고분자 블렌드 및 복합재료

고분자를 블렌딩하거나 섬유 및 충전재로 보강하면 서로 다른 재료의 강점을 결합하여 다상 시스템을 생성합니다. 이 시스템의 계면과 형태는 최종적인 강성, 인성 및 기타 특성의 균형을 결정합니다.

Definition

고분자 블렌드는 두 가지 이상의 고분자의 물리적 혼합물이며, 고분자 복합재료는 고분자 매트릭스가 섬유나 입자로 보강된 재료입니다. 둘 다 조성, 상 형태 및 계면 접착에 따라 특성이 달라지는 다상 시스템입니다.

Scope

이 주제는 고분자와 보강재의 물리적 조합을 다룹니다: 상용성 대 비상용성 블렌드 및 상용성의 희귀성, 상 형태 및 상용화, 분산된 고무에 의한 취성 고분자의 인성 강화, 그리고 계면의 역할과 강성 추정을 위한 혼합 법칙을 포함한 섬유 및 입자 강화 복합재료를 다룹니다.

Core questions

• 대부분의 고분자 쌍이 비상용성인 이유는 무엇이며, 어떤 형태가 나타나는가?
• 상용화는 블렌드 특성을 어떻게 개선하는가?
• 분산된 고무는 취성 플라스틱을 어떻게 강화하는가?
• 보강재의 형상과 계면은 복합재료의 강성과 강도를 어떻게 제어하는가?

Key theories

블렌드의 상 거동 및 상용화

긴 사슬을 혼합하는 것은 엔트로피 이득이 거의 없기 때문에 대부분의 블렌드는 상 분리됩니다. 분산상의 크기와 접착은 특성을 제어하며, 블록 또는 그래프트 상용화제는 계면 장력을 줄이고 미세하고 잘 결합된 형태를 안정화합니다.

복합재료의 보강 및 하중 전달

강성 섬유 또는 입자는 매트릭스-보강재 계면을 통해 전달되는 하중을 지지하므로, 복합재료의 강성은 보강재 함량 및 배향에 따라 증가하며, 인성과 강도는 계면 접착 및 섬유 길이에 결정적으로 의존합니다.

Mechanisms

두 고분자를 용융 혼합할 때, 혼합 엔트로피가 작기 때문에 일반적으로 서로 섞이지 않아 한 고분자가 다른 고분자 내에 도메인으로 분산됩니다. 도메인 크기와 계면 접착은 상용화제로 조절 가능하며, 블렌드가 취성인지 인성인지를 결정합니다. 분산된 고무 입자는 많은 작은 크레이즈(crazes) 또는 전단 밴드(shear bands)를 시작하고 제어하여 에너지를 흡수함으로써 유리질 매트릭스를 강화합니다. 복합재료에서는 가해진 하중이 유연한 매트릭스에서 강성 섬유 또는 입자로 계면을 통해 전달되므로, 보강재의 탄성률, 부피 분율, 종횡비 및 배향이 계면 결합과 함께 전체적인 강성과 강도를 결정합니다.

Clinical relevance

블렌드와 복합재료는 단일 고분자가 제공할 수 없는 특성 조합을 달성하기 때문에 공학 응용 분야에서 지배적입니다. 고충격 폴리스티렌(high-impact polystyrene) 및 ABS와 같은 고무 강화 플라스틱은 충격 저항성을 제공하고, 고분자 합금은 비용과 성능을 맞춤화하며, 섬유 강화 복합재료는 항공우주, 자동차, 스포츠 용품 및 건설 분야에서 경량, 강성, 강한 재료를 제공합니다.

History

고무 강화 플라스틱은 20세기 중반 충격 폴리스티렌과 ABS와 함께 등장했으며, 고분자 블렌드와 상호침투 고분자망(interpenetrating networks)은 1970년대부터 체계화되었습니다. 유리, 탄소 및 아라미드 섬유를 기반으로 한 고성능 섬유 강화 복합재료는 경량 구조 재료에 대한 요구를 충족하기 위해 같은 기간 동안 빠르게 성장했습니다.

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

대부분의 고분자 블렌드가 비상용성인 이유는 무엇인가?

긴 사슬을 혼합하는 것은 엔트로피 이득이 매우 적기 때문에, 작은 불리한 상호작용조차도 상 분리를 유발합니다. 따라서 대부분의 블렌드는 균일한 용액을 형성하기보다는 한 고분자가 다른 고분자 내에 도메인으로 분산된 형태로 존재합니다.

고무를 첨가하면 플라스틱이 어떻게 더 강해지는가?

분산된 고무 입자는 응력 집중체 역할을 하여 단일의 치명적인 균열 대신 많은 작고 에너지를 흡수하는 크레이즈(crazes) 또는 전단 밴드(shear bands)를 유발합니다. 이는 변형을 분산시키고 충격 저항성을 극적으로 높입니다.