6
Use of rigid thermoplastics for toughening an optical network polymer Masoud Frounchi * Department of Chemical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran Received 15 February 2000; received in revised form 22 August 2000; accepted 11 September 2000 Abstract Blends of the thermoset polyallyl diglycol carbonate) PADC) with thermoplastic polymethacrylates have been prepared by dissolving polymethacrylates in allyl diglycol carbonate ADC) monomer and subsequent polymerisation of ADC. The polymethacrylates formed separate phases in the blends as shown by scanning electron micrographs. The dynamic mechanical data showed two distinct high-temperature peaks corresponding to the glass transition temper- atures of the PADC and polymethacrylates. Fracture toughness tests showed a signi®cant increase in the critical in- tensity factor k c of PADC by addition of only 10% w/w) a ductile thermoplastic polyethyl methacrylate). Young's modulus at room temperature showed no reduction by addition of the thermoplastic component. Ó 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. Keywords: Polyallyl diglycol carbonate); Polymethacrylates; Blend; Toughening; Phase separation; CR-39 1. Introduction The highly cross-linked micro-structure of network polymers often leads to low resistance to crack initiation and propagation [1,2]. It is important to increase the toughness of these materials without causing any major loss in their other desirable properties such as high modulus, high strength, and high glass transition tem- perature. The most common method to improve on the toughness of thermoset polymers involves the addition of elastomers [3,4]. However the rubbery inclusions of- ten lower both the modulus and the use temperature of the thermoset resin [5]. Use of rigid thermoplastic tough, ductile polymers as an alternative method of toughening thermoset resins has had varying success in recent years [6±10]. It is envisaged that network polymers based on this method may be toughened without negatively af- fecting their other useful properties. The prevalent method in producing a thermoplastic second phase is to ®rst dissolve the thermoplastic polymer into the ther- moset monomer and later allow it to phase separate during the network formation process of the thermoset resin. A variety of morphologies can arise which may in¯uence the ®nal properties of resulting blends [5]. In this work we study the blends of the thermoset polyallyl diglycol carbonate) PADC) commercially known as CR-39 resin with thermoplastic polymethacrylates. PADC is a cross-linked glassy polymer of excellent optical qualities [11]. It is made by bulk polymerisation of diethylene glycol bis-allyl carbonate monomer which is represented by the formula: CH 2 @CH±CH 2 ±O±CO±O±CH 2 ±CH 2 ±O±CH 2 ±CH 2 ±O± CO±O±CH 2 ±CH@CH 2 The aim is to investigate the eect of these resulting morphologies on the fracture properties of PADC in order to ®nd a way to enhance fracture resistance of this thermoset material. Apart from the optical transparency requirement in PADC modi®cation, also the identi®ca- tion of the toughening mechanism operating in this polymer is of interest from the viewpoint of polymer fracture mechanics. In order to achieve a homogeneous European Polymer Journal 37 2001) 995±1000 * Tel.: +98-21-6005819; fax: +98-21-6022853. E-mail address: [email protected] M. Frounchi). 0014-3057/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII:S0014-305700)00203-2

Use of rigid thermoplastics for toughening an optical network polymer

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Use of rigid thermoplastics for toughening an optical network polymer

��� �� ���� ����� ������ ��� ��������� �� � ���� ������ ������

����� �������� �

���������� ���� ��� ��� ���� ��� ���� �� ���� �� ��������� ������� ����

������� �� �������� ���� ������� �� ������ ���� �� !���� ���� ���� � �� "� ����� ����

��������

#���� �� �� ������� ���$����� ������� ��������% $&!'(% ��� ����� ����� �������������� ���� ����

�� ��� �� ��������� �������������� �� ����� ������� �������� $!'(% ������� �� �����)��� ������������

�� !'(* +�� �������������� ����� �� ���� ����� �� �� ����� �� ����� �� �������� ������� �������� ��* +��

������ ���������� �� ����� �� ����� ����,�� ������ ���� ������ ����� � �� ����� �������� �� ��,

����� �� �� &!'( �� ��������������* ������� �������� ��� ����� � �����-��� �������� �� �� ������� ��,

����� ����� �� �� &!'( �� ����� �� ���� ��. $�/�% � ����� ����� ����� ���$���� ����������%* 0����1�

������ � ���� �� ������ ����� �� ������� �� ����� �� �� ����� ����� ��� ����* � ���� 2�������

"������ 3* !�� ����� �������*

�������� &���$����� ������� ��������% &�������������� #��� +��������� &���� �� ������ (�,45

� ���� ������

+�� ������ �����,����� �����,������� �� ������

������� ���� ���� � ��� ��������� � ����� ��������

�� �� ������ 6�7�8* 9 �� �� ���� � �������� ��

�������� �� ���� �������� ����� ������� ��� ��:��

���� �� ���� ���� �������� �� ����� ���� �� ����

������7 ���� ������7 �� ���� ����� �������� ��,

������* +�� ��� ������ ���� � �� ���� �� ��

�������� �� ������� ������� �������� �� �����

�� ��������� 647;8* <������ �� ������� ���������� ��,

�� ����� ��� �� ������ �� �� ��� �� ������ ��

�� ������� ����� 6�8* ��� �� ���� ����� ����� ����7

����� ������� �� �� ��������� ���� �� ���������

������� ������ ��� �� ������� ������� �� ����� �����

6=>��8* 9 �� �������� �� ������ ������� ���� ��

��� ���� ��� �� ������� ����� ��������� ��,

������ ���� ���� ������ �� �����* +�� �������

���� �� ������� � ����� ����� ����� ���� �� �

-�� ������� �� ����� ����� ������ ��� �� ���,

���� ������� �� ���� ����� � � ���� �� ����

����� �� ������ �������� ������ �� �� �������

�����* ! ������ �� ��� �������� ��� ����� ����� ���

��?����� �� -��� �� ����� �� �������� ����� 6�8* 9�

��� ���� �� ��� �� ����� �� �� ������� ���$�����

������� ��������% $&!'(% ������������ ����� ��

(�,45 ����� ��� ����� ����� ��������������*

&!'( �� � �����,����� ������ ������ �� �@������

� ���� )������� 6��8* 9 �� ��� �� ���� ������������

�� �������� ������ ���,����� �������� ������� �����

�� �� ������ �� �� �������A

(<��(<>(<�>B>(B>B>(<�>(<�>B>(<�>(<�>B>

(B>B>(<�>(<�(<�

+�� ��� �� � ��������� �� �C�� �� ���� ��������

��� �������� �� �� ������� �� ����� �� &!'( ��

���� � -� � ��� � ������� ������� ��������� �� ���

������� �������* ! �� ���� �� � ���� ���� ������

��)������� �� &!'( ���-�����7 ���� �� ����-��,

��� �� �� ��������� ��������� � ������ �� ���

������ �� �� ������ ���� �� ���� ��� �� ������

������� ���������* 9� ���� � ������� � �����������

2��� ��� &������ D������ 4E $����% 55�>����

� +��*A F5G,��,=���G�5 ��@A F5G,��,=���G�4*

���� � �������� ��������H����*������*��*�� $�* ��������%*

���;,4��E/��/I , ��� ���� ���� � ���� 2������� "������ 3* !�� ����� �������*

&99A "���; ,4��E $�� %����4 ,�

Page 2: Use of rigid thermoplastics for toughening an optical network polymer

���� ������ �� ������� ������ �� &!'(7 �� �����

������� �������� $!'(% ������� ��� �� ��� �����

��� �� ����� ����� ���-�� ������� �� � ������*

&����������� 6E8 �� ���$ �������� �@��% 6��87 �����

��� ���� ���� ����� ������ �� ���� �C����� ��

��������� �� ������ �����,����� � �@���7 ���� ���� �

�� ����� ���������� ��� �� !'( �������* <������7

�������������� ��� �������� ��� �� !'( �������

�� � �� �� �������� �� � ���� �������������

���-�� ��� ����� �� ��� ����� � ���� ������*

� ������������

+�� ����� �� ���$����� ����������% $&��!%

2������ ���5 �� 2������ ����7 �� ��� ���� ��

���$���� ����������% $&2�!% 2������ ��;�7 ��

'�&�� ��� ��� 6��8 ���� ��� �� ��� ���* +����

����� ����� ������� ��� ��������� �� ���� ��

���� �������������� ����� ���� ���� ���� �� +���� �*

+�� �������������� ���� ������� �� ������ ��

��� ��@� ��� �� !'( �������* !����� ���

��� ���� � ���� �� ������ �� � ������ �������

�� � ������� ���� ���� ������� �� ��������������

�� &!'( ������� ��� ������* +�� �������� ����

��������� ��� � ����� ���� �� ��� ���� �� �

����������� ���� �� ����� �� �� ������ ���

������ �������� ���� ���( � G��( ���� � ���� �� ��

�* +�� ��� ��� ���� ��� ������ ���� �� ���� ��

������� � ����( ��� � �* +�� ��� ����� �� !'(

������������ ��� ������� �� �+,9� � ������� �

������ �� ����� ��� �� �� ����� ���� � �������

��� � =�4� ���� 6�48* +�� ����� ��� �. �� ��. $�/

�% ����� ����� ������� ���� ���� ��� ������� ���

���������� �� ����� ����� ����� �� �������� ���

�� ���� ��� �������* 9� �����7 � ��� ���� ��

����� �� �*. ����� ����� �����7 ���� ���������

������ �� ��� ��� ������ �������� �� ����� �����

����� �� ��������� ���� �� �� ���� ��� ������

���� �� �� ����� ����� �������*

+�� ����� �������� �� ������ ��� �� �������

��� ��� ���� ������� �� ����� �� � '�&�� 5G4

������ ���������� �������� � � ������ ��� ��

���( ����� �� ������� ���* �������� �� �� ��

������� �������� �� ������,��� ���� ��� ��� ���� �@,

����� �� �������� ������� �������� � $"2�% ����� �

(������� "�������� 4=� ������� �������� �* +��

?�@��� ������7 �7 �� ������� ��������7 ��7 ����

������� ����� �� 9����� ��������� � � �����,���

����� � �� �� � �� ����� � ���� �� ������* +��

?�@��� ������ ��� ������� �� 4�4 � �; � G� ��4

���� �� ���� ��� ?�@��� ��� � ������ �� =� ��

������ �� ���* ������� �������� ��� �������

���� �� ������� ����� ������� ����� �� ����� ������,

��� ����� ������ �� � ������� $4�4 � �� � ���

��4%* +�� ������ ����� �� � ����� ������� ��� ��

�� ���� ����� ��� � ��J�� ����* '����� �� �������

����� ���� ������� �������� � �� ����� �,

������ �� ���* 6�8*

� ������� �� ���������

&���� �� ������ �� �������� �������� ����� �� ���,

�� ����� ��������������>!'( ������� ������

����� �� ������� ������� �� �������� �� �� ���������

����� �� &!'( ��������� �� ���� � �� �� ����*

+�� -��� ��� ������ ������ ���� �� ��� ����� ��,

���� �� ������� �� ������� �� ���� �� ������*

"������� ������� �������� �� ���� �� � �����,

����� ����������� �� �. �� ����� ����� ���� ��

��������� ������� �� ������ � ������� �������

����� ��� �� ������� ������ �� ���� �= �� �� �����

�� ���* �* ! ������ ����� ����� ������������ � ��,

��������� ��� ������ �� ���� �� ����� �� ����* �>;*

+�� ����� ��J�� � ��� ��������� ����� �� �� ��,

���* �* "������� ������� �������� � �� �. &2�!/5�.

&!'( �����-����� ����*

+���� �

K������ �� ����� �� ������������� � �4�(

&������

&��! &2�!

2������

���5

2������

����

2������

��;�

9������ ������,

�� $�� ���%

�*45 �*� �*G

+������ ������

$�&�%

;� �� �4

2�������� �

����� $.%

�*G 4*� ;�

55= ! "�#��� $ �#����� %����� &#���� '( )*++,- ../0,+++

Page 3: Use of rigid thermoplastics for toughening an optical network polymer

��������� ��� ������ ������� �� ���� ���������

���� ����� � ������� ������ ������ �� ����� �����

���-��*

'������ ���������� ���������� ��� &!'( ��

����� �� �� �*. ����� ����� ����� ��� ����� ��

����* �>G* &!'( ����� � ����@���� �������� �����

���� �� ������* +��� �������� ������ � ����( ��

�� ��� ��* �� ������ ����� �� ���� �4��( �� ��

�� � ��* �� ������ �����* +�� ����� ���� ��

��������� ���� ����� ���� �� ������ ������ ��,

��� � ��@������ � ���� �� �� ����@� ��� ����

�������* &!'( �������� ��� �� �� ����� ����� �

����� ����� �� ����� ����� � ���� ����� �� ����(7

�� ������� �C������� �������� �� �� ����� ��

��������������* &��� �� ������� ��� ��������,

������ ����� �� �������� ���� � �� &!'( ���* +��

������� ����� �������� �� ������� �� �� ��,

��� ���� ������� �� �� ����� ��� ������ ��

+���� �* 9 ����� �� ��� �� �� ����@���� �� ��,

����� ��� �������������� � �� ��A $�% �� ��������

��� ���� � $�*�* �����7 ���� �� ����% $��% �� ����

�� ���������� $��* �C������� �������� ����������

$'"(%7 '�! ���� �� ��� �� ���% $���% �� ���� ��

��������� �����* !������� � �� � ���� �� �� ���

�� �� '�&�� 2������ �������� ������� 6��87 �� ��,

��@���� �� ������� ��� ��� 2������ ���5 $�����

��������� ����� &��!% �� ���; $���� ���� ����,

����� ����� �����������������% ��� GE�(7 ��

=4�(7 ��� �������7 ���� �� '"( ����������* +���7

� �� � ������� � ����� �� ���� ������ �� �@ ���,

����� ��7 �� ��������� ��� ���� �� �� �������,

���� ���� '�! ��� ��@���* +�� ���������� �� ��

������ ������� ���� �� '�! ��� ���������� ��

������� �� ��������� ���@��� ������ ����� ��

&!'( ������ �������* !� ������� �������7 �� "2�

�������� �� ���� � ��, ���� �����,������� $����* �>

;%7 �� �� ���� ������ �� �� ������ ���������� ��

�� � ������� �� ����� �� ���� �� ������ �� ���,

�������� ����������* +���7 �� ��� �� ���� �� ��

�����-��� ���� �� �� �������� �� ������ �� &!'(

�� ������� ��� � ���� ����� �� ���� �� ������* 9 ���

�� ��� �� �� ���� �� ������ ������ ���� ����� ��

��J�����* 9��� �� ��J����� ��� ��� ��� �� �� ��,

������� ������ �� �� �� ��� ���� ������� ��� ����

����� 6�;8* +�� ���-����� �� &!'( �� �������>

������� ������ 6��8 �� �� ���� �� ���� ��������

������� ������ �� ��J����� ����� � �� ������� ��,

������� ������ �� �� �������* +�� ?�@��� ���,

��� �� ������ ��� �� ����� $+���� 4% ������ �

����� �������� ���� �*; K&� �� �� &!'( � �*== K&�

�� �� ����� ��������� �� �*. ����� �����* +��

����� �������� �� ������ �� �� ������� ���� ����

����������� ������,��������� ����� ����� �� ����

�� ������ �� �� ���������� �����)����� �� ����

������ ������� 6�8* +�� ������� ������� ��������

��7 ��7 �� �� ����� �� ���� ����� �� +���� 4* +��

���* �* "������� ������� �������� � �� ��. &2�!/5�.

&!'( �����-����� ����*

���* ;* "������� ������� �������� � �� ��. &��!/5�.

&!'( $&��!A 2������ ����% �����-����� �����*

���* 4* "������� ������� �������� � �� ��. &��!/5�.

&!'( $&��!A 2������ ���5% �����-����� �����*

! "�#��� $ �#����� %����� &#���� '( )*++,- ../0,+++ 55E

Page 4: Use of rigid thermoplastics for toughening an optical network polymer

��������� �C�� �� �� &2�! ��� �����-���* +���

����� �� �� ����� &2�! ��������� � �� �������

�������� �� �� ��,��� ���� �����* +���7 � ��� ��

������� �� �� -�� ���� �� ������� �� ����� �������

�� �� ������� &!'( ���� ������� �� ���� �����

&2�! ������� �� �� �* +�� &��!� ����� ��� ����

���* =* '������ ���������� ��������� �� ��. &2�!/5�. &!'(*

���* �* '������ ���������� ��������� �� &!'(*

55G ! "�#��� $ �#����� %����� &#���� '( )*++,- ../0,+++

Page 5: Use of rigid thermoplastics for toughening an optical network polymer

����7 �� ���� ���� �����7 ��� &2�! ���� �� ����

� ��� � ��������� ���� �� �� �����* +�� �����

������ �� �� ����� ����� &2�! ���� ��� �����

���� �� &!'(>����� ����� �������� �� ��L������

�����* 9� �� ������� �� ������� �������� ���� � ��,

���� �� ��,��� ���� �������7 �� ����������

���* E* '������ ���������� ��������� �� ��. &��!/5�. &!'( $&��!A 2������ ���5%*

���* G* '������ ���������� ��������� �� ��. &��!/5�. &!'( $&��!A 2������ ����%*

! "�#��� $ �#����� %����� &#���� '( )*++,- ../0,+++ 555

Page 6: Use of rigid thermoplastics for toughening an optical network polymer

������ ��� ����� ���� ������� ����������� ��,

���� ����� ����� ������ �� &!'( ������* 9�

������,������� ������ �� ����� �� ��������� �� ��

� �� ������� �� �� �����,����� ����@ ����� 6�=7�E8*

+�� ������,��������� ��������� ������� ������,

������ ���� �C����� �� �����,���� ����� �� �������� 6�8*

&!'( �� � ������ �����,����� ������� ������ �����

���� �� ���� ��)��� ������� 6��7�E8* +���7 � ���

�� ������� �� �� � ������ ��������� ���������

�� &!'(/&2�! ����� �������� � ������ ���������

�� �� ����� ����� ��� ���� ������*

� �����������

+��� ���� ��� ����� �� ����� �� � �� ����

������ ����� ����� ��� �������� �� ������� ����,

���� �� � ������ �����,����� ���������� ������

����� ���� �� ������ �� �� ������� ������* !,

���� �� �������������� ��� �� &!'( �����

����,�� ���� �����* +�� �������� ������� �����,

��� �� �� ������ ���������� �� ���� �� ���� ��

����7 �� ���7 ���������� ������ �� �� ��� �����

���� �� ������ ������� ������������ �� !'(* +��

��������� ��������� �� �� ����� � ���� � � ��

� �� �� ����� ������ �� �� ����� ����� ��� �,

��� ������* &2�!7 ����� �� � ���� ����� �����,

�����7 ��� ����� � ��� �� �C����� ��������� ���� ��

�� �����*

����������

6�8 M������ !D7 0���� �D* ������� ��������� �� ������*

#������A ! ��� "������ &��������� �5G4*

6�8 �������� �7 N����� +!7 (�� ��� �&7 #����� �&*

&������ �55; 4�A��;�*

648 &������ �!7 0�� !�* D ���� "�� �55� �=A4G�G*

6;8 �������� �7 ������J��� �7 &������ �* &���� 9�

���� ;5A�=4*

6�8 &������ �!* 9�A ���� (M7 M������ !D7 �����* +����,

��� ������* 9* !������ �� (������� "����� �447 !("7

�554*

6=8 M�� DM7 �������� �2* D ���� "�� �55� �EA�=�*

6E8 #������� (#7 K����� !<* &������ �5G5 4�A��4*

6G8 ���M����� !D7 D������ "'7 ��K���� &+7 &������ �!*

�������������� �55� ��A4;5�*

658 #������� (#7 &������ 9M* &������ �5G4 �;A=45*

6��8 &������ �!7 0�� !�* &���� ���� "�� 2�� �55� =4A4��*

6��8 &���� �7 +���� �N7 �������� �7 (�� ��� �&* ��������

�����7 ���* �5* 9������� �� 2��������7 !�������7 �55�*

* ���*

6��8 2������ !������ ������7 '�&�� +�������� #������7 ��*

<,�#4;E7 '�&��7 �"!7 �55;*

6�48 '���� "7 #����� �&7 (�� ��� �&* &���� K��� O������

�55� 4A�E5*

6�;8 " ������ 3<* 9��� �������� ������ ������� ��

����� ��������* O�� 0���A &����� �5G�*

6��8 �������� �7 #����� �&7 (�� ��� �&* &������

�55; 4�A��E4*

6�=8 M������ !D* 9�A ���� (M7 ����* ������ �������

������* !������ �� (������� "����� ���7 !("7 �5G5*

6�E8 �������� �7 (�� ��� �&7 #����� �&* &������

�55; 4�AE��*

+���� �

K���� �������� �� ������� �� �� ��, ���� �����

������� 3���� ����� �������� �� ������ $�(% <����� ����� �������� �� ������

$�(%

&!'( > ���*�

�. &2�!/5�. &!'( =�*�� ���*�

��. &2�!/5�. &!'( E4*E� 55*�G

�. &��!/5�. &!'( E4*5� 55*�G

��. &��!/5�. &!'( $&��!A

2������ ����%

G�*;� 5E*5�

��. &��!/5�. &!'( $&��!A

2������ ���5%

E5*�G 5G*E�

+���� 4

���������� �� ����� �� �� �����

������� ���@��� ������ $K&�% ������� ��������7 �� $�&� ����%

&!'( �*;� �*;G

�. &2�!/5�. &!'( �*== �*=5

��. &2�!/5�. &!'( �*=� �*G�

�. &��!/5�. &!'( �*=; �*;G

��. &��!/5�. &!'( $&��!A 2������ ����% �*=� �*;5

��. &��!/5�. &!'( $&��!A 2������ ���5% �*=� �*4E

���� ! "�#��� $ �#����� %����� &#���� '( )*++,- ../0,+++