[논문 리뷰] Fracture and fatigue of entangled and unentangled polymer networks

Dongchang Zheng, Shaoting Lin외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 23.

Cellular Mechanics and Interactions인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 폴리아크릴아미드 하이드로젤을 모델 시스템으로 사용하여 체인 응집이 고분자 네트워크의 균열 및 피로에 미치는 영향을 조사한다. 응집된 네트워크는 균열 파손에 대한 내성(파손 toughness)이 피로 한계보다 최대 16배 높으며, 균열 근처에서 에너지를 소산시키는 새로운 메커니즘이 기여한다. 반면, 응집되지 않은 네트워크는 구조적 결함이 존재함에도 불구하고 파손 내성과 피로 한계가 유사한 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Entanglement of polymer chains is ubiquitous in elastomers, gels, and biological tissues. While the effects of chain entanglement on elasticity and viscoelasticity of polymer networks have been intensively studied, it remains elusive how chain entanglement affects fracture and fatigue of polymer networks. In this paper, using polyacrylamide hydrogels as a model material, we systematically compare fracture toughness and fatigue threshold of polymer networks with various levels of chain entanglement. We find that the fracture toughness and fatigue threshold of an unentangled polymer network are almost the same, although the unentangled polymer network still contains non-ideal features including topological defects (i.e., dangling chains and cyclic loops) and structural heterogeneity (i.e., non-uniform chain lengths and non-uniform functionalities). In contrast, the fracture toughness of an entangled polymer network can be over ten times (up to 16 times) higher than its fatigue threshold, indicating substantial toughness enhancement due to chain entanglement. Different from the conventional toughness enhancement due to bulk dissipation of polymer networks, the toughness enhancement by chain entanglement requires low stress-stretch hysteresis (<10%) of the bulk entangled polymer networks. We attribute the toughness enhancement in entangled polymer networks to a new dissipation mechanism, near-crack dissipation, which is possibly induced by pull-out of chains and delocalized damage of chains around the crack tip.

연구 동기 및 목표

• 체인 응집이 고분자 네트워크의 균열 및 피로 거동에서 수행하는 역할을 이해하기 위해.
• 응집된 네트워크와 응집되지 않은 네트워크 간의 파손 내성과 피로 한계를 비교하기 위해.
• 응집된 네트워크에서 내성 향상에 기여하는 기초적인 에너지 소산 메커니즘을 규명하기 위해.
• 응집된 시스템에서 내성 향상의 원인이 부피 점탄성 소산인지, 국소적인 메커니즘인지 확인하기 위해.

제안 방법

• 다양한 교차결합 밀도를 사용하여 제어된 체인 응집도를 갖는 폴리아크릴아미드 하이드로젤을 합성하였다.
• 압축 하중에 대한 단축 인장 시험을 수행하여 파손 내성과 피로 한계를 측정하였다.
• 응집된 네트워크에서 부피 에너지 소산을 평가하기 위해 응력-변형률 히스테리시스를 정량화하였다.
• 현미경 분석과 기계적 모델링을 통해 균열 끝부분 영역을 분석하여 균열 근처에서의 에너지 소산 메커니즘을 추론하였다.
• 응집되지 않은 네트워크에서 구조적 특징(예: 떨어진 사슬, 고리 결함 등)을 기계적 성능과 연관지어 분석하였다.
• 통제된 네트워크 구조를 활용하여 응집의 영향을 다른 비이상적인 특징들로부터 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 체인 응집은 고분자 네트워크의 파손 내성과 피로 한계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 응집된 네트워크는 파손 내성과 피로 한계 사이에 큰 격차를 보이는 반면, 응집되지 않은 네트워크는 그렇지 않은가?
• RQ3 응집된 네트워크에서 내성 향상의 원인이 부피 소산인지, 균열 끝부근에서의 국소적 메커니즘인지 무엇인가?
• RQ4 응력-변형률 히스테리시스가 <10%인 낮은 수준일 때 체인 응집이 어떻게 내성 향상에 기여하는가?
• RQ5 응집되지 않은 네트워크의 위상적 결함과 구조적 비균일성은 그들의 균열 및 피로 거동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 응집되지 않은 고분자 네트워크의 파손 내성은 피로 한계와 거의 동일하여 뚜렷한 내성 향상이 없다는 것을 나타낸다.
• 반면, 응집된 고분자 네트워크는 피로 한계보다 파손 내성이 최대 16배 높게 나타나 상당한 내성 향상을 보였다.
• 이 향상은 부피 점탄성 소산 때문이 아니라, 새로운 메커니즘—균열 근처에서의 에너지 소산—때문이며, 이는 주로 사슬 뽑힘과 균열 끝부근의 국소적 사슬 손상에 기인할 가능성이 있다.
• 균열 근처에서의 에너지 소산 메커니즘은 응력-변형률 히스테리시스가 <10%인 네트워크에서만 효과적으로 작용하며, 이는 에너지 소산 효율성에 대한 임계 기준을 나타낸다.
• 위상적 결함과 구조적 비균일성에도 불구하고, 응집되지 않은 네트워크는 균열 및 피로 성능이 균형을 이루고 있다.
• 결과적으로 체인 응집은 전통적인 부피 소산과는 다름없는 국소적이고 균열 끝부분에 특화된 에너지 소산 경로를 가능하게 한다는 것이 제안된다.