In this dissertation, organifiers having multiple cationic sites with various molecular weights are synthesized and organoclays are prepared by cation-exchange reaction of montmorillonite with organifiers. Molecular weight of organifiers is varied from 4455.54 to 10326.73 and one, two and four cationic sites of organifiers are prepared. NMR and FT-IR measurements are used to verify the synthesis of organifiers. By the TGA analysis, inorganic contents of organifiers are measured. d-spacing of organoclays are estimated by WAXD and SAXS analysis. SEM is used to observe the size of organoclays and average effective size is calculated by image analysis. 2K-H-2K organoclay showed the largest d-spacing and the best thermal stability and the most amount of organic penetration into clay among prepared organoclays.
Prepared organoclays are immersed into DMF and sonication is applied for 10 mins. After the sonication, organoclay is well-dispered and form stable suspension in DMF. Polyurethane/organoclay nanocomposites are synthesized via solution polymerization. With the five kinds of prepared organoclays, polyurethane/organoclay nanocomposites are prepared from 1 wt% up to 3 wt% organoclay loading. Polyurethane/organoclay nanocomposites are characterized by rheometer, TGA, DMTA, WAXD, SAXS, SEM, TEM, GPC, and UTM. Agglomerated residual clays are observed by SEM micrographs and TGA is used to evaluate thermal stability. Organifier of organoclay is extended by reaction with isocyanate through solution polymerization and the increase of molecular weight is estimated by GPC. Enhancement of mechanical properties and glass transition temperature are observed by UTM and DMTA, respectively. Physical crosslinking effect by ions is verified by rheometer measurement and observed by TEM analysis. The greatest properties are observed from polyurethane/2K-H-2K organoclay nanocomposite corresponding to results of organoclay. Ionic crosslinking effect is shown by introducing multi cationic organoclays into polyurethane matrix.
이 연구에서는 다중 양이온기를 갖는 다양한 유기화제를 제조하여 폴리우레탄도막에 나노수준에서 분산시키는 것이다. 비슷한 분자량 하에서 다양한 양이온기 수를 갖는 유기화점토를 제조하였고 또한 같은 양이온기 수 하에서 다양한 분자량을 갖는 유기화점토를 제조하였다. 같은 양이온기 하에서는 유기화제의 양이온기 사이의 분자량이 증가함에 따라 다양한 물성이 향상됨을 알 수 있었다. 유기화점토의 층간거리가 증가하였고 폴리우레탄도막에서의 분산성이 향상되었다. 또한 유리전이온도, 열적안정성, 인장강도, elongation at break 등도 증가하였다. 단일 양이온기의 경우 이온 가교의 효과가 나타나지 않고 두개의 양이온기의 경우에도 양이온기간 사슬 길이가 충분히 길지 않으면 그 효과가 주목할만하지 않았다. 이 두 가지의 경우 클레이 함량이 1wt%일 때 까지는 분산성이 향상되고 다양한 물성이 향상되었으나 2wt%부터는 오히려 물성이 저하됨을 알 수 있었다. 양이온 간에 유사한 사슬길이를 갖더라도 양이온기의 수가 증가한 경우에도 여러물성이 더 우수하였으며 동일한 수의 양이온기수의 경우 양이온기 간의 사슬길이가 길어질수록 이온 가교의 효과가 더 뚜렷해 짐을 확인하였다. 특히 제조된 유기화제중 2K-H-2K의 경우 TEM에서 방향성 없이 박리된 단일 Platelet이 가장 많이 관찰되었다. 또한 이렇게 분산이 잘 될수록 유기화제의 -OH기가 이소시아네이트와 반응할 기회가 많아져서 고분자의 사슬이 연장되는 경향성을 보이며 이는 GPC를 통한 분자량 측정으로 확인하였다. Young's Modulus는 유기화점토의 함량이 증가함에 따라 꾸준히 증가하는 경향을 보였다. 가교효과를 충분히 보인 폴리우레탄/점토 도막의 경우 유기화점토의 함량이 3wt%까지 증가함에 따라 분자량, 유리전이온도, 열적 안정성, 인장강도, elongation at break, Young's modulus, complex viscosity등이 모두 증가하는 경향을 보였다.
