Applied Chemistry,
Vol. 17, No. 1, May 2013, 5-8
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Isosorbide가 함유된 PET와 Polycarbonate 블렌드의 Morphology, 열적 특성 및 상용성에 관한 연구
박지수ㆍ남병욱†
한국기술교육대학교
Study on Morphology, Thermal Properties and Miscibility of Isosorbide Based PET/polycarbonate Blends
Ji-Soo ParkㆍByeong-Uk Nam†
Department of Applied Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education, 307 Gajeon-ri, Byeongcheon-myeon, Cheonan, Chungnam 330-708, Korea
(bunam@kut.ac.kr†)
Abstracts
Isosorbide based PET (PEIT) is interest in polymer which has isosorbide monomer that is renewable sources such as corn. In addition, PEIT has good chemical resistance. However, there is drawback which is low mechanical properties as increasing the isosorbide content.
In this study, polycarbonate used to make up for drawback of mechanical properties of PEIT and chemical resistance of Polycarbonate (PC). The effect of polycarbonate of blends on morphology, thermal properties and miscibility were investigated. The compatibility of blends was investigated by DSC. The thermal properties of blends were performed by TGA. The morphology of blends was investigated to evaluate the miscibility by FE-SEM.
1. 서 론
Isosorbide based PET (PEIT)는 옥수수와 같은 재생 가능한 자원에서 파생된 glucose에서 유래한 isosorbide monomer를 이용하여 만들어진 공중합체이며 현재 isosorbide의 응용분야를 넓히기 위한 연구는 다양하게 이뤄지고 있다[1,2]. Fig. 1에 isosorbide based PET의 합성법을 설명하고 있다[3].
Isosorbide의 content가 증가할수록 열적안정성이 향상되어 성형성의 향상 등의 장점이 있지만, bio- content가 증가할수록 기계적 물성이 감소하는 단점이 있다[4]. Polycarbonate (PC)는 고투명성과 기계적 물성이 뛰어난 특징을 보이지만 내약품성이 약한 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 isosorbide contents에 따른 isosorbide based PET의 기계적 물성을 Polycarbonate의 기계적 물성으로 보강하고 반면 내약 품성이 약한 PC를 내약품성이 강한 PEIT로 보완함으로써 Biomass로 부터의 PEIT의 응용분야를 넓 히고 물성이 상호 보완된 PEIT/PC blends를 제조 및 상용성을 평가하였다.
O
HO
OH
O HO
OH O
O OH
OH
O
O
O
O O O
O
O
O
O
x y
+ +
Terephthalic acid Ethylene glycol Isosorbide Poly(ethylene-co-isosorbide terephthalate)
Fig. 1. Scheme of isosorbide based PET (PEIT) synthesis.
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2. 실 험
2.1. 시약 및 재료
본 연구에서 Isosorbide based PET (PEIT)/Polycarbonate (PC) blends의 제조에 사용된 Isosorbide based PET는 SK Chemicals사의 EcozenⓇ T-120 (Isosorbide content ≒ 15 mol%)을 사용하였으며, Polycarbonate는 LOTTE Chemical의 HOPELEX PC-1150 (MI = 15 g/10 min, at 300℃, 1.2 kg)을 사용하였다.
2.2. PEIT/PC blend의 제조
PEIT/PC Blends는 PEIT/PC기준 100/0, 75/25, 50/50, 25/75, 0/100의 조성으로 실험을 설계 및 제조하였다. 제조에 사용된 장비는 Bautek사의 BA-19 이축압출기(L/D=40, 19Φ, Co-rotating)를 사용하였으며, 260(die)-260-260-270-270-270-260-200℃ (hopper)의 압출온도 조건에서 200rpm으로 제조하였다. 제조 후 얻어진 샘플은 Vacuum oven에 24시간 진공건조시켰다. 물성 측정 에 사용된 Sample은 270℃, 450 kgf/cm2의 조건으로 compression molding하여 제조하였다.
2.3. Morphology 관찰
PEIT/PC Blends 내 PEIT와 PC domain size를 관찰하기 위하여 JEOL사의 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope, JSM-7500F)을 사용하였다. 이때 시편은 액체질소에 급랭시킨 후 파단하였으며 80초간 백금코팅을 하여 단면을 관찰하였다.
2.4. DSC 및 TGA 측정
PEIT와 PC를 melt blending 함으로써 PEIT와 PC 사이의 상용성 및 열적 성질의 변화를 확인하기 위해 DSC (Perkin Elmer, Pyris Diamond DSC)를 통해 유리전이온도의 변화를 측정하였고, TGA (Perkin Elmer, TGA4000)를 통해 제조된 blends의 열적 안정성을 측정하였다. DSC는 질소 분위기 에서 30℃에서 200℃까지 10℃/min의 승온 속도로 두 차례 측정하였고, TGA는 30℃에서 800℃까지 10℃/min의 승온 속도로 질소 분위기에서 측정하였다.
3. 결과 및 토론
3.1. Morphology 분석
Polymer matrix 내 domain의 사이즈를 FE-SEM을 이용하여 PEIT와 PC의 상용성을 검토하였다.
Melt blending 후 상용성이 좋은 pair blends에서는 domain이 수 µm size를 보이며, 반대로 상용성이 좋지 않은 pair blends는 도메인이 수십 µm까지 size가 커지는 경향을 보인다. Fig. 2를 보면 PEIT/PC blends의 전조성에서 수 µm 수준의 domain이 관찰되었고, PC의 조성이 많아질수록 PEIT와 PC 사이의 계면접착성이 향상되어 homogeneous한 morphology를 보였다. 이는 PEIT/PC blends가 전조성에서 상용성을 보이고 있으며, PC가 major인 조성으로 갈수록 상용성이 좋아지는 것으로 판단된다.
3.2. DSC 분석
DSC를 사용하여 유리전이온도(Tg)를 측정하고 PEIT와 PC 사이의 상용성을 분석하였다. Tg의 거동에 있어 상용성이 좋은 Pair blends일 경우에는 각 blends 조성의 Tg가 Raw material의 Tg값 사이에서 하나의 값을 보이며, 상용성이 없는 Pair blends일 경우는 각 blends 조성에서 Raw material의 고유 Tg를 거의 동일한 온도에서 유지하는 경향이 있다. Fig. 3(a)는 PEIT/PC의 조성별 Tg의 거동을 그
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Isosorbide가 함유된 PET와 Polycarbonate 블렌드의 Morphology, 열적 특성 및 상용성에 관한 연구
래프로 나타낸 것이다. 그래프를 보면 Raw material인 PEIT와 PC의 유리전이온도는 각각 116.58℃와 147.63℃로 측정되었다. PEIT/PC blends의 유리전이온도가 전조성에서 움직이는 것과 특히 PEIT25PC75 의 조성에서는 단일 유리전이온도가 나타남을 관찰하였다. 이는 Melt blending에서 PEIT와 PC의 전 조성비에서 compatible한 것을 알 수 있었고, 특히 PEIT25PC75의 조성에서는 miscible system인 것으로 판단된다. 이는 FE-SEM image에서도 일치하는 결과이다. PEIT/PC blends의 DSC thermogram을 Fig. 3(b)에 나타내었다.
Fig. 2. FE-SEM images of PEIT/PC a) 75/25, b) 50/50, c) 25/75 blends, ×5,000, Scale bar = 1 µm.
(a) (b)
Fig. 3. (a) Tg behaviors of PEIT/PC blends, (b) DSC thermograms and evaluation of miscibility of PEIT/PC blends.
3.3. TGA 분석
PC가 PEIT에 들어감에 따라 열분해거동에 미치는 영향을 알아보았다. TGA를 통해 확인한 PEIT/PC blends의 열분해거동은 Fig. 4에 나타내었다. 그래프를 확인하면 분해온도가 PEIT보다 높은 PC의 조 성이 많아질수록 PEIT의 분해온도가 향상됨을 관찰하였다. 이는 PC와 PEIT가 DSC 결과와 FE-SEM image의 결과와 같이 PEIT와 PC 사이의 상용성이 있어 열적 안정성이 향상된 것으로 판단된다.
PEIT/PC blends의 5%의 무게변화일 때의 분해온도(T95)와 최대분해온도(TMAX)를 Table 1에 나타 내었다.
Fig. 4. TGA diagrams of PEIT/PC blends.
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Table 1. Decomposition Temperature of PEIT/PC Blends
PEIT/PC T95 (℃) TMAX (℃)
100/0 400 434
75/25 397 436
50/50 405 433/503
25/75 414 437/515
0/100 501 536
4. 결 론
본 연구에서는 isosorbode가 함유된 Biobased polyester인 PEIT의 응용분야를 넓히기 위해 Polycarbonate와 melt blneding을 하여 PEIT와 PC 사이의 열적 특성 및 morphology를 관찰하여 상용성을 분석하였 다. DSC Thermogram을 통해 PEIT/PC blends의 유리전이온도가 raw material의 고유 Tg보다 가 까워짐에 따라 전 조성에서 가까워짐을 보였으며, 특히 PEIT25PC75의 blends 조성물에서는 단일 유 리전이온도가 관찰됨에 따라 miscible한 조성인 것으로 생각된다. TGA를 통해 열분해거동을 확인한 결과 PC가 PEIT에 들어감에 따라 열적안정성이 향상됨을 확인하였다. FE-SEM에서도 blends 전조 성에서 domain size가 수 µm를 보이는 것으로 보아 DSC에서의 결과와 상응하는 것으로 판단된다.
DSC, TGA, FE-SEM 결과를 통틀어 PEIT25P75의 조성에서 miscible system을 가지는 것으로 사 려된다.
감사의 글
본 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 지역혁신인력양성사업과 산업기술연구회 협동연구사업 (B551179-10-03-00)으로 수행된 연구결과이며 이에 감사드립니다.
참고문헌
1. RameshM. Gohil, Polym. Eng. Sci., 49, 544-553 (2009).
2. D. J. Adelman and L. F. Charbonneau, U.S. Patent 6,656,577 B1 (2003).
3. J. C. Bersot, N. Jacquel, R. S. Loup, and P. Fuertes, Macromol. Chem. Phys., 212, 2114-2120 (2011).
4. G. Khanarian, F. Charbonneau, B. Witteler, E. Johnson, G. Lee, B. Sandor, and V. Nelson, E.P. 1 085 976 B1 (2001).
