열모셋 폴리머 매트릭스

Thermoset polymer matrix

열전 중합체 매트릭스는 중합체가 결합한 미립자, 섬유 또는 기타 보강재에 고정하기 위한 결합체 또는 매트릭스 역할을 하는 합성 중합체 보강재다. 그것들은 항공기의 유리 보강 플라스틱 레이더 돔과 우주왕복선의 흑연-에폭시 페이로드 베이 도어와 [1]같은 구조적 적용을 위해 처음 개발되었다.

그것들은 제2차 세계 대전 후에 처음 사용되었고, 지속적인 연구로 열전 수지,[2] 폴리머 또는 플라스틱뿐만 아니라 엔지니어링 등급의 열가소성 플라스틱의 범위가 증가하게 되었다.[3] 이들은 모두 강화되고 장기적인 서비스 능력을 갖춘 폴리머 복합 재료 제조에 사용하기 위해 개발되었다. 열전셋 폴리머 매트릭스 기술은 또한 매우 다양한 비구조적 산업 응용 분야에서 사용된다는 것을 발견한다.[4]

구조용 합성물에 사용되는 열경화성 고분자의 가장 중요한 유형은 벤조사진 레진, 비스말리미드 레진(BMI), 청록산 에스테르 레진, 에폭시(epoxide) 레진, 페놀(PF) 레진, 불포화 폴리에스테르(UP) 레진, 폴리이미드, 폴리우레탄(PUR) 레진, 실리콘, 비닐 에스테르 등이다.

벤조사진 수지

주요 기사: 벤조사진수지

이는 페놀, 포름알데히드 및 1차 아민의 반응에 의해 이루어지며, 상승 온도(400°F(200°C)에서 폴리벤조사진 열모셋 네트워크를 형성하는 링 개방 중합이 일어난다. 에폭시 및 페놀 리진과 혼합될 경우 3차 시스템은 490°F(250°C)를 초과하는 유리 전환 온도를 갖는다.[5]

벤조사진 수지 합성 경로, 구조 및 치료 메커니즘

치료제는 수축보다는 팽창에 의해 특징지어지며 복합 시공, 접합 및 수리를 위한 구조용 프리레그, 액상 몰딩 및 필름 접착제가 사용된다. 고분자중량 폴리머의 고 방향족 함량은 에폭시 및 페놀성 레진에 비해 향상된 기계적 및 가연성 성능을 제공한다.

BMI(Bis-malimides)

주요기사 : 말레미드

수성 무수화물과의 직경의 응축 반응에 의해 형성되며, 기본적으로 에폭시 수지(350 °F(177 °C) 치료제처럼 처리된다.[6] 후사정(450°F(232°C) 상승 후 우수한 성질을 보일 것이다. 이러한 특성은 400~450°F(204-232°C)의 연속 사용 온도 및 500°F(260°C)의 유리 전환에 의해 영향을 받는다.

비스말리미드 수지 합성 경로 및 구조

이 열전자 집합 폴리머 타입은 전기 인쇄 회로 기판에 사용되는 프리레그 매트릭스로서 복합 재료로 통합되며, 대형 구조 항공기 - 항공 우주 복합 구조 등에 사용된다. 코팅 재료로도 사용되며 특히 고온 및 화학적 환경에서 유리 강화 파이프의 매트릭스로도 사용된다.

시안산 에스터 수지

주요 기사: 시안산 에스테르

비스페놀이나 다기능 페놀 노볼락 레진이 시안오겐 브로마이드나 염화물이 반응하면 청록산 기능 단량체가 나타나는데, 이는 체인 확장이나 복합화에 의해 청록산 에스테르 기능 전합체 레진으로 제어 방식으로 변환될 수 있다.[7] 확보된 경우, 사이클로트림화에 의해 모든 잔류 청록산 에스테르 기능성이 중합되어 최고 752 °F(400 °C)의 높은 열 안정성과 최대 약 400 °F(200 °C)의 유리 전환 온도 및 최대 습열 안정성이 있는 긴밀하게 연결된 폴리시아누레이트 네트워크가 된다.

청록산 에스테르 단량체, 전합체 및 다항구체

시안산 에스테르 수지 프리레그는 폴리이미드의 고온 안정성과 페놀릭스의 내화성 및 내화성을 결합하여 가연성, 매연 밀도 및 독성에 관한 화재 보호 규정을 충족하는 항공우주 구조 복합 부품의 제조에 사용된다. 다른 용도로는 필름 접착제, 표면화 필름, 3D 프린팅 등이 있다.

에폭시(에폭시드) 수지

에폭시 레진은 수산화 기능 아로마틱스, 사이클로알리프틱스 및 아민 기능 아로마틱스 또는 아민 기능 아로마틱스와의 반응 또는 불포화 사이클로알리프틱스의 산화에 의해 만들어진 열성 프리폴리머다. 비스페놀-A(DGEBA)와 비스페놀-F(DGEBF)의 디글리시딜 에테르(Diglycidyl ether)는 특성 높은 접착력, 기계적 강도, 열 및 부식 저항성으로 인해 가장 널리 사용된다.[8] 에폭시드 기능 수지 및 전합체는 온도는 물론 크로스링크러, 경화제, 경화제, 경화제 또는 촉매의 선택에 따라 폴리 추가/복제 또는 균질화하여 치료한다.[9]

비스페놀-A 에폭시 수지구조 디글리시딜에테르

에폭시 수지는 항공기-항공우주 산업에서 수많은 제형과 형태로 널리 사용된다. 그것은 "현대판 복합체의 일말"로 여겨진다. 최근 몇 년 동안 복합 프리레그에 사용되는 에폭시 제형이 강인성, 충격 강도 및 수분 흡수 저항성을 향상시키기 위해 미세 조정되었다. 이 폴리머의 최대 성질이 실현되었다.

이것은 항공 우주 수요에만 사용되는 것이 아니다. 군사용과 상업용 용도에 사용되며 건설용에도 사용된다. 에폭시 보강 콘크리트와 유리 보강 및 탄소 보강 에폭시 구조물은 건물 및 교량 구조물에 사용된다.

에폭시 합성물은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.

  • 고강도 유리섬유 보강
  • 상대밀도 1.6-2.0
  • 용해 온도(°C)
  • 온도셋 처리 범위(°F) C:300-330,I=280-380
  • 성형 압력 1-5
  • 수축 0.001-0.008
  • 인장강도(p.s.i.) 5,000~20,000
  • 압축 강도(p.s.i.) 18,000-40,000
  • 휨 강도(p.s.i.) 8000-3만
  • 아이조드 충격 강도(ft·lb/in) 0.3-10.0
  • 선형 확장(10인치−6/in./°C) 11-50
  • 경도 록웰 M100-112
  • 가연성 V-0
  • 수분 흡수 24시간(%) 0.04-0.20

에폭시 페놀 노볼락(EPN)과 에폭시 크레스올 노볼락(ECN) 레진은 다기능 페놀 노볼락 또는 크레졸 노볼락 레진(GREBF 에폭시 레진)에 비해 반응성이 높고 치료 결과 교차 밀도가 높은 열수체가 발생한다. 그것들은 인쇄된 와이어/회로기판 라미네이션과 높은 연속 작동 온도에서 부식, 부식 또는 화학 공격으로부터 보호해야 하는 금속의 전기 캡슐화, 접착제 및 코팅에도 사용된다.

에폭시 페놀 노볼락 수지 구조

페놀(PF) 수지

페놀 레진에는[10] 노볼락과 리졸의 두 종류가 있다. 노볼락은 산성 촉매로 만들어지고 페놀 대 포름알데히드의 어금니 비율은 메틸렌 연계 페놀 올리고머를 주기 위해 1 미만이며, 분해물은 알칼리 촉매와 1 이상 페놀 대 포름알데히드의 어금비율은 메틸렌 및 벤질릭 에테르 연계 페놀 단위를 가진 페놀 올리고머를 주기 위해 만들어진다.

노볼락 페놀 수지 구조
레솔 페놀 수지 구조

페놀 레진은 원래 19세기 후반에 개발되었으며 최초의 진정한 합성 폴리머 타입으로 여겨지는 것으로, 종종 "열성 레진의 일말"이라고 불린다. 높은 온도에서 높은 본딩 강도, 치수 안정성 및 크리프 저항성에 의해 특징지어지며, 에폭시와 같은 코칭 레진과 자주 결합된다.

범용 성형 화합물, 엔지니어링 성형 화합물 및 시트 성형 화합물은 페놀 복합 재료의 주요 형태다. 페놀릭은 허니콤 코어를 가진 매트릭스 바인더로도 사용된다. 페놀릭은 차단기 박스, 브레이크 라이닝 재료와 같은 많은 전기적 용도에 사용되며, 가장 최근에는 폴리모터라고 불리는 엔진 블록 헤드 어셈블리의 성형에서 다양한 보강재와 함께 사용된다. 페놀러스는 압축, 전이, 사출 성형 등 다양한 일반적인 기법으로 처리될 수 있다.

페놀 복합체의 성질은 다음과 같은 성질을 가진다.

  • 고강도 유리섬유 보강
  • 상대밀도 1.69-2.0
  • 수분 흡수 24시간(%) 0.03-1.2
  • 용해 온도(◦c)
  • Thermo set Processing Range(thermo set Processing Range) C:300-380 I:330-390
  • 성형 압력 I-20
  • 수축 0.001-0.004
  • 인장 강도(p.s.i.) 7000-18000
  • 압축 강도(p.s.i.) 16,000-70,000
  • 휨 강도(p.s.i.)12,000-60,000
  • Izod 충격 강도(ft-lb/in) 0.5-18.0
  • 선형 확장(10-6인치/in./°C) 8-21
  • 경도 록웰 E54-101
  • 가연성 V-0

폴리에스테르 수지

열 경화성 중합체 글리콜 혼합물이 프로필렌 글리콜을 포함하는 중축합 반응에 의해 형성되었는지에 대해 2염기산과 anhydrides 보통 말레산 무수 물 백본 unsaturation 가교에 필요한 제공하 불포화 폴리에스테르 수지다 극도로, 상당히 저렴한 versatile,[11][12]클래스와orthophthalic 무수, isoph.한thalic우수한 구조 및 부식 저항 특성이 요구되는 cid 또는 테레프탈산. 폴리에스테르 레진은 스티렌과 같은 비닐 기능성 모노머에서 일상적으로 희석/용해되며 보관 목적으로 수지를 안정화시키는 억제제를 포함한다. 서비스 중인 중합체는 전리방사선에서 생성된 활성산소 또는 급진적 이니시에이터의 광학적 또는 열적 분해에 의해 개시된다. 과산화 메틸 에틸케톤과 같은 유기 과산화물과 활성산소를 형성하도록 분해를 촉진하는 보조가속기가 레진과 결합되어 상온치료를 시작한다.

불포화 폴리에스테르 수지 합성 경로 및 구조

액체 상태에서 불포화 폴리에스테르 수지는 핸드 레이업, 진공 백 몰딩, 스프레이 업 및 압축 성형 시트 몰딩 컴파운드(SMC) 등 다양한 방법으로 처리할 수 있다. 또한 잘게 썬 보강과 연속 보강을 적용 후 B-stage하여 사전 준비 작업을 할 수 있다. 펠릿이나 과립 형태의 고체 성형 화합물은 압축이나 전이 성형과 같은 과정에서도 사용된다.

폴리미데스

에는 상업 polyimides의 두가지 유형 열 경화성cross-linkable polyimides 방향족 diamines의preformed 이미드화 단량체와 oligomers,[13][14]과 열 가소성 polyimides는 사기꾼에 의해 형성된 사이에 추가 통해서를 촉진하고 불포화 사이트들과 방향족 dianhydride 파생 상품과 anhydrides로 응결에 의해 만들어진다.densati방향족과 방향족 디아나이드 사이의 반응에 대해서. 보온성 폴리이미드는 고온의 물리적·기계적 성질의 특성을 가진 열전성 고분자 행렬 중 가장 발전된 것으로 수지, 프리레그, 스톡 형태, 얇은 시트/필름, 라미네이트, 가공된 부품으로 시중에서 구할 수 있다. 고온 특성과 함께 이 열전성 고분자 타입은 매우 높은 온도와 상대압력에서 가공하여 최적의 특성을 만들어야 한다. 프리레그 재료의 경우 600 °F(316 °C) ~ 650 °F(343 °C)의 온도와 200 psi(1,379 kPa)의 압력이 필요하다. 전체 치료 프로필은 부품 크기와 두께에 따라 달라지는 중간 온도 드웰이 여러 개 있는 한 본질적으로 길다.

열전자세트 폴리이미드 전합체 구조

폴리이미드의 절단은 450 °F(232 °C)로, 모든 보온재 중 가장 높으며, 단기노출 능력은 900 °F(482 °C)이다. 정상 작동 온도는 극저온에서 500 °F(260 °C)까지 다양하다.

폴리이미드 합성물은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.

  • 높은 온도에서 양호한 기계적 특성 및 유지
  • 양호한 전기적 특성
  • 높은 마모 저항성
  • 고온에서 낮은 크리프
  • 유리 또는 흑연 섬유 보강재로 양호한 압축력
  • 좋은 내화학성
  • 내화성 내화성
  • 대부분의 용매 및 오일의 영향을 받지 않음

폴리이미드 필름은 특히 우수한 물리적, 전기적, 기계적 특성이 광범위한 온도 범위에서 유지됨에 따라 다양한 산업에서 다양한 용도에 이상적일 수 있는 독특한 특성 조합을 가지고 있다.

고성능 폴리이미드 수지는 더 무거운 금속을 대체하는 항공기-항공 우주 응용을 위한 보강재와 결합할 때 전기적, 내마모성 및 구조적 재료로 사용된다. 고온 가공은 다른 폴리머에 비해 비용이 높을 뿐만 아니라 일부 기술적 문제를 야기한다. 히솔스 PMR 시리즈는 이 중합체의 한 예다.

폴리우레탄(PUR) 수지

카바메이트(-NH-CO-O-) 링크가 있는 열모셋 폴리우레탄 프리폴리머는 디이소시아네이트(OCN-R1-NCO)와 롱 체인다이올(HO-R2-OH)을 결합해 형성하면 선형적이고 탄성적이다. 거품이 생길 경우 견고하거나 열린 세포 구조를 가질 수 있으며, 특징적인[17] 높은 접착력과 피로 저항성으로 널리 사용된다. 유리보강 복합 라미네이트 또는 흑연보강 복합 라미네이트와 결합된 폴리우레탄 폼[18] 구조 코어를 사용하여 가볍고 튼튼하며 샌드위치 구조를 만든다. 유연하고 견고한 거품, 폼 몰딩, 고체 탄성 몰딩 및 압출물을 포함한 모든 형태의 재료는 다양한 보강-필러와 결합할 경우 열성 고분자 매트릭스 복합 재료에서 상업적 용도가 발견되었다.

They differ from polyureas which are thermoset elastomeric polymers with carbamide (-NH-CO-NH-) links made by combining diisocyanate monomers or prepolymers (OCN-R-NCO) with blends of long-chain amine-terminated polyether or polyester resins (H2N-RL-NH2) and short-chain diamine extenders (H2N-RS-NH2). 폴리우레아는 거의 즉각적인 치료, 높은 기계적 강도 및 부식에 대한 내성으로 특징지어져 있어 1:1 혼합비 스프레이 적용, 내마모성 방수 코팅 및 라이닝에 널리 사용된다.

실리콘 수지

실리콘 레진은 유기 중합체의 익숙한 탄소 대 탄소 백본 특성보다는 실리콘 원자와 산소 원자를 교대로 만든 백본 폴리머 구조로 자연에서 부분적으로 유기적이다. 각 실리콘 원자에 적어도 하나의 산소 원자가 결합되어 있을 뿐 아니라 실리콘 레진은 탄소와 직접 결합되어 있으므로 폴리오르고실록산소라고도 한다. 일반적인 공식(R2SiO)n과 물리적 형태(액체, 젤, 탄성체 또는 고체)를 가지며, 분자량, 구조(선형, 브랜딩, 케이지) 및 대체 그룹의 특성(R = 알킬, 아릴, H, OH, 알콕시)에 따라 사용이 다양하다. 아릴 대체 실리콘 레진은 약 300 °F(~150 °C) ~ 400 °F(~200 °C)의 온도에서 중합(응축 치료 메커니즘) 시 알킬 대체 실리콘 레진보다 열 안정성이 뛰어나다. ~600 °F (~300 °C) 이상의 가열은 모든 유기 성분이 화농적으로 분해되어 결정 규산염 폴리머가 일반 공식(-SiO2-)n으로 남김으로써 모든 실리콘 폴리머를 세라믹으로[19] 변환시킨다. 세라믹 매트릭스 복합 전구체로서의 용도와 더불어 펜던트 아크릴레이트, 비닐에테르 또는 에폭시 기능이 있는 실리콘 레진으로 만들어진 폴리실록산 폴리머 형태의 실리콘 레진은 산화에 대한 저항성으로 특징지어지는 UV, 전자 빔, 열전자 폴리머 매트릭스 복합체로써 용도를 찾는다.t와 자외선 저하

실리콘용 합성물의 일반적 영역에는 실란트, 코팅 재료 및 합성 부품의 진공 백 경화를 위한 재사용 봉투 재료가 포함된다.

비닐에스테르 수지

스티렌, 폴리머와 같은 비닐 기능성 모노머에서 희석/용해했을 때 아크릴산 유도체를 가진 에폭시 수지 사이에 추가 반응에 의해 만들어진 비닐 에스테르 수지. 그 결과 열전 세트는 높은 접착력, 내열성 및 내식성으로 유명하다. 폴리에스테르보다 강하고 에폭시보다 충격에 더 강하다.[20] 비닐에스테르 레진은 습식 레이업 래미네이션, SMC 및 BMC에서 파이프라인, 선박 및 건물에서 운송, 해양, 군사 및 항공우주 분야에 이르는 부식 및 내열성 부품의 제조 및 수리에 사용된다.

비닐에스테르

잡다한

아미노 레진은 아민이나 아미드를 알데히드와 결합시켜 형성된 또 다른 종류의 열전합체다. 우레아-폼알데히드 및 멜라민-폼알데히드 수지는 고성능 구조 복합 용도에 널리 쓰이지는 않지만, 필러와 보강재의 사용이 일부 발생하는 성형 및 압출 화합물에서 특성적으로 폴리머 매트릭스로 사용된다. 우레아-폼알데히드 수지는 진정한 미립자 및 층층 복합구조인 입자판, 웨이퍼보드, 합판 등 건설 효용제품에서 매트릭스 바인더로 널리 사용되고 있다. 멜라민-폼알데히드 수지는 플라스틱 라미네이트에 사용된다.

요소-폼알데히드 수지 응축물
경화된 멜라민 수지 구조

푸르푸릴 알코올로 제조되거나 페놀, 포름알데히드(메타날), 요소 또는 기타 연장기로 후르푸랄을 변형하여 만든 푸란 수지 전합체는 아미노 및 페놀 열전설 레진과 유사하며, 치료법은 열뿐만 아니라 물의 배출과 관련이 있다. 그것들은 일반적으로 열, 촉매, 압력의 영향을 받아 경화되지만, 후란 레진은 열, 산, 알칼리에 대한 높은 내성으로 특징지어지는 이중 구성 요소 노 바크 산 경화 시스템으로 공식화될 수도 있다. 후란 레진은 지속 가능한 복합 재료, 즉 바이오 파생 매트릭스(이 경우 후란 수지)로 만든 바이오콤포스(biosomposite) 또는 바이오 파이버 보강재 또는 둘 다의 제조에 관심이 높아지고 있다.[21]

폴리퍼퓨릴 알코올 수지의 이상화 구조

장단점

이점

  • 잘 확립된 처리 및 응용 프로그램 기록
  • 전반적으로 열가소성 중합체보다 경제성이 우수하다.
  • 고온 특성 개선
  • 양호한 습윤 및 철근 접착

단점들

  • 수지 및 복합 재료는 반드시 냉장 보관해야 함
  • 수분 흡수 및 후속 특성 저하[22]
  • 긴 공정 주기
  • 충격 감소 –엄격한 기능
  • 불량한 재활용 능력
  • 더 어려운 수리 능력

참조

  1. ^ 폴리머 매트릭스 복합 재료: 재료 사용, 설계 및 분석, SAE International, 2012, ISBN978-0-7680-7813-8
  2. ^ Thermoset Plastics, Ed. S.H. Goodman, H. Dodiuk-Kenig, William Andrew Inc., 2013, ISBN 978-1-4557-3107-7
  3. ^ 열가소성 플라스틱 안내서, 에드. O. 올라비시, K Adewale, CRC Press, 미국, 제2판, 2015, ISBN 978-1-4665777220
  4. ^ 산업용 폴리머 어플리케이션: 필수 화학 및 기술, 영국 왕립 화학 협회, 제1판, 2016, ISBN 978-1782628149
  5. ^ 벤조사진 레진스 핸드북, 에드. 하쓰오 이시다 앤드 타렉 아가그, 엘시어 B.V., 2011 ISBN 978-0-444-53790-4
  6. ^ Stenzenberger, Horst (1988). "Recent advances in thermosetting polyimides". British Polymer Journal. 20 (5): 383–396. doi:10.1002/pi.4980200503. ISSN 0007-1641.
  7. ^ Kessler, Michael R. (2012). "Cyanate Ester Resins adapted from Cyanate Ester Resins". Wiley Encyclopedia of Composites. doi:10.1002/9781118097298.weoc062.
  8. ^ H. Lee와 K. 네빌, 1967년 뉴욕 맥그로힐 에폭시 수지 핸드북
  9. ^ 에폭시 레진의 화학 및 기술, ed. B. 엘리스, 스프링거 네덜란드, 1993, ISBN 978-94-010-5302-0
  10. ^ 페놀릭 레진스 기술 핸드북, NPCS 컨설턴트 & 엔지니어 이사회, 2007, ISBN 9788190568500
  11. ^ 불포화 폴리에스테르 테크놀로지, 1976년 뉴욕주, 고든 앤드 블러드, 에드. P.F. 브루인스, 고든 앤 블러드
  12. ^ Scott Bader Composites Handbook Ltd, 2005
  13. ^ D.A. 스콜라와 J.H.본텔, 폴리엠. 구성, 1988, 9(6), 443-452
  14. ^ 폴리이미드, 에드. D 윌슨 외, 네덜란드 스프링거, 1990, ISBN 978-94-010-9663-8
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  16. ^ http://www.henkel-cee.com/cps/rde/xchg/SID-0AC83309-79FA31DA/henkel_cee/hs.xsl/5497_COE_HTML.htm?countryCode=com&BU=industrial&brand=0000000386
  17. ^ 폴리우레탄 핸드북, ed. G Oertel, Hanser, 독일 뮌헨, 2번째 edn, 1994, ISBN 1569901570, ISBN 978-1569901571
  18. ^ "BASF – United States".
  19. ^ 폴리머 과학과 엔지니어링의 간결한 백과사전, ed. J.I. 크로스위츠, 뉴욕, 와일리, 1990, ISBN 0-471-5 1253-2
  20. ^ FC 카시스와 R.C. 복합재료 핸드북의 탤벗, ED. S.T. 피터스, 1998, ISBN 978-0-412-54020-2
  21. ^ Malaba, Talent; Wang, Jiajun (2015). "Unidirectional Cordenka Fibre-Reinforced Furan Resin Full Biocomposite: Properties and Influence of High Fibre Mass Fraction". Journal of Composites. 2015: 1–8. doi:10.1155/2015/707151.
  22. ^ Hamim, Salah U.; Singh, Raman P. (2014). "Effect of Hygrothermal Aging on the Mechanical Properties of Fluorinated and Nonfluorinated Clay-Epoxy Nanocomposites". International Scholarly Research Notices. 2014: 489453. doi:10.1155/2014/489453. PMC 4897284. PMID 27379285.

외부 링크