Preparation and characterization of carbon-reinforced polymer composites for heat dissipation and flame retardant applications

이영록 Chonnam National University 2019 국내석사

Carbon materials are lightweight, high physical strength, excellent thermal and electrical conductivity and can be applied to various applications. In particular, carbon-polymer composite materials in which carbon is applied to polymers are receiving worldwide attention. Polymers are used in many applications because they are easy to process, light in weight and low in cost, but they have disadvantages such as low mechanical properties, thermal, electric conductivity, flammability and abrasion resistance. In this study, we investigated carbon composite material which improved the heat dissipation and flame retardant properties among the disadvantage of polymer. In the heat dissipation theme, Mesophase Pitch Carbon Fiber (MPCF) and Reduced Graphene Oxide(rGO) were used as fillers, and the flame retarding themes were Carbon NanoFiber (CNF), Graphene Oxide (GO) as filler and CFRP fabricated. In the first chapter, studied the thermal and electrical properties of polymer composites according to MPCF size. In recent years, high integration of circuits for high performance of electronic devices in the fields of automobiles and electric and electronic fields has been sought. As a result, a large amount of heat is generated, causing the malfunction of the machine and deterioration of the performance. Thus, the problem of heat dissipation is becoming a serious problem. In order to solve the heat dissipation problem, a carbon material having good thermal conductivity is issue. Therefore, a polymer composite was prepared by selecting the pitch and carbon fiber Mesophase Pitch Carbon Fiber (MPCF) with high thermal and electrical conductivity. Polymer composites with improved thermal and electrical conductivity were prepared using different sizes of Chopped MPCF (50μm) and Milled MPCF (6μm) as fillers. YD128 epoxy of Kukdo Chemical Co., Ltd was used as the polymer, and Jeffamine D 230 of New Seoul Chemical Co., Ltd was used as the hardener. After mixing each component with the desired composition, the MPCF epoxy composite with a diameter of 18 mm and a thickness of 2 mm was manufactured using hot press at 100 ℃ for 1hr. The results show that the Chopped MPCF is longer than the Milled MPCF because of the formation of the network between the fillers because the Chopped MPCF is longer than the Milled MPCF. However, in the case of a high content, the Milled MPCF is better than the Chopped MPCF, is better formed and exhibits better thermal conductivity. In the second chapter, polymer composite material with heat dissipation characteristics was studied using graphene. Recently, graphene is actively studied because of high thermal, electrical conductivity, physical strength, and high specific surface area. However, when a graphene is used as a filler for a polymer compound, the graphene itself does not appear. In order to overcome this problem, a large area, low-oxidation rGO was synthesized and polymer composites were used as filler. 325 mesh graphite (44 μm) and 10 mesh graphite (2000 μm) were prepared, and a graphite: oxidizing agent ratio was blended to 1:6(K6) and 1:2(K2), respectively. A Couette-taylor flow reactor was used to fabricate large-area low-graphene graphene using a Couette-taylor flow reactor capable of rapidly and efficiently synthesizing oxidized graphene. Finally, rGO filler was prepared by solution reduction using environmentally friendly ascorbic acid. SEM, XRD, XPS and Raman analysis showed that GO 10 mesh / 2K was synthesized with a large area and low oxidation GO, and showed the highest electrical conductivity in powder resistance results. YD128 epoxy of Kukdo Chemical Co., Ltd was used as the polymer, and Jeffamine D 230 of New Seoul Chemical Co., Ltd was used as the hardener. After mixing each component with the desired composition, the SrGO epoxy composite with a diameter of 18 mm and a thickness of 2 mm was manufactured using hot press at 100 ℃ for 1hr. Thermal and electrical conductivity of 25 wt% epoxy composite showed the highest value of 2.46 W / mK and the highest electrical conductivity of 230 S / m for SrGO 10mesh / 2K. In the third chapter is a study of the flame retardancy of n and p-doped montmorillonite (MMT) / carbon composite nanofibers. In recent years, polymer composite materials have been used in a variety of fields such as automobiles, building materials, and electronic products due to their easy handling and low cost. However, polymer composite materials are composed of hydrogen and carbon chains, which are vulnerable to flames, toxic gases and heat are generated, resulting in loss of life and property. Recently, carbon materials with good thermal stability have been hit by flame retardant materials through BMW fire and apartment fire. Therefore, this study improved the flame retardant properties of polymer composites through the hybrid effects of carbon, inorganic, and phosphorus flame retardants. Polymer composite materials with flame retardant properties were studied using Carbon Nano Fiber (CNF), Montmorillonite (MMT) and Ammonium phosphate dibasic (APD, 98 %, Sigma Aldrich) phosphorus flame retardant. MMT is common in clay minerals in the natural world, so they are easy to obtain and can form a char when exposed to flames, which can have a flame effect. Ammonium phosphate dibasic (APD), a phosphorus flame retardant, contains a large amount of atomic N, P. When exposed to flame, it becomes polyphosphoric acid and forms char by dehydrogenation reaction, which is effective for flame retardant. Filler synthesis used electro spinning. CNF:MMT was synthesized at a ratio of 80:20, 90:10, and 95:5, and CNF was dipped in a 30 wt% APD solution for 1 hour. After drying, the mixture was carbonization at 800 ℃ for 1 hour condition a nitrogen atmosphere. After carbonization, the APD residues were removed by washing and then dried to synthesize N, P Co- doped CNF / MMT. The synthesized CNF / MMT filler was used to finally produce a polymer composite having flame retardant effect. TGA was used to analyze the flame retardancy of the CNF / MMT filler itself. In the TGA analysis, 69 % of the largest amount remained when the N, P co-doped CNF / MMT filler ratio was 80:20. XPS analysis also confirmed that the N, P co-doped CNF / MMT contained the largest P atomic% of 7.9 %. Based on these results, the largest amount of residue remained in the TGA analysis, and CNF(80):MMT(20), the largest proportion of P atoms in XPS, was used as a polymer composite filler. The epoxy composites were prepared using 3 ~ 20 wt% filler. YD128 epoxy of Kukdo Chemical Co., Ltd was used as the polymer, and Jeffamine D 230 of New Seoul Chemical Co., Ltd was used as the hardener. After mixing each component with the desired composition, the N, P co-doped CNF / MMT epoxy composite with a diameter of 18 mm and a thickness of 2 mm was manufactured using hot press at 100 ℃ for 1hr. The microcalorimeter were analyzed to analyze the flame retardant effect after the fabrication of composite. The HRR value was 484.2 W/g of Neat epoxy in Micro calorimeter, and the lowest HRR value of 261.0 W/g at A30 / CNF / MMT 20 wt% was obtained. 261.0W / g is the level of secondary flame retardant and thus epoxy composite with flame retardant properties was prepared. In the fourth chapter, Carbon Fiber Reinforced Plastic(CFRP) was impregnated with Graphene Oxide (GO, V-50, Standard graphene Ltd., Korea) and Ammonium phosphate dibasic (APD 98%, Sigma Aldrich) to improve flame retardancy. Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) is lightweight and robust enough to be used in aerospace and automotive applications. Carbon fiber is manufactured by heating in an inert gas and has excellent thermal resistance, but when fabricated of CFRP, the thermal resistance is lowered by the polymer. To overcome this, the improved the flame resistance by mixing the GO and APD with the filler into epoxy. When flame is applied, GO is reduced to rGO. Thermal energy is used as reducing energy, contributing to the flame retarding effect by the endothermic reaction and improves flame retardancy by adding Phosphate Dibasic (APD 98%, Sigma Aldrich) as phosphorus flame retardant. YD128 epoxy of Kukdo Chemical Co., Ltd was used as the polymer, and Jeffamine D 230 of New Seoul Chemical Co., Ltd was used as the hardener. Then, each component was blended with the desired composition and impregnated by hand ray-up method, and the curing proceeded to a vacuum bagging process. Later, it was altared with water jet equipment in accordance with ASTM standard. The results showed that the samples hybridized with GO 0.75 and APD 0.75 wt% of showed flame retardant effect. 탄소재료는 경량화, 높은 물리적 강도, 좋은 열, 전기전도도를 가져 다양한 어플리케이션에 적용 할 수 있다. 특히 탄소를 폴리머에 적용시킨 탄소 폴리머 복합재료가 세계적으로 주목을 받고 있다. 폴리머는 가공이 쉽고 가볍고 값이 저렴하기 때문에 많은 분야에 사용이 되고 있지만 낮은 기계적 물성, 열, 전기전도도, 가연성, 마모성 등의 치명적인 단점이 있다. 본 연구에서는 폴리머의 단점들 중에 방열과 난연 특성을 향상시킨 탄소 복합재료의 연구를 진행하였다. 방열 테마에서 MPCF, rGO를 filler로 사용하였고 난연 테마는 CNF, GO, CF를 filler로 사용하였다. The first chapter는 MPCF의 사이즈에 따른 고분자 복합체의 열, 전기전도도 특성 비교에 관한 연구를 진행하였다. 최근 자동차, 전기전자 분야에서 전자소자의 고성능을 위한 회로의 고집적화가 추구되고 있다. 그로인해 다량의 열이 발생하고 되면서 기계의 오작동 및 성능저하를 유발시켜 방열 문제가 이슈화되고 있고 방열문제를 해결하기 위해 열 전도성이 좋은 탄소소재가 떠오르고 있다. 그래서 조직구조가 방향성을 가져 열, 전기전도도가 높은 Pitch계 탄소섬유 Mesophase Pitch Carbon Fiber(MPCF) 선정하여 폴리머 복합체를 제조 했다. 서로 다른 사이즈의 Chopped MPCF (50µm) 와 Milled MPCF (6µm)를 filler로 사용하여 열, 전기전도도 특성을 향상된 폴리머 복합체를 제조하였다. 폴리머에는 Kukdo Chemical의 YD128 에폭시를 사용하였고 경화제로는 New Seoul Chemical의 Jeffamine D 230을 사용하였다. 원하는 조성으로 각 구성성분들을 배합한 후 100℃에서 1시간 동안 Hot press를 이용해 직경 18mm, 두께 2mm의 MPCF epoxy composite을 제조하였다. 그 결과는 저함량의 경우 chopped MPCF가 Milled MPCF 보다 길이가 길기 때문에 필러간의 네트워크가 형성이 잘되어 더 좋은 열 전기전도도를 나타내지만 고함량의 경우 Milled MPCF가 Chopped MPCF에 비해 공극을 잘 매꿔주어 필러간의 네트워크가 형성이 잘되어 더 좋은 열 전기전도도를 나타낸다. The second chapter는 Graphene을 이용해 방열 특성을 갖는 폴리머 복합소재 연구를 진행하였다. 최근 Graphene의 높은 열, 전기전도도와 물리적 강도, 높은 비표면적 등 때문에 그래핀에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 그래핀이 폴리머 복합체의 filler로 사용이 되면 그래핀 자체의 물성이 나타나지 않게 된다. 이를 극복하기 위해 대면적, 저산화 rGO를 합성 후, 폴리머 복합체 filler로 사용하여 composite을 제조 했다. 325 mesh Graphite (44μm), 10 mesh Graphite (2000μm)를 준비하고 graphite : 산화제 비율을 각각 1:6(K6), 1:2(K2)로 다르게 배합하여 Couette-taylor flow를 이용해 빠르고 효율적으로 산화그래핀을 합성할 수 있는 Couette-taylor flow reactor를 이용해 대면적 저산화 그래핀을 만들었다. 그리고 친환경적인 Ascorbic acid를 이용해 용액환원을 하여 최종적으로 rGO filler를 만들었다. 폴리머에는 Kukdo Chemical의 YD128 에폭시를 사용하였고 경화제로는 Kukdo New Seoul Chemical의 Jeffamine D 230을 사용하였다. 원하는 조성으로 각 구성성분들을 배합 후 100℃에서 1시간동안 Hot press를 이용해 직경 18mm, 두께 2mm의 rGO epoxy composite을 제조하였다. SEM, XRD, XPS, Raman 분석을 통해서 GO 10 mesh / 2K가 대면적이면서 저산화 GO로 합성된 것을 확인 할 수 있었고 분체저항 결과에서도 가장 우수한 전기전도도를 나타내었다. 25 wt% 함량의 에폭시 복합체의 열, 전기전도도 분석 결과 SrGO 10mesh / 2K가 가장 우수한 열전도도는 2.46 W/mK, 전기전도도 230 S/m로 가장 높은 값이 나온다. The third chapter는 n,p가 도핑된 몬트몬릴로나이트(MMT)/ 탄소 복합체 나노파이버의 난연연구를 진행하였다. 최근 고분자 복합소재는 다루기 쉽고, 저렴한 가격 때문에 자동차, 건축자재, 전자제품등 다양한 분야에 사용이 되고 있다. 그러나 고분자 복합소재는 고분자가 수소와 탄소 체인으로 이루어져 있어 화염에 취약하고 독성가스와 많은 열이 발생해 인명 및 재산피해를 유발한다. 최근 BMW 화재와 아파트 화재등을 통해 열 안정성이 좋은 탄소재료가 난연소재로 주먹받고 있다. 따라서 본 연구에서는 탄소소재, 무기소재, 인계난연제 3종류의 하이브리드 효과를 통해 고분자 복합소재의 난연 특성을 향상시켰다. Carbon Nano Fiber(CNF), Montmorillonite(MMT), 인계난연제인 Ammonium phosphate dibasic (APD) 를 이용하였다. MMT는 점토광물 중에서 자연계에서 흔히 존재하여 구하기가 쉽고 난연 물질로 사용을 하면 화염에 노출되었을 때 Char를 형성하여 난연 효과를 볼 수 있다. 인계 난연제인 Ammonium phosphate dibasic (APD, 98%, Sigma Aldrich)는 atomic N, P 가 다량으로 함유되어 있고 화염에 노출되었을 때 폴리인산이 되면서 탈 수소화 반응에 의해 char를 형성하여 난연에 효과적이다. Filler 합성은 분산만 되어있으면 소재간의 복합화가 쉬운 전기방사를 이용했다. CNF:MMT를 80:20, 90:10, 95:5 비율로 합성하고, APD 30 wt% 수용액에 CNF를 1시간동안 dipping 시켜 건조 후 질소 분위기에서 800℃로 1시간동안 탄화(heating rate: 5℃/min)를 진행하였다. 탄화 후 수세를 통해 APD 잔유물을 제거하고, 그 후 건조시켜 N, P co-Doped CNF / MMT를 합성하였다. 합성된 CNF / MMT filler를 사용해 최종적으로 난연 효과가 있는 폴리머 복합체를 제조했다. 우선, CNF / MMT filler 자체의 난연 특성을 분석하기 위해 TGA를 분석하였다. TGA 분석에서 보면 N, P co-doped CNF:MMT filler 비율이 80:20 일 때 가장 많은 69%의 Residual이 남았다. 또한 XPS 분석에서도 N, P co-doped CNFT:MMT 가 P atomic %가 7.9로 가장 많은 P를 함유하고 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 바탕으로 폴리머 복합체를 제조할 때 사용한 filler는 TGA 분석에서 가장 많은 residual과 XPS에서 P atomic %가 가장 많이 있는 비율인 CNF(80) : MMT(20) 으로 고정하고 함량을 다르게 하여 제조하였다. 폴리머는 Kukdo Chemical의 YD128 에폭시를 사용하였고 경화제로는 New Seoul Chemical의 Jeffamine D 230을 사용하였다. 원하는 조성으로 각 구성성분들을 배합 후 100℃에서 1시간동안 Hot press를 이용해 직경 18mm, 두께 2mm의 난연 효과가 있는 N, P co- doped CNF / MMT epoxy composite을 제조하였다. composite 제조 후 난연 효과를 분석하기 위해 Microcalorimeter를 분석하였다. Microcalorimeter 에서 Neat epoxy 일 때 HRR 값이 484.2W/g이 나왔는데 A30 / CNF / MMT 20wt% 일때 가장 낮은 HRR 값인 261.0W/g이 나왔다. 261.0W/g은 2급 난연물질의 수치이고 따라서 난연 특성이 있는 epoxy composite을 제조하였다. The fourth chapter는 Ammonium phosphate dibasic (APD, 98%, Sigma Aldrich) 와 Graphene Oxide (GO, V-50, Standard graphene Ltd., Korea) 를하이브리드 시켜 난연 특성이 향상된 탄소섬유 강화 플라스틱 복합재료 연구를 수행하였다. Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)은 경량이면서 강도가 좋아 항공우주 분야와 자동차 분에야 적용이 되고 있다. Carbon fiber는 불활성 기체속에서 열처리하여 제조되어 내화성이 뛰어나지만 CFRP로 만들게 되면 폴리머에 의해 내화성이 낮아진다. 이를 해결하기 위해 Graphene Oxide (GO, V-50, Standard graphene Ltd., Korea)와 Ammonium phosphate dibasic (APD 98%, Sigma Aldrich)를 Epoxy에 혼합 후 함침 시켜 난연 특성을 향상시킨 CFRP 연구를 진행했다. GO는 열에너지를 받으면 rGO로 환원되는데 이때 열에너지가 환원 에너지로 사용이 되어 흡열반응에 의해 난연 효과에 기여하고, 인계 난연제인 Ammonium phosphate dibasic (APD 98%, Sigma Aldrich)를 첨가하여 난연성을 향상시켰다. 폴리머는 Kukdo Chemical의 YD128 에폭시를 사용하였고, 경화제로는 New Seeul Chemical의 Jeffamine D 230을 사용하였다. 그리고 원하는 조성으로 각 구성성분들을 배합 후 Hand ray up 방법으로 함침을 시켰고 경화는 Vacuum bagging process로 진행하였다. 후에 ASTM 규격에 맞게 워터젯 장비를 이용해 제단 하였다. 결과는 GO와 APD를 각각 0.75, 0.75 wt%씩 넣고 하이브리드 시킨 샘플이 Neat CFRP 대비 22% 향상된 난연 효과를 나타내었고 인장강도는 34% 항샹된 값이 나왔고 충격강도에서는 2% 감소된 값이 나왔다. 그러나 충격강도에서는 Neat CFRP가 512.7 J / m 값으로 매우 높을 가진다. 따라서 2% 감소된 경우는 큰 의미가 없고 Neat CFRP와 비슷한 값을 가진다고 할 수 있다. 이러한 값이 나온 이유는 GO와 APD 표면에 수산기와 같은 기능기들이 있어 이들이 수지재료와 화학적 또는 물리적 결합을 하기 때문에 기계적 물성이 상승되었다. 그러나 굴곡강도에서는 감소하는 값이 나왔다. 이유는 사용한 GO가 7마이크로미터인데 탄소섬유 직조된 사이사이가 7마이크로미터이다. 따라서 그사이로 완전히 함침이 되지 못해 계면간에 있어서 디펙으로 작용해 감소한 것으로 예상이 된다. 사이즈가 더 작은 GO를 사용하게 된다면 물리적 강도가 더 증가 할 것으로 예상이 된다.

Ionic liquid-based solid polymer electrolyte for electrochemical devices

Handayani, Puji Lestari Pukyong National University 2019 국내석사

Since the first observation of ionic conductivity in poly(ethylene oxide) complexes with alkali metal, solid polymer electrolytes (SPEs) have more advantages, compared to conventional liquid electrolytes in terms of lightweight design, high energy density, flexibility and mechanical stability, except for relatively lower ionic conductivity. Introducing ionic liquid having unique physical properties into polymer electrolytes has been considered as an imperative way to enhance ionic conductivity. Furthermore, the physical or chemical interactions between ionic liquid and polymer electrolyte could be used for adjusting the mechanical properties of polymer electrolyte through lowering glass transition temperature of host polymer resulting in the enhancement of polymer chain flexibility as well as ionic conductivity of the polymer electrolyte. In this study, therefore, the role of ionic liquid on ion conduction and morphology, of polymer electrolytes containing ionic liquids is thoroughly investigated for the development of advanced electrochemical devices. In order to increase ionic conductivity of solid polymer electrolyte, two different types of ionic liquids are selected: one is a neat ionic liquid as BMIM-TFSI and the other is weak binding lithium salts dissolved in BMIM-TFSI. To optimize mechanical and electrical properties, we study three different type of SPEs; epoxy-, thermoplastic polyurethane (TPS)-, and diblock copolymer-based SPEs. For the development of structural SPEs, epoxy-based SPEs can be prepared with one-pot synthesis via ring opening polymerization of epoxy-resin (YD128) as framework, PEGDE as plasticizer, BDMA as catalyst, and MeTHPA as curing agent, after three step thermal curing. We also utilize TPU with the hard and soft segments to simultaneously enhance ionic conductivity and stretchability. To provide such a multifunctional property, silica network is introduced in TPU via sol-gel reaction. The unique porous morphology of poly(styrene-block-2-vinylpiridine) (PSP2VP) diblock copolymer combining with ionic liquids is also explored. The nanopores can act as ion pathway where ionic can be fast diffused inside block copolymer. The incorporation of silica network into the block copolymer allows to create a hierarchically morphology, which can further enhance ionic conductivity by two orders of magnitude. Conducting ions concentration and mobility are simultaneously investigated, using electrochemical impedance spectroscopy. Glass transition temperature, measured by DSC, gradually decreases with increasing ionic liquid content. Mechanical strength such as Young’s modulus and elongation at break is systematically explored using DMA. These investigations are complementally by microstructural study from FE-SEM and EDS mapping.

Enhanced thermal conductivity of polymeric nanofiber web by incorporating boron-nitride nanotube and aligned carbon nanotube

김희주 Chonnam National University 2017 국내석사

The considerable efforts have been focused on the heat-dissipating polymer composites in a wide range of applications including heat exchangers, electronics, devices, and electronic circuit board housings. The heat-dissipating polymer composites were usually produced by adding the fillers having high thermal conductivity (e.g., carbon nanotubes (CNTs), boron nitride nanotubes (BNNTs), graphene, ceramic or metal). Boron nitride nanotubes (BNNTs), which are analogies of corresponding CNTs, have high thermal conductivity (theoretically 6600W/mk) and have a flawless electrical insulation with band gap of ca. 5.5eV. BNNTs have equally excellent mechanical properties compared to CNTs. BNNTs have a high chemical stability and thermal stability withstanding oxidation up to ca. 950℃. CNTs have a 1D cylindrical structure consisting of carbon sp2 hybridizations, in which CNTs are made by rolled up graphene sheet. CNTs have noticeable electrical, mechanical and chemical properties. CNTs are electrical conducting. CNTs have large elastic modulus compared to any known materials. Also, CNTs have high aspect ratio of structural property. CNTs have high electrical conductivity and thermal conductivity. Herein, to fully explore the thermal conductivity of BNNTs and CNTs as filler, we produced the polymeric nanofiber containing BNNTs and CNTs using the electrospinning system. Then, the obtained electrospun nanofiber layers were stacked and then hot-pressed to make a multilayer nanofiber web. In this work, we measured the thermal conductivity of polymeric nanofiber web containing BNNTs or CNTs. We demonstrated that BNNTs and CNTs can be utilized as effective thermal conductive filler in polymeric nanofiber web.

Understanding ion conduction in multifunctional polymer electrolytes for safe energy storage devices

송연화 Pukyong National University 2020 국내석사

최근, 기계적 변형 하에서 전기 화학적 특성을 우수하게 유지하는 것과 동시에 굽힘 특성이나 연신특성을 가지고 있는 다기능성 차세대 에너지 저장장치의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 에너지 저장장치로는 리튬이온 배터리와 슈퍼 커패시터가 있다. 이들은 양쪽 전극과 전극사이에 존재하는 전해질 및 분리막으로 구성되어 있다. 기존 에너지저장장치에 사용되던 액체전해질은 장시간 사용하는 경우 전극과 반대편 전극 사이에 리튬 덴드라이트를 형성하여 폭발이나 화재의 문제를 일으켰다. 이를 보완하기 위해 고체 고분자 전해질의 개발이 1960년부터 현재까지 꾸준히 진행되어 오고 있다. 고체 고분자 전해질은 고상으로 이루어져 있어 기계적 변형 하에서 누수나 화재 같은 안정성 문제가 발생하지 않을 뿐 아니라 고분자 특성에 따른 다기능성까지 나타낼 수 있어 매우 촉망받는 재료로 떠오르고 있다. 본 연구에서는 기계적 물성이 우수한 에폭시 기반의 다기능성 고체 고분자 전해질과 연신 특성을 가진 리튬 아크릴레이트 기반의 고체 고분자 전해질에 대한 연구를 진행하였다. 첫번째로는 리튬 염과 리튬 이온을 해리 시켜 배위결합을 하는 올리고 에테르, 그리고 이온성 액체와 에폭시 매질을 혼합한 뒤 에폭시의 개환 중합을 통하여 에폭시 기반의 고체 고분자 전해질을 제작하였다. 전해질을 이루는 물질들과 에폭시와의 친화도에 의한 분자간 미세-상분리를 통해 나노 크기의 이온 채널과 에폭시 채널을 형성하였고 이는 높은 이온전도도 및 유연 특성 발현의 중요한 요인으로 역할을 하였다. 두번째는 표면에 비닐기를 포함하고 있는 실리카 나노 입자와 리튬 아크릴레이트 단분자를 라티칼 중합하여 실리카 나노 입자가 가교된 폴리리튬아크릴레이트 기반의 고체 고분자 전해질을 합성하였다. 분자내 기능기에 의해 연신특성을 가진 고분자와 응력이 집중 시 완충제 역할을 하는 실리카 입자에 의해 매우 높은 이온전도성을 함유하면서 우수한 신축성 및 복원 특성을 나타냈다. 동적 기계 분석기 (DMA), 범용 시험기 (UTM), 유전체 분광기 (DRS), 임피던스 분광기, 시차 주사 열량기 (DSC), 열중량 분석기 (TGA) 그리고 전계방출형 주사전자현미경 (Fe-SEM)과 에너지분산형 분광분석법 (EDS mapping)을 이용하여 각 다기능성 고체전해질의 기계적 특성, 이온전도도, 열 안정성 및 샘플 구조를 각각 측정하여 분석하였다.

Polymer-nanoparticle composite membranes for enhanced catalytic reactions

송창현 Pukyong National University 2019 국내석사

Nanoparticles having catalytic properties are characterized in that they receive the light of a specific wavelength band and change the reaction rate by reducing the activation energy required for the chemical reaction. In general, to improve the catalytic properties of nanoparticles, researches have been actively conducted to form nanocomposites capable of responding to the light of a broader wavelength band by introducing heterogeneous nanoparticles. On the other hand, in this study, we carried out a study to amplify the catalytic reaction of nanoparticles using the scattering property of the polymer membrane. For this purpose, a composite membrane was prepared by immobilizing titanium dioxide nanoparticles or gold nanoparticles on a polyethersulfone (PES) polymer membrane, and the optical properties and the catalytic reaction of the composite membrane were evaluated depending on whether light was irradiated. 촉매 특성을 가지는 나노 입자는 특정한 파장대의 빛을 받아 화학 반응에 필요한 활성화 에너지를 적게 만들어 반응속도를 변화시키는 특성을 가진다. 일반적으로, 나노 입자의 촉매 특성을 향상시키기 위해 이종의 나노 입자를 도입함으로써 더 넓은 파장대의 빛에 감응할 수 있는 나노 복합체를 형성하는 연구가 활발히 진행됐다. 이에 반해, 본 연구에서는 고분자 멤브레인의 산란 특성을 활용하여 나노 입자의 촉매 반응을 증폭하는 연구를 진행하였다. 이를 위해, 다기공성의 polyethersulfone (PES) 고분자 멤브레인에 이산화타이타늄 나노입자 혹은 금 나노입자를 고정화하여 복합체 멤브레인을 형성하고, 형성된 복합체 멤브레인의 광학 특성 및 촉매 반응을 광 조사 유무에 따라 평가하였다.

Modulus-variable and highly-conductive heat sink composites using inorganic and metallic particles in polymer matrixes

Hong, Jungpyo Sungkyunkwan University 2013 국내박사

High performance epoxy composite system is developed by incorporating inorganic and metallic particles and investigated for new functionalities possible to be adopted in various engineering composites fields. Firstly, the aluminum nitride (AlN) and boron nitride (BN) composites were designed to identify the key factors to achieve the optimal heat-conduction paths in the hybrid composite systems. The filler size and relative composition of the two different shaped fillers were thoroughly investigated by measuring thermal conductivities. The developed hybrid multimodal composite systems show the maximum thermal conductivity of 8 W/mK at the optimized composition and bimodal distribution. Secondly, a novel thermal-barrier composite system is developed by incorporating the fusible metal as the phase change materials. Using the latent heat of melting, the Sn/In metal particles having melting temperature at 125℃ were imbedded in the polymer matrix to suppress the thermal shock and transient temperature variation. Under the repeated melting and cooling cycles, the spherical shape of metal particles and the latent-heat of melting were retained demonstrating the reversible thermal-barrier capability of the developed composite system. Under the constant-heating conditions, it was validated that the temperature rise was delayed by the endothermic melting of Sn/In particles. The developed composite system could find various applications since it could minimize damages caused by the repeated thermal fatigue and/or accidental thermal shock. Thirdly, a thermally-induced modulus variable composite system was developed incorporating the Sn/In particles as fusible metal in the epoxy matrix system. The viscoelastic modulus variation of the developed composites was investigated with respect to time (or frequency) and temperature, which exhibited two plateaus of storage modulus corresponding to the thermodynamic melting of embedded Sn/In particles and the viscoelastic glass transition of epoxy matrix. While the cured epoxy was in the glass state, the composite modulus quickly dropped down by 38.5% due to the Sn/In melting at 125℃, which could ensure the modulus-variable smart composite material. The quantified viscoelastic properties of the developed modulus-variable composite system could ensure the development of multiple-modulus smart composite materials and devices. Finally, phenomenon of wicking between epoxy resin and metal surface with respect to temperature was investigated using contact angle and acid-base model in terms of interfacial surface energy. Moreover, in order to improve the wicking phenomenon, the effect of Ar/O2 plasma treatment for the surface energy and wetting behavior was investigated with treatment time and tempeature. The wetting performance with plasma treatmnet is improved as ca. 16.6% comparing to without plasma treatment independece on the temperature. In terms of fabrication of composite, the wicking phenomenon becomes one of most important technology, since the wicking effect can be adopted in the impregnation of resin in glass (or carbon) fiber fabric or in porous materials such as scaffold. We are convinced that the analysis and modeling technique for wetting phenomenon with temperature contribute to the development of fabrication technology through the improved resin infusion technology in 3D architecture.

SWNTs/Graphene-in-binary-polymer nanofiber structures as carbon precursors for electrochemical applications

박근수 Chonnam National University 2019 국내석사

단일벽탄소나노튜브(SWNT), 그래핀(Graphene) 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 구성된 meso/macropores가 있는 독특한 1차원 나노구조를 연구하였다. 이 구조에서는 폴리비닐알코올(PVA)이 분산제 및 기공유도물질로 사용되었다. 1차원 SWNT와 2차원 그래핀은 전기 방사된 나노섬유의 좁은 내부 공간에서 결합되어 나노섬유 내부의 SWNT, 그래핀 및 고분자 사슬의 향상된 배열과 같은 독특한 미세 구조 특성을 얻었다. 이러한 SWNT-in-고분자/그래핀 구조체(SGPNF)는 효과적인 다공성 및 조정 가능한 전기화학적 성질을 갖는 탄화된 생성물(SGCNF)로 전환되었다. SGPNF와 유사하게, SGCNF의 미세 구조 및 전기적 특성은 SWNT 및 그래핀의 혼입량에 의존했다. SWNT의 함량이 높을수록 SGCNF의 mesopores 부피 비율과 고유 방전 용량이 최대로 증가하여 전기화학적 커패시터를 위한 고성능 전극 재료로서의 강력한 잠재력을 입증했다. 또한, KOH 활성화 된 SGCNF는 기존의 유사 물질에 비해 우수한 성능을 보였다. SGCNF는 다양한 방법에 의해 보다 기능화될 수 있고, 이를 통해 여러 응용 분야에서 추가적으로 활용 가능한 다양한 물성 구현이 가능할 것으로 판단된다. It is important to fabricate nanostructured architectures comprised of functional components for a wide variety of applications because precise structural control in the nanometer regime can yield unprecedented, fascinating properties. Owing to their well-defined microstructural characteristics, it has been popular to use carbon nanospecies, such as nanotubes and graphene, in fabricating nanocomposites and nanohybrids. Nevertheless, it still remains hard to control and manipulate nanospecies for specific applications, thus preventing their commercialization. Herein, first, unique one-dimensional nanoarchitectures with meso/macropores consisting of single-walled nanotubes (SWNTs), graphene, and polyacrylonitrile were reported, in which polyvinyl alcohol was employed as a dispersing agent and sacrificial porogen. One-dimensional SWNTs and two-dimensional graphene pieces were combined in the confined interior space of electrospun nanofibers, which led to unique microstructural characteristics such as enhanced ordering of SWNTs, graphene pieces, and polymer chains in the nanofiber interior. Next, the SWNT/graphene-in-polymer nanofiber (SGPNF) structures were converted into carbonized products (SGCNFs) with effective porosity and tunable electrochemical properties. Similar to SGPNFs, the microstructural and electrical properties of the SGCNFs depended on the incorporated amount of SWNT and graphene. At higher SWNT content, the mesopore volume proportion and specific discharge capacitance of the SGCNFs increased by max. 63% and 598%, respectively. The SGCNFs demonstrated strong potential as high-performance electrode material for electrochemical capacitors (max. capacitance: nonactivated ~390 F g−1 and activated ~750 F g−1). In addition, it was found that the KOH-activated SGCNFs rendered better cell performance compared to existing similar materials. The SGCNFs can be further functionalized by various methods, which will impart attractive properties for extended applications.

(The) dispersion of carbon nanotubes in organic solvent by hydrosilylation

고수현 Chonnam National University 2017 국내석사

Carbon nanotubes (CNTs) exhibited high mechanical strength, high thermal and electrical conductivities which make them industrially useful in various fields, such as conductive filler or electrode material of lithium ion batteries, highly corrosion resistant paint and multifunctional filler to the polymer composites. However, the as-synthesized CNTs are present in a strongly bundled structure caused by a strong hydrophobic and van der Waals interaction between adjacent tubes. Therefore, it is critical to disentangle (or disperse) them individually in order to explore their intrinsic excellent properties. In this work, the functionalization of three types of carbon nanotubes (e.g., thin multiwalled carbon nanotubes (t-MWCNTs), double walled carbon nanotubes (DWCNTs) and single walled carbon nanotubes (SWCNTs)) via hydrosilylation were carried out in order to prepare the homogeneously dispersed suspension for making electrically conductive ink. The backbone of CNTs was easily functionalized with organic polymer with the help of Pt catalyst in organic solvent through the Si-C formation. The relative amount of nanotubes in organic solvent was quantified using optical tools. The atomic configuration of functionalized tubes was identified through X-ray photoelectron spectroscopy. In addition, the thermal stability of tubes before and after hydrosilylation was evaluated by thermogravimetric analysis. We verified the effectiveness of the hydrosilylation on the preparation of highly concentrated CNTs in organic solvent. We will explain experimental results of t-MWCNTs in chapter 3.1, SWNTs in chapter 3.2 and DWCNTs in Chapter 3.3, respectively.

Effect of diverse organic electrolytes as the cathode buffer layer on the photovoltaic property

진호철 Pukyong National University 2020 국내석사

화석 연료의 고갈과 환경 문제에 따라 재생 에너지의 개발이 세계적 흐름으로 자리 잡고 있다. 그 중 태양광 발전은 별다른 기계적 장치 없이 태양광을 직접 전기로 변환할 수 있어, 오늘날 점점 더 중요한 에너지원으로 꼽히고 있다. 이 중 유기태양전지는 투명하고 유연한 성질을 가지고 있어 다양한 공간, 장소에 적용 가능하고 무게가 가벼워 휴대하기도 용이하다. 게다가 용액 공정으로 제작할 수 있어 제작 단가도 상당히 저렴하다. 하지만 여전히 낮은 효율과 안정성 등으로 상용화되기에는 제약이 있다. 보통 유기태양전지의 구조는 유리/인듐-주석 산화물(ITO)/산화아연(ZnO)/유기 광활성층/은(Ag) 로 구성되는데, 이는 무기물인 ZnO 층 위에 유기물인 광활성층이 코팅된 구조이다. 따라서, 두 층은 서로 상반된 성질을 가져 박막 간에 상호작용을 원활하게 이루어지지 않게 만든다. 이는 두 층 사이에 계면을 개질하여 해결할 수 있다. 그 개질제로 이온성 유기물이 많이 사용되는데, ZnO 층에 표면 쌍극자를 유도하여 반도체 접합간 생기는 에너지 장벽을 줄이기 위함이다. 이에 본 논문에서는 V-alkyl-OTs와 TEG-M-OTs 라는 tosylate계 유기저분자를 설계 및 합성하여 메탄올을 용매로 ZnO 층과 유기 광활성층 사이에 스핀 코팅하였다. 일함수를 측정한 결과 V-OTs와 TEG-OTs가 코팅된 ZnO 층의 일함수는 ZnO 층 (기준소자)에 비해 감소하였다. 이는 V-alkyl-OTs와 TEG-M-OTs에 있는 quaternary ammonium tosylate와 hydroxyl group에 의해 형성된 interface dipole에 의해 기인했다. 그 결과, 소자의 전류가 상승하여, 효율이 ZnO 소자(Ref 7.48%)에 비해 V-alkyl-OTs 소자는 8.62%, TEG-M-OTs 소자는 7.74%로 상승하였다. Polymer에 대한 연구도 진행하였는데, PFN이라는 이미 유명한 물질을 이용하였다. 기존의 PFN은 초산(AA)과 함께 메탄올에 녹여 PFN-AA 형태로 이용하고 있는데, 이에 본 논문에서는 초산보다 더 강한 쌍극자를 가진 p-Toluenesulfonic acid (TsOH)를 이용하여 PFN-OTs 형태로 ZnO 표면에 적용하였다. 그 결과, PFN-AA 소자(Ref. 9.75%)에 비해 PFN-OTs 소자는 10.55%까지 그 효율이 상승했다.

Reshaping of triangular silver nanoplates by non-halide etchants and its application as plasmonic sensor

Alexander David Ardianrama Pukyong National University 2020 국내석사