1. Deformation effect

 

   - 고무는 가교구조로 인해 인장시 초기 형태를 회복하며 유리상 고분자는 크레이즈 (crazes), 전단대 (shear band) 또는 두가지의 조합을 형성하며 결정성 고분자는 응력이 제거된 후에도 남아 있는 상대적으로 높은 plastic deformation을 하게 된다.

 

   1.1 Elastic deformation

   - 고무와 유리상 성분을 포함하는 물질은 탄성적으로 변형하며, 응력이 제거될 때 원형으로 되돌아 간다.

 

   1.2 Craze development

   - Crazes : glassy polymer solids내에서 일어나는 localize된 plastic deformation에서 비롯된 voids의 네트워크 그리고 배향된                     섬유상성분.

                    표면 결함 (surface flaws) 또는 불순물과 비상용적인 성분이 첨가될 때의 그 표면등에서 형성된다.

                    PS같은 유리상고분자의 경우 응력이 작용하고 또 제거 된 후 흰 line들의 연결로 나타난다.

                    고배율로 관찰 할 경우, 수평의 fibrillar형태의 craze가 나타난다. craze영역은 fibrillar방향을 따라 1 ㎛혹은 그 이하의                     폭을 가짐.

그림.1 An example of craze fibrils

 craze형성의 예: (1) 25% ABS rubber/25% Styrene-maleic anhydride-methylmethacrylate copolymer/50% polycarbonate의 사출성형된 blend의 인장변형은 133%의 strain에서 파괴가 일어난다. ductile polycarbonate-rich phase는 craze를 멈추게 하고, ABS고무입자는 변형하며 matrix상은 줄무늬가 형성된다. (2) Polystyrene과 Polystyrene/polybutadiene star block copolymer의 blend에서 craze는 tensile deformation에 의해 시작되며 다양한 경로를 가진다.

 - Shear band formation : glassy polymer에서 발견되는 또다른 응력과 관련된 effect. 전단력이 시편에 가해졌을 때 압축응력에 의해 glassy polymer에서 일어나며 voiding없이 물질 일부분의 움직임에 기인한다. shear band와 crazing은 보다 ductile한 glassy polymer에서 tensile loading이 가해졌을 때 함께 일어나기도 한다.

그림.2 shear band

 - Crystallized systems : (1) Uniaxial tensile stress -  poly(ethylene terephthalate)film에 고착된 poly(4-methyl pentene-1)lamellas에 대해 낮은 응력하에서 응력방향으로 lamellar thinning과 얇아진 영역내 void network가 나타난다. 높은 변형 (25-52%)에서는 fibril들이 변형방향으로 배향하며 shear band가 다양한 각도로 일어나고, buckling이 나타난다. uniaxial tensile stress가 quiescently melt-crystallized polymer 셈플에 가해질 때 yielding이 일어나며 영구적인 변형이 발생한다. 이것은 흔히 cold drawing으로 알려져 있으며, 육안으로도 그 변화가 구분된다. neck 영역에 존재하는 spherulites는 소성변형을 하며 초기엔 연신되었다가 파괴되면서 fibrillar mass를 형성하기 위해 재배열한다.

 

(2) Biaxial tensile stress - decalin내에서 고농도 PE의 압출 및 water quenching, drying yields되어  제조된 film에 biaxial stress가 적용되면 높은 수준의 porosity를 갖게 된다. porosity = [(ρ0-ρ)/ρ0]100

 

(3) Compressive stress - 결정성 고분자의 압축응력의 적용은 압축형태와 morphology에 따라 영향을 주게 된다. melt-crystallized poly(ε-caprolactam)에 대해, plane strain compression비는 1.6보다 크며 흐름방향에 따라 (±)45에서 강한 shear를 야기시키며 이것은 구정간 영역에서 가장 흔하다. 전단방향에 따른 결정형태의 변화와 lamellar deterioration역시 관찰된다.PE의 uniaxial compression은 major deformation mechanism으로써 crystal slip을 야기시키기도 한다.

2. Fracture surfaces

   2.1 Glassy polymers : Tensile or compressive stress : 전단응력의 증가로 야기되는 유리상 고분자의 파괴 (fracture)는 crack tips쪽의 높은 응력장에서 발생되며  craze 형성보다 앞서서 진행된다.fracture surface는 smooth하지만 다양한 단계를 거치며 이것은 한 면 이상에 가해지는 응력의 전달에 기인한다. 아래 그림은 tension을 받은 압출된 PS rod의 파괴된 면을 SEM으로 관측한 사진이다.

그림.3 SEM of a fracture surface for an extruded polystyrene rod subjected to tension.

 Fracture는 지속적인 압축력의 증가가 적용되는 동안 shear bands보다 앞서 진행될 수 있다. Polycarbonate의 shear fracture surface에는 4가지 단계로 구분되는데 1) 개시 2) cloudy, 혹은 mist영역으로 shear failure가 일어나는 영역 3) closed conic markings의 mirror 영역과 마지막으로 4) end band이다. Tg이상에서 3 배정도로 연신된 배향된 유리상 고분자인 poly(methyl methacrylate)의 fracture surface에는 dimples, fibrous sheets 그리고 fibers등이 발견되며 후자는 연신방향에 따라 crack propagation이 있음을 의미한다.

  2.2 Glassy polymers: Oscillatory stress : 인장 또는 압축력 단독으로 sample을 파괴하는 데 필요한 응력 이하의 최대응력으로 oscillatory (time-dependent)  stress에 의해 fracture가 야기될 수도 있다. oscillatory stress에는 tension/less tension 또는 tension/compression등이 있다. 이런 oscillatory stress에 의해 유도되는 fracture는 fatigue fracture로 보통 언급하며, sample표면에서 시작된다.불연속  crack growth bands는 radial tear lines이라는 2차 파괴의 형태를 보이며 표면의 roughness를 증가시킨다. 완전한 fracture를 일으키는데 요구되는 시간을 fatigue lifetime이라고 하며  최대응력이 증가할수록 감소하며 oscillation frequency를 증가시킬수록 증가하며 과도한 thermal effect가 일어나지 않게 해준다.

  2.3  Crystallized polymers: Ultrasonic vibration : 용액으로부터 결정화 되는 trans 1,4-polyisoprene hedrites가 suspension상태에서 초음파 진동을 받게 되면 중심을 가로지르는 fracture에 기인하여 두 파트로 분리된다. 같은 물질의 solution-grown spherulites의 경우엔 확실한 처리만 하면 fracture가 생기지 않는데 이것은 상당한 lamellar curvature가 일어나는 hedrite cluster의중심에서 높은 수준의 응력이 집중되어 fracture가 일어난다는 것을 반영한다.

 2.4 Molded samples of crystallized polymers : Tensile stress : PE같은 성형된 결정성 고분자의 fracture는 일정한 load를 받게 되면 crack tip damage zone을 지나 fracture가 일어난다. 광학현미경으로 많은 filbrils과 interfibrillar cavities가 이 영역내에  존재함을 알 수 있다. 이것은 유리상 고분자의 craze와 관련된 fracture와 유사하다. 결정성 고분자의 fracture는 spherullites 사이를 혹은 가로질러 일어나는게 보통이다.

 2.5 Molded samples of crystallized polymers : Oscillatory stress : poly(hexamethylene adipamide)의 injection-molded samples은 fatigue fracture에 의해 crack tip 주위에 multiple crazes를 형성시킨다.

 2.6 Fibers : tensile load하에 polymer fibers에서 관찰되는 fracture의 형태는  elastomer의 경우 brittle fracture를, 결정성 고분자의 경우 ductile fracture를 보이며, fibril방향을 따라 쪼개지며 결국 파괴된다. oscillatory stress에 의한 fractures는 fiber surface에서부터 시작되며 개시점 근처의 경로를 따라 쪼개진다. 압축력은 kink band를 형성시킨다.

2.7 UV irradiated polymers : isotactic polypropylene, poly(ethylene terephthalate) 또는 polyamide등의 fibers 또는 film이 진공 UV laser irradiation을 받게 되면 (파장 : 193, 248 또는 157 nm) 표면의 melting이 일어나고 몇 micrometer의 굽은 선으로 이루어진 잔물결 형태가 일어난다.

2.8 Blends : 한가지 물질이상의 inclusions을 포함하는 blends의 fracture surface의 fracture surface는 두 상의 계면에서의 접착력을 보여준다. matrix내의 정공의 존재와 분산상의 분리된 입자들은 빈약한 접착상태를 의미하며 반면 두 상을 가로지르는 fracture surfaces는 좋은 접착력을 보여준다.

2.9 Composites : fibrous 또는 particulate fillers를 포함하는 composites의 경우, fracture는 많은 fiber surfaces의 노출을 야기 시킨다. 어떤 composites의 경우, 이들의 표면은 fiber 표면에 붙어 있는 연속적인 polymer component없이 smooth하며 이것은 두 상의 빈약한 접착 (즉 attraction이 낮다는)을 의미한다.