Dynamic Mechanical Properties and Morphology of Organic Additives-Containing Styrene Ionomers

Abstract

아이오노머는 보통 15 mol%의 이온기가 고분자 사슬에 직접 혹은 간접적으로 결합되어 있는 이온성 고분자이다. 이온기 사이의 정전기적인 상호작용과 이온기와 전기적으로 중성인 고분자 메트릭스 사이의 커다란 유전상수의 차이는 이온기들이 비극성 고분자 메트릭스로부터 상분리 되는 것을 야기 시킨다. 즉, 이온기들은 고분자 메트릭스 안에서 “multiplet” 이라고 분리는 이온회합체를 형성한다. Multiplet의 견고함은 많은 요인에 의해 영향을 받는데 주로 이온기 사이의 상호작용의 세기에 영향을 받는다. 이온기에 직접 연결된 고분자 사슬 부분은 그 부분이 multiplet에 고정되어 있기 때문에 그 움직임이 제한된다. 결과적으로 움직임이 제한된 커다란 연결된 영역이 영형이 되는데 이를 “cluster"라고 한다. Cluster는 그들 자신의 유리전이를 비이온성 고분자가 보여주는 메트릭스 유리전이온도 보다 훨씬 더 높은 온도에서 보여준다. Cluster는 또한 저장 탄성률/온도 그림에서 전이와 비슷한 새로운 plateau를 보여주고 소각 X-선 산란 그림에서 피크를 보여준다. 이 논문에서, 우리는 구조-형태학 사이의 관계와 동적․기계적 열적 분석 장치(DMTA), SAXS, XRD 그리고 DSC 테크닉을 이용하여 랜덤 아이오노머와 무정형인 폴리 스타이렌의 특성을 연구하였다. 이 논문은 5장으로 구성되었다. 제 1 장은 고분자들과 아이오노머들, 그리고 이들의 특성을 알기위한 실험적 테크닉에 대한 소개를 하였다. 제 2장에서는 methacrylate 그리고 술폰화된 폴리스타이렌 아이오노머를 지방화합물인 디카본산의 염을 포함하는 아이오노머와 각각 블렌드한 아이오노머의 기계적 그리고 형태학적 연구들에 대해서 논의하였다. 이 연구의 목적은 다른 이온 그룹들과 이온농도를 가진 폴리스타이렌 아이오노머에서 지방 화합물인 디카본산의 염의 양과 종류를 달리 했을 때의 효과에 대해 알아보는 것 이었다. 유기염 첨가제를 포함한 대부분의 아이오노머에서는 아이오노머 주사슬의 종류, 아이오노머와 첨가제의 이온기들의 종류, 첨가제의 성질(예를 들면, 작용성, 지방성 화합물과 방향족 화합물, 짧거나 또는 긴 사슬) 보다 오히려 첨가하는 유기 염의 양이 아이오노머들의 모듈러스 증가에 영향을 미친다. 이상의 결과로부터 알 수 있었던 것은 첨가제는 소량을 넣어도 아이오노머에서는 상분리를 일으킨다는 것이었다. 아이오노머의 기계적 성질들 그리고 형태학은 이온기들의 형태, 종류, 크기, 위치, 중화 정도 그리고 양이온의 종류, 첨가제들 그리고 가소제들을 포함한 다양한 인자들에 의해 변화될 수 있다. 따라서 제 3장에서는 DMTA를 이용하여 poly(styrene-co-styrene sulfonate) 아이오노머의 동적․기계적 특성에 따라 짧고 긴 사슬을 가진 지방족 화합물인 디카본산 바륨과 코발트 염의 첨가 효과를 연구하였다. 첨가된 유기염의 양이온의 종류와 탄소 원자 수는 아이오노머 기계적 특성에 큰 영향을 미치지 않고, 2가 양이온으로 중화된 유기염들은 아이오노머에서 충전제로서 주된 역할을 한다고 결론지을 수 있었다. 제 4장에서는 슬폰화된 폴리스타이렌 아이오노머들의 동적․기계적 성질 그리고 형태학적 연구에 대하여 양친성 물질인 diamine의 효과가 논의 되었다. Diamine의 첨가는 cluster Tg를 크게 감소시켰으나, matrix Tg에는 거의 영향을 미치지 않았다. 게다가 낮은 농도의 아이오노머의 경우, 클러스터링을 야기하는 diamine의 첨가는 이온 모듈러스에서 약간의 증가를 보인다. 다른 한편으로, 높은 이온 농도의 아이오노머의 경우, diamine은 multiplet을 해체시켜 이온 모듈러스를 감소시켰다. 아이오노머 시스템의 특성은 diamine의 탄소 원자 수와 관계있고, 그리고 diamine은 중화제와 동시에 이온 영역의 가소제로서 행동한다. 술폰화 폴리스타이렌 아이오노머는 술폰기 사이의 강한 이온성 결합 때문에 높은 온도에서 흐름 현상을 보여주므로 가공이 쉽지 않다. 기계적 특성에 큰 불리한 효과 없이 공정온도를 감소시키기 위하여 긴 알킬 사슬 끝에 술폰기가 달린 단량체를 간단한 내부의 가소재로 사용 할 수 있다. 따라서, 우리는 최초로 폴리 스타이렌을 주사슬로한 poly(styrene-co-3-sulfopropyle methacrylate)라 이름 지어진 새로운 아이오노머를 합성했고, 동적․기계적 특성을 연구하였다. 새로 만든 아이오노머에는 한 공단량체 단위에 ester/carboxylated와 술폰기가 같이 있기 때문에 이들의 성질들을 기존에 연구된 아이오노머 시스템[ester/carboxylate를 가진 폴리스타이렌 아이오노머(예를들어, poly(styrene-co-methacrylate))와 술폰화된 폴리스타이렌 아이오노머]의 성질들과 비교 할 수 있다. 실험결과들을 제 5장에서 이야기 했고, 논문 전체의 결론과 감사의 글이 뒤에 이어진다.