A Computational Study on the Flexible and Rigid Cross-linked Polymer Composites and Applications = 연질 및 경질 가교 고분자 복합재료와 그 응용에 관한 계산 연구

국문 초록 (Abstract)

가교 고분자는 재료 물성 조절의 용이성으로 인해 반도체, 배터리, 웨어러블 디바이스, 제약 분야에서 원하는 기계적, 열적, 전기적 특성을 달성하기 위해 폭넓게 응용되고 있다. 하지만 체계적인 모델이나 이론을 확립하려면 복잡한 물리화학적 상호작용을 물질마다 개별적으로 적용해야 한다. 특히 가교 고분자의 경우 자기반복 구조와 비 유동 성질로 인해 벌크 특성과 분자 스케일의 상호작용이 많은 영향을
주고받을 수 있다. 또한 형성과정에서 여러 반응 키네틱 경로, 미세 상 분리, 입체장애가 관여하기 때문에 내재적 무작위성을 가지게 되어 다양한 스케일과 방법을 통한 접근이 필요하다.
본 연구에서는 계산화학과 실험을 활용하여 실공간 시뮬레이션에서 연질과 경질 가교 고분자 모델을 구현하였다. 모델의 검증을 위해 실험에서는 폴리아크릴아마이드 하이드로겔의 비 균 질성을 경감할 수 있는 조건을 제시하였다. 또한 비스페놀 A 디글리시딜 에테르(DGEBA) 수지의 교대 공중합 반응을 고려한 계산 모델을 제안하였다. 이를 통해 미세구조에 충실한 시뮬레이션을 확보하고 나아가 가교 고분자 복합재료의 조절 가능한 기계적 특성과 기능적 응용에 대한 통찰에 기여한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cross-linked polymers act as critical components across the semiconductor, battery, wearable device, and pharmaceutical industries. Along with diverse additives, remarkable tunability stemming from infinite preparation compositions allows us to achieve target properties such as mechanical, thermal, and electrical properties. However, variety originated from physical and chemical interactions hesitates to establish a robust model or theory. Particularly, self-similar and non-fluidic cross-linked polymer
results in considerable interferences between bulk phenomenon and molecular interactions. Moreover, as micro clusters grow into network structures, inherent randomness is inevitable due to multiple reaction kinetic paths, microphase separation, and steric hindrances.
In this dissertation, computational models built on the real space for flexible and rigid cross-linked polymers are introduced. In experiments, inhomogeneity in the polyacrylamide hydrogel is minimized through well-controlled composition-property domain. And alternately copolymerizing mechanism of the bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA) resin is considered for realistic microstates. Building on these efforts, the dissertation revealed new insights for the controllable mechanical properties and functional applications of the cross-linked polymer composites.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Figures 1
• List of Tables 3
• Chapter 1. Introduction 4
• 1.1. Study Background 4
• 1.2. Purpose of Research 8
• 1.3. Associated Publications 10
• Chapter 2. Flexible cross-linked polymers 11
• 2.1. Gelation of polyacrylamide hydrogels 11
• 2.2. Structural inhomogeneity in polyacrylamide hydrogels 12
• 2.3. Pre-studies of entanglement and swelling effects in hydrogels 13
• 2.4. Computational efficiency via modulation and coarse-graining 15
• 2.5. Results and discussion 26
• Chapter 3. Rigid cross-linked polymers 37
• 3.1. Curing of epoxy resins 37
• 3.2. Defects in epoxy resins 39
• 3.3. Reaction kinetics of the anhydride-epoxide resins 41
• 3.4. Pre-studies of the epoxy resins 43
• 3.5. Computational details for alternative copolymerization and modified cross-linkers 45
• 3.6. Results and discussion 59
• Chapter 4. Applications for computational models 66
• 4.1. Controllable topologies of cross-linked polymers 66
• 4.2. Composite materials with cross-linked polymers 68
• 4.3. Scale transitions 72
• Chapter 5. Conclusion 82
• 5.1. Summary of contributions 82
• 5.2. Future Works 88
• Bibliography 90
• Abstract in Korean 99