The role of interfacial elasticity on the rheological behaviour of polymer blends

• Author(s): Silva, Jorge M.
• Date: 2009
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/9805
• Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
• Subject(s): 678.01:53; 53:678.01
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: English
• Advisor(s): Maia, J. M.; Machado, A. V.
• Contributor(s): Universidade do Minho

Description

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros - Área de conhecimento de Ciência de Materiais Poliméricos

Blending polymers allows materials with enhanced properties to be developed with much less effort than that required to synthesize a completely new polymer. The main advantages of the polymers blends are a) the fact that they can be compounded on standard industrial equipments, e.g., twin-screw extruders and b) by merely changing the blend composition a wide range of materials properties can be reached. The market of polymer blend based materials has increased continuously in recent times. Nowadays, a significant fraction of all produced plastics are processed as blends. For example, in 2001, approximately 10% of all thermoplastics and 75% of all elastomers were processed as blends [Ehrenstein (2001)]. Polymer blends find applications in many areas such as automotive industry, lawns and gardens, medicine, building and construction, packaging, among others. However most polymers are immiscible and thus the use of compatibilizers is necessary to improve the final properties of the materials. The optimization of these final properties depends strongly on knowledge of the behavior of the polymer blends during processing, when they are subjected to complex flows. In this thesis the influence of the compatibilization of polymer blends on their rheological behavior was investigated. First, a commercial blend of PA6/EPM, non-compatibilized and compatibilized with EPM-g-MA, with high viscosity and elasticity ratio was studied. Stress relaxation experiments, both in shear and extension, showed that the introduction of the compatibilizer leads to a large increase of the relaxation time. The observation of the morphology frozen during extension tests seemed to indicate that the droplets of the highly compatibilized blends are more deformed than the droplets of the non-compatibilized one. To clarify these results and better understand the relative importance of relaxation of the droplets and relaxation of the interfaces in this kind of compatibilized blends, high viscosity ratio blends of PMMA/PS/PSOX were prepared. These blends, which are optically transparent, allow the use of Small Angle Light Scattering (SALS) when the concentration of the blend is low enough. Thus, the deformation of the droplets in transient shear flows could be evaluated. Contrary to the noncompatibilized one, the blend with functionalized PS shows a droplet deformation on the vorticity direction, which is an indication of an increase in the elasticity of the interface. A larger relaxation time is also observed. In this case, the increase of relaxation time is related with stress relaxation at and in the interfaces. The role of the elasticity of the interface became quite clear when PP/EVOH blends, noncompatibilized and compatibilized with Na+ were tested. In this case the elasticity of the interface is negligible and it was observed that the Na+ compatibilizer does not alter drastically the relaxation behavior after a step deformation.

Misturar polímeros permite o desenvolvimento de materiais com melhores propriedades com menor esforço do que seria necessário para sintetizar um polímero completamente novo. As principais vantagens das misturas de polímeros são a) o facto de poderem ser compostas em equipamentos industriais rotineiros, p.e., extrusoras de duplo-fuso e b) permitirem atingir uma vasta gama de propriedades através da simples alteração da composição da mistura. O mercado de materiais baseados em misturas de polímeros tem aumentado continuamente nos últimos anos. Hoje, uma fracção significativa de todos os plásticos produzidos é misturas de polímeros. Por exemplo, em 2001, aproximadamente 10% de todos os termoplásticos e 75% de todos os elastómeros eram processados como misturas [Ehrenstein (2001)]. As misturas de polímeros encontram aplicações em muitas áreas tais como a indústria automóvel, agricultura, medicina, construção e embalamento, entre outras. Contudo, a maioria dos polímeros são imiscíveis e então é necessário utilizar compatibilizadores para aumentar as propriedades finais dos materiais. A optimização destas propriedades finais depende, em boa medida, do conhecimento do comportamento das misturas de polímeros durante o processamento quando sujeitas a escoamentos. Nesta tese foi investigada a influência da compatibilização nas propriedades reológicas das misturas de polímeros. Inicialmente foi estudada uma mistura comercial de PA6/EPM, não compatibilizada e compatibilizada com EPM-g-MA, com altas razões de viscosidade e elasticidade. As experiências de relaxação de tensões, em corte e em extensão, mostraram que a introdução do compatibilizador conduz a um grande aumento do tempo de relaxação. A observação da morfologia congelada durante um ensaio extensional pareceu indicar que as gotas das misturas mais compatibilizadas se deformam mais do que as gotas das misturas não compatibilizadas. Tendo em vista clarificar estes resultados e obter uma melhor compreensão da importância relativa da relaxação das gotas e das interfaces neste tipo de misturas compatibilizadas, foram preparadas misturas de PMMA/PS/PSOX com alta razão de viscosidade. Estas misturas, que são opticamente transparentes, permitem o uso da técnica Difracção de Luz de Baixos Ângulos, Small Angle Light Scattering, (SALS), quando a concentração da mistura é suficientemente baixa. Assim, foi possível avaliar a deformação das gotas em escoamentos de corte transientes. Contrariamente ao que acontece na mistura não compatibilizada, as gotas da mistura funcionalizada com PS exibem uma deformação na direcção da vorticidade, a qual é uma indicação do aumento da elasticidade da interface. Neste caso o aumento do tempo de relaxação está relacionado com a tensão de relaxação nas interfaces. Finalmente foi testada uma mistura de PP/EVOH, não compatibilizada e compatibilizada com . Neste caso a compatibilização não aumenta significativamente a elasticidade da interface e portanto, a relaxação depois da aplicação de um escoamento de corte não é alterada.