The anionic polymerization of ε-caprolactam to nylon 6 is carried out somewhat below the melting point of the polymerized product, and thus nonisothermal crystallization occurs as the reaction proceeds. Because the polymerization and crystallization occur at the same time, it is quite difficult to analyze the crystallization kinetics during polymerization. One must understand the nonisothermal crystallization behavior during polymerization in order to simulate the RIM process of nylon 6.
The kinetics of crystallization during anionic polymerization of ε-caprolactam was studied by the adiabatic temperature rise method. A new kinetic model for the nonisothermal crystallization was derived and the possibility of its application was investigated. The experimental and predicted temperature rise showed pretty good agreement, which indicated that the model equation was applicable to describe the reaction-induced crystallization kinetics of nylon 6. By evaluating the model's diffusion and nucleation parameters for the given system, the crystallization behavior during polymerization was analyzed. At low conversion the reaction mixture was less viscous, a condition which made transport to the liquid-crystal interface easier, and thus the activation energy for transfer decreased. On the other hand, the increasing mobility retarded the formation of the stable nucleus and the free energy of formation of a nucleus increased.
A computer simulation model was developed to analyze the nylon 6 RIM. Balance equations calculating the temperature, conversion, and crystallinity change in a disc type mold were solved simultaneously with the aid of a computer. As an attempt to optimize the RIM process, the effects of molding parameters such as the feed temperature, the wall temperature, and the overall reaction constant on the process criteria of the eject time were analyzed.
카프로락탐의 음이온 중합 반응은 반응 속도가 매우 빠르며, 중합된 나일론 6의 기계적 물성이 우수하기 때문에 최근 반응 사출성형 (Reaction Injection Molding, RIM) 공정에 응용되고 있다.
RIM 공정은 새로운 고분자 가공 방식으로서 아직까지 시행 착오에 의한 경험을 통하여 공정 조건을 찾고있다. 그러나 이와같은 방식은 수지의 종류나 금형 형태의 다양성 등의 조업 조건 변화에 대처하는 데는 어려운 점이 많다. 따라서 공정 변수들의 최적 조건을 보다 효과적으로 찾기 위하여서는 콤퓨터를 이용한 공정 모사가 필요하다.
카프로락탐에서 나일론 6를 음이온 중합할 때 반응 온도가 생성물의 용융 온도보다 낮기 때문에 반응이 진행함에 따라 생성물의 결정화가 일어나게 된다. 반응과 결정화가 동시에 일어나는 경우에는 그 결정화 속도를 구하는 것이 매우 어렵다. 그러나 나일론 6RIM 공정의 콤퓨터 모사하기 위해서는 반응 중에 일어나는 결정화 현상에 대한 분석이 선행되어야 한다.
본 연구에서는 단열 반응기를 이용하여 카프로락탐 음이온 중합 중에 일어나는 결정화에 대하여 조사하였다. 지금까지 제한된 결정화 속도 식으로는 반응 중에 일어나는 비등온 결정화 속도를 설명할 수 없기 때문에 본 연구에서는 새로운 결정화 속도 모델식을 유도하여 그 적용 가능성을 조사하였다. 또한 고분자 사슬의 이동 및 임계 크기의 핵 형성에 필요한 활성화 에너지를 계산하므로서 반응에 따른 결정화 현상을 해석하였다.
나일론 6 RIM 공정의 공학적 해석을 하기 위하여 콤퓨터 모사모델을 세웠다. 원판형 금형 내에서의 반응물 온도와 전환율과 결정화도를 예측하는 수지 식들을 콤퓨터를 이용하여 동시에 풀었다. 또한 나일론 6 RIM 공정의 최적 조건을 찾기 위하여 반응물의 초기온도, 금형 온도, 촉매의 양, 또는 금형 두께 등의 변화에 따른 탈형 시간의 변화를 조사하였다.
