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Rheology and dynamics of two-phase system with interfaces = 계면을 가지는 이성분계의 동적거동과 유변학적 성질에 관한 연구
서명 / 저자 Rheology and dynamics of two-phase system with interfaces = 계면을 가지는 이성분계의 동적거동과 유변학적 성질에 관한 연구 / Hyang-Mok Lee.
저자명 Lee, Hyang-Mok ; 이향목
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1996].
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The fundamental problems in two immiscible polymer blends, such as deformation, break-up and coalescence of the dispersed phase, were considered. Instead of formulating a single droplet problem, it was assumed that there is a kind of structure of the interfaces, in which the interfacial area(Q) and its anisotrpy($q_ij$) are equilibrated due to the competition between flow and interfacial tension. Relaxation mechanism of the interfaces in heterogeneous systems were phenomenologically considered so that a more general constitutive equation was proposed, which can be used not only for arbitrary volume fractions but also for arbitrary flow fields. Also, the effect of simple shear flow on the morphology of polystyrene(PS)/linear low-density polyethylene(LLDPE) blends was experimentally investigated. Wherease most works along these lines have been done visually in a flow cell, our samples were quenched after steady shear and their resulting structures were analyzed by scanning electron microscopy. In order to achieve a better understanding of morphological effects on polymer blending processes, the semiphenomenoligical expressions describing the interface contributions of immiscible polymer blends were formulated and compared with dynamic shear experiments of PS/LLDPE blends. Also, the morphology and rheological properties of copolymer modified blends of PS/LLDPE/SEBS(styrene-ethylene/butylene-styrene) were presented. To characterize the efficiency of the copolymer as a compatibilizer, the morphological structures in the blends were related to rheological behavior with the model suggested. As a result, the theoretical predictions were found to be appropriate for copolymer modified immiscible polymer blends as well as unmodified one. Based on this model predictions, it was important to give one an insight into the interfacial contributions increased by the compatibilization. On the other hand, it was considered that how the blends rheology is affected by the different blending process, which is followed by the discussion of the results of each component and compatibilizer. In order to investigate the flow induced morphology evolution, shear and first normal stress difference of immiscible Non-Newtonian/Newtonian polymer mixtures were examined in the transient state after inception, cessation, step-up and step-down of the shear flow. Samples used were blends of polyacrylic acid solution(PAAS) and polydimethylsiloxane(PDMS) with the composition ratios of 80:20, 50:50 and 20:80 for PAAS:PDMS by volume, which have almost equal viscosity and density. Basically, the transient stress responses to those shear flow are very complex. As a result, the transient of first normal stress difference turned out to be more sensitive to the structural changes than that of shear stress. Also, interestingly enough, it was found that the transient response to inception of shear flow was quite different from to other case of shear flow. On the other hand, from the theoretical point of view, model predictions on the transient rheological properties of the mixtures were accomplished and anisotropy tensor of interface, $q_ij$ in terms of deformation(D) and orientation angle(θ) of the dispersed domain was considered to understand the morphology evolution. Experimental results could be explained partially, by finding a locus of the $q_ij$. Consequently, the morphology evolution was turned out to be primarily responsible. As a special case, the fudamental aspects on the rheology of water-in-oil emulsions, such as viscosity ratio and morphology were considered. The model developed here is based on the early work of Pal and Rhodes(1989) for the frame of viscosity equation, and is also based on the above concepts for the morphological contributions. Thus the proposed conception enables us to predict not only the degree of flocculation but also viscosity ratio and morphological effects. The contribution of secondary morphology caused by the flocculation of droplets on the viscosity of dispersed emulsions has been found by using the factor, $-α'q_{xy'}/γ'$. However, this approach is only useful for the case of relatively dilute system below the maximum random packing. Additionally, the bulk rheological properties have been examined under the steady shear and dynamic flow in order to investigated the structure of emulsion. The flocculation-deflocculation transition was observed during the shear rate sweep, which can be justified by instant dilatancy near the critical shear rate.

계면으로 특징지워지는 이성분계는 그 계면으로 인하여 흐름장하에서 매우 복잡한 거동을 보인다. 본 연구에서는 주로 비상용성 고분자 블렌드의 유변학적 거동을 고찰하였는데, 분산상의 변형, 파괴 그리고 합체에 대한 계면의 기본적인 문제를 다루었다. 이전의 연구와는 개념이 다른 것으로, 주로 하나의 점성 도메인 거동에 촛점을 두지 않고 전체 부피당 가지는 계면배향텐서 $(q_ij)$로써 유변학적 거동을 해석하였다. 흐름장하에서 계면은 흐름과 계면장력에 대한 상호 경쟁작용으로 그의 평형상태가 존재하는데, 이것으로 인한 몰폴로지의 반영으로써 계면배향텐서 $q_ij$가 결정되고 결과적인 유변학적 물성에 중요한 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 이 개념을 근간으로 하고 현상학적인 측면에서 계면의 완화기구(relaxation mechanism)를 체계적으로 고려함으로써, 두상을 가지는 계의 유변학적 구성방정식을 제시하였다. 일차적 실험으로는 폴리스티렌(polystyrene, PS)과 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low-density polyethylene, LLDPE)의 블렌드를 대상으로 몰폴로지와 유변학적 물성을 측정하였으며, 상용화제인 SEBS(styrene-ethylene/butylene-styrene)를 첨가함으로써 상용화에 의한 영향을 고찰하였다. 기본적으로, 상용화제가 없는 블렌드 뿐만아니라 상용화된 블렌드의 유변학적 물성은 제시된 모델에 의해서 잘 예측되었고, 본 모델이 계면 영향을 독립적으로 구할 수 있다는 장점으로, 각각에 대한 계면의 기여도를 평가할 수 있었다. 한편, 블렌드의 제조공정, 즉 용융블렌딩과 용액블렌딩에 따라서 유변학적 물성이 크게 달라지는 현상을 볼 수 있었는데 이는 몰폴로지의 차이에 의해서라기 보다는 계면간의 상호작용의 변화로 판단되며 일부 이에 관한 논의를 유변학적 물성의 결과를 토대로 피력하였다. 흐름에 의한 몰폴로지 전개(morphology evolution)를 고찰하기 위하여 흐름의 발단(inception), 중단(cessation), 단계높임(step-up) 그리고 단계낮춤 (step-down)의 전이상태(transient state)에서 전단응력(shear stress)과 일차법선응력차(first normal stress difference)를 측정하였다. 이에 대한 실험물질로는 아크릴산 용액(polyacrylic acid solution, PAAS)과 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane, PDMS)을 80:20, 50:50 그리고 20:80으로 제조하여 수행하였다. 전이상태의 응력거동은 매우 복잡한 양상을 띠고 있었으며, 몰폴로지의 변형으로 인한 반응으로써 전단응력 보다는 일차법선응력차가 더욱 예민하게 반응하였다. 그리고 특이한 현상으로, 흐름의 발단에 대한 거동은 다른 상황과 매우 다르게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 한편 이러한 전이거동 역시 앞에서 제시한 모델로 예측하였는데, 전단응력은 잘 설명된 반면 일차법선응력차는 그렇지 못하였다. 이는 PAAS와 PDMS 법선응력차 자체의 큰 차이에서 연유한 것으로, 모델의 기본 가정을 만족시키지 못한 것으로 풀이된다. 또한 도메인의 파괴나 합체가 없는 상황에서는 계면배향텐서를 도메인의 변형파라미터(D)와 흐름방향에 대한 배향각(θ)으로 표기할 수 있어, 일부 실험결과를 각각의 D와 θ에 의한 $q_ij$의 궤적으로 설명할 수 있었다. 한편, 특별한 경우로 물/오일 에멀젼의 유변학적 거동을 고찰하였다. 기본적인 점도식으로는 Pal과 Rhodes(1989)가 제시한 것을 기본으로 하여 몰폴로지의 영향을 고려하였다. 본 에멀젼은 도메인의 flocculation에 의해서 2차적인 몰폴로지를 형성하였으며 이에 대한 점도상승의 영향을 $-α'q'_{xy}/γ$로 해석하였다. 그러나 이것은 도메인의 최대적층부피(maximum packing volume) 이하의 농도에서만 유효하였다. 한편, γ~100(1/sec)에서 점도의 일시적 상승이 관찰되었는데 이는 도메인의 flocculation-deflocculation의 구조전이(transition of structure)에 의한 것이었으며, 이에 의한 유변학적 물성의 특성을 동적실험 (dynamic test) 결과로 고찰하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCHE 96015
형태사항 xiv, 156 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이향목
지도교수의 영문표기 : O-Ok Park
지도교수의 한글표기 : 박오옥
수록 잡지명 : "Rheology and dynamics of immiscible polymer blends". Journal of Rheology. The Society of Rheology, Inc., vol. 38, no. 5, pp. 1405-1425
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학공학과,
서지주기 Reference : p. 147-152
주제 Rheology
Two-phase system
Interfaces
Morphology
유변학
이상계
계면
형태학
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