A study has been carried out on the rheological properties of filled polyethylene, filled polypropylene, reinforced polypropylene, and reinforced nylon 6. The mechanical properties have also been investigated. Calcium carbonate and chopped strand E-glass fiber are the filler and reinforcing material used. For calcium carbonate, three coupling agents, stearic acid, a titanate type, and a silane type, are tested. For the glass fiber, three silane type coupling agents are examined. The rheological properties are measured by a capillary rheometer and a dynamic spectrometer. An Instron universal testing machine is used for the mechanical properties. The microphotograph technique is also employed to help result explanations. A twin-screw extruder and a twin-screw Plasti-Corder are used for compounding calcium carbonate and glass fiber. For the reinforced polypropylene, a chemical modification has been accomplished by use of maleic anhydride (MA) and an initiator.
In calcium carbonate filled high density polyethylene system, complex viscosity was increased with increasing filler level. From the plot against loss modulus, the storage modulus was decreased slightly with increasing filler content. From the same plot, however, effects of coupling agent and temperature on storage modulus were diminished. Compounding with calcium carbonate did not improve tensile strength. Elongation at break was decreased with increasing calcium carbonate content. The coupling agent showed almost no effect on tensile strength but a rather big improvement in elongation at break. This notable difference between the untreated and treated systems in elongation, however, seems to be related with dispersion state of filler. In the calcium carbonate filled polypropylene systems, effects of coupling agent and filler content on the viscosity and first normal stress difference were clearly seen. In steady shear, the filler increased the viscosity but decreased the first normal stress difference. Incorporation of the coupling agent, however, gave a reduced viscosity and an increased first normal stress difference at the same filler content. Mechanical properties were similar to the filled high density polyethylene systems.
In glass fiber reinforced and chemically modified polypropylene systems, various formulations were studied changing initiator, monomer, glass fiber, and coupling agent. At the same glass fiber loading, frequency dependency on dynamic viscosity by the coupling agent was in the order of nylon 66 treated, EAA treated, untreated, and a silane type treated in low frequency region. This trend did not change with the temperature. Effect of glass fiber level on viscosity and storage modulus was similar to the filled high density polyethylene systems. The chemical modification, however, gave a big influence to rheological and mechanical properties. The dynamic viscosity showed a minimum at 0.5 phr of benzoyl peroxide at the same glass fiber content. However, the storage modulus was decreased by the chemical modification. The storage modulus was slightly reduced with increasing filler content for both the modified and unmodified systems while no effect of temperature and coupling agent was seen. For the best mechanical properties, the formulation was consisted of 0.5 phr MA, glass fiber treated with a silane type coupling agent, and 0.5 phr benzoyl peroxide.
The curve-fitting for the viscosity of glass fiber reinforced nylon 6 systems revealed that the empirical relationship.
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was fitted best. Further examination on the relative viscosity showed that several reported models in the literature did not describe data sufficiently well. A simple modification of some models exhibited excellent fitting for the dynamic viscosity of the reinforced nylon 6 system.
고분자 물질은 그자체로도 다른 소재와 비교할때 여러가지 장점들을 갖고 있지만, 보다 우수한 물성과 가격면의 보완을 위하여 충진 또는 강화고분자 형태로 사용되는 경우가 많다. 특히 고분자 재질로 된 최종 성형제품은 가공조건에 따라 그물성이 크게 영향을 받고 있어 가공중에 일어나는 제반 현상들을 정확히 규명, 분석하는 것이 매우 중요하다. 이를 위하여는 가공하고자 하는 고분자 물질에 대한 유성학적인 특성의 이해가 반드시 선행 되어야 한다. 본 연구에서는 충전재로 탄산칼슘, 강화재로 유리섬유를 사용하고, 수지로 고밀도폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나이론 6을 사용한 계의 유성학적인 특성에 대하여 연구하였다. 아울러 기계적인 물성도 함께 조사하였다.
탄산칼슘에는 표면처리제로 스테아린산, 티타네이드 계, 유기실란계를, 유리섬유에는 표면처리제로 세가지 유기실란 계를 사용하였다. 유성학적인 특성의 측정장치로 관형 레오미터(capillary rheometer) 와 동적 스팩트로미터(dynamic spectrometer) 를 사용하였다. 컴파운딩은 이축 압출기와 이축 플라스티코더를 이용하였다.
탄산칼슘 충전 고밀도폴리에틸렌계에서는 충전재의 함량이 증가함에 따라 복합점도가 상승하였고, 손실 탄성률(loss modulus)을 수평축, 저장 탄성률(storage modulus)를 수직축으로 하여 그림으로 표시할때 저장 탄성률은 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 같은 유형의 그림에서 온도의 영향, 표면처리제의 영향은 배제 되었다. 기계적인 강도는 충전재의 함량이 증가함에 따라 감소하였고 표면처리제의 영향은 거의 없었다. 반면 신율은 충전재의 함량이 증가함에 따라 감소하였지만 표면처리제가 처리됨으로 처리되지 않은 것에 비하여 크게 증가 하였다. 이와 같은 이유는 표면처리제가 처리됨으로 충전재의 수지내에서 분산상태가 크게 개선된 것에 기인한다. 탄산칼슘 충전 폴리프로필렌계에서는 점도와 제 1 법선 응력차에 미치는 표면처리제의 영향이 분명히 관찰 되었다. 같은 충전재 함량에서 표면처리제가 처리됨으로 점도는 감소되고 제 1 법선 응력차는 증가 하였다. 기계적인 물성은 탄산칼슘 충전 고밀도폴리에틸렌계와 유사한 경향을 나타내었다.
유리섬유가 강화된 폴리프로필렌 및 화학적인 변성폴리프로필렌계에서는 개시제, 단량체, 표면처리제의 변화에 따른 여러 배합식 유성학적인 특성을 고찰하였다. 동적점도는 같은 유리섬유 함량에서 나이론 66, 에칠렌-아크릴산 공중합체 에멀젼, 무처리, 아크릴계 유기실란 처리 순서로 감소 였으며, 이와 같은 경향은 온도가 변화하여도 동일 하였다. 유리섬유의 함량이 점도와 저장 탄성률에 미치는 영향은 고밀도폴리에틸렌계와 유사 하였다. 폴리프로필렌의 화학적인 변성은 유성학적인 물성과 기계적인 물성에 미치는 영향이 지대 하였다. 점도는 같은 유리섬유 함량에서 과산화 벤젠 0.5 부를 사용하였을 경우가 가장 낮았다. 손실 탄성률을 수평축, 저장 탄성률을 수직축으로 하여 그림으로 표시할때 저장 탄성률은 폴리프로필렌이 화학적으로 변성 됨에 따라 감소하였으며 유리섬유의 함량이 증가 됨에 따라 약간 감소하는 경향을 나타내었고, 온도 변화와 표면처리제의 영향은 관찰되지 않았다. 기계적인 물성은 무수말레인산 0.5 부, 과산화 벤젠 0.5 부, 아크릴계 유기실란으로 표면처리 된 유리섬류를 강화하였을 경우가 가장 우수 하였다.
유리섬유 강화 나이론 6계의 점도는 다음과 같은 실험식으로 표시할 수 있었다.
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문헌에 이미 발표된 여러 모델로는 유리섬유 강화 나이론 6계의 상대점도를 잘 표현 할수 없었으나 이들을 약간 변형 시킴으로 점도 실험결과를 매우 잘 표현 할수 있었다.
