졸-겔 공정을 이용한 Forsterite-PMMA composite의 합성과 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 H2O2-assisted 졸-겔 공정에 의해 포스테라이트, 엔스테타이트, 실리케이트 등의 다양한 비결정성 무기 물질을 합성하고 기계적 특성의 개선을 위해 PMMA(Poly methyl methacrylate)유기고분자와 무기-유기 컴파지트를 합성하여 그 특성을 살펴보았다.
기존의 무기-유기 컴파지트를 합성하는데 있어서는 무기부분과 유기부분의 상 분리가 문제가 되므로 이들 두 부분사이에 화학적 결합을 유도하기 위한 반응기를 도입하였으나, 본 연구에서는 이러한 상호 결합없이 단순한 물리적 혼합에 의존하여 컴파지트를 구성하였다.
합성된 컴파지트는 균열, 수축현상 없이 단일체 형태로 만들어지며 틀의 형태에 따라 모양을 변화시킬 수 있었다. 기계적 특성을 조사한 결과, 컴파지트의 Modulus of Rupture(MOR)는 144MPa로 순수한 PMMA(200MPa에서도 파괴되지 않음)에 비해 기계적 강도가 약하긴 하나 건조겔에 비해서는 기계적 강도가 크게 향상되었으며 이로 인해 절단, 연마 등이 가능해졌다. 투광도는 가시광선의 영역에서 약 88%정도의 투광도를 보이며 이는 순수한 PMMA의 투광도의 98%에 해당된다. PMMA와 같이 무색투명하여 각종 광학소재로 활용할 수 있는 가능성을 안고 있다.
포스테라이트 에어로겔을 통해 살펴 본 무기격자체는 BET 표면적이 806㎡/g이고 주로 500Å 정도의 mesopore를 갖는다. 이에 비해 컴파지트는 BET 표면적이 5.8㎡/g이며 거의 기공이 존재하지 않는 non-porous한 물질이다. 중합반응 후 컴파지트의 무기부분은 무게비로 10% 이하였다. DT/TGA로 열분해 과정을 관찰한 결과 컴파지트가 순수한 PMMA에 비해 분해 온도가 25~30℃정도 높았다.
분자단위에서의 국부적 환경을 조사하기 위하여 Eu+3를 탐침이온으로 혼입하여 형광 방출 스펙트럼을 살펴보았다. 컴파지트는 578, 590, 612nm부근에서 봉우리가 나타났고, 순수한 PMMA는 590, 612nm 부근에서 봉우리가 나타났다. 컴파지트의 방출 스펙트럼을 겔의 그것과 유사하며 컴파지트내의 혼입이온 주위의 환경은 겔 격자의 환경을 따르는 것으로 관찰되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The organic-norganic composite was synthesized. The inorganic phase of the composite was forsterite, enstatite, or silicate prepared by the H2O2-assisted sol-gel method. The organic phase of the composite was poly(methyl methacrylate) radically polymerized from methyl methacryrate. The inorganic component was synthesized via the H2O2-assisted sol-gel method. then the MMA monomer was infiltrated into the el network via solvent exchange between alcohol and MMA. By radically polymerizing the MMA infiltrated into the gel network, the organic-inorganic composite was prepared. The composite was synthesized by physical blending via centrifugation without chemical bonding between the inorganc and organic phases, unlike in the conventional route which encouraged the chemical bonding between those phases to supress the phase separation.
The composite was prepared as a monolith without cracks and shrinkage which used be limiting factors in preparing amonolith in decent shape. The composite was machinable and it could be cut, polished, of moulded. The modulus of Rupture(MOR) of the forsteric-PMMA composite was 144MPa, which indicated the strength of the composite was much weaker than the sole PMMA (sole PMMA was unbreakable. MOR up to 200MPa). Compared to the weakness of the xerogel monolith of forsterite, the mechanical strength of the composite ws largely improved.
The optical transparency of the composite was exceptionally good. The transparency of the composite in the visible range was about 88% against air. Compared to a block of the sole PMMA, the transparency of the composite was near to 98%.
The pore characteristics of the inorganic gel network was studied on the forsterite aerogel prepared by hypercrytical drying. The BET surface area of the aerogel was 800㎡/g, and it had mostly mesopores of around 500Å big. The composite was a non-porous solid whose the surface area was only 5.8㎡/g. The weight fraction of the inorganic part, which was analyzed by elemental analyses and ICP/MS, was less than 10%. The decomposition temperature of the composite observed by thermal analysis was 25~30℃ higher than that of the sle PMMA.
The local environment of the composite was srudied by taking the emission spectrum from Eu+3 doped as a luminescent probe. The emission spectrum from the composite had broadd peaks at 578, 590, 612nm. Whereas, the spectrum from the sole PMMA had the peaks at 590, 612nm. The emission spectrum observed from the composite conformed to that from the inorganic gel. Therefore, the local environment around the dopant in the organic-inorganic composite was that of the inorganic moiety.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 실험 방법 = 6
• Ⅲ. 실험 결과 및 고찰 = 10
• 1. 합성 = 10
• 2. Inorganic-PMMA 컴파지트의 특성확인 = 23
• 2.1 포스테라이트 에어로겔과 컴파지트의 표면적과 기공형상 = 23
• 2.2 Inorganic-PMMA 컴파지트의 광학적 특성 = 28
• 3. 기계적 특성 = 37
• 3.1 Indenter Test = 37
• 3.2 Three-point bending = 39
• Ⅳ. 결론 = 40