본 연구에서는 탄소재료의 우수한 열적 특성을 이용하여 에폭시 수지의 열전도도 특성을 향상시키기 위해 Pitch 탄화유리섬유를 제조하고 산처리 기능화 방법을 수행하여 형태학적, 기계적, 및 열전도 특성을 관찰하였다. 그 결과, 산처리 기능화된 Pitch 탄화유리섬유는 에폭시 수지 내에서 분산성 및 계면결합력이 향상됨에 따라 기계적 물성 및 열전도 특성이 증가함을 확인하였다. 특히, Pitch 탄화유리섬유 복합재료 내의 Pitch 탄화유리섬유의 함량이 증가함에 따라 기계적 물성 및 열전도 특성이 증가하여, 탄소섬유 복합재료보다 기계적 물성은 10%, 열전도 특성은 150% 향상됨을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서 제조된 Pitch 탄화유리섬유의 우수한 구조배향성 및 계면결합력은 에폭시수지내의 분산성을 향상시키고 열전도성 경로를 형성하여 에폭시수지의 우수한 기계적 및 열전도 특성에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 탄소재료의 우수한 열적 특성을 이용하여 에폭시 수지의 열전도도 특성을 향상시키기 위해 Pitch 탄화유리섬유를 제조하고 산처리 기능화 방법을 수행하여 형태학적, 기계적, 및 열전도 특성을 관찰하였다. 그 결과, 산처리 기능화된 Pitch 탄화유리섬유는 에폭시 수지 내에서 분산성 및 계면결합력이 향상됨에 따라 기계적 물성 및 열전도 특성이 증가함을 확인하였다. 특히, Pitch 탄화유리섬유 복합재료 내의 Pitch 탄화유리섬유의 함량이 증가함에 따라 기계적 물성 및 열전도 특성이 증가하여, 탄소섬유 복합재료보다 기계적 물성은 10%, 열전도 특성은 150% 향상됨을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서 제조된 Pitch 탄화유리섬유의 우수한 구조배향성 및 계면결합력은 에폭시수지내의 분산성을 향상시키고 열전도성 경로를 형성하여 에폭시수지의 우수한 기계적 및 열전도 특성에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
In this work, pitch-carbonized glass fibers were prepared for reinforcement of composites. The influence of acid functionalization of the fibers on the morphological, mechanical, and thermal properties of fiber-reinforced epoxy matrix composites was investigated. The acid functionalization of the fi...
In this work, pitch-carbonized glass fibers were prepared for reinforcement of composites. The influence of acid functionalization of the fibers on the morphological, mechanical, and thermal properties of fiber-reinforced epoxy matrix composites was investigated. The acid functionalization of the fibers led to 10 and 150% increases in the mechanical and thermal properties, respectively, as compared to carbon fiber-reinforced composites. This can be attributed to the superior orientation of fiber structures and good interfacial interactions between fillers and epoxy matrix, resulting in enhanced degree of dispersion and formation of thermally conductive paths in the functionalized composites.
In this work, pitch-carbonized glass fibers were prepared for reinforcement of composites. The influence of acid functionalization of the fibers on the morphological, mechanical, and thermal properties of fiber-reinforced epoxy matrix composites was investigated. The acid functionalization of the fibers led to 10 and 150% increases in the mechanical and thermal properties, respectively, as compared to carbon fiber-reinforced composites. This can be attributed to the superior orientation of fiber structures and good interfacial interactions between fillers and epoxy matrix, resulting in enhanced degree of dispersion and formation of thermally conductive paths in the functionalized composites.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 Pitch 코팅된 탄화유리섬유를 제조하고 이를 필러로서 에폭시 수지 내에서 불연속적으로 분산시켰으며, 복합재료화할 때 에폭시 매트릭스와 Pitch 코팅된 탄화유리섬유 사이의 계면에서의 분산력, 기계적 특성, 및 열전도 특성을 고찰하였다.
제안 방법
본 연구에서는 Pitch 코팅된 탄화유리섬유(PCGFs)를 제조하고 에폭시 매트릭스와 복합화하여 Pitch 코팅된 탄화유리섬유의 에폭시 복합재료 내에서의 분산성, 계면결합력, 기계적 물성, 및 열전도 특성 향상에 관한 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 산처리 기능화한 aPCGFs는 표면에 도입된 산성관능기에 의해 에폭시 매트릭스 내에서의 계면결합력 향상 및 분산성을 증대시켜 aPCGFs/Epoxy 복합재료의 기계적 물성을 향상시켰다.
대상 데이터
1에 나타내었다. GS칼텍스(주)에서 공급받은 Pitch계 탄소섬유와 Pitch (Petroleum), 및 유리섬유(평균직경: 7 μm)는 제공받은 것을 1 mm로 자른 후 사용하였다.
Pitch 코팅을 위한 혼합용매로는 퀴놀린(Quinoline, 1-Benzopyridine, Sigma Aldrich Co., USA)을 Pitch 코팅된 탄화유리섬유의 표면기능화를 위한 시약으로는 질산(Nitric acid, Samchun Co., Korea)을 별도의 정제처리 없이 그대로 사용하였다.
본 연구에서 제조된 PCGFs와 산처리 기능화된 aPCGFs 및 산처리된 유리섬유(aGFs)와 Pitch계 탄소섬유(aCFs)를 각각 에폭시에 1 phr 첨가하여 원심혼합기(Planetary Centrifugal Mixer, ARE-310, THINKY Inc., USA)를 이용하여 에폭시 내의 잔류 유기용매 및 기포 등을 제거하였다. 에폭시 혼합물들에 경화제로는 2E4MZ를 에폭시 수지 대비 4 phr을 첨가하여 2차 교반하여 몰드에 채운 후, 상온으로 24 h 동안 가경화하였다.
각각 제조된 에폭시 시편들의 파괴인성은 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM, LR5K, LLOYD)를 이용하였으며, 기계적 강도 측정에 널리 사용되는 삼중점 테스트(Three Point Bending Test)를 통한 기계적 물성인자를 5회 측정하였고, 최고값과 최저값을 제외한 중간값을 평균내어 사용하였다. 이때의 물성은 single edge notched bending(SENB) 시편을 ASTM D5045 규격에 준하여 노치의 깊이는 두께의 1/2, cross-head speed는 0.
각각의 필러와 에폭시 혼합물이 경화거동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC, DSC200, NETZSCH)를 사용하여 질소분위기 하에서 승온속도는 10oC/min, 측정범위는 30~250oC의 온도범위에서 실행하였다.
이론/모형
또한, 시편들의 열전도도는 열전도도 분석기(Laser Flash Diffusivity Analyzer, LFA, LFA 447, NETZSCH)를 이용한 레이저섬광법을 이용하였으며, 시편은 두께 1 mm 및 지름 10 mm로 제작하여 측정하였고, 5회 이상 측정하여 평균값을 사용하였다.
각각 제조된 에폭시 시편들의 파괴인성은 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM, LR5K, LLOYD)를 이용하였으며, 기계적 강도 측정에 널리 사용되는 삼중점 테스트(Three Point Bending Test)를 통한 기계적 물성인자를 5회 측정하였고, 최고값과 최저값을 제외한 중간값을 평균내어 사용하였다. 이때의 물성은 single edge notched bending(SENB) 시편을 ASTM D5045 규격에 준하여 노치의 깊이는 두께의 1/2, cross-head speed는 0.75 mm/min, 및 span-to-depth ratio는 4:1로 고정하여 분석하였다.
필러 및 에폭시 시편들의 형태학적 특성을 알아보기 위하여 PCGFs, aPCGFs, aGFs, 및 aCFs 필러 및 각각의 에폭시 시편들의 파단면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, S-4300SE, Hitachi)을 사용하여 확인하였으며, 산처리 기능화 후의 필러들의 표면 화학적 조성변화는 X-선 광전자분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS, K-Alpha, Themo Scientific)을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
산처리 기능화한 aPCGFs는 표면에 도입된 산성관능기에 의해 에폭시 매트릭스 내에서의 계면결합력 향상 및 분산성을 증대시켜 aPCGFs/Epoxy 복합재료의 기계적 물성을 향상시켰다. 더불어 유리섬유의 로드구조에 따른 우수한 구조배향성 및 유리섬유 표면에 탄화코팅된 Pitch의 계면상호작용은 aPCGFs의 에폭시 복합재료 내에서의 분산성 및 계면상호작용을 향상시켜 aPCGFs가 열전도성 경로형성을 유도하여 최종적으로 에폭시 복합재료의 열전도도 향상에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 Pitch 코팅된 탄화유리섬유(PCGFs)를 제조하고 에폭시 매트릭스와 복합화하여 Pitch 코팅된 탄화유리섬유의 에폭시 복합재료 내에서의 분산성, 계면결합력, 기계적 물성, 및 열전도 특성 향상에 관한 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 산처리 기능화한 aPCGFs는 표면에 도입된 산성관능기에 의해 에폭시 매트릭스 내에서의 계면결합력 향상 및 분산성을 증대시켜 aPCGFs/Epoxy 복합재료의 기계적 물성을 향상시켰다. 더불어 유리섬유의 로드구조에 따른 우수한 구조배향성 및 유리섬유 표면에 탄화코팅된 Pitch의 계면상호작용은 aPCGFs의 에폭시 복합재료 내에서의 분산성 및 계면상호작용을 향상시켜 aPCGFs가 열전도성 경로형성을 유도하여 최종적으로 에폭시 복합재료의 열전도도 향상에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유의 장점은 무엇인가?
최근 이러한 필러의 특성을 극복할 수 있는 대체재로 탄소재료들이 각광받고 있다. 탄소섬유는 크립(Creep) 저항성, 피로, 부식, 마찰, 마모특성 및 화학적 안정성이 우수하며 열전도도가 상온에서 1,100 W/mK 정도로 구리나 은과 같은 전도성 금속보다 우수하다고 알려져 있다[8,9]. 하지만, 고분자를 매트릭스로 사용하는 탄소재료에서의 열전도는 고분자 내의 포논(Phonon)의 진동현상에 의해 이루어지는데, 이때 열전도도 향상을 위해서는 매트릭스 내에서의 포논의 산란 최소화와 균일한 분산이 요구된다[4,10-12].
고분자 내의 포논(Phonon)의 진동현상은 어떠한 현상인가?
하지만, 고분자를 매트릭스로 사용하는 탄소재료에서의 열전도는 고분자 내의 포논(Phonon)의 진동현상에 의해 이루어지는데, 이때 열전도도 향상을 위해서는 매트릭스 내에서의 포논의 산란 최소화와 균일한 분산이 요구된다[4,10-12]. 이는 격자점을 중심으로 이루어지는 원자의 진동에 따른 원자간의 상호작용에 따라 나타나는 현상으로서, 열전도를 저해하는 요소로 포논-포논 산란, 경계면 산란, 고분자 매트릭스와 필러간의 계면결함에 의한 산란 등이 있다. 따라서 높은 열전도도 특성을 지니는 고분자 복합재료를 얻기 위해서는 고분자 내에서 포논의 원활한 이동 뿐만 아니라 포논의 산란을 최소화하여 열전도성 경로(Thermally Conductive Path)의 형성을 극대화하는 것이 중요한 인자로 알려져 있다[13].
고방열 재료의 개발이 필수적인 이유는 무엇인가?
최근 전자산업의 급격한 발전으로 전자제품의 속도향상과 기능화로 인한 전력소모가 증가함에 따라 발생열을 효과적으로 방출해주는 문제가 중요하게 대두되고 있다. 전자기기내에 발생한 열은 전자기기의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 수명을 단축시키는 문제를 야기하기 때문에 이를 해결할 수 있는 고방열 재료의 개발이 필수적이다[1-3].
참고문헌 (29)
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