[論文レビュー] Revisiting the Deformation-Induced Damage in Filled Elastomers: Effect of Network Polydispersity

Mohammad Tehrani, Mohammad Hossein Moshaei+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2017

Polymer Nanocomposites and Properties参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、均一な鎖長の仮定に代わる多分散性ネットワーク鎖長を考慮することで、充填エラストマーにおける応力誘発損傷を説明するマイクロメカニクス的モデルを提案する。短い鎖がフィラー界面に吸着されており、応力下で最初に破壊され、これが応力軟化とヒステリシスを引き起こす。多分散性はエネルギー散逸を顕著に増大させ、充填ボイルチゼートの機械的強度と損傷発生を制御する。

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.

研究の動機と目的

• 充填エラストマーのマイクロメカニクス的モデルにおいて、鎖長が均一であると仮定するという限界を是正すること。
• ネットワークの多分散性、特に鎖長の広い分布が機械的挙動と損傷発生に与える影響を調査すること。
• 短い鎖が著しく伸びた状態で脱吸着する物理的メカニズムを含む、ペイン効果とムリニーズ効果を説明する。
• ランダムで多分散的なネットワークに基づき、充填ボイルチゼートの応力-伸び応答とエネルギー散逸を予測するモデルを構築すること。

提案手法

• ランダムに架橋されたネットワーク内の統計的鎖長分布をモデル化するため、負の指数分布（P(j) = (1/ĵ)exp(-j/ĵ)）を用いる。
• 剛体フィラー表面への鎖の可逆的吸着を、有限の延長性を持つモース型ポテンシャルでモデル化し、物理的結合を表現する。
• フィラー周辺の応力場増幅および遷移領域効果を補正するため、流体力学的補正係数Xを導入する。
• 短く、著しく伸びた鎖が最初に延長限界に達して破壊するという段階的破壊として損傷発生をシミュレートする。
• ネイティブSBRの実験データを用いてモデルパラメータをキャリブレーションし、再調整なしに充填ネットワークの応答を予測する。
• MeissnerおよびMatějka（1970年代）のSBR（20%および30%カーボンブラック含有）の単軸応力-伸びデータと、モデル予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク鎖長の多分散性は、充填エラストマーの機械的強度と損傷発生にどのように影響するか？
• RQ2 短い吸着鎖は、充填ゴムにおける応力軟化とヒステリシスの発生に果たす役割は何か？
• RQ3 多分散的ネットワークに基づくマイクロメカニクス的モデルは、フィラー網の破壊を仮定せず、ペイン効果とひずみ軟化を説明できるか？
• RQ4 フィラー体積分率の増加は、破壊時のひずみおよびエネルギー散逸にどのように影響するか？
• RQ5 ネイティブポリマーでキャリブレーションしたパラメータを用いて、フィラー含有率が異なる状況においても、実験的応力-伸び挙動をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• フィラー界面に吸着している短い鎖が、延長限界が小さいため最初に破壊され、損傷発生の主な要因である。
• ネイティブSBRでのキャリブレーションのみで、20%および30%カーボンブラックを含むSBRの実験的応力-伸び応答を再現でき、予測能力を示した。
• ヒステリシスループの大きさはフィラー含有率に比例し、脱吸着を経験する短鎖の数と直接相関する。
• フィラー含有率の増加により、応力増幅と著しく伸びた短鎖のおかげで強度が向上するが、早期の鎖破壊により破壊ひずみは減少する。
• 本モデルは、ペイン効果（ひずみ軟化）を、フィラー網の破壊だけでなく、短鎖の段階的脱吸着に起因すると説明できる。
• 多分散性はサイクル荷重下でのエネルギー散逸を顕著に増大させ、実測されたヒステリシスの物理的根拠を提供する。