탄소섬유-폴리머 매트릭스 복합재의 계면 특성 향상을 위한 탄소섬유 표면처리 조건에 관한 연구 = A study on the surface treatment conditions of carbon fiber for the improvement of interfacial properties of carbon fiber–polymer matrix composites

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, acid oxidation and electrochemical oxidation treatments were applied to carbon fibers to enhance the interfacial adhesion strength between CF and thermoplastic plastic. The effects of each surface treatment condition on surface morphology, structural evolution, mechanical properties, and interfacial shear strength (IFSS) were comprehensively investigated. Acid oxidation was performed using a mixed acid solution of H2SO4 and HNO3 (3:1 v/v) at 60℃ for 15-60 min, while electrochemical oxidation was carried out using ammonium bicarbonate (NH4HCO3, 0.1 M) as the electrolyte under a current density of 3 A/m2 for 5-25 min. FE-SEM and AFM analyses revealed that both treatments increased the surface roughness with prolonged treatment time. Raman spectroscopy indicated that the ID/IG ratio decreased and IA/IG ratio increased, suggesting an improvement in graphitic order and the effective incorporation of oxygen-containing functional groups. XPS analysis confirmed a decrease in C–C bonds and an increase in C–O and C=O bonds, indicating the successful introduction of oxygen-based polar groups onto the CF surface. As a result, the surface energy and chemical reactivity of the CFs were significantly enhanced. The 30 min acid-treated and 15 min electrochemically treated samples exhibited the optimal balance between surface roughness, structural stability, and oxygen functional group formation. Both tensile strength and IFSS reached their maximum values under these conditions, due to the synergistic contribution of mechanical interlocking, hydrogen bonding, and dipole–dipole interactions. However, excessive oxidation led to the degradation of the sp2 carbon network and surface smoothing, reducing mechanical and interfacial performance. Therefore, it is concluded that the 30 min acid oxidation and 15 min electrochemical oxidation conditions represent the optimal parameters for achieving effective surface activation and interfacial adhesion enhancement between carbon fibers and thermoplastic plastic.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 탄소섬유 (Carbon fiber, CF)와 열가소성 수지 간의 계면 결합력 향상을 위해, 산 표면처리 (acid surface treatment) 및 전기화학적 표면처리 (electrochemical surface treatment) 공정을 적용하여 처리 조건에 따른 표면 특성, 구조적 변화, 기계적 물성 및 계면 전단강도 (Interfacial Shear Strength, IFSS)를 종합적으로 분석하였다. 산 처리는 황산 (H2SO4)과 질산 (HNO3)의 혼합산 (3:1 v/v)을 사용하여 60℃에서 15-60 min 동안 수행하였으며, 전기화학적 표면처리는 중탄산 암모늄 (NH4HCO3)을 전해질로 하여 3 A/m2의 전류밀도 조건에서 5-25 min 간 진행하였다. FE-SEM과 AFM 분석 결과, 두 처리 모두 시간이 증가함에 따라 표면의 요철이 발달하고 거칠기가 향상되었으며, Raman 분석에서는 처리 시간이 증가함에 따라 ID/IG 비율이 감소하여 결정성이 향상되었다. 특히 전기화학적 표면처리에서는 처리 시간이 증가함에 따라 IA/IG 비율이 증가하여 산소계 기능기 도입이 활발히 이루어졌음을 확인하였다. XPS 분석에서도 C–C 결합이 감소하고 C–O 및 C=O 결합이 증가하여, 산소계 극성기가 효과적으로 도입되었음을 확인하였다. 이로 인해 탄소섬유의 표면 에너지 및 화학적 반응성이 향상되었으며, 특히 산 처리 30 min 조건과 전기화학적 표면처리 15 min 조건에서 표면 거칠기 증가, 결정성 향상, 적정 수준의 산소계 기능기 도입이 동시에 이루어졌다. 해당 조건에서 인장강도와 IFSS 모두 최댓값을 나타내었으며, 이는 mechanical interlocking 효과와 수소결합 및 쌍극자–쌍극자 상호작용이 동시에 작용한 결과로 해석된다. 반면 과도한 산화 처리는 sp2 골격의 손상으로 인해 물성이 저하되었다. 따라서 본 연구를 통해 산 처리 30 min, 전기화학적 표면처리 15 min 조건이 탄소섬유 표면 활성화와 계면 결합력 향상에 가장 유리한 최적 조건임을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures Ⅲ
• List of Tables Ⅳ
• Abstract Ⅴ
• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Experimental 3
• 2.1 Materials and preparation of surface-treated carbon fiber 3
• 2.1.1 Acid surface treatment 3
• 2.1.2 Electrochemical surface treatment 6
• 2.2 Morphology analysis 9
• 2.3 Chemical structure analysis 9
• 2.4 Mechanical property evaluation 10
• Ⅲ. Results and discussion 14
• 3.1 Acid oxidation surface treatment 14
• 3.1.1 Surface morphology and roughness analysis 14
• 3.1.2 Raman spectroscopy analysis 16
• 3.1.3 Surface chemical state analysis by X-ray photoelectron spectroscopy 20
• 3.1.4 Effect of acid treatment on the tensile strength of carbon fiber 24
• 3.1.5 Interfacial shear strength (IFSS) analysis of modified carbon fiber 26
• 3.2 Electrochemical oxidation surface treatment 29
• 3.2.1 Surface morphology and roughness analysis 29
• 3.2.2 Raman spectroscopy analysis 32
• 3.2.3 Surface chemical state analysis by X-ray photoelectron spectroscopy 36
• 3.2.4 Effect of acid treatment on the tensile strength of carbon fiber 40
• 3.2.5 Interfacial shear strength (IFSS) analysis of modified carbon fiber 42
• Ⅳ. Conclusions 45
• REFERENCES 48
• 國 文 要 略 52
• 감사의 글 54