Polymer nanocomposite are particle-filled polymer where at least one dimension of the dispersed particle is on the nanometer scale. In this paper, syndiotactic polystyrene (sPS) / organophilic clay nanocomposite was fabricated by melt intercalation method. The fabrication method proper to high temperature processing of sPS was proposed and the microstructure and mechanical and thermal properties of fabricated nanocomposites were investigated.
In chapter 2, we investigated the microstructure and materials properties of sPS / organophilic clay nanocomposites prepared by direct melt intercalation. In order to avoid the thermal instability problem of organophilic clay, we fabricated more thermally stable organophilic clay, which does not decompose at high processing temperature of sPS. Using the newly synthesized organophilic clay, we could fabrication sPS nanocomposite by direct melt intercalation. XRD and TEM results showed that this nanocomposite is an intercalated nanocomposite. From the non-isothermal crystallization, it is known that the overall crystallization rate of the nanocomposite slightly decreases with clay content. This result is related with the clay dispersion and physical hindrance of organic modifiers. And the growth of crystal seems to be hindered by the presence of clay layers. Nanocomposite showed the enhanced mechanical and thermal properties compared with the matrix polymer.
In chapter 3, sPS nanocomposites prepared by stepwise melt intercalation was investigated. In this method, amorphous styrenic polymer was introduced to avoid the thermal instability problem of organophilic clay. Using poly(styrene-co-vinyloxazolin) (RPS) as amorphous styrenic polymer and thermally stable organophilic clay, we could fabrication sPS nanocomposite. XRD and TEM results showed that this nanocomposite has an exfoliated structure. The dispersion of clay layers of this system is better than that of nanocomposites prepared by direct melt intercalation. Previously intercalated RPS played an important role to exfoliate clay layers. Based on the above results, the emchanical and thermal properties of sPS nanocomposites were investigated. From the non-isothermal crystallization, we could know that nanocomposites showed enhanced overall crystallization rate compared to matrix polymer. It is due to the nucleation effect of clay layers dispersed uniformly in matrix polymer. And the fabricated nanocomposites showed increased mechanical properties such as strength and stiffness due to nano-scaled hybrid of polymer and clay and enhanced thermal stability due to the multilayered stucture of silicate.
나노복합재료는 고분자와 무기 강화제의 분산이 나노 스케일로 이루어진 고분자 재료이다. 본 연구에서는 용융 삽입법(melt intercalation)을 이용하여 신디오탁틱 폴리스티렌(sPS)과 유기 점토의 나노복합재료를 제조하였다. sPS의 고온 가공에 적합한 제조 방법이 제안되었으며, 제조된 나노복합체의 미세구조와 기계적, 열적 물성을 조사하였다.
2장에서는 직접용융삽입법을 이용하여 제조된 sPS 나노복합재료의 미세구조와 물성에 대하여 연구하였다. 용융삽입법으로 sPS 나노복합재료를 제조하는 것에는 유기점토의 열안정성이 문제가 되는데, 이는 sPS의 용융가공온도가 매우 높기 때문이다. 그래서 기존의 유기점토보다 더 열안정성이 높은 유기점토를 제조하였는데, 이 유기점토는 sPS의 용융가공온도에서도 열분해 되지 않았다. 새로이 제조된 유기점토를 사용하여 직접 용융삽입법으로 sPS 나노복합재료를 제조할 수 있었는데, 제조된 나노복합재료는 삽입된(intercalated) 구조를 가진 나노복합재료였다. 비등온 결정화 실험을 통해 결정화 속도를 알아보았는데, 나노복합재료는 매트릭스 고분자에 비해서 결정화속도는 거의 변화가 없거나 조금 감소하는 경향을 보여주었다. 이는 점토 층의 분산이 그리 좋지는 않아서 점토 층들의 기핵 작용이 높지 않은 데다가 유기 점토에 있는 유기 치환제들이 결정화에 방해를 주기 때문에 나타나는 현상이라 생각된다. 나노 복합체에 대해서 기계적 물성, 열적 물성도 측정하였는데, 매트릭스 고분자에 비해서 향상된 기계적 강성과 열안정성을 보여주었다.
3장에서는 단계용융삽입법을 이용하여 제조된 sPS 나노복합재료의 미세구조와 물성에 대해서 연구하였다. 이 방법에서는 유기점토의 열안정성 문제를 해결하기 위해서 비정형 스티렌계를 도입하게 되는데, 본 시스템에서는 극성을 가지는 poly(styrene-co-vinyloxazolin)을 비정형 스티렌 고분자로 사용하였다. 또한 기존의 상용화된 유기점토보다는 열안정성이 높은 유기점토를 사용하였다. 제조된 sPS 나노복합재료는 박리된(exfoliated) 구조를 가지는 나노복합재료였는데, 직접용융삽입법에 의해 제조된 나노복합재료에서보다 점토 층의 분산이 더 균일했다. 비등온 결정화 실험을 통해서 결정화 속도를 알아보았을 때, 제조된 나노복합재료의 결정화속도는 매트릭스 고분자보다 향상됨을 알 수 가 있었다. 이는 고르게 분산된 점토 층들이 더 큰 기핵작용(nucleation)을 하였기 때문이라 생각된다. 재료의 물성측정 결과, 제조된 나노복합재료는 매트릭스 고분자에 비해서 향상된 기계적 물성, 열적물성을 보여주었는데 그 향상된 정도가 직접용융삽입법으로 제조된 나노복합재료보다 뛰어났다. 이 역시 점토 층들의 분산이 더 균일하기 때문이라 생각된다.
