Applied Chemistry,
Vol. 15, No. 1, May 2011, 1-4
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Polycarbonate/Poly(butylene adipate-co-terephthalate) 블렌드의 상용성 및 결정성에 관한 연구
장미옥⋅남병욱†⋅김승범⋅배진우*
한국기술교육대학교, *서울대학교
Study on Miscibility and Crystallinity of Polycarbonate/Poly(butylene adipate-co-terephthalate) Blends
Mi-Ok Jang⋅Byeong-Uk Nam†⋅Seung-Beom Kim⋅Jin-Woo Bae*
Department of Applied Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education, 307 Gajeon-ri, Byeongcheon-myeon, Cheonan, Chungnam 330-708, Korea
*School of chemical and biological engineering, Seoul National University
Abstract
Polycarbonate (PC) and poly(butylene adipate-co-therephthalate)(PBAT) were melt blended using twin screw extruder. The phase morphology of PC/PBAT blends indicated a homogeneous structure by scanning electronic microscopy (SEM). Dynamic mechanical analysis revealed that there is shift of two tanδ toward each other. Especially, the both tan δpeaks closely approach each other in case of PC/PBAT (75/25). It is thought that this is attributed to transesterification occurred during the melt mixing. WAXD results showed that the intensity of crystalline diffraction peaks of PBAT decreased with an increase of PC contents in the blends.
1. 서 론
폴리카보네이트(PC)는 무정형 엔지니어링 플라스틱으로서 내충격성, 기계적강도, 자기소화성, 전기 적 특성, 그리고 치수 안정성 등 여러 가지의 물성이 우수하여 전자 제품에는 물론 자동차 부품에 널리 사용되고 있다[1,2]. 그러나 취약한 내화학성과 용융점도가 높아 가공하기 어려운 한계를 가지고 있어 활용에 제약을 받아왔다. 보다 광범위한 폴리카보네이트의 응용을 위해서는 고분자 블렌드에 의한 물성 의 조절이 요구된다. PC/Polyester 고온에서 용융 혼합하였을 때 PC와 Polyester에 존재하는 에스테 르기들이 상호교환반응하여 새로운 공중합체를 형성하는 것으로 알려져있다[3]. 이와 같이 새로 생성 된 공중합체가 PC/Polyester blend 내에서 상용화제 역할을 수행함으로써 PC와 Polyester간의 상용 성에 크게 영향을 미치는 것으로 보고된다[4]. 이들은 블렌드의 상용성을 증가시킬 뿐 아니라 유리 전 이 온도 및 용융 온도와 같은 열적 특성의 변화 요인이 된다[5]. 따라서 본 연구에서는 지방족 및 방향 족을 지니는 코폴리에스터 수지로서, 상대적으로 우수한 기계적 물성을 가지는 생분해성 고분자인 Poly (butylene adipate-co-terephthalate)(PBAT)를 PC에 혼합하여 상용성을 조사하고 용융 가공시 발 생하는 상호에스테르 교환반응이 PC/PBAT 블렌드 상용성 및 결정화거동에 미치는 영향에 대하여 살 펴보았다.
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2. 실 험
2.1. 시약 및 재료
PC (MI=19 g/10 min ; 300℃,1.2 kg)는 LG 화학에서 구하였고, Poly(butylene adipate-co- terephthalate)(PBAT, Ecoflex BX7011, MI=2.7-4.9 g/min ; 190℃, 2.16 kg)는 BASF사에서 구 입하여 60℃에서 12시간 건조 후 사용하였다.
2.2. Blend 제조
본 연구에서는 용융 블렌딩 방법을 이용하여 무게 조성비 100/0, 75/25, 50/50, 25/75, 0/100로 PC/PBAT blend를 제조하였다. 블렌딩은 BAUTEK사의 BA-19 이축 압출기(L/D=40, 19Φ, Co-rotating)를 사용하였고 압출 온도는 210-260℃에서 100 rpm 회전속도로 하였다. 첨가제로 1,2 차 산화방지제를 각각 0.1 phr 첨가하였다.
2.3. FE-SEM 측정
제조된 블렌드의 모폴로지 분석을 위해 compression molding으로 만들어진 시편을 액체질소에서 급냉 시킨 후, 절단하여 파단면을 FE-SEM (JSM-7500F, JEOL Ltd., Japan)을 이용하여 관찰하였다.
2.4. DMA 측정
PC/PBAT blend의 상용성을 판단하기 위하여 Perkin Elmer 사의 DMA (dynamic mechanical analysis, DMA8000)를 이용하였다. 승온 속도는 2℃/min 으로 -70~160℃까지 진동수는 2 Hz 조건 에서 PC/PBAT블렌드의 tanδ를 측정하였다.
2.5 XRD 측정
조성비에 따른 결정화구조 변형을 확인하기 위하여 WAXD (Rigaku, RTP300 RC)을 2θ는 6~40°, Scan rate는 2°/min 조건에서 분석하였다.
3. 결과 및 고찰 3.1. FE-SEM 분석
Fig. 1은 PC/PBAT 블렌드의 조성에 따른 FE-SEM 사진을 나타낸다. 전 조성에서 매트릭스에 도 메인이 고루 분산되어 있는 것을 확인 할 수 있다. 대체로 분산상의 직경이 작지만 특히 PBAT함량이 적을 때 분산상의 크기가 작을 뿐 아니라 많은 양의 입자들이 분포되어 있다. 이와 같은 결과로 PC/BPAT blend는 균일상 구조로 구성 성분간 계면에서의 접착력이 우수한 것을 확인하였다.
Fig. 1. FE-SEM morphology of PC/PBAT blends; (a) PC25, (b) PC50, (c) PC75.
Polycarbonate/Poly(butylene adipate-co-terephthalate) 블렌드의 상용성 및 결정성에 관한 연구 3
3.2. DMA 분 석
PC/PBAT blend의 상용성을 알아보기 위하여 조성별에 따른 tanδ결과를 Fig. 2에서 나타내었다.
tanδ 최대점의 온도는 유리전이온도(Tg)를 의미하므로, 순수한 PC와 PBAT의 Tg는 -20℃와 15 8℃에서 각각 측정되었다. 블렌드계의 경우 2개의 tanδ 피크가 관찰되지만, tanδ거동이 서로를 향해 뚜렷하게 가까워지는 것으로 볼 때, PC/PBAT blend가 상용성이 우수하다고 판단된다. PBAT 또한 Polyester계 고분자 종류 중 하나로서 PC와의 용융 블렌딩을 통해 에스테르교환반응 일어나 PC와 PBAT의 상용성을 향상시킨다. tanδ에 따른 Tg를 나타낸 Fig. 3에서 보면 특히 PC75PBAT25 조성 에서 상당히 가까워진 Tg가 관찰된다. 이는 PC75PBAT25 조성에서 가장 활발하게 에스테르교환반응 이 일어났다고 추측 할 수 있다.
Fig. 2. Temperature dependence of tan δ for PC/PBAT blends.
Fig. 3. Tg behaviors of PC/PBAT blends measured by DMA.
3.3. WAXD 분석
Fig. 4는 PC/PBAT 블렌드의 조성에 따른 WAXD 패턴 결과이다. 결정성 고분자인 PBAT는 17.3°, 20.4°, 23.2°, 25.0°에서 피크가 관찰 되었고, 무정형 고분자인 PC는 뚜렷한 결정화 피크가 관찰되지 않았다. PC/PBAT 블렌드에서 새로운 결정화 피크가 나타나지 않은 것으로 보아 블렌드 하였을 경우, 새로운 공결정이 형성되지 않았음을 의미한다. PC의 함량이 증가함에 따라 PC/PBAT 블렌드의 결정화 피크의 강도가 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 무정형 고분자인 PC의 함량이 증가할수록 무 정형 영역이 확대되는 것으로 판단된다. 혹은 PC의 함량이 증가함에 따라 에스테르교환반응이 활발히 일어나 공중합체가 생성됨으로써 결정화 영역이 파괴되고 무정형화 된 결과로 생각된다.
4 장미옥⋅남병욱⋅김승범⋅배진우
2Θ
0 10 20 30 40 50
Intensity (a.u.)
PBAT PC25PBAT75
PC50PBAT50 PC75PBAT25
PC
Fig. 4. WAXD patterns of the blend films.
4. 결 론
본 연구에서는 대표적인 엔지니어링 플라스틱인 PC와 생분해성 고분자인 PBAT를 조성별로 용융 혼 합하여 상용성 및 모폴로지, 결정화도를 조사하였다. FE-SEM을 통한 모폴로지 분석 결과 PC/PBAT 블렌드는 전 조성에서 균일상 구조임을 확인하였다. 블렌드의 상용성을 평가하기 위하여 분석한 DMA 의 tanδ결과로부터 Tg의 거동변화를 관찰하였다. PC/PBAT 블렌드는 전 조성에서 상용성이 있는 것 으로 판단된다. 용융상태에서 일어난 에스테르교환반응에 의해서 PC/PBAT 블렌드가 상용성을 가질 수 있게 된다. 특히 PC75PBAT25 조성에서는 하나의 피크로 보일 만큼 가까워진 tanδ피크가 나타난 다. 이는 PC의 함량이 증가함에 따라 에스테르교환반응이 가속화된 것으로 추측된다. WAXD 분석을 통하여 무정형 고분자인 PC의 함량이 증가할수록 PC/PBAT 결정화 피크의 강도가 감소하는 것을 확 인하였다. 이와 같은 연구 결과로, PC/PBAT는 에스테르교환반응에 의하여 전조성에서 상용성이 우수 하다는 것을 밝혔다. 추후에 에스테르 교환반응이 상용성 및 물성에 미치는 영향에 대하여 좀 더 면밀 한 연구가 뒤따라야 한다고 생각한다.
감사의 글
본 연구는 산업기술연구회 협동연구사업(B551179-10-03-00)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.
참고문헌
1. G. Montaudo, C. Puglisi, and F. Samperi, Macromolecules, 31, 650 (1998).
2. G. Pompe and L. Hausler, J. Polym. Sci.: Polym. Phys., 35, 2161 (1997).
3. P. Sanchez, P. M. Remiro, and J. Nazaal, J. Appl. Polym. Sci., 50, 995 (1993).
4. J. D. Godard and J. P. Mercier, Polym. Eng. Sci., 22, 229 (1988).
5. K. Han and H. J. Kang, Polymer(Korea), 20, 224 (1996).
