[論文レビュー] Micromechanical Analysis of Strength of Polymer Networks with Polydisperse Structures

Mohammad Jafari Tehrani|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2017

Polymer Nanocomposites and Properties被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、硬化処理されたポリマー網状構造における多分散的ネットワークストランド長さが、無充填および充填エラストマーの弾性および破壊挙動をどのように制御するかを説明するマイクロメカニカルモデルを提案する。ストランドの変形下での破壊と充填粒子への可逆的吸着をモデル化することで、短いストランドが損傷の原因となり、強度を支配することが示され、多分散性が充填ラバーモデルにおける疲労寿命およびペイン効果挙動にきわめて重要な影響を及えることが明らかになった。

ABSTRACT

The effect of network chain distribution on the mechanical behavior of elastomers is one of the long-standing problems in rubber mechanics. The classical theory of rubber elasticity is built upon the assumption of entropic elasticity of networks whose constitutive strands are of uniform length. The kinetic theories for vulcanization, computer simulations, and indirect experimental measurements all indicate that the microstructure of vulcanizates is made of polymer strands with a random distribution of length. The polydispersity in strand length is expected to control the mechanical strength of rubber as the overloaded short strands break at small deformations and transfer the load to the longer strands. The purpose of the contributions presented in this thesis is to present simple theories of rubber mechanics that take into account the length distribution of strands and its effect on elasticity and the onset of bulk failure in unfilled and filled elastomers. In unfilled system, the population of short chains is identified as the culprits for damage initiation. Upon deformation of a polydisperse network, shorter strands break at considerably smaller stretches compared to the longer ones. The network alteration continues concurrent with increasing deformation and controls the onset of mechanical failure. In the filled networks, the degradation in network mechanical behavior is assumed to be controlled by the adhesive failure of the short strands adsorbed onto the filler surface. The finite extensibility of the short adsorbed strands is a key determinant of mechanical strength.

研究の動機と目的

• ネットワークストランド長さの多分散性がエラストマーの機械的挙動に与える影響を理解すること。
• 短いストランドが無充填ポリマー網状構造における損傷の発生および破壊強度の支配的役割を調査すること。
• 可逆的吸着とストランドの脱吸着に注目して、充填エラストマーにおける充填粒子-ポリマー相互作用の機械的応答への影響をモデル化すること。
• 短く、著しく引き伸ばされた吸着ストランドの段階的破壊を通じて、充填ラバーモデルにおけるペイン効果を説明すること。
• マイクロ構造（ストランド長さ分布）とマクロな機械的応答および破壊発生の関係を結ぶ理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• バーチェとウォーソンの結果に基づく指数関数を用いて、ブチル化処理された物質におけるストランド長さ分布をモデル化する。
• ラングジュアン統計を用いて、変形下におけるストランド内のエントロピー的ひずみを記述し、短いストランドが破壊の原因となることを特定する。
• 遷移領域内における充填粒子表面へのストランドの可逆的吸着／脱吸着を記述する一次反応速度式を用いる。
• 有限変形下での網状構造の応答をシミュレートし、段階的なストランド破壊と吸着ストランドの喪失を追跡する。
• ストランドと充填粒子表面間の結合エネルギーを表現するため、モースポテンシャルを統合し、接着相互作用を簡略化する。
• さまざまなひずみおよび充填率における剛性、非線形性の発現、および保存モジュラスの挙動を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワークストランド長さの多分散性は、無充填エラストマーの弾性および破壊強度にどのように影響するか？
• RQ2 短いストランドは、多分散ネットワークにおける損傷の発生および段階的破壊において、どのような役割を果たすか？
• RQ3 ポリマー・ストランドが充填粒子に可逆的に吸着することによって、充填エラストマーの機械的挙動はどのように変化するか？
• RQ4 このモデルは、ひずみ軟化および充填率依存性を含めたペイン効果をどの程度説明できるか？
• RQ5 多分散性は、サイクル荷重下におけるポリマー・ブチル化処理物の疲労寿命にどのように影響するか？

主な発見

• 短いストランドは、より高いエントロピー的ひずみにさらされるため、長いストランドよりも著しく小さいひずみで破壊され、損傷の原因となる。
• 無充填網状構造の最終的機械的強度は、弱いリンクとして機能する短いストランドの存在に直接相関している。
• 変形下での段階的ストランド破壊は、履歴依存性の損傷を引き起こし、サイクル荷重下での疲労寿命を短くする。
• 充填ネットワークでは、軟化挙動（ペイン効果）が、短く、著しく引き伸ばされた吸着ストランドの逐次的脱吸着と破壊に起因する。
• 理論的予測は、保存モジュラスのひずみ軟化、充填率の増加に伴う非線形性発現の遅れ、および剛性の充填率依存性をうまく予測している。
• 理論的予測は、多分散性が、充填ラバーブチル化処理物における損傷発生および機械的応答を支配するという仮説を支持している。