Interpenetrating polymer networks (IPN's) of polyurethane-poly(methyl methacrylate) and polyurethane-polystyrene were synthesized under high pressure (up to $20,000 kg/cm^2$). The polyurethane network (based on poly(tetramethylene ether) glycol and 4,4,'-dephenyl-methane diisocyanate) was crosslinked with tri-methylolpropane, the poly(methyl methacrylate) network with ethylene glycol dimethacrylate, and polystyrene with divinyl benzene. The theoretical crosslink density of the networks were 3,200 and 2,000 molecular weight between crosslink sites ($\mbox{\overline{M}}$c). Polyurethane-polystyrene semi-IPN's (one of the component polymer is linear) and linear blend (both of the component polymers are linear) were also prepared.
The morphology via transmission electron microscopy, the glass transition behavior via differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, and the density behavior were analyzed to determine the effect of synthesis pressure and the effect of interlocking on the degree of intermixing of the component polymers.
The domain sizes decreased with increasing synthesis pressure. The polyurethane domain sizes of the polyurethane-poly(methyl methacrylate) IPN's decreased exponentially from about 300 to $30 \mbox{\AA}$ with increasing synthesis pressure from 1,250 to $20,000 kg/cm^2$. The domain sizes of polyurethane-poly (methyl methacrylate) and polyurethane-polystyrene IPN's synthesized at high pressure ($20,000 kg/cm^2$ and $10,000 kg/cm^2$, respectively) were very small with sizes of about tens of angstroms which could be considered as a molecular level mixing, and they were optically transparent. The phase continuity changed also with pressure, the polyurethane phase became more continuous at low pressure, while the poly (methyl methacrylate) and polystyrene phase showed continuity at high pressure.
The glass transition behavior of the polyurethane-poly (methyl methacrylate) and polyurethane-polystyrene IPN's showed inward shift as the synthesis pressure was increased and finally merged to form a single transition.
The dynamic mechanical behavior of the polyurethane-polystyrene IPN's showed changes from the heterophase structure to the homogeneous single phase IPN structure when the synthesis pressure was increased. Especially IPN's with theoretical $\mbox{\overline{M}}c$ of 2,000 synthesized above $10,000 kg/cm^2$ showed one sharp glass transition, intermediate of the two component Tg's.
The degree of intermixing increased with increasing synthesis pressure, and the relative degree of mixing among PU-PS IPN's, semi-IPN's and linear blend was in the following order: IPN $(\mbox{\overline{M}}c=2,000) > \mbox{IPN} \quad (\mbox{\overline{M}}c=3,200) > semi-I \quad \mbox{IPN} (\mbox{polyurethane}\quad \mbox{crosslinked}/\mbox{polystyrene}\quad \mbox{linear}) > semi-II \quad \mbox{IPN} (\mbox{polyurethane}\quad \mbox{linear}/\mbox{polystyrene}\quad \mbox{crosslinked})=$ linear blend. The morphology also showed similar trend. The relative degree of intermixing among different composition of polyurethane/polystyrene was in the following order : $75/25>50/50>25/75$. The compatibility of the component polymers, and the probability of forming a physical interlocking, and the mobility of polymer chain during synthesis were found to be the controlling factor in determining the degree of mixing in IPN, semi-IPN and linear blend system.
A qualitative phase separation mechanism of the IPN synthesized under high pressure was proposed with relation to the Gibb's free energy of mixing, conversion (molecular weight), mobility of polymer segment (polymer diffusion rate) and crosslink density (gelation point, molecular weight between crosslinks : Mc).
The dynamic complex Young's modulus behavior of the polyurethane-polystyrene IPN and linear blend synthesized at atmospheric pressure followed the theoretical models of Budiansky and those synthesized at $10,000 kg/cm^2$ followed the Dickie model.
The density behavior showed on abrupt change as the synthesis pressure was changed from atmospheric to $2,500 kg/cm^2$ but it showed no significant difference when synthesized above $2,500 kg/cm^2$. Both of the IPN's synthesized at atmospheric and $10,000 kg/cm^2$ showed increased densities from the calculated densities based on the volume additivity of the components, and this increase seemed to be due to the increase of the degree of mixing.
폴리우레탄-폴리메칠메타크릴레이트, 폴리우레탄-폴리스치렌의 IPN들을 고압(최고 $20,000 kg/cm^2$)하에서 합성하였다. 폴리우레탄 (폴리테트라 메칠렌 에테르 글리콜 (PTMG)과 4,4'-디페닐 메탄 디이소시아네이트 (MDI)를 원료로 한)을 가교시키기 위하여 트리메치롤프로 판 (TMP)을, 폴리메칠 메타크릴레이트를 위하여는 에칠렌 글리콜디메타크릴레이트를, 폴리스치렌을 가교시키기 위하여는 디비닐벤젠을 사용하였다. 구조물의 이론적 가교 밀도는 가교지점간의 분자량이 3,200 과 2,000 이 되도록 하였다. 폴리우레탄-폴리스치렌의 세미-IPN (조성고분자 중 하나가 linear한 것) 과 linear blend(두 조성 고분자가 모두 linear한 혼합체)도 제조하였다. 합성 압력과 고분자 가교 결합간의 물리적인 얽힘 (interlocking)이 조성고분자들의 상호 혼합도에 미치는 효과를 알아보기 위하여, 투과 전자 현미경을 이용한 몰폴로지, 시차 주사 열량 분석 (DSC)과 동적 기계적 성질 분석 (DMA)을 이용한 글라스 전이 거동과 밀도 거동을 분석하였다. 합성 압력이 증가함에 따라 domain의 크기가 감소하였으며, 폴리우레탄-폴리메칠 메타크릴레이트 IPN의 경우는 폴리우레탄의 domain 크기가, 합성 압력이 $1,250 kg/cm^2$ 에서 $20,000 kg/cm^2$ 로 증가함에 따라 약 $300 \mbox{\AA}$ 에서 $30 \mbox{\AA}$ 정도로 지수(exponential)적인 감소를 보였다. 가장 높은 압력($20,000 kg/cm^2$ 와 $10,000 kg/cm^2$) 에서 합성된, 폴리우레탄-폴리메칠 메타크릴레이트와 폴리우레탄-폴리스치렌 IPN의 domain크기는, 거의 분자수준의 혼합으로 볼 수 있는 수십 옹스트롬 정도로 매우 작았으며, 이것들은 눈으로 보아 투명했다. 상 연속도도 압력에 따라 변화하였는데, 낮은 압력에서는 폴리우레탄이 더 연속상이었으며, 높은 압력에서는 폴리스치렌이 연속상이었다. 폴리우레탄-폴리메칠 메타크릴레이트와 폴리우레탄-폴리스치렌 IPN의 글라스전이온도는, 압력이 증가함에 따라 안쪽으로 이동하였으며 지수(exponential)적인 감소 (폴리스치렌상의 $T_g$) 또는 증가 (폴리우레탄 $T_g$)를 보였다. 폴리우레탄-폴리스치렌 IPN의 동적 기계적 거동은, 합성 압력이 증가할 때 불균일 상 구조로부터 균일 상 IPN구조로의 변화를 보여 준다. 특히 $10,000 kg/cm^2$에서 합성된 $\bar{M}c = 2,000$ 인 IPN 은, 두 조성 $T_g$의 중간에 하나의 뚜렷한 글라스 전이를 보여준다. 상호 혼합도는 합성 압력이 증가함에 따라 증가하였으며, IPN들, 세미-IPN 들과 linear blend중에서 상대적인 혼합도는 다음 순서와 같다. $IPN(\bar{M}c=2,000) > IPN(\bar{M}c=3,200) > 세미 -I IPN (가교된 폴리우레탄/linear 폴리스치렌) > 세미-II IPN (linear 폴리우레탄 /가교된 폴리스치렌) = linear blend$. 몰폴로지 또한 비슷한 경향을 보여준다. 상대적인 혼합도는, linear구조를 가지는 조성 고분자의 유동성에 의존하며, linear 한 폴리우레탄 조성을 가지는 세미-I IPN 은 비교적 비 유동적인 linear한 폴리스치렌 조성을 가지는 세미-II IPN 에 비하여 높은 상 분리도를 보여준다. 폴리우레탄/ 폴리스치렌의 조성 변화에 따른 상대 혼합도는 다음의 순서이다: $75/25 > 50/50 > 25/75$. Gibb 의 혼합 자유 에너지, 전환율(분자량), 고분자 분절(segment)의 유동성 (고분자 확산속도)와 가교밀도 (겔화점, 가교점 사이의 분자량:$\bar{M}c$)등과 연관하여 고압에서 합성된 IPN 의 상 분리 기구를 제시하였다. 폴리우레탄-폴리스치렌 IPN과 linear blend 의 기계적인 complex 인장계수 거동은 상압에서는 Budiansky 모델을 따르며, $10,000 kg/cm^2$에서는 Dickie 모델을 따른다. 밀도 거동은 합성 압력이 상압에서 $2,500 kg/cm^2$ 로 변함에 따라 급작스런 증가를 보였으며, $2,500 kg/cm^2$ 이상에서는 별로 변화가 없었다. 상압과 $10,000 kg/cm^2$ 에서 합성된 IPN 의 밀도는 각각의 조성의 체적 비례법으로부터 계산된 밀도보다 증가된 것을 보였으며, 이러한 증가는 혼합도의 증가에 기인한다고 생각할 수 있다.
