3차원 탄소나노튜브 나노케이지 도입을 통한 고분자 복합재의 열적 및 구조적 안정성 향상 = Enhanced Thermal and Structural Stability of Polymer Composites

국문 초록 (Abstract)

경량 고분자 복합재는 구조 부품의 경량화가 요구되는 분야에서 각광받고 있으나, 낮은 유리전이온도(Tg)로 인해 고온 환경에서 기계적 안정성과 치수 안정성이 쉽게 저하되는 한계가 존재한다. 이러한 문제는 고분자 사슬의 자유로운 운동성에서 비롯되며, 이를 개선하기 위해 Tg를 분해온도 부근까지 향상시키는 전략이 주로 활용되고 있다. 그러나 단순히 화학적 가교 밀도를 높이는 방법만으로는 Tg 이상 영역에서의 세그먼트 운동(segmental motion)을 충분히 제어하지 못 한다.
본 연구에서는 견고한 3차원 탄소나노튜브 나노케이지(3D CNT nanocage)를 고분자 네트워크 내부에 도입하여, 사슬 운동을 효과적으로 제약하는 나노구조를 구현하였다. 이 구조를 통해 복합재의 Tg를 기존 순수 고분자의 160 ℃에서 350 ℃로 향상시켰으며, Tg 이상의 온도인 300 ℃에서도 약 10 ppm·°C⁻¹ 수준의 낮은 열팽창계수(CTE)와 약 98% 감소된 최대 열방출률(PHRR)을 달성하여 우수한 열기계적 안정성과 난연성을 확보하였다.
나아가, 나노케이지를 탄소섬유(Carbon fiber)와 복합화한 하이브리드 복합재의 경우, 370 ℃에서도 초기 탄성률의 90% 이상을 유지하여, 현재 산업에서 사용되는 상용 티타늄 합금보다 우수한 고온 기계적 특성을 나타냈다. 이러한 결과는, 본 연구에서 제안한 3차원 나노케이지 기반 하이브리드 복합재가 항공우주 및 고온 구조용 응용 분야에 높은 활용 가능성을 지님을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Theoretical Background 7
• 2.1 CNTs 7
• 2.2 Thermoplastic and Thermosetting Polymers 9
• 2.3 Nanoconfinement Effect 11
• 2.3.1 Concept of Nanoconfinement in Polymer Networks 11
• 2.3.2 Cooperative Rearranging Region, CRR 13
• 3. Experimental and Methods 17
• 3.1 Fabrication of composites 17
• 3.2 Microstructural Characterization 19
• 3.3 Thermal and Thermomechanical Analysis 19
• 3.4 Dynamic Mechanical and Creep Analysis 20
• 3.5 Flame-Retardant Evaluation 20
• 4. Results and discussion 21
• 4.1 Morphology and Structural features of NC preform and Composites 21
• 4.2 Cooperative Rearranging Region (CRR) Analysis 26
• 4.3 Thermomechanical Properties of NC+Epoxy Composites 29
• 4.3.1 Temperature-Dependent Storage Modulus and Coefficient of Thermal Expansion 29
• 4.3.2 Creep Resistance and High-Temperature Mechanical Reliability 32
• 4.4 Thermal stability 34
• 4.5 Flame-Retardant properties 36
• 4.6 Fabrication and Structural Characteristics of Hybrid Composites 38
• 4.7 Thermomechanical Stability of Hybrid Composites 41
• 4.8 Evaluation of Fire Resistance of Hybrid composites 43
• 5. Conclusion 45
• References 47
• Abstract 53