[論文レビュー] Thermal Conductivities and Mechanical Properties of Epoxy Resin as a Function of the Degree of Cross-linking

Xiao Wan, Barış Demir+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2021

Thermal properties of materials参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、エポキシ樹脂（ビスフェノールFとジエチルトルエンジアミンを用いたもの）における架橋密度が熱伝導率および機械的性質に与える影響を調査した。結果から、架橋度の上昇により弾性率および熱伝導率が向上することが示され、結合力の寄与が熱フラックス伝達において重要な役割を果たすことが明らかになった。本研究は、特性を調整可能なエポキシ樹脂の分子レベルでの設計フレームワークを提供する。

ABSTRACT

Epoxy resins are widely used polymer matrices for numerous applications. Despite substantial advances, the molecular-level knowledge-base required to exploit these materials to their full potential remains limited. A deeper comprehension of structure/property relationships in epoxy resins at the molecular level is critical to progressing these efforts. It can be laborious, if not impractical, to elucidate these relationships based on experiments alone. Here, molecular dynamics simulations are used to calculate and compare thermal conductivities and mechanical properties of an exemplar epoxy resin, Bisphenol F cross-linked with Diethyl Toluene Diamine, revealing these inter-relationships. Both elastic modulus and thermal transport of the epoxy resin show an increase with greater cross-linking. Specifically, decomposition of the thermal conductivity into different force contributions suggests that the bonded term contributes to an increase in the heat flux. These outcomes provide a foundation for designing and fabricating customized epoxy resins with desirable thermal and mechanical attributes.

研究の動機と目的

• エポキシ樹脂の分子レベルにおける構造-物性関係を確立すること。
• 最適な材料設計を阻害する分子スケールでの理解の不足を解消すること。
• 架橋密度が熱的および機械的性能に与える影響を調査すること。
• 架橋エポキシにおける熱伝導および剛性を支配する原子レベルのメカニズムを特定すること。
• 熱的および機械的特性をカスタマイズ可能なエポキシ樹脂の設計基盤を提供すること。

提案手法

• ビスフェノールFおよびジエチルトルエンジアミンを基盤とするエポキシ樹脂系をモデル化するため、分子動力学（MD）シミュレーションを用いる。
• ネットワーク密度を変化させることで、架橋度を系統的に変化させる。
• グリーン＝キューブ形式を用いて熱伝導率を計算し、異なる力項による寄与を分解する。
• 変形に対する応力-ひずみ応答を評価することで、弾性率などの機械的性質を測定する。
• 熱伝導率に寄与する結合項、非結合項、および全力項の寄与を分析する。
• 架橋度の異なる条件間での結果を比較し、熱的および機械的挙動の傾向を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 架橋密度を高めることで、エポキシ樹脂の熱伝導率はどのように変化するか？
• RQ2 異なる原子間力項（結合項対非結合項）の寄与が熱伝導に果たす役割は何か？
• RQ3 架橋がエポキシネットワークの弾性率に与える影響は何か？
• RQ4 観察された熱的および機械的性質の変化を支配する分子レベルのメカニズムは何か？
• RQ5 架橋度と物性向上の関係を定量的に評価することで、予測的設計が可能になるか？

主な発見

• エポキシ樹脂の熱伝導率は、架橋度が高くなるほど上昇する。
• 熱伝導率に寄与する結合力項の寄与は顕著であり、架橋度の上昇に伴い増加する。
• 弾性率は、架橋度の上昇に伴い一貫して上昇し、剛性の向上が示された。
• 熱伝導率の分解から、結合相互作用が熱フラックス伝達において重要な役割を果たすことが明らかになった。
• シミュレーション結果から、架橋度と熱的および機械的性能の向上の間に明確な正の相関関係があることが示された。
• これらの発見は、熱的および機械的特性をカスタマイズ可能なエポキシ樹脂の分子レベルでの設計根拠を提供する。