[논문 리뷰] Micromechanical Analysis of Strength of Polymer Networks with Polydisperse Structures

Mohammad Jafari Tehrani|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 05.

Polymer Nanocomposites and Properties인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고무 네트워크의 다분산성 네트워크 스트랜드 길이가 충전되지 않은 고무와 충전된 엘라스토머의 탄성 및 기계적 파손을 어떻게 조절하는지 설명하는 마이크로기계 모델을 제안한다. 변형 하에서 스트랜드 파손과 필러 입자에 대한 가역적 흡착을 모델링함으로써, 짧은 스트랜드가 손상의 시작을 이끌고 강도를 결정하며, 다분산성이 충전 고무에서 피로 수명과 페인 효과 행동에 결정적으로 영향을 준다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 스트랜드 길이의 다분산성이 엘라스토머의 기계적 거동에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 충전되지 않은 고무 네트워크에서 손상의 시작과 최종 강도를 조절하는 짧은 스트랜드의 역할을 조사하는 것.
• 충전된 엘라스토머에서 필러-고무 상호작용의 영향을 기계적 거동에 모델링하는 것에 초점하여 가역적 흡착과 스트랜드 탈착을 고려하는 것.
• 짧고 극도로 연신된 흡착 스트랜드의 점진적 고장으로 인해 발생하는 페인 효과를 설명하는 것.
• 미세구조(스트랜드 길이 분포)와 거시적 기계적 거동 및 파손 시작을 연결하는 이론적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 바우체와 워터의 복합체에 기반한 지수 함수를 사용하여 스트랜드 길이 분포를 모델링하는 것.
• 변형 하에서 엔트로피적 긴장의 특성을 기술하기 위해 랭지비안 통계를 적용하여, 짧은 스트랜드가 파손의 원인이 되는 것을 확인하는 것.
• 전이 영역 내에서 필러 표면에 대한 스트랜드의 가역적 흡착/탈착을 기술하기 위해 1차 반응 속도 방정식을 사용하는 것.
• 유한 변형 하에서의 네트워크 거동을 시뮬레이션하고, 점진적인 스트랜드 파손과 흡착된 스트랜드의 손실을 추적하는 것.
• 접착 상호작용을 단순화하기 위해 모스 위치 에너지 함수를 사용하여 스트랜드와 필러 표면 간의 결합 에너지를 표현하는 것.
• 다양한 변형률과 필러 함량에서의 강성, 비선형성 시작점, 비축 모odulus 행동을 예측하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 스트랜드 길이의 다분산성이 충전되지 않은 엘라스토머의 탄성 및 최종 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 짧은 스트랜드가 다분산 네트워크에서 손상의 시작과 점진적 고장을 어떻게 조절하는가?
• RQ3 고무 스트랜드가 필러 입자에 가역적으로 흡착될 경우 충전된 엘라스토머의 기계적 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모델이 진동 변형률 소프트닝과 필러 함량 의존성 포함한 페인 효과를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 다분산성이 순환 하중 하에서 고무 복합체의 피로 수명에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 짧은 스트랜드는 더 긴 스트랜드보다 훨씬 작은 연신에서 더 높은 엔트로피적 긴장을 경험하여 파손되며, 손상의 시작을 이끈다.
• 충전되지 않은 네트워크의 최종 기계적 강도는 짧은 스트랜드의 수와 직접적으로 상관되며, 이들은 약한 연결점으로 작용한다.
• 변형 하에서 점진적인 스트랜드 파손은 역사 의존적 손상을 유도하며, 순환 하중에서 피로 수명을 감소시킨다.
• 충전 네트워크에서는 연속적인 탈착과 파손을 겪는 짧고 극도로 연신된 흡착 스트랜드의 결과로 소프트닝 거동(페인 효과)이 발생한다.
• 모델은 비축 모odulus의 변형률 소프트닝, 필러 함량 증가에 따른 비선형성 시작점의 증가, 필러 농도에 따른 강성 의존성을 성공적으로 예측한다.
• 이론적 예측은 다분산성이 충전 고무 복합체에서 손상의 시작과 기계적 거동을 모두 지배한다는 가설을 뒷받침한다.