In this study, the morphology evolution of immiscible blend of polystyrene and poly (vinylidene fluoride) in a DC electric field was investigated. The effect of surfactant was considered by adding the block copolymer of polystyrene and poly (methyl methacrylate). The theoretical investigation was also performed to examine the effect of surfactant on the shape deformation and stability of a droplet suspended in an infinite immiscible fluid under uniform electric field, when the convection and diffusion of surfactant at interface were balanced. The domain perturbation was utilized to linearize the nonlinear free boundary problem and obtained the steady drop-shape in a uniform electric field. In stability analysis, the critical Weber number ($We_c$), which is a limit point for existence of the steady drop-shape, was estimated by transforming the We-perturbation into $P_2$-perturbation. In the limit of small deformation, the degree of deformation was in proportional to the electric field strength as predicted from theory. From this, the interfacial tension between two phases of polymer solutions was estimated. The theoretical and experimental results showed that the presence of surfactant made the drop more deformable and unstable. According to stability analysis, there was a critical Weber number above which the drop shape became time-dependent, and further increase in the electric field strength eventually break up the drop. The theoretical and experimental study were consistent in a qualitative manner. The primary mode of drop breakup was tip streaming and for the larger drop the fracture occurred simultaneously.
본 연구에서는 전기장을 이용한 비상용성 고분자 블렌드의 몰폴로지 형성에 대한 이론 전개와 실험을 수행함으로써 전기장이 분산상의 형태에 미치는 영향을 고찰하였다. 이론 전개에서는 전기장하에서 분산상의 변형과 안정성에 대한 상용화제의 첨가 효과를 고려하였다. 이를 위해 구역 섭동법을 도입하여 자유계면 문제의 전형인 경계 조건의 비선형성을 제거하였으며 계면에서 상용화제의 확산과 대류가 균형을 이루는 정상상태에서의 분산상의 변형과 안정성을 해석하였다. 이로 부터, $O(We^2)$ 까지의 분산상의 변형을 예측할 수 있었으며 안정성 해석을 통해 분산상의 형태가 불안정해지는 임계 웨버수가 있음을 확인하였다. 이론 전개의 타당성을 검증하기위해 범용 고분자인 폴리스티렌 (polystyrene)과 폴리 비닐리덴 폴로라이드 (poly(vinylidene fluoride)) 블렌드계에 대한 실험을 수행하였으며, 상용화제로서는 폴리스티렌과 폴리 메틸 메타크릴레이트 (poly(methyl methacrylate))의 블록 공중합체를 사용하였다. 변형의 정도가 작은 경우, 분산상의 변형은 웨버수에 대해 거의 선형적 증가하였으며 이론으로 부터 계면장력을 추정할 수 있었으나, 다른 방법을 이용해서 측정한 계면장력과는 상당한 차이를 보였다. 이론 전개에서 예상한 대로 임계 웨버수를 넘어서면 분산상은 불안정해져서 최종적으로 분산상의 파괴를 수반하였다. 상용화제의 첨가는 계면장력의 감소를 유발하여 분산상의 변형을 증가시켜 결과적으로 더욱 불안정하도록 하는 효과를 보였으며 이는 이론으로부터 예측한 결과와 정성적으로 일치하였다. 고분자 블렌드에 전기장을 가하여 분산상이 전기장의 방향과 나란하게 배향된 형태의 몰폴로지를 유도할 수 있었으며, 전기장의 세기에 따라 분산상은 타원체 혹은 실린더의 형태를 가질 수 있었다.
