The relatively favorable interaction between polycarbonate (PC) and styrene-acrylonitrile (SAN) copolymer matrix of acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) copolymer apparently makes it possible to produce commercially useful materials without any compatibilizer. However, these uncompatibilized PC/ABS blends undergo significant dispersed phase particle coalescence in the melt state under certain molding conditions, and this leads to a significant deterioration of the properties of the blend, especially at the weld line.
It is generally known that stabilization of the domain morphology would be beneficial to weld line strength. However, it appears that there was little study on the effects of the processing conditions and the compatibilizers on the morphology and the mechanical properties of the welded regions of immiscible or partially miscible polymer blend. In this study, the effects of increasing the viscosity of dispersed domain and incorporating reactive and non-reactive compatibilizers on the morphology and the mechanical properties at the weld line of PC/ABS = 64/40 (wt/wt) blends were investigated The influences of processing temperature (240~280℃) were also studied.
In Chapter 2, the influence of incorporating high molecular weight SAN on the weld line characteristics of PC/ABS blends, i.e., PC/g-ABS/SAN blends, was studied. Well dispersed ABS domain just at the weld line below V-notch and coarse morphology at the region behind the weld line were observed in the PC/ABS. When tensile stress was applied perpendicular to the weld line, the fracture, initiated from the V-notch at the surface, propagated along the weak region behind the weld part where domain phase coalescence was significant due to the poor compatibility between PC and SAN. It was also found that domain morphology near the weld line became stable with increasing the molecular weight of SAN in ABS domain phase. Therefore, mechanical strength of the sample with weld line also increased. Phase coalescence became severe, and so mechanical strength of welded specimen decreased with increasing injection molding temperature.
In Chapter 3, PMMA was introduced as a non-reactive compatibilizer for PC/ABS blends. ABS and PMMA showed fairly good compatibility. PC/PMMA blends revealed two glass transition, which proved two phase structure of these blends. From the shift of $T_g$ values in the blends of PC with "as supplied" and reprecipitated PMMA, it was concluded that the partitioning of low molecular weight components during melt blending largely contributed to changes in $T_g$ for PC/PMMA blends. And the changes in the morphology and the mechanical properties at the weld line of PC/ABS blend compatibilized with PMMA were compared to those of PC/ABS blend with high molecular weight SAN. The degree of domain phase coalescence of PC/ABS blends at the weld-line compatibilized with PMMA was less severe than that in the specimens with high molecular SAN. The enhanced morphology of PC/ABS/PMMA blends, compared to PC/ABS blend with high molecular weight SAN, was interpreted as the result of compatibilizing effect of PMMA in PC/ABS blends. As the injection molding temperature was increased, coalescence of (ABS + PMMA) domain was also observed. As in the PC/ABS blend without PMMA, the fracture propagated along the weak region behind the weld part where domain phase coalescence was significant. Weld line strength of PC/ABS blend compatibilized with PMMA were much higher than those with high molecular weight SAN and enhanced mechanical properties of PC/ABS/PMMA blend was also interpreted as the compatibilizing effect of PMMA.
In Chapter 4, SPMIMA terpolymer, which is miscible with ABS, was chosen as the platform to form the amine functional reactive compatibilizer (amine-SPMIMA) for PC/ABS blend. From the results of the reaction between the low molecular weight model compounds and the changes in the morphology and the torque values for the PC/SAN blend with and without amine-SPMIMA obtained from the blending Haake torque rheometer, it was concluded that the addition of the amine-SPMIMA to PC/ABS blends leaded to the formation of graft copolymer during melt processing as proposed. With amine-SPMIMA copolymer lower than 1.0 %, PC/ABS blends showed phase coalescence at high injection molding temperature but, as the content of amine-SPMIMA copolymer was increased to 3.5%, phase coalescence was drastically reduced even at high injection molding temperature. As in the PC/ABS blend without compatibilizer, the fracture propagated along the part behind the weld line. Weld tensile strength of PC/ABS blends compatibilized with amine-SPMIMA copolymer increased with increasing the content of amine-SPMIMA, but weld impact strength had a maximum value at about 2.5 % of amine-SPMIMA content. This was the result of two conflicting effects, that is, the improved dispersion state of ABS domain and the intrinsic brittleness of SPMIMA copolymer. The specimens molded at high injection molding temperature showed higher weld impact strength. It was shown that PC/ABS blend compatibilized with amine-SPMIMA copolymer could have improved weld line strength maintaining moderate processibility, compared to the blends with high molecular weight SAN or PMMA. Considering the weld line strength and the processibility together, it was thought that PC/ABS blend compatibilized with amine-SPMIMA copolymer had advantages compared to the blends with high molecular weight SAN or PMMA.
Finally, it was concluded that, in order to increase weld line strength, the use of a compatibilizer that results in finer morphology independent of processing temperature is definitely needed.
아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 삼원공중합체 (ABS)의 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 (SAN) 매트릭스와 폴리카보네이트 (PC) 사이의 부분적인 상용성으로 인하여 PC/ABS 블렌드는 상용화제를 사용하지 않더라도 상업적으로 유용한 물성을 가지게 된다. 그리나 상용화제가 첨가되지 않은 PC/ABS 블렌드는 용융 상태에서 특정한 조건이 되면 분산상의 상뭉침 현상이 현저하게 발생하며, 따라서 웰드라인에서의 기계적 강도를 포함한 여러 가지 물성이 크게 저하되게 된다.
다성분계 고분자 블렌드의 웰드 라인에서의 기계적 강도를 향상시키기 위해서는 분산상의 형태학을 안정화시키는 것이 중요하다는 사실이 일반적으로 잘 알려져 있음에도 불구하고, 비상용계 또는 부분적으로 상용성이 있는 고부자 블렌드의 웰드 라인에서의 형태학과 기계적 강도에 미치는 상용화제와 성형 조건의 영향에 관한 연구는 많이 진행되지 않았다. 본 연구에서는 PC/ABS = 64/40 (wt/wt) 블렌드의 웰드 라인에서의 형태학과 기계적 강도에 미치는 분산상의 점도 증가와 반응 또는 비반응 상용화제의 영향에 대해서 고찰해 보았다. 또한 성형 온도(240~280℃)의 영향에 대해서도 관찰해 보았다.
제 2 장에서는 PC/ABS 블렌드 (즉, PC/g-ABS/SAN 블렌드)의 웰드 라인 특성에 미치는 고분자량 SAN의 첨가 영향에 대해서 연구해 보았다. 표면의 V-노치 아래의 웰드 라인 부분에서는 작게 분산된 ABS 분산상이 관찰되었으나 웰드 라인 뒷부분에서는 크게 뭉쳐진 형태의 분산상이 관찰되었다. 인장 응력이 웰드 라인에 수직인 방향으로 가해지면 표면의 V-노치에서 시작된 파단은 웰드 라인이 아닌, PC와 SAN 사이의 낮은 상용성으로 인해 상뭉침이 현저하게 발생한, 웰드 뒷부분을 따라 진행되는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 ABS 분산상 내 SAN 분자량을 증가시켜 분산상의 점도를 증가시키면 웰드 라인 부근의 형태학이 안정화되고, 따라서 웰드 라인이 있는 시편의 기계적 강도도 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 성형온도를 증가시키면 다시 상뭉침 현상이 심하게 나타나 웰드 시편의 기계적 강도도 감소하게 되는 것을 알 수 있었다.
제 3 장에서는 PMMA가 PC/ABS 블렌드의 비반응 상용화제로 사용되었다. ABS와 PMMA는 상당히 우수한 상용성을 보여주었으나, PC/PMMA 블렌드는 2개의 유리전이 온도를 나타내어 2개의 상이 존재하는 것을 확인시켜 주었다. PC와 원래 PMMA 및 재침전 PMMA의 블렌드의 Tg 변화로부터, PC/PMMA 블렌드의 Tg 변화는 용융 블렌딩 시에 일어나는 저분자량 성분들의 이동에 의해서 나타나는 현상임을 알 수 있었다. 그리고 PMMA를 상용화제로 사용한 PC/ABS 블렌드의 웰드 라인에서의 형태학과 기계적 강도의 변화를, 고분자량 SAN을 사용한 PC/ABS 블렌드에서 나타나는 변화와 비교해 보았다. PMMA를 상용화제로 사용한 PC/ABS 블렌드의 웰드 라인에서의 상뭉침 정도는 고분자량 SAN을 사용한 블렌드의 상뭉침 수준보다는 약한 것으로 나타났으며, 이러한 PMMA를 적용한 PC/ABS 블렌드의 웰드 라인에서의 양호한 형태학은 PMMA의 상용화 효과에 기인하는 것으로 해석되었다. 그러나 성형 온도를 증가시키면 (ABS＋PMMA）분산상의 상뭉침도 역시 관찰되었다. 또한 PMMA를 사용하지 않은 PC/ABS에서와 마찬가지로, 파단이 상뭉침이 현저하게 발생한 웰드 라인 뒷부분을 따라 진행되는 것으로 나타났다. PMMA를 상용화제로 사용한 PC/ABS 블렌드의 웰드 강도도 고분자량 SAN을 사용한 경우에 비하여 우수한 것으로 나타났으며, 이러한 웰드 강도의 증가도 PMMA의 상용화 효과에 기인하는 것으로 판단되었다.
제 4 장에서는 ABS와 상용성이 우수한 SPMIMA 삼원 공중합체를 PC/ABS 블렌드에 사용될 수 있는 아민기 함유 반응 상용화제 (아민화-SPMIMA)를 제조하기 위한 기초 수지로 사용하였다. 저분자량 모델 화합물에서 일어나는 반응과 Haake Torque Rheometer에서 PC/SAN 블렌드를 제조할 때 얻어진 아민화-SPMIMA 사용 유무에 따라 달라지는 토크값 및 형태학의 변화로부터, 아민화-SPMIMA를 PC/ABS 블렌드의 용융 블렌딩에 사용하면 예상되는 바와 같이 그라프트 공중합체가 생성되어 상용화제로 작용하는 것을 알 수 있었다. 1.0% 미만의 아민화-SPMIMA를 사용한 PC/ABS 블렌드는 높은 온도에서 상뭉침을 보여주는 반면, 3.5% 이상의 아민화-SPMIMA 상용화제를 사용한 블렌드에서는 높은 온도에서도 상뭉침 현상이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. 상용화제를 사용하지 않은 PC/ABS 블렌드에서와 마찬가지로 파단이 웰드 라인 뒷부분을 따라 진행되는 것으로 나타났다. 웰드 인장강도는 아민화-SPMIMA의 함량이 증가함에 따라 계속적으로 증가하는 것으로 나타났으나, 웰드 충격강도는 약 2.5%의 아민화-SPMIMA를 사용할 때에 최대값을 보여주었다. 이것은 ABS 분산상의 형태학 개선과 SPMIMA 삼원 공중합체의 근원적인 취성이라는 2가지의 상반된 원인에 의해서 나타나는 결과로 판단되었다. 또한 높은 온도에서 성형된 시편들이 더 높은 웰드 충격강도를 보여주었다. 고분자량 SAN 또는 PMMA를 사용하는 경우에 비하여, 아민화-SPMIMA를 반응 상용화제로 사용한 PC/ABS 블렌드가 적절한 수준의 성형성을 유지하면서 높은 웰드 강도를 나타낼 수 있음을 알 수 있었으며, 따라서 아민화-SPMIMA를 반응 상용화제로 사용하는 것이 웰드 강도와 성형성을 동시에 만족시킬 수 있는 방법임을 알 수 있었다.
결론적으로, PC/ABS 블렌드의 웰드 강도를 향상시키기 위해서는 성형 온도에 관계없이 안정적인 분산상을 얻을 수 있는 상용화제의 사용이 필요함을 알 수 있었다.
