[논문]In-situ 법에 의한 폴리우레탄/기능화 된 그래핀 나노복합체의 합성에 관한 연구

황수옥; 이병환; 조을룡

doi:10.7473/ec.2012.47.3.238

In-situ 법에 의한 폴리우레탄/기능화 된 그래핀 나노복합체의 합성에 관한 연구
A Study on Synthesis of Polyurethane/Functionalized Graphene Nanocomposites by In-situ Intercalation Method 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.47 no.3, 2012년, pp.238 - 245

황수옥 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학부) , 이병환 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학부) , 조을룡 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학부)

초록
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천연 흑연으로부터 Graphene oxide(GO)를 합성한 후 diisocyanatodicyclohexylmethane($H_{12}MDI$)를 이용하여 GO의 표면을 기능화하였고, hydrazine monohydrate에 의한 환원을 통해 isocyanate-graphene sheet(i-RGO)를 얻었다. 폴리우레탄과 적합한 나노복합체를 형성하기 위하여 GO, i-RGO, 천연흑연 및 열적환원된 graphene을 서로 비교분석하였으며, i-RGO가 가장 적합한 나노충전제로 선정되었다. 선정된 i-RGO의 함량에 따른 폴리우레탄의 물성 향상을 확인하기 위하여 충전제의 함량을 다르게 하여 PU/i-RGO 나노복합체를 합성하였다. 물성 평가에서, i-RGO의 함량이 증가할수록 열적 안정성, 경도 및 접촉각(발수력)이 향상되었는데, 이는 i-RGO의 물성 특성 및 가교점 작용에 기인한 것으로 판단되었다. 다만, 인장강도와 신장률의 경우 함량이 4 wt%를 넘어갈 경우 오히려 물성이 감소하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 과량의 가교점 형성이 원인인 것으로 해석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Graphene oxide was synthesized from natural graphite, and its surface was modified using diisocyanatodicyclohexylmethane( $H_{12}MDI$). Isocyanate-graphene sheet(i-RGO) was obtained by reduction of surface modified GO. To select nanofiller having good dispersion with polyurethane, GO, i-RGO, natural graphite and thermal reduced graphite were analyzed, and then i-RGO was selected as a suitable nanofiller. PU/i-RGO nanocomposite was synthesized with various i-RGO contents to estimate effect of reinforcement on nanocomposite. Thermal stability, hardness, contact angle were increased with i-RGO contents due to i-RGO characteristic and crosslink bridge effect. But, tensile strength and elongation were decreased at i-RGO contents more than the 4 wt%. This phenomenon was interpreted by the excess formation of crosslink bridge.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 흑연류 물질인 graphene이 고분자 나노충전제로 사용되는데 걸림돌이 되었던, 고분자 matrix 내분산성 증대를 위해 graphene의 표면을 isocyanate로 개질하였을 뿐만 아니라, hydrazine hydrate를 이용한 화학적 환원법을 통하여 graphene의 구조적 결함정도를 회복시켜 물성향상을 도모하였고, PU와의 나노복합체 형성을 통해 물성 향상정도를 측정해보았다. 우선 4가지 흑연류 물질(Natural graphite, Graphite oxide, Isocyanate treated graphene, thermal reduction graphene)을 준비하여 유기용매(DMF)에서의 분산성을 확인하였다.
이 표면개질 graphene sheet는 말단부분에 존재하는 isocyanate기 때문에 PU와 grephene을 가교화 함으로써 graphene의 응집에 따른 분산문제를 해결하고, 물성향상을 기대할 수 있다. 즉 graphene sheet를 나노 가교점으로 작용하게 하는 PU-grapehen 나노복합체를 합성하고 이에 따른 물리적 성질, 열적 성질의 변화에 대하여 고찰해 보았다.^8-11

제안 방법

본 연구에서는 폴리우레탄의 역학적 및 열적 성질의 향상을 위하여 폴리우레탄에 isocyanate로 표면 개질한 graphene sheet를 나노 충전제로 사용하였다.^6-7 사용된 나노충전제는 Hummers method8에 기초하여 Natural graphite를 H₂SO₄, KMnO4, H₂O₂로 산화시켜 산화 그래핀을 얻고, 표면과 가장자리에 위치한 히드록시기와 카르복실기에 isocyanate를 도입하여 isocyanate-treated graphene oxide를 제조하였다. 이 표면개질 graphene sheet는 말단부분에 존재하는 isocyanate기 때문에 PU와 grephene을 가교화 함으로써 graphene의 응집에 따른 분산문제를 해결하고, 물성향상을 기대할 수 있다.
ASTM D2240에 의해 제작된 PU sheet의 경도를 측정하기 위하여 Shore A 경도계(TH 200, Time Co.)를 이용하여 4개의 시편(100 mm x 100 mm x 2 mm)을 제작한 후 가장자리와 가운데 부분을 3회씩 측정하여 평균값으로 표기하였다.
Graphite oxide 및 graphene의 합성유무를 판별하기 위해 Raman Spectroscope(RM 2000NUV, Renishwa)을 이용하여 1,580 cm^-1부근의 G 피크 와 1,340 cm^-1부근의 D 피크를 관찰하여 보았다. 광원은 아르곤 레이저(514 nm)가 사용되었다.
In-situ polymerization을 통해 합성된 샘플에서 i-RGO의 분산도를 확인하기 위해 필름상태로 준비된 시편을 액체질소 내에서 급냉과 동시에 절단하여 파단면을 얻었다. 시편을 백금 코팅 처리한 후 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, JSM-7500F)를 사용하여 파단면의 모폴로지를 확인하였다.
Particle Size Analysis(Accusizer 780, PSS)를 이용하여 천연 흑연의 산화 및 초음파 박리, 환원과정 동안의 입도크기 변화를 관찰해 보았다.
i-RGO 함량에 따른 PU 나노복합체의 열적 성질 변화를 TGA(TGA 4000, Perkin Elmer)를 사용하여 온도에 따른 무게 감소율을 측정하였다. TGA 측정 중 질소기류는 20 ml/min, 승온속도는 10 ℃/min, 온도범위는 50～600 ℃로 설정하였다.
i-RGO가 충전제로 첨가될 시의 PU 필름의 발수성을 확인해 보기 위하여 접촉각을 측정하였다. 측정은 접촉각 분석기(Phx 300, SEO)를 사용하였다.
i-RGO의 함량에 따른 PU수지의 물성보강효과를 보기 위하여 PU의 합성에 필요한 폴리올과 디이소시아네이트, 쇄연장제는 일정 비율로 고정하였다 (Table 1). 또한 분산효과 증진을 위해 프리폴리머법을 이용하여 PU수지를 합성하였다.
우선 4가지 흑연류 물질(Natural graphite, Graphite oxide, Isocyanate treated graphene, thermal reduction graphene)을 준비하여 유기용매(DMF)에서의 분산성을 확인하였다. 그 결과, i-RGO가 가장 적합한 분산성을 보였기에 이를 PU에 함량을 변화시키며 합성하여 열적, 기계적 및 표면 특성들을 측정하여 보았다. i-RGO가 PU와의 grafting을 통해 나노 가교점으로 작용하기에 i-RGO 함량이 증가함에 따라, 열 안정성, 기계적 특성, 팽윤특성, 발수성이 더욱 강화되는 것을 확인할 수 있었다.
100 ml 삼각플라스크에 합성한 GO(1 g)와 DMF(100 ml)를 넣어준 후 30분간 초음파 처리를 하였다. 그 후 H₁₂MDI(1 mol)와 DBTL(dibutyl tin dilaurate, 0.05 g)을 첨가하고, 질소분위기하에서 24시간 동안 반응시켰다. 그 후 i-RGO의 환원을 위해 hydrazine monohydrate를 첨가한 후 24시간 동안 교반시켰다.
반응온도 조절을 위하여 맨틀을 사용하였고, 0～100 ℃ 까지 측정되는 수은 온도계를 사용하였다. 반응 도중 증발에 의한 용매의 손실을 방지하기 위하여 환류 냉각기를 설치하였고, isocyanate의 공기중 수분과의 반응을 막기 위하여 질소를 purge하여 주었다.
교반기가 장착된 반응조에 천연 흑연 (20 g)과 진한 황산(460 ml)를 넣어준 뒤, ice bath 조건하에서 1시간 동안 교반하여 주었다. 시료의 온도가 20 ℃를 넘어가지 않도록 과망간산 칼륨 (60 g)과 질산나트륨 (10 g)을 점진적으로 부가하여 교반하고, 과망간산칼륨이 전량 들어간 후에도 약 30분간 교반을 지속시켜 주었다. 그 후 ice bath를 제거하고 온도를 35 ℃로 유지시킨 채로 24시간 동안 교반하여 주었다.
In-situ polymerization을 통해 합성된 샘플에서 i-RGO의 분산도를 확인하기 위해 필름상태로 준비된 시편을 액체질소 내에서 급냉과 동시에 절단하여 파단면을 얻었다. 시편을 백금 코팅 처리한 후 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, JSM-7500F)를 사용하여 파단면의 모폴로지를 확인하였다.
본 연구에서는 기존의 흑연류 물질인 graphene이 고분자 나노충전제로 사용되는데 걸림돌이 되었던, 고분자 matrix 내분산성 증대를 위해 graphene의 표면을 isocyanate로 개질하였을 뿐만 아니라, hydrazine hydrate를 이용한 화학적 환원법을 통하여 graphene의 구조적 결함정도를 회복시켜 물성향상을 도모하였고, PU와의 나노복합체 형성을 통해 물성 향상정도를 측정해보았다. 우선 4가지 흑연류 물질(Natural graphite, Graphite oxide, Isocyanate treated graphene, thermal reduction graphene)을 준비하여 유기용매(DMF)에서의 분산성을 확인하였다. 그 결과, i-RGO가 가장 적합한 분산성을 보였기에 이를 PU에 함량을 변화시키며 합성하여 열적, 기계적 및 표면 특성들을 측정하여 보았다.
기기는 만능재료시험기(H5KT, Tinius Olsen)가 사용되었다. 인장속도는 500 mm/min으로 각 샘플 당 총 5개의 시편을 측정하여 평균값을 구하였다.
또한 분산효과 증진을 위해 프리폴리머법을 이용하여 PU수지를 합성하였다. 질소주 입구와 시료주입구, 온도센서, 교반기가 장착된 4구 파이렉스 반응구에 PTMG와 H12MDI를 넣고 맨틀의 온도를 70 ℃로 유지한 채 1시간 동안 균일한 조성을 이루도록 교반하여 주었다. 그 후, 촉매인 DBTL을 전체 고형분 함량이 40 wt%가 되도록 준비해 둔 DMF용제에 넣어준 뒤, 이 혼합물을 반응조에 투입 하였다.
천연 흑연의 산화 및 환원상태를 확인하기 위하여 FT-IR(Spectrum 100, Perkin Elmer)를 사용하였다. Scan 범위는 4000～650 cm^-1로 하였고, scan수는 4, resolution은 8로 setting된 상태로 측정하였다.
측정을 위해 샘플을 0.36 mm의 필름형태로 캐스팅하여 제작한 후, ASTM D-882를 기준으로 인장강도와 신장률을 측정하였다. 기기는 만능재료시험기(H5KT, Tinius Olsen)가 사용되었다.
혼합물의 점도가 증가하는 것을 확인한 후, 증류수 (920 ml)를 첨가하여 1시간 동안 교반하여준 후 여기에 많은 양의 증류수와 30% 농도의 과산화수소수 (50 ml)를 첨가하고 교반하였다. 혼합물의 색상이 회색에서 밝은 갈색으로 변화하는 것을 확인한 후, 금속이온을 제거하기 위해, 감압여과기를 이용하여 1:10 염산용액으로 씻어 주었다. 여과지에 얻어진 여과물을 vaccum oven에서 2일간 건조시킨 후, 응집물들을 다시 증류수에 분산 시켜 pH가 5～6이 될 때까지 원심분리기를 이용하여 세척하였다.
그 후 ice bath를 제거하고 온도를 35 ℃로 유지시킨 채로 24시간 동안 교반하여 주었다. 혼합물의 점도가 증가하는 것을 확인한 후, 증류수 (920 ml)를 첨가하여 1시간 동안 교반하여준 후 여기에 많은 양의 증류수와 30% 농도의 과산화수소수 (50 ml)를 첨가하고 교반하였다. 혼합물의 색상이 회색에서 밝은 갈색으로 변화하는 것을 확인한 후, 금속이온을 제거하기 위해, 감압여과기를 이용하여 1:10 염산용액으로 씻어 주었다.
흑연류 물질의 산화 및 환원처리에 따른 구조변화를 확인하기 위하여 Figure 1에서 FT-IR로 구조분석 하였다. 순수한 흑연의 경우, 작용기가 존재하지 않아 특성피크가 발현되지 않고 직선의 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

Co), 진한 황산(H₂SO496%, Samchung), 과망간산칼륨(KMnO₄, Shinyo, Japan), 질산나트륨(NaNO₃, Duksane), 염산(HCl, daejung), 과산화수소(H₂O₂30%, Daejung)이 사용되었다. GO를 기능화하기 위한 시약으로는 DMF(dimethylformamide, Daejung), H₁₂MDI(diisocanatodicyclohexylmethane, Aldrich), hydrazine monohydrate(N₂H₄․H₂O, Daejung)이 사용되었다. 또한 나노복합체 형성을 위한 PU의 합성에는 polytetramethylene glycol 3000(PTMG, Aldrich), H₁₂MDI, 1,4-BD(1,4-butandiol, Samchung), DMF가 사용되었다.
Isocyanate treated graphene(i-RGO)를 합성하기 위해서는 우선적으로 graphite oxide(GO)를 합성해야 하는데, 이를 위하여 천연흑연(natrual graphite, Hyundai Coma.Co), 진한 황산(H₂SO496%, Samchung), 과망간산칼륨(KMnO₄, Shinyo, Japan), 질산나트륨(NaNO₃, Duksane), 염산(HCl, daejung), 과산화수소(H₂O₂30%, Daejung)이 사용되었다. GO를 기능화하기 위한 시약으로는 DMF(dimethylformamide, Daejung), H₁₂MDI(diisocanatodicyclohexylmethane, Aldrich), hydrazine monohydrate(N₂H₄․H₂O, Daejung)이 사용되었다.
부근의 D 피크를 관찰하여 보았다. 광원은 아르곤 레이저(514 nm)가 사용되었다.
36 mm의 필름형태로 캐스팅하여 제작한 후, ASTM D-882를 기준으로 인장강도와 신장률을 측정하였다. 기기는 만능재료시험기(H5KT, Tinius Olsen)가 사용되었다. 인장속도는 500 mm/min으로 각 샘플 당 총 5개의 시편을 측정하여 평균값을 구하였다.
GO를 기능화하기 위한 시약으로는 DMF(dimethylformamide, Daejung), H₁₂MDI(diisocanatodicyclohexylmethane, Aldrich), hydrazine monohydrate(N₂H₄․H₂O, Daejung)이 사용되었다. 또한 나노복합체 형성을 위한 PU의 합성에는 polytetramethylene glycol 3000(PTMG, Aldrich), H₁₂MDI, 1,4-BD(1,4-butandiol, Samchung), DMF가 사용되었다.^8-9
하지만 이러한 폴리우레탄의 우수한 성질에도 불구하고 기계적 및 열적 성질의 향상에 대한 요구는 여전히 존재하고 있다. 본 연구에서는 폴리우레탄의 역학적 및 열적 성질의 향상을 위하여 폴리우레탄에 isocyanate로 표면 개질한 graphene sheet를 나노 충전제로 사용하였다.^6-7 사용된 나노충전제는 Hummers method8에 기초하여 Natural graphite를 H₂SO₄, KMnO4, H₂O₂로 산화시켜 산화 그래핀을 얻고, 표면과 가장자리에 위치한 히드록시기와 카르복실기에 isocyanate를 도입하여 isocyanate-treated graphene oxide를 제조하였다.
PU 나노복합체의 swelling ratio를 측정하기 위해 ISO 6072을 기준으로 채택하였다. 사용된 용매는 에탄올이 사용되었고, 25 ℃에서 24시간 방치 후 무게증가율을 측정하였다.
실험에 사용된 반응기는 파이렉스 상하 분리형 4구 플라스크를 사용하였고, 교반기로는 테플론 코팅된 날개 2개의 임펠러를 사용하였다. 교반기의 속도는 200 rpm으로 고정하여 사용하였다.

이론/모형

GO, i-RGO 및 graphene의 구조와 d-spacing을 통한 박리정도를 알아보기 위하여 X-ray Diffractometer(Ru200B, Rigaku)를 사용하였다.
PU 나노복합체의 swelling ratio를 측정하기 위해 ISO 6072을 기준으로 채택하였다. 사용된 용매는 에탄올이 사용되었고, 25 ℃에서 24시간 방치 후 무게증가율을 측정하였다.
i-RGO의 함량에 따른 PU수지의 물성보강효과를 보기 위하여 PU의 합성에 필요한 폴리올과 디이소시아네이트, 쇄연장제는 일정 비율로 고정하였다 (Table 1). 또한 분산효과 증진을 위해 프리폴리머법을 이용하여 PU수지를 합성하였다. 질소주 입구와 시료주입구, 온도센서, 교반기가 장착된 4구 파이렉스 반응구에 PTMG와 H12MDI를 넣고 맨틀의 온도를 70 ℃로 유지한 채 1시간 동안 균일한 조성을 이루도록 교반하여 주었다.

성능/효과

또한 G 피크가 높은 파장대로 이동되는 것을 확인할수 있다. GO와 i-RGO, TRG를 비교해 보면 환원과정을 거친 i-RGO와 TRG의 경우 부분적으로 결정격자구조의 자가회복에 의해 D 피크의 세기가 GO보다 현저하게 작아지는 것을 확인할 수가 있고, G 피크 또한 원래의 파장대로 복원되는 것을 볼 수 있다.^13-19
그 결과, i-RGO가 가장 적합한 분산성을 보였기에 이를 PU에 함량을 변화시키며 합성하여 열적, 기계적 및 표면 특성들을 측정하여 보았다. i-RGO가 PU와의 grafting을 통해 나노 가교점으로 작용하기에 i-RGO 함량이 증가함에 따라, 열 안정성, 기계적 특성, 팽윤특성, 발수성이 더욱 강화되는 것을 확인할 수 있었다. 다만 인장 및 신장률에서는 i-RGO 함량이 4 wt%를 넘어감에 따라 오히려 감소하는 경향을 확인할 수 있었는데, 이는 과량의 가교점의 형성으로 인하여 나노복합체가 brittle 해지기 때문이라고 판단된다.
Figure 8은 i-RGO 함량 변화에 따른 PU 나노복합체의 인장 및 신장률 변화를 나타낸 그래프이다. i-RGO가 함유되지 않은 순수한 PU의 경우 인장강도는 약 14.69 MPa, 신장률은 1,230%를 나타내는데 비해, i-RGO가 3 wt% 함유된 나노복합체의경우, 인장강도는 22.47 Mpa, 신장률은 1,850%로 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 표면개질이 되지 않은 graphene의 함량이 증가할수록 점차적으로 인장강도 및 신장률이 감소된다는 발표와 상반되는 것으로, 표면개질로 인하여 PU matrix와 graphene간에 긴밀한 결합이 이루어지고, 이를 통해 graphene이 PU 분자의 재배열 및 배향에 영향을 덜 미치는 것이라고 추측할 수 있었다.
Figure 10은 표면이 소수성인 graphene이 고분자에 혼합될 경우에 젖음 능력(wetting ability)를 알아보기 위한 접촉각 측정실험에 관한 데이터이다. 그림에서 볼 수 있듯이, i-RGO의 함량이 증가함에 따라, 고분자 표면의 소수성이 증가하고 그로 인해 접촉각이 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 graphene자체의 소수성과 i-RGO가 도입됨에 따라 PU 나노복합체필름 표면의 거칠기(roughness)의 증가에 기인하는 것으로 사료된다.
이는 표면개질이 되지 않은 graphene의 함량이 증가할수록 점차적으로 인장강도 및 신장률이 감소된다는 발표와 상반되는 것으로, 표면개질로 인하여 PU matrix와 graphene간에 긴밀한 결합이 이루어지고, 이를 통해 graphene이 PU 분자의 재배열 및 배향에 영향을 덜 미치는 것이라고 추측할 수 있었다. 다만 graphene 함량이 4 wt%를 넘을 경우, 과량의 가교점 형성으로 인하여 인장 및 신장률이 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있었다.²⁴
일반적으로 segment형 PU의 경우 두 단계로 열분해가 이루어지는 경향을 보이는데, 이와 유사한 그래프를 얻었다. 다만, i-RGO의 함량이 증가할수록두 번째 단계의 분해온도가 점진적으로 증가하여 i-RGO 함량이 3 wt%를 넘어가면 분해온도가 약 350 ℃까지 도달하는 것을 확인할 수 있다. 이는 i-RGO로 인한 가교도의 증가로 인한 것으로 사료되며, 열안정성 향상이 i-RGO의 함량증가에 따라 비례적으로 상승하므로, i-RGO의 분산정도는 양호하다고 판단되었다.
우선 산화그래핀의 단층면에 존재한다고 알려져 있는 에폭시(epoxy)기, 히드록시(hydroxyl)기가 각각 1,622 cm^-1, 3,315 cm^-1에서 피크가 발현되었고, 가장자리에 존재한다고 알려진 카르복실(carboxyl)기가 1,728 cm^-1에서 발현되는 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 이소시아네이트와 반응시키고 환원시켜준 i-RGO의 경우, 하이드록시기와 카르복실기의 피크가 매우 작아지거나 소멸되었고, 우레탄 결합에 의한 아마이드(amide)와카바메이트(carbamate ester) 피크가 각각 1,539 cm^-1과 1,635cm^-1에서 발현되는 것을 확인하였다. 또한 그래프에서 –NCO 피크를 2,260 cm^-1에서 관찰할 수 있는데, 이는 그래핀 층의 말단기가 우레탄 수지의 OH그룹과 결합될 수 있음을 의미한다.
또한 순수한 graphene 필름의 경우 접촉각이 150° 정도로 초발수성을 지니는 것에 비해 본 실험의 경우 90° 이하에서 나타나는 것은 PU와의 혼합 및 i-RGO의 강산, 초음파 처리에 의해 graphene 자체의 결함이 어느 정도 남아있고, 또한 표면개질로 인해 graphene 자체의 물성감소에서 기인하는 것으로 판단된다.
Figure 9는 i-RGO 함량변화에 따른 PU의 경도변화를 나타낸 그래프이다. 앞선 데이터에서 물성향상이 i-RGO가 가교점으로 작용함으로써 가교도를 향상시키기 떄문이라 서술하였는데, 이와 같은 이유로 경도도 i-RGO의 함량 증가에 따라 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 강산과 산화제로 처리된 GO의 경우, 그래핀의 층간에 산소관능기들이 삽입되어 피크가 발현되는 것을 확인할 수 있었다. 우선 산화그래핀의 단층면에 존재한다고 알려져 있는 에폭시(epoxy)기, 히드록시(hydroxyl)기가 각각 1,622 cm^-1, 3,315 cm^-1에서 피크가 발현되었고, 가장자리에 존재한다고 알려진 카르복실(carboxyl)기가 1,728 cm^-1에서 발현되는 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 이소시아네이트와 반응시키고 환원시켜준 i-RGO의 경우, 하이드록시기와 카르복실기의 피크가 매우 작아지거나 소멸되었고, 우레탄 결합에 의한 아마이드(amide)와카바메이트(carbamate ester) 피크가 각각 1,539 cm^-1과 1,635cm^-1에서 발현되는 것을 확인하였다.
47 Mpa, 신장률은 1,850%로 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 표면개질이 되지 않은 graphene의 함량이 증가할수록 점차적으로 인장강도 및 신장률이 감소된다는 발표와 상반되는 것으로, 표면개질로 인하여 PU matrix와 graphene간에 긴밀한 결합이 이루어지고, 이를 통해 graphene이 PU 분자의 재배열 및 배향에 영향을 덜 미치는 것이라고 추측할 수 있었다. 다만 graphene 함량이 4 wt%를 넘을 경우, 과량의 가교점 형성으로 인하여 인장 및 신장률이 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 5는 i-RGO 함량 증가에 따른 필름의 표면상태의 변화를 알아보기 위한 SEM image이다. 이에 의하면, 순수 PU의 경우 비정질 특성으로 인해 표면의 모폴로지가 매우 매끈하게 나타나는 반면, i-RGO가 grafting 되는 양이 증가함에 따라 필름의 표면이 거칠어지는 것을 확인할 수 있었다.
82 nm로 나타나는 것을 볼 수 있다. 즉 산화 및 기능화, 환원의 과정을 거칠수록 층간거리가 증가함을 알 수 있는데, GO의 경우 이 산소관능기들이 층간에 삽입되고, i-RGO의 경우 이 산소관능기에 부피가 큰 이소시아네이트기가 결합함으로써 층간거리가 더욱 증가한 것이라고 판단된다.^16-23

후속연구

다만 인장 및 신장률에서는 i-RGO 함량이 4 wt%를 넘어감에 따라 오히려 감소하는 경향을 확인할 수 있었는데, 이는 과량의 가교점의 형성으로 인하여 나노복합체가 brittle 해지기 때문이라고 판단된다. 이번 Top-down 방식 그래핀의 합성 및 isocyanate 기능화 등이 그 동안 그래핀의 고분자 충전제 응용에 장애가 되던 분산성 문제를 해결할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀에 존재하는 van der Waals 힘의 영향은?	그래핀은 탄소나노튜브처럼 우수한 역학적 성질과 전기전도성을 나타낼 뿐만 아니라 종횡비(aspect ratio)가 아주 크고 단위무게에 대한 표면적이 크며 열적으로도 매우 안정하여 나노복합체를위한 강화제로 사용될 수 있다. 그러나 그래핀의 층간에 나타나는 강한 van der Waals 힘은 그래핀이 아주 강하게 응집하게만들어 그래핀을 고분자 복합체의 강화제로 사용하는데 어려움이 있다.1-5 또한, 그래핀과 같은 나노소재를 효과적으로 조립하기 위해서는 용매에 분산된 상태로 이용해야 하며, 위에서 언급한 것과 같이 분산성 문제 때문에 DMF(dimethylformamide)나 NMP(N-methylpyrrolidone)와 같은 유기용매에 소량만 분산될 뿐 쉽게 분산되지 않고 뭉쳐있게 되는데, 이를 해결하기 위해서 그래핀을 공유결합 또는 비공유결합으로 개질시키는 연구들이 많이 시도되고 있다.
	graphene sheet 나노 충전제의 제작과정은?	본 연구에서는 폴리우레탄의 역학적 및 열적 성질의 향상을 위하여 폴리우레탄에 isocyanate로 표면 개질한 graphene sheet를 나노 충전제로 사용하였다.6-7 사용된 나노충전제는 Hummers method8에 기초하여 Natural graphite를 H2SO4, KMnO4, H2O2로 산화시켜 산화 그래핀을 얻고, 표면과 가장자리에 위치한 히드록시기와 카르복실기에 isocyanate를 도입하여 isocyanate-treated graphene oxide를 제조하였다. 이 표면개질 graphene sheet는 말단부분에 존재하는 isocyanate기 때문에 PU와 grephene을 가교화 함으로써 graphene의 응집에 따른 분산문제를 해결하고, 물성향상을 기대할 수 있다.
	그래핀의 장점은 무엇인가?	2004년 발견된 탄소 원자 한 층의 2차원 물질인 그래핀은 여러 가지 새롭고 우수한 물성으로 인하여 많은 연구자들의 주목을 받고 있으며, 2010년 노벨물리학상이 단원자층 그래핀을 최초로 분리한 Geim과 Novoselove 두 사람에게 수여됨으로써 전 세계의 연구자들에게 많은 관심을 끌고 있다. 그래핀은 탄소나노튜브처럼 우수한 역학적 성질과 전기전도성을 나타낼 뿐만 아니라 종횡비(aspect ratio)가 아주 크고 단위무게에 대한 표면적이 크며 열적으로도 매우 안정하여 나노복합체를위한 강화제로 사용될 수 있다. 그러나 그래핀의 층간에 나타나는 강한 van der Waals 힘은 그래핀이 아주 강하게 응집하게만들어 그래핀을 고분자 복합체의 강화제로 사용하는데 어려움이 있다.

참고문헌 (24)

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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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