Poly(ethylene-graft-ethylene oxide) Preparation and Properties in Polymer Blends

Abstract

This thesis describes the preparation, characterisation and properties of poly(ethylene-graft-ethylene oxide) (PE-PEO). The grafting reaction was carried out with the grafting onto method using the carboxylic acid groups of poly(ethylene-co-acrylic acid) (PEAA) as reactive sites in an esterification reaction with poly(ethylene oxide) mono-methyl ethers (MPEO) of varying molecular weights: 750, 2000 and 5000. The copolymers were characterised by FTIR and NMR. The crystalline properties was analysed using DSC and X-ray diffraction The large difference in polarity between PE and MPEO result in strongly amphiphilic and surface active copolymers. The copolymers exhibited a micro-phase-separated morphology with two crystalline phases.



The surface activity of the PE-PEO graft copolymers was utilised for surface modification of PE. Films of PE and PE-PEO blends, prepared by solvent casting and by compression moulding of melt-mixed blends, had high accumulation of copolymers in the surface region. The surfaces were characterised by water contact angles and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).



The compatibilizing effect of PE-PEO graft copolymers in blends of PE and PA-6 was investigated. The copolymers are useful as compatibilizers, in this system, due to the partial miscibility of PEO in PA-6. Blends were prepared by extrusion in a co-rotating twin-screw extruder and by melt mixing in a Brabender Plastograph. The morphology of the blends was investigated using scanning electron microscopy (SEM). The addition of the graft copolymer PE-PEO2000 to the blends reduced the size and narrowed the size distribution of the dispersed phase. The adhesion between the phases was also significantly improved. Furthermore, the mechanical properties of the PE/PA blends increased upon the addition of copolymers. In contrast, the copolymer PE-PEO750, with shorter MPEO grafts and higher grafting density, had no effect of the blend morphology.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I det moderna samhället är vi helt beroende av polymera material, från barndomen med blöjor och nappflaskor till ålderdomen med artificiella ögonlinser och höftleder. Dagens sjukvård skulle inte klara de höga hygieniska kraven om inte engångsartiklar såsom gummihandskar, påsar för blodtransfusion och katetrar fanns. I många applikationer är polymerernas ytegenskaperna mycket viktiga t.ex. i dialysmaskiner och hjärt-lung maskiner och på kirurgiska implantat. Dessa applikationer har möjliggjorts genom utvecklingen av polymera material det senaste århundradet.



Dagens nya material tas oftast inte fram genom utveckling av nya bulkpolymerer, på grund av de höga utvecklings- och kommersialiserings kostnaderna. Ett mer kostnadseffektivt sätt att utveckla nya material är att blanda existerande polymerer för att därigenom kombinera dess olika egenskaper i ett nytt material. Ett problem är dock att de flesta polymerer inte är blandbara, vilket gör att blandningen får en instabil morfologi och dåliga mekaniska egenskaper. För att kontrollera blandningens morfologi och egenskaper kan man tillsätta en lämplig kompatibilisator, vanligtvis en block- eller ympsampolymer. En förutsättning för att kompatibilisatorn ska fungera är att de olika delarna av block- eller ympsampolymeren är blandbara eller interagerar med var sin polymer i blandningen.



I detta arbete har jag framställt ympsampolymerer som är uppbyggda av en polyetenryggrad med sidokedjor av polyetenoxid, poly(eten-ymp-etenoxid) (PE-PEO). Polyeten (PE) är en hydrofob polymer medan polyetenoxid (PEO) hydrofil. Den stora skillnaden i polaritet mellan ryggraden och sidokedjorna gör att sampolymeren fasseparerar och är starkt ytaktiv, vilket gör att den söker sig till gränsytor. Dessa egenskaper är viktiga för användandet av ympsampolymeren som kompatibilisator och ytmodifierare.



Ympsampolymererna som jag framställt har bl.a. använts till att ytmodifiera polyetenfilmer för att få en hydrofil yta. Filmer av PE och PE-PEO blandningar tillverkades genom olika metoder; lösningsmedelsblandning och gjutning, smältblandning och värmepressning samt lösningsmedelsblandning, utfällning och värmepressning. Filmytorna karaktäriserades med XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) och kontaktvinklar. Jag fann att anrikningen av ympsampolymer på ytan var starkt beroende av tillverkningsmetoden. De filmer som tillverkats genom lösningsmedelsblandning och gjutning samt smältblandning och värmepressning hade hög koncentration av ympsampolymer på ytan.



Blandningar av PE och polyamid-6 (PA-6) ger material med starkt fasseparerad morfologi och dålig vidhäftning mellan faserna. Genom att tillsätta PE-PEO som kompatibilisator i blandningen får man ett material med kontrollerad morfologi. Blandningar av PE och PA-6 tillverkades med två metoder, extrudering i en medroterande dubbelskruvsextruder och satsvis blandning i en Brabender Plastograph. Jag fann att tillsatsen av PE-PEO till blandningarna reducerade storleken hos den dispergerade fasen upp till 20 gånger och att vidhäftningen mellan faserna ökade markant. Uppvärmning av blandningarna över polymerernas smälttemperatur visade att de kompatibiliserade blandningarna hade en stabil morfologi, medan i de okompatibiliserade blandningarna ökade domänstorleken för den dispergerade fasen. Vid mekanisk testning med dragprovning fann jag att tillsatsen av ympsampolymer förbättrade materialens mekaniska egenskaper kraftigt. Brott-töjningen ökade upp till 240% vid tillsats av 4% PE-PEO.

• author: Halldén, Åsa
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Rigdahl, Mikael, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Sciences
• keywords: Surface modification, Graft copolymers, Polymer blends, Polyethylene, Polyethylene oxide, Polyamide, Polymer technology, biopolymers, Polymerteknik
• pages: 93 pages
• defense location: Lecture hall C, Center for Chemistry and Chemical Engineering
• defense date: 2000-06-16 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/TKPT- - 00/1001 - - SE
• ISBN: 91-7874-063-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Polymer and Materials Chemistry (LTH) (011001041)
• id: 06325ce4-13af-403e-97cb-bfbc89ac495f (old id 40648)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:04:55
• date last changed: 2018-11-21 20:56:37