Various polymer-layered silicate nanocomposites (PLSNs) were prepared by melt-intercalation and solution methods. Morphology, Anisotropic phase behavior and shear-induced orientation behavior of PLSNs were investigated
Three types of maleated polypropylene/layered silicate nanocomposites with different dispersion states of layered silicate (deintercalated, intercalated and exfoliated states) are prepared from two kinds of polypropylenes with different molecular weights, organically modified layered silicate and pristine montmorillonite to investigate the effect of the final morphology of the nanocomposite on the rheological and mechanical properties. Maleated polypropylene with high molecular weight intercalates slowly and the other with low molecular weight exfoliates fast into the organophilic layered silicates. The rheological properties such as oscillatory storage modulus, non-terminal behavior and relative viscosities have the close relationship with the dispersion state of layered silicates. The exfoliated nanocomposite shows the largest increase and the deintercalated nanocomposite shows almost no change in relative viscosities as well as mechanical property with the clay content. The exfoliated nanocomposite shows the largest drop in complex viscosity due to shear-alignment of clay layers in the shear flow.
Morphology evolution, orientational behavior and anisotropic phase formation of the maleated polyethylene-layered silicate nanocomposites and the maleated polypropylene-layered silicate nanocomposites were investigated. The final morphology of both polymer-silicate nanocomposites evolves via four stages; disordered exfoliation, ordered exfoliation, dual states of intercalation and exfoliation, and intercalation in sequence as the concentration of silicate increases. The morphology evolution of nanocomposites is determined by balancing of interactions between a polymer-silicate and between silicate platelets such as a steric interaction and an attractive interaction, changing with the concentration of silicates. Especially, the existence of dual morphologies in stage III provide a clue to understand attractive interaction between adjacent layers on the morphology evolution as wall as the critical range of the attractive interaction in both nanocomposites. The clay platelets’ normals are aligned perpendicular to the fiber axis when the sample is sheared. Orientational order changes with the clay concentration as well as the shear rate in a complex manner. Up to an intermediate concentration, the orientational order is enhanced with the clay concentration. In contrast, at high concentrations the orientational order may decrease or increase according to the type of the nanocomposites. The enhancement in orientation with the clay concentration is due to the increase in the number of collisions between particles. The collisions prevent particles from tumbling freely thus enhancing the order. In contrast, the reduction of orientational order in the maleated polypropylene-layered silicate nanocomposites at the high concentration region may be caused by the tumbling of tactoids. In addition, the ordered silicate layers in the nanocomposite induce the optical anisotropy. Both nanocomposites show the optical anisotropy above 12vol% silicate. The optical anisotropy becomes stronger with the concentration of silicate.
Water-soluble polyvinylpyrrolidone (PVP)/sodium-montmorillonite (MMT) nanocomposites were prepared via solution intercalation method to investigate the effect of preparation condition on the final microstructure of PLSNs as well as the effect of polymer content on the anisotropic phase behavior of PLSNs. The PVP/MMT nanocomposites prepared under more rigorous stirring show better optical transparency than the ones under mild stirring because the more rigorous stirring can induce the smaller sizes of tactoid or primary particle in the nanocomposites. PVP and MMT are considerably compatible enough to form an exfoliated nanocomposite up to 20wt% MMT contents. Above the 20wt%, they may form an intercalated nanocomposite. PVP/MMT nanocomposites keep the good optical transparency and show the enhanced thermal resistance with MMT loading. These results could be assisted by the hydrogen bonding between C=O of PVP and OH on the silicate surface. In the investigation of optical anisotropy for the optically clear AtPVP/MMT suspensions, the concentration of MMT at the isotropic to anisotropic phase transition decreases with the increase of relative concentration of PVP to MMT.
폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐피롤리돈 수지와 층상실리케이트를 사용하여 용융삽입법(melt intercalation) 과 용액혼합법(solution intercalation)을 통해 고분자-실리케이트 나노복합체(PLSN)를 제조하고, PLSN의 모폴로지, 광학적 이방상 거동 및 배향 거동 등에 대하여 연구하였다.
분자량이 다른 두 종류의 말레인산이 그라프트된 폴리프로필렌과 유기변성 처리 전후의 두 종류의 층상실리케이트를 사용하여 용융삽입법을 통해 박리형(exfoliated), 삽입형(intercalated), 비삽입형(deintercalated)등의 서로 다른 세 종류의 최종 모폴로지를 가지는 폴리프로필렌-층상실리케이트 나노복합체를 제조하였다. 분자량이 큰 폴리프로필렌의 경우 유기화 된 층상실리케이트에 느린 속도로 삽입되었으며 분자량이 작은 폴리프로필렌의 경우 유기화 된 층상실리케이트를 빠른 속도로 박리시켰다. 유변학적 특성 및 기계적 물성은 나노복합체의 최종 모폴로지에 큰 영향을 받게 된다. 박리형의 나노복합체의 경우 유변학적 특성 및 기계적 물성이 가장 큰 증가를 보였으며 비 삽입형의 나노복합체의 경우 가장 작은 변화를 보였다. 또한 박리형의 나노복합체의 경우 가장 큰 실리케이트의 배향 거동을 보였다.
분자량이 작은 말레인산이 그라프트된 폴리에틸렌 과 폴리프로필렌에 고농도의 유기화 된 층상실리케이트가 함유된 말레인산이 그라프트된 폴리에틸렌 과 폴리프로필렌 나노복합체를 용융삽입법을 통해 제조하여 층상실리케이트의 농도에 따른 최종 모폴로지의 거동, 배형 거동 및 비 등방상 거동등에 관하여 연구하였다. 폴리에틸렌 과 폴리프로필렌 나노복합체들의 최종 모폴로지는 층상실리케이트의 농도증가에 따라 네 단계(비 정렬된 박리형, 정렬된 박리형, 박리 와 삽입 공존형, 삽입형)를 거쳐 변화한다. 최종 모폴로지는 고분자와 실리케이트간의 상호작용과 실리케이트간에 상호작용의 균형에 의해 결정된다. 특히 박리와 삽입 공존 단계의 존재는 실리케이트 층간에 작용하는 인력을 이해하는데 중요한 실마리를 제공한다. 각 실리케이트 층은 인접한 실리케이트 층간의 인력에서 자유롭기 위해 폴리에틸렌 과 폴리프로필렌 나노복합체의 경우 각각 약 9nm, 13nm이상의 거리를 유지해야 한다. 실리케이트 판상들은 모세관 용융흐름에서 판상의 수직방향이 모세관 축 방향의 수직방향으로 배향을 하게 된다. 폴리에틸렌-층상실리케이트 나노복합체의 경우 배향 정도는 실리케이트 농도가 증가할수록 전단흐름 속도가 증가할수록 커지게 된다. 반면에 폴리프로필렌-층상실리케이트 나노복합체의 경우 적당한 농도까지는 실리케이트 농도가 증가할수록 배향 정도가 증가하다가 어느 농도 이상의 농도에서부터 농도가 증가할수록 배향 정도가 감소하는 현상을 보인다. 이는 폴리프로필렌 나노복합체의 높은 점도 때문에 고농도에서 형성된 층상실리케이트의 응집체 (tactoid)가 회전(tumbling)하면서 생기는 현상으로 해석될 수 있다. 또한 폴리에틸렌 과 폴리프로필렌 나노복합체는 고농도(약 12vol% 이상)의 실리케이트 함유 시 고분자 용융상태에서 광학적 비등방성을 보이게 된다. 이와 같은 광학적 이방상은 나노복합체가 고농도의 실리케이트 함유 시 큰 종횡비를 가지는 실리케이트 층들이 서로 배열하게 되어 나타나는 현상으로서 농도가 증가할수록 광학적 이방성은 더욱 커지게 된다.
수용성 폴리비닐피롤리돈(PVP)-몬모릴로나이트(MMT) 나노복합체를 용액삽입법에 의해 제조하였고 제조과정에 조건 및 나노복합체의 이방상 특성에서 고분자의 역할을 살펴보았다. PVP는 MMT 약20wt%까지 박리구조를 가지는 PVP/MMT 나노복합체를 형성할 정도로 친화도가 우수하며 이런 강한 친화도는 PVP의 C=O와 MMT의 OH간에 강한 수소결합에 의해 유도되었다. PVP/MMT 나노복합체는 더욱 가혹한 혼합조건에서 제조될수록 광학적 투과도가 뛰어났으며 이는 더욱 가혹한 혼합조건 일수록 입자의 크기가 작아지기 때문이다. 또한 제조된 용액상태의 PVP/MMT의 경우 상대적인 고분자 농도가 증가할수록 광학적 이방상 전이가 나타나는 MMT 농도가 감소함을 확일 할 수 있었다.
