[논문]고에너지볼밀을 이용한 PVA 고분자가 표면 코팅된 B4C 나노복합재 제조

엄영랑; 김재우; 정진우; 이창규

doi:10.4150/kpmi.2009.16.2.110

고에너지볼밀을 이용한 PVA 고분자가 표면 코팅된 B4C 나노복합재 제조
The Fabrication of PVA Polymer Coated on the Surface of B4C Nanocomposite by High Energy Ball Mill 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.16 no.2, 2009년, pp.110 - 114

엄영랑 (한국원자력연구원 원자력재료연구부) , 김재우 (한국원자력연구원 원자력재료연구부) , 정진우 (한국원자력연구원 원자력재료연구부) , 이창규 (한국원자력연구원 원자력재료연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

Mechanical coating process was applied to form 89 %-hydrolyzed poly vinyl alcohol (PVA) onto boron carbide ($B_4C$) nanopowder using one step high energy ball mill method. The polymer layer coated on the surface of B4C was changed to glass-like phase. The average particle size of core/shell structured $B_4C$/PVA was about 50 nm. The core/shell structured $B_4C$/PVA was formed by dry milling. However, the hydrolyzed PVA of $98{\sim}99%$ with high glass transition temperature ($T_g$) was rarely coated on the powder. The $T_g$ of polymer materials was one of keys for guest polymer coating on to the host powder by solvent free milling.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

ZrO₂와 STS볼 모두 질량당 에너지전이 값이, 낮은 rpm에서는 큰 차이를 보이지 않으나 고 rpm에서는 STS볼이 비교적 높은 ΔE/Q_max값을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 때문에 본 연구에서는 STS볼을 이용하여 B₄C분말과 89%가수분해 PVA를 함께 볼밀을 이용하여 나노화 및 표면개질을 수행하였다.
89% 가수분해 PVA입자는 물에 매우 잘 녹는 특징이 있다. 때문에 제조된 복합재를 증류수에 넣어 표면의 PVA를 녹여낸 후 레이저입도분석기(LPSA)를 이용하여 입도를 측정하였다. 입자의 나노화의 진행 속도를 알기위하여 PVA를 사용하지 않은 순수한 B₄C 분말도 같은 조건으로 볼밀을 수행하여 입도 크기를 비교하여 보았다.
본 연구에서는 고에너지 볼밀 장치를 이용하여 PVA로 표면이 개질된 B₄C 나노분말을 제조하였으며 core/shell 구조가 형성되는 볼밀링의 조건을 확인하였다.
볼밀링 공정을 수행하기 위하여 B₄C 분말이 새로 개발된 고에너지볼밀장치 내에서 볼과 충돌할 때 받게 될 에너지 전이 값을 계산하여 보았다. Magini & Isonna 모델은 볼과 분말 충돌 시의 질량당 에너지 전이를 나타내는 볼밀 공정의 대표적 메커니즘이다[12].
수냉시스템을 보유한 고에너지볼밀 장치를 이용하여 PVA가 코팅된 B₄C 나노복합 분말을 제조하였다. 고에너지볼밀로 700 rpm 50분 조건으로 제조된 B₄C와 PVA 복합재 분말의 평균입도는 50 nm였다.
때문에 제조된 복합재를 증류수에 넣어 표면의 PVA를 녹여낸 후 레이저입도분석기(LPSA)를 이용하여 입도를 측정하였다. 입자의 나노화의 진행 속도를 알기위하여 PVA를 사용하지 않은 순수한 B₄C 분말도 같은 조건으로 볼밀을 수행하여 입도 크기를 비교하여 보았다. 입자 분쇄율은 그림 3(a)와같이 PVA를 넣지 않고 순수한 B₄C를 밀링하는 경우, 초기 10분간 밀링을 수행할 때, PVA와 함께 B₄C를 밀링하는 경우 보다 분쇄가 더 빠르게 진행되었다.
볼밀의 회전속도는 700 rpm을 유지하였으며 볼밀 시간에 따라 입도를 측정하였다. 제조된 분말 상의 구조 및 입도 분석은 X선 회절, 레이저입도분석기(Laser Particle Size Analyzer-LPSA)과 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscopy-TEM)을 이용하였다. 표면개질용 촉매로 98~99% 가수분해 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol-PVA, 분자량 85,000, 순도 99.
제조된 분말 상의 구조 및 입도 분석은 X선 회절, 레이저입도분석기(Laser Particle Size Analyzer-LPSA)과 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscopy-TEM)을 이용하였다. 표면개질용 촉매로 98~99% 가수분해 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol-PVA, 분자량 85,000, 순도 99.9%)을 비교 사용하여 core/shell 구조 형성 조건을 확인하였다.
한편, 89% 가수분해 PVA는 친수성이 너무 강하여 이러한 단점을 보완하고자 98~99% 이상 가수분해된 PVA를 이용하여 같은 조건에서 볼밀공정을 수행하였으며 제조된 분말의 투과전자 현미경 사진은 그림 4에 제시하였다. 그러나 이 경우 그림 3(b)에서 와 같은 PVA의 코팅 층은 전혀 존재하지 않음을 확인 할 수 있었다.

대상 데이터

9%) 분말을 사용하였다. 고에너지볼밀은 스테인리스스틸강 (stainless steel-STS) 재료의 자(jar)를 사용하였으며 냉각수를 이용하여 용적 133 cm³의 자 외부를 식힐수 있는 구조로 개발되었다. 자의 뚜껑에는 고무계열의 오-링(O-ring)이 있어 자 내부의 압력, 분위기 가스 등을 유지할 수 있다.
시작 물질로는 B4C(평균입도 5 μm, 순도 99.9%) 그리고 89% 가수분해 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol-PVA, 분자량 50,000, 순도 99.9%) 분말을 사용하였다.
자의 뚜껑에는 고무계열의 오-링(O-ring)이 있어 자 내부의 압력, 분위기 가스 등을 유지할 수 있다. 직경 5 mm의 스테인리스스틸(STS)볼이 사용되었으며, B₄C와 PVA는 무게비로 1:1로 혼합하였다. 또한 볼과 분말의 비는 10:1이었다.

성능/효과

ZrO2와 STS볼 모두 질량당 에너지전이 값이, 낮은 rpm에서는 큰 차이를 보이지 않으나 고 rpm에서는 STS볼이 비교적 높은 ΔE/Qmax값을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
입자 분쇄율은 그림 3(a)와같이 PVA를 넣지 않고 순수한 B₄C를 밀링하는 경우, 초기 10분간 밀링을 수행할 때, PVA와 함께 B₄C를 밀링하는 경우 보다 분쇄가 더 빠르게 진행되었다. 그러나 밀링 시간이 증가할수록 B₄C 분말만 밀링하는 경우, 복합 분말 보다 분쇄율이 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 B₄C 입자들 간의 응집 때문으로 B₄C와 PVA를 함께 밀링할 경우, PVA가 B₄C 분말의 응집을 방지하는 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.
이는 B₄C 입자들 간의 응집 때문으로 B₄C와 PVA를 함께 밀링할 경우, PVA가 B₄C 분말의 응집을 방지하는 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.많은 연구결과들로부터 일반적으로 B₄C 를 나노화 할 경우 극단적으로 긴 시간(약 60시간 이상)의 볼밀시간이 필요한 것으로 알려져 있으나[13-14] 촉매재 역할을 하는 PVA없이 B₄C만 본 연구에서 사용한 수냉 시스템이 있는 고에너지 볼밀 장치를 이용하여 밀링한 경우, 일반 상용화 볼밀 장치와 비교하여 매우 급속히 분말 나노화가 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
B₄C 표면에 PVA층이 존재하지 않음을 확인할 수 있다. 본 연구에서 제조된 고에너지 볼밀 장치는 수냉(水冷) 시스템을 가지고 있어 에너지 전이 순간에 발생하는 순간적인 열을 빨리 식혀주면서 자의 회전에 의해 발생하는 마찰열도 없애주는 특징이 있다. 때문에 다른 볼밀장치에서 사용 할 수 없는 높은 회전속도(600~1,100 rpm)가 가능하다는 장점이 있다.
그림 4(c)는 볼밀장치의 자 외부를 수냉하지 않고 상대적으로 낮은 500 rpm에서 B₄C와 98~99% 가수분해 PVA를 12시간 동안 밀링을 수행한 투과전자현미경 결과이다. 분말입도는 수냉시스템을 가진 고에너지볼밀 장치를 이용한 경우보다 상대적으로 크지만 분말 표면에 PVA층이 코팅된 것을 확인할 수 있었다. 이는 건식볼밀에서 T_g가 고분자 코팅층 형성에 중요한 역할을 하는 것을 확인해 주는 증거이다.
그림 2는 고에너지 볼밀을 수행한 후 측정한 복합 분말의 X선 회절도이다. 분말제조 시 밀링 시간을 증가시키면서 700 rpm에서 B₄C와 PVA 분말의 볼 밀을 수행한 결과 밀링시간이 증가할수록 PVA의 X선의 회절강도가 감소하며 선폭이 증가하다가 700 rpm에서 50분 밀링 후 주회절선 강도가 거의 사라지고 선폭인 극도로 넓어져 비정질 상태가 되었음을 확인할 수 있었다. 이는 PVA가 글라스 상태로 변한 것을 입증하는 중요한 결과이다.
수냉을 하지 않고 분말을 제조한 후, 볼밀장치의 자 내부 온도를 측정한 결과 내부온도는 73^oC였다. 실제로 분말과 볼이 충돌하는 순간의 온도는 T_g 인 85^oC에 이르거나 높을 것으로 예상되며 상승한 온도가 쉽게 떨어지지 않아 제거가 쉽게 되지 않는 얇은 코팅막이 분말 표면에 생성되었음을 확인 할 수 있었다. 이러한 견고한 수용성 표면 막을 가지는 복합분말의 one-step 제조법은 산업적인 응용관점에서도 매우 중요할 것이다.
그러나 밀링 시간이 증가할수록 B₄C 분말만 밀링하는 경우, 복합 분말 보다 분쇄율이 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 B₄C 입자들 간의 응집 때문으로 B₄C와 PVA를 함께 밀링할 경우, PVA가 B₄C 분말의 응집을 방지하는 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.많은 연구결과들로부터 일반적으로 B₄C 를 나노화 할 경우 극단적으로 긴 시간(약 60시간 이상)의 볼밀시간이 필요한 것으로 알려져 있으나[13-14] 촉매재 역할을 하는 PVA없이 B₄C만 본 연구에서 사용한 수냉 시스템이 있는 고에너지 볼밀 장치를 이용하여 밀링한 경우, 일반 상용화 볼밀 장치와 비교하여 매우 급속히 분말 나노화가 일어나는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

결국, 호스트 분말이 가지는 특성이외에도 흐름성, 젖음성, 분산성 등의 특성이 향상되는 장점이 있다[10-11]. 특히, 건식밀링공정으로 이러한 호스트/게스트분말을 제조할 경우 일단계(one-step) 공정으로 분말 나노화와 표면개질이 가능하여 대량 생산 공정에 실제로 적용될 방안이 확보될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기계적 합금화법의 장점은?	분말야금의 전형적인 방법 중 하나인 기계적 합금화(Mechanical alloy) 법은 저비용, 단순 공정의 강점이 있어 산업화에 용이하다. 이러한 볼밀링 공정은 복합재 제조와 표면처리 공정에 자주 이용되기도 한다.
	탄화붕소에 볼밀링을 수행 할 경우 무엇이 입자의 나노화 및 기지 내 분산을 저해하는 요소로 작용하는가?	그러나 강도가 높은 B4C를 나노화하는 것은 매우 어려운 일이다. 특히, 볼밀링을 수행할 경우 입자간의 강한 반데르발스(Van der walls) 인력은 입자의 나노화 및 기지 내 분산을 저해하는 요소이다. 때문에 복합재 필러(filler)로 사용되는 분말들은 대부분 표면 개질을 통하여 분산될 기지체와의 젖음성을 향상시킨 후 시용된다.
	세라믹 고분자 복합재의 특성은?	세라믹 고분자 복합재는 세라믹과 고분자의 장점을 모두 가진 물질로 경량, 고압축강도, 낮은 열전달성, 극한 외부 환경 대응성 등의 강점이 필요한 산업 분야에서 그 이용가치가 높다[1]. 탄화붕소(B4C)은 다이아몬드(diamond)와 입방체 질화붕소(c-BN) 다음으로 강도가 높은 물질이며, 밀도(2.

참고문헌 (14)

R. Rodriguez, E. Arteaga, D. Rangel, R. Salazar, S. Vargas and M. Estevez: Journal of Non-Crystalline Solids, 355 (2009), p.132

상세보기
F. Thevenot: J. Eur. Ceram. Soc. 6 (1990) 205

상세보기
N. Vast, J. M. Besson, S. Baroni and A. Dal Corso: Comput. Mater. Sci., 17 (2000) 127

상세보기
F. Mauri, N. Vast, C. Pickard: Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 085506

상세보기
H. Lee, R. F. Speyer and W. S. Hackenberger: J. Am. Ceram. Soc., 85 (2002) 2131

상세보기
V. A. Artem'ev, 93(2) (2002) 665
V. A. Artem'ev, 94(4) (2003) 282
M. Alexandre and P. Dubois: Materials Science and Engineering, 28 (2000) 1

상세보기
Jeonghwan Kim, Munetake Satoh and Tomohiro Iwasaki: Materials Science and Engineering A, 342 (2003) 258

상세보기
K. S. Venkataraman and K.S. Narayanan: Powder Technol. 96 (1998) 190

상세보기
Y. Ouabbas, A. Chamayou, L. Galet, M. Baron, G. Thomas, P. Grosseau and B. Guilhot: Powder Technology, 190(1-2) (2009) 200

상세보기
M. Magini, A. Iasonna and F. Padella: Scripta Materialia, 34(1) (1996) 13-19

상세보기
Alfeu S. Ramos, Simone P. Taguchi, Erika C.T. Ramos, Vera L. Arantes and Sebastiao Ribeiro: Materials Science and Engineering A, 422 (2006) 184

상세보기
F. Deng, H.-Y. Xie, L. Wang: Materials Letters, 60 (2006) 1771

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증