고분자 복합재료의 난연성 향상을 위한 자기장 배향 육방정계 질화붕소 필러에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

고분자 수지는 우수한 경량성과 가공성을 바탕으로 3D 프린팅, 전자 소재 등 다양한 산업 분야에 활용되고 있으나, 열에 취약하다는 한계가 존재한다. 이를 개선하기 위하여 다양한 난연 메커니즘을 바탕으로 고분자 수지에 난연성을 부여하고 있다. 구성 성분과 형상에 따른 난연제의 종류 중 2D 소재(그래핀, 육방정계 질화붕소 등)는 Physical barrier effect를 바탕으로 열과 산소를 차단하고 발생하는 연기를 억제할 수 있다. 또한 연소 시 인체에 유해한 물질을 방출하는 할로겐계 난연제와 달리 독성 물질을 방출하지 않는다는 장점이 있다. 그중 육방정계 질화붕소(hBN)는 유사한 2D 소재 대비 높은 열안정성과 out of plane 방향으로 매우 낮은 열전도성을 갖고 있기 때문에 이러한 성질을 바탕으로 난연제로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 단순 첨가로 인하여 무작위 배향된 hBN 은 난연 효과가 제한적이라는 단점과 함께 hBN 자체로는 탄화층 형성의 촉진이 부족하다는 한계가 있다.
이에 본 연구에서는 자기장 반응성을 갖는 판상형 필러를 개발하여 자기장에 의한 배향과 추가적인 난연제의 도입으로 고분자 복합재료의 난연 성능을 효과적으로 향상시키고자 하였다. 이를 위해 hBN의 표면 Fe3O4 나노 입자를 부착하여 자기장에 의한 반응성을 부여하였고, 고분자 수지 내에서 배향을 통해Physical barrier effect를 극대화하였다. 또한 부족한 탄화층 형성을 촉진할 수 있는 인계 난연제인 DOPO를 실란 커플링제로 결합시켜 난연 효과를 향상시켰다. 합성한 난연제인 DOPO-modified hBN(DmBN)을 에폭시 수지에 적용한 복합재료는 15 wt% 첨가 시 UL-94 시험에서 V-0 등급을 달성하였으며, Cone calorimeter 시험 결과 pHRR(peak Heat Release Rate)이 30.2% 감소하고 TSR(Total Smoke Release)이 68% 감소한 것을 확인하였다. 또한 ignition time은 기존 에폭시 수지 대비 5 초 지연되었다. 이는 배향된 DmBN의 열 및 산소 차단 효과와 DOPO의 탄화층 형성 효과에 기인한 것으로 해석된다. 추가적으로 기계적 물성 평가를 위해 인장시험을 수행한 결과, 난연제가 배향된 Aligned-DmBN/EP는 Neat EP 대비 인장 강도가 35% 향상되었으며, 무작위 배향된 Random-DmBN/EP는 감소하는 경향을 보였다. 또한 Aligned-DmBN/EP의 굽힘 강도 측정 결과, Neat EP 대비 137.7% 향상된 것을 확인하였다. 이는 판상형 필러가 배향될 경우 응력 전달 및 분산 효과가 강화하기 때문으로 판단된다. 본 연구를 통해 개발된 고분자 복합재료의 난연성 향상을 위한 자기장 반응 판상형 필러는 저점도 레진 기반의 다양한 복합재료에 적용 가능성이 있으며, 특히 전기차 배터리 팩 케이스, 배터리용 복합 패드 및 반도체 패키징용 난연 소재로 응용되어 화재로 인한 피해 감소에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polymer resins are widely utilized in various applications such as 3D printing and electronic materials due to their lightweight and excellent processability. However, their intrinsic flammability remains a critical drawback. Among the different flame retardants, 2D materials can block heat and oxygen. Also, it can suppress smoke generation via a physical barrier effect and avoid the release of toxic gases. Especially, hBN has attracted attention as a flame retardant because it exhibits higher thermal stability and lower out-of-plane thermal conductivity than other 2D materials. Nevertheless, randomly oriented hBN provides limited physical barrier efficiency, and pristine hBN is insufficient to effectively promote char formation.
In this study, we developed a magnetically responsive platelet filler to improve the flame retardancy of polymer composites through alignment by magnetic field with an additional phosphorus-based flame retardant. Fe3O4 nanoparticles were deposited on the surface of hBN to impart magnetic responsiveness. Furthermore, the phosphorus-containing flame retardant DOPO was chemically grafted onto hBN via a silane coupling agent to promote char formation. DOPO-modified hBN (DmBN) was incorporated into an epoxy resin, and the composite containing 15 wt% DmBN achieved a V-0 grade. Cone calorimeter test revealed that the peak heat release rate (pHRR) decreased by 30.2% and the total smoke release (TSR) decreased by 68% relative to neat epoxy, while the ignition time was delayed by 5 s. These improvements are attributed to higher physical barrier effect of aligned DmBN and the capability for char formation of DOPO. Mechanical testing further demonstrated that the aligned DmBN/epoxy (Aligned-DmBN/EP) composite exhibited a 35.2% increase in tensile strength and 137.7% increase in flexural strength compared to neat epoxy because of efficient stress transfer and mitigation of deformation.
Consequently, the magnetically responsive platelet filler is expected to be applied to various applications, especially as flame retardant materials for EV battery pads and electronic packaging systems.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.1.1 난연제 (Flame retardant) 1
• 1.1.2 난연제의 종류 3
• 1.1.3 육방정계 질화붕소 (hexagonal Boron Nitride, hBN) 6
• 1.2 연구 목적 8
• 제2장 실 험 10
• 2.1 실험 재료 10
• 2.2 mBN 합성 11
• 2.3 DmBN 합성 11
• 2.4 DmBN/EP 복합재료 제작 12
• 2.5 DmBN 성분 분석 14
• 2.5.1 적외선분광분석 (FT-IR) 14
• 2.5.2 시차열중량분석 (TGA) 14
• 2.5.3 전계 방사형 주사전자현미경-에너지분산형 분광분석법 (FE SEM-EDS) 15
• 2.5.4 진동형 시료 자력계 (VSM) 15
• 2.6 자기장 배향성 분석 15
• 2.6.1 전계 방사형 주사전자현미경 (FE-SEM) 15
• 2.6.2 X 선 회절분석 (XRD) 16
• 2.7 난연성 및 기계적 물성 분석 16
• 2.7.1 UL-94 수직 연소 시험 (UL-94 vertical burning test) 16
• 2.7.2 콘 칼로리미터 (Cone calorimeter) 17
• 2.7.3 인장 시험 (Tensile test) 17
• 2.7.4 3 점 굽힘 시험 (3-point bending test) 17
• 제3장 결과 및 고찰 18
• 3.1 DmBN 분석 18
• 3.1.1 DmBN 합성 분석 결과 18
• 3.1.2 DmBN 자기장 반응성 측정 결과 21
• 3.2 DmBN 배향성 분석 23
• 3.3 난연성 분석 25
• 3.3.1 UL-94 수직 연소 시험 결과 25
• 3.3.2 콘 칼로리미터 분석 결과 28
• 3.4 Aligned-DmBN/EP 난연 메커니즘 31
• 3.4.1 UL-94 시험 후 잔여물 분석 결과 31
• 3.4.2 콘 칼로리미터 시험 후 잔여물 분석 결과 32
• 3.4.3 난연 메커니즘 34
• 3.5 기계적 물성 분석 36
• 제4장 결 론 39
• 참 고 문 헌 42
• ABSTRACT 45