Hydrophilic-hydrophobic interpenetrating polymer networks(IPN's) of polyurethane(PU) and polystyrene(PS) were prepared by simultaneous polymerization method under high pressure up to 10,000 Kg/㎠. The hydrophilic polyurethane networks were prepared by reacting the polyurethane prepolymer based on hexamethylene diisocyanate(HDI) and polyethylene glycol(PEG) with trimethylol propane as the crosslinking agent. The hydrophobicity of the PU phase, the molecular weight of PEG and the crosslink density were varied in preparing the IPN's. Polystyrene networks were prepared by crosslinking styrene monomer with divinylbenzene.
The morphology, dynamic mechanical properties, and swelling behavior of the IPN's were analyzed to evaluate the effects of the synthesis pressure, hydrophilicity of PU phase, molecular weight of PEG and Mc on the degree of intermixing of the component polymers. The degree of intermixing increased with increasing synthesis pressure. The domain size of the PS phase decreased from about 2,000 Å at atmospheric pressure to 100 Å at 10,000 Kg/㎠ for the IPN of U50S50(the PU was based on HDI and a polyol mixture of PEG50/PTMG50), and the dynamic mechanical behavior also showed an inward shift in Tg's with increasing synthesis pressure. The swelling properties of the simultaneous interpenetrating polymer network (SIN's) were influenced strongly by the morphology. The swelling ratio in water and enthanol, which were good solvents for PU network, decreased degree of intermixing.
The compatibility between the PU and PS phases increased as the hydrophobicity in PU phase increased. The swelling ratio in water decreased with increasing the hydrophobicity of PU phase. The decreased compatibility was observed from the electron micrographs as the molecular weight of PEG and Mc were increased.
The hydrophilic-hydrophobic IPN nembranes of PU and PS were prepared in a glass mold at atmospheric pressure and in a high pressure mold at high pressure up to 5,000 Kg/㎠.
The pervaporation experiment of water/ethanol mixture was conducted to evaluate the permeation characteristics of the IPN membranes. The IPN membranes permeated water selectively and revealed the high pervaporation rate.
The IPN membrane revealed a maximum in pervaporation rate at 60-70 wt% ethanol concentration and water selectivity increased as the content of ethanol increased. As the content of the hydrophobic PS was increased, the pervaporation rate decreased continuously while the water selectivity increased slightly. The pervaporation rate increased sharply with Arrhenius relationship with increasing temperature, but the selectivity decreased. The activation energy of pervaporation was 6.34 kcal/mol for the azeotropic mixture of water/ethanol. The abrupt decline in the pervaporation rate and the water selectivity was observed at around 20 torr which was near the saturated water vapor pressure at 25℃ as downstream pressure was increased. The IPN membranes synthesized at high pressure showed a decrease in swelling ration and pervaporation rate and an increase in water selectivity. This was due to the increased number of the hydrophobic PS domains and the increased PS phase continuity. Thus it was possible to control the membrane characteristics by varying the morphology of the hydrophilic-hydrophobic IPN's.
The relative thickness of dry layer could be calculated by measuring the electrical resistance of the membrane during the pervaporation process. The thickness of dry layer increased with reducing the down stream pressure.
친수성 폴리우레탄과 소수성 폴리스티렌을 조성분으로 하는 상호침투고분자구조물(IPN)을 상압에서 10,000 Kg/㎠ 까지 합성압력을 올려가면서 동시중합법으로 제조하였다. 친수성 폴리우레탄은 헥사메틸렌 디이소시아네이트와 폴리에틸렌글리콜에서 제조된 폴리우레탄프리폴리머와 가교 제인 트리메틸올프로판을 반응시켜 합성하였다. 폴리스티렌은 스티렌모노마와 가교 제인 디비닐벤젠으로 부터 중합하였다. 또한 폴리우레탄의 소수성, 폴리에틸렌글리콜의 분자량 및 가교밀도 등을 변화시켜가며 IPN을 제조하였다.
합성압력, 폴리우레탄의 소수성, 폴리에틴렌글리콜의 분자량 및 가교밀도가 IPN 의 상호혼합도에 미치는 영향을 규명하기 위하여 몰폴로지, 동적 기계적 성질 및 팽윤도등을 조사하였다. 상호혼합도는 합성압력에 따라 증가하였으며 폴리스티렌 분산상의 크기는 상압일 경우 약 2,000Å 에서 10,000 Kg/㎠ 일 경우 100Å정도까지 감소하였다. 동적 기계적 성질에서는 글리스 전이온도가 합성압력이 증가함에따라 폴리우레탄쪽에서는 증가하고 폴리스티렌쪽에서는 감소하였다. 즉 합성압력이 증가함에 따라 상호침투가 증가함을 나타내었다. 팽윤도는 용매가 폴리우레탄에만 팽윤되는 물과 에탄올일 경우 합성압력이 증가함에 따라 감소함을 나타내었다. 이는 합성압력이 증가함에 따라 폴리스티렌이 분산상에서 연속상으로 변화하는 것과 물리적 가교역할을 하는 소수성 폴리스티렌의 분산상 갯수가 증가하기 때문이다. 한편 폴리우레탄과 폴리스티렌 모두에 용제인 톨루엔에서는 팽윤도가 합성압력에 영향을 받지 않았다. 폴리우레탄의 소수성이 증가함에 따라 폴리우레탄과 폴리스티렌 사이의 상용성은 증가하였으며, 물에 대한 팽윤도는 감소하였다. 폴리에틸글리콜의 분자량과 가교점사이의 분자량이 증가함에따라 상용성은 감소하였으며 물에 대한 팽윤도는 폴리에틸렌글리콜의 분자량이 증가할수록 증가하는데 반하여 가교점사이의 분자량에는 영향을 거의 받지 않았다.
친수성 폴리우레탄과 소수성 폴리스티렌으로 구성된 분리막을 제조하여 물-알콜 혼합용액에 대하여 투과증발실험을 하였다. IPN 분리막은 물을 선택적으로 투과시켰으며 높은 투과속도를 나타내었다.
에탄올 조성을 변화시켰을 경우에는 60 - 70wt% 에탄올 조성에서 최대의 투과증발속도를 나타내었으며 에탄올 조성이 증가함에따라 물의 선택투과도는 증가하였다. 온도를 증가시켰을 경우에는 Arrhenius 형태로 투과증발속도가 증가하였으며 이때 활성화에너지는 6.34 Kcal/mol 이었다. 물의 선택투과도는 온도증가에 따라 약간 감소하였다. 진공쪽의 압력을 증가시킴에 따라 (즉 진공도를 감소시킴에 따라) 물의 포화 증기압 부근인 20 torr 정도까지는 투과증발속도 및 물의 선택투과도가 약간 감소하지만 그 이상에서는 급격한 감소를 나타내었다. 이는 물의 증발속도가 급격히 감소하기 때문이다. 합성압력이 증가할수록 팽윤도 및 투과증발속도는 감소하였으며 물의 선택투과도는 증가하였다. 즉 합성압력에 따라 몰폴로지를 변화시킴으로써 분리막의 투과특성을 변화시킬 수 있었다. 투과증발실험중에 분리막의 전기저항을 측정하여 건조층의 두께를 구하였으며 진공도가 커짐에 따라 건조층의 두께는 증가하였다.
