Organoclays were formed by modifying the pristine clays with organifiers Disperse organoclay with high shearing, and the series of HTPB (hydroxyl terminated polybutadiene)/organo-clay nanocomposite was formed. Then, this composite were crosslinked with IPDI (isophorone diisocyanate) and PU nanocomposite was formed.
In Caphter 2, as the length of organifier increased, the gap size between layers of organoclay became broader. The clays modified with octadecylamine(C18) and dodecyl amine(C12) showed wider gap sizes than that modified with octyl amine(C8). This gap size affected the dispersion state of clays, exfoliation/intercalation in HTPB polymer medium. The mixtures of HTPB with C18 and C12 were transparent without sedimentation and showed almost exfoliated structure. HTPB/C18 mixture showed the higher viscosity and yield strength than HTPB/C12 due to more exfoliation. HTPB/C12 showed more elastic behavior than HTPB/C18 mixture because the organoclay C12 had less content of organifier. The dodecylamine is more polar than octadecylamine, and the diffusion rate of IPDI was faster in HTPB/C12 than HTPB/C18 meidum during crosslinking reaction. The faster crosslinking aided to achieve complete exfoliation in PU(HTPB)/C12 even at 15wt% of clay. Furthermore, the crosslinking density of PU(HTPB)/C12 was higher than PU(HTPB)/C18. This phenomena was confirmed in swelling test, DSC results. Even at 10wt% of clay PU nanocomposites, tensile properties were enhanced than PU binder.
In Chpater 3, Organoclay (cloisite10A and cloisite20A) was dispersed in HTPB (Hydroxyl terminated polybutadiene) at 5, 10, and 15 wt% of clay. Then, HTPB was crosslinked with IPDI (Isophorone diisocyanate), and a PU nanocomposite was formed. Even at 15 wt% of clay, the complete exfoliation of clay was achieved in PU. The diffusion rate of IPDI was affected by the polarity of the HTPB/organoclay composite because IPDI is relatively polar molecule, and it determined the exfoliation state of the PU/organoclay nanocomposite. PU/10A nanocomposite showed complete exfoliation than PU/20A. PU/10A nanocomposites showed superior mechanical properties compared to PU/20A, because the PU matrix interacted with 10A more effectively.
고분자/층상 실리케이트 나노복합체는 적은 양의 실리케이트를 이용하여 실리케이트를 박리시켜 기계적물성, 열적 특성, 막 특성 등을 향상시켜왔다. 대부분 실리케이트의 함량이 증가할수록, 분산 및 박리의 한계로 대개 어느 정도 실리케이트 농도 이상 에서는 물성이 좋지 못하였다. 고농도에서의 실리케이트의 박리 및 물성향상은 아직 연구가 거의 되지 않은 분야이다. 이 연구에서는 박리 현상뿐 아니라 박리 메커니즘 규명하는 데에도 중점을 두었다.
분산의 한계를 극복하기 위해, 큰 시어를 적용하였다. 박리를 위해서, 양쪽끝 부분에 하이드록실기가 있고 메인 체인이 작용기 없는 소수성을 가지고 있는 고분자, HTPB(Hydroxy terminated Poly Butadiene)를 사용하였다. HTPB의 하이드록실기는 유기화된 실리케이트에 포함되어있는 유기화제의 아민그룹과 이온결합을 형성한다. 그리고 고분자의 소수성의 주된체인은 실리키에트를 잘 밀어낼 수 있는 결정적 역할을 하게 된다.
제 2장에서는, 유기화체인의 길이가 길수록 더 많이 유기화 실리케이트가 벌어졌다. HTPB에 유기화 점토를 분산시켰을 때, 더 많이 유기화 실리케이트의 층간간격이 벌어지게 되었다. 이것은 진동수를 $0.1rad/s\sim100rad/s$ 로 변화시키면서 유변학적 성질을 측정을 하였을 때, 진동수가 낮은 범위에서, 항복응력의 존재가 강하게 나타났다. 가장 많이 벌어진 점토가 HTPB에 분산된 물질이 제일 항복응력이 강하게 나타났고, 이것은 박리로 인해 흐름에 저항하는 표면적이 많기 때문에 그런 것이다. 하지만 박리가 잘된 나노복합체라 할지라도, 유기화제가 많은 경우에는 슬립효과가 나타났다. 경화거동이 일어날때는 오히려 체인길이가 octadecylamine보다 상대적으로 적은 dodecylamine을 유기화제로 사용한 물질이 더 많은 점토의 박리가 일어났다. 특히 15wt%의 점토에서의 완전 박리가 일어났는데, 이것은 dodecylamine과 IPDI의 상용성이 옥타데실아민보다 커서, IPDI의 침투속도를 빠르게 하였기 때문으로 추측된다. 경화거동 반응식을 IPDI의 전환율을 계산하여서 식을 세웠고, 초기 확산이 dodecylamine을 사용한 나노복합체에서 훨씬 빠르게 일어난다는 것을 확인하였다. 경화반응이 일어나면서 삼차원적인 폴리우레탄 망상구조가 생기고, 그리고 이것은 경화속도를 늦추었다. 경화정도는 팽윤실험에 의해 확인되었다. 실리케이트 함량이 10wt%가 될때까지, 폴리우레탄 나노복합체는 Youn's Modulu및 Tensile strength가 실리케이트 함량이 많아질수록 크게 증가하였다.
제 3장에서는, 두 종류의 작용기를 가진 유기화된 상용화 실리케이트의 우레탄에서의 박리거동 및 물리적 특성을 비교하였다. 아로마틱 작용기를 가지고 있는 유기화된 실리케이와 알리파틱 작용기를 가지고 있는 유기화점토를 사용하여 비교하는 실험을 하였다. 10A 는 20A 보다 실리케이트의 층간간격이 작아서 HTPB 가 들어가는 양이 상대적으로 20A 보다 적어, 실리케이트가 적게 벌어졌다. 하지만 레오메터 실험을 하였을때, 10A의 벤질 그룹과 HTPB의 더블본드 그룹의 상호 작용이 두드러지게 나타났다. 특히 점성거동 보다 탄성거동이 두드러졌다. IPDI의 침투는 HTPB/10A 복합체가 HTPB/20A 복합체에서보다 빠르게 일어났다. 층간간격이 HTPB/20A 가 더 넓은데도 이런 현상이 일어난 이유는 10A가 IPD와의 상용성이 있어서 이다. 빠른 경화로 인해, PU(HTPB)/10A복합체는 15wt%의 clay 에서도 완전박리가 일어나게 되었다. PU(HTPB)/10A 나노복합체는 PU(HTPB)/20A복합체보다 기계적 성질이 더 좋게 나타났다. 그 이유는 HTPB 와 10A의 효과적으로 물리적 상호작용을 하기 때문이다.
