NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 35, No. 3, 2017 … 281
신기술 소개
일반적으로 재료는 스트레스를 받는 경우 그에 따른 변형이 이뤄진다. 이러한 변형은 선형 변형과 비선형 변형으로 나뉘게 된다. 작은 스트레스의 경 우 선형 변형이 일어나게 되고 탄성으로 인해 재료 는 원래 상태로 돌아가게 되는 반면, 큰 스트레스 가 걸릴 경우, 원래 상태로 복구할 수 없는 비선형 변형이 이루어 지게 된다. 이러한 비선형 탄성력은 재료의 종류에 따라 약해지거나 파손이 이루어지 는 경우도 있으나, 오히려 비선형 탄성력이 증가하 는 경우도 존재한다. 이러한 비선형 탄성력의 증가 (strain hardening)는 많은 연성재료들의 중요한 물성 중 하나이며, 최근까지 이러한 물성을 조절하고자 하는 많은 연구가 진행되어 왔다.
선형 탄성력을 포함하여 비선형 탄성력의 증가 를 통해 기계적인 물성 향상을 하기 위해서 일반적 으로 사용되어지는 방법은, 나노크기의 필러를 재 료에 넣어 복합체를 구성하는 것이다. 이러한 복합 체를 구성할 경우, 나노입자-재료, 나노입자-나노 입자 등의 상호작용에 의해 일반적으로 기계적인 강도가 크게 향상된다. 나노입자가 작아지거나 양 이 많아지면, 재료와 상호작용할 수 있는 표면적이 늘어나게 되고 이는 기계적 향상에 큰 영향을 끼치 게 된다고 알려져 왔다. 하지만, 선형 탄성력에 대 한 연구는 대체적으로 이러한 메커니즘에 대한 합 의가 되어 가고 있으나, 비선형 탄성력의 증가에 대 한 메커니즘은 정확히 밝혀지지 않아, 현재 비선형
탄성력을 조절하기 위해서는 트라이얼 앤 에러 방 법으로 밖에 연구할 수 없는 상황이다.
본 논문에서는 유리전이온도가 상대적으로 낮은 acrylonitrile butadiene rubber(NBR)과 실리카 입자를 사용하여 이러한 메커니즘을 규명하려 노력하였다.
그 동안의 연구와는 다르게, uniaxial strain 테스트를 통하여 탄성력 (선형 및 비선형)을, 또 고분자 사슬 정렬 정도를 IR 분광법을 이용하여 동시에 측정하 였다. 이러한 실험방법을 통해 비선형 탄성력이 사 슬의 정렬 정도에 의해 증가된다는 사실을 직접적 으로 밝혀내었다. 더불어, 기존의 결과와는 다르게 비선형 탄성력의 증가는 나노입자의 양에는 직접적 으로 관계가 있지만 크기에는 관계가 없다는 사실 을 밝혀내었다. 입자의 크기가 바뀌더라도, 입자사 이의 고분자 사슬의 정렬정도와 입자와 상호작용하 는 고분자 사슬의 갯수가 정확히 두 작용을 상쇄시 켜 일어나는 현상임을 증명하였다.
본 논문에서 제안하는 메커니즘에 따르면, 입자 를 재료에 섞어 기계적인 물성을 향상시키고자 할 시에, 현재까지는 선형/비선형 탄성력을 동시에 증 가시킬 수 밖에 없었다면, 입자의 크기를 조절하여 선형 탄성력을 조절하고, 이와 독립적으로 입자의 양을 조절하여 비선형 탄성력을 조절할 수 있는 점 은 실제 재료의 기계적은 특성을 조절하는데 있어 매우 큰 장점이 될 수 있을 것이고, 이를 이용한 다 양한 응용연구들이 앞으로 기대된다.
고분자 나노복합체의 비선형 탄성력 및 사슬 정렬에 대한 연구: 나노입자의 크기가 아닌 부피비에 영향
(Nanoparticle amount, and not size, determines chain alignment and nonlinear hardening in polymer nanocomposites )
(Varol et. al., Proc. Natl. Acad. Sci., 114, 16, E3170 (2017)) DOI: 10.1073/pnas.1617069114
