실란처리된 Fe3O4/에폭시 나노복합재의 자성 및 마모특성 연구

국문 초록 (Abstract)

나노복합재는 다기능, 고성능의 시너지 효과를 도출하기 위해서 나노수준의 강화재를 기지재와 물리적 또는 화학적 방법으로 합체화, 혼성화한 재료로서, 기존의 단일 소재가 갖는 물성상의 한계를 극복할 수 있는 재료이다. 특히 고분자기지 나노복합재는 기존의 고분자재료가 갖고 있는 경량성, 경제성 및 용이한 제작과 같은 장점을 가지면서, 동시에 제조방법에 따라 고강도, 내마모성 등과 같은 기계적 특성을 조절할 수 있기 때문에, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, Fe₃O₄/고분자 나노복합재의 경우 기존의 고분자재료가 가질 수 없던 자성을 가질 수 있기 때문에 항공기, 우주선, 마그네틱 하드디스크, 신용카드의 마그네틱 바 등 그 적용분야가 다양하다. 그러나 자성을 띄는 복합재의 경우 고분자 수지와 금속파우더의 결합력이 약하며 금속파우더의 분산이 힘들다는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 해결하기 위해 금속파우더의 분산성을 향상시키고 금속파우더와 고분자 수지의 접착력을 높이기 위한 연구가 진행되어야 하지만 현재는 단순히 자성을 가지는 금속파우더의 제작방법, 자성향상에 관한 연구가 주를 이루고 있다.
따라서 본 연구에서는 공침법으로 Fe₃O₄ 나노파우더를 제작한 후, silane을 이용하여 표면처리를 하였다. 표면처리 유무에 따른 Fe₃O₄ 나노파우더에 관해서 물리적, 화학적 분석을 실시하였다. 물리적 분석으로는 FE-SEM과 일정시간 간격으로 표면처리 유무에 따른 분산성을 일정 시간의 흐름에 따라 비교하였으며 화학적 분석으로는 XRD, FR-IR을 사용하였다. FE-SEM과 XRD에서는 실란처리 유무에 따른 나노파우더의 크기와 화학성분의 변화를 비교하였고, FT-IR에서는 실란처리에 따른 Fe₃O₄ 피크의 변화를 관찰하였다. 이후 표면처리 유무에 따라 에폭시 수지와 Fe₃O₄ 나노파우더를 이용하여 나노복합재를 제작하였으며 제작된 나노복합재로 SQUID를 이용하여 자성을 측정하고 그 변화를 관찰하였다. 또한 Ball-on-disk 방식의 마모실험을 진행하여 마찰계수, 마모량을 산출하였고 상대마모재와 나노복합재의 마모면을 관찰하였다. 정확한 마모량 산출을 위해 표면 프로파일 분석을 실시하였다. 이후 마모면에 따라 입자의 분산도를 확인하였으며 마모면을 관찰하기 위해 SEM 분석을 수행하였다.
본 연구를 통해 실란으로 표면처리된 Fe₃O₄/epoxy 나노복합재의 자성은 표면처리 하지 않은 Fe₃O₄/epoxy 나노복합재의 자성보다 110% 증가함을 알 수 있었으며 표면처리된 Fe₃O₄/epoxy 나노복합재의 마모량은 표면처리 하지 않은 Fe₃O₄/epoxy 나노복합재의 마모량에 비해 약 60%가 작다는 것을 알 수 있었다. 이 결과들은 표면처리된 나노복합재의 자성과 마모특성의 향상은 실란으로 표면처리 된 Fe₃O₄나노파우더의 분산성 향상과 Fe₃O₄나노파우더와 에폭시 수지사이의 결합력이 증가되었기 때문으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Magnetic and mechanical properties of Fe₃O₄-polymer nanocomposites are interesting issues due to their various applications. The main focus of this study was to investigate the combined effects of the Fe₃O₄ modification using silane magnetic and wear property of the Fe₃O₄/epoxy nanocomposites.
Fe₃O₄ was fabricated using Iron(Ⅱ) Chloride Tetrahydrate and Iron(Ⅲ) Chloride Hexahydrate by coprecipitation method. Surface modification was used by 3-aminopropyltriethoxysilane. To synthesis Fe₃O₄/epoxy nanocomposites, epoxy and hardner were mixed in 2:1 ratio. After fabrication, the magnetic properties of the powders were measured on unmodified and surface-modified Fe₃O₄/epoxy nanocomposites using SQUID magnetometer. Wear tests were performed by a wear tester (MPD Friction & Wear Tester) follows the ball-on-disc procedure of ASTM G99 and the wear specimens were machined with a diameter of 30 mm and a height of 10 mm. The counter-wear material was a carbon steel ball.
The results showed that the saturation magnetization (Ms) of surface-modified Fe₃O₄/epoxy nanocomposites was approximately 110% greater than that of unmodified Fe₃O₄/epoxy nanocomposites. The friction coefficient of silane-modified and unmodified nanocomposites were about 0.3~0.4 and 0.2~0.3, respectively. However, silane-modified and unmodified nanocomposites abrasion loss volume was 0.01169 μm3 and 0.01864 μm3, respectively. The abrasion loss of modified nanocomposites was approximately 60% lower than unmodified nanocomposites. The increase in magnetic properties and the decrease in wear rate of surface-modified Fe₃O₄/epoxy nanocomposites occurred due to the improved dispersion of Fe₃O₄ into the epoxy matrix.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 2
• 제2장 배경이론 4
• 2.1 나노복합재 4
• 2.2 마찰/마모 이론 5
• 제3장 실험방법 10
• 3.1 실험재료 10
• 3.2 나노복합재 제작 13
• 3.3 시편제작 14
• 3.4 분산성 15
• 3.5 마모시험 15
• 제4장 결과 및 분석 16
• 4.1 물리적 분석 16
• 4.2 화학적 분석 20
• 4.3 자성측정 26
• 4.4 마모시험 28
• 제5장 결론 38
• 참고문헌 39
• Abstract 44