ポリマーブレンドと複合材料

ポリマーをブレンドしたり、繊維や充填材で補強したりすることで、異なる材料の長所が組み合わされ、界面と形態が剛性、靭性、その他の特性の最終的なバランスを決定する多相システムが生成されます。

Definition

ポリマーブレンドは2種類以上のポリマーの物理的混合物であり、ポリマー複合材料はポリマーマトリックスが繊維または粒子で補強された材料です。どちらも多相システムであり、その特性は組成、相形態、および界面接着に依存します。

Scope

このトピックでは、ポリマーと補強材の物理的組み合わせについて扱います。具体的には、相溶性ブレンドと非相溶性ブレンド、相溶性の稀少性、相形態と相溶化、分散ゴムによる脆性ポリマーの靭性向上、および界面の役割と剛性の混合則推定を含む繊維強化複合材料と粒子強化複合材料についてです。

Core questions

• なぜほとんどのポリマー対は非相溶性であり、どのような形態が生じるのでしょうか？
• 相溶化はブレンドの特性をどのように改善するのでしょうか？
• 分散ゴムは脆いプラスチックをどのように強靭化するのでしょうか？
• 補強材の形状と界面は複合材料の剛性と強度をどのように制御するのでしょうか？

Key theories

ブレンドの相挙動と相溶化

長鎖の混合ではエントロピーの増加が少ないため、ほとんどのブレンドは相分離します。分散相のサイズと接着が特性を制御し、ブロックまたはグラフト相溶化剤は界面張力を低減し、微細で良好に結合した形態を安定化させます。

複合材料における補強と荷重伝達

剛性の高い繊維または粒子は、マトリックスと補強材の界面を介して伝達される荷重を負担するため、複合材料の剛性は補強材の含有量と配向とともに上昇し、靭性と強度は界面接着と繊維長に決定的に依存します。

Mechanisms

2つのポリマーを溶融混合すると、混合エントロピーが小さいため、通常は非相溶性となり、一方が他方にドメインとして分散します。ドメインサイズと界面接着は相溶化剤で調整可能であり、ブレンドが脆いか強靭かを決定します。分散したゴム粒子は、多くの小さなクレーズまたはせん断帯を開始および制御することでガラス状マトリックスを強靭化し、エネルギーを吸収します。複合材料では、加えられた荷重は、柔軟なマトリックスから剛性の繊維または粒子へとその界面を介して伝達されるため、補強材の弾性率、体積分率、アスペクト比、配向、および界面結合が、全体の剛性と強度を決定します。

Clinical relevance

ブレンドと複合材料は、単一のポリマーでは提供できない特性の組み合わせを実現するため、工学用途で広く使用されています。高衝撃性ポリスチレンやABSなどのゴム強化プラスチックは耐衝撃性を提供し、ポリマーアロイはコストと性能を調整し、繊維強化複合材料は航空宇宙、自動車、スポーツ用品、建設向けの軽量で剛性が高く、強力な材料を提供します。

History

ゴム強化プラスチックは、高衝撃性ポリスチレンとABSとともに20世紀半ばに登場し、ポリマーブレンドと相互貫入網状高分子は1970年代から体系化され、ガラス、炭素、アラミド繊維をベースとした高性能繊維強化複合材料は、軽量構造材料の需要に応えるため、同時期に急速に成長しました。

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

なぜほとんどのポリマーブレンドは非相溶性なのでしょうか？

長鎖を混合してもエントロピーの増加はごくわずかであるため、わずかな不利な相互作用でも相分離を引き起こします。したがって、ほとんどのブレンドは、均一な溶液を形成するのではなく、一方のポリマーが他方のポリマー内にドメインとして分散した状態で構成されます。

ゴムを加えることでプラスチックはどのように強靭になるのでしょうか？

分散したゴム粒子は応力集中点として機能し、単一の壊滅的な亀裂ではなく、多くの小さなエネルギー吸収性のクレーズやせん断帯を引き起こします。これにより変形が広がり、耐衝撃性が劇的に向上します。