In this dissertation, the development of polylactide as a commodity plastic was studied by the introduction of modified clay into the high molecular weight commercial polylactide. The improvement of shear thinning, thermal stability and mechanical properties of polylactide/modified clay nanocomposites was mainly focused. In contrary to the conventional polylactide/clay nanocomposites system, commercialized clay with hydroxyl-functionalized ammonium cations groups was modified by grafting different molecular weight of polylactide by ring-opening polymerization using the reactive extrusion concept in order to make production of polylactide or modified clay economically viable and then melt compounded with high molecular weight of polylactide for the preparation of polylactide/clay nanocomposites. The effect of the lactide-modified clay on the properties of the nanocomposites such as the morphology, rheological properties, thermal properties and mechanical properties of the nanocomposites was investigated.
Lactide-modified clay was synthesized using L-lactide and commercialized organoclay $(Closite^{\reg}30)$ with the equimolar complex of $Sn(Oct)_2$ as a catalyst and triphenyphosphine as a co-catalyst. The product yield was over 97\% even though residence time was as short as 10min. That resulted form the support of mixing element and the shearing of the polymer as well as catalyst and co-catalyst which had a favorable effect on polymerization rate and delayed the occurrence of undesirable back biting reaction. Lactide-modified clay showed exfoliated or partially intercalated structure by the grafting reaction of the growing polylactide chains onto the clay surface which affected the high degree of exfoliation of polylactide/lactide-modified clay nanocompsoites. In polylactide/modified clay nanocomposites system, it showed the improvement of the shear thinning compared to the polylactide and conventional polylactide/clay nanocomposites when molecular weight of grafted polylactide was over the critical molecular weight of chain entanglement and inorganic content was 3wt\%. This result was originated from the end-tethered structure of the modified clay and the chain entanglement /slippage between grafted polylactide and polylactide matrix with frequency variation. On the other hand, lactide-modified clay did not have positive effect on the thermal stability of nanocomposites with the increase of clay content. It is understood that thermal stability of polylactide/modified clay nanocomposites in this study is directly related to the thermal stability of modified clay and the molecular weight of polylalctide grafted onto the clay surface. In case of mechanical properties such as Young’s modulus, tensile strength and elongation at break, they had a similar tendency to the conventional nanocomposites. However, the overall mechanical properties were a little better than those of the conventional nanocomposites.
본 연구에서는 폴리락타이드를 범용수지 용도로 개발하기 위하여 먼저 유기화점토를 개질하고 이를 상업화된 고분자량의 폴리락타이드에 도입하여 폴리락타이드/점토 나노복합재료를 제조하였다. 이를 통하여 폴리락타이드의 낮은 전단담화, 열적 및 기계적 물성 개선에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 기존의 폴리락타이드/클레이 나노 복합체의 제조 방법과는 다른 방법을 이용하였으며, 이는 서로 다른 분자량을 지닌 폴리락타이드로 표면 개질된 클레이를 경제성이 있는 반응압출 개념을 이용하여 제조하였으며 이후 고분자량의 폴리락타이드와 용융혼련하는 공정을 통하여 폴리락타이드/클레이 나노 복합재료를 제조하였다. 이를 통하여 개질된 클레이가 폴리락타이드/클레이 나노 복합재료에 미치는 모포로지, 유변학적 물성, 열적 및 기계적 물성들을 조사하였다.
먼저 개질된 클레이는 락타이드와 상업화된 클레이(Cloisite^{\reg}30B)에 동일 몰수의 촉매와 조촉매를 주입하여 합성되었는데 반응기내 합성을 위한 체류시간이 약 10분 정도로 짧았으나 제품 수율은 모든 개질된 클레이에 대하여 97% 이상을 나타내었다. 이는 반응기내 혼련, 고분자의 전단응력 그리고 중합속도를 증가시키고 바람직하지 않은 역반응을 지연시키는데 있어 유리한 촉매와 조촉매의 사용에 기인하였다. 클레이 표면에 성장한 폴리락타이드로 인하여 개질된 클레이는 전체적으로 박리성이 우수하였으며 클레이 함량이 크게 증가될 경우 부분적으로 삽입된 구조를 보였다. 이는 최종적인 폴리락타이드/클레이 나노 복합체의 클레이 층간 박리에 영향을 미쳐 매우 우수한 박리성을 보여주었다. 최종적으로 생산된 폴리락타이드/클레이 나노 복합체는 클레이 표면에 그라프트된 폴리락티드의 분자량이 사슬 엉킴 분자량 이상일 경우 그리고 최종적으로 3wt%의 무기물 함량에서 순수한 폴리락타이드와 기존의 폴리락타이드/클레이 나노 복합체 보다 우수한 전단담화를 나타내었다. 이는 개질된 클레이의 말단 고정 효과와 클레이 표면의 폴리락타이드와 기질인 폴리락타이드 간의 사슬 엉킴/미끄러짐에 의해서 발생하는 현상으로 보여진다. 락타이드로 개질된 클레이는 폴리락타이드/클레이 나노 복합체의 열적 물성 개선에는 크게 기여하지 못하였으며 이는 개질된 클레이의 열적 안정성 및 클레이에 그래프팅된 폴리락타이드의 분자량과 직접적으로 관계되는 것으로 이해된다. 영 탄성율, 항복점 인장강도 및 파괴점 신율은 기존의 폴리락타이드/클레이 나노 복합체와 유사한 경향을 보였으나, 전반적인 기계적 물성은 기존의 클레이/폴리락타이드 나노복합체 대비 향상되었다.
