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Oct 19, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 5701(2022) 이 기사 인용

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열가소성 폴리머 및 복합재는 고온에서의 재성형 및 융합 기능으로 인해 업계 어디에서나 볼 수 있습니다. 열융착 열가소성 인터페이스의 품질은 접착, 코팅 및 용접 응용 분야, 특히 서로 다른 재료 간의 응용 분야에서 큰 관심사입니다. 미세구조의 운동학적 진화는 열융합 열가소성 인터페이스의 기계적 성능을 정의하며, 여기서는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 예로 사용하여 연구합니다. 분자 수준의 시뮬레이션과 구조 수준의 열간 압축 실험을 결합하여 고분자의 점도 및 상용성, 융합 시간 및 온도와 같은 핵심 요소를 논의합니다. 고분자 사슬의 상호 확산과 얽힘은 융합의 두 가지 기본 운동 단계로 식별되며, 이는 각각 인터페이스의 강성과 강도에 대한 제어를 지배합니다. 실험 데이터는 점도와 상호 작용 매개변수를 줄임으로써 융합 인터페이스의 품질을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 시뮬레이션에서 확인된 것과 동일한 시간 스케일링 관계 세트에 따라 2단계 특성과 강성과 강도에 대한 영향이 실험적으로 검증되었습니다. 시뮬레이션과 실험 결과 모두 융합된 인터페이스의 영률이 확산보다는 고분자 엉킴에 의해 제어되는 강도보다 더 빨리 회복된다는 것을 보여줍니다. 이러한 발견은 융합 공정 설계에 대한 통찰력을 추가하여 열가소성 폴리머 및 복합재의 응용을 위한 토대를 마련합니다.

플라스틱과 그 복합재는 전 세계에서 가장 널리 적용되는 합성 소재 중 하나이며, 매년 전 세계적으로 1/3이 넘는 톤이 생산됩니다1,2,3,4. 20세기 초에 처음 등장하여 50년대까지 상업적으로 적용되지 않았던 플라스틱 제품은 특히 포장 시장2, 전기 및 전자 제품5, 건물 및 건축, 섬유, 운송 및 의료 장비6에서 눈에 띄게 성장하고 있습니다. 재사용 가능하고 안전하며 경제적이고 기능성이 뛰어난 플라스틱 제품에 대한 높은 수요로 인해 플라스틱 가공 기술의 발전이 가속화됩니다. 열경화성 폴리머와 달리 열가소성 수지는 재성형 및 재활용 기능이 편리하므로 접착제7, 코팅8, 적층 제조 재료9,10 및 구조 부품11,12의 긴급 응용 분야에 이상적인 후보입니다. 열가소성 수지의 열 융합 또는 열 용접은 두 표면이 유리 전이 온도 \(T_{\mathrm{g}}\) 이상으로 밀접하게 접촉되어 일정 기간 동안 상호 확산이 허용되는 고분자 부품을 결합하는 일반적인 방법입니다. 시간, t13. 열가소성 수지의 융합은 폴리머 또는 복합재의 고성능 재생 인터페이스에 대한 필요성으로 인해 특별한 관심을 끌었습니다9,14,15.

열가소성 계면의 미세구조 진화와 기계적 성능과의 상관관계를 이해하기 위해 많은 노력이 이루어져 왔습니다. 이론적 연구에서 폴리머 사슬의 확산 운동은 일반적으로 초기 튜브 내에서 제한되는 것으로 가정됩니다. 그런 다음 재현 모델을 사용하여 동일하거나 호환 가능한 폴리머 간의 융합 인터페이스 성장을 계산하여 평형이 설정되기 전의 두께(h)와 융합 시간(t) 사이의 스케일링 관계를 산출했습니다. 즉, \(h(t )\sim t^{1/2}\). 이 모델은 또한 t와 분자량(M)의 함수로 인터페이스의 강도를 \({\sigma }_{\mathrm{s}}\sim t^{1/4}M^{\alpha }\로 예측합니다. ), 여기서 튜브 갱신 시간 \(T_{\mathrm{r}}\) 내 \(\alpha = -1/4\), \(T > T_{\mathrm의 경우 \(-3/4\)) {r}}\)17. 이 모델에서는 확산과 무작위화의 미세한 역학이 고려됩니다. 두 개의 비혼화성 폴리머 사이의 인터페이스에 대해 Helfrand와 Tagami18,19는 \({\chi }^{-1/2}\)에 비례하는 Flory-Huggins 혼합 방정식을 따라 계면 두께의 상한을 추정했습니다. 여기서 \(\chi\)는 두 폴리머 사이의 상호작용 매개변수입니다. 앞서 언급한 융합 이론은 용융 상태 또는 유리 전이 온도 \(T_{\mathrm{g}}\) 이상의 비정질 중합체로 제한됩니다. Boiko et al.20이 제시한 바와 같이, 비정질 폴리머에 대해 개발된 이론은 사출 성형9 및 적층 제조에서와 같이 \(T_{\mathrm{g}}\) 근처의 반-비정질 폴리머에는 적용되지 않습니다. 폴리머10. 열 전달, 물질 전달 및 결정화 과정을 통합하는 다중물리적 프레임워크는 융합의 기본 복잡성을 모델링하기 위해 개발되었습니다21. 그러나 스케일링 관계 뒤에 있는 분자 수준의 그림, 확산 및 얽힘과 같은 주요 운동 단계, \(T_{\mathrm{r}}\)의 물리적 중요성은 해결되지 않았습니다. 폴리머 인터페이스의 기계적 성능에 대한 융합 조건의 영향도 잘 알려져 있지 않습니다.