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탄소나노튜브 및 환원된 산화그래핀과 고분자간 계면결합력이 나노복합재의 압전 거동에 미치는 영향
황상하 ( Sang Ha Hwang ),김현주 ( Hyeon Ju Kim ),성대한 ( Dae Han Sung ),정영태 ( Teong Tae Jung ),강구혁 ( Ku Hyek Kang ),박영빈 ( Young Nin Park ) 한국 접착 및 계면학회 2012 접착 및 계면 Vol.13 No.3
탄소나노소재의 화학적 기능화는 대부분 복합체 제조 시 고분자 모재(matrix)와의 계면 특성 향상을 위한 방법으로 적용되어 왔다. 계면결합력의 증가에 따른 효과는 기계적 물성의 증가를 통해 간접적으로 확인할 수 있으며, 이는 계면에서 효과적인 응력전달을 통해 설명된다. 보다 직접적으로 기능화를 통한 계면결합력 증가의 효과를 설명하기 위하여 피에조 저항효과를 관찰할 수 있으며, 이를 통하여 변형에 대한 복합체 내부의 전도성 충진재의 거동을 짐작해 볼 수 있다. 이를 위해 다 중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 환원 그래핀(rGO)을 황산/질산 용액을 이용하여 산화반응을 통해 기 능기를 도입하였으며, 기능화 전·후의 복합체의 전기적 저항 및 피에조 저항효과를 측정하였다. 결 과로부터 기능기 도입으로 인해 증가한 탄소나노소재의 구조적 결함이 전기적 저항의 증가를 야기 하지만 동일한 변형에 대하여 저항 변화가 더 크게 나타나 변형에 따른 복합체 내부 전도성 입자의 유동성이 증가함을 확인하였고, 이를 통해 계면결합력이 증가함을 피에조 저항효과 관찰을 통해 확인 할 수 있었다. Chemical functionalization of carbon nanomaterials (CNMs) is generally carried out for increasing interfacial adhesion between filler and polymer matrix for CNM-polymer nanocomposites. The chemically functionalized CNTs can produce strong interfacial bonds with many polymers, allowing CNT based nanocomposites to possess high mechanical and functional properties. Hence, increased surface adhesion can be measured indirectly by observing increased mechanical properties. However, there is a more direct way to observe interfacial bonds between polymer and CNM by measuring piezoresistivity behavior so that we can imagine the behavior of CNM particles in polymer matrix under deflection. Fuctionalization of MWCNT and rGO was carried out by oxidization reaction of MWCNT and rGO with H2SO4/HNO3 solution. Electrical resistivities of MWCNT-PMMA and rGO-PMMA composites were decreased after functionalization because of the destructive fuctionalization process. Meanwhile, piezoresistivities of functionalized CNM-PMMA composites showed more sensitive behavior under the same deflection as compared to pristine CNM-PMMA composites. Therefore, mobility of CNM in polymer matrix was found to be improved with chemical functionalization.
특집(特輯) 논문(論文): `11 춘계학술대회 우수 논문 ; 고강도 PMMA 및 나일론 -산화그래핀 복합재료 섬유의 제조 및 특성평가
황상하 ( Sang Ha Hwang ),이동욱 ( Dong Wook Lee ),백종범 ( Jong Beom Baek ),신현석 ( Hyeon Suk Shin ),박영빈 ( Young Bin Park ) 한국복합재료학회 2011 Composites research Vol.24 No.4
수정된 Hummer`s 방법으로 제조된 산화그래핀(graphene oxide, GO)을 이용하여 PMMA와 Nylon 6,6에 분산시켜 각각 복합재료 섬유와 필름으로 제조하고 동적기계적 물성과 인장특성을 분석하였다. 동적기계적 분석과 인장 특성에서 GO-PMMA 복합재료 섬유는 GO의 효율적 기계적 물성 보강 효과를 확인 하였으나 Nylon 6,6 복합재료는 제조과정에서 사용된 포름산의 낮은 pH로 인해 산화그래핀의 분산안정성이 저하되어, 낮은 보강효율을 보임을 알 수 있었다. In this work, we successfully fabricated graphene oxide (GO) and GO-based PMMA composite fiber and nylon films. Dynamic mechanical and tensile properties of PMMA-GO composite fiber showed that GO is efficient reinforcement for polymer matrices. However, Nylon 6,6-GO composite films showed low reinforcement efficiency in terms of dynamic mechanical and tensile properties due to the colloid instability of GO in formic acid at a low pH level.
김상우(Sangwoo Kim),황상하(Sang-ha Hwang),김구현(Gu-Hyun Kim),박영빈(Young-Bin Park) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11
본 논문은 탄소나노튜브 및 그래핀이 첨가된 고분자 나노복합체를 이용한 압력센싱에 관한 연구를 보고한다. 나노복합체에서 가장 중요한 나노소재의 분산도를 점도측정에 의해서 정량적으로 평가하는 방법을 고안하였다. 아울러, 나노복합체의 전기전도도 및 점탄성 물성 평가를 통해서 분산도를 간접적으로 측정하였다. 탄소나노소재가 첨가된 수지를 이용하여 멀티스케일 하이브리드 복합재를 성형한 후 압력센싱 가능성을 검증하였다. This paper reports a study on manufacturing of carbon nanomaterial polymer composites and their application in pressure sensing. During sonication, the viscosity of the carbon nanomaterial-polymer resin mixture was measured at pre-specified intervals, and the correlation between viscosity and degree of dispersion was determined. The viscosities of both graphene-resin and carbon nanotube-resin mixtures exhibited increasing trends with sonication time, indicating thixotropic fluid behavior as the carbon nanomaterials were dispersed more uniformly. The degree of carbon nanomaterial dispersion was further verified through bulk resistivity measurement, dynamic mechanical analysis, and scanning electron microscopy. Unsaturated polyester-glass fiber-carbon nanotube multiscale hybrid composites were manufactured and their piezoresistivity was characterized for potential application in large-area pressure sensing.
계면중합법을 이용한 폴리아마이드 610/탄소섬유/탄소나노튜브 복합재 제조 및 물성 평가
조범곤 ( Beom-gon Cho ),황상하 ( Sang-ha Hwang ),박영빈 ( Young-bin Park ) 한국복합재료학회 2020 Composites research Vol.33 No.6
탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)의 계면 특성은 복합재료의 전체적인 기계적 특성을 제어하므로 매우 중요하다. 이에 따라, 탄소나노튜브(CNT)로 탄소섬유(CF) 표면을 개질하는 것이 계면을 강화하기 위해 활발히 연구되고 있다. 그러나 대부분의 표면 개질 방법은 자체적으로 한계가 있다. 예를 들어, CVD 성장에서 탄소섬유의 CNT를 성장시키기 위해 600~1000℃ 범위의 고온을 적용해야 하며, 이는 탄소섬유 자체에 손상을 줄 수 있으므로 물성이 저하될 수 있다. 한편, 본 연구에서는, 폴리아마이드(PA) 610/CF/CNT 복합재가 PA610의 계면중합을 통해 제조되었으며, 유기계와 수계 사이의 계면에서 PA610/CNT 중합이 일어난다. 탄소섬유는 CNT가 균일하게 분산된 PA610으로 코팅되었다. 복합재 내에서의 CNT 분산상태는 주사전자현미경으로 관찰되었으며, 열중량 분석을 통해 복합재의 열안정성을 분석하였다. 그리고 섬유 뽑힘 시험을 통해 섬유와 기지 간의 계면 결합력을 측정하였다. The interfacial properties in carbon fiber composites, which control the overall mechanical properties of the composites, are very important. Effective interface enhancement work is conducted on the modification of the carbon fiber surface with carbon nanotubes (CNTs). Nonetheless, most surface modifications methods do have their own drawbacks such as high temperatures with a range of 600~1000℃, which should be implemented for CNT growth on carbon fibers that can cause carbon fiber damages affecting deterioration of composites properties. This study includes the use of in-situ interfacial polymerization of polyamide 610/CNT to fabricate the carbon fiber composites. The process is very fast and continuous and can disperse CNTs with random orientation in the interface resulting in enhanced interfacial properties. Scanning electron microscopy was conducted to investigate the CNT dispersion and composites morphology, and the thermal stability of the composites was analyzed via thermogravimetric analysis. In addition, fiber pull-out tests were used to assess interfacial strength between fiber and matrix.
탄소나노튜브 및 그래핀 나노플레이트 폴리프로필렌 복합재 필름 압출 및 물성 평가
김병주 ( Byeong Joo Kim ),( Biplab K Deka ),강구혁 ( Gu Hyuk Kang ),황상하 ( Sang Ha Hwang ),박영빈 ( Young Bin Park ),정인찬 ( In Chan Jeong ),최동혁 ( Dong Hyuk Choi ),손동일 ( Dong Il Son ) 한국복합재료학회 2013 Composites research Vol.26 No.4
본 연구에서는 폴리프로필렌과 다양한 탄소나노소재를 사용하여 제조한 복합재의 압출방향 및 권취속도에 따른 기계적 물성과 결정화도에 대한 연구를 수행하였다. 폴리프로필렌에 탄소나노소재를 균일하게 분산시키기 위해 미분쇄기에 폴리프로필렌 분말(<700 μm)과 탄소나노소재를 혼합한 후 나노복합재 필름 제조를 위해 압출기를 사용하였다. 나노복합재 필름의 결정화도를 분석하기 위해 differential scanning calorimetry를 이용하였다. 기계적 물성을 인장시험을 통해서 측정한 후 순수 폴리프로필렌 물성과 비교하였고, 압출 시 필름 권취속도에 대한 나노복합재 결정화도의 차이를 확인하였다. 탄소나노소재를 첨가함으로써 고분자 필름의 기계적 물성이 향상됨을 확인하였고, 그에 따른 결정화도 역시 증가하는 것을 확인하였다. 반면, 권취속도가 증가 할수록 압출물의 냉각속도도 역시 증가함으로써 결정화도가 오히려 감소함을 확인하였다. Polypropylene films reinforced with multi-walled carbon nanotubes and exfoliated graphite nanoplatelets were fabricated by extrusion, and the effects of filler type and take-up speed on the mechanical properties and microstructure of composite films were investigated. Differential scanning calorimetry revealed that the addition of carbon nanomaterials resulted in increased degree of crystallinity. However, increasing the take-up speed reduced the degree of crystallinity, which indicates that tension-induced orientations of polymer chains and carbon nanomaterials and the loss of degree of crystallinity due to rapid cooling at high take-up speeds act as competing mechanisms. These observations were in good agreement with tensile properties, which are governed by the degree of crystallinity, where the C-grade exfoliated graphite nanoplatelet with a surface area of 750 m2/g showed the greatest reinforcing effect among all types of carbon nanomaterials used. Scanning electron microscopy was employed to observe the carbon nanomaterial dispersion and orientation, respectively.