 변화만으로 나노 입자의 위치를 표적한 위치로 유도할 수 있는 가능성을 논하였다.; In the present study, compatibilization of immiscible blends of polymers was investigated based on the Pickering emulsion concept with various mixing procedures. Silica nanoparticles were incorporated into poly (1,4-cyclohexanedimethylene isosorbide terephthalate) (PEICT)/isotactic polypropylene (iPP) blends. Localization of nanoparticles was effectively modified by varying mixing procedures. Relocation of hydrophilic silica occurred in a secondary mixing procedure with the PEICT, which has relatively high affinity when primarily mixed with iPP. The final location of the silica nanoparticles was confirmed by SEM images. SEM and an optical microscope were used to follow morphological change. By simply changing the mixing procedure, the hydrophilic silica nanoparticles were able to perform the role of a morphology modifier successfully without modifying the surface characteristics. The mechanical properties and crystallization behavior were also compared depending on the surface characteristics of the silica nanoparticles and their final localization.