폴리머 복합체는 우수한 강도와 내구성으로 건설현장에서 프리캐스트 부재 및 보수, 보강재로서 널리 쓰이고 있어 폴리머 복합체의 경제성 및 성능 향상에 관한 연구가 이루어지고 있다. 폴리머 나노 복합체는 나노미터 수준의 크기를 가진 Clay 등의 무기 물질을 나노분산 상으로 폴리머에 균일 혼합시킨 것으로 산업적 응용가능성 면에서 뿐만 아니라 재료 및 공학분야에서도 많은 관심을 가지고 있다. 그리고 기존의 복합체 보다 1/10 혹은 그 이상의 낮은 함량의 분산상만으로도 더 우수한 강도와 역학적 특성 및 열안정성을 나타낸다. 본 실험에서는 폴리머 복합체의 성능을 향상시키고자 유기화된 몬모릴로나이트(MMT)와 유기화 되지 않은 몬모릴로나이트(MMT)를 사용하여 박리된 MMT-UP 나노 복합체를 제조하였다. XRD와 TEM실험결과, Cloisite 30B-UP 나노 복합체에서 층과 층 사이가 $100{\AA}$ 이상 떨어져 단일층으로 분산되었기 때문에 박리가 되었음을 알 수 있었다. 또한 역학적 특성은 기존복합체보다 인장강도와 인장탄성계수을 비교하였을 때 매우 향상됨을 알 수 있었고 열적 특성도 기존복합체보다 우수한 함을 나타내었다. 박리정도가 우수한 MMT-UP 복합체로 제조한 폴리머 콘크리트에서도 순수한 UP를 사용한 것보다 역학적 특성이 두드러졌다. 또한 폴리머 콘크리트의 강도와 탄성계수는 MMT-UP 복합체의 인장강도 및 인장탄성계수와 상관성을 갖는 것으로 판단된다.
폴리머 복합체는 우수한 강도와 내구성으로 건설현장에서 프리캐스트 부재 및 보수, 보강재로서 널리 쓰이고 있어 폴리머 복합체의 경제성 및 성능 향상에 관한 연구가 이루어지고 있다. 폴리머 나노 복합체는 나노미터 수준의 크기를 가진 Clay 등의 무기 물질을 나노분산 상으로 폴리머에 균일 혼합시킨 것으로 산업적 응용가능성 면에서 뿐만 아니라 재료 및 공학분야에서도 많은 관심을 가지고 있다. 그리고 기존의 복합체 보다 1/10 혹은 그 이상의 낮은 함량의 분산상만으로도 더 우수한 강도와 역학적 특성 및 열안정성을 나타낸다. 본 실험에서는 폴리머 복합체의 성능을 향상시키고자 유기화된 몬모릴로나이트(MMT)와 유기화 되지 않은 몬모릴로나이트(MMT)를 사용하여 박리된 MMT-UP 나노 복합체를 제조하였다. XRD와 TEM실험결과, Cloisite 30B-UP 나노 복합체에서 층과 층 사이가 $100{\AA}$ 이상 떨어져 단일층으로 분산되었기 때문에 박리가 되었음을 알 수 있었다. 또한 역학적 특성은 기존복합체보다 인장강도와 인장탄성계수을 비교하였을 때 매우 향상됨을 알 수 있었고 열적 특성도 기존복합체보다 우수한 함을 나타내었다. 박리정도가 우수한 MMT-UP 복합체로 제조한 폴리머 콘크리트에서도 순수한 UP를 사용한 것보다 역학적 특성이 두드러졌다. 또한 폴리머 콘크리트의 강도와 탄성계수는 MMT-UP 복합체의 인장강도 및 인장탄성계수와 상관성을 갖는 것으로 판단된다.
Polymer composite are increasingly considered as structural components for use in civil engineering, on account of their enhanced strength-to-weight ratios. Unsaturated polyester (UP) resin have been widely used for the matrix of composites such as FRP and polymer composite, due to its excellent adh...
Polymer composite are increasingly considered as structural components for use in civil engineering, on account of their enhanced strength-to-weight ratios. Unsaturated polyester (UP) resin have been widely used for the matrix of composites such as FRP and polymer composite, due to its excellent adhesive. Polymer nanocomposites are new class of composites derived from the nano scale inorganic particles with dimensions typically in the range of 1 to 1000 nm that are dispersed in the polymer matrix homogeneously. Owing to the high aspect ratio of the fillers, mechanical, thermal, flame, retardant and barrier properties are enhanced without significant loss of clarity, toughness or impact strength. To prepare the MMT (Montmorillonite)-UP exfoliated nanocomposites, UP was mixed with MMT at $60^{\circ}C$ for 3 hours by using pan mixer. XRD (X-ray diffraction) pattern of the composites and TEM (Transmission Electron Micrographs) showed that the interlayer spacing of the modified MMT were exfoliated in polymer matrix. The mechanical properties also supported these findings, since in general, tensile strength, modulus with modified MMT were higher than those of the composites with unmodified MMT. The thermal stability of MMT-UP nanocomposite is better than that of pure UP, and its glass transition temperature is higher than that of pure UP. The polymer concrete made with MMT-UP nanocomposite has better mechanical properties than of pure UP. Therefore, it is suggested that strength and elastic modulus of polymer concrete was found to be positively tensile strength and tensile modulus of the MMT-UP nanocomposites.
Polymer composite are increasingly considered as structural components for use in civil engineering, on account of their enhanced strength-to-weight ratios. Unsaturated polyester (UP) resin have been widely used for the matrix of composites such as FRP and polymer composite, due to its excellent adhesive. Polymer nanocomposites are new class of composites derived from the nano scale inorganic particles with dimensions typically in the range of 1 to 1000 nm that are dispersed in the polymer matrix homogeneously. Owing to the high aspect ratio of the fillers, mechanical, thermal, flame, retardant and barrier properties are enhanced without significant loss of clarity, toughness or impact strength. To prepare the MMT (Montmorillonite)-UP exfoliated nanocomposites, UP was mixed with MMT at $60^{\circ}C$ for 3 hours by using pan mixer. XRD (X-ray diffraction) pattern of the composites and TEM (Transmission Electron Micrographs) showed that the interlayer spacing of the modified MMT were exfoliated in polymer matrix. The mechanical properties also supported these findings, since in general, tensile strength, modulus with modified MMT were higher than those of the composites with unmodified MMT. The thermal stability of MMT-UP nanocomposite is better than that of pure UP, and its glass transition temperature is higher than that of pure UP. The polymer concrete made with MMT-UP nanocomposite has better mechanical properties than of pure UP. Therefore, it is suggested that strength and elastic modulus of polymer concrete was found to be positively tensile strength and tensile modulus of the MMT-UP nanocomposites.
휨공시체는 2,225N/min의 일정한 비율로 3점 재하하였다. 폴리머 콘크리트의 압축강도시험은 ø75×150-mm 원주형 공시체에서 실험하였고 압축강도 공시체는 44,500 N/min의 일정한 속도로 재하하여 실험 하였다.
MMT 각 층들의 박리정도 및 형태를 보다 정량적으로 확인하기 위해 TEM 관찰을 하였다. Fig.
MMT의 함유량에 따른 유리전이온도(Tg)의 변화를 계산하기 위해서 DSC 분석을 TA사의 DSC 2010를 이용하여 10℃/min으로 승온속도로 상온에서 300℃까지 실험하였고 열적특성을 알아보기 위해서 TA사의 SDT 2960 simultaneous DSC-TGA를 사용하여 질소가스에서 10℃/min의 승온 속도로 상온에서 1000℃까지 가열한 다음 분해온도 및 잔존량을 확인하였다.
대상 데이터
사용된 재료는 2가지 종류의 MMT로서 미국의 Southern Clay 사의 유기화된 Closite 30B와 유기화되지 않은 Na+를사용하였다.
Closite 30B의 경우 층간 유기개질제로 MT2EtOH(methyl, tallow, bis-2-hydroxyethyl, quaternary ammonium)가 사용되었다. Table 1은 MMT의 종류에 따른 특성을 나타낸다.
수지는 PET를 재활용한 UP(불포화 폴리에스테르)수지로 스틸렌 함유량이 40%였으며, MMT의 층사이에 분산이 잘되기 위해서 낮은 점도를 가진 것을 사용하였다. 개시제로서는 메틸에틸케톤퍼옥사이드(MEKPO-수지의 1%사용)와 촉진제로서는 옥탄산 코발트(수지의 0.
수지는 PET를 재활용한 UP(불포화 폴리에스테르)수지로 스틸렌 함유량이 40%였으며, MMT의 층사이에 분산이 잘되기 위해서 낮은 점도를 가진 것을 사용하였다. 개시제로서는 메틸에틸케톤퍼옥사이드(MEKPO-수지의 1%사용)와 촉진제로서는 옥탄산 코발트(수지의 0.1%)을 사용하여 경화시켰다. 사용된 나노 MMT와 수지 및 골재는 Table 1에서 3에 나타내었다.
폴리머 콘크리트의 휨강도 공시체는 60×60×240-mm. 휨 몰드를 사용하여 제작하였다.
폴리머 콘크리트의 휨강도 공시체는 60×60×240-mm. 휨 몰드를 사용하여 제작하였다. 휨공시체는 2,225N/min의 일정한 비율로 3점 재하하였다.
탄성계수는 2개의 게이지를 축과 평행하게 공시체에 부착한 75 mm 표준길이를 가진 콤프레소미터를 사용하여 측정하였다.
폴리머 콘크리트의 공시체는 5%의 MMT를 넣은 Cloisite 30B-UP 나노 복합체를 사용하였다. 실험결과에 따르면 Fig.
이론/모형
54Å)를 사용하였다. 이때 실리케이트 층 간 간격 d는 Bragg's law를 통해 직접계산하였다.
성능/효과
MMT-UP 나노 복합체의 MMT의 함유량에 따른 인장강도와 인장탄성계수를 측정한 결과 Fig. 5와 같이 Closite 30B와 Na+-UP복합체의 인장강도는 순수한 UP보다 증가하였다. 또한 Fig.
특히 Closite 30B-UP 복합체가 가장 높은 강도와 인장탄성계수를 나타내었다. Na+-UP 복합체에서 인장강도의 증가는 순수한 UP의 인장탄성계수와 비교할 때 다소 차이를 나타내었으나 Closite 30B와 비해서 두드러지지는 않았다. 이것은 Closite 30B-UP 복합체의 인장강도와 탄성계수의 증가는 분산정도에 기인하는 것으로 생각되며 특히 앞서 박리 정도에서 다소 차이를 나타냈던 Closite 30B-UP 복합체가 역학적 물성에서도 형태구조의 영향을 받는 것으로 판단된다.
DSC와 TGA실험를 통한 폴리머의 열적 특성을 실험결과 Fig. 7과 같이 Closite 30B-UP 나노 복합체의 유리전이온도가 MMT함유량에 따라 증가됨을 알 수 있다. 그것은 MMT 표면과 UP사이에 가교결합 밀도가 향상되어 폴리머 사슬의 분리된 운동을 막는 다는 것을 알 수 있다.
7과 같이 Closite 30B-UP 나노 복합체의 유리전이온도가 MMT함유량에 따라 증가됨을 알 수 있다. 그것은 MMT 표면과 UP사이에 가교결합 밀도가 향상되어 폴리머 사슬의 분리된 운동을 막는 다는 것을 알 수 있다. 양생된 UP의 Tg의 영향을 미치는 주요한 요소는 동일한 UP에서 가교결합 밀도로 알려졌다.
그러므로 MMT-UP 나노 복합체는 높은 가교결합 밀도를 가지고 있음을 결론을 내릴 수 있다.
또한 순수 UP는 400℃에서 완전한 분해가 이루어졌으나 Cloisite 30B-UP 나노 복합체의 경우 400℃ 이상에서도 느린 중량감소를 나타내었다. 이는 Cloisite 30B-UP 나노 복합체 내부의 무기물인 MMT가 잔존하기 때문인 것으로 판단되며, 따라서 MMT-UP 나노 복합체는 순수한 UP에 비하여 열적 안정성이 향상된 것으로 나타났다.
폴리머 콘크리트의 공시체는 5%의 MMT를 넣은 Cloisite 30B-UP 나노 복합체를 사용하였다. 실험결과에 따르면 Fig. 9 및 10과 같이 Closite 30B-UP 나노 복합체를 사용한 폴리머 콘크리트의 압축강도, 탄성계수, 할열인장강도는 순수 UP을 사용한 폴리머 콘크리트보다 높게 나타났다. UP에 단일층으로 분산되어 박리된 MMT-UP 나노 복합체가 폴리머 콘크리트의 강도를 증진시키는 것으로 추정된다.
폴리머 콘크리트의 압축강도, 탄성계수, 할열인장강도는 MMT-UP 복합체의 인장강도, 인장탄성계수가 증가함에 따라 증가 하였으나 폴리머 콘크리트의 휨강도는 MMT-UP 나노복합체의 인장강도와 인장탄성계수 만큼의 증가는 나타나지 않았다. 폴리머 콘크리트에 있어서 UP의 향상된 성능은 매우 중요하며 Nano-MMT를 사용한 폴리머 콘크리트의 역학적 특성의 향상은 주목할만 하다고 하겠다.
1. MMT-UP 나노 복합체의 역학적, 열적 특성은 폴리머에 MMT 5%을 분산하였을 때 인장강도와 인장탄성계수, 유리전이온도가 최고치를 나타내었다. 그러나 5%이상 분산 시에는 가교 밀도(crosslinking density)의 감소로 인하여 역학적 특성이 저하되고, 유리전이 온도도 낮아졌다.
2. Na+-UP 복합체에서는 Closite 30B-UP 복합체에 비하여 박리정도가 우수하지 않았기 때문에 역학적, 열적특성의 뚜렷한 향상이 나타나지 않았다.
3. 박리정도가 우수한 나노 MMT-UP 복합체(Closite 30BUP)는 폴리머 콘크리트의 강도 향상에 효과를 가지는 것으로 나타났으며, 폴리머 콘크리트의 압축강도와 압축탄성계수의 증가는 나노 MMT-UP 복합체의 인장강도 및 인장 탄성계수의 증가와 밀접한 관계를 갖는 것으로 판단된다. 따라서 나노 MMT의 완전한 박리 분산에 의한 나노 MMT-UP 복합체의 제조는 기존 폴리머 복합체의 성능을 향상 시킬 것으로 판단된다.
박리정도가 우수한 나노 MMT-UP 복합체(Closite 30BUP)는 폴리머 콘크리트의 강도 향상에 효과를 가지는 것으로 나타났으며, 폴리머 콘크리트의 압축강도와 압축탄성계수의 증가는 나노 MMT-UP 복합체의 인장강도 및 인장 탄성계수의 증가와 밀접한 관계를 갖는 것으로 판단된다. 따라서 나노 MMT의 완전한 박리 분산에 의한 나노 MMT-UP 복합체의 제조는 기존 폴리머 복합체의 성능을 향상 시킬 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폴리머 복합체가 건설현장에서 프리캐스트 부재 및 보수, 보강재로 널리 이용되는 갖고 있는 이점은?
폴리머 복합체는 우수한 강도와 내구성으로 건설현장에서 프리캐스트 부재 및 보수, 보강재로서 널리 쓰이고 있어 폴리머 복합체의 경제성 및 성능 향상에 관한 연구가 이루어지고 있다. 폴리머 나노 복합체는 나노미터 수준의 크기를 가진 Clay 등의 무기 물질을 나노분산 상으로 폴리머에 균일 혼합시킨 것으로 산업적 응용가능성 면에서 뿐만 아니라 재료 및 공학분야에서도 많은 관심을 가지고 있다.
폴리머 나노 복합체는 어떤 특성을 가지고 있는가?
폴리머 나노 복합체는 산업적 응용가능성 뿐만 아니라 재료 및 공학 분야에서도 많은 관심을 가지고 있다. 폴리머 나노 복합체는 기존의 폴리머 복합체보다 1/10 혹은 그 이상의 낮은 함량의 분산상만으로도 더 우수한 강도와 치수 안정성, 역학적 특성 및 열 안정성을 나타낼 뿐만 아니라 분산상의 매우 큰 표면적과 종횡비에 기인하는 기존 폴리머 복합체에서 볼 수 없었던 많은 독특한 특성을 갖는 것으로 확인되고 있다(Aranda, 1992).
MMT-UP 나노 복합체 제조에는 어떤 과정이 있는가?
MMT-UP 나노 복합체 제조에는 2가지 과정이 있다. 첫번째 과정에서는 혼합하는 단계, 즉 UP에 MMT넣고 혼합하는 것이다. 그 다음은 양생과정으로서 가교결합반응은 개시제를 첨가함에 따라 양생이 시작된다.
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