[논문]기상성장 탄소섬유/폴리페닐렌설파이드 복합체 제조 및 전기적<tex>$\\cdot$</tex>유변학적 거동

노한나; 윤호규; 김준경; 이현정; 박민

기상성장 탄소섬유/폴리페닐렌설파이드 복합체 제조 및 전기적$\\cdot$유변학적 거동
Electrical and Rheological Behaviors of VGCF/Polyphenylene Sulfide Composites 원문보기

폴리머 = Polymer (Korea), v.30 no.1, 2006년, pp.85 - 89

노한나 (고려대학교 재료공학과) , 윤호규 (고려대학교 재료공학과) , 김준경 (한국과학기술연구원 고분자 하이브리드 센터) , 이현정 (한국과학기술연구원 고분자 하이브리드 센터) , 박민 (한국과학기술연구원 고분자 하이브리드 센터)

초록
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이축압출기를 이용한 용융혼련으로 제조한 기상성장 탄소섬유(Vapor Grown Carbon Fiber, VGCF) 충전 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide, PPS) 복합체외 VGCF 함량에 따른 전기적, 유변학적 특성을 살펴보았다. 복합체의 파단면 모폴로지 관찰결과, 본 방법은 PPS 매트릭스 내에 VGCF를 균일하게 분산시키는데 있어서 효과적임을 확인할 수 있었다. $5\;wt\%$, VGCF 혼입까지는 미충전 PPS와 거의 유사한 전기적 성질과 유변학적 거동을 보였으며 $10\;wt\%$로 VGCF의 혼입양을 증가시켰을 때 현저한 도전성 발현 및 점도 상승, 탄성률의 주파수 무의존성 등 유변학절 성질의 변동이 관찰되었다. 고충전 PPS계에서의 탄성률의 주파수 무의존성은 복합체 내에서의 VGCF의 네트워크 형성으로 인한 건으로 추정되며, 이는 전기적 성질뿐만 아니라 유변학적 성질의 측정결과로부터 복합체 내의 도전성 네트워크의 형성을 확인할 수 있음을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of vapor grown carbon fiber (VGCF) contents on electrical and rheological properties of VGCF filled polyphenylene sulfide (PPS) composites prepared through melt mixing using a twin screw exruder was studied. This method was proved to be quite effective to produce good dispersion of VGCF in the matrix even for highly filled PPS. From the dependence of the electrical conductivity on VGCF content, the percolation phenomena began to occur above $10\;wt\%$. While there is only a marginal increase of viscosity for 1 and $5\;wt\%$ VGCF filled PPS, the composites containing $10\;wt\%$. While VGCF showed abrupt increase in viscosity as well as flattening of frequency vs modulus curve, indicating a transition from a liquid-like to a solid-like behavior due to the creation of VGCF network. This result agrees well to the fact that the network formation in the composite can be composite by rheological property dependence on filler content as well as by electrical conductivity measurement.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

1 wt% 와 5 wt% VGCF/PPS 나노복합체는 본 연구에서 사용한 장비의 측정범위를 벗어나는 매우 낮은 전도도 값을 나타내므로 문헌상의 미충전 PPS 값으로 대체하여 표시하였다.¹⁵ VGCF 10 wt%가 첨가된 복합체의 경우에는 약 2X10^-3 값을 나타내다가 VGCF의 양이 증가할수록 전도도 값이 급격히 증가함을 알 수 있다.
VGCF 사이의 강한 응집력과 엉킴 현상으로 인해 고분자와의 복합체 제조에는 특별한 분산기술을 요구하는데 본 연구에서는 이축압출기의 강한 전단 응력을 이용하여 나노복합체를 제조하였다 VGCF의 모폴로지 및 분산 정도는 field emission-scanning electron microscopy(FE- SEM, Hitachi S4200)과 high resolution-transmission electron microscopy(HR-TEM, JEOL, JEM-4010)를 통해 복합체의 파단면을 관찰하였다.
VGCF/PPS 나노복합체의 유변학적 특성은 25 mm의 평행평판 회전점도계(Rheometric사, Advanced Rheometric Expansion System, ARES)를 사용하여 질소분위기에서 320 ℃에서 측정하였다 진동테스트는 0.1~100 rad/s의 주파수에서 10% 전단 변형률 범위 내에서 실시하였다.
건조한 혼합물을 이축압출기(Bautek, Korea, Φ=11 mm, L/D=40, co-rotation)를 이용하여 320 ℃, 250 rpm 조건하에서 용융 혼련하여 10~15분 동안 VGCF/PPS 나노복합체를 제조하였다.
VGCF/PPS 복합재료의 제조. 고속 혼합기를 이용하여 분말상의 PPS에 다양한 함량의 VGCF(1, 5, 10, 15, 20 wt%)를 섞은 건식 혼합물을 만들고 이를 진공오븐에서 80 ℃ 온도에서 24시간 동안 건조시켜 수분을 제거하였다.
공급전압은 CAl000(Yokogawa Electric Works Ltd, Jgan)을 이용하였으며, 전압계로는 6512 Programmable Electrometer(Keithley, USA)을 사용하였다. 대기조건에서 1~5 mA의 범위의 전류에 따른 전압을 측정하였으며, 전기 전도도는 전류와 전압의 기울기를 이용하여 구하였다.
특성. 복합체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시편은 압출기를 통해 제조 후 건조된 복합체를 hot press(Tetrahedron, San Diego, Califonia)를 이용하여 320 ℃에서 5분간 압력(2.5 atm)을 가해 복합체 필름을 제조하였다. 제조된 필름의 직류 전기 전도도는 접촉저항의 효과를 최소화할 수 있는 4탐침법(four probe method)을 이용하여 측정하였다.
복합체의 표면분석. 본 연구에서 사용된 VGCF의 표면 모폴로지를 FE-SEM과 HR-TEM을 사용하여 관찰하였다(Figure 1). Figure 1(b)에서 볼 수 있듯이 VGCF는 나노미터 단위의 벽들을 다중으로 가진 구조이며 이로 인해 높은 전도도를 가지게 된다.
본 연구에서는 강한 전단 응력의 이축압출기를 이용하여 전도성이 우수한 VGCF를 별도의 전처리 없이 PPS 수지 내에 분산시켜 PPS/ VGCF 나노복합체를 제조하였다. 나노복합체의 제조에 사용한 VGCF 의 분산성을 SEM과 HR-TEM으로 관찰한 결과, 모든 조성에서 VGCF 의 대부분이 분리되어 매우 잘 분산되었음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱을 PPS를 매트릭스로 하고 상업적으로 공급되는 VGCF를 충전제로 하여 초소형 이축압출기를 이용하여 복합체를 제조하고 VGCF 함량에 따른 복합재료 내에서의 VGCF의 분산성과 유변학적 성질 및 전기 전도성을 측정하였다.¹¹

대상 데이터

재료. 사용한 충전제는 일본 쇼와덴코사의 직경 150 nm, 종횡비가 약 10〜500의 분포를 가지고 2800 ℃에서 흑연화 과정을 통해 높은 결정화도를 가지는 VGCF로서 더 이상의 정제 없이 사용하였다.
유변학적 특성. 유변학적 거동을 위한 시편은 위와 동일한 방법으로 직경 20 mm, 두께 5 mm의 금형을 사용하여 제조하였다.

이론/모형

5 atm)을 가해 복합체 필름을 제조하였다. 제조된 필름의 직류 전기 전도도는 접촉저항의 효과를 최소화할 수 있는 4탐침법(four probe method)을 이용하여 측정하였다. 공급전압은 CAl000(Yokogawa Electric Works Ltd, Jgan)을 이용하였으며, 전압계로는 6512 Programmable Electrometer(Keithley, USA)을 사용하였다.

성능/효과

낮은 주파수영역에서 과도한 점도 상승 현상은 MWNT를 사용한 고분자 복합체 제조에서도 비슷한 현상이 보고되고 있다.^17,18 VGCF 10 wt% 이상이 충전되었을 때 나노복합체는 주파수를 증가시킴에 따라 점도가 감소하는 전단 묽어짐 현상(shear thinning behavior)을 나타내었으며 이 현상은 고전단에서는 낮아진 점도로 인하여 고충전의 VGCF/고분자 복합체를 쉽게 가공할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
따른 복합점도(η*) 변화를 나타내었다. VGCF가 혼입되지 않은 미충전 PPS경우에는 뉴턴의 유체거동을 보였으며, 1, 5 wt%의 VGCF가 충전된 복합체의 경우 거의 유사한 거동을 보였다. 그러나, 10 wt% 이상 혼입되었을 때에 PPS와 비교시 점도가 약 100배 정도 상승하는 것을 보였다.
VGCF가 혼입된 복합체의 경우 VGCF의 표면에 존재하는 결함으로 인하여 충격강도는 오히려 미충전 수지에 비해 감소하였으며 불량한 섬유-매트릭스 접착력으로 인하여 VGCF 함량의 증가에 따라 용융 점도가 오히려 감소함을 관찰하였다. 한편 최근에는 연료전지용 복합 분리판이나 전기전자부품용 소재로 내용매성, 내열성 등 제반물성의 균형이 우수한 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS) 수지의 각 산업 분야에서의 활용이 증가하고 있다.
4(b)에 나타내었다. VGCF의 농도가 5 wt%까지는 매우 낮은 η*를 보이지만 10 wt%를 이르러서는 급격한 η*의 증가를 관찰할 수 있었다. 이와 유사한 예로, Lozano 그룹은 본 연구결과와 비슷한 함량인 10 wt% VGCF에서 점도가 크게 상승함을 관찰하였고 이 농도를 유변학적 percolation 문턱(rheological percolation threshold)이라고 명명하였다.
나노복합체를 제조하였다. 나노복합체의 제조에 사용한 VGCF 의 분산성을 SEM과 HR-TEM으로 관찰한 결과, 모든 조성에서 VGCF 의 대부분이 분리되어 매우 잘 분산되었음을 알 수 있었다. 이는 이축 압축기의 강한 전단 응력이 나노충전제를 분산시키는데 매우 효과적임을 의미한다.
복합체의 유변학적 특성은 평행평판 회전점도계를 이용하여 주파수에 따라 측정하였으며, 그 결과 PPS 내에 VGCF가 혼입됨으로써 점도와 동적 탄성률 모두 증가함을 관찰하였다. 또한 1, 5 wt% VGCF/PPS 복합체는 미충전 PPS와 비슷한 유체의 특성을 보였지만 10 wt% VGCF 혼입시에 나노복합체는 고체와 비슷한 거동을 보임을 확인할 수 있었고 이는 10 wt% VGCF/PPS 복합체 내에서 네트워크가 형성된 것으로 보여진다. 이러한 결과를 통해 전기적 관점뿐만 아니라 유변학적 관점에서도 10 wt% 이상의 VGCF를 혼입함으로써 복합체 내에서 네트워크가 형성되었음을 판단할 수 있다.
복합체는 VGCF 함량이 10 wt% 이상일 때부터 급격한 전도도의 증가를 보였는데, 이는 VGCF 간의 접촉이 증가하면서 형성된 네트워크로 인한 것으로 판단되었으며 VGCF의 함량을 증가시킴에 따라 전도도 또한 계속적으로 증가하였다. 이것으로 VGCF는 고분자 매트릭스에 전도성올 부여하는 다기능 충전제로써 사용할 수 있는 가능성을 보여주었다.
이것으로 VGCF는 고분자 매트릭스에 전도성올 부여하는 다기능 충전제로써 사용할 수 있는 가능성을 보여주었다. 복합체의 유변학적 특성은 평행평판 회전점도계를 이용하여 주파수에 따라 측정하였으며, 그 결과 PPS 내에 VGCF가 혼입됨으로써 점도와 동적 탄성률 모두 증가함을 관찰하였다. 또한 1, 5 wt% VGCF/PPS 복합체는 미충전 PPS와 비슷한 유체의 특성을 보였지만 10 wt% VGCF 혼입시에 나노복합체는 고체와 비슷한 거동을 보임을 확인할 수 있었고 이는 10 wt% VGCF/PPS 복합체 내에서 네트워크가 형성된 것으로 보여진다.
또한 계속적으로 증가하였다. 이것으로 VGCF는 고분자 매트릭스에 전도성올 부여하는 다기능 충전제로써 사용할 수 있는 가능성을 보여주었다. 복합체의 유변학적 특성은 평행평판 회전점도계를 이용하여 주파수에 따라 측정하였으며, 그 결과 PPS 내에 VGCF가 혼입됨으로써 점도와 동적 탄성률 모두 증가함을 관찰하였다.
높은 VGCF 함량을 가지는 복합체 내에서도 VGCF는 뭉침 현상 없이 매우 균일하게 분산되었음을 확인하였다. 이는 본 연구에서 사용한 이축압출기가 별도의 전처리 과정을 거치지 않고도 VGCF를 PPS 수지 내에 균일하게 분산시키는데 매우 효과적으로 작용하였음을 보여준다.
또한 1, 5 wt% VGCF/PPS 복합체는 미충전 PPS와 비슷한 유체의 특성을 보였지만 10 wt% VGCF 혼입시에 나노복합체는 고체와 비슷한 거동을 보임을 확인할 수 있었고 이는 10 wt% VGCF/PPS 복합체 내에서 네트워크가 형성된 것으로 보여진다. 이러한 결과를 통해 전기적 관점뿐만 아니라 유변학적 관점에서도 10 wt% 이상의 VGCF를 혼입함으로써 복합체 내에서 네트워크가 형성되었음을 판단할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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