소개
페놀수지페놀성 화합물과 알데히드(가장 일반적으로 페놀과 포름알데히드) 사이의 축합 반응으로 형성된 열경화성 물질입니다. 이러한 재료는 열 거동, 화재 성능, 치수 안정성 또는 내화학성과 관련된 복합 시스템에 사용됩니다.
경화된 페놀수지 시스템은 상대적으로 부서지기 쉬운 파괴 거동을 나타낼 수 있지만 이는 수지 화학, 제제 및 경화 조건에 따라 다릅니다. 열적 및 화학적 저항성을 제공하는 고도로 가교된 네트워크 구조는 또한 파괴 거동에 영향을 미칠 수 있는 분자 이동성을 제한합니다.
매트릭스 인성 대 복합재 파괴 저항성
인성 관련 성능은 고려되는 재료 수준 및 테스트 방법에 따라 해석되어야 합니다. 몇 가지 별개의 개념이 관련되어 있습니다.
매트릭스 인성은 파손 전 경화된 매트릭스의 변형 및 에너지 흡수 거동과 관련이 있습니다.
파괴 인성 매개변수는 정의된 시편 및 테스트 조건에서 측정된 특정 파괴 역학 특성입니다.
충격 테스트는 빠른 하중 하에서 재료 또는 시편의 반응을 특성화합니다.
복합재 파괴 저항성과 손상 내성은 전체 복합재 시스템의 동작과 관련이 있습니다.
이러한 측정은 재료 거동의 다양한 측면을 설명하므로 한 특성의 개선이 반드시 다른 특성의 개선과 일치하는 것은 아닙니다.
고무, 화학, 다상 폴리머 및 선택된 나노 입자 전략은 주로 매트릭스 또는 매트릭스 함유 상을 변경하는 반면, 섬유 구조와 계면 거동은 주로 전체 복합재의 파괴 반응에 영향을 미칩니다.
고무 수정
고무 수정은 선택한 강화에 대해 잘 연구된 접근 방식입니다.페놀 수지 시스템. 엘라스토머 변형은 선택된 페놀성 제제의 충격 및 파손 거동을 수정하는 수단으로 조사되었습니다.
관찰된 효과는 고무 화학, 형태, 분산, 계면 거동, 경화 조건, 로딩 및 테스트 방법에 따라 달라집니다. 분산된 고무 도메인은 국부적인 응력장과 균열 전파 동작을 변경할 수 있습니다. 관련된 메커니즘은 특정 수지-고무 형태와 구성에 따라 달라집니다.
고무 로딩은 가공 동작, 강성 및 열 동작에 영향을 미칠 수 있으므로 특정 제형에 대해 적절한 수준을 평가해야 합니다.
섬유 강화 및 복합재 파괴 거동
섬유 강화는 경화된 페놀 매트릭스의 본질적인 인성보다는 주로 전체 복합재의 파괴 거동과 손상 내성을 수정합니다. 응용 분야 요구 사항에 따라 단섬유, 연속 섬유, 직조 강화재, 부직포 강화재 등 다양한 섬유 구조가 사용됩니다.
~ 안에섬유 강화 페놀 복합재, 여러 메커니즘이 파손 저항에 기여할 수 있습니다.
섬유 브리징은 섬유가 발달 중인 균열에 걸쳐 있고 균열 개방에 저항할 때 내파괴성에 기여할 수 있습니다.
계면 분리 및 슬라이딩 조건이 허용되는 경우 섬유 풀아웃은 에너지 흡수에 기여할 수 있습니다.
균열 경로는 섬유나 인터페이스에 의해 방향이 바뀔 수도 있습니다.
섬유 강화 복합재의 파괴 거동은 강화 구조, 방향, 부피 분율, 계면 거동, 로딩 모드 및 제조 공정을 포함한 요인에 따라 달라집니다. 계면 특성은 하중 전달 및 파손 거동에 영향을 미칩니다. 섬유-매트릭스 계면 거동을 수정하기 위해 커플링제와 표면 처리를 사용할 수 있습니다.
화학적 및 다상 변형
화학적 변형
화학적 변형은 경화된 페놀 네트워크의 구조와 기계적 반응을 변경할 수 있습니다. 파손 관련 거동을 변경하기 위한 수정은 강성, 열 거동, 경화 특성 또는 가공성에 영향을 미칠 수도 있습니다.
카르다놀 및 기타 캐슈넛 껍질 액체 유래 성분은 페놀계의 변형제로 조사되었습니다. 결과적인 기계적 및 열적 거동은 구성 및 경화 조건에 따라 달라집니다.
상호침투하는 폴리머 네트워크
상호침투형 폴리머 네트워크(IPN)는 분자 규모에서 적어도 부분적으로 얽혀 있고, 서로 공유 결합되지 않고, 화학 결합을 끊지 않고는 분리될 수 없는 두 개 이상의 폴리머 네트워크를 포함합니다. 별도로 형성된 폴리머 네트워크의 혼합물은 그 자체로는 IPN이 아닙니다.
반상호침투형 폴리머 네트워크는 분자 규모로 네트워크 구조를 관통하는 하나 이상의 선형 또는 분지형 폴리머와 함께 하나 이상의 폴리머 네트워크를 포함합니다.
구성, 형태 및 처리 조건에 따라 IPN 또는 세미 IPN 아키텍처는 페놀 함유 시스템의 기계적, 열적, 파괴 거동의 균형을 변경할 수 있습니다.
나노입자 변형
나노입자는 변형제로 연구되어 왔습니다.페놀 수지 시스템. 그 효과는 입자 화학, 로딩, 분산, 표면 특성 및 매트릭스와의 상호 작용에 따라 달라집니다.
분산 품질은 나노입자 변형 시스템의 동작에 영향을 미칠 수 있습니다. 표면 처리 및 분산 전략은 호환성과 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
나노입자는 분산 및 계면 상호작용에 따라 균열 전파 거동을 변경할 수 있습니다. 강성, 강도 및 인성은 별개의 특성이며 수정에 따라 다르게 반응할 수 있습니다.
인성 관련 성능 평가
충격 및 파손 특성화
샤르피(Charpy) 또는 아이조드(Izod) 테스트를 사용하여 정의된 시편 및 테스트 조건에서 충격 반응을 비교할 수 있습니다. 충격 시험과 파손 역학 시험은 다양한 유형의 특성화 데이터를 제공하며 상호 교환이 불가능합니다.
SENB(Single-edge-notched bent) 구성은 적용 가능한 폴리머 시험 방법에 따른 파괴 역학 특성화에 사용될 수 있습니다. 보고된 파괴인성 매개변수의 유효성은 시편 형상, 재료 반응 및 테스트 조건에 따라 달라집니다.
적절한 적층 복합재의 경우 모드 I 층간 파괴 특성 분석을 위해 이중 캔틸레버 빔(DCB) 방법을 사용할 수 있습니다. ENF(End-notched-flexure) 방법은 적절한 적층판의 모드 II 층간 파괴 특성 분석에 사용될 수 있습니다. 박리 저항이 설계 문제인 적층 복합재의 경우 층간 파괴 특성화가 특히 관련될 수 있습니다.
기계적 및 점탄성 특성 분석 지원
인장 및 굴곡 시험을 사용하여 수정과 관련된 강도 및 강성의 변화를 평가할 수 있습니다. 이러한 측정은 기계적 특성의 균형을 식별하여 인성 관련 특성화를 보완합니다.
동적 기계 분석(DMA)은 점탄성 반응 및 유리 전이 관련 동작에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. DMA는 파괴 인성 데이터가 아닌 열기계적 특성 분석을 지원합니다.
제형 트레이드오프
평가에서는 강성, 강도, 열 거동, 경화 거동, 점도, 가공성, 제조 호환성 및 비용에 대한 영향을 고려해야 합니다.
여러 접근법을 결합할 수 있지만 특정 재료 시스템에 대한 상호 작용을 실험적으로 평가해야 합니다.
결론
강화 관련 성능페놀수지 복합재매트릭스 및 복합 수준 모두에서 수정할 수 있습니다. 고무, 화학, 다상 폴리머 및 나노입자 접근법은 주로 매트릭스 함유 상에 영향을 미치는 반면, 강화 구조 및 계면 거동은 주로 전체 복합재의 파괴 반응에 영향을 미칩니다.
적절한 전략은 대상 특성, 재료 시스템, 처리 경로 및 적용 요구 사항에 따라 다릅니다. 따라서 평가되는 성능 질문에 따라 충격, 파괴, 기계적 및 점탄성 특성을 선택해야 합니다.
참고자료
- Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K., & Yang, X. (2024). 페놀수지 강화 및 내열성 구현: 전술 및 최근 발전.중합체,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782
- Kaynak, C., & Cagatay, O. (2006). 니트릴 고무와 아미노 실란을 사용하여 페놀 수지를 고무 강화합니다.폴리머 테스트,25(3), 296-305. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2006.01.004
- Ma, HY, Wei, GS, Liu, YQ, Zhang, XH, Gao, JM, Huang, F., Tan, BH, Song, ZH, & Qiao, JL (2005). 탄성 나노입자가 페놀 수지의 특성에 미치는 영향.중합체,46(23), 10568-10573. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.07.103
- Huong, NL, Nieu, NH, Tan, TTM, & Griesser, UJ (1996). 카르다놀-페놀-포름알데히드 수지. 열 분석 및 특성화.응용고분자화학,243, 77–85. DOI: 10.1002/apmc.1996.052430107
- Alemán, J., Chadwick, AV, He, J., Hess, M., Horie, K., Jones, RG, Kratochvíl, P., Meisel, I., Mita, I., Moad, G., Penczek, S., & Stepto, RFT (2007). 졸, 젤, 네트워크 및 무기-유기 하이브리드 재료의 구조 및 처리와 관련된 용어 정의(IUPAC 권장사항 2007).순수화학과 응용화학,79(10), 1801-1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
- 클라인, TW, & 헐, D. (2019).복합 재료 소개(3판). 케임브리지 대학 출판부. DOI: 10.1017/9781139050586
- 국제표준화기구. (2018).ISO 13586:2018, 플라스틱 - 파괴 인성 결정(GIC 및 KIC) - 선형 탄성 파괴 역학(LEFM) 접근 방식.
- ASTM 인터내셔널. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, 단방향 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합재의 모드 I 층간 파괴 인성에 대한 표준 시험 방법. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
- ASTM 인터내셔널. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, 단방향 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합재의 모드 II 층간 파괴 인성을 결정하기 위한 표준 시험 방법. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19