[논문 리뷰] Revisiting the Deformation-Induced Damage in Filled Elastomers: Effect of Network Polydispersity

Mohammad Tehrani, Mohammad Hossein Moshaei외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 05.

Polymer Nanocomposites and Properties참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다분산성 네트워크 사슬 길이를 고려함으로써 충진 엘라스토머에서 변형 유도 손상 메커니즘을 설명하는 마이크로기계 모델을 제안한다—기존의 단일분산성 가정에 도전한다. 짧고 필러 표면에 흡착된 사슬이 응력 하에서 가장 먼저 파손되며, 이로 인해 응력 연화와 히스테리시스가 발생하고, 다분산성이 에너지 소산을 크게 증가시키며 충진 박산체의 기계적 강도와 손상 기초를 통제한다.

ABSTRACT

A priori assumption in micromechanical analysis of polymeric networks is that the constitutive polymer strands are of equal length. Monodisperse distribution of strands, however, is merely a simplifying assumption. In this paper, we relax this assumption and consider a vulcanized network with a broad distribution of strand length. In the light of this model, we predict the damage initiation and stress-stretch dependency in a filled polymer network with random internal structures. The degradation of network mechanical behavior is assumed to be controlled by the adhesive failure of the strands adsorbed to the filler surface. We show that the short adsorbed strands are the culprits for damage initiation and their finite extensibility is a key determinant of mechanical strength.

연구 동기 및 목표

• 충진 엘라스토머의 마이크로기계 모델에서 고려되는 고분자 사슬의 단일분산성 가정의 한계를 해결하기 위해.
• 특히 넓은 사슬 길이 분포를 포함한 네트워크의 다분산성이 기계적 거동과 손상 기초에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 짧고 매우 늘어난 사슬의 탈착을 포함한 물리적으로 타당한 메커니즘을 통해 충진 고무에서의 페인 효과와 말론스 효과를 설명하기 위해.
• 랜덤하고 다분산성 네트워크를 기반으로 충진 박산체의 응력-변형 거동과 에너지 소산을 예측할 수 있는 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 랜덤이고 교차결합된 네트워크 내 통계적 사슬 길이 분포를 모델링하기 위해 음의 지수분포(P(j) = (1/ĵ)exp(-j/ĵ))를 사용한다.
• 유연한 필러 표면에 대한 고분자 사슬의 가역적 흡착을 모의하기 위해 모스형 잠재력(Morse-type potential)을 사용하며, 유한한 연신 능력을 갖춘 물리적 결합을 표현한다.
• 필러 근처의 응력장 강화 및 전이 영역 효과를 고려하기 위해 유체역학 보정 인자 X를 도입한다.
• 손상 기초를 짧고 매우 늘어난 사슬이 먼저 연신 한계에 도달함으로써 점진적으로 파손되는 것으로 모의한다.
• 순수 SBR에 대한 실험 데이터를 사용해 모델 매개변수를 校정한 후, 재조정 없이 충진 네트워크 거동을 예측한다.
• 메이스너와 마테이카(1970년대)의 실험 자료를 기반으로 한축 응력-변형 데이터와 모델 예측을 비교한다. SBR에 20% 및 30%의 탄소블랙을 첨가한 경우.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 사슬 길이의 다분산성이 충진 엘라스토머의 기계적 강도와 손상 기초에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 짧고 흡착된 사슬이 충진 고무에서 응력 연화와 히스테리시스 발생에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 다분산성 네트워크를 기반으로 한 마이크로기계 모델이 필러 네트워크 붕괴를 가정하지 않고 페인 효과와 변형 연화를 설명할 수 있는가?
• RQ4 필러 부피율 증가가 모델에서 파손 시 변형과 에너지 소산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 순수 고분자에서 校정한 매개변수로 다양한 필러 첨가율에서 실험 응력-변형 거동을 얼마나 잘 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 필러 표면에 흡착된 짧은 사슬이 연신 한계가 짧아 응력 하에서 가장 먼저 파손되며, 이들이 손상 기초의 주요 원인이다.
• 순수 SBR에서만 校정한 매개변수를 사용해 20% 및 30% 탄소블랙을 첨가한 SBR의 실험 응력-변형 거동을 잘 재현하며, 이는 모델의 예측 능력을 입증한다.
• 히스테리시스 루프는 필러 함량이 높을수록 커지며, 이는 탈착과 에너지 소산을 겪는 짧은 사슬의 수와 직접적으로 상관된다.
• 필러 함량 증가로 인해 응력 강화와 매우 늘어난 짧은 사슬 덕분에 강도가 증가하지만, 초기 사슬 파손으로 인해 파손 시 변형은 감소한다.
• 모델은 응력 연화 거동(페인 효과)이 단지 필러 네트워크 붕괴 때문이 아니라 점진적인 짧은 사슬 탈착에서 기인함을 설명한다.
• 다분산성이 순환 하중 중 에너지 소산을 크게 증가시키며, 충진 엘라스토머에서 관찰되는 히스테리시스의 물리적 기반을 제공한다.